CN107110408B - 处于高温、高压瞬态以及在循环加载下的异种管道接头 - Google Patents

Abstract

描述了一种异种管道接头布置(28)，其包括第一管道区段(30)和第二管道区段(31)，以及第一管道区段与第二管道区段之间的异种管道接头，第一和第二连续管道区段(30,31)分别由具有不同的材料特性和性质的第一和第二金属材料(M5,M6)制成。实现了改进的寿命和扩展的适用性，其中，所述异种管道接头(28)为联接接头(F1,F2)，由所述第一金属材料(M5)制成的所述第一管道区段(30)在一个端部处设有由所述第一金属材料(M5)制成的第一联接件(F1)，由所述第二金属材料(M6)制成的所述第二管道区段(31)在一个端部处设有由所述第二金属材料(M6)制成的第二联接件(F2)，并且第一联接件(F1)和第二联接件(F2)螺栓连接在一起，借此第一密封件通过在第一联接件(F1)和第二联接件(F2)的正面之间的直接金属接触来建立。

Description

处于高温、高压瞬态以及在循环加载下的异种管道接头

技术领域

本发明涉及包括不同材料的区段的管道的技术。它涉及异种管道接头(dissimilar piping joint)。

背景技术

不同的金属/合金的使用可造成该接头的应力和寿命减少的问题，该金属/合金它们的冶金特性不同，并且在该上下文中称为接头中的“异种金属(dissimilar metal)”，其暴露于高温、高压负载、高循环以及具有外力和力矩的高瞬态。

行业中的现行规范和标准/文献关于此类接头的特性和安全性的信息较少，并且情况往往为不安全的。

图1示出了联合循环发电装置(CCPP)10的基本方案。图1的联合循环发电装置10包括经由热回收蒸汽发生器(HRSG)19连接于水/蒸汽循环12的燃气涡轮11。

燃气涡轮11包括压缩机14，其穿过空气入口13抽吸空气并且将压缩的空气输送至燃烧器15，在燃烧器15中用于通过焚烧燃料16生成热气体。热气体驱动涡轮17，并且涡轮17的排出气体18经过热回收蒸汽发生器19，并且最后作为废气20离开。

热回收蒸汽发生器19生成用于蒸汽涡轮21的蒸汽。此外，来自热回收蒸汽发生器19的水供给至空气冷却器22，并且用于冷却来自压缩机14的压缩空气，其供给至涡轮以用于冷却目的。在水穿过水入口管道24供应的同时，生成的蒸汽经由蒸汽出口管道23流回至热回收蒸汽发生器19。

例如，联合循环发电装置的更详细的计划在文档US 6,018,942中示出。

燃气涡轮11的高压空气冷却器22通常需要由奥氏体不锈钢制成，以避免高温腐蚀产物进入涡轮17的热气体路径部分。同时，冷却器22连接于其的装置的剩余水/蒸汽侧由铁素体钢制成。冷却器22的蒸汽出口管道23处的焊接连接为以上阐明的异种金属接头或焊接，并且因此经历减少的寿命问题。

情况在图2中更详细地示出：蒸汽出口管道23在特殊的异种管道接头25中连接于空气冷却器22，其中由三种不同或异种的材料M1、M2和M3制成的管道区段与彼此连接。包括水平传感线27的管道区段的材料M1为例如不锈钢，M2为例如镍合金，并且M3为例如马氏体铁素体钢。虽然由材料M1和M2制成的管道区段之间的接头为不那么关键的，但是由材料M2和M3制成的管道区段之间的焊缝26为混合的焊缝，其在异种金属材料M2和M3之间的接头处为必须的。

导致此类异种金属连接的过早失效的主要因素之一为在装置的启动期间管道的壁中的非常高的温度梯度。

发明内容

本发明的目的在于避免结合异种金属材料之间的异种管道接头描述的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于异种材料的管道区段的异种管道接头，其没有待现场执行的混合焊缝。

本发明的另一目的在于提供一种用于异种材料的管道区段的异种管道接头，其考虑到蠕变、疲劳及它们相互作用实现延长的寿命，并且导致低维护活动。

本发明的另一目的在于提供一种用于异种材料的管道区段的异种管道接头，其不需要对管道设计和支承构思进行重大修改，并且因此对现有服务车队(service fleet)有益。

本发明的另一目的在于提供一种用于异种材料的管道区段的异种管道接头，其具有低重量的影响，并且因此不需要作为工作系统的已经存在的管道的重大修改，该已经存在的管道暴露于载重量、作为力和力矩的外部负载、热限制膨胀、风和地震负载。

这些及其它目的由根据本发明的异种管道接头获得。

根据本发明的异种管道接头布置包括第一管道区段和第二管道区段，以及第一管道区段与第二管道区段之间的异种管道接头，第一和第二管道区段分别由具有不同的材料特性和性质的第一和第二金属材料制成。管道区段可为管道的部分，例如经受高压、高温、高循环、高蠕变以及外力和力矩的边界条件的管道，尤其是在联合循环发电装置(CCPP)中。

它的特征在于，所述管道接头为联接接头，由所述第一金属材料制成的所述第一管道区段在一个端部处设有由所述第一金属材料制成的第一联接件，由所述第二金属材料制成的所述第二管道区段在一个端部处设有由所述第二金属材料制成的第二联接件，并且第一联接件和第二联接件螺栓连接在一起(例如，借助于螺栓和螺母)，借此第一密封件通过在第一联接件和第二联接件的正面之间的直接金属接触来建立。

根据本发明的实施例，所述第一和第二联接件焊接于它们相应的管道区段。

根据本发明的另一实施例，所述联接件的所述正面为稍微锥形的。

具体而言，所述联接件的所述正面为锥形的，其中孔口的角度在178°到179.9°之间的范围中。

根据本发明的另一实施例，所述第一材料为镍基合金，并且所述第二材料为铁素体/马氏体合金。

根据本发明的另一实施例，所述第一管道区段离第一联接件的另一端处焊接至第三管道区段，其由不同于所述第一和第二金属材料的第三金属材料制成。

根据本发明的又一实施例，所述第一和第二联接件(其正面为稍微锥形的)各自具有中心开孔，所述第一密封件建立成邻近于所述联接件的所述中心开孔，并且提供第二密封件，该第二密封件包绕所述第一密封件，并且使异种管道接头在所述第一密封件的失效的情况下保持紧密。

具体而言，所述第二密封件包括放置在环形空间中的金属密封环，该环形空间由所述联接件的所述正面中的衬套凹槽构成。衬套凹槽在第一和第二联接件附接于彼此时邻近于彼此。

根据本发明的另一实施例，所述第一和第二联接件具有显著地小于标准ASMEB16.5联接件的外尺寸的外尺寸。

根据本发明的另一实施例，提供了具有以上描述的异种管道接头布置的联合循环发电装置。

具体而言，所述第一和第二管道区段连接所述联合循环发电装置的燃气涡轮的空气冷却器和所述联合循环发电装置的热回收蒸汽发生器。

附图说明

本发明现将借助于不同的实施例并且参照附图来更紧密地阐明。

图1示出联合循环发电装置(CCPP)的简化方案；

图2示出空气冷却器与包括临界混合焊缝的热回收蒸汽发生器HRSG之间的示例性现有技术管道连接；

图3示出根据本发明的联接异种管道接头的实施例；

图4将根据本发明实施例的联接件的大小与根据ASME标准具有相同内直径的联接件的大小比较；

图5示出根据本发明的实施例的具有稍微锥形正面的联接件的细节；以及

图6示出根据本发明的实施例的具有多个密封件的联接接头的纵向截面。

具体实施方式

优选用于联合循环发电装置中的管道中的不锈钢管道区段和铁素体钢管道区段的连接的问题是：

·CTE(热膨胀系数)不匹配的优化

·操作压力和温度额定值的实现

·装置启动期间急剧升降的瞬态条件

·蠕变、疲劳及它们相互作用的考虑

· 寿命和允许循环次数

·终身免费维修-不受操作制度的干扰

·现场无混合焊缝

·外力和力矩

·方便现有布置的现场置换

·ASME和PED认证。

根据本发明，考虑到所涉及的材料的不同机械性质的异种金属联接接头其本身用于提供具有不同材料特性和性质的联接面之间的临界材料过渡，而不需要材料的熔合(混合焊缝)，即使考虑到高压、高温、高循环、高蠕变以及外力和力矩的边界条件的组合，也可实现所需的寿命。

图3示出根据本发明的联接异种管道接头28的实施例。由材料(金属)M4制成的第一管道区段29借助于不那么关键的(材料30为联接件的一体的部分))焊缝32连接于由材料(金属)M5制成的第二管道区段30。第二管道区段30和由第三材料(金属)M6制成的第三管道区段31借助于包括联接件F1和F2的联接接头连接。联接件F1由与第二管道区段30相同的材料(即，材料M5)制成。联接件F2由与第三管道区段31相同的材料(即，材料M6)制成。联接件F1和F2借助于适合的螺栓33和螺母34连接。

联接接头F1,F2表示从材料M5至材料M6的直接材料过渡。

由于材料M5和M6在异种管道接头28中的该布置，现场仅同质焊接工作为必须的(现场无混合焊缝)。不同热膨胀率的优化由材料M5和材料M6的正确选择来完成。

联接件F1和F2的外部尺寸可与根据ASME B16.5标准的标准联接尺寸显著偏离。图4示出联接件35(根据ASME B16.5标准具有焊接颈部)与(紧凑型)联接件36(根据本发明的实施例具有相同的内直径)的外尺寸的比较。如从图4可看见的，联接件36的整体高度h2小于ASME标准联接件35的整体高度的一半。联接件36的联接高度h1为ASME标准联接件35的联接高度的大约一半。联接件36的外侧直径d为ASME标准联接件35的外直径的近似2/3。

因此，紧凑型联接件36与常规(标准)焊接颈部联接件35相比具有仅大约60％的材料体积。

该联接件F1和F2的材料体积的减少提供了各种优点：

·瞬态期间改进的热应力特性

·更轻的重量

· 对管道支承系统的影响可忽略不计→没有必要对支承构思的修改。

其它优点与联接件F1和F2关于它们的正面的具体设计有关。根据图5，联接件F1和F2具有稍微锥形的正面42，正面42的锥度或锥体(tapering)由两个不同的角度α和β限定。角度β限定了正面42的主要部分(在圆形凹槽40内)的锥度，而角度α与连接开孔37和圆形凹槽40之外的边缘部分的锥度有关。角度α和β分别通过公式

或

与锥形正面42的孔口角度θ相关。

其中角度α范围在0.05°到0.75°之间，并且β范围在0.08°到1.00°之间，孔口角度θ的角度可说成范围在178°到179.9°之间。此外，联接件F1,F2的后侧也具有锥度，其具有范围在0.04°到0.8°之间的角度γ(孔口角度在179.92°到178.4°之间)。

具有角度α和β的两级双角度设计导致接头的寿命优化。具有主要正面的角度β的锥度限定联接件F1,F2的内开孔(根部)38处的接触压力(见图6中的密封件S1)。联接面由于优化的螺栓预紧力的弹性变形以外侧直径处它们的锥度角α使面闭合(见图6中的密封件S3)。

在任何情况下，必须考虑由于铁素体(材料M6)和镍基联接材料M5的不同膨胀造成的剪切力(CTE不匹配优化)。

根据本发明的实施例的联接异种管道接头在图6的纵向截面中以连接状态示出。联接件F1和F2由延伸穿过连接开孔37(图4)的螺栓33和螺母34连接。

紧凑型联接件F1,F2具有无压缩的软垫片，这直接影响螺栓预紧。由于联接件F1和F2的正面42处的金属对金属接触，建立了限定的表面压力。因此，螺栓预紧损失可仅由金属特性驱动，而不是由任何垫片压缩损失驱动。

如图6中示出的，紧凑型联接设计包括两个主要密封区域，其中第一金属面对面密封件S1邻近于联接件F1,F2的中心开孔38(根部)。第二密封件S2包绕第一密封件S1。第二密封件S2包括由各个联接件F1,F2的正面中的相对的衬套凹槽39构成的中空环形空间41a。金属密封环41在联接件F1,F2连接时插入到环形空间41a中并且沿径向方向压缩。

外第二密封件S2在内第一密封件S1(根部区域)开启时仅在操作中，导致双重密封而不是仅一个主要密封件。第二密封S2的金属密封环为自激的。垫片仅由螺栓力压缩。第三密封件S3用作环境密封件。

根据本发明及其各种实施例的管道过渡的性能特征可概括如下：

·考虑到所涉及的材料的不同机械性质的异种金属联接接头(F1,F2)其本身用于提供具有不同材料特性和性质的联接面41之间的临界材料过渡，而不需要材料的熔合(混合焊缝)，即使考虑到高压、高温、高循环、高蠕变以及外力和力矩的边界条件的组合，也可实现所需的寿命，

·所涉及材料的CTE(热膨胀的系数)不匹配经由材料选择来优化，该材料选择覆盖一侧上的给定边界条件，并且提供最小的可能的CTE差异，

·一个实施例涉及联接面角度α和β以及预应力的设计，其优化成控制整个联接系统的蠕变和疲劳特性，以实现寿命和负载循环的目标值，

·螺栓33的数量和直径考虑到由于外力和力矩造成的蠕变、疲劳以及应力而优化。螺栓负载具有非常高的预紧(范围高达120-160kN)，以考虑到在服务期间预期的预紧的高损失将联接接头28保持在一起。螺栓加载应用有特殊的液压工具，以仅实现张力，并且没有由于扭矩造成的附加应力，

·利用主密封件S1和二级密封件S2的双重密封用作为联接件设计的典型特征：对于主密封件S1而言，机械完整性计算用于经由适当地预应力整个系统来控制局部应力、蠕变以及疲劳特性，以便实现给定的负载循环和寿命。以此类方式，主密封件S1在预定寿命之后仍充分接触。即使在预期寿命结束时也不需要二级密封件S2的功能。二级密封件S2将几乎没有看见任何与液体和压力接触，但是被认为是防备泄漏的附加安全措施。即使在主密封件S1将失去足够的接触压力的情况下，二级密封件S2也可超过全紧密功能。这导致无泄漏设计，符合100％EHS标准。

根据本发明的解决方案的益处是：

·现场待执行的混合焊缝的防止，

·考虑到蠕变、疲劳及它们相互作用的延长寿命的实现。所涉及的构件设计用于增加的操作间隔(最高达到50,000 EOH)。它们之间不需要维护，其将扰乱操作。因此，维护活动更少，

·双重密封防备泄漏确保了，即使在主密封件损失足够的接触压力的情况下；二级密封件也可超过全紧密功能，

·预期管道设计和支承构思没有重大修改，这对现有服务车队有益，

·新的联接件构思具有低重量的影响，这意味着联接件安装不需要作为工作系统的现有管道的重大修改，该现有管道暴露于载重量、作为力和力矩的外部负载、热限制膨胀、风和地震负载。

零件列表

10 联合循环发电装置(CCPP)

11 燃气涡轮(GT)

12 水/蒸汽循环

13 空气入口

14 压缩机

15 燃烧器

16 燃料

17 涡轮

18 排出气体

19 热回收蒸汽发生器(HRSG)

20 废气

21 蒸汽涡轮

22 空气冷却器(例如，OTC)

23 蒸汽出口管道

24 水入口管道

25,28 管道接头

26,32 焊缝

27 水平传感线

29,30,31 管道区段

33 螺栓

34 螺母

35 联接件(根据ASME)

36 联接件(根据本发明的实施例)

37 连接开孔

38 中心开孔

39 衬套凹槽

40 凹槽

41 密封环(金属)

41a 环形空间

42 正面

d (外)直径

F1,F2 联接件

h1,h2 高度

M1-M6 材料

S1,S2,S3 密封件

α,β,γ 角度

θ 孔口的角度

A,B 距离。

Claims (12)

1.一种异种管道接头布置(28)，其包括第一管道区段(30)和第二管道区段(31)，以及所述第一管道区段与所述第二管道区段之间的异种管道接头，所述第一和第二管道区段(30，31)分别由具有不同的材料特性和性质的第一和第二金属材料(M5，M6)制成，其特征在于，所述异种管道接头(28)为联接接头(F1，F2)，由所述第一金属材料(M5)制成的所述第一管道区段(30)在一个端部处设有由所述第一金属材料(M5)制成的第一联接件(F1)，由所述第二金属材料(M6)制成的所述第二管道区段(31)在一个端部处设有由所述第二金属材料(M6)制成的第二联接件(F2)，并且所述第一联接件(F1)和所述第二联接件(F2)螺栓连接在一起，借此第一密封件(S1)通过在所述第一联接件(F1)和所述第二联接件(F2)的正面(42)之间的直接金属接触来建立；

其中，所述第一和第二联接件(F1，F2)各自具有中心开孔(38)，所述第一密封件(S1)建立成邻近于所述联接件(F1，F2)的所述中心开孔(38)，并且提供第二密封件(S2)，所述第二密封件(S2)包绕所述第一密封件(S1)，并且使所述异种管道接头(28)在所述第一密封件(S1)的失效的情况下保持紧密。

2.根据权利要求1所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第一和第二联接件(F1，F2)焊接于它们相应的管道区段(30，31)。

3.根据权利要求1所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述联接件(F1，F2)的所述正面(42)为稍微锥形的。

4.根据权利要求3所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述联接件(F1，F2)的所述正面(42)为锥形的，其中孔口的角度在178°到179.9°之间的范围中。

5.根据权利要求1所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第一材料为镍基合金，并且所述第二材料为铁素体/马氏体合金。

6.根据权利要求5所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第一材料为2级合金625，并且所述第二材料为合金。

7.根据权利要求1所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第一管道区段(30)在离所述第一联接件(F1)的另一端处焊接至第三管道区段(29)，所述第三管道区段(29)由不同于所述第一和第二金属材料(M5，M6)的第三金属材料(M4)制成。

8.根据权利要求7所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第三金属材料(M4)为钢。

9.根据权利要求1所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第二密封件(S2)包括放置在环形空间(41a)中的金属密封环(41)，所述环形空间(41a)由所述联接件(F1，F2)的所述正面(42)中的衬套凹槽(39)构成。

10.根据权利要求1所述的异种管道接头布置，其特征在于，所述第一和第二联接件(F1，F2；36)具有显著地小于标准ASME B16.5联接件(35)的外尺寸的外尺寸。

11.一种联合循环发电装置，其包括权利要求1所述的异种管道接头布置。

12.根据权利要求11所述的联合循环发电装置，其特征在于，所述第一和第二管道区段连接所述联合循环发电装置(10)的燃气涡轮(11)的空气冷却器(22)和所述联合循环发电装置(10)的热回收蒸汽发生器(19)。

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