CN107676764B - 实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构 - Google Patents

Abstract

在高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体集箱的新型转换结构，属于发电技术领域。本发明专利的技术特点是：包括不锈钢小集箱、铁素体大集箱、不锈钢受热面管子和铁素体小管径管子；不锈钢小集箱的进口连接不锈钢受热面管子，不锈钢小集箱的出口通过小管径管子对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换，然后与铁素体大集箱连接。本发明利用成熟的小管径管子对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换，解决焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料，且满足ASME标准对材料使用温度的要求。

Description

实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构

技术领域

本发明涉及一种锅炉用材料转换结构，具体涉及一种适用于先进超超临界大容量高效发电机组蒸汽温度在620℃至650℃之间的锅炉用不锈钢受热面管体至铁素体钢出口集箱的材料转换结构,属于发电技术领域。

背景技术

汽轮发电机组作为火力发电的核心技术经历了一百多年的发展历程。为了节省燃料和保护环境。机组的运行参数经过了不断的提升从而提高机组循环效率。对于适合我国经济发展和环保要求的大型高效燃煤机组，现在电力行业正在攻关630-650℃蒸汽温度的锅炉设计。对于这一蒸汽温度等级的锅炉,和高温管道连接的出口集箱还应该使用成熟低价的蠕变强化型铁素体钢。成熟材料为P92.与奥氏体不锈钢相比，P92的低膨胀系数有效地减少服役过程中冷热交替造成的热应力疲劳失效几率；同时较低的Cr和Ni元素含量大大降低了制造成本。P92耐热钢拥有众多优点使其成为最广泛应用于超临界和超超临界锅炉集箱、管道等厚壁部件的耐热钢钢种，因此有成熟的制造和加工工艺。

出口集箱的材料决定了集箱管接头也应该是同等级的蠕变强化型铁素体材料(P92或T92)。但是对于这一蒸汽等级的锅炉，其过热器，再热器出口炉膛以外受热面部分管子的壁温很可能已经超过了ASME标准T92的允许使用温度(649℃)，因此无法采用和集箱同等级的铁素体材料作为集箱的管接头。这里就存在一个如何合理可靠地按照国际标准的要求设计从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的材料转换问题。

目前国内和国外锅炉厂家基本上采用以下三种不同的方式来实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的材料转换：

1、在铁素体(P92)集箱上采用最短的铁素体(T92)管接头(图4)-这种设计是不满足设计标准的，有很大的安全隐患。既然已经认识到炉膛以外的受热面管子壁温已经超过了T92的允许使用温度因此大部分管子不能采用T92材料，那么管接头的设计温度也一定超过了T92的允许使用温度，按标准要求不能使用T92。而且管接头处除了有内压引起的应力，还有弯曲和热膨胀及其几何形状和焊接引起的附加应力和应力集中，处于更恶劣的应力环境，通常是首先出现裂纹的部位。另外由于管子壁温偏差使得某些管子温度偏离平均值较多，这种结构很可能使得集箱的某局部温度提高，即相邻两管或多管之间温度远超出了集箱的设计温度，使得集箱的设计也不安全。

2、利用小集箱经一次混合后降低下游连接管的温度，在连接管上实现不锈钢和铁素体材料的转换(图5)-这是一种П型锅炉的典型过热器和再热器出口结构形式。同一屏出口的不锈钢受热面管子首先进入一不锈钢小集箱再经过一连接管进入P92汇集集箱。因为经小集箱混合每屏管子里的蒸汽后，蒸汽温度降低，混合后小集箱的下游能够安全地使用铁素体P92材料，不锈钢至铁素体钢的材料转换可以设置在小集箱后连接管上。这种结构虽然满足了ASME标准对材料使用温度的要求，但是由于不锈钢和P92的热膨胀系数偏差较大，两种材料如果在通常的连接管上直接对焊，锅炉在服役过程中冷热交替循环运行时在焊口处会出现超出材料所能承受的热应力。现有的一种可行设计，这种设计采用镍基合金INCONEL740H作为两种材料的过渡段。由于这种镍基合金的热膨胀系数在不锈钢和P92钢之间，能够降低与不锈钢和与P92钢焊口处的热应力，并且强度性能很好，过渡段可以更薄，有利于进一步降低两焊口处的热应力。图6给出了最终优化后的设计，这种设计虽然可行，但是首次在大型电站燃煤锅炉上采用了昂贵的镍基合金材料。而且这种材料及其焊接工艺在电站锅炉上的应用还不属于成熟技术。使得锅炉的造价提高，安全性也难以保证。

3、利用小集箱直接插入大集箱，降低小集箱一次混合后温度，在小集箱插入大集箱前的直段焊口处实现不锈钢和P92材料的转换(图7)-这是另一种典型的过热器，再热器蒸汽出口采用大小集箱的结构。这种结构是把小集箱的一端焊到大集箱上，它和以上第二种结构有类似的问题，要想在小集箱进入大集箱前实现不锈钢至铁素体钢P92材料的转换需要采用INCONEL740H过渡段。除了以上第二种设计中提出的问题以外，这种结构又增加了新问题。加了过渡段和三个焊口后，小集箱到大集箱之间连接距离增加太多，造成集箱和管道的布置空间不够的问题。

以上三种设计结构对620-650℃蒸汽温度的锅炉来说，都有不足之处.都不能在过热器和再热器出口圆满地,安全地实现不锈钢受热面管子至铁素体钢P92集箱材料的转换，并且避免使用昂贵的且不成熟的镍基合金材料和焊接工艺。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，目的是设计一个简单且安全可靠的结构，利用成熟的小管径管子对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换，解决焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料，且满足ASME标准对材料使用温度的要求。本发明的设计都利用多根小管径管子来有效地控制热应力，实现不锈钢和铁素体钢的直接焊接连接。本发明把这种小管焊接结构用于小集箱和大集箱之间，原因在于对620℃以上蒸汽温度的锅炉，首先需要利用小集箱进行同屏管子中蒸汽的混合来降低蒸汽温度后才能安全可靠地把材料转换成铁素体钢。

方案一：一种在П型锅炉的高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，包括不锈钢小集箱、铁素体大集箱、不锈钢受热面管子和铁素体小管径管子；所述不锈钢小集箱垂直布置，铁素体大集箱水平布置于不锈钢小集箱的上方，不锈钢小集箱的进口连接不锈钢受热面管子，不锈钢小集箱的出口通过小管径管子的对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换,然后与铁素体大集箱连接。

进一步地：所述不锈钢小集箱经过混合同屏不锈钢受热面管子中的蒸汽来降低蒸汽温度,使得不锈钢小集箱下游的材料转换为铁素体钢。

进一步地：所述不锈钢小集箱下游的材料转换是通过铁素体小管径管子与不锈钢管接头对接焊接技术来实现的。解决了焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料作为过渡段。

进一步地：所述铁素体小管径管子与不锈钢管接头的管径和壁厚根据满足降低热应力的需要来选取，管径和壁厚越小热应力越低。为了保证系统阻力,小管径管子的根数需要做相应的调整。

方案二：一种在塔式锅炉的高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，包括不锈钢小集箱、铁素体大集箱、不锈钢受热面管子和铁素体小管径管子；所述不锈钢小集箱垂直或水平布置，铁素体大集箱水平布置于不锈钢小集箱的上方，不锈钢小集箱的进口连接不锈钢受热面管子，不锈钢小集箱的出口通过小管径管子的对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换,然后与铁素体大集箱连接。

进一步地：所述不锈钢小集箱经过混合同屏不锈钢受热面管子中的蒸汽来降低蒸汽温度,使得不锈钢小集箱下游的材料转换为铁素体钢。

进一步地：所述不锈钢小集箱下游的材料转换是通过铁素体小管径管子与不锈钢管接头对接焊接技术来实现的。解决了焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料作为过渡段。

进一步地：所述铁素体小管径管子与不锈钢管接头的管径和壁厚根据满足降低热应力的需要来选取，管径和壁厚越小热应力越低。为了保证系统阻力,小管径管子的根数需要做相应的调整。

有益效果：

本发明的有益效果是利用成熟和安全可靠的技术来实现620℃以上蒸汽温度锅炉的过热器和再热器出口，从不锈钢受热面管体至铁素体大集箱的材料转换。发明的两种结构设计都能够用有效的方法来降低材料转换焊口处的热应力，使设计满足强度要求，满足ASME标准对材料使用温度的要求，不需要使用昂贵的镍基合金作为过渡段。

附图说明

图1是本发明适用于П型锅炉的高温管屏出口材料转换结构示意图；

图2是本发明适用于塔式锅炉的高温管屏出口材料转换结构示意图；

图3是620℃及以下蒸汽温度锅炉的高温管屏出口通常采用的材料转换结构示意图；

图4是第一种高温管屏出口到集箱的结构设计图(无小集箱)；

图5是第二种高温受管屏出口到集箱的结构设计图(连接管过渡段)；

图6是连接管镍基合金过渡段的优化设计图；

图7是第三种高温受管屏出口到集箱的结构设计图(小集箱过渡段)。

图中标记如下：

1-不锈钢小集箱；2-铁素体大集箱；3-不锈钢受热面管子；4-铁素体小管径管子；5-不锈钢小管径管接头；6-炉顶水平管子；7-炉膛垂直管壁。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1、如附图1所示本发明的实施例提供了一种在П型锅炉高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其包括不锈钢小集箱1、铁素体大集箱2、不锈钢受热面管子3和铁素体小管径管子4；所述不锈钢小集箱1垂直布置，铁素体大集箱2水平布置于不锈钢小集箱1的上方，不锈钢小集箱1的进口连接不锈钢受热面管子3，不锈钢小集箱1的出口通过小管径管子的对接焊接来实现不锈钢5至铁素体钢4的转换,然后与铁素体大集箱2连接。所述不锈钢小集箱1经过混合同屏管子3中的蒸汽来降低蒸汽温度,使得小集箱下游的材料可以转换为铁素体钢.所述不锈钢小集箱1下游的材料转换是通过使用成熟的不锈钢和铁素体钢小管径管子对接焊接技术来实现的,解决了焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料作为过渡段.所述小管径管子的管径和壁厚能够根据满足降低热应力的需要来选取,管径和壁厚越小,热应力越低。为了保证系统阻力,小管径管子的根数需要做相应的调整。

实施例2、如附图2所示本发明的实施例提供了一种在塔式锅炉的高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其包括不锈钢小集箱1、铁素体大集箱2、不锈钢受热面管子3和铁素体小管径管子4；所述不锈钢小集箱1垂直或水平布置，铁素体大集箱2水平布置于不锈钢小集箱1的上方，不锈钢小集箱1的进口连接不锈钢受热面管子3，不锈钢小集箱1的出口通过小管径管子的对接焊接来实现不锈钢5至铁素体钢4的转换,然后与铁素体大集箱2连接。所述不锈钢小集箱1经过混合同屏管子3中的蒸汽来降低蒸汽温度,使得小集箱下游的材料可以转换为铁素体钢.所述不锈钢小集箱1下游的材料转换是通过使用成熟的不锈钢和铁素体钢小管径管子对接焊接技术来实现的,解决了焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料作为过渡段.所述小管径管子的管径和壁厚能够根据满足降低热应力的需要来选取,管径和壁厚越小,热应力越低。为了保证系统阻力,小管径管子的根数需要做相应的调整。

以上两个实施例的设计：都利用多根小管径管子来有效地控制热应力，实现不锈钢和铁素体钢的对接焊接。在600-620℃蒸汽温度的锅炉设计上，过热器，再热器出口受热面管子通常在穿过炉顶后，尽快转换成铁素体钢管(T92)从而与下游的铁素体集箱连接(见图3)。这种不锈钢和铁素体钢小管径管子的对接焊，虽然两种材料有大的热膨胀系数偏差，但由于管径小壁厚薄，焊接和运行时产生的热应力都没有超过材料的允许范围，已经被广泛地采用，显然是成熟的设计。当蒸汽温度提升到620℃以上时，受热面管子穿过炉顶以后也不能立即转换成铁素体钢。但是如果经过小集箱混合每屏中管子里的蒸汽后，蒸汽温度降低，就提供了在小集箱后转换成铁素体材料的可能。图1和图2显示的设计在大小集箱之间采用小管径管子来实现不锈钢至铁素体钢的转换。图1适用于П型锅炉,图2适用于塔式锅炉，具体地图1的结构适用于П型锅炉的末级高温受热面出口，图2的结构适用于塔式锅炉的末级高温受热面出口。这里П型炉和塔式炉都包括一次和二次再热锅炉。小集箱进口连接不锈钢受热面管子，出口连接至大集箱的小管径管子，经小集箱混合同屏管子里的蒸汽后，蒸汽温度降低，材料可以尽快地转换成铁素体钢。

两种结构都能够通过增加焊口处管子根数来减小管子的管径和壁厚，从而达到降低热应力至材料强度允许值以下的目的，满足设计标准的要求，保证压力件的安全可靠性。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，具体为一种在П型锅炉的高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：包括不锈钢小集箱(1)、铁素体大集箱(2)、不锈钢受热面管子(3)和铁素体小管径管子(4)；所述不锈钢小集箱(1)垂直布置，铁素体大集箱(2)水平布置于不锈钢小集箱(1)的上方，不锈钢小集箱(1)的进口连接不锈钢受热面管子(3)，不锈钢小集箱(1)的出口通过小管径管子的对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换,然后与铁素体大集箱(2)连接。

2.根据权利要求1所述的实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：所述不锈钢小集箱(1)经过混合同屏不锈钢受热面管子(3)中的蒸汽来降低蒸汽温度,使得不锈钢小集箱(1)下游的材料转换为铁素体钢。

3.根据权利要求1或2所述的实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：所述不锈钢小集箱(1)下游的材料转换是通过铁素体小管径管子(4)与不锈钢管接头(5)对接焊接技术来实现的。

4.根据权利要求3所述的实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：所述铁素体小管径管子(4)与不锈钢管接头(5)的管径和壁厚根据满足降低热应力的需要来选取，管径和壁厚越小热应力越低。

5.实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，具体为一种在塔式锅炉的高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：包括不锈钢小集箱(1)、铁素体大集箱(2)、不锈钢受热面管子(3)和铁素体小管径管子(4)；所述不锈钢小集箱(1)垂直或水平布置，铁素体大集箱(2)水平布置于不锈钢小集箱(1)的上方，不锈钢小集箱(1)的进口连接不锈钢受热面管子(3)，不锈钢小集箱(1)的出口通过小管径管子的对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换,然后与铁素体大集箱(2)连接。

6.根据权利要求5所述的实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：所述不锈钢小集箱(1)经过混合同屏不锈钢受热面管子(3)中的蒸汽来降低蒸汽温度,使得不锈钢小集箱(1)下游的材料转换为铁素体钢。

7.根据权利要求5或6所述的实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：所述不锈钢小集箱(1)下游的材料转换是通过铁素体小管径管子(4)与不锈钢管接头(5)对接焊接技术来实现的。

8.根据权利要求7所述的实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构，其特征在于：所述铁素体小管径管子(4)与不锈钢管接头(5)的管径和壁厚根据满足降低热应力的需要来选取，管径和壁厚越小热应力越低。