JP2012255208A - Method of using powder metallurgy fabrication for manufacturing integral header and tube replacement section - Google Patents

Method of using powder metallurgy fabrication for manufacturing integral header and tube replacement section Download PDF

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ダブリュ.ガンディ デビッド
Kent K Coleman
ケイ.コールマン ケント
John Shingledecker
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing integral header and tube replacement sections that is cost-effective, requires shorter lead-times, and can eliminate a number of attachment welds.SOLUTION: The method of manufacturing the integral header and tube replacement sections includes the steps of: providing a reverse mold of a head and tube replacement section; providing atomized steel powder; and filling the reverse mold with the atomized steel powder. The method further includes the step of inserting the mold into a hot isostatic processing (HIP) furnace to consolidate and sinter the powder into the shape of the head and tube replacement section.

Description

本出願は、米国仮出願61/489505(出願日:2011年5月24日)の優先権を主張する。
本出願は、一体型のヘッダ及び管の取替え部分の製造方法に関する。
This application claims priority from US provisional application 61/499505 (filing date: May 24, 2011).
The present application relates to a method for manufacturing an integral header and tube replacement part.

多くの化石燃料プラントは連続的負荷運転のために建設され、現在重要なサイクル運転が出現し始めている。ヘッダおよび高温パイプなどの部材への大きな負荷は、一般的にしばしば部材の劣化、ひび割れおよび故障となるサイクル(繰返し)的運行を伴う。さらにサイクル運転は、ヘッダの長手方向の様々な部位での熱勾配をもたらし、これらの部位のオーバーヒートや損傷につながる可能性がある。損傷が発生したとき、ヘッダ全体を取り替えるか、またはヘッダの短い部位(通常およそ3フィート長(約91cm)から8フィート長(約244cm))を取り除くかの選択に直面する。   Many fossil fuel plants have been built for continuous load operation and now important cycle operations are beginning to emerge. Heavy loads on components such as headers and hot pipes are generally accompanied by cyclical operations that often result in component degradation, cracking and failure. Furthermore, cycling can cause thermal gradients at various locations along the length of the header, which can lead to overheating and damage to these locations. When damage occurs, you are faced with the choice of replacing the entire header or removing a short section of the header (usually about 3 feet long (about 91 cm) to 8 feet long (about 244 cm)).

炭素鋼又は低合金鋼のヘッダ、及び、ステンレス鋼のヘッダは、一般的にロール溶接(R&W)プレート部分または押出しパイプ部分のいずれかを利用して作製される。貫通部(または穴)が、ヘッダの直径あたりで特定の長さに沿って特定の配向性にてヘッダに機械加工され、その後スタッブ管(stub tube)がその部材と接続される。スタッブ管は、製造者によって選択される多様な溶接方法によってヘッダに接続される。溶接させるヘッダに対するスタッブの形状(又は配置)のために、溶接はしばしば人力(手動)で行なわれ、検査が非常に困難である。従って、溶接の失敗と貫通部間の管すきま亀裂は、一般的な失敗メカニズムである。   Carbon steel or low alloy steel headers and stainless steel headers are typically made using either roll weld (R & W) plate portions or extruded pipe portions. A penetration (or hole) is machined into the header with a specific orientation along a specific length around the diameter of the header, after which a stub tube is connected to the member. The stub tube is connected to the header by various welding methods selected by the manufacturer. Because of the stub shape (or placement) relative to the header to be welded, welding is often done manually (manual) and is very difficult to inspect. Therefore, welding failure and pipe crevice cracks between penetrations are common failure mechanisms.

取替え部分の入手は、しばしば12ヶ月またはそれ以上の長い調達期間を必要とし、取替え部分または新しいヘッダが入手できるまで、製造者はプラントを休止させたり、収入を損失したりする結果となる。   Obtaining replacement parts often requires a long lead time of 12 months or more, resulting in manufacturers shutting down the plant or losing revenue until replacement parts or new headers are available.

(なし)(None)

これらの従来技術の欠点は、一体型のヘッダ及び管の取替え部分の製造方法を提供する本発明によって解消される。この方法は、ヘッダ取替え部分の製造に使用されていた従来の製造プロセスに対するコスト効率が高い代替策を提供し、短い準備期間を可能にし、多くの取り付け溶接品(ヘッダに対する幾多の管)を省くことができるため、ヘッダ取替え部分の全体的な品質を向上させる。   These disadvantages of the prior art are overcome by the present invention which provides a method for manufacturing an integral header and tube replacement. This method provides a cost-effective alternative to the traditional manufacturing process used to manufacture header replacement parts, allows for short lead times and eliminates many mounting welds (many tubes for the header). Can improve the overall quality of the header replacement part.

本発明の一つの観点によれば、一体型のヘッダ及び管の取替え部分の製造方法は、ヘッダと管取替え部分のリバースモールド(逆形の型)を提供するステップと、微粒化鋼粉末を提供するステップと、リバースモールドを微粒化鋼粉末で充填するステップと、モールドを熱間静水圧プロセス(HIP)炉に挿入し、粉末を固めて焼結させて、ヘッダと管取替え部分の形状にするステップとを含んでいる。   According to one aspect of the present invention, an integrated header and tube replacement portion manufacturing method provides a reverse mold of the header and tube replacement portion, and provides atomized steel powder. Step, filling the reverse mold with atomized steel powder, inserting the mold into a hot isostatic press (HIP) furnace, solidifying and sintering the powder into the shape of the header and tube replacement part Steps.

本発明とみなされる技術主題は、添付の図面と共に以下の説明を参考にすることで最も良く理解できるであろう。   The technical subject matter regarded as the invention is best understood by referring to the following description in conjunction with the accompanying drawings.

図1は本発明の一実施例に従う一体型のヘッダ・管取付物を示す。FIG. 1 shows an integrated header and tube fitting according to one embodiment of the present invention. 図2は一体型のヘッダ・管取付物の製造方法のフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart of a method of manufacturing an integrated header / pipe attachment.

[発明の詳細な説明]   Detailed Description of the Invention

図面によると、本発明の一実施例に従って形成された一体型のヘッダ・管取付部分が図1に符号「10」で示されている。   Referring to the drawings, an integrated header and tube mounting portion formed in accordance with one embodiment of the present invention is indicated by "10" in FIG.

本発明は、さらに短いリード時間と取替え部分の改良された全体的品質を提供する従来の製造プロセスに対する代替策を提供する。これは、全体的なPM/HIPの一部として製造されるスタッブ管を備えた近似成形体である取替え部分を作製するため、粉末治金(PM)と熱間静水圧処理(HIP)との組合せを利用する。スタッブ管をヘッダに結合させるのに溶接は不要である。このプロセスでは、やっかいな溶接結合部は完全に排除され、大幅に寿命が延びた一体型ヘッダアセンブリが得られる。この技術は、ヘッダとヘッダ取替物を扱う石油プラント、HRSGプラント、およびその他の利用形態(化学、石油化学、パルプおよび紙)で利用されるヘッダに適用できる。   The present invention provides an alternative to conventional manufacturing processes that provide even shorter lead times and improved overall quality of replacement parts. This is to make a replacement part, which is an approximate molded body with a stub tube manufactured as part of the overall PM / HIP, so that powder metallurgy (PM) and hot isostatic pressure (HIP) Use a combination. No welding is required to connect the stub tube to the header. This process eliminates troublesome weld joints and results in a one-piece header assembly with significantly increased life. This technology can be applied to headers used in petroleum plants that handle headers and header replacements, HRSG plants, and other uses (chemical, petrochemical, pulp and paper).

ヘッダ部分が一つの完成したシステムとして製造できるので、HIP/PM技術はロール溶接または押出し製造ステップを排除する。さらに重要なことは、スタッブ管とヘッダが一つの継続的なPM/HIPプロセスで一体的に製造されるので、ヘッダへのスタッブ管の結合工程が排除される。図2を参照すると、このプロセスは、ヘッダの図から得られる図1の短管部分を含む、損傷したヘッダ部分の正確な複製の設計(ブロック11)を含む。次に、ヘッダ部分のリバースモールド(つまり成形容器)が、ヘッダ部分の最終形状を確立する炭素鋼材料から2つの半割体(またはそれ以上の分割体)によって形成される(ブロック12)。モールドが組み立てられ、微粒化低合金鋼粉末で充填されて当該モールドを満たす(ブロック13)。次に、モールドは真空化装置を用いて排気されて潜在的エアポケットを除去し、溶接によって密封される(ブロック14)。   HIP / PM technology eliminates roll welding or extrusion manufacturing steps because the header portion can be manufactured as one complete system. More importantly, since the stub tube and header are manufactured in one continuous PM / HIP process, the step of joining the stub tube to the header is eliminated. Referring to FIG. 2, the process involves the design of an exact duplicate of the damaged header portion (block 11), including the short tube portion of FIG. 1 derived from the header diagram. Next, a reverse mold (ie, a forming container) of the header portion is formed by two halves (or more divisions) from a carbon steel material that establishes the final shape of the header portion (block 12). The mold is assembled and filled with atomized low alloy steel powder to fill the mold (block 13). The mold is then evacuated using a vacuum to remove potential air pockets and sealed by welding (block 14).

アセンブリ全体がその後HIP炉に挿入され、高温および高圧処理され(通常は不活性アルゴン雰囲気下)、ヘッダの最終形状へと粉末を固めて焼結される(ブロック16)。このアセンブリは、設定された時間、焼結温度に維持され、その後室温に冷却される(ブロック17とブロック18)。ヘッダを焼きならし及び焼戻し状態にするために追加の熱処理が必要となろう(ブロック19)。この最終熱処理はモールドの内部又は外部で行なわれる。ヘッダが室温に戻ると、モールドの取り外しが必要となる(ブロック20)。   The entire assembly is then inserted into a HIP furnace, subjected to high temperature and pressure (usually under an inert argon atmosphere), and the powder is consolidated and sintered to the final shape of the header (block 16). The assembly is maintained at the sintering temperature for a set time and then cooled to room temperature (block 17 and block 18). Additional heat treatment will be required to normalize and temper the header (block 19). This final heat treatment is performed inside or outside the mold. When the header returns to room temperature, the mold must be removed (block 20).

この時点で、ヘッダは近似形状(ほぼ最終形状)の状態にある。最終的な(仕上がり)表面を得るべく残留物を除去するために、いく分かのクリーニングと研磨処理が必要であろう(ブロック21)。この時点で2つの追加ステップも必要である。すなわち(1)内部貫通孔を作成するためにスタッブ管を中ぐり加工(穿孔)すること(ブロック22)および(2)腔部領域の内径を面取りすること(ブロック23)。これらのステップはCNCミリング加工/穴あけ加工を利用して容易に達成できる。   At this point, the header is in an approximate shape (almost final shape). Some cleaning and polishing will be required to remove the residue to obtain the final (finished) surface (block 21). At this point, two additional steps are also required. That is, (1) boring (piercing) the stub tube to create an internal through hole (block 22) and (2) chamfering the inner diameter of the cavity region (block 23). These steps can be easily accomplished using CNC milling / drilling.

これでスタッブ管はヘッダの一体的部分となり、過去において大きな問題であったヘッダとスタッブ管との間の溶接移行部は必要とされない。溶接部を取り除いたことは、熱膨張問題、金属疲労およびクリープ損傷の問題、並びに、しばしばスタッブ管の溶接取付部と関係するウエッジング(wedging)(くさび亀裂)を排除する。一体的スタッブ管であるため、当該スタッブ管を既存のボイラ管に取り付けるための溶接のみが必要であり、将来の損傷の可能性を大きく減少させる。形状は注意深く管理されるので、スタッブとヘッダとの間の反復可能なスムーズな移行部が達成でき、応力集中部形成の可能性を減少させる。   This makes the stub tube an integral part of the header and eliminates the need for a weld transition between the header and the stub tube, which was a major problem in the past. The removal of the weld eliminates thermal expansion problems, metal fatigue and creep damage problems, and often the wedging (wedge cracks) associated with stub tube weld fittings. Because it is an integral stub tube, only welding to attach the stub tube to an existing boiler tube is required, greatly reducing the possibility of future damage. Since the shape is carefully managed, a repeatable smooth transition between the stub and header can be achieved, reducing the possibility of stress concentration formation.

一体型のヘッダ及び管の取替え部分の製造方法について解説した。本発明の特定の実施例について解説したが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに多様な改変が可能であることは当業者には明確であろう。従って、前述の本発明の好適実施例および本発明を実施するための最良形態の説明は例示的なものであり、本発明を限定することは意図されていない。   The manufacturing method of the integrated header and pipe replacement part was explained. While specific embodiments of the present invention have been described, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the foregoing description of the preferred embodiment of the invention and the best mode for carrying out the invention are exemplary and are not intended to limit the invention.

Claims (12)

一体型のヘッダ及び管取替え部分を製造する方法であって、
(a)ヘッダと管の取替え部分のリバースモールド(逆形の型)を提供するステップと、
(b)微粒化鋼粉末を提供するステップと、
(c)前記リバースモールドを前記微粒化鋼粉末で充填するステップと、
(d)前記モールドを熱間静水圧プロセス(HIP)炉に挿入し、前記粉末を固めて焼結させ、ヘッダ及び管取替え部分の形状にするステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
A method of manufacturing an integrated header and tube replacement part,
(A) providing a reverse mold of the header and tube replacement part;
(B) providing a atomized steel powder;
(C) filling the reverse mold with the atomized steel powder;
(D) inserting the mold into a hot isostatic pressing (HIP) furnace, solidifying and sintering the powder to form a header and tube replacement part;
A method characterized by comprising.
エアポケットを排除するため前記モールドを真空にするステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, further comprising the step of evacuating the mold to eliminate air pockets. 真空状態を維持するために前記モールドを密封するステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項2記載の方法。   The method of claim 2, further comprising sealing the mold to maintain a vacuum. 前記粉末を固めて焼結させるため、前記HIP炉を高圧および高温にするステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, further comprising the step of bringing the HIP furnace to high pressure and high temperature to consolidate and sinter the powder. 前記HIP炉は不活性ガス雰囲気下で高温および高圧にされる、ことを特徴とする請求項4記載の方法。   5. The method of claim 4, wherein the HIP furnace is brought to a high temperature and pressure under an inert gas atmosphere. 前記HIP炉を所定の時間だけ高温および高圧に維持するステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項4記載の方法。   5. The method of claim 4, further comprising maintaining the HIP furnace at a high temperature and pressure for a predetermined time. 前記モールドと焼結された粉末を室温に冷却するステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, further comprising cooling the mold and the sintered powder to room temperature. 前記ヘッダ及び管取替え部分を熱処理するステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, further comprising heat treating the header and tube replacement portion. 前記ヘッダ及び管取替え部分を最終形状に仕上げ加工するステップをさらに含んでいる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, further comprising finishing the header and tube replacement portion to a final shape. 前記仕上げ加工ステップは、残留物を除去して最終表面を得るために前記ヘッダ及び管取替え部分の外面を研磨処理するステップを含んでいる、ことを特徴とする請求項9記載の方法。   The method of claim 9, wherein the finishing step includes polishing the outer surface of the header and tube replacement portion to remove residue and obtain a final surface. 前記仕上げ加工ステップは、内側貫通部を形成するため、前記ヘッダ及び管取替え部分のスタッブ管に穴あけ加工を施すステップを含んでいる、ことを特徴とする請求項9記載の方法。   The method of claim 9, wherein the finishing step includes drilling a stub tube in the header and tube replacement portion to form an inner penetration. 前記仕上げ加工ステップは、前記ヘッダ及び管取替え部分の腔部領域の内側を面取りするステップを含んでいる、ことを特徴とする請求項9記載の方法。   The method of claim 9, wherein the finishing step includes chamfering the inside of the cavity region of the header and tube replacement portion.
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