[发明专利]管接头和集管箱的焊接结构

说明书

技术领域

本发明涉及集管箱(tube header)和管接头(tube stubs)的焊接结构，特别地，涉及适合用在安装在热电站中的锅炉的末级过热器和再热器中的焊接结构。

背景技术

近些年来，主要由三种发电方法，即核能、火力和水力。在这些方法中，火力发电一种非常有潜力的用于产生电力的方法，其相对安全，且敏感于负载变化，且被预期在发电技术领域中保有价值。

作为用于在热电站中发电的锅炉的主要零件，具有集管箱，其安装在诸如蒸发器、过热器和再热器之类的多种装置中的每一个中，并分配或收集内部流体。集管箱具有用于安装热交换管和导管的多个安装孔。

图1为示出分别具有弯曲段的管接头和管接头焊接至其上的集管箱的整体结构的示意图。其中的每一个都具有弯曲段的所述多个管接头4焊接至直管类型的集管箱2，以形成集管箱部件。例如，在用于产生电力的锅炉中，具有通过焊接连接安装在一个集管箱2上的多个管接头4。

当在高温下将集管箱2用在锅炉的末级过热器和再热器中时，通常使用铁素体耐热钢，如1Cr钢、2Cr钢、9Cr钢和12Cr钢。铁素体耐热钢(以下称为铁素体钢)具有高温强度、在防止热变形和热应力方面的低热膨胀系数、以及高导热系数。而且，管接头与集管箱一样，通常采用铁素体钢，如1Cr钢、2Cr钢、9Cr钢和12Cr钢，避免产生热应力。在这里，管接头由铁素体钢制成，如日本火力技术标准的JIS STBA28、JIS STBA23、JISSTBA24以及STBA23J1、STBA28、STBA29和SUS410J3TB，集管箱由与上述标准相同的材料制成。也可以使用与上述标准相同的ASME材料。

近些年来，在热电站中，需要频繁启动-停止操作，以与电力需求波动一致。在这种热电站操作条件下，确认存在由由于管接头和熔炉顶板之间的温差产生的热应力或热交换管的自重引起的一些损坏，如集管箱上的焊接部分处的疲劳损坏或蠕变损伤。特别地，对于其最大蒸汽条件改进至约600℃以增加发电效率的USC锅炉(USC：超临界)中的末级过热器和再热器的具有焊接至其上的管接头的集管箱，当具有管接头的集管箱由铁素体钢制成时，与基座材料相比，材料的焊接热影响区具有低的抗蠕变强度，这使得它倾向于产生蠕变损伤。因此，比以前更频繁地要求定期检查或更换管。

图5为管接头4的弯曲段(图1的段B)的侧视图。图6图示了沿图5的A-A、B-B、C-C、D-D和E-E线截取的管接头4的截面图。如图6所示，管接头4的截面形状不均匀，但在弯曲段变平。因此，当内部压力作用在其上时，则会产生弯曲应力。

而且，出现蠕变损伤的另一个因素可能是弯曲段的背侧的抗蠕变强度下降，这种下降是由于与直线段相比，弯曲段的厚度和塑性形变降低造成的。

这已经由蠕变试验验证了，在该蠕变试验中，内压力加载到具有弯曲段且由12Cr钢制成的管类型的测试件上。与直线段和从弯曲段分解的测试件相比，弯曲段有相当大的蠕变损伤，且断定弯曲段处的弯曲应力为蠕变损伤的因数。

出现蠕变损伤的又一个因素是，管接头之间的蒸汽温度是变化的。因此，经受蒸汽温度的管接头的温度变得比设定温度高，因此经历比其它管接头短的蠕变寿命。

为了解决由蠕变损伤引起的问题，可行的是使管接头变薄，但这是不经济的，也不能解决管接头的实际尺寸范围内的问题。因此，难以简单地通过使管接头壁变厚来抑制蠕变损伤的出现。

专利文献1披露了一种焊接铁素体钢管接头和铁素体钢集管的结构，其中奥氏体钢的管插在管接头和集管箱之间，并且该管设置为一定长度，该长度延伸至一个位置，该位置离该管至集管(header)的焊接端的距离为该管外径的1/2或更多。而且，在这种焊接结构中，通过围绕焊接位置进行切割，在焊接位置处，在集管上形成突出部分，同时切割该管的顶端，以形成锥形端，从而形成与集管的突出部分一起形成对接槽。对接槽是焊根，突出部分的该焊根形成为比集管的焊根长。

然而，根据专利文献1，不仅该结构要求更多的零件，将奥氏体钢的管插在集管箱和管接头之间，而且花费两倍多的时间焊接这些部件，因为铁素体钢管接头和奥氏体钢管，以及铁素体钢集管和奥氏体钢管需要分别焊接。因此，当专利文献1中披露的结构应用于用于发电的具有将要焊接至集管的数百个管接头的锅炉时，则花费大量的时间和金钱。

而且，在管接头分别具有弯曲段的情况中，专利文献1中披露的焊接结构几乎不能抑制管接头的弯曲段处的蠕变损伤。