PL227772B1 - Sposób spawania gazoszczelnych ścian rurowych wykonanych ze stali wysokostopowych o strukturze martenzytycznej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób spawania gazoszczelnych ścian rurowych wykonanych ze stali wysokostopowych o strukturze martenzytycznej, stosowanych zwłaszcza w przegrzewaczach pary kotłów przemysłowych.

Gazoszczelne ściany rurowe zwane również ścianami membranowymi są obecnie powszechnie stosowanymi rozwiązaniami kotłów eksploatowanych w przemyśle energetycznym. Wykonanie komory paleniskowej ze ścian membranowych miało na celu uzyskanie gazoszczelności oraz zmniejszenie grubości powłok izolujących komorę paleniskową. Początkowo podczas produkcji gazoszczelnych ścian rurowych stosowano różne metody łączenia rur między innymi metodą nadtapiania. Obecnie najczęściej spotykaną technologią wytwarzania gazoszczelnych ścian rurowych jest tworzenie połączeń spawanych pomiędzy rurami i płaskownikiem tworzącym tzw. płetwę. Do wytwarzania gazoszczelnych ścian rurowych jako elementów przegrzewaczy pary kotłów przemysłowych korzystne jest stosowanie materiałów wysokostopowych o strukturze martenzytycznej, wysokiej wytrzymałości. Materiały te cechują się wyższą zawartością chromu (8-12%), co w istotny sposób utrudnia ich spawanie tradycyjnymi metodami.

W procesie wytwarzania gazoszczelnych ścian rurowych powszechnie stosowaną metodą spawania jest metoda spawania łukiem krytym, ze względu na duże wydajności oraz szybkość spawania. Stosuje się maszyny dwu i czterogłowicowe. Spawanie jest prowadzone pod topnikiem, jako spawanie dwustronne z prędkościami spawania około 1 m/min.

Gazoszczelne ściany rurowe wytwarzane są zwykle na stanowiskach automatycznych, w których głowice spawalnicze umieszczone są w stałej pozycji, natomiast w trakcie i w celu ich zespawania przemieszcza się ściana rurowa składająca się naprzemiennie z rur i łączących je płaskowników.

Wytwarzanie ścian rurowych wykonanych ze stali wysokostopowych o strukturze martenzytycznej wymaga uwzględnienia wielu czynników technologicznych, w tym szczególnie zabiegów cieplnych, to jest podgrzewania spawanych elementów. Zabiegi te mają na celu wyprodukowanie elementu bez pęknięć i innych wad, posiadającego spoiny o prawidłowej strukturze metalurgicznej.

Obecnie stosowane w przemyśle rozwiązania opierają się o stacjonarne, nieruchome źródła ciepła służące do podgrzewania elementów przed ich spawaniem. Znane są rozwiązania podgrzewania elementów do spawania przy pomocy palników gazowych bądź elektrycznych elementów grzejnych.

Między innymi z opisu patentowego PL219126 znany jest sposób spawania paneli ścian szczelnych, zwłaszcza kotłów przemysłowych dla przemysłu energetycznego, charakteryzujący się tym, że panele ścian szczelnych łączy się przy użyciu wysokoenergetycznego lasera włóknowego, z wykorzystaniem wiązki laserowej, w ognisko której i/lub w jeziorko spawalnicze podaje się ciągle drut spawalniczy, prowadząc spawanie jako jednostronne doczołowe typu „I” bez ukosowania, z prędkością powyżej 1 m/min, przy czym przed spawaniem panele podgrzewa się wstępnie w temperaturze około 100-200^oC. Rozwiązanie to nie zapewnia jednak stałego podgrzewania łączonych elementów w trakcie całego procesu spawania, przez co jego zastosowanie ogranicza się do spawania elementów ze stali niskowęglowych, nie wrażliwych na podhartowanie i nadmierny wzrost twardości powstające w trakcie procesu. W przypadku spawania stali stopowych o strukturze martenzytycznej sposób ten ze względu na znaczny gradient temperatur prowadzi do nadmiernego wzrostu twardości w spoinie i strefie wpływu ciepła.

Znany jest również sposób wytwarzania gazoszczelnych ścian rurowych, w którym rury i płaskowniki przed procesem spawania poddaje się równoczesnemu zewnętrznemu podgrzewaniu w trakcie wprowadzania ich w strefę spawania aparatu spawalniczego z wykorzystaniem palników gazowych albo promienników ciepła. Sposób ten uniemożliwia jednak uzyskanie jednolitego rozkładu temperatur zarówno na długości jak i na obwodzie rury, jak również nie pozwala na równomierne grzanie rur i płaskowników w czasie trwania całego procesu spawalniczego. Wynika to stąd, że elementy te różnią się masą i geometrią, co przy zbliżonym strumieniu dostarczanego ciepła prowadzi do dużych różnic temperatur. Znaczące różnice temperatur na samych rurach jak i między rurami oraz płaskownikami powodują różne przyrosty wymiarów liniowych tych elementów, a w konsekwencji powstawanie naprężeń spawalniczych. Może to skutkować pękaniem spoin na ścianach gazoszczelnych kotła, zwłaszcza w trakcie jego eksploatacji.

Z opisu patentowego PL216415 znany jest sposób podgrzewania rur i płaskowników w procesie technologicznym łączenia ich w segmenty kotłowej ściany gazoszczelnej poprzez spawanie, w którym stosuje się zewnętrzne podgrzewanie płaskowników, charakteryzujący się tym, że do każdej przeznaczonej do spawania rury wsuwa się grzałkę elektryczną o długości zbliżonej do długości tej rury i podPL 227 772 B1 grzewa się rurę od wewnątrz do temperatury w granicach 150-250°C, a następnie przykłada się do siebie równolegle i naprzemiennie przeznaczone do spawania rury i płaskowniki albo tylko rury, które poddaje się dalej procesowi spawania ze sobą przy zachowaniu wewnątrz rur gorących grzałek elektrycznych, utrzymujących temperaturę rur, przy czym jeszcze przed spawaniem i/lub w jego trakcie podgrzewa się również płaskowniki do temperatury zbliżonej do temperatury rur. W zależności od zastosowanego urządzenia spawalniczego podgrzewanie płaskowników przebiega odmiennie. Przy spawaniu aparatem spawalniczym z nieruchomym urządzeniem spawalniczym, płaskowniki podgrzewane są punktowo bezpośrednio na wejściu do aparatu spawalniczego z użyciem palnika gazowego lub innego standardowego urządzenia grzewczego. Natomiast przy spawaniu aparatem spawalniczym z ruchomym urządzeniem spawalniczym, rury i płaskowniki układa się obok siebie na ławie spawalniczej, zaś pod płaskownikami umieszcza się grzałki elektryczne o długościach zbliżonych do długości płaskowników. W tym przypadku podgrzewanie płaskowników odbywa się na ich całej długości przed i/lub w trakcie procesu spawania. Po spawaniu połączone spoiną elementy poddaje się dalszym procesom technologicznym przy pozostawieniu gorących grzałek elektrycznych wewnątrz rur, które to procesy polegają bądź na dospawaniu następnych rur i płaskowników do już połączonych ze sobą elementów w celu uzyskania standardowego segmentu kotłowej ściany gazoszczelnej, bądź na poddaniu tak otrzymanego segmentu kotłowej ściany gazoszczelnej procesowi odwodorowania i/lub kontrolowanemu wystudzeniu. Rozwiązanie powyższe nie określa sposobu doprowadzenia zasilania elektrycznego grzałek, a to stanowi podstawowy problem w jego użyciu. Zastosowanie podgrzewania elementów rurowych za pośrednictwem wewnętrznych elementów grzejnych jest standardowym rozwiązaniem stosowanym w przemyśle. Zasilanie grzałek w przypadku elementów nieruchomych nie stanowi problemu technicznego. Komplikacja rozwiązania występuje w przypadku konieczności ruchu elementu podgrzewanego jak w przypadku spawania paneli ścian szczelnych. System zasilania musi jednocześnie zapewnić doprowadzenie do grzałek prądu elektrycznego i przewodów łączących termopar kontrolnych, a z drugiej strony nie może w żaden sposób ograniczać swobody ruchu spawanych elementów, czego dotychczasowe rozwiązania nie zapewniały i co stało się celem niniejszego wynalazku.

Istotę wynalazku stanowi sposób spawania gazoszczelnych ścian rurowych wykonanych ze stali wysokostopowych o strukturze martenzytycznej, w którym w trakcie procesu spawania lukiem krytym pod topnikiem rury podgrzewane są elektrycznie w zakresie temperatur od 180 do 200°C od wewnątrz przez wsunięte do nich elektryczne elementy grzejne, o długości zbliżonej do długości tych rur, natomiast płaskowniki łączące rury, podgrzewane są w zakresie temperatur od 180 do 200°C od zewnątrz od spodu w sposób ciągły za pomocą palnika gazowego, charakteryzujący się tym, że podgrzewanie płaskowników prowadzi się za pomocą acetylenu z wykorzystaniem palnika tlenowo-acetylenowego, natomiast zasilanie elektryczne do elementów grzejnych wewnątrzrurowych doprowadza się w sposób ciągły, w trakcie całego procesu spawania, poprzez elektryczne kable zasilające podwieszone wraz z układem sterowania nad spawanymi elementami rurowymi w sposób umożliwiający ich przesuwanie się wraz z przesuwem spawanych elementów rurowych, przy czym podwieszenie zrealizowane jest za pomocą systemu przesuwających się podwieszeń kabli zasilających, który składa się z ramy wsporczej o długości odpowiadającej długości spawanego elementu, systemu szyn oraz wózków mocujących podwieszone kable zasilające.

Korzystnie, jako stal wysokostopową stosuje się stal X12CrCoWMoVNb 12-2-2.

W rozwiązaniu według wynalazku stosuje się znaną metodę elektrycznego podgrzewania rur przez wsunięte w ich wnętrze elektryczne elementy grzejne, natomiast płaskowniki łączące rury podgrzewane są za pomocą acetylenu z wykorzystaniem palnika tlenowo-acetylenowego. Zastosowanie acetylenu jako gazu palnego w porównaniu do innych gazów palnych ma na celu minimalizację ilości wilgoci w strefie spawania.

Elektryczne elementy grzejne umieszczone wewnątrz spawanych rur zasilane są przez cały czas trwania procesu spawania. Umożliwia to utrzymanie ciągłego podgrzewania spawanych elementów, od rozpoczęcia do zakończenia procesu spawania. Rozwiązanie to zapewnia równomierny rozkład temperatur podgrzewanych rur, co jest szczególnie istotne w przypadku spawania stali wysokostopowych. Elektryczne elementy grzejne zapewniają jednorodną temperaturę podgrzewanych rur na ich grubości oraz na całej długości spawania. System ten umożliwia pełną kontrolę temperatury i przeprowadzanie złożonych cykli cieplnych dla podgrzewanych elementów.

Ciągłe zasilanie, kontrola oraz regulacja temperatury podgrzewania poruszających się wraz z rurami elementów grzejnych zrealizowane zostało przez system przesuwających się podwieszeń kabli zasilających. Zastosowane rozwiązanie zasilania składa się z ramy wsporczej o długości odpowia4

PL 227 772 B1 dającej długości spawanego elementu, systemu szyn oraz wózków mocujących podwieszone kable zasilające oraz układu sterowania. Podwieszenie kabli zasilających nad elementami spawanymi umożliwia dostęp do nich przed wejściem do aparatu spawalniczego i wykonywanie czynności przygotowawczych procesu spawania. Wózki mocujące kable zasilające umożliwiają ich swobodne przesuwanie się i podążanie za spawanym elementem zapewniając ciągłość zasilania i kontroli temperatury grzałek. Dodatkową funkcją wózków jest utrzymanie w ładzie zestawu kabli, co jest szczególnie istotne i pomocne w przypadku spawania paneli składających się z kilku, kilkunastu rur.

Użycie w sposobie według wynalazku grzałek elektrycznych, wsuwanych do środka rur i podgrzewających je przez cały proces technologiczny spawania, pozwala na utrzymanie stałej temperatury na całej długości rury oraz między jej górną i dolną powierzchnią. W wyniku ciągłego dostarczania energii przez grzałkę elektryczną, znajdującą się wewnątrz rury, możliwe jest również utrzymanie równomiernego rozkładu temperatur przed i po spawaniu oraz uzyskanie powolnego wyrównania się temperatur bezpośrednio po procesie spawania. Skutkuje to spokojnym ustabilizowaniem się temperatury, dając optymalne warunki ze względu na technologię spawania.

Zaletą sposobu według wynalazku jest również fizyczne rozdzielenie podgrzewania rur oraz płaskowników i związana z tym możliwość bieżącej kontroli i regulacji temperatury tych elementów praktycznie na każdym etapie procesu spawania.

Ponadto użycie grzałek elektrycznych umieszczanych wewnątrz rur umożliwia swobodny dostęp urządzenia spawalniczego do spawanych rur i płaskowników.

Sposób według wynalazku zostanie przedstawiony na poniższym przykładzie.

P r z y k ł a d

Sposób spawania gazoszczelnych ścian rurowych wykonanych ze stali wysokostopowej o strukturze martenzytycznej X12CrCoWMoVNb 12-2-2, w którym w trakcie procesu spawania lukiem krytym pod topnikiem rury podgrzewane są elektrycznie w zakresie temperatur od 180 do 200°C od wewnątrz przez wsunięte do nich elektryczne elementy grzejne, o długości zbliżonej do długości tych rur, natomiast płaskowniki łączące rury, podgrzewane są w zakresie temperatur od 180 do 200°C od zewnątrz od spodu w sposób ciągły za pomocą acetylenu z wykorzystaniem palnika tlenowoacetylenowego. Zasilanie elektryczne do elementów grzejnych wewnątrzrurowych doprowadza się w sposób ciągły, w trakcie całego procesu spawania, poprzez elektryczne kable zasilające podwieszone wraz z układem sterowania nad spawanymi elementami rurowymi w sposób umożliwiający ich przesuwanie się wraz z przesuwem spawanych elementów rurowych, przy czym podwieszenie zrealizowane jest za pomocą systemu przesuwających się podwieszeń kabli zasilających, który składa się z ramy wsporczej o długości odpowiadającej długości spawanego elementu, systemu szyn oraz wózków mocujących podwieszone kable zasilające.

Claims (2)

1. Sposób spawania gazoszczelnych ścian rurowych wykonanych ze stali wysokostopowych o strukturze martenzytycznej, w którym w trakcie procesu spawania lukiem krytym pod topnikiem rury podgrzewane są elektrycznie w zakresie temperatur od 180 do 200°C od wewnątrz przez wsunięte do nich elektryczne elementy grzejne, o długości zbliżonej do długości tych rur, natomiast płaskowniki łączące rury, podgrzewane są w zakresie temperatur od 180 do 200°C od zewnątrz od spodu w sposób ciągły za pomocą palnika gazowego, znamienny tym, że podgrzewanie płaskowników prowadzi się za pomocą acetylenu z wykorzystaniem palnika tlenowo-acetylenowego, natomiast zasilanie elektryczne do elementów grzejnych wewnątrzrurowych doprowadza się w sposób ciągły, w trakcie całego procesu spawania, poprzez elektryczne kable zasilające podwieszone wraz z układem sterowania nad spawanymi elementami rurowymi w sposób umożliwiający ich przesuwanie się wraz z przesuwem spawanych elementów rurowych, przy czym podwieszenie zrealizowane jest za pomocą systemu przesuwających się podwieszeń kabli zasilających, który składa się z ramy wsporczej o długości odpowiadającej długości spawanego elementu, systemu szyn oraz wózków mocujących podwieszone kable zasilające.

2. Sposób spawania według zastrz. 1 , znamienny tym, że jako stal wysokostopową stosuje się