EP0123940B1 - Wassergekühlter Kondensator - Google Patents

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EP0123940B1
EP0123940B1 EP84103599A EP84103599A EP0123940B1 EP 0123940 B1 EP0123940 B1 EP 0123940B1 EP 84103599 A EP84103599 A EP 84103599A EP 84103599 A EP84103599 A EP 84103599A EP 0123940 B1 EP0123940 B1 EP 0123940B1
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titanium
water
condenser
welded
jacket
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Werner Muri
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
    • F28B1/02—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using water or other liquid as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/20—Fastening; Joining with threaded elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49373—Tube joint and tube plate structure

Definitions

  • the invention relates to a water-cooled condenser, in which the condenser tubes made of titanium are rolled and / or welded at their ends in a tube sheet and in which the tube sheets are either welded to the condenser jacket or the water chamber jacket with a fillet weld or are screwed together by means of flanges.
  • condensers which are arranged at the so-called cold end of engines and have the purpose of giving a larger pressure and heat gradient by generating the greatest possible vacuum, for example to a steam turbine, are known.
  • the cladding In the welded construction, when using titanium tubes, the cladding must also consist of titanium for the reasons mentioned. However, due to the thermal stresses that occur, there is a risk - even if only slightly - of the plating becoming detached. Since this is completely unthinkable, especially in today's nuclear plants, which place extremely high demands on the purity of the feed water, the power plant operators demand completely safe solutions. As far as corrosion and tightness are concerned, only titanium tube sheets can be considered in addition to the titanium tubes.
  • a water-cooled condenser is known with a steel condenser jacket, in which titanium tubes penetrate and are rolled into a steel tube sheet and are welded with their ends in a special titanium plate in front of the tube sheet.
  • This configuration solves the problem of the otherwise common welded pipe / tube sheet connection.
  • the titanium plate itself is screwed directly to the water chamber and screwed to the tube sheet via spacers. The latter is also screwed to the capacitor jacket. Since the steel tube plate is thus to be connected to the steel condenser jacket, there are no difficulties in terms of material technology, even if in the illustrated case the air can penetrate into the vapor space of the condenser due to the simple screw connection.
  • the invention defined in the characterizing part of the claim is therefore based on the object to provide a connection of the tube sheet with the steel sheet of the condenser jacket or the water chamber jacket in a water-cooled condenser of the type mentioned.
  • the invention thus makes it possible for the first time ever to use titanium tube sheets in welded constructions and to provide the critical point with an absolutely tight welded joint in flange constructions.
  • FIG. 1 with the capacitor jacket made of simple carbon steel is designated, which is welded together in FIG. 1 with the water chamber wall 2, also made of simple steel sheet.
  • the wall 2 is completely on the water side and the jacket 1 is partially provided with a protective coating 3, which is usually a rubber layer, but can also be a glass fiber reinforced epoxy resin paint.
  • the tube sheet 4 is made of pure titanium. It is equipped with a large number of titanium tubes 5, which can either be rolled, welded in at their ends or both.
  • the fresh cooling water is conveyed from the first water chamber 7 into the second, opposite water chamber through these tubes, which form the actual cooling surface and which penetrate the entire length of the steam chamber 6 and are supported in support plates (not shown).
  • the steam to be condensed flows in cross flow in the steam chamber 6.
  • the inside of the capacitor jacket 1 is now provided with explosive-plated titanium 8 at the point at which the connection to the tube sheet 4 takes place. Because of the strength of the cladding, its axial extension (in relation to the tube axes) is larger than it would be according to the tube sheet thickness.
  • Explosive plating or explosive welding is a process that can be used to produce metal combinations that are not possible by fusion welding.
  • the titanium sheet is placed over the capacitor jacket to be coated at a small distance.
  • the explosive distributed on the titanium sheet is detonated on one side, whereupon the detonation zone runs over the titanium at high speed and accelerates it onto the capacitor jacket. This creates very high pressures in the collision zone, which lead to flowing metal boundary layers and thus to large-area welding.
  • the tube sheet 4 is over its entire circumference by means of fillet welds 9 and. 10 welded to the cladding 8 and thus to the capacitor shell.
  • the new solution is more advantageous in that the dreaded rust efflorescence cannot occur even with leaky pipe connections.
  • the usual downtime preservation is superfluous.
  • the rubber coating is much simpler than before, since the tube plate / shell connection point cannot be bridged.
  • the protective cover 3 is only pulled over the slanted end of the cladding.
  • both the capacitor jacket 1 and the water chamber wall 2 are each with a welded flange 1 'and. 2 'provided, between which the titanium tube sheet is screwed tightly by means of the screw connection 12 only indicated.
  • the protective cover 3 is included in the flange.
  • explosive-plated titanium 8 ' is arranged here on the sealing surface of the flange 1'. The plating is completely sealed with a weld seam 9 'after the tube sheets have been fitted with the condenser shell.
  • the flange 1 ' is provided with a recess 11 in the zone of the sealing weld.
  • the vapor space is thus secured both against air ingress and against cooling water, which could seep in via a possibly leaking protective covering 3 and the screw holes.
  • Concerns that the explosive plating could become detached are irrelevant in this version, because the plating is due to the screw connection is finally subjected to pressure.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen wassergekühlten Kondensator, bei welchem die Kondensatorrohre aus Titan an ihren Enden in jeweils einen Rohrboden eingewalzt und/oder eingeschweisst sind und bei welchem die Rohrböden mit dem Kondensatormantel oder dem Wasserkammermantel entweder mit einer Kehlnaht verschweisst oder mittels Flanschen verschraubt sind. Derartige Kondensatoren, die am sogenannten kalten Ende von Kraftmaschinen angeordnet sind und zum Zwecke haben, durch Erzeugung eines grösstmöglichen Vakuums beispielsweise einer Dampfturbine ein grösseres Druck- und Wärmegefälle zu geben, sind bekannt.
  • Handelt sich dabei um solche Kondensatoren, bei denen die Wasserkammer über Flansche mit dem Rohrboden und der Kondensatorschale verbunden sind, so herrschen folgende Probleme vor:
    • Die Bearbeitung der ausserordentlich grossen Flansche für die heutigen Grosskondensatoren gestaltet sich auf der Baustelle sehr aufwendig ;
    • es besteht grundsätzlich die Gefahr, dass durch die grossen Flansche Luft in den Dampfraum des Kondensators eindringen kann ;
    • undichte Flansche können nachträglich nur sehr behelfsmässig und schwierig abgedichtet werden.
  • Handelt es sich hingegen um eine reine Schweisskonstruktion, so sind die Stahlblechwände der Wasserkammern mit dem Kondensatormantel verschweisst und die Rohrböden aus Stahlblech sind in der Regel in die Wasserkammern eingeschweisst. Dies führt zu folgenden Problemen :
    • Der Rohrboden muss mit einer rostfreien Plattierung auf der Wasserseite versehen sein ;
    • der erforderlich Schutzüberzug der Wasserkammer wird über einen Teil des plattierten Rohrbodens gezogen und wird insbesondere im Bereich der Verbindung Rohrboden/Mantel sehr anfällig ;
    • sind die Rohre eingeschweisst, so besteht während des Betriebes aufgrund der axialen Rohrkräfte die Gefahr, dass in der gelochten Zone des Rohrbodens die Plattierung sich ablöst ;
    • sind die Rohre hingegen nur eingewalzt, so kann aufgrund von Leckagen Kühlwasser durch die Plattierung hindurch zum nicht seewasserfesten Rohrboden gelangen und dort zu Rostausblühungen führen.
  • Heute werden von Kraftwerksbetreibern extreme Dichtheiten gegen Kühlwassereinbruch in Kondensatoren verlangt. Die zulässigen Leckraten sind kaum messbar, was dazu führt, dass die bisher angewandte Technik des Einwalzens der Rohre ergänzt wird durch Einschweissen der Rohre. Darüber hinaus gelangen heute extrem korrosionsbeständige Titanrohre zur Anwendung.
  • Bei der genannten Flanschverbindung besteht nun die Möglichkeit, die Titanrohre auch in Titan-Rohrböden einzuwalzen und/oder einzuschweissen. Dies ist insbesondere deshalb naheliegend, weil sich Titan praktisch nur mit Titan verschweissen lässt. Zur Verschraubung des Titanrohrbodens mit den Flanschen sowohl des Wasserkammermantels als auch des Kondensatormantels müssen entsprechende Dichtungen vorgesehen werden. Zwischen Wasserkammermantel und Rohrboden hat man deshalb die ohnehin benötigte Gummischicht des Schutzüberzuges angeordnet, während zwischen Rohrboden und Flansch des Kondensatormantels eine Weichdichtung eingelegt wurde. Nach längerer Betriebszeit kann eine derartige Lösung indessen sowohl zu einem Kühlwasser- als auch zu einem Lufteinbruch in den Dampfraum führen, da die Dichtungen wegen der unterschiedlichen Dehnungen zwischen Rohren und Kondensatorschale sehr hoch beansprucht sind.
  • Bei der Schweisskonstruktion muss bei Anwendung von Titanrohren die Plattierung aus den genannten Gründen ebenfalls aus Titan bestehen. Durch die auftretenden Wärmespannungen besteht indessen - wenn auch nur geringfügig - die Gefahr einer Ablösung der Plattierung. Da dies insbesondere bei den heutigen nuklearen Anlagen, die extrem hohe Anforderungen an die Reinheit des Speisewassers stellen, völlig undenkbar ist, verlangen die Kraftwerksbetreiber völlig sichere Lösungen. Was die Korrosion und die Dichtheit betrifft, können somit neben den Titanrohren auch nur Titan-Rohrböden berücksichtigt werden.
  • Aus der US-A-4,252,182 ist ein wassergekühlter Kondensator bekannt mit einem stählernen Kondensatormantel, bei dem Titanrohre einen stählernen Rohrboden durchdringen und in diesen eingewalzt sind und mit ihren Enden in einer speziellen, dem Rohrboden vorgelagerten Titanplatte eingeschweisst sind. Durch diese Konfiguration wird die Problematik der sonst üblichen Schweissverbindung Rohr/Rohrboden gelöst. Die Titanplatte selbst ist mit der Wasserkammer direkt verschraubt und über Abstandsglieder mit dem Rohrboden verschraubt. Letzterer ist ebenfalls mit dem Kondensatormantel verschraubt. Da somit Stahlrohrboden mit Stahlkondensatormantel zu verbinden ist, sind materialtechnisch keine Schwierigkeiten vorhanden, wenn auch im dargestellten Fall in Folge der blossen Verschraubung eventuell mit Lufteinbrüchen in den Dampfraum des Kondensators zu rechnen ist.
  • Weiterhin ist aus der Zeitschrift « L'INDUSTRIE DU PETROLE EN EUROPE GAZ-CHIMIE, Band 43, Nr. 466, November 1975, Seiten 25-27 ein Wärmetauscher bekannt mit einem stählernen Rohrboden, welcher wasserkammerseitig entweder mit Titan beschichtet oder mit einer aufgesprengten Titanplatierung versehen ist. Die Verbindung des stählernen Rohrbodens mit dem ebenfalls stählernen Kondensatormantel ist unkritisch und wird über zwei Kehlnähte vorgenommen. Wasserkammerseitig ist am stählernen Flansch ein Titankragen mit mechanischen Mitteln oder mittels Lötung angebracht. Dieser Kragen ist Sitz für die Dichtung zwischen Flansch und Rohrboden, was wiederum die oben besprochenen Unzulänglichkeiten zur Folge haben kann.
  • Der im kennzeichnenen Teil des Patentanspruchs definierten Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem wassergekühlten Kondensator der eingangs genannten Art eine Verbindung des Rohrbodens mit dem Stahlblech des Kondensatormantels oder des Wasserkammermantels zu schaffen.
  • Mit der Erfindung ist somit möglich, bei Schweisskonstruktionen erstmals überhaupt Rohrböden aus Titan anwenden zu können und bei Flanschkonstruktionen die kritische Stelle mit einer absolut dichten Schweissverbindung zu versehen.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Es zeigt :
    • Fig. 1 einen Teillängsschnitt eines in den Kondensatormantel eingeschweissten Rohrbodens ;
    • Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer Flanschverbindung von Wasserkammer, Rohrboden und Kondensatorschale.
  • In den Figuren sind die gleichen Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Erfindungsunwesentliche Elemente wie beispielsweise die Ausgestaltung der Wasserkammer und jene der Rohreintritte sind nicht dargestellt, obschon die korrosive Wirkung des Kühlwassers eine-Randbedingung hinsichtlich deren Konstruktion ist. Auch die eigentliche Rohrbefestigung sowie die bündelförmige Konfiguration der Rohre im Dampfraum sind nicht dargestellt, da sich nichts zum besseren Verständnis der Erfindung beitragen. Ferner sei festgehalten, dass die eigentliche Geometrie des Kondensators, seine Grösse und seine Aufstellungsart im vorliegenden Zusammenhang nicht von Bedeutung sind und dass auch die Form der Rohrböden, ob rund oder mehreckig, die Wirkungsweise der Erfindung nicht beeinflusst. All dies führt dazu, dass die Erläuterung der Erfindung anhand einer einfachen Prinzipskizze einer Wasserkammer erfolgen kann.
  • Mit 1 ist der Kondensatormantel aus einfachem C-Stahl bezeichnet, der in Fig. 1 mit der Wasserkammerwand 2, ebenfalls aus einfachem Stahlblech, zusammengeschweisst ist. Insbesondere wenn Meerwasser als Kühlmittel verwendet wird, ist auf der Wasserseite die Wand 2 vollständig und der Mantel 1 teilweise mit einem Schutzüberzug 3 versehen, welcher in der Regel eine Gummischicht ist, jedoch auch ein glasfaserverstärkter Epoxydharzanstrich sein kann. Der Rohrboden 4 besteht aus reinem Titan. Er ist mit einer Vielzahl von Titanrohren 5 bestückt, die entweder mit ihren Enden eingewalzt, eingeschweisst oder beides sein können. Durch diese Rohre, welche die eigentliche Kühlfläche bilden und die den Dampfraum 6 in ihrer ganzen Länge durchdringen und dabei in nicht gezeigten Stützplatten abgestützt sind, wird das frische Kühlwasser von der ersten Wasserkammer 7 in die zweite, gegenüberliegende Wasserkammer gefördert. Im Dampfraum 6 sind die Rohre vom zu kondensierenden Dampf im Querstrom umströmt.
  • Gemäss der Erfindung ist nun die Innenseite des Kondensatormantels 1 an jener Stelle, an der die Verbindung mit dem Rohrboden 4 stattfindet, mit sprengplattiertem Titan 8 versehen. Der Festigkeit der Plattierung wegen ist diese in ihrer axialen Erstreckung (bezogen auf die Rohrachsen) grösser bemessen als es der Rohrbodendicke entsprechend würde.
  • Es handelt sich beim Sprengplattieren oder auch Sprengschweissen um ein Verfahren, mit dem Metallkombinationen hergestellt werden können, die durch Schmelzschweissen nicht möglich sind. Ueber den zu beschichtenden Kondensatormantel wird mit geringem Abstand das Titanblech gelegt. Der auf dem Titanblech verteilte Sprengstoff wird auf einer Seite gezündet, worauf die Detonationszone mit grosser Geschwindigkeit über das Titan hinwegläuft und dieses auf den Kondensatormantel beschleunigt. Dabei entstehen sehr hohe Drücke in der Kollisionszone, die zu fliessenden Metallgrenzschichten und somit zu einer grossflächigen Schweissung führen.
  • Dampfseitig und wasserseitig ist der Rohrboden 4 über seinen ganzen Umfang mittels Kehlnähten 9 resp. 10 mit der Plattierung 8 und somit mit der Kondensatorschale verschweisst. Gegenüber der bekannten Schweisskonstruktion ist die neue Lösung insofern vorteilhafter, als es selbst bei undichten Rohrverbindungen nicht zu den gefürchteten Rostausblühungen kommen kann. Ferner ist die bisher übliche Stillstandskonservierung überflüssig. Darüber hinaus gestaltet sich die Gummierung wesentlich einfacher als bisher, da die Verbindungsstelle Rohrboden/Schale nicht zu überbrücken ist. Der Schutzüberzug 3 wird lediglich knapp über das abgeschrägte Ende der Plattierung gezogen.
  • Bei der Kondensatorausbildung nach Fig. 2 sind sowohl der Kondensatormantel 1 als auch die Wasserkammerwand 2 jeweils mit einem aufgeschweissten Flansch 1' resp. 2' versehen, zwischen denen der Titan-Rohrboden mittels nur angedeuteter Verschraubung 12 fest verschraubt wird. Auf der Wasserseite wird der Schutzüberzug 3 mit in den Flansch einbezogen. Gemäss der Erfindung ist hier an der Dichtfläche des Flansches 1' sprengplattiertes Titan 8' angeordnet. Die Plattierung wird nach der Montage der Rohrböden mit der Kondensatorschale mit einer Schweissnaht 9' vollständig abgedichtet. Der bessern Schweissbarkeit wegen ist der Flansch 1' in der Zone der Dichtschweissung mit einer Aussparung 11 versehen. Der Dampfraum ist damit sowohl gegen Lufteinbrüche als auch gegen Kühlwasser, welches über einen gegebenenfalls undichten Schutzüberzug 3 und die Schraubenlöcher einsickern könnte, gesichert. Bedenken, dass die Sprengplattierung sich ablösen könnte, sind bei dieser Ausführung gegenstandslos, da infolge der Verschraubung die Plattierung ausschliesslich auf Druck beansprucht ist.

Claims (1)

  1. Wassergekühlter Kondensator, bei welchem die Kondensatorrohre aus Titan an ihren Enden in jeweils einen Rohrboden eingewalzt und/oder eingeschweisst sind und bei welchem die Rohrböden mit dem Kondensatormantel oder dem Wasserkammermantel entweder mit einer Kehlnaht verschweisst oder mittels Flanschen verschraubt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrböden (4) aus Titan bestehen und dass der Kondensatormantel (1, 1') aus Stahlblech an den Verbindungsstellen mit den Rohrböden (4) mit einer Titan-Sprengplattierung (8, 8') versehen ist, welche dampfraumseitig mit den Rohrböden (4) wasserdicht verschweisst (9, 9') ist.
EP84103599A 1983-04-28 1984-03-31 Wassergekühlter Kondensator Expired EP0123940B1 (de)

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CH2278/83 1983-04-28

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EP0123940A1 EP0123940A1 (de) 1984-11-07
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