CN1051616A - 绝热管结构 - Google Patents

Abstract

一种绝热管结构，通过给耐火材料提供一种不限 制其由于热膨胀所产生的运动的支承机构，来防止耐 火层由于热循环而发生破坏。另一方面，通过在耐火 材料和绝热管的外壳内表面之间设置可挤压的绝热 纤维板层，来防止由于耐火材料的热膨胀而在所述外 壳中产生的过度圆周应力。

Description

本发明一般涉及绝热管道或导管，特别是涉及一种能防止由热循环引起绝缘损坏的新型绝热管结构。

在流化床锅炉中，需要收集热的颗粒物质（固体颗粒）并将固体颗粒返送到炉膛的燃烧区。如图1所示，导管10用于传送固体颗粒，它通常包括一个钢制外壳12，外壳内衬有一个多层耐火混合物14。耐火混合物14通常包括一个位于钢制外壳12内壁或内表面18上的绝热耐火层16，和一个致密的，抗蚀的耐火层20，耐火层20包围着绝热耐火层16并在导管10中以其内壁22限定一条通道21。一般利用焊接在钢制外壳12内壁18上的锚钉24支承耐火混合物14，而且对每层耐火层16和20都可提供单独的锚钉24。

在正常运行期间，高温固体颗粒通过导管10传送。固体颗粒的温度在1500°F-1800°F范围，但也可能具有较低的温度。在温度平衡状态，致密的抗蚀耐火层20的内壁22具有和通过导管10传送的热的颗粒物质相同的温度，而钢制外壳12的外壁26的温度通常在165°F-225°F范围内。

耐火层16和20的性能可根据厂商的供货、应用和加工而有很大的变化。但这种结构的共同点是：

1.绝热耐火层16通常被浇铸或喷涂在钢制外壳12和内壁18上。然而，对绝热性能要求越高，则绝热耐火层16的强度就越低。

2.致密的耐火层20通常也是浇铸或喷涂的，它比绝热耐火层16具有高得多的重量和强度。

这种结构带来的问题是：（1）耐火层16和20会破坏;（2）当这些内部耐火层破坏时，会由于过热而损害钢制外壳12。在起动期间，导管10的温度从环境温度上升到运行温度。由于经导管10传送的固体颗粒作为热源，故导管10从内壁22接受热量。这种加热使得致密的耐火层20径向膨胀，并且由于绝热耐火层16和钢制外壳12的加热速度滞后于致密的耐火层20的加热速度，所以致密的耐火层20将压缩绝热耐火层16，从而产生高于绝热耐火层16的破坏强度的应力。另外，这种热载荷传递到钢制外壳12，在外壳内产生极高的圆周应力，此应力可能会超过所用钢的屈服强度。接连的加热和冷却循环使上述过程持续进行，趋向于使绝热耐火层16破坏，由此引起钢制外壳12过热并可能发生软化。

钢制外壳一般是垂直安置的。当锚钉24仅用作抵抗致密的耐火层20重力的垂直支承件时，就会由于耐火层16和20作用在锚钉24上的悬臂载荷而在锚钉24中引起弯曲应力。作用在锚钉24上的这个悬臂载荷将随着绝热耐火层16的不断损坏而增加。当锚钉24弯曲时，致密的耐火层20中的应力会沿着每根锚钉24汇聚，产生应力集中。致密的耐火层20上的点或线拉伸载荷将引起耐火层20断裂。最终裂纹会扩展到整个致密的耐火层20，使其一片片地脱落，从而使绝热导管10破坏。

因此，希望开发一种改进的绝热管结构，它能防止由热循环导致的致密耐火层的损坏。

本发明提供一种新的绝热管结构，它能最大限度地降低或消除由于绝热管中的耐火材料的热膨胀而在绝热管中产生的圆周应力，并且能够消除由锚钉引起的作用在耐火材料上的点或线拉伸载荷。

因此，本发明的一个方面是提供一种导管。此导管包括一个具有内表面的外壳。一层耐火材料（或绝热材料）设置在外壳内并形成一条传送高温物质的内部通道。还设置了一个与所述外壳内表面接触的托架，它用于抵抗外壳中耐火材料的重力而将其支承住，但它并不限制耐火材料由于热膨胀而产生的运动。

本发明的另一方面是提供一种具有第一段和第二段外壳的导管。每段外壳内设置有一层耐火材料，用于构成一条传送高温物质的内部通道。每段外壳具有一个与其内表面接触的托架，用于抵抗每段外壳中耐火材料的重力而将其支承住，但托架并不限制耐火材料由于热膨胀而产生的运动。第一段外壳叠放在第二段外壳上，以使每段外壳中的内部通道对齐，由此在两段外壳中形成一条传送高温物质的连续的内部通道。还提供了用于将第一段外壳固定到第二段外壳上的机构。

本发明的再一方面是提供一种包括一个具有内表面的圆柱形外壳的导管。设置在外壳中的一层耐火材料形成一条传送高温物质的内部通道在耐火材料层和外壳内表面之间，还设置了一层绝热纤维板，此纤维板层在耐火材料发生径向热膨胀时受到挤压，以防止在外壳中产生过度的圆周应力。另外，还提供了一个用于抵抗外壳中的耐火材料的重力而对其实施支承的环形托架，此环形托架并不限制耐火材料由于热膨胀而产生的运动。

为了更好地理解本发明、其工作优点以及其具体的使用效果，下面结合附图对本发明的一个优选实施例进行说明。

图1为先有技术中典型的绝热导管的剖面图;

图2是根据本发明的两段式绝热导管的剖面图，其中一段叠置在另一段的顶部;

图3是沿图2中线3-3所截的剖面图，为清楚起见，其中省略了绝热材料。

参见附图，特别是图2和3，其中相同的标号表示相同或相似的部件。图2和3表示了用于传送高温颗粒物质的导管30。应予理解的是，虽然导管30的横截面通常是圆柱形的（下面将以此来讨论），但这只是为描述本发明的优选实施例而做为例子来提出的，并不意味着要限制本发明。导管30也可具有其它几何形状的横截面，这些都将属于本发明的构思和范围之内。

导管30包括一个套管或外壳32，外壳32具有一个内壁或内表面34。外壳32一般由碳钢制成。不过，取代先有技术中绝热耐火层16的是设置在外壳32内表面34上的一层绝热纤维板36。绝热纤维板36由根据ASTMC612  Class  5  HT  block的材料制成，使得纤维板在其表面承受载荷时易于产生变形。这种材料的一个供应商是US  Gypsum，其产品名称为K-FAC  19。致密的抗蚀耐火内层38设置在绝热纤维板36的内部并位于上部，以提供一内表面40，内表面40限定了一条传送高温物质的通道41。

致密的耐火层38最好是熔凝硅石制品。这种材料的一个供应商是“北美耐火材料公司”（North  American  Refractories  Company），其产品名称为HPV-SX。这种材料对于致密耐火层有良好的绝热性，但之所以选用它主要是考虑它具有好的抗冲击和抗蚀性能。当加热时，致密耐火层38将膨胀，由此将加载于并压缩位于致密耐火层38和外壳32的内表面34之间的纤维板层36。然而，由于绝热纤维板层36的变形特性，使得这些热致载荷仅仅挤压绝热纤维板层36，以吸收热致载荷。其结果是，实际施加到外壳32的内表面34上的压力载荷被减小到可忽略的程度或被彻底消除，并且防止了在外壳32中出现过度的圆周应力。

当然也必须给致密耐火层38提供支持其重力的支承件，不过要求能消除由锚钉42的弯曲而引起的作用在致密耐火层38上的点或线拉伸载荷。为此，采用一个环形托架44来支承致密耐火层38的重力。锚钉42仍被用于制造导管30，并且它和致密耐火层38拉固在一起仍会由于热循环而使其中的裂纹扩展。环形托架44允许致密耐火层38在温度循环期间膨胀和收缩，而不限制其运动，由此避免了可能导致致密耐火层38破坏的拉伸应力。

环形托架44由多个分离的环形段46构成，环形段46的厚度为t，宽度为W，彼此间留有膨胀间隙48。环形段46一般由不锈钢制成。膨胀间隙48围绕着环形托架44的圆周较为均匀地间隔设置。由环形段46限定的内壁50的直径稍大于限定传送高温物质的通道41的直径。利用这种结构，环形段46的顶端47不承受通道41中传送的物质的高温，因为顶端47是由致密耐火层38遮盖的。从热传递的观点来看，环形段46的作用就象一个扩展的表面散热片，它的整体设计温度的上升将使每个环形段46的顶端47靠近导管30的通道41。通过保持致密耐火层38对环形段46的顶端47的遮盖，就可减小对环形段46的热传递，从而降低了环形段46的设计温度。

在正常工作期间，环形托架44的内壁50的温度可近乎达到1000°F，而且外壁52的温度只大约为350°F。如果不提供膨胀间隙48的话（它将环形托架44分割成多个环形段46），这种剧烈的温差就将使环形托架44弯曲成锥形（很象一个BELLEVILLE垫圈）。这种弯曲会导致致密耐火层38运动，由此向锚钉42施加一个载荷，此载荷将引起致密耐火层38断裂。然而，膨胀间隙48防止了环形托架44发生上述这种锥形弯曲。

焊接或固定在外壳32内表面34上的剪切唇54将由致密耐火层38和绝热纤维板层36的重量所引起的作用在环形托架44上的载荷传递到外壳32上。剪切唇54的数量是由所施加的载荷来决定的，剪切唇54一般也由碳钢制成。为了防止每个环形段46向内转动，沿着每个环形段46的外壁52的外周边焊接或固定一块弯板56。这样，弯板56和每个环形段46就构成了一个具有L形横截面的部件。或者环形段46和弯板56也可制成一个整体件。直角夹58焊接在外壳32内表面34高于弯板56的地方，但它们并不焊接或固定到弯板56上。直角夹58与弯板56啮合，以便将每个环形段46上的转动载荷传递到外壳32上。直角夹58一般也由碳钢制成。

环形段46以不受约束的方式座靠在剪切唇54上，每个环形段46仅仅用一个直角夹58扣在外壳32上。通过每个环形段46只用一个直角夹58，并通过将每个直角夹58设置在每个环形段46的中部，就可以在发生热膨胀时防止每个环形段46的弯曲。如果在每个环形段46上设置两个或多个直角夹，那么当环形段46受热时就易于产生弯曲并导致翘曲。本发明结构允许环形段46在热膨胀时以非约束的方式水平或径向地运动，这样基本上消除了环形段46的所有翘曲或不希望的运动。其结果是，防止了由其支承的致密耐火层38的运动，并且避免了前述的通常由锚钉42造成会在致密耐火层38中引起裂纹的点或线载荷。另外，在环形段46和外壳32，直角夹58或剪切唇54之间可以采用相同的金属焊接。最终，热循环可以导致致密耐火层38断裂，但外壳32将在一个相当长的期间内把碎块保持在一起，这是因为致密耐火层38是由环形托架44支承的。

如上所述，环形托架44被分成多个环形段46，环形段46由膨胀间隙48彼此隔开。环形段46的实际数量取决于几个因素，尽管图2和3示出了8个环形段，但也能使用较少的环形段46，此时每个环形段46将比上述情况承受更多比例的致密耐火层38的重量。每个环形段46的厚度t是根据每个环形段46的弯板56横断面上的弯曲应力的计算值来选定的。通常使每个环形段46的宽度W大约为所支承的致密耐火层38的厚度的3/4。由于对每个环形段46仅采用一个直角夹58，所以对于数量较少而体积较大的环形段46来说，将要求采用较大且较结实的直角夹58，以防止每个环形段46转动。因为转动载荷最终要传递到外壳32壁上每个直角夹58与外壳32的内表面34的固定点上，所以采取上述措施是完全可以实现防转效果的。如果作用在每个环形段46上的载荷太大，则传到外壳32的载荷将导致外壳32的壁发生局部扭曲或变形。此外，使用较少的环形段46会使环形段经受热循环时产生锥形变形的可能性增大。由于这一现象将引起致密耐火层38运动，从而导致前述的由锚钉42作用在致密耐火层38上的破坏性的点或线载荷，所以是不能接受的。

对本发明的这种分段组装式导管进行了试验，将两段高为4英尺、内部通道直径为30英寸、外径为54英寸的碳钢外壳垂直叠置在试验台上。将一个燃烧器连接在外壳的底部以烧烤两段外壳，并利用一个位于出口的热电偶控制其烧烤速率。一连进行了24次试验，其中致密耐火层38的内表面被从环境温度加热到1600°F。循环次数与一台锅炉在5-10年内的实际循环次数相仿，并且温升速率与实际锅炉启动状态基本相仿。

在每次温度循环之后，对致密耐火层38的内表面进行表现检验，并且在一连串试验后对一个组装段进行破坏性检查。试验结果表明，致密耐火层38没有因环形托架44的膨胀或因锚钉42作用在致密层38上的点或线载荷而发生断裂。而且即使是在环形段46的宽度W两侧存在350°F-1000°F的温差以及同时承受耐火材料的重力载荷的情况下，也未发现环形托架44的环形段46发生卷曲或错位。环形段46依然保持与弯板56垂直，它能自由地膨胀而不会给致密耐火层38带来剪切力，同时锚钉42不会承受到弯曲力。因此，基本上保证了致密耐火层38中没有裂纹。

从商业观点来看，这种绝热管结构的一个优点是降低了制造成本。先有技术结构的概率寿命一般仅为1-2年，超过这个期限就要更换全部耐火混合物14。根据试验数据，本发明设计的预定概率寿命为5-10年。本发明的绝热管结构易于被积木化制成具有任意长度的管段，然后，将管段被彼此叠置起来。在相邻管段之间，设置一个最好由KAOWOOL或其它类似材料制成的垫圈或膨胀接头60，并用环缝焊62将管段固定起来。通过将这些管段进行预组装，就可以将锅炉的停机时间缩至最短，并极大地降低了无效生产成本。

尽管为了表明本发明原理的应用，而对一个具体实施例进行了图示和详细的说明，但是对于本领域的普通技术人员来说，在阅读了上述说明之后能做出某些修改和改动。例如，虽然将本发明描述成适用于垂直导管，但本发明能同样有利地用于任何导管，其中的绝热材料能被本发明的支承机构有效地支承住。类似地，虽然谈到使用“致密”耐火层（高温物质从中传送），但应明白，如果不强求“致密”耐火层的抗蚀性能，则那些具有重量轻、低密度和低强度的“绝热”耐火层也是可以采用的。因此，尽管本发明的绝热管结构的一个特殊应用是用于传送高温物质（例如用于流化床燃烧锅炉中），但本发明还能应用到通过绝热管传送气态或液态或者它们与高温颗粒物质的混合物的场合。所以应该理解，所有这些为简明易懂起见而在说明书中未提到的修改和改动，都属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (20)

1、一种导管，包括：

一个具有内表面的外壳，

一层设置在外壳中并用于形成一条传送高温物质的内部通道的绝热材料，

一个与外壳的内表面接触的托架，它用于抵抗外壳中绝热材料的重力而对其实施支承，但它并不限制绝热材料由于热膨胀而产生的运动。

2、根据权利要求1的导管，其特征是所述托架由连接到外壳内表面上的剪切唇支承。

3、根据权利要求2的导管，其特征是所述托架由多个区段组成，各区段由膨胀间隔彼此分开。

4、根据权利要求3的导管，其特征是还包括防止托架的区段绕剪切唇转动的防转机构。

5、根据权利要求4的导管，其特征是所述防转机构包括多个连接在托架的每个区段的外周边上并和区段一起构成L形横截面的板件，以及多个直角夹，在每个板件上都各装有一个直角夹，直角夹连接在外壳内表面上，用来与板件接合。

6、根据权利要求1的导管，其特征是还包括防止外壳由于绝热材料的热膨胀而产生过度圆周应力的机构。

7、根据权利要求6的导管，其特征是：所述防止外壳由于绝热材料的热膨胀而产生过度圆周应力的机构包括一层设置在绝热材料层和外壳内表面之间的绝热纤维板，绝热纤维板在绝热材料发生热膨胀时受到挤压。

8、根据权利要求1的导管，其特征是还包括在绝热材料中裂纹扩展时保持绝热材料为一整体的保持机构。

9、根据权利要求8的导管，其特征是所述绝热材料的保持机构包括连接在外壳内表面并埋入绝热材料的锚钉。

10、根据权利要求1的导管，其特征是所述外壳具有圆柱形横截面。

11、根据权利要求1的导管，其特征是所述托架是环形托架。

12、根据权利要求3的导管，其特征是所述托架的区段为环形段。

13、一种导管，包括：

一个第一段和一个第二段外壳，每段外壳具有一层设置在外壳内并形成传送高温物质的内部通道的绝热材料以及一个与外壳内表面接合的托架，托架用于抵抗每段外壳中绝热材料的重力以对其实施支承，但它并不限制绝热材料由于热膨胀而产生的运动，第一段外壳叠放在第二段外壳上，以便在两段外壳中形成一条连续的内部通道，

用于将第一段外壳固定到第二段外壳上的固定机构。

14、根据权利要求13的导管，其特征是所述固定机构包括一个设置在第一段和第二段外壳之间的垫圈和一条将第一段外壳连接到第二段外壳的环缝焊缝。

15、一种导管，包括：

一个具有内表面的圆柱形外壳，

一层设置在外壳中并形成一条传送高温物质的内部通道的耐火材料

一层位于所述耐火材料层和外壳内表面之间的绝热纤维板，该纤维板在耐火材料发生热膨胀时受到挤压，以防止在外壳中产生过度的圆周应力，

一个用于抵抗外壳中耐火材料的重力以对其实施支承的环形托架，该环形托架并不限制耐火材料由于热膨胀而产生的运动。

16、根据权利要求15的导管，其特征是环形托架由多个环形段组成，环形段由膨胀间隙彼此分开。

17、根据权利要求16的导管，其特征是所述环形段由连接在外壳内表面上的剪切唇支承。

18、根据权利要求17的导管，其特征是还包括防止环形段绕剪切唇转动的防转机构。

19、根据权利要求18的导管，其特征是所述防转机构包括多个连接在每个环形段的外周边并和环形段构成L形横截面的弯板，以及多个连接在外壳内表面上用于与弯板接合的直角夹。

20、根据权利要求19的导管，其特征是所述环形段和弯板被制成一个整体件。

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