本發(fā)明涉及包括不同材料的區(qū)段的管道的技術(shù)。它涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的異種管道接頭(dissimilarpipingjoint)。

背景技術(shù)：

不同的金屬/合金的使用可造成該接頭的應(yīng)力和壽命減少的問題，該金屬/合金它們的冶金特性不同，并且在該上下文中稱為接頭中的“異種金屬(dissimilarmetal)”，其暴露于高溫、高壓負載、高循環(huán)以及具有外力和力矩的高瞬態(tài)。

行業(yè)中的現(xiàn)行規(guī)范和標準/文獻關(guān)于此類接頭的特性和安全性的信息較少，并且情況往往為不安全的。

圖1示出了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(ccpp)10的基本方案。圖1的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置10包括經(jīng)由熱回收蒸汽發(fā)生器(hrsg)19連接于水/蒸汽循環(huán)12的燃氣渦輪11。

燃氣渦輪11包括壓縮機14，其穿過空氣入口13抽吸空氣并且將壓縮的空氣輸送至燃燒器15，在燃燒器15中用于通過焚燒燃料16生成熱氣體。熱氣體驅(qū)動渦輪17，并且渦輪17的排出氣體18經(jīng)過熱回收蒸汽發(fā)生器19，并且最后作為廢氣20離開。

熱回收蒸汽發(fā)生器19生成用于蒸汽渦輪21的蒸汽。此外，來自熱回收蒸汽發(fā)生器19的水供給至空氣冷卻器22，并且用于冷卻來自壓縮機14的壓縮空氣，其供給至渦輪以用于冷卻目的。在水穿過水入口管道24供應(yīng)的同時，生成的蒸汽經(jīng)由蒸汽出口管道23流回至熱回收蒸汽發(fā)生器19。

例如，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的更詳細的計劃在文檔us6,018,942中示出。

燃氣渦輪11的高壓空氣冷卻器22通常需要由奧氏體不銹鋼制成，以避免高溫腐蝕產(chǎn)物進入渦輪17的熱氣體路徑部分。同時，冷卻器22連接于其的裝置的剩余水/蒸汽側(cè)由鐵素體鋼制成。冷卻器22的蒸汽出口管道23處的焊接連接為以上闡明的異種金屬接頭或焊接，并且因此經(jīng)歷減少的壽命問題。

情況在圖2中更詳細地示出：蒸汽出口管道23在特殊的異種管道接頭25中連接于空氣冷卻器22，其中由三種不同或異種的材料m1、m2和m3制成的管道區(qū)段與彼此連接。包括水平傳感線27的管道區(qū)段的材料m1為例如不銹鋼，m2為例如鎳合金，并且m3為例如馬氏體鐵素體鋼。雖然由材料m1和m2制成的管道區(qū)段之間的接頭為不那么關(guān)鍵的，但是由材料m2和m3制成的管道區(qū)段之間的焊縫26為混合的焊縫，其在異種金屬材料m2和m3之間的接頭處為必須的。

導(dǎo)致此類異種金屬連接的過早失效的主要因素之一為在裝置的啟動期間管道的壁中的非常高的溫度梯度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于避免結(jié)合異種金屬材料之間的異種管道接頭描述的問題。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于異種材料的管道區(qū)段的異種管道接頭，其沒有待現(xiàn)場執(zhí)行的混合焊縫。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于異種材料的管道區(qū)段的異種管道接頭，其考慮到蠕變、疲勞及它們相互作用實現(xiàn)延長的壽命，并且導(dǎo)致低維護活動。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于異種材料的管道區(qū)段的異種管道接頭，其不需要對管道設(shè)計和支承構(gòu)思進行重大修改，并且因此對現(xiàn)有服務(wù)車隊(servicefleet)有益。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于異種材料的管道區(qū)段的異種管道接頭，其具有低重量的影響，并且因此不需要作為工作系統(tǒng)的已經(jīng)存在的管道的重大修改，該已經(jīng)存在的管道暴露于載重量、作為力和力矩的外部負載、熱限制膨脹、風(fēng)和地震負載。

這些及其它目的由根據(jù)權(quán)利要求1的異種管道接頭獲得。

根據(jù)本發(fā)明的異種管道接頭布置包括第一管道區(qū)段和第二管道區(qū)段，以及第一管道區(qū)段與第二管道區(qū)段之間的異種管道接頭，第一和第二管道區(qū)段分別由具有不同的材料特性和性質(zhì)的第一和第二金屬材料制成。管道區(qū)段可為管道的部分，例如經(jīng)受高壓、高溫、高循環(huán)、高蠕變以及外力和力矩的邊界條件的管道，尤其是在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(ccpp)中。

它的特征在于，所述管道接頭為聯(lián)接接頭，由所述第一金屬材料制成的所述第一管道區(qū)段在一個端部處設(shè)有由所述第一金屬材料制成的第一聯(lián)接件，由所述第二金屬材料制成的所述第二管道區(qū)段在一個端部處設(shè)有由所述第二金屬材料制成的第二聯(lián)接件，并且第一聯(lián)接件和第二聯(lián)接件螺栓連接在一起(例如，借助于螺栓和螺母)，借此第一密封件通過在第一聯(lián)接件和第二聯(lián)接件的正面之間的直接金屬接觸來建立。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述第一和第二聯(lián)接件焊接于它們相應(yīng)的管道區(qū)段。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述聯(lián)接件的所述正面為稍微錐形的。

具體而言，所述聯(lián)接件的所述正面為錐形的，其中孔口的角度在178°到179.9°之間的范圍中。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述第一材料為鎳基合金，并且所述第二材料為鐵素體/馬氏體合金。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述第一管道區(qū)段離第一聯(lián)接件的另一端處焊接至第三管道區(qū)段，其由不同于所述第一和第二金屬材料的第三金屬材料制成。

根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，所述第一和第二聯(lián)接件(其正面為稍微錐形的)各自具有中心開孔，所述第一密封件建立成鄰近于所述聯(lián)接件的所述中心開孔，并且提供第二密封件，該第二密封件包繞所述第一密封件，并且使異種管道接頭在所述第一密封件的失效的情況下保持緊密。

具體而言，所述第二密封件包括放置在環(huán)形空間中的金屬密封環(huán)，該環(huán)形空間由所述聯(lián)接件的所述正面中的襯套凹槽構(gòu)成。襯套凹槽在第一和第二聯(lián)接件附接于彼此時鄰近于彼此。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述第一和第二聯(lián)接件具有顯著地小于標準asmeb16.5聯(lián)接件的外尺寸的外尺寸。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了具有以上描述的異種管道接頭布置的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。

具體而言，所述第一和第二管道區(qū)段連接所述聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的燃氣渦輪的空氣冷卻器和所述聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的熱回收蒸汽發(fā)生器。

附圖說明

本發(fā)明現(xiàn)將借助于不同的實施例并且參照附圖來更緊密地闡明。

圖1示出聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(ccpp)的簡化方案；

圖2示出空氣冷卻器與包括臨界混合焊縫的熱回收蒸汽發(fā)生器hrsg之間的示例性現(xiàn)有技術(shù)管道連接；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的聯(lián)接異種管道接頭的實施例；

圖4將根據(jù)本發(fā)明實施例的聯(lián)接件的大小與根據(jù)asme標準具有相同內(nèi)直徑的聯(lián)接件的大小比較；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有稍微錐形正面的聯(lián)接件的細節(jié)；以及

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有多個密封件的聯(lián)接接頭的縱向截面。

具體實施方式

優(yōu)選用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中的管道中的不銹鋼管道區(qū)段和鐵素體鋼管道區(qū)段的連接的問題是：

·cte(熱膨脹系數(shù))不匹配的優(yōu)化

·操作壓力和溫度額定值的實現(xiàn)

·裝置啟動期間急劇升降的瞬態(tài)條件

·蠕變、疲勞及它們相互作用的考慮

·壽命和允許循環(huán)次數(shù)

·終身免費維修-不受操作制度的干擾

·現(xiàn)場無混合焊縫

·外力和力矩

·方便現(xiàn)有布置的現(xiàn)場置換

·asme和ped認證。

根據(jù)本發(fā)明，考慮到所涉及的材料的不同機械性質(zhì)的異種金屬聯(lián)接接頭其本身用于提供具有不同材料特性和性質(zhì)的聯(lián)接面之間的臨界材料過渡，而不需要材料的熔合(混合焊縫)，即使考慮到高壓、高溫、高循環(huán)、高蠕變以及外力和力矩的邊界條件的組合，也可實現(xiàn)所需的壽命。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的聯(lián)接異種管道接頭28的實施例。由材料(金屬)m4制成的第一管道區(qū)段29借助于不那么關(guān)鍵的(材料30為聯(lián)接件的一體的部分))焊縫32連接于由材料(金屬)m5制成的第二管道區(qū)段30。第二管道區(qū)段30和由第三材料(金屬)m6制成的第三管道區(qū)段31借助于包括聯(lián)接件f1和f2的聯(lián)接接頭連接。聯(lián)接件f1由與第二管道區(qū)段30相同的材料(即，材料m5)制成。聯(lián)接件f2由與第三管道區(qū)段31相同的材料(即，材料m6)制成。聯(lián)接件f1和f2借助于適合的螺栓33和螺母34連接。

聯(lián)接接頭f1,f2表示從材料m5至材料m6的直接材料過渡。

由于材料m5和m6在異種管道接頭28中的該布置，現(xiàn)場僅同質(zhì)焊接工作為必須的(現(xiàn)場無混合焊縫)。不同熱膨脹率的優(yōu)化由材料m5和材料m6的正確選擇來完成。

聯(lián)接件f1和f2的外部尺寸可與根據(jù)asmeb16.5標準的標準聯(lián)接尺寸顯著偏離。圖4示出聯(lián)接件35(根據(jù)asmeb16.5標準具有焊接頸部)與(緊湊型)聯(lián)接件36(根據(jù)本發(fā)明的實施例具有相同的內(nèi)直徑)的外尺寸的比較。如從圖4可看見的，聯(lián)接件36的整體高度h2小于asme標準聯(lián)接件35的整體高度的一半。聯(lián)接件36的聯(lián)接高度h1為asme標準聯(lián)接件35的聯(lián)接高度的大約一半。聯(lián)接件36的外側(cè)直徑d為asme標準聯(lián)接件35的外直徑的近似2/3。

因此，緊湊型聯(lián)接件36與常規(guī)(標準)焊接頸部聯(lián)接件35相比具有僅大約60％的材料體積。

該聯(lián)接件f1和f2的材料體積的減少提供了各種優(yōu)點：

·瞬態(tài)期間改進的熱應(yīng)力特性

·更輕的重量

·對管道支承系統(tǒng)的影響可忽略不計→沒有必要對支承構(gòu)思的修改。

其它優(yōu)點與聯(lián)接件f1和f2關(guān)于它們的正面的具體設(shè)計有關(guān)。根據(jù)圖5，聯(lián)接件f1和f2具有稍微錐形的正面42，正面42的錐度或錐體(tapering)由兩個不同的角度α和β限定。角度β限定了正面42的主要部分(在圓形凹槽40內(nèi))的錐度，而角度α與連接開孔37和圓形凹槽40之外的邊緣部分的錐度有關(guān)。角度α和β分別通過公式或與錐形正面42的孔口角度θ相關(guān)。

其中角度α范圍在0.05°到0.75°之間，并且β范圍在0.08°到1.00°之間，孔口角度θ的角度可說成范圍在178°到179.9°之間。此外，聯(lián)接件f1,f2的后側(cè)也具有錐度，其具有范圍在0.04°到0.8°之間的角度γ(孔口角度在179.92°到178.4°之間)。

具有角度α和β的兩級雙角度設(shè)計導(dǎo)致接頭的壽命優(yōu)化。具有主要正面的角度β的錐度限定聯(lián)接件f1,f2的內(nèi)開孔(根部)38處的接觸壓力(見圖6中的密封件s1)。聯(lián)接面由于優(yōu)化的螺栓預(yù)緊力的彈性變形以外側(cè)直徑處它們的錐度角α使面閉合(見圖6中的密封件s3)。

在任何情況下，必須考慮由于鐵素體(材料m6)和鎳基聯(lián)接材料m5的不同膨脹造成的剪切力(cte不匹配優(yōu)化)。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的聯(lián)接異種管道接頭在圖6的縱向截面中以連接狀態(tài)示出。聯(lián)接件f1和f2由延伸穿過連接開孔37(圖4)的螺栓33和螺母34連接。

緊湊型聯(lián)接件f1,f2具有無壓縮的軟墊片，這直接影響螺栓預(yù)緊。由于聯(lián)接件f1和f2的正面42處的金屬對金屬接觸，建立了限定的表面壓力。因此，螺栓預(yù)緊損失可僅由金屬特性驅(qū)動，而不是由任何墊片壓縮損失驅(qū)動。

如圖6中示出的，緊湊型聯(lián)接設(shè)計包括兩個主要密封區(qū)域，其中第一金屬面對面密封件s1鄰近于聯(lián)接件f1,f2的中心開孔38(根部)。第二密封件s2包繞第一密封件s1。第二密封件s2包括由各個聯(lián)接件f1,f2的正面中的相對的襯套凹槽39構(gòu)成的中空環(huán)形空間41a。金屬密封環(huán)41在聯(lián)接件f1,f2連接時插入到環(huán)形空間41a中并且沿徑向方向壓縮。

外第二密封件s2在內(nèi)第一密封件s1(根部區(qū)域)開啟時僅在操作中，導(dǎo)致雙重密封而不是僅一個主要密封件。第二密封s2的金屬密封環(huán)為自激的。墊片僅由螺栓力壓縮。第三密封件s3用作環(huán)境密封件。

根據(jù)本發(fā)明及其各種實施例的管道過渡的性能特征可概括如下：

·考慮到所涉及的材料的不同機械性質(zhì)的異種金屬聯(lián)接接頭(f1,f2)其本身用于提供具有不同材料特性和性質(zhì)的聯(lián)接面41之間的臨界材料過渡，而不需要材料的熔合(混合焊縫)，即使考慮到高壓、高溫、高循環(huán)、高蠕變以及外力和力矩的邊界條件的組合，也可實現(xiàn)所需的壽命，

·所涉及材料的cte(熱膨脹的系數(shù))不匹配經(jīng)由材料選擇來優(yōu)化，該材料選擇覆蓋一側(cè)上的給定邊界條件，并且提供最小的可能的cte差異，

·一個實施例涉及聯(lián)接面角度α和β以及預(yù)應(yīng)力的設(shè)計，其優(yōu)化成控制整個聯(lián)接系統(tǒng)的蠕變和疲勞特性，以實現(xiàn)壽命和負載循環(huán)的目標值，

·螺栓33的數(shù)量和直徑考慮到由于外力和力矩造成的蠕變、疲勞以及應(yīng)力而優(yōu)化。螺栓負載具有非常高的預(yù)緊(范圍高達120-160kn)，以考慮到在服務(wù)期間預(yù)期的預(yù)緊的高損失將聯(lián)接接頭28保持在一起。螺栓加載應(yīng)用有特殊的液壓工具，以僅實現(xiàn)張力，并且沒有由于扭矩造成的附加應(yīng)力，

·利用主密封件s1和二級密封件s2的雙重密封用作為聯(lián)接件設(shè)計的典型特征：對于主密封件s1而言，機械完整性計算用于經(jīng)由適當(dāng)?shù)仡A(yù)應(yīng)力整個系統(tǒng)來控制局部應(yīng)力、蠕變以及疲勞特性，以便實現(xiàn)給定的負載循環(huán)和壽命。以此類方式，主密封件s1在預(yù)定壽命之后仍充分接觸。即使在預(yù)期壽命結(jié)束時也不需要二級密封件s2的功能。二級密封件s2將幾乎沒有看見任何與液體和壓力接觸，但是被認為是防備泄漏的附加安全措施。即使在主密封件s1將失去足夠的接觸壓力的情況下，二級密封件s2也可超過全緊密功能。這導(dǎo)致無泄漏設(shè)計，符合100％ehs標準。

根據(jù)本發(fā)明的解決方案的益處是：

·現(xiàn)場待執(zhí)行的混合焊縫的防止，

·考慮到蠕變、疲勞及它們相互作用的延長壽命的實現(xiàn)。所涉及的構(gòu)件設(shè)計用于增加的操作間隔(最高達到50,000eoh)。它們之間不需要維護，其將擾亂操作。因此，維護活動更少，

·雙重密封防備泄漏確保了，即使在主密封件損失足夠的接觸壓力的情況下；二級密封件也可超過全緊密功能，

·預(yù)期管道設(shè)計和支承構(gòu)思沒有重大修改，這對現(xiàn)有服務(wù)車隊有益，

·新的聯(lián)接件構(gòu)思具有低重量的影響，這意味著聯(lián)接件安裝不需要作為工作系統(tǒng)的現(xiàn)有管道的重大修改，該現(xiàn)有管道暴露于載重量、作為力和力矩的外部負載、熱限制膨脹、風(fēng)和地震負載。

零件列表

10聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(ccpp)

11燃氣渦輪(gt)

12水/蒸汽循環(huán)

13空氣入口

14壓縮機

15燃燒器

16燃料

17渦輪

18排出氣體

19熱回收蒸汽發(fā)生器(hrsg)

20廢氣

21蒸汽渦輪

22空氣冷卻器(例如，otc)

23蒸汽出口管道

24水入口管道

25,28管道接頭

26,32焊縫

27水平傳感線

29,30,31管道區(qū)段

33螺栓

34螺母

35聯(lián)接件(根據(jù)asme)

36聯(lián)接件(根據(jù)本發(fā)明的實施例)

37連接開孔

38中心開孔

39襯套凹槽

40凹槽

41密封環(huán)(金屬)

41a環(huán)形空間

42正面

d(外)直徑

f1,f2聯(lián)接件

h1,h2高度

m1-m6材料

s1,s2,s3密封件

α,β,γ角度

θ孔口的角度

a,b距離。