WO2008113369A1 - Verfahren zur herstellung einer membranwand - Google Patents

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Ulrich Gustav Friedrich Mester
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/08—Cooling thereof; Tube walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/104—Connection of tubes one with the other or with collectors, drums or distributors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05003—Details of manufacturing specially adapted for combustion chambers

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a membrane wall, in particular for use in fired boilers in a coal power plant, a biomass plant, an industrial boiler, in steam blocks, a waste incineration plant or the like, wherein at least one membrane wall pipe and at least one membrane wall web be welded together to form a weld.
  • Membrane walls are well known, and are used particularly in power plants to dissipate heat energy from the boiler area. Such membrane walls consist of alternating membrane wall tubes and membrane wall webs, which are welded together.
  • the disadvantage of the previous welding process for membrane walls is that a membrane wall had to be welded on both sides, since a one-sided weld would result in too high a penetration, which would lead to damage of the relatively thin-walled membrane wall pipe or membrane wall web.
  • previous welding processes are carried out at a welding speed of about 0.9 to 1, 1 m / min, whereby such a welding process takes a relatively long time, so that there is a need to provide a welding process, which allows a weld in less time and thus more cost.
  • the weld seam is produced by means of laser welding, whereby a high accuracy of the welding is given, which also brings about the many advantages described below.
  • the membrane wall is welded by means of a fiber laser. Since the fiber laser is relatively small and light, it offers the advantage of being easily transported on a truck, so that the laser welding can be done on site. In addition, a fiber laser can be handled very flexibly, so that there are many possible applications for a fiber laser in boiler construction, with hand welding also being able to be carried out by means of a hand welding machine.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the membrane wall is welded by means of a CO 2 laser.
  • a CO 2 laser as a stationary system offers higher performance, but requires workpiece transport to the welding system.
  • a CO 2 and a fiber laser are compatible, but require plant-specific features that must be considered in a concept planning for a corresponding system.
  • the membrane wall is welded at a speed of up to 5 m / min.
  • This is a further enormous increase in the welding speed compared to the previous welding processes, which have a welding speed of about 1 m / min, so that not only by the one-sided welding, but also by this high welding speed saves a lot of time and thus costs are minimized because a membrane wall can be welded at about 10 times the speed of previous welding processes.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the laser welding takes place from only one side of the membrane wall.
  • the work and the time required for it is substantially minimized compared to the previous welding methods, which produces an enormous cost advantage of the laser welding method compared to previous welding methods.
  • the membrane wall tube and the diaphragm wall web are welded restspaltok each other.
  • the membrane wall tube and the membrane wall web are completely welded together in their contact area, a better heat transfer is created, which in particular has a positive effect on the properties of such a welded membrane wall.
  • the membrane wall tube and the diaphragm wall web are at least partially subjected to a surface treatment prior to welding. It is basically necessary to irradiate the surfaces to be welded, for example with a sandblast. This can lead to silicon inclusions in the surface, so that a more differentiated surface cleaning of the welding edges is necessary. The purer the surfaces to be welded, the better the achievable welding result.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the membrane wall tube and the membrane wall web are at least partially heated prior to welding. As a result, the hardness of the workpiece material is reduced, so that a better welding result is obtained.
  • the workpiece is heated to a temperature of 200 0 C.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the welding takes place with the addition of an additional material, whereby a wider weld metal is achieved especially in the top layer.
  • the method comprises further steps, namely selecting the protective gas, selecting the focus distance of the laser from the seam, selecting the laser power and selecting the angle of incidence of the laser beam.
  • Figure 1 shows an embodiment of a membrane wall, which is welded in a conventional manner
  • Figure 2 shows an embodiment of a membrane wall, which is laser-welded.
  • FIG. 1 shows a membrane wall 1 with membrane wall tubes 2 and membrane wall webs 3.
  • the membrane wall tubes 2 are connected to the membrane wall webs 3 via the weld seams 4, wherein the weld seams 4 are arranged on both sides of the membrane wall 1. Since in a conventional welding, a relatively high penetration occurs, which should be indicated by the expansion of the welds 4, a membrane wall 1 can not be welded on one side without it in the region of the connection between the membrane wall tubes 2 and the membrane wall webs 3 to damage this Membrane wall elements would come. Therefore, such conventionally welded membrane wall 1 must be turned from one side after welding, so that welding can be done from the other side. In addition, since the welding of this kind is carried out at a speed of about 1 m / min, the conventional welding process is a very time-consuming and therefore costly welding process.
  • FIG. 2 shows a membrane wall 1 which is laser-welded.
  • the welding of membrane wall pipes 2 and membrane wall webs 3 can be carried out during laser welding from one side, without causing damage to the weld metal.
  • only one weld seam 5 is disposed between the membrane wall pipes 2 and membrane wall webs 3. Since the laser welding can take place from one side of the membrane wall 1 and, moreover, the membrane wall 1 can be welded at a speed of approximately 5 m / min, there is a welding process which can take place at approximately ten times the speed compared to conventional welding processes, which is an enormous time - and cost savings.
  • the membrane wall pipes 2 are welded restspaltok with the web 3, whereby an optimal heat transfer is given.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membranwand (1), insbesondere für den Einsatz in gefeuerten Kessein in einem Kohiekraftwerk, einer Biomasse-Anlage, einem Industriekessel, in Steam-Blöcken, einer Müllverbrennungsanlage oder ähnlichem, wobei wenigstens ein Membranwandrohr (2) und wenigstens ein Membranwandsteg (3) unter Bildung einer Schweißnaht (4, 5) miteinander verschweißt werden. Um ein Verfahren zur Herstellung einer Membranwand (1) bereitzustellen, welches ein Verschweißen der Membranwand (1) unter sehr geringem Zeitaufwand und somit geringem Kostenaufwand ermöglicht, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Schweißnaht mittels Laserschweißen hergestellt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Membranwand
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membranwand, insbesondere für den Einsatz in gefeuerten Kesseln in einem Kohlekraftwerk, einer Biomasse-Anlage, einem Industrie-Kessel, in Steam-Blöcken, einer Müllverbrennungsanlage oder ähnlichem, wobei wenigstens ein Membranwandrohr und wenigstens ein Membranwandsteg unter Bildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden.
Membranwände sind allgemein bekannt, und werden insbesondere in Kraftwerken dazu verwendet, Wärmeenergie aus dem Kesselbereich abzuführen. Derartige Membranwände bestehen im Wechsel aus Membranwandrohren und Membranwandstegen, welche miteinander verschweißt sind. Der Nachteil der bisherigen Schweißverfahren für Membranwände ist, daß eine Membranwand beidseitig geschweißt werden mußte, da bei einer einseitigen Schweißung ein zu hoher Einbrand entstehen würde, der zu einer Beschädigung des relativ dünnwandigen Membranwandrohrs bzw. Membranwandstegs führen würde. Zudem werden bisherige Schweißverfahren mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 0,9 bis 1 ,1 m/min durchgeführt, wodurch ein derartiger Schweißvorgang relativ lange dauert, so daß der Bedarf besteht, ein Schweißverfahren bereitzustellen, welches eine Verschweißung unter geringerem Zeitaufwand und somit kostengünstiger erlaubt.
Ausgehend von dem Vorbeschriebenen ist es die A u f g a b e der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Membranwand bereitzustellen, welches ein Verschweißen der Membranwand unter sehr geringem Zeitaufwand und somit geringem Kostenaufwand ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 g e l ö s t.
Erfindungsgemäß wird die Schweißnaht mittels Laserschweißen hergestellt, wodurch eine hohe Genauigkeit der Verschweißung gegeben ist, was zudem vieie im Folgenden beschriebene Vorteile mit sich bringt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Membranwand mittels eines Faserlasers geschweißt. Da der Faserlaser relativ klein und leicht ist, bietet er den Vorteil, problemlos auf einem Lastwagen transportiert zu werden, so daß das Laserschweißen vor Ort erfolgen kann. Zudem ist ein Faserlaser sehr flexibel handhabbar, so daß sich im Kesselbau viele Anwendungsmöglichkeiten für einen Faserlaser ergeben, wobei zudem auch Handschweißungen mittels einer Handschweißmaschine durchgeführt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Membranwand mittels eines CO2-Lasers geschweißt wird. Gegenüber dem Faserlaser bietet ein CO2-Laser als stationäre Anlage eine höhere Leistung, verlangt aber einen Werkstücktransport zur Schweißanlage. Desweiteren sind ein CO2- und ein Faserlaser kompatibel, fordern aber anlagentechnische Besonderheiten, die bei einer Konzeptplanung für eine entsprechende Anlage berücksichtigt werden müssen.
Geeignet sind auch weitere zur Zeit geläufige Laser-Schweißverfahren, beispielsweise ND-YAG oder dergleichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Membranwand mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 m/min geschweißt. Dieses ist eine weitere enorme Steigerung der Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zu den bisherigen Schweißverfahren, welche eine Schweißgeschwindigkeit von etwa 1 m/min aufweisen, so daß nicht nur durch das nur einseitige Schweißen, sondern auch durch diese hohe Schweißgeschwindigkeit viel Zeit gespart und somit Kosten minimiert werden können, da eine Verschweißung einer Membranwand mit einer ungefähr 10-fachen Geschwindigkeit im Vergleich zu bisherigen Schweißverfahren erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Laserschweißen von lediglich einer Seite der Membranwand erfolgt. Dieses stellt einen besonderen Vorteil des Laserschweißens einer Membranwand dar, weil hierdurch eine schnellere Herstellung einer Membranwand erfolgen kann, da zum einen die Membranwand nach dem Schweißen von einer Seite nicht gewendet werden muß und zum anderen das Schweißen von der anderen Membranwandseite entfällt. Somit wird beim Laserschweißen die Arbeit und die dafür benötigte Zeit im Vergleich zu den bisherigen Schweißverfahren wesentlich minimiert, was einen enormen Kostenvorteil des Laserschweäßverfahrens im Vergleich zu bisherigen Schweißverfahren erzeugt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Membranwand röhr und der Membranwandsteg restspaltfrei miteinander verschweißt werden. Da somit das Membranwandrohr und der Membranwandsteg in ihrem Kontaktbereich vollständig miteinander verschweißt sind, ist ein besserer Wärmeübergang geschaffen, was sich insbesondere positiv auf die Eigenschaften einer so geschweißten Membranwand auswirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das Membranwand röhr und der Membranwandsteg vor dem Schweißen wenigstens teilweise einer Oberflächenbearbeitung unterzogen. Dabei ist es grundsätzlich erforderlich, die zu schweißenden Oberflächen beispielsweise mit einem Sandstrahl zu bestrahlen. Dabei kann es zu Siliziumeinschlüssen in der Oberfläche kommen, so daß eine weitere differenzierte Oberflächenreinigung der Schweißkanten notwendig ist. Je reiner die zu schweißenden Oberflächen vorliegen, desto besser ist das erzielbare Schweißergebnis.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Membranwandrohr und der Membranwandsteg vor dem Schweißen wenigstens teilweise erwärmt werden. Dadurch wird die Härte des Werkstückmaterials reduziert, damit ein besseres Schweißergebnis erhalten wird. Vorzugsweise wird das Werkstück bis auf eine Temperatur von 2000C erwärmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Schweißen unter Zusatz eines Zusatzwerkstoffs erfolgt, wodurch ein breiteres Schweißgut besonders in der Decklage erreicht wird. Somit läßt sich eine größere Spaltüberbrückbarkeit realisieren und damit kann auf eine aufwendige, sehr genaue Fugenvorbereitung verzichtet werden.
Ferner ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Verfahren weitere Schritte aufweist, nämlich das Auswählen des Schutzgases, das Auswählen des Fokus-Abstands des Lasers von der Naht, das Auswählen der Laserleistung und das Auswählen des Einstrahlwinkels des Laserstrahls. Diese Parameter können beim Laserschweißen an die jeweiligen Bedingungen angepaßt 'werden, so daß in jedem Fall ein sehr gutes Schweißergebnis erhalten wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Membranwand, welche auf herkömmliche Art und Weise verschweißt ist und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Membranwand, welche lasergeschweißt ist.
Figur 1 zeigt eine Membranwand 1 mit Membranwandrohren 2 und Membranwandstegen 3. Die Membranwandrohre 2 sind mit den Membranwandstegen 3 über die Schweißnähte 4 miteinander verbunden, wobei die Schweißnähte 4 an beiden Seiten der Membranwand 1 angeordnet sind. Da bei einer herkömmlichen Schweißung ein relativ hoher Einbrand entsteht, was durch die Ausdehnung der Schweißnähte 4 angedeutet sein soll, kann eine Membranwand 1 nicht einseitig geschweißt werden, ohne daß es im Bereich der Verbindung zwischen den Membranwandrohren 2 und den Membranwandstegen 3 zu Beschädigungen an diesen Membranwandelementen kommen würde. Daher muß eine derartige auf herkömmliche Art und Weise geschweißte Membranwand 1 nach dem Schweißen von der einen Seite gewendet werden, so daß das Schweißen von der anderen Seite erfolgen kann. Da zudem das Schweißen dieser Art mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/min erfolgt, ist durch das herkömmliche Schweißverfahren ein sehr zeitaufwendiges und somit kostenintensives Schweißverfahren gegeben.
Figur 2 zeigt eine Membranwand 1 , die lasergeschweißt ist. Die Verschweißung von Membranwandrohren 2 und Membranwandstegen 3 kann beim Laserschweißen von einer Seite erfolgen, ohne daß es zu Beschädigungen an dem Schweißgut kommt. Somit ist zwischen den Membranwandrohren 2 und Membranwandstegen 3 jeweils nur eine Schweißnaht 5 angeordnet. Da das Laserschweißen von einer Seite der Membranwand 1 erfolgen kann und zudem die Membranwand 1 mit einer Geschwindigkeit von ca. 5 m/min geschweißt werden kann, ist ein Schweißverfahren gegeben, welches gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren in etwa zehnfacher Geschwindigkeit erfolgen kann, was eine enorme Zeit- und Kostenersparnis darstellt. Wie zudem in Figur 2 zu erkennen ist, sind die Membranwandrohre 2 restspaltfrei mit dem Steg 3 verschweißt, wodurch ein optimaler Wärmeübergang gegeben ist. Bei den herkömmlichen Schweißverfahren ist wie in Figur 1 dargestellt zwischen den Schweißnähten 4 ein Restspalt zwischen den Membranwandrohren 2 und dem "Membranwandsteg 3 vorhanden, was einen schlechteren Wärmeübergang darstellt und sich somit nachteilig auf die Eigenschaften der auf eine herkömmliche Art und Weise hergestellten Membranwand 1 auswirkt.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung und sind nicht beschränkt.
"Bezuqszeichenliste
1 Membranwand
2 Membranwandrohr
3 Membranwandsteg
4 Schweißnaht (herkömmlich)
5 Schweißnaht (Laserschweißen)

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Membranwand (1), insbesondere für den Einsatz in gefeuerten Kessein, in einem Kohiekraftwerk, einer Biomasse- Anlage, einem Industrie-Kessel, in Steam-Blöcken, einer Müllverbrennungsanlage oder ähnlichem, wobei wenigstens ein Membranwandrohr (2) und wenigstens ein Membranwandsteg (3) unter Bildung einer Schweißnaht (4, 5) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mittels Laserschweißen hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mittels eines Faserlasers hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mittels eines CO2-Lasers hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 m/Minute hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserschweißen von lediglich einer Seite der Membranwand (1) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranwandrohr (2) und der Membranwandsteg (3) restspaltfrei miteinander verschweißt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranwandrohr (2) und der Membranwandsteg (3) vor dem Schweißen wenigstens teilweise einer Oberflächenbearbeitung unterzogen werden. "8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranwandrohr (2) und der Membranwandsteg (3) vor dem Schweißen wenigstens teilweise erwärmt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen unter Zusatz eines Zusatzwerkstoffs erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Auswählen des Schutzgases,
Auswählen des Fokus-Abstands des Lasers von der Naht,
Auswählen der Laserleistung und
Auswählen des Einstrahlwinkels des Laserstrahls.
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