[发明专利]实现高温不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的转换结构

说明书

在高温管屏出口实现从不锈钢受热面管体至铁素体集箱的新型转换结构，属于发电技术领域。本发明专利的技术特点是：包括不锈钢小集箱、铁素体大集箱、不锈钢受热面管子和铁素体小管径管子；不锈钢小集箱的进口连接不锈钢受热面管子，不锈钢小集箱的出口通过小管径管子对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换，然后与铁素体大集箱连接。本发明利用成熟的小管径管子对接焊接来实现不锈钢至铁素体钢的转换，解决焊口处的热应力过大问题，无需使用昂贵的镍基合金材料，且满足ASME标准对材料使用温度的要求。

技术领域

本发明涉及一种锅炉用材料转换结构，具体涉及一种适用于先进超超临界大容量高效发电机组蒸汽温度在620℃至650℃之间的锅炉用不锈钢受热面管体至铁素体钢出口集箱的材料转换结构,属于发电技术领域。

背景技术

汽轮发电机组作为火力发电的核心技术经历了一百多年的发展历程。为了节省燃料和保护环境。机组的运行参数经过了不断的提升从而提高机组循环效率。对于适合我国经济发展和环保要求的大型高效燃煤机组，现在电力行业正在攻关630-650℃蒸汽温度的锅炉设计。对于这一蒸汽温度等级的锅炉,和高温管道连接的出口集箱还应该使用成熟低价的蠕变强化型铁素体钢。成熟材料为P92.与奥氏体不锈钢相比，P92的低膨胀系数有效地减少服役过程中冷热交替造成的热应力疲劳失效几率；同时较低的Cr和Ni元素含量大大降低了制造成本。P92耐热钢拥有众多优点使其成为最广泛应用于超临界和超超临界锅炉集箱、管道等厚壁部件的耐热钢钢种，因此有成熟的制造和加工工艺。

出口集箱的材料决定了集箱管接头也应该是同等级的蠕变强化型铁素体材料(P92或T92)。但是对于这一蒸汽等级的锅炉，其过热器，再热器出口炉膛以外受热面部分管子的壁温很可能已经超过了ASME标准T92的允许使用温度(649℃)，因此无法采用和集箱同等级的铁素体材料作为集箱的管接头。这里就存在一个如何合理可靠地按照国际标准的要求设计从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的材料转换问题。

目前国内和国外锅炉厂家基本上采用以下三种不同的方式来实现从不锈钢受热面管体至铁素体出口集箱的材料转换：

1、在铁素体(P92)集箱上采用最短的铁素体(T92)管接头(图4)-这种设计是不满足设计标准的，有很大的安全隐患。既然已经认识到炉膛以外的受热面管子壁温已经超过了T92的允许使用温度因此大部分管子不能采用T92材料，那么管接头的设计温度也一定超过了T92的允许使用温度，按标准要求不能使用T92。而且管接头处除了有内压引起的应力，还有弯曲和热膨胀及其几何形状和焊接引起的附加应力和应力集中，处于更恶劣的应力环境，通常是首先出现裂纹的部位。另外由于管子壁温偏差使得某些管子温度偏离平均值较多，这种结构很可能使得集箱的某局部温度提高，即相邻两管或多管之间温度远超出了集箱的设计温度，使得集箱的设计也不安全。

2、利用小集箱经一次混合后降低下游连接管的温度，在连接管上实现不锈钢和铁素体材料的转换(图5)-这是一种П型锅炉的典型过热器和再热器出口结构形式。同一屏出口的不锈钢受热面管子首先进入一不锈钢小集箱再经过一连接管进入P92汇集集箱。因为经小集箱混合每屏管子里的蒸汽后，蒸汽温度降低，混合后小集箱的下游能够安全地使用铁素体P92材料，不锈钢至铁素体钢的材料转换可以设置在小集箱后连接管上。这种结构虽然满足了ASME标准对材料使用温度的要求，但是由于不锈钢和P92的热膨胀系数偏差较大，两种材料如果在通常的连接管上直接对焊，锅炉在服役过程中冷热交替循环运行时在焊口处会出现超出材料所能承受的热应力。现有的一种可行设计，这种设计采用镍基合金INCONEL740H作为两种材料的过渡段。由于这种镍基合金的热膨胀系数在不锈钢和P92钢之间，能够降低与不锈钢和与P92钢焊口处的热应力，并且强度性能很好，过渡段可以更薄，有利于进一步降低两焊口处的热应力。图6给出了最终优化后的设计，这种设计虽然可行，但是首次在大型电站燃煤锅炉上采用了昂贵的镍基合金材料。而且这种材料及其焊接工艺在电站锅炉上的应用还不属于成熟技术。使得锅炉的造价提高，安全性也难以保证。