KR20010014139A

KR20010014139A - 파이프 섹션을 결합하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20010014139A
Application number: KR1019997012199A
Authority: KR
Inventors: 홀거 케른; 미하엘 벡숭; 안드레아스 울마; 하인츠 달링어; 칼-하인츠 모닝; 랄프 베커; 파울 볼페르트; 헬무트 폴락
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2001-02-26
Also published as: WO1999000620A1; EP0991891B1; PL337281A1; US6227575B1; EP0991891A1; JP2002506506A; DE59809425D1; ES2206962T3; JP3898232B2; CN1259196A; ATE248315T1; CN1139739C

Abstract

본 발명은 파이프 섹션을 결합하기 위한 장치에 관한 것이다. 매우 간단한 방식으로 고온 및 고압축된 매체(D)가 흐르는 파이프(6), 특히 증기가 흐르는 파이프 라인의 섹션을 다중으로 분리하고 결합하기 위해, 2중벽 플랜지 결합부(1)에 외부 플랜지(2) 및 내부 플랜지(3)가 제공되고, 상기 외부 플랜지(2)와 내부 플랜지(3) 사이에 냉각 매체(K)가 흐를 수 있는 중공부(4)가 형성된다. 본 장치는 특히 증기 터빈(23)의 파이프 섹션을 결합하는데 적합하다.

Description

파이프 섹션을 결합하기 위한 장치 {DEVICE FOR CONNECTING PIPE SECTIONS}

증기 터빈용 증기 공급 파이프는 통상적으로 500℃ 이상의 증기 온도 및 300 바아(bar) 이상의 증기 압력용으로 설계된다. 이러한 방식의 증기 공급 파이프에서는 증기를 공급하는 파이프 라인과 증기 유입 밸브 사이의 결합점은 통상적으로 용접되어 구현된다. 이러한 결합을 풀기 위해, 예를 들어 증기 터빈의 조립 및 점검의 목적을 위해서는 파이프가 기계적으로 분리되어야 한다. 이것은 하우징 분리선 위에 배치된 증기 유입구를 갖는 증기 터빈에 있어서 증기 터빈의 점검시 매우 많은 추가 비용을 의미한다. 조립시 접합점의 용접 및 어닐링(annealing)을 위한 추가 시간 비용에 추가로 분리 커팅에 의해 짧아진 파이프의 문제점이 생겨서, 새로운 결합부의 형성시 바람직하지 않은 기계적 응력이 파이프에 전달될 수 있다.

이러한 접합점에 종래의 플랜지 결합부를 사용하는 것은 플랜지로 유입되는 고온 매체에 의한, 작동에 따른 매우 높은 열 전달로 인해 플랜지내에서 그리고 특히 플랜지 나사 영역에서 바람직하지 않은 열부하를 야기한다. 플랜지 나사가 극단적으로 열적 부하를 받기 때문에, 상기 플랜지 나사는 상당히 부하 경감 어닐링(relaxation)되어야 한다. 플랜지 나사의 부하 경감 어닐링은 다시 분리선상에서의 바람직하지 않은 에너지 손실을 야기할 수 있어서, 상기 플랜지 나사가 파이프를 흐르는 매체의 높은 압력에 대하여 더이상 닫힌 상태로 유지될 수 없다.

본 발명은 고온 및 고압축된 매체가 흐르는 파이프, 특히 증기가 흐르는 파이프 라인의 섹션을 결합하기 위한 장치에 관한 것이다.

도 1은 L자형 결합부를 갖는 2중벽 플랜지 결합부의 종단면도이고,

도 2 내지 도 4는 I자형 링 결합부, U자형 링 결합부 또는 피스톤 링 결합부에 의한 대안적인 플랜지 결합부이며,

도 5 및 도 6은 방사형 또는 나선형 유입구를 갖는 증기 터빈의 증기 공급 파이프에서의 플랜지 결합부이다.

본 발명의 목적은, 전술한 단점들이 없는, 고온 및 고압축된 매체가 흐르는 파이프, 특히 증기가 흐르는 파이프 라인의 섹션을 결합하기 위한 매우 적합한 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다. 이 경우, 외부 플랜지 및 내부 플랜지와 결합된 2중벽 플랜지 결합부가 제공되며, 상기 외부 플랜지와 내부 플랜지 사이에는 중공부가 형성된다. 외부 플랜지의 냉각을 위해 상기 중공부에는 냉각 매체가 흐른다.

상기 중공부에 냉각 매체, 예를 들어 공기, 물 또는 증기를 제공함으로써 절연 패드(pad)가 플랜지 결합부 내부에 형성된다. 그런 다음 냉각 매체용으로 준비된 파이프 장치가 이러한 증기 공급시 자주 제공되는 중간 흡입에 사용될 수 있다. 또한, 기존의 증기 터빈 장치에 플랜지 냉각을 위한 중간 흡입이 이용될 수 있다.

정면이 서로 결합된 플랜지 부분은 각각의 파이프 섹션의 U자형 칼라 형태에 의해 형성된다. 포지티브 및 넌포지티브 결합을 위해서 플랜지 결합부의 플랜지 외벽 또는 외부 플랜지가 플랜지 둘레에 나누어져 배치된 다수의 플랜지 나사에 의해 나사 결합된다. 이 경우, 서로 맞은편에 위치하는 2개의 외부 플랜지 섹션의 정면에 바람직하게 상응하는 숄더 형태 또는 단 형태가 제공되어, 2개의 플랜지 부분이 지속적으로 서로 동일 평면상으로 조절된다. 이것은 플랜지 부분의 접합을 현저히 용이하게 한다.

이에 비해 플랜지 내벽 또는 내부 플랜지는 바람직하게 열에 의해 이동되도록 형성된다. 2개의 내부 플랜지 섹션의 열에 의해 움직이는 결합은 예를 들어 홈결합 및 스프링 결합보다 더 간단한 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 내부 플랜지 섹션의 상응하는 축방향 홈에 삽입된 I자형 보상링 또는 밀봉링과의 I-링 결합, 또는 내부 플랜지 섹션이 맞물리는 내부 플랜지의 피스톤 방식의 결합이 매우 바람직하다.

그러나 바람직하게, 링 앵글 스틸 결합부(ring angle steel connection)가 제공되며, 상기 결합은 서로 상이한 이동 방향으로의 내부 플랜지 섹션의 상대적 이동을 가능하게 한다. 이를 위해 바람직하게, 횡단면이 L자형인 밀봉링 및 보상링이 제공되며, 상기 링은 팽창을 수용할 수 있으며 동시에 밀봉 작용을 한다. 이러한 보상링은 파이프의 종방향으로 및 파이프 종방향 축에 대해 횡방향으로 서로 위아래로 위치하는 내부 플랜지 섹션의 상대적 이동을 가능하게 한다.

보상링은 바람직하게 나사링에 의해 내부 플랜지 섹션중 하나에 고정된다. 이를 위해, 나사링의 나사 고정된 상태에서 상응하는 내부 플랜지 섹션과 나사링의 숄더 형태 사이에 보상링의 아암을 수용하기 위한 방사형 링홈이 형성된다. 서로 맞은편에 위치하는 내부 플랜지 섹션의 축방향 링홈은 보상링의 다른 아암을 수용하는데 사용된다. 서로 수직인 이러한 팽창 결합부 또는 팽창홈으로 인해 서로 수직인 2개의 방향으로의 상응하는 상대적 운동이 가능하다. 이 때, 작은 유극을 갖는 슬라이딩 운동을 위한 보상링이 홈에 고정된다. L자형 결합부에 의한 이러한 결합 또는 밀봉 방식은 축방향으로의 내부 플랜지 섹션 사이의 높은 차동 팽창 및 큰 상대적 운동시 매우 바람직하다. 대안적으로 내부 플랜지 섹션의 상응하는 숄더 형태 리세스에 삽입된 U자형 보상링 또는 밀봉링을 갖는 U자형 링 결합부가 제공될 수 있다. U자형 링 결합부는 특히 짧은 내부 플랜지 섹션에 그리고 가열 위험이 있을 때 사용하는 것이 매우 바람직하다.

본 발명에 의해 얻어지는 장점은 특히, 냉각 매체가 흐르는 중공부 형태로 외부 플랜지와 내부 플랜지 사이의 냉각 장치를 형성하는 2중벽 플랜지 결합에 의해 이러한 방식의 파이프가 간단하게 다중으로 분리되고 다시 결합될 수 있다는 것이다. 따라서, 가장 높은 증기 상태(300bar/600℃)를 위한 파이프가 구현될 수 있다. 바람직하게 플랜지 외벽에 제공된 통로를 통해 공급되고 배출되는 냉각 매체가 중공부를 흐름으로써, 플랜지 결합부의 열이 간단하고 신뢰성 있게 배출될 수 있다. 이에 따라, 플랜지 나사 결합의 바람직하지 않은 높은 열적 및/또는 기계적 부하가 억제된다.

첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 자세히 살펴보면 하기와 같다.

도 1은 외부 플랜지(2)와 내부 플랜지(3)을 갖는 2중벽 플랜지 결합부(1)를 도시하며, 상기 외부 플랜지(2)와 내부 플랜지(3) 사이에 중공부 또는 냉각 챔버(4)가 형성된다. 외부 플랜지(2)는 플랜지 나사에 의해 나사 결합되며, 상기 플랜지 나사 중 하나의 플랜지 나사(5)만이 도시된다. 파이프 라인(6)의 제 1 섹션(6a)에 형성된 플랜지 부분(1a) 및 제 2 섹션(6b)에 형성된 제 2 플랜지 부분(1b)은 외부 플랜지 섹션(2a, 2b) 및 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)을 갖는 U자형 칼라 프로파일(collar profile)을 포함한다. 플랜지 결합부(1)의 제조시 2개의 플랜지 부분(1a, 1b)을 동일 평면으로 조절하기 위해, 2개의 외부 플랜지 섹션(2a, 2b)은 정면에 각각 다른 상응하는 숄더 형태(8)를 갖는다.

외부 플랜지(2)의 외부 플랜지 섹션(2a, 2b)에는 중공부(4)와 결합된 통로(6a 또는 6b)를 갖는 관통 보어가 제공된다. 외부 플랜지(2)를 냉각하기 위해 냉각제 유입구로 사용되는 통로(6a)를 통해 냉각 매체(K), 바람직하게 증기가 중공부(4)로 제공된다. 이곳에서, 파이프 라인(6)을 통해 유도된 고온 증기(D)를 갖는 내부 플랜지(3)에서의 간접적인 열교환에 의해 가열된 냉각제(K')는 냉각제 유입구로 사용되는 통로(6b) 위의 중공부(4)를 떠난다. 이렇게 형성된 패드에 의해 플랜지 나사(5)의 부하 경감 어닐링이 간단하게 더 확실히 억제된다.

제조 기술적인 이유로 인해 내부 플랜지(3)의 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)이 바람직하게 용접점(9a, 9b)에서 파이프 섹션(7a, 7b)에 배치된다. 그러나, 상기 내부 플랜지(3a, 3b)는 이곳에서 일체형으로 형성될 수 있다. 각각의 용접점(9a, 9b)의 맞은편에 있는 내부 플랜지 섹션(3a 또는 3b)의 정면 자유 단부(10a, 10b)는 링 갭(11)을 형성하며 서로 맞은편에 위치한다.

내부 플랜지 섹션(3a 또는 3b)의 정면 자유 단부(10a, 10b)에 의해 형성된 내부 플랜지(3)의 결합 영역은 링 결합부를 사용함으로써 열에 의해 이동될 수 있도록 형성된다. 이를 위해, 도 1에 따른 실시예에서는 일종의 링 앵글 스틸 결합부에 횡단면이 L자형인 보상링(12)이 제공되며, 상기 보상링(12)은 정면이 서로 맞은편에 위치하는 내부 플랜지 섹션(3a, 3b) 사이의 링 갭(11)을 증기 밀봉으로 차단한다. L자형 보상링 또는 밀봉링(12)은 그것의 특수한 배치에 의해 방사 방향의 운동 방향(13) 및 축방향의 운동 방향(14)으로의 서로 맞은편에 위치하는 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)의 상대적 운동을 가능하게 한다. 이 경우, 보정 링(12)의 아암(12a)이 내부 플랜지 섹션(3a)의 축방향 홈(15)에 축방향으로 이동할 수 있도록 고정되는 한편, 보정 링(12)의 다른 아암(12b)은 내부 플랜지 섹션(3b)의 방사 방향 홈(16)에 방사 방향으로 움직이도록 고정된다.

보정 링(12)은 내부 플랜지 섹션(3b)의 나사링(17)에 의해 고정된다. 이를 위해 L자형 칼라 형태를 가지는 나사링(17)에 외부 나사(18)가 제공되어, 내부 플랜지(3b)의 내부측에 상응하는 나사 섹션(19)이 맞물린다. 나사(18, 19)를 따라 상기 나사링(17)을 회전시킴으로써, 방사형 홈(16)의 유극이 조절될 수 있다.

따라서, 보상링(12)은 서로 맞은편에 위치하고 파이프 종방향 축(20)을 따라 그리고 파이프 종방향 축(20)에 대해 횡방향으로 운동이 자유로운 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)의 열에 의해 이동될 수 있는 결합을 보장한다. 또한, 보상링(12)은 서로 수직으로 배치된 홈(15, 16)에 작은 유극을 두고 고정되어, 방사 방향 운동 방향(13) 및 축방향 운동 방향(14)으로의 슬라이딩 운동이 가능해진다.

내부 플랜지(3a, 3b)의 상응하는 열에 의해 이동될 수 있는 결합은 도 2 내지 도 4에 따른 대안적인 링 결합부에 의해 이루어진다. 이에 대해 도 2는 내부 플랜지(3a 또는 3b)의 정면 축방향 홈(15a, 15b)에 삽입된 I자형 밀봉링 또는 보상링(12')을 갖는 I자형 결합부를 도시한다. 이러한 예는 제조 기술적으로 매우 간단하다.

도 3은 제조 기술적으로 매우 간단하게 이루어질 수 있는, U자형 결합부를 갖는 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)의 열에 의해 이동될 수 있는 결합의 추가 실시예를 도시한다. 여기서 U자형 밀봉링 및 보상링(12'')은 정면이 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)에 형성된 리세스(15a'' 또는 15b'')에 삽입된다. 이러한 실시예는 도 1에 따른 실시예와 비교하여 짧은 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)에서 매우 바람직하다.

도 4는 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)의 배치와 관련하여 도 1 내지 도 3에 따른 실시예와 비교하여 변경된 실시예를 도시한다. 상기 실시예에서 좌측 내부 플랜지 섹션(3b)은 내부 플랜지 섹션(3b)의 맞물림을 위해 바람직하게 길게 형성된다. 이때, 내부 플랜지 섹션(3a)은 갭을 형성하며 우측 내부 플랜지 섹션(3b)에 맞물려서, 실시예에서 2개의 밀봉링(12''')과 결합되어 피스톤링 결합 방식의 배치가 형성된다. 도 1 내지 도 3에 따른 실시예와 반대로 상기 플랜지 결합부(1)의 비대칭적 형태는 제조 기술적으로 역시 매우 간단하게 제조될 수 있다.

도 5는 제 1 증기 유입 밸브(21)와 증기 터빈(23)의 분리선(22) 위에 제공된 방사 방향 유입 섹션(25) 사이에 있는 파이프 라인(6)의 상기 방식의 플랜지 결합부(1) 위치를 도시한다. 분리선(22) 아래에 제공된 제 2 방사 방향 유입 섹션(25)은 추가 증기 유입 밸브(26)와 결합된다. 2개의 증기 유입 밸브(21, 26)는 공통 증기 파이프(27)에 위치한다.

증기 터빈(23)의 분리선(21) 위에 있는 플랜지 결합부(1)의 위치 또는 배치는 조립 및/또는 검사 목적을 위해 간단하게 분리선(22) 위에 있는 파이프 라인(6)의 섹션(6a)과 함께 증기 터빈(23)의 하우징 상부(28)를 들어올릴 수 있게 한다. 이러한 방식의 조립시 증기 터빈(23)의 하우징 하부(29)는 분리선(22) 아래에 위치하는 파이프 라인(6)의 섹션(6b)과 위치 고정된다. 이를 위해, 증기 터빈 또는 증기 부분 터빈(23)의 조립 작업의 시작시 간단하게 새롭게 형성될 수 있는 플랜지 결합부(1)를 풀고 분리할 수 있다.

도 6은 나선 유입부를 갖는 증기 터빈(23)에서 플랜지 결합부(1)의 위치를 도시한다. 이 경우에서도 하우징 상부(28) 측면에 배치된 유입 섹션(24)이 분리선(22) 위에 위치하는 파이프 라인(6)의 섹션(6a)과 함께 플랜지 결합부(1)의 결합 해제 및 분리 후 분리될 수 있다. 증기 유입 밸브(21)와 함께 하우징 상부(28)을 들어 올릴때, 증기 터빈(23)의 하우징 하부(29)는 역시 측면에 배치된 하부 유입 섹션(25) 및 증기 유입 밸브(26)와 함께 다시 증기 터빈(23)을 지지하는 기반(30)상에 위치 고정된다.

2중벽 플랜지 결합부(1)는 파이프 라인(6)을 흐르는 고온 및 고압축된 증기(D)를 고정된, 그러나 고정을 풀 수 있는 결합부를 형성하는 외부 플랜지(2)로부터 분리하는 것을 보장하며, 열에 의해 이동될 수 있도록 형성된 내부 플랜지(3)에 증기(D)가 직접 흐른다. 이 경우, 외부 플랜지(2) 및 플랜지 나사(5)로의 열전달은 중공부(4)에 냉각 매체 또는 차단 매체(K)를 제공함으로써 현저히 감소된다. 외부 플랜지(2)를 열에 의해 이동될 수 있는 결합부를 갖는 내부 플랜지(3)로부터 분리함으로써 압축력이 방사 방향으로 플랜지 결합부(1)의 외부 플랜지(2)에 제공되는 것이 억제된다. 이를 위해, 외부 플랜지(2) 및 이에 따른 플랜지 나사(5)의 열부하가 감소된다.

파이프 섹션(6a, 6b) 및 플랜지 부분(1a, 1b)의 상이한 열팽창으로 인한 분리선(22)의 개방 및 높은 열 전달로 인한 플랜지 나사(5)의 강한 부하 경감 어닐링은 확실히 억제된다. 게다가, 상응하는 결합 위치, 즉 파이프 라인(6)의 섹션(6a, 6b) 사이의 결합부가 간단하고 반복적으로 개방되고 닫힐 수 있다. 그 결과, 검사 비용이 줄어든다. 왜냐 하면 결합 위치의 용접 및 어닐링이 생략되기 때문이다. 또한 파이프 라인(6)의 섹션(6a, 6b)의 다중 분리 및 결합이 확실하고 신뢰성 있게 가능하다.

Claims

고온 및 고압축된 매체(D)가 흐르는 파이프(6), 특히 증기가 흐르는 파이프 라인의 섹션(6a, 6b)을 결합하기 위한 장치에 있어서, 냉각 매체(K)가 흐르는 중공부(4)를 외부 플랜지(2)와 내부 플랜지(3) 사이에 형성하기 위한 2중벽 플랜지 결합부(1)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 외부 플랜지(2)가 중공부(4)에 연결되는 적어도 2개의 통로(7a, 7b)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 파이프 섹션(6a, 6b)과 연결된 플랜지 부분(1a, 1b)이 외부 플랜지 섹션(2a, 2b) 및 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)을 갖는 U자형 칼라 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 플랜지(3)가 내부 플랜지 섹션(3a, 3b) 사이에 배치된 링 결합부(12, 12', 12'', 12''')에 의해 열에 의해 이동될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 제 1 내부 플랜지 섹션(3a)이 제 1 아암(12a)을 수용하기 위한 축방향 홈(15)을 가지며, 제 2 내부 플랜지 섹션(3b)이 L자형 보상링(12)의 제 2 아암(12b)을 수용하기 위한 방사형 홈(16)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 제 2 내부 플랜지 섹션(3b)이 조절 가능한 방사형 홈(16)을 형성하기 위해 L자형 칼라 형태를 갖는 나사링(17)을 지지하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 내부 플랜지(3)의 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)이 I자형 보상링(12')을 수용하기 위해 디자인되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 내부 플랜지(3)의 내부 플랜지 섹션(3a, 3b)이 U자형 보상링(12'')을 수용하기 위해 디자인되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 제 1 내부 플랜지 섹션(3a)이 갭을 형성하며 제 2 내부 플랜지 섹션(3b)에 맞물리고, 내부 플랜지 섹션(3a, 3b) 사이에 적어도 하나의 밀봉링(12''')이 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 플랜지(2)가 플랜지 나사(5)에 의해 나사 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 플랜지(2)의 외부 플랜지 섹션(2a, 2b)의 정면이 상응하는 단 형태(8)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 장치를 갖는 증기 터빈.