CN107107249B - 用于制造高压截止阀的壳体中间部件的方法 - Google Patents

用于制造高压截止阀的壳体中间部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于由耐高温的钢制造高压截止阀的壳体中间部件(1)的方法，其中，两个模锻的具有锻接的套管(4a、4b)的壳体中间部件半壳(1a、1b)通过电子射线焊接方法在无焊接添加物的情况下通过对接的焊缝(2)相互焊接，所述焊缝在横向于所述套管延伸的、划分所述壳体中间部件的平面(3)中延伸。为了在最佳制造成本的情况下提高疲劳强度并降低重量，本发明建议，在焊缝因子WSF＝1的基础上对各壳体中间部件半壳的壁厚进行整体设计，并且在产生所述焊缝之后，使整个壳体中间部件经受彻底的热处理，所述热处理包括加热至相变温度、淬火和回火，其中，各壳体中间部件半壳的壁在考虑静态负荷、热负荷和热力学负荷的情况下设计得尽可能薄。

Description

用于制造高压截止阀的壳体中间部件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于由耐高温的钢制造高压截止阀的壳体中间部件的方法，其中，两个模锻的具有锻接的套管的壳体中间部件半壳通过电子射线焊接方法在无焊接添加物的情况下通过对接的焊缝相互连接，所述焊缝在横向于所述套管延伸的、划分所述壳体中间部件的平面中延伸。
背景技术
这种方法例如由DE10010367B4已知。但是考虑到在此期间要求的增加现在碰到许多问题，更确切地说是由于以下原因：
近年来在越来越多的领域使用了来自风能和太阳能发电机的所谓可再生能量，用于供应电能。因为不能持续地提供这些能量来源，所以对于这些不可避免的供能漏洞来说，热电站是必须的，其功率根据需要必要时在白天快速地上下变化。这导致，热电站的所有导热设备不仅必须承受为达到高效率所需的超过600℃的高温以及超过200bar的压力，而且还必须附加承受温度梯度陡直的温度变化。由于此原因，对于这种热电站的设备来说，只能使用耐高温的钢材，尤其是马氏体的9至12％的铬钢，例如X10CrMoVNb9-1(材料号1.4903，简称P91)或X10CrWMoVNb9-2(材料号1.4901，简称P92)。必要时，也能够应用其它耐高温的钢材。
尤其对于由耐高温的钢材构成的构件上的焊缝来说，上面提到的新的负荷谱是有问题的。对于这种钢材来说，由于其接合复杂性，疲劳强度(Zeitstandfestigkeit)在焊缝的热影响区内会明显降低，这通过焊缝的局部热处理也无法消除。由于此原因，对于由这种耐高温的钢制成的、受压的、焊接的壳体来说，相关的检测和监控规则要求考虑足够的焊缝因子WSF(weld strength factor)，并且尤其允许使用必要时填充所述焊缝的焊接添加物。
所述“焊缝因子”WSF随着试验温度的上升而快速明显变小。因此，例如对于12％的CrMoV-钢来说，在试验温度为500℃时需要WSF＝0.8的焊缝因子，并且在试验温度为600℃时需要WSF＝0.5的焊缝因子。这意味着，在试验温度超过600℃时必须使壁厚(至少在焊缝区域)加倍。这当然会明显增加重量。
但如果壳体经常遭受具有陡直的温度梯度的大的温度波动，基于所述焊缝因子WSF所需的壁的加厚会影响该壳体的疲劳强度。对于厚的壁来说，从内朝外或者从外朝内的温度差异会在材料的内部引起强烈的多轴线的应力，这会对疲劳强度产生不利影响。由于焊缝因子不佳而加厚壁会使壳体对快速的温度波动敏感。
在使用电子射线焊接方法时不使用焊接添加物，因此无需困难地选择合适的焊接添加物。但在电子射线焊接时沿着焊缝产生了狭窄的热影响区(WEZ)，在此热影响区中出现了影响疲劳强度的组织变化。在这种借助电子射线焊接方法制成的焊缝方面借助中子衍射实施的最新的研究得出：即使试图事后借助按现在技术常见的局部热处理使这些焊缝无应力，仍然还在这种焊缝的附近区域会留下影响疲劳强度的应力(参照“Charakterisationof Residual Stress in Electron Beam welded P91 Plates by NeutronDiffraction”，公开发表在International Journal of Metalurgical Engineering2013，2(1):79-84)。
由于此原因，对于受压的、焊接的壳体来说，即使焊缝在电子射线焊接方法中不使用焊接添加物的情况下制成，相关的检测和监控规则也要求考虑上面讨论的焊缝因子。这导致，现在通过上面讨论的新的负荷谱会碰在技术可行性的边界上。
该两难选择使得借助按现有技术提供的措施几乎不能制造出前述类型的高压截止阀的壳体中间部件，其使上面讨论的新的负荷谱保持得足够长。为将壳体中间部件制成为一体进行的各种尝试(更确切地说，由大块状物铣削或通过锻造整个的中空体)均高成本并且在技术上也证明不可用，因为在壁厚足够薄的设计方案中很难为滑板设置在壳体中间部件的内部空间中所需的配合面(密封面)。在壳体中间部件的内部所需的凹槽或焊缝同样会明显地影响疲劳强度。
发明内容
因此，本发明的目的是，如下改进前述类型的方法：借助简单的措施能够实现明显更轻的壳体中间部件的制造，其即使在温度以陡直的温度梯度变化频繁的情况下也具有足够的疲劳强度。
为了实现此目的，本发明提出一种用于由耐高温的钢制造高压截止阀的壳体中间部件的方法，其中，两个模锻的具有锻接的套管的壳体中间部件半壳通过电子射线焊接方法在无焊接添加物的情况下通过对接的焊缝相互焊接，所述焊缝在横向于所述套管延伸的、划分所述壳体中间部件的平面中延伸，其中，在焊缝因子WSF＝1的基础上对壳体半壳的壁厚进行整体设计，并且在产生所述焊缝之后使整个壳体中间部件经受彻底的热处理，所述热处理包括加热至相变温度、淬火和回火，其中，各壳体中间部件半壳的壁在考虑静态负荷、热负荷和热力学负荷的情况下设计得尽可能薄。
本发明首先利用了这样的情况：在电子射线焊接时，即使在焊缝深度大时也无需焊接添加物，因为在对接焊缝的焊缝侧上的基体材料直接相互熔接在一起。通过在这种焊接方法中使熔解热聚焦在非常窄的空间上，除了该焊缝以外还产生非常窄的热影响区(WEZ)。通过按本发明规定的彻底的热处理(其包括加热超过相变温度、淬火和回火)，这意味着对完成焊接的壳体中间部件的完整的重新调质，这使得在基本材料在所述焊缝上形成新的无干扰的调质组织，从而完全消除了焊缝，并且借助常规的组织检测不再能确定该焊缝。由于该原因，首次能够并且可能在焊缝因子WSF＝1的基础上对壳体中间部件的壁厚进行整体设计。这意味着，经焊接的壳体中间部件不再需要由焊缝决定的壁增厚，而是能够相应地设计得比传统的电子射线焊接的壳体中间部件明显更轻，此外还由于其整体上更薄的壁使上面描述的新的负荷谱保持得更好。相对于用于制造无缝壳体中间部件的通过空心锻造或由块状物铣削的已知方法，按本发明的方法在制造成本上明显更低，并且除了明显节省重量以外，还能更好地根据需求构造具有锻造的配合面和用于阀板的引导装置的壳体内侧。
相应地，本发明的方法规定，在所述模锻时，所述壳体中间部件半壳一体地包含所述配合面和套管锻造成。这具有特别的优点是，事后无需设置用于座圈的凹口，该凹口经常是形成裂缝的起点。
此外规定，在模锻时，壳体颈部半壳一体地锻接在壳体中间部件半壳上，并且在电子射线焊接时，设有锻接的壳体颈部半壳的壳体中间部件半壳焊接成具有颈部的壳体，其中，在两个壳体中间部件半壳和两个壳体颈部半壳之间的对接焊缝在相同的平面中延伸。因此不必事后锻接壳体颈部，这在一体制成的壳体中间部件中是迄今还不可避免的。通过将所述壳体中间部件半壳和壳体颈部半壳之间的对接焊缝位于相同的平面中，这些焊缝能够在一定程度上在焊接装置中的唯一夹紧的过程中实现。
在壳体颈部一半的内侧中，在按本发明的方法中也同样加工出用于容纳支撑环的凹槽，该支撑环用于自密封的壳体封闭盖。
这同样适用于壳体中间部件半壳和/或壳体颈部半壳上的内部所需的引导元件，用于引导高压截止阀的阀板。
此外还要求保护一种用于高压截止阀的壳体中间部件，所述壳体中间部件根据本发明的方法制成。
附图说明
下面借助附图详细地阐述了本发明的实施例。附图如下：
图1示出了按本发明的壳体中间部件的纵向剖面图；
图2示出了图1的左边的壳体中间部件半壳的纵向剖面图；
图3示出了图2的沿流经方向看的视图；
图4示出了按图2和图3的壳体中间部件半壳的透视图；
图5示出了图2的从上方看的俯视图；
图6示出了按本发明的方法制成的具有壳体颈部的壳体的纵向剖面图；
图7示出了左边的按图6具有颈部的壳体半壳的纵向剖面图；
图8示出了图7的沿流经方向看的视图；
图9示出了图7的从上方看的俯视图；
图10示出了图7的壳体半壳的透视图；
图11示出了按本发明的方法制成的、具有按一种变型实施方式的颈部的壳体的纵向剖面图；以及
图12示出了图11的沿流经方向看的视图。
具体实施方式
在附图中上高压截止阀的由耐高温的钢制成的壳体中间部件在其整体用附图标记1表示。它由两个壳体中间部件半壳1a和1b构成，它们沿着对接的焊缝2(该焊缝具有焊缝侧面2a和2b)通过电子射线焊接在无焊接添加物的情况下相互焊接。该对接的焊缝2在横向于高压截止阀的流经方向延伸的平面3中延伸，该平面大致在中间分开壳体中间部件1。
这些壳体中间部件半壳1a和1b以按本发明的方法在锻模中锻造。它们尤其良好地适合在锻模中进行这种加工，因为它们能够从相反的侧面大面积地接近。
壳体中间部件半壳1a和1b的壁在考虑静态负荷、热负荷和热力学负荷的情况下设计得尽可能薄，并且尤其在焊缝侧面2a和2b的区域中没有材料增厚。即在焊缝因子WSF＝1的基础上对该壁厚整体上进行设计。
此外如从图中可看到的一样，这两个壳体中间部件半壳1a和1b设置有锻接的管状的套管4a和4b，并且在它们的内侧设有锻压的、包围着套管4a或4b的配合面5。
此外如从图6至图10以及图11和图12示出的一样，这些壳体中间部件半壳1a和1b在锻模方法中也设置有锻接的壳体颈部半壳6a和6b，它们与壳体中间部件半壳1a和1b类似也通过电子射线焊接在无焊接添加物的情况下连接成朝上延长壳体中间部件1的壳体颈部6。在此，连接所述壳体颈部半壳6a和6b的对接焊缝在与连接壳体中间部件半壳1a和1b的焊缝2相同的平面中延伸。
此外如从图11可见，在这些壳体颈部半壳6a和6b的内部铸造出凹槽7，其用于支撑未示出的、朝上密封壳体颈部6的盖式封闭装置。同样，这些壳体中间部件半壳1a和1b和/或壳体颈部半壳6a和6b设置有未详细示出的、锻造出的引导元件，用于高压截止阀的阀板。
为了准备通过电子射线焊接的焊接过程，首先将待相互焊接的各表面磨得光滑。在随后的焊接过程中，这些对接的相互抵靠的侧面在无焊接添加物的情况下相互熔接在一起。对此所需的热量借助电子射束进入各磨光滑的侧面之间的空隙中。
随后，对完成焊接的壳体整体上进行彻底的热处理，该热处理包括加热超过相变温度、淬火和回火。在对焊接的壳体进行完整的重新调质时，也在该焊缝上产生了不受干扰的调质组织，所述重新调质是按相关耐高温的钢的常规调质规则进行的。因此，这样制成的壳体具有由相同材料制成的无焊缝的壳体的特性。

Claims (6)

1.一种用于由耐高温的钢制造高压截止阀的壳体中间部件的方法，其中，两个模锻的具有锻接的套管(4a、4b)的壳体中间部件半壳(1a、1b)通过电子射线焊接方法在无焊接添加物的情况下通过对接的焊缝(2)相互焊接，所述焊缝在横向于所述套管(4a、4b)延伸的、划分所述壳体中间部件(1)的平面(3)中延伸，其特征在于，在焊缝因子WSF＝1的基础上对各壳体中间部件半壳(1a、1b)的壁厚进行整体设计，并且在产生所述焊缝(2)之后使整个壳体中间部件(1)经受彻底的热处理，所述热处理包括加热至相变温度、淬火和回火，其中，各壳体中间部件半壳(1a、1b)的壁在考虑静态负荷、热负荷和热力学负荷的情况下设计得尽可能薄。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述模锻时，所述壳体中间部件半壳(1a、1b)包含配合面(5a、5b)和套管(4a、4b)一体地锻造。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在所述模锻时，各壳体颈部半壳(6a、6b)一体地锻接在所述壳体中间部件半壳(1a、1b)上，并且在电子射线焊接时，设有锻接的壳体颈部半壳(6a、6b)的各壳体中间部件半壳(1a、1b)焊接成具有颈部的壳体，其中，电子射线焊缝在所述两个壳体中间部件半壳(1a、1b)和所述两个壳体颈部半壳(6a、6b)之间在相同的平面中延伸。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述模锻时，将凹槽(7)施加到各壳体颈部半壳(6a、6b)的内侧中，用于容纳自密封的壳体颈部盖式封闭装置的支撑环。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述模锻时，在所述壳体中间部件半壳(1a、1b)和/或所述壳体颈部半壳(6a、6b)的内侧上锻造出引导元件，用于所述高压截止阀的阀板。
6.一种用于高压截止阀的壳体中间部件，其特征在于，所述壳体中间部件根据权利要求1至5中任一项所述的方法制成。
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