KR20150101977A - 압력 용기용 방사형 노즐 조립체 - Google Patents

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Abstract

용기 벽을 통하여 유체 유동을 가능하게 하도록 압력 용기에서 사용하기 위한 방사형 노즐 조립체가 제공된다. 방사형 노즐 조립체는 노즐과, 노즐의 한쪽 단부로부터 연장하는 컵 형상 플랜지를 가진다. 노즐은 압력 용기의 벽을 통한 유체 유동을 허용하도록 그 길이를 따라서 관통 배치되는 보어를 가진다. 플랜지는 개방 단부를 갖는 대체로 컵 또는 돔 형상 벽에 의해 한정된다. 노즐 조립체는 노즐이 플랜지에 대해 방사형 방위로, 가능하게 수평 방위로 배치되도록 용기의 벽에 고정된다.

Description

압력 용기용 방사형 노즐 조립체{RADIAL NOZZLE ASSEMBLY FOR A PRESSURE VESSEL}
본 발명은 일반적으로 압력 용기에서 사용하기 위한 노즐에 관한 것이고, 특히 노즐의 한쪽 단부에 배치된 컵 형상 플랜지로부터 방사형으로 및 수평으로 연장하는 노즐을 갖는 방사형 노즐 조립체에 관한 것이다.
압력 용기는 전형적으로 내부 유체 압력 및 온도에서의 변화로 인하여 주기적인 열적 및 기계적 응력을 받는다. 이러한 주기적인 응력은 압력 용기가 견딜 수 있는 압력 및/또는 온도 사이클의 수 및/또는 크기를 제한할 수 있다. 역사적으로, 압력 용기는 압력 용기의 외피를 통해 연장하는 보어들 또는 관통부들을 가진다. 파이프와 같은 도관은 관통부들 및 파이프들이 압력 용기로부터 및 용기로 출입을 허용하도록 서로 유체 소통(fluid communication)하도록 압력 용기에 부착된다. 응력 집중이 파이프(들)와 압력 용기 외피의 교차 지점에 존재한다. 이러한 응력 집중은 더욱 높은 응력을 초래하고, 흔히 금속 표면 상에 형성될 수 있고 유효 수명을 제한할 수 있는 마그네타이트 층(magnetite layer)의 피로 및/또는 크랙과 같은 현상에 대해 압력 용기의 디자인에서 제한 요인으로 된다.
이러한 압력 용기는 도 1에 도시된 바와 같은 증발기 시스템의 보일러 또는 증기 드럼일 수 있다. 도 1을 참조하여, 증발기(102)와 증기 드럼(104)을 포함하는, 배열회수 증기발생기(배열회수 보일러)의 예시적인 종래의 증발기 시스템(100)이 도시된다. 증기 드럼(104)은 증발기(102)와 유체 소통한다. 자연 순환 배열회수 보일러에서, 비등이 증발기(102)에서 시작할 때까지 유동이 없거나 또는 최소의 유동이 확립된다. 이러한 것은 증기 드럼(104)에서 매우 급격한 온도 상승을 유발한다.
예를 들어, 냉시동(cold start) 동안, 증기 드럼(104) 내부의 수온은 10분 내에 15℃로부터 100℃로 상승할 수 있다. 이러한 것은 큰 열 경사도를 만들고, 그러므로 증기 드럼(104) 벽에서 압축 응력을 만든다. 증기 드럼(104)에서 압력이 증가함으로써, 드럼 벽을 통한 온도 경사도는 감소되고, 결과적으로 압력으로 인한 응력은 드럼에서 지배적인 응력으로 된다. 압력으로 인한 응력(증기 드럼(104)에서 증가된 압력과 함께)은 인장응력이다. 드럼을 위한 응력 범위는 전체 부하(압력)에서 최종 인장응력과 초기의 압축성 열응력 사이의 차이에 의해 결정된다. 보일러 디자인 코드(ASME 및 EN과 같은)는 설계 압력에서 응력에 관하여 제한을 부과한다. 예를 들어 EN12952-3와 같은 일부 코드는 시작-종료(startup-shutdown) 사이클을 위해 허용 가능한 응력 범위에서 제한들을 또한 포함한다. 이러한 제한들은 동작 온도에서 강의 표면 상에서 형성되는 마그네타이트 층의 피로 손상 및 크랙과 같은 현상으로부터 보호되도록 의도되어 있다.
또한, 증기 보일러는 도 2에 도시된 바와 같이 증기 드럼에서 수위를 결정하기 위한 수단을 구비한다. 수위는 전형적으로 상부 및 하부 연결 튜브(노즐)(108)에 의해 드럼(104)에 연결되는 검사 유리창(sight glass) 및/또는 압력 트랜스듀서(106)의 수단에 의해 측정된다. 보일러 디자인 코드 EN 12952-7:2002(E) Section 5.4.2는, "증기 보일러와 국부 수위 지시기 사이의 연결은 적어도 20 ㎜의 내경을 가질 것이다. 수위 지시기가 공통의 연결 라인들의 수단에 의해 연결되면 또는 물측(water side) 연결 튜브들이 750 ㎜보다 길면, 후자는 적어도 40 ㎜의 내경을 가질 것이다. 증기측의 연결 튜브들은 응축물이 축적되지 않도록 디자인될 것이다. 물측 연결 튜브들은 항상 수위 지시기에 대해 수평으로 배열될 것이다."라고 기술한다. 이러한 요건은, 연결 튜브(108)가 전형적으로 도 2에 도시된 바와 같이 비방사형으로(non-radially) 보일러 드럼을 관통하게 되는 것을 의미한다. 비방사형 배열은 도 3에 도시된 바와 같은 높은 응력 집중을 유발한다.
도 3을 참조하여, 노즐 조립체(109)의 일부의 절개도의 응력 등고선(stress contour plot)의 형태를 하는 유한 요소 분석법의 결과가 도시되어 있다. 응력 등고선은 변하는 응력의 영역들을 도시하고, 응력 외형은 공지된 종래의 노즐 조립체의 섹션 위에 겹쳐진다. 노즐 조립체(109)는 압력 용기 벽(104)에 의해 한정되는 내부 영역으로 구멍을 통해 연장하는 노즐을 포함한다. 예시된 실시예에서, 최대 국부 응력의 영역은 노즐(109)과 압력 용기 벽의 내부면 사이에 한정된 교차 지점(110)에 위치된다. 대체로, 노즐(109)은 용접을 통해 압력 용기(104)에 부착된다. 이러한 응력 집중은 예를 들어 150 bar 이상의 범위에서 동작하는 배열회수 보일러(HRSG)의 냉시동 동안 고압 드럼(110)에서 600 메가파스칼(㎫)보다 높은 응력 범위를 유발할 수 있다. EN 12952-3 section 13.4.3은 응력이 마그네타이트 크랙을 피하도록 600 ㎫보다 낮은 범위일 것을 요구한다. 이러한 요건의 조합은 표준 연결 튜브 배열을 구비한 HRSG 고압 드럼이 EN 보일러 디자인 코드의 요건에 부합하는 것을 어렵게 한다.
수평 연결 노즐 대신에 방사형 노즐 조립체가 사용되는 새로운 접근이 본 발명에 의해 제시되며, 방사형 노즐 조립체는 연속 수평 경로가 도 5에 도시된 바와 같이 드럼의 내부로부터 감지 라인(242)까지 유지되도록 충분히 크다. 이러한 구성은 응력 집중을 감소시키고 도 7에 도시된 바와 같이 600 ㎫ 아래로 응력 범위를 감소시킨다.
본 발명의 한 실시예에서, 압력 용기에서 사용하기 위한 노즐 조립체가 제공된다. 압력 용기는 내부 영역을 한정하는 내부면을 갖는 벽에 의해 한정된다. 구멍은 압력 용기의 벽을 통해 연장한다. 노즐 조립체는 통과하는 유체 유동을 제공하도록 그 길이를 따라서 배치된 보어를 구비한 내부 및 외부 단부를 갖는 노즐을 포함한다. 노즐 조립체는 노즐의 내부 단부로부터 연장하는 플랜지를 포함한다. 플랜지는 내부 영역을 한정하는, 개방 단부를 구비한 컵 형상을 갖는 벽에 의해 한정된다. 플랜지의 개방 단부는 압력 용기의 벽의 구멍과 유체 소통으로 압력 용기에 부착 가능하다.
본 발명에 따른 방사형 노즐 조립체에 의해 연속 수평 경로가 드럼의 내부로부터 감지 라인까지 유지되도록 충분히 커서, 응력 집중을 감소시키고 도 7에 도시된 바와 같이 600 ㎫ 아래로 응력 범위가 감소되어, 보일러 디자인 코드(ASME 및 EN과 같은)의 요건에 부합할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 증발기 시스템의 개략도.
도 2는 종래 기술에 따라서 그로부터 수평으로 연장하는 다수의 비방사형, 수평 노즐을 도시하는, 압력 용기의 일부의 단면도.
도 3은 배열회수 보일러에서 사용되는 보일러 드럼에서 전형적으로 보여지는 주기적인 온도 및 압력 부하를 받는 압력 용기에 설치되는 종래의 노즐을 도시한 유한 요소 분석 응력 등고선을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따라서 압력 용기의 벽으로부터 방사형으로 연장하는 수평 노즐을 도시하는, 압력 용기의 일부의 단면도.
도 5는 압력 용기의 벽으로부터 방사형으로 연장하는 도 4의 비방사형 수평 노즐을 도시하는, 압력 용기의 일부의 확대 단면도.
도 6은 압력 용기의 벽으로부터 방사형으로 연장하는 도 4의 비방사형 수평 노즐을 도시하는, 압력 용기의 일부의 또 다른 확대 단면도.
도 7은 배열회수 보일러에서 사용되는 보일러 드럼에서 전형적으로 보여지는 주기적인 온도 및 압력을 받는, 본 발명에 따라서 압력 용기에 설치되는 상기된 바와 같은 노즐의 실시예를 도시하는 유한 요소 분석 응력 등고선을 도시한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라서 방사형 노즐 조립체(202)에 배치되는 압력 용기(200)의 상부 부분을 도시한다. 압력 용기(200)는 내부 영역(208)을 한정하도록 내부면(206)을 갖는 벽(204)을 포함한다. 압력 용기(200)의 벽(204)은 압력 용기(200)의 내부 영역(208)에서 외부로 유체를 보내기 위해 벽을 관통하는 보어 또는 구멍(210)을 가진다. 노즐 조립체(202)는 용기의 내부 영역(208)으로부터 노즐 조립체(202)를 통해, 노즐 조립체(202)에 부착된 파이프, 튜브 또는 다른 디바이스(도 2에 도시된 바와 같이)로 유체를 유동적으로 전달하기 위한 연결을 제공하도록 압력 용기(200)의 벽(204)에 고정된다.
방사형 노즐 조립체(202)는 노즐(220)과, 노즐이 플랜지에 대한 방사형 방위로 및 수평 방위로 배치되도록 압력 용기(200)의 벽(204)에 노즐 조립체를 고정하기 위한 컵 형상 플랜지(222)를 포함한다. 노즐은 압력 용기(200)의 벽(204)을 통한 유체 유동을 허용하도록 그 길이를 따라서 관통 배치된 보어(228)를 각각 구비하는 내부 단부(224) 및 외부 단부(226)를 가진다. 바람직하게, 보어는 그 길이를 따라서 축선 방향으로 배치된다. 노즐(220)의 외부 단부는 노즐의 외부 단부에 부착되거나 그렇지 않으면 고정될 수 있는 파이프, 도관 또는 디바이스(106, 도 2에 도시된 바와 같은)를 수용하도록 외부 치수를 감소시키기 위해 원주 방향으로 모따기된 표면(230)을 가진다. 플랜지(222)는 노즐(220)의 내부 단부(224)로부터 연장한다.
플랜지(222)는 개방 단부(234)를 갖는 대체로 컵 또는 돔 형상 벽(232)에 의해 한정된다. 플랜지 벽(232)은 내부 영역(238)을 한정하는 내부 오목면(236)을 가진다. 한 실시예에서, 노즐(220)의 내부 단부(224)는 사전 결정된 위치 및 각도로 플랜지(222)에 일체로 형성될 수 있으며, 이는 이후에 더욱 상세하게 기술된다. 대안적으로, 노즐(220)은 플랜지(222)에 고정되는 별도의 부분일 수 있다. 이러한 실시예에서, 플랜지 벽(232)은 사전 결정된 위치 및 각도에 관통 보어 또는 구멍(240)을 가진다. 보어(240)의 위치 및 각도는 플랜지(222)와 용기(200)의 치수, 및 용기 상에서의 노즐 조립체(202)의 위치에 의존할 수 있으며, 이는 추후에 더욱 상세하게 기술된다. 노즐(220)의 내부 단부(224)는 노즐의 외부 단부(226)로부터 플랜지(222)의 내부 영역(238)으로 유체 소통을 제공하도록 용접에 의한 것과 같이 플랜지 벽(232)의 보어(240) 내에 또는 주위에 고정된다. 노즐(220)은 한 실시예에서 노즐이 플랜지의 곡률에 대해 방사형으로 및 압력 용기(200)에 부착될 때 수평으로 배치되도록 플랜지(222)에 고정된다. 플랜지(222)는 사전 결정된 반경을 갖는 형상에 있어서 구형 또는 반구형일 수 있다.
플랜지(222)의 개방 단부(234)는 도 5 및 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이 압력 용기(200)의 벽(204)의 아치형 부분에서 보어(210)에 또는 주위에 용접에 의한 것과 같이 부착된다. 이전에 기술된 바와 같이, 노즐 조립체(202)는 증발기 시스템의 증기 드럼을 위해 특히 유용하며, 증기 드럼(200)은 증기 드럼의 내부로부터 유체 레벨 지시기 또는 센서로 유체를 보내기 위한 다수의 수평 노즐을 포함한다. 보일러 코드에 의해 요구되는 바와 같이, 물측 연결 튜브(노즐)(220)들은 수위 지시기에 대해 수평으로 배열된다. 유체 레벨 지시기와 같은 특정 적용을 위하여, 용기(200)의 벽과 방사형 노즐 조립체(202)의 플랜지(222)는 압력 용기 또는 증기 드럼(200) 내의 수위를 결정하도록 노즐(220)을 통과하는 유체 유동과 간섭하지 않거나 또는 유체 유동에 영향을 미치지 않아야 한다. 결과적으로, 노즐(220)의 보어(228)는 점선(242)으로 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 압력 용기(200)의 내부 영역(208) 내로의 차단되지 않은 직접적인 시야를 가져야 한다. 플랜지(222)의 특징(예를 들어, 반경), 용기 벽(204)의 곡률, 및 압력 용기의 두께는 용기(200)의 내부 영역(208)과 노즐(220)의 보어(228) 사이에서 장애물이 없는 유체 소통을 제공하도록 배열된다. 또한, 노즐 조립체(202)의 플랜지(222)의 개방 단부(234)의 개구와 플랜지 벽(232)의 보어(240)의 치수 또는 지름은 용기(200)의 내부 영역(208)으로부터 플랜지를 통해 그리고 노즐(220)의 보어(228)를 통해 연속적인 수평 경로를 제공하도록 충분히 크다. 이러한 특징은 노즐 조립체(202)가 유체 레벨 지시기 또는 센서(106)를 위해 사용되고 이와 유동적으로 연결될 때(도 2 참조) 중요하며, 용기(220) 내의 유체는 노즐 조립체(202)를 통해 유체 레벨 지시기(106)로 보내진다.
도 6을 참조하여, 도시된 본 발명에 따른 방사형 노즐 조립체(302)는 압력 용기(200)에 부착된다. 방사형 노즐 조립체(302)는 도 5의 방사형 노즐 조립체와 유사하다. 따라서, 같은 요소들은 동일한 도면 부호가 할당된다. 방사형 노즐 조립체는 플랜지(222)의 개방 단부(234)의 외부 가장자리로부터 밖을 향하여 연장하는 외부 플랜지(304)를 추가로 포함한다. 외부 플랜지의 곡률은 용기 벽(204)의 보어(210)의 주위에서 용기(200)의 벽(204)의 형상에 일치하도록 형상화된다. 노즐 조립체(302)는 용기 벽(204)의 보어(210)에 배치되고, 용접 또는 부착 지점에서 응력을 감소시키도록 외부 플랜지(304)의 외부 가장자리 주위에서 용접에 의한 것과 같이 용기 벽(204)에 부착된다.
도 7을 참조하여, 무한 요소 또는 다른 응력 분석은 방사형 노즐 조립체(202)와 압력 용기 벽(204)의 내부면의 교차 지점에서 온도 및 압력으로 인한 응력을 예시한다. 예시된 실시예에서, 교차 지점(306)에서의 국부 응력 범위는 도 3에 도시된 종래 기술보다 감소된 피크 응력을 제공하고, 감소된 응력 범위는 냉시동 동안 600 ㎫보다 상당히 낮다.
본 발명은 고압 적용을 위하여 일단 적용물을 통하는 것 대신에 배열회수 보일러를 위해 자연 순환을 위한 옵션을 제공한다.
본 발명이 다수의 바람직한 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 다양한 변형들이 만들어질 수 있으며 등가물들이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 그 구성 요소들을 대체될 수 있다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다. 부가하여, 많은 변형들이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 내용을 적응하도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위하여 고려된 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예들로 한정되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 놓이는 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다.
200 : 압력 용기 202, 302 : 방사형 노즐 조립체
204 : 압력 용기 벽 206 : 벽 내부면
208 : 내부 영역 210 ; 보어 또는 구멍
220 : 노즐 222 : 플랜지
224 ; 노즐 내부 단부 226 : 노즐 외부 단부
232 : 플랜지 벽 234 : 개방 단부
236 : 내부 오목면 238 : 플랜지 내부 영역
240 : 플랜지 벽 보어 또는 구멍

Claims (1)

  1. 구형(spherical shaped) 측벽에 의해 한정된 압력 용기에서 사용하기 위한 방사형 노즐 조립체로서, 상기 압력 용기는 내부 영역을 한정하는 내부면과 상기 압력 용기의 측벽을 통해 연장하는 구멍을 갖는, 방사형 노즐 조립체에 있어서,
    통과하는 유체 유동을 제공하도록 그 길이를 따라서 내부에 배치된 보어를 구비한 내부 단부 및 외부 단부를 갖는 노즐로서, 상기 노즐의 외부 단부는 외부 치수를 감소시키기 위해 모따기된 표면을 갖는, 노즐; 및
    상기 노즐의 내부 단부로부터 연장하는 플랜지로서, 상기 플랜지는 내부 영역을 한정하는 개방 단부를 구비한 구형 또는 반구형 형상을 갖는 둥근 벽에 의해 한정되고, 상기 플랜지의 개방 단부가 상기 압력 용기의 측벽의 구멍과 유체 소통으로 상기 압력 용기의 측벽에 부착 가능한, 플랜지를 포함하며;
    상기 압력 용기의 측벽의 곡률은 상기 플랜지의 둥근 벽의 곡률과 다르고,
    상기 노즐은 상기 압력 용기의 측벽에 부착되었을 때 상기 플랜지의 둥근 벽으로부터 반경방향 및 수평방향으로 연장하는, 방사형 노즐 조립체.
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