KR20130113350A

KR20130113350A - 토치 관의 중심 축에 대해 편심 배치되는 용접 와이어 노즐을 포함하는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치

Info

Publication number: KR20130113350A
Application number: KR1020127034189A
Authority: KR
Inventors: 요아힘 프랑케; 얀 브뤽크너; 마르틴 엡페르트
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2013-10-15
Also published as: WO2011151134A1; EP2390039A1; CN102971104A

Abstract

본 발명은 증기 발생기 관(14) 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치에 관한 것이며, 상기 연결 장치의 목적은 기술 측면에서 특히 간단한 제조 공정과 이와 같이 제조된 증기 발생기 관(14)의 특히 낮은 고장 가능성을 가능하게 하는 것에 있다. 이를 위해 연결 장치는 용접 와이어 공급 장치 및 용접 가스 공급 장치뿐 아니라 토치 헤드(12)를 포함하는 용접 장치를 구비하며, 토치 관(8)은 토치 헤드(12)와 강성 연결되고 토치 헤드(12)의 용접 와이어 노즐(16)은 토치 관(8)의 중심 축(18)에 대해 편심 배치된다.

Description

토치 관의 중심 축에 대해 편심 배치되는 용접 와이어 노즐을 포함하는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치{APPARATUS FOR CONNECTING AN INSERT IN A STEAM GENERATOR TUBE WITH A MATERIAL BOND, COMPRISING A WELDING WIRE NOZZLE ARRANGED ECCENTRICALLY WITH RESPECT TO THE CENTRE AXIS OF THE TORCH TUBE}

본 발명은 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치에 관한 것이다.

증기 발생기는, 가열 및 구동 목적(예컨대 증기 터빈의 구동 목적)을 위해 고압 및 고온의 증기를 생성할 목적으로 이용되는 밀폐 가열 용기 또는 압력관 시스템이다. 이 경우 예컨대 발전소에서 전력을 생성할 때처럼 증기 용량 및 압력이 특히 높은 경우, 유동 매체(통상 물)가 증기 발생기 관들 내에 위치해 있는 수관식 보일러가 이용된다. 고체 연료의 연소시에도 수관식 보일러가 이용되는데, 그 이유는 각각의 원료를 연소시켜 발열이 이루어지는 연소실이 관 벽부들의 배치에 의해 임의로 설계될 수 있기 때문이다.

그에 따라 수관식 보일러 구조로 설계되는 상기 유형의 증기 발생기는, 외벽이 적어도 부분적으로 관 벽부들로, 다시 말하면 기밀하게 용접된 증기 발생기 관들로 형성되어 있는 연소실을 포함한다. 유동 매체 측에서 상기 증기 발생기 관들은 증발기 가열면으로서 우선 증발기를 형성하며, 이 증발기 내로는 증발되지 않은 매체가 유입되어 증발된다. 이 경우 증발기는 통상적으로 연소실의 최고온 영역에 배치된다. 유동 매체 측에서 경우에 따라 물과 증기를 분리하기 위한 장치와 과열기가 증발기의 하류에 배치되어, 과열기 내부에서는 증기가 증발 온도를 넘어 계속해서 가열됨으로써, 예컨대 증기 터빈처럼 후속하는 열기관에서 고효율이 달성될 수 있다. 유동 매체 측에서 증발기의 상류에는 예열기(이른바 절탄기)가 배치될 수 있으며, 상기 예열기는 폐열이나 잔열을 이용하여 공급수를 예열하여, 마찬가지로 전체 시스템의 효율을 향상시킨다.

증기 발생기 내 증발기 가열면을 위해 평활관이나 내면 홈붙이 관이 이용된다. 증기 발생기 관들 내로 이루어지는 유동 매체의 흐름에, 증기 발생기 관들의 내부 표면에서 상대적으로 유체 속도를 더 높여주는 와류가 강제로 형성되어야 할 때 내면 홈붙이 관이 적용된다. 이 경우 내면 홈붙이 관들의 이용은 다양한 이유로, 예컨대 전부하 조건에서 증발기의 질량 흐름 밀도가 낮은 경우 요구될 수 있다. 열류 밀도가 높을 때에도 (예컨대 드럼형 보일러에서) 내면 홈붙이 관들의 이용이 요구된다. 여기서 막 비등(film boiling)의 위험이 존재하는데, 다시 말하면 증기 발생기 관들의 내부면에서 증기막(vapour film)이 형성되고, 이런 증기막은 기포 비등 시에, 양호하게 혼합되는 액체와 달리 높은 열 절연 작용을 한다. 그 결과로, 열류 밀도가 동일하게 유지될 때 벽 온도가 심하게 상승할 수 있으며, 이는 가열면의 파손을 초래할 수 있다. 특히 내면 홈붙이 관을 통해 정상 부하 구동에서 (예컨대 나선형 관을 구비한 증기 발생기에서 최소 부하 조건에서도) 유동 성층화(수상과 증기상의 분리)가 방지될 수 있다.

관들의 내부 리브는 종래 기술에 따르면 냉간 인발 공정에서 제조된다. 오늘날의 지식 수준에 따르면, 내면 홈붙이 관들은 최대 5%의 크롬 함량을 갖는 재료로만 제조될 수 있다. 따라서 예컨대 효율 향상을 위한 증기 매개 변수의 추가 상승 때문에, 크롬 함량이 더 높은 합금강으로 제조된 내면 홈붙이 관의 이용이 요구되더라도, 현재 제공되는 공정으로는 내면 홈붙이 관을 제조할 수 없다. 이런 경우 평활관에 별도로 상응하는 와류 생성 인서트들을 제공할 수 있다. 상기 인서트들은 평활관과는 독립적으로 제조될 수 있으므로 상이한 재료로 제조될 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치에 있어서, 기술 측면에서 특히 간단한 제조 공정과 이와 같이 제조된 증기 발생기 관의 특히 낮은 고장 가능성을 가능하게 하는 연결 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 연결 장치가 용접 와이어 공급 장치 및 용접 가스 공급 장치뿐 아니라 토치 헤드를 포함하는 용접 장치를 구비하며, 토치 관은 토치 헤드와 강성 연결되고 토치 헤드의 용접 와이어 노즐은 토치 관의 중심 축에 대해 편심 배치됨으로써 달성된다.

이 경우 본 발명은, 인서트를 포함하는 증기 발생기 관의 특히 낮은 고장 가능성이, 발전소의 작동 시에도 인서트가 가열면 관의 전체 수명에 걸쳐서 자신의 위치를 유지하도록 하는 것을 통해 달성될 수 있다는 고려 사항을 기초로 한다. 이를 위해 증기 발생기 관 내에 인서트의 추가 고정이 제공되어야 한다. 특히 튼튼한 연결을 위해 증기 발생기 관과 인서트는 용접에 의해 연결되어야 한다. 그러나 이 경우 장착 상황으로 인해 증기 발생기 관 내 협소해진 공간 조건을 고려해야 한다. 따라서 용접 장치 내 용접 와이어 및 용접 가스 공급 장치는 외부에 배치되어 있어야 하는 반면에, 용접 장치의 용접 와이어 노즐은 증기 발생기 관 내부의 용접점들에 도달할 수 있어야 한다. 이는 토치 관이 토치 헤드와 강성 연결되고 용접 와이어 노즐은 토치 관의 중심 축에 대해 편심 배치됨으로써 달성될 수 있다.

앞서 제안한 본원의 연결 장치의 실시예를 통해 토치 헤드는 토치 관에 의해서 인서트를 포함하는 증기 발생기 관 내로 삽입될 수 있으며, 따라서 증기 발생기 관과 인서트를 서로 용접할 수 있다. 토치 헤드가 증기 발생기 관의 전체 길이에 걸쳐서 용접점들에 도달할 수 있도록 하기 위해, 토치 관의 길이는 충분하게 선택되어야 한다. 이를 위해 토치 관은 바람직하게는 가공할 증기 발생기 관의 길이의 적어도 절반 길이를 보유한다. 따라서 증기 발생기의 양쪽 측면으로부터 가공할 때 증기 발생기 관의 중심에 이르기까지 모든 지점에 도달할 수 있다. 예컨대 증기 발생기 관의 일측 측면으로부터만 가공이 더욱 빠르게 이루어져야 한다면, 토치 관의 길이는 이에 상응하게 더욱 길게 선택되어야 하며, 다시 말하면 가공할 증기 발생기 관의 길이에 대략 상응해야 한다. 대체되는 실시예에 따라, 2개의 용접 장치로 관의 양쪽 측면으로부터 동시에 용접을 실행할 수도 있다.

용접 공정을 위해 용접 와이어와 용접 가스가 상응하는 공급 장치들로부터 토치 헤드로 영구적으로 공급되어야 한다. 이 경우 증기 발생기 관 내 협소해진 공간 조건으로 인해 어떠한 추가 공급 라인도 요구되지 않도록 하기 위해, 바람직한 구현예에 따라, 용접 와이어 및 용접 가스는 용접 장치로부터 토치 헤드로 토치 관을 통해 안내되어야 한다. 그럼으로써 특히 공간을 절감하면서도 기술 측면에서 간단한 용접 장치의 구성이 가능해진다.

특히 간단한 용접 공정은, 증기 발생기 관이 공정 동안 안정되게 지지되는 것을 통해 달성될 수 있다. 그럼에도, 토치 헤드가 용접을 위해 증기 발생기 관 내 각각의 지점에 도달할 수 있도록 하기 위해, 토치 헤드는 바람직하게는 토치 관의 중심 축을 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 그럼으로써 각각의 공간 각도의 용접점들에 도달할 수 있게 된다.

증기 발생기 관을 따라 축 방향으로도 용접점들에 대한 도달 가능성을 보장하기 위해, 바람직한 구현예에 따라, 용접 장치 및/또는 토치 관 및 토치 헤드는 토치 관의 중심 축을 따라 이동 가능하게 지지된다. 이런 유형의 지지는 예컨대 가이드 레일들 상에서 이루어질 수 있으며, 강성의 토치 관에 장착된 토치는 경우에 따라 공급 장치들과 함께 구동 장치를 통해 변위된다. 그럼으로써 특히 간단한 용접 공정이 가능해진다.

특히 토치 관 및 증기 발생기 관의 길이가 특히 긴 경우, 허용되지 않는 굽힘을 방지하기 위해, 바람직하게는 토치 관 및/또는 가이드 레일에 복수의 가이드 부재가 배치된다. 상기 가이드 부재들은 토치 관을 위한 지지대로서 이용되며, 그럼으로써 인서트 또는 토치 관의 경우에 따른 손상은 확실하게 방지된다.

이 경우 특히 증기 발생기 관의 내부에서 상이한 공간 각도에 용접점들이 위치하는 경우 양호한 도달 가능성을 보장하기 위해, 가이드 부재들은 바람직하게는 토치 관의 중심 축과, 가공할 증기 발생기 관의 중심 축이 실질적으로 서로 일치하는 방식으로 배치된다. 이처럼 증기 발생기 관의 내부에서 토치 관의 센터링이 항상 보장되며, 그럼으로써 토치 헤드의 팁(tip)이 모든 공간 각도에서, 인서트를 포함하는 증기 발생기 관의 내부 벽부에 도달하게 된다.

바람직한 구현예에 따라, 상기 유형의 연결 장치는, 인서트가 하나 이상의 위치에서 증기 발생기 관과 용접되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 방법에서 이용된다.

바람직한 구현예에 따라, 상기 방법에 따라 제조된 증기 발생기 관은 증기 발생기 내에서 이용된다.

본 발명으로 달성된 장점들은 특히, 증기 발생기 관 내 인서트의 고정이 증기 발생기 관에서 상응하는 협소한 공간 조건에서도 용접을 통해 가능해진다는 점에 있다. 증기 발생기 관 내에서 인서트를 용접하는 것을 통해 인서트의 위치는 가열면 관의 전체 수명에 걸쳐서도 고정되며, 그에 따라 특히 낮은 고장 가능성도 달성된다. 설명한 용접 장치로는 관 내 임의의 위치들에서 인서트 및 가열면 관이 용접될 수 있다.

본 발명은 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 증기 발생기 관 내에서 안내되는 토치 헤드를 도시한 개략도이다.
도 3은 직립 구조의 연속 증기 발생기를 도시한 개략도이다.

모든 도에서 동일한 부재들은 동일한 도면 부호로 표시되어 있다.

도 1에는 지지 발부들(2)(support foot) 상에 배치되는 가이드 레일(4)을 포함하는 본 발명에 따른 연결 장치(1)가 도시되어 있다. 가이드 레일(4) 상에는, 용접 와이어를 위한 더욱 상세하게 도시되어 있지 않은 와이어 공급 장치뿐 아니라 불활성 가스 가이드 장치를 포함하는 용접 장치(6)가 배치된다. 용접 장치(6)에는 토치 관(8)이 연결되며, 이 토치 관은 가이드 레일(4) 상의 가이드 부재들(10) 상에서 지지된다. 이 경우 가이드 부재들(10)은, 가공할 증기 발생기 관의 적어도 절반 길이를 가져야 하지만, 전형적으로는 최대 15m일 수 있는 토치 관(8)의 허용되지 않는 굽힘을 방지한다. 토치 관(8)에 의해서는 불활성 가스와 용접 와이어가, 용접 장치(6)의 맞은편에 위치하는 토치 관 단부에 배치되는 토치 헤드(12)로 안내된다.

용접 장치(6)와, 토치 관(8)과, 토치 헤드(12)는 가이드 레일(4) 상에서 상세하게 도시되어 있지 않은 구동 장치에 의해 가이드 레일(4)을 따라 이동될 수 있다. 그럼으로써 토치 헤드(12)는 증기 발생기 관 내로 삽입될 수 있고, 이 증기 발생기 관 내에서 협소해진 공간 조건에도 불구하고 용접 과정이 실행될 수 있다.

증기 발생기 관(14) 내로 삽입되는 토치 헤드(12)는 도 2에 단면도로 도시되어 있다. 여기서도 증기 발생기 관(14) 내에서 토치 관(8)의 센터링을 실현하는 가이드 부재들(10)이 배치된다. 토치 헤드(12)의 용접 와이어 노즐(16)은 토치 관(8)의 중심 축(18)에 대해 편심 배치된다. 또한, 토치 헤드(12)는 중심 축(18)을 중심으로 회전 가능하게 지지되며, 그럼으로써 증기 발생기 관(14)의 각각의 각도에서도 인서트가 용접될 수 있다.

도 3에 따른 연속 증기 발생기(110)는 직립 구조로, 그리고 2 패스 증기 발생기로서 형성된다. 연속 증기 발생기는 외벽(112)을 포함하며, 이 외벽은 이러한 외벽에 의해 형성되는 제1 가스 연도의 하단부에서 깔때기부(114)로 전환된다. 외벽(112)은 하부 영역 또는 증발기 영역에서 증발기 관들(116)로 구성되고 상부 영역 또는 과열기 영역에서는 과열기 관들(116')로 구성된다. 증발기 관들(116) 또는 과열기 관들(116')은 길이방향 측면에서 기밀하게 서로 연결되고, 예컨대 용접된다. 바닥부(114)는 상세하게 도시되어 있지 않은 재를 위한 배출 개구부(118)를 포함한다.

유동 매체, 특히 물 또는 물-증기 혼합물이 하부에서 상부 방향으로 관류하는 외벽(112)의 증발기 관들(116)의 유입 단부들은 유입 콜렉터(120)에 연결된다. 배출 측에서 증발기 관들(116)은 상세하게 도시되어 있지 않은 수분 분리 시스템을 통해 유동 매체 측에서 후속하는 과열기 관들(116')에 연결된다.

외벽(112)의 증발기 관들(116)은 유입 콜렉터(120)와 수분 분리 시스템 사이에 위치하는 가스 연도의 섹션 내에서 증발기 가열면(122)을 형성한다. 이 증발기 가열면에는 과열기 관들(116')에 의해 형성된 재가열기 또는 과열기 가열면(124)이 연결된다. 추가로 가열 가스가 아래쪽으로 관류하는 제2 가스 연도(126) 내에, 그리고 가열 가스 측에서 제2 가스 연도와 상기 제1 가스 연도를 연결하는 횡방향 연도(128)(transverse flue) 내에는 개략적으로만 도시되어 있는 추가 가열면들(130), 예컨대 절탄기와 대류형 과열기 가열면들도 배치된다.

외벽(112)의 하부 영역에는 화석 연료를 위한 복수의 버너가 외벽(112)의 각각의 개구부(132)에 장착된다. 도 3에서는 4개의 개구부(132)를 확인할 수 있다. 상기 유형의 개구부(132)에는 외벽(112)의 증발기 관들(116)이 각각의 개구부(132)를 우회하기 위해 만곡되어 있으면서 수직 가스 연도의 외측면 상에서 연장된다. 상기 개구부들은 예컨대 공기 노즐들을 위해서도 제공될 수 있다.

인서트가 본원의 연결 장치(1)에 의해 용접된 내면 홈붙이 증기 발생기 관들을 이용하는 것을 통해, 가스 발생기(110)는 특히 쉽게 고장 나지 않게 된다. 또한, 인서트들을 이용하는 것을 통해, 5%를 초과하는 크롬 함량을 함유하는 강재로 제조되는 상기 증기 발생기 관들도 이용될 수 있다. 상기 유형의 증기 발생기 관들은 특히 높은 증기 매개 변수에 적합하며, 이에 따라서 증기 발생기의 특히 높은 효율성을 가능하게 한다.

Claims

용접 와이어 공급 장치 및 용접 가스 공급 장치뿐 아니라 토치 헤드(12)를 포함하는 용접 장치(6)를 구비한, 증기 발생기 관(14) 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1)에 있어서, 토치 관(8)은 상기 토치 헤드(12)와 강성 연결되고 상기 토치 헤드(12)의 용접 와이어 노즐(16)은 상기 토치 관(8)의 중심 축(18)에 대해 편심 배치되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 토치 관(8)은 가공할 증기 발생기 관(14)의 길이의 적어도 절반 길이를 갖는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 용접 와이어 및 용접 가스는 상기 용접 장치(6)로부터 토치 헤드(12) 쪽으로 상기 토치 관(8)을 통해서 안내되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토치 헤드(12)는 상기 토치 관(8)의 중심 축(18)을 중심으로 회전 가능하게 지지되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 장치(6) 및/또는 토치 관(8) 및 토치 헤드(12)는 상기 토치 관(8)의 중심 축(18)을 따라 이동 가능하게 지지되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 토치 관(8)에 그리고/또는 가이드 레일(4)에 복수의 가이드 부재(10)가 배치되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
제6항에 있어서, 상기 가이드 부재들(10)은, 토치 관(8)의 중심 축(18)과, 가공할 증기 발생기 관(14)의 중심 축이 실질적으로 서로 일치하는 방식으로 배치되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 장치(1).
증기 발생기 관(14) 내에 인서트의 재료 결합식 연결을 위한 방법에 있어서, 상기 인서트는 하나 이상의 위치에서 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따르는 연결 장치(1)에 의해 상기 증기 발생기 관(14)과 용접되는, 증기 발생기 관 내에 인서트의 재료 결합식 연결 방법.
제8항에 따른 연결 방법으로 제조되는, 인서트를 구비한 증기 발생기 관(14).
제9항에 따른 증기 발생기 관을 구비한 증기 발생기(110).