专利名称：构造成减小过渡期间的综合热和压应力的喷嘴及喷嘴组件的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及用于压力容器中的喷嘴，并且更特定而言致力于其部分的轮廓构成为减小应力的喷嘴。
背景技术：
诸如锅炉包(boiler drum)的压力容器例如通常经受由于内部流体 压力和温度的变化引起的周期热应力和机械应力。这些周期应力可限制压力容器可承受的压力和/或温度循环的数量和/或大小。在历史上，压力容器具有延伸穿过压力容器的壳体的孔或穿透部(penetration)。诸如导管的管道附接至压力容器，使得穿透部与导管彼此流体连通，以允许流体进入压力容器及从压力容器流出。应力集中存在于(多个)导管和压力容器的壳体的相交处。这些应力集中导致了更高的应力，并且常常由于诸如可限制使用寿命的并且可形成于金属表面上的磁性层的疲劳和/或裂纹的现象，而成为压力容器的设计上的限制因素。
发明内容
在一个方面，本公开在于一种用于诸如锅炉的压力容器中的喷嘴组件。该压力容器包括壁，该壁具有限定了内部区域的内表面。至少一个孔口延伸穿过由该壁限定的厚度。喷嘴定位在至少一个孔口中，并且包括具有从中延伸穿过的孔的主体部，所述孔与压力容器的内部区域处于连通。喷嘴包括端部，该端部由在周向上围绕该端部延伸的半径限定，所述半径基本上与压力容器壁的内表面所限定的轮廓相切。在一实施例中，喷嘴还包括从该喷嘴的主体部向外延伸的整体凸缘。该凸缘具有外表面和内表面，外表面限定了基本上与压力容器壁的外表面所限定的轮廓相切的轮廓，内表面限定了基本上与压力容器壁的内表面相切的轮廓。由喷嘴的端部限定的上述半径基本上与凸缘的内表面和/或外表面相切，从而基本上与压力容器壁的内表面和/或外表面所限定的轮廓相切。虽然上述实施例被描述为包括由喷嘴的端部限定的半径，但是该描述在这点上并不受到限制，因为喷嘴可包括没有端部半径的凸缘。喷嘴还可包括在喷嘴的凸缘和主体部之间延伸的第二半径，其中该半径基本上与凸缘所限定的上表面的轮廓相切。在另一方面，本公开阐述了一种用于构造用在压力容器中的喷嘴组件的方法。在该方法中，使用有限元分析(FEA)或一些其他恰当的应力分析方法或技术，来确定在运行期间由于压力容器中的压力和温度引起的应力。特别地，确定在喷嘴和压力容器壁的内表面之间形成的相交处的应力集中的大小。基于应力分析结果，确定由喷嘴限定的半径几何形状。该半径定位成使得它基本上与压力容器所限定的内壁和/或外壁相切。可选地，可包括整体凸缘，以提供半径与至容器的汇合处之间的分离。半径的尺寸构成为减小在相交处由于压力容器的内部中的周期温度和压力负荷引起的应力集中。然而，本公开在这点上并不受到限制，因为喷嘴可被构造成包括没有上述半径的凸缘。在任一情况下，基于应力分析来确定凸缘的尺寸，使得其中喷嘴被焊接至压力容器的区域处在高应力的区域之外。在本文所述的一实施例中，压力容器为锅炉包。
图I是显示了安装在经受通常在用于热回收蒸汽发生器的锅炉包中发现的周期温度和压力负荷的压力容器中的现有技术喷嘴的有限元分析应力等值线(stresscontour)图。图2是显示了如本文所述的安装在经受通常在用于热回收蒸汽发生器的锅炉包中发现的周期温度和压力负荷的压力容器中的喷嘴的一实施例的有限元分析应力等值线图。图3是如本文公开的喷嘴的一实施例的侧视立面图。
图4是图3的喷嘴的底视图。图5是喷嘴组件的局部剖视图，显示了安装在压力容器中的图2的喷嘴。图5A是图2的喷嘴组件的局部放大图。图6是如本文公开的喷嘴组件的另一实施例的剖视图，显示了安装在压力容器中的喷嘴的一备选实施例。图7是图6的备选实施例的剖视图。
具体实施例方式如图I所示，以喷嘴组件的一部分的剖视图的应力等值线图的形式，显示并且大体上由标号10标明了有限元分析的结果。应力等值线图10描绘了变化的应力的区域，应力等值线被叠加在大体上由标号10标明的已知的现有技术喷嘴组件的区段之上。喷嘴组件10包括延伸穿过孔口且进入由压力容器壁16限定的内部区域15中的喷嘴14。在所示实施例中，最大应力的区域位于在喷嘴14和压力容器壁16的内表面之间所限定的相交处。喷嘴14包括沿着延伸至喷嘴的端部20的长度“L”具有恒定直径的圆柱主体部18。通常，喷嘴14经由焊接而附接至压力容器16。由于压力容器壁16的内壁21和喷嘴主体18之间的相交处限定了非常尖锐的转角，因而该点处的应力集中高。如图I所示，对于特定的几何形状，在上述相交处引起的最大应力范围对于压力容器内的温度和压力的给定历史而言为592MPa (兆帕)。转向图2，根据本发明的喷嘴组件110包括附接至压力容器116的喷嘴114。喷嘴组件110类似于喷嘴组件10。因此，相似的元件将被分配在前面加上I的相似标号。喷嘴114，如图3和图4中最佳地见到的那样，包括由延伸至喷嘴的底部120的长度L’所部分限定的主体部118。孔119延伸穿过喷嘴114，并且，当喷嘴安装在压力容器116上时，如在图5中最佳地见到的那样，孔119与压力容器的内部区域115处于连通。喷嘴114的主体部118包括部分沿着长度L’延伸的直径基本恒定的大致圆柱形部分。邻近喷嘴114的底部120，主体部118限定了半径122。在所示实施例中，半径122基本上与压力容器121的内壁相切。另外，喷嘴组件110包括在喷嘴主体118和压力容器116的外表面之间延伸的外半径142。取决于喷嘴构造，外半径142可由焊接的材料形成且然后被磨光，或者外半径可被加工至喷嘴本身中。然而，本发明在这点上并不受到限制，因为外半径142也可从喷嘴组件中省略。返回参照图2，有限元或其它应力分析用于确定将导致由于喷嘴内以及在喷嘴114和压力容器壁116的内表面121的相交处的温度和压力引起的应力处于期望水平内的半径122的尺寸和构造。用于由有限元分析来计算图2所示应力的压力容器116内的标称容器几何形状和温度及压力历史，与用于确定图I所示应力的那些相同。图I所示的喷嘴组件10和图2所示的喷嘴组件110的主要区别是，喷嘴组件110在喷嘴主体的下部中包括半径122。在使用有限元或其它应力分析来优化半径122并且因而优化喷嘴114当安装在压力容器116中时的构造的情况下，就实现了在喷嘴内以及在喷嘴和压力容器壁的内表面121的相交处的应力水平的显著减小。最高应力范围的位置现在不再位于焊缝，该焊缝常常是固有的薄弱区域并且可能需要应用疲劳强度降低因素或一些其它切口因素来解决该固有的薄弱。因此，确保高应力的位置与焊缝不一致是有利的。在所示实施例中，相交处的应力范围从如图I所示的592MPa降低到如图2所示的540MPa。如图5A所示，喷嘴114经由焊缝124固定至压力容器116。在所示实施例中，延 伸穿过压力容器壁116并且喷嘴114延伸穿过其中的孔口 126被构造成为V形126。该V形126允许施加足够的焊接材料，以将喷嘴114充分地固定至压力容器116。虽然已显示并描述了 V形126，但是本发明在这点上并不受到限制，因为在不脱离本发明的更宽泛的方面的情形下，可采用压力容器壁的其他形状的部分，例如但不限于圆形的凸出或凹入形状。另夕卜，在压力容器壁的外表面126和喷嘴主体118之间延伸的焊缝124可限定半径128。在所示实施例中，半径128基本上与压力容器壁的外表面126相切，并且与喷嘴主体118相切。参照图6，显示了并大体上由标号210标明了上述喷嘴组件的一备选实施例。喷嘴组件210类似于喷嘴组件110，并且因此，相似的元件将被赋予前面加上2的相似标号。喷嘴组件210包括喷嘴214，喷嘴214具有大致圆柱形的主体部218和从该大致圆柱形主体部延伸的凸缘230。喷嘴214的下部220包括在下部220和凸缘230的下侧之间延伸的半径222。在所示实施例中，半径222基本上与凸缘230的下侧相切。凸缘230成形为顺着由压力容器216的壁限定的轮廓。喷嘴214定位在由压力容器216限定的孔口 226中。一旦定位在其中，喷嘴凸缘230和压力容器216就协作而在它们之间限定用于在其中接受焊接的凹部232，以将喷嘴固定至压力容器。虽然已显示并描述了焊接凹部232，但是本发明在这点上并不受到限制，因为在不脱离本发明的更宽泛方面的情况下，可采用任何实用的焊接构造。半径222以与上述半径122相同的方式起作用以减小应力集中，从而允许压力容器的更长使用寿命和/或在更高温度和压力下运行的能力，压力容器例如但不限于热回收蒸汽发生器中的锅炉。基于应力分析，凸缘的尺寸设置为使得焊接区域处在高应力区域之外。如在所示实施例中显示的那样，半径242在凸缘230的上表面234与喷嘴主体218之间延伸。然而，本发明在这点上并不受到限制，因为由喷嘴主体和凸缘的上表面234限定的相交处不必限定一半径。如图7所示，喷嘴组件310包括联接至压力容器316的喷嘴314。喷嘴组件310类似于上述喷嘴组件210，并且因此，相似的元件将被赋予前面加上3的相似标号。喷嘴314包括圆柱形主体部318。凸缘330从主体部318向外延伸，并且包括上表面334和下表面336。在所示实施例中，凸缘330的下表面336基本上与压力容器316所限定的壁的内表面338相切。类似地，凸缘330的上表面334的轮廓构造成带有基本上与压力容器316所限定的外表面340相切的轮廓。如在所示实施例中显示的那样，半径342在凸缘的上表面334和喷嘴主体318之间延伸。然而，本发明在这点上并不受到限制，因为由喷嘴主体和凸缘限定的相交处不必限定一半径。虽然已参照各种示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可以用等同特征来替换其元件。另夕卜，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改，以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不意图限于作为用于执行本发明所考虑的最佳模式而公开的特定实施例，而是，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。·
权利要求
1.一种用于压力容器中的喷嘴组件，所述喷嘴组件包括 压力容器，具有壁，所述壁的内表面限定了内部区域，至少一个孔口延伸穿过由所述壁限定的厚度； 喷嘴，定位在所述至少一个孔口中，所述喷嘴具有限定了孔的主体部，所述孔延伸穿过所述主体部并且与所述压力容器的内部区域处于连通；并且 所述喷嘴具有端部，所述端部延伸至由所述压力容器限定的所述内部区域中，所述喷嘴的端部限定了沿周向围绕所述端部延伸的半径，所述半径基本上与所述压力容器壁的内表面所限定的轮廓相切。
2.根据权利要求I所述的喷嘴组件，其特征在于 所述压力容器壁限定了外表面；并且其中 所述喷嘴组件在由所述压力容器壁的外表面和所述喷嘴主体形成的相交处限定了第二半径，所述第二半径基本上与所述喷嘴主体相切，并且与所述压力容器壁的外表面所限定的轮廓相切。
3.根据权利要求I所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴经由至少一个焊缝固定至所述压力容器。
4.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其特征在于，所述第二半径由所述焊缝限定。
5.根据权利要求I所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴还包括 从所述喷嘴的主体部向外延伸的凸缘，所述凸缘具有外表面和内表面，所述外表面限定了基本上与所述压力容器的外表面所限定的轮廓相切的轮廓，所述内表面限定了基本上与所述压力容器壁的内表面相切的轮廓；以及 由所述喷嘴限定的半径，所述半径基本上与所述凸缘的内表面和/或外表面相切。
6.根据权利要求I所述的喷嘴组件，其特征在于，所述压力容器限定了延伸穿过所述压力容器壁厚的多个孔口，其中一个所述喷嘴定位在各个所述孔口中。
7.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，延伸穿过所述压力容器壁的所述孔口由具有带轮廓表面的孔口壁限定，以允许所述焊缝从所述压力容器的外表面延伸至所述压力容器的内表面。
8.根据权利要求5所述的喷嘴组件，其特征在于，延伸穿过所述压力容器壁的所述孔口由孔口壁限定，所述孔口壁和所述凸缘协作而形成凹部，所述凹部利用焊接来填充，从而将所述喷嘴附接至所述压力容器。
9.一种喷嘴,包括 主体部,和延伸穿过所述主体部的孔； 所述喷嘴具有端部，所述端部由沿着周向围绕所述喷嘴延伸的半径限定；并且其中 当所述喷嘴安装在由压力容器限定的孔口中时，所述半径基本上与所述压力容器的内壁的内表面所限定的轮廓相切。
10.根据权利要求9所述的喷嘴，其特征在于，还包括 从所述喷嘴的主体部向外延伸的凸缘，所述凸缘具有限定了轮廓的内表面，使得当所述喷嘴定位在由压力容器限定的开口中时，所述喷嘴凸缘的轮廓基本上与所述压力容器所限定的壁的内表面限定的轮廓相切；并且其中 所述凸缘具有限定了轮廓的外表面，使得当所述喷嘴定位在由压力容器限定的开口中时，所述喷嘴凸缘的轮廓基本上与所述压力容器所限定的壁的外表面限定的轮廓相切；并且其中 由所述喷嘴限定的半径基本上与所述凸缘的表面相切。
11.根据权利要求10所述的喷嘴，其特征在于，还包括第二半径，所述第二半径在由所述凸缘限定的上表面和由所述喷嘴限定的大致圆柱形的主体部之间延伸。
12.一种用于构造用在压力容器中的喷嘴组件的方法，所述方法包括 经由应力分析，来确定在延伸至所述压力容器的内部区域中的喷嘴和由所述压力容器限定的内壁之间形成的相交处由于所述压力容器内的过渡压力和温度引起的应力，以及在所述喷嘴中和在所述压力容器中位于所述喷嘴附近引起的应力；以及 基于所述应力分析，来确定由所述喷嘴限定的半径的几何形状，所述半径基本上与所述压力容器的内壁和所述压力容器所限定的外壁中的至少一个相切，并且在尺寸上设置为减小所述相交处及所述喷嘴自身内的应力集中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括 经由应力分析来确定焊缝的位置和构造，以将所述喷嘴固定至所述压力容器。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述喷嘴还包括 主体部,和延伸穿过所述主体部的孔； 所述喷嘴具有端部，所述端部由沿着周向围绕所述喷嘴延伸的半径限定；并且其中 当所述喷嘴安装在由压力容器限定的孔口中时，所述半径基本上与所述压力容器的内壁的内表面所限定的轮廓相切。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括从所述主体部向外延伸的凸缘，并且其中，所述喷嘴还包括在所述凸缘所限定的上表面和所述喷嘴所限定的所述主体部之间延伸的第二半径。
16.—种喷嘴,包括 主体部和延伸穿过所述主体部的孔；以及 凸缘，所述凸缘从所述主体部向外延伸，并且具有限定了第一轮廓的内表面，使得当所述喷嘴定位在由压力容器限定的开口中时，所述喷嘴凸缘的轮廓基本上与所述压力容器的内表面所限定的轮廓相切。
17.根据权利要求16所述的喷嘴，其特征在于 所述凸缘限定了具有第二轮廓的外表面，使得当所述喷嘴定位在由所述压力容器限定的所述开口中时，由所述凸缘限定的所述第二轮廓基本上与所述压力容器所限定的外表面相切。
18.根据权利要求17所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴限定了在所述凸缘的外表面和所述喷嘴的主体部之间延伸的半径。
19.一种用于构造用在压力容器中的喷嘴组件的方法，所述喷嘴包括主体部和从所述主体部向外延伸的凸缘，所述凸缘限定了具有第一轮廓的内表面和限定第二轮廓的上表面，所述方法包括 经由应力分析，来确定由于所述压力容器内、所述凸缘和所述喷嘴内的过渡压力和温度引起的应力； 经由应力分析，来确定凸缘尺寸和由所述喷嘴限定的所述第一轮廓和第二轮廓的构造，以便减小在所述喷嘴自身内以及在所述凸缘附接至所述压力容器的位置处的应力集中；以及 经由应力分析，来确定焊接位置，所述焊接位置定位成在所述压力容器的运行期间减小所述焊接位置的应力集中。
全文摘要
本发明涉及构造成减小过渡期间的综合热和压应力的喷嘴及喷嘴组件。具体而言，本发明涉及构造成减小过渡期间的综合热和压应力的喷嘴及喷嘴组件。在用于压力容器中的喷嘴和喷嘴组件中，使用应力分析来确定应力集中的区域。该喷嘴被构造成减小这些应力集中。
文档编号B05B1/00GK102886318SQ20121024124
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者W·P·鲍弗二世, D·W·拜尔利, I·J·佩林, G·T·塞尔比, R·J·特达尔克 申请人:阿尔斯通技术有限公司