[發明專利]實現高溫不銹鋼受熱面管體至鐵素體出口集箱的轉換結構

有效

• 申請號: 201710899323.2
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107676764B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 齊冬梅
• 申請（專利權）人: 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司
• 主分類號: F22B37/22
• 分類號: F22B37/22;F22G3/00
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 李曉敏

在高溫管屏出口實現從不銹鋼受熱面管體至鐵素體集箱的新型轉換結構，屬于發電技術領域。本發明專利的技術特點是：包括不銹鋼小集箱、鐵素體大集箱、不銹鋼受熱面管子和鐵素體小管徑管子；不銹鋼小集箱的進口連接不銹鋼受熱面管子，不銹鋼小集箱的出口通過小管徑管子對接焊接來實現不銹鋼至鐵素體鋼的轉換，然后與鐵素體大集箱連接。本發明利用成熟的小管徑管子對接焊接來實現不銹鋼至鐵素體鋼的轉換，解決焊口處的熱應力過大問題，無需使用昂貴的鎳基合金材料，且滿足ASME標準對材料使用溫度的要求。

技術領域

本發明涉及一種鍋爐用材料轉換結構，具體涉及一種適用于先進超超臨界大容量高效發電機組蒸汽溫度在620℃至650℃之間的鍋爐用不銹鋼受熱面管體至鐵素體鋼出口集箱的材料轉換結構,屬于發電技術領域。

背景技術

汽輪發電機組作為火力發電的核心技術經歷了一百多年的發展歷程。為了節省燃料和保護環境。機組的運行參數經過了不斷的提升從而提高機組循環效率。對于適合我國經濟發展和環保要求的大型高效燃煤機組，現在電力行業正在攻關630-650℃蒸汽溫度的鍋爐設計。對于這一蒸汽溫度等級的鍋爐,和高溫管道連接的出口集箱還應該使用成熟低價的蠕變強化型鐵素體鋼。成熟材料為P92.與奧氏體不銹鋼相比，P92的低膨脹系數有效地減少服役過程中冷熱交替造成的熱應力疲勞失效幾率；同時較低的Cr和Ni元素含量大大降低了制造成本。P92耐熱鋼擁有眾多優點使其成為最廣泛應用于超臨界和超超臨界鍋爐集箱、管道等厚壁部件的耐熱鋼鋼種，因此有成熟的制造和加工工藝。

出口集箱的材料決定了集箱管接頭也應該是同等級的蠕變強化型鐵素體材料(P92或T92)。但是對于這一蒸汽等級的鍋爐，其過熱器，再熱器出口爐膛以外受熱面部分管子的壁溫很可能已經超過了ASME標準T92的允許使用溫度(649℃)，因此無法采用和集箱同等級的鐵素體材料作為集箱的管接頭。這里就存在一個如何合理可靠地按照國際標準的要求設計從不銹鋼受熱面管體至鐵素體出口集箱的材料轉換問題。

目前國內和國外鍋爐廠家基本上采用以下三種不同的方式來實現從不銹鋼受熱面管體至鐵素體出口集箱的材料轉換：

1、在鐵素體(P92)集箱上采用最短的鐵素體(T92)管接頭(圖4)-這種設計是不滿足設計標準的，有很大的安全隱患。既然已經認識到爐膛以外的受熱面管子壁溫已經超過了T92的允許使用溫度因此大部分管子不能采用T92材料，那么管接頭的設計溫度也一定超過了T92的允許使用溫度，按標準要求不能使用T92。而且管接頭處除了有內壓引起的應力，還有彎曲和熱膨脹及其幾何形狀和焊接引起的附加應力和應力集中，處于更惡劣的應力環境，通常是首先出現裂紋的部位。另外由于管子壁溫偏差使得某些管子溫度偏離平均值較多，這種結構很可能使得集箱的某局部溫度提高，即相鄰兩管或多管之間溫度遠超出了集箱的設計溫度，使得集箱的設計也不安全。

2、利用小集箱經一次混合后降低下游連接管的溫度，在連接管上實現不銹鋼和鐵素體材料的轉換(圖5)-這是一種П型鍋爐的典型過熱器和再熱器出口結構形式。同一屏出口的不銹鋼受熱面管子首先進入一不銹鋼小集箱再經過一連接管進入P92匯集集箱。因為經小集箱混合每屏管子里的蒸汽后，蒸汽溫度降低，混合后小集箱的下游能夠安全地使用鐵素體P92材料，不銹鋼至鐵素體鋼的材料轉換可以設置在小集箱后連接管上。這種結構雖然滿足了ASME標準對材料使用溫度的要求，但是由于不銹鋼和P92的熱膨脹系數偏差較大，兩種材料如果在通常的連接管上直接對焊，鍋爐在服役過程中冷熱交替循環運行時在焊口處會出現超出材料所能承受的熱應力。現有的一種可行設計，這種設計采用鎳基合金INCONEL740H作為兩種材料的過渡段。由于這種鎳基合金的熱膨脹系數在不銹鋼和P92鋼之間，能夠降低與不銹鋼和與P92鋼焊口處的熱應力，并且強度性能很好，過渡段可以更薄，有利于進一步降低兩焊口處的熱應力。圖6給出了最終優化后的設計，這種設計雖然可行，但是首次在大型電站燃煤鍋爐上采用了昂貴的鎳基合金材料。而且這種材料及其焊接工藝在電站鍋爐上的應用還不屬于成熟技術。使得鍋爐的造價提高，安全性也難以保證。