一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头及其加工方法与流程

本发明属于水煤浆加压气化的煤化工领域，具体涉及一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头及其加工方法。

背景技术：

水煤浆工艺烧嘴是水煤浆加压气化技术的关键部件，它在1300℃高温、高压的环境下工作。公知的水煤浆工艺烧嘴结构由自内至外同轴套置的具有流线型前收口端的内喷嘴、中喷嘴和外喷嘴构成，为三流式内外混合雾化形式。外流道和内流道输送高压氧气，中流道输送高压水煤浆，内流道氧与中流道煤浆半预混后，再与外环氧在喷口处混合均匀雾化燃烧；工艺烧嘴外喷头头部有冷却水腔，外接冷却水盘管对工艺烧嘴外喷嘴进行冷却保护。

工艺烧嘴通常工作在高温高压的苛刻条件下，在1000℃以上的高温炉膛内喷嘴运行一段时间后，外环氧通道变形导致炉内火焰上移，高温造成外喷嘴头部容易产生高温氧化腐蚀裂纹；在炉内火焰和物料的冲刷下，外喷嘴的冷却水腔常常发生泄漏风险，如图3所示，传统的工艺烧嘴外喷嘴由外端盖1、短直管2、中段3、尾段4焊接完成，外端盖1与中段3拼接组成的头部循环水水腔需要开孔，再与短直管2插接后通过角焊缝连接。角焊缝强度不高，周围焊接应力很大，且该处角焊缝位于工艺烧嘴迎火面，长期受火焰和物料冲蚀，加之受与之相连的冷却水盘管应力影响，该处角焊缝容易出现裂纹而导致工艺烧嘴泄漏，影响设备运行寿命。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头及其加工方法，将外喷嘴与冷却水短直管一体化加工完成，取消之间位于迎火面的角焊缝，增加了工艺烧嘴运行可靠性。

本发明采用的技术方案为：

一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头，包括：外端盖、冷却水短直管、中段和尾段；

外端盖与中段焊接组成外喷头头部循环水水腔，通过冷却水短直管实现循环水水腔的冷却水循环，外端盖和冷却水短直管一体成型，外端盖与冷却水短直管连接部位的外型面处设置圆角和倒角，避免应力集中；尾段与中段焊接连接。

迎火面一侧的循环水水腔内壁与冷却水短直管的内壁对齐。

迎火面处设置圆角，大小为r2mm～r10mm。

非迎火面处设置倒角，大小为3x35°～10x35°。

外端盖的迎火面厚度为5mm～10mm。

一种不易泄漏的水煤浆工艺烧嘴，包括：同轴套置的具有流线型前收口端的内喷嘴、中喷嘴和外喷嘴，所述外喷嘴采用所述不易泄漏的水煤浆工艺外喷头实现。

一种所述的不易泄漏的水煤浆工艺外喷头的加工方法，步骤如下：

1)用车床将外端盖内侧的圆周连续锥面粗车加工完成，即完成气体通道喷口处的粗加工；

2)用铣床将外端盖一侧循环水水腔内壁和冷却水短直管内壁一体化铣加工，完成内壁一体化的铣加工；外端盖迎火面一侧的循环水水腔内壁与冷却水短直管的内壁对齐，外端盖的迎火面厚度为5mm～10mm；

3)将外端盖循环水水腔外壁和冷却水短直管外壁一体化加工完成；外端盖与冷却水短直管连接部位的外型面处设置圆角和倒角，迎火面处设置圆角，圆角大小范围为r2mm～r10mm，非迎火面处设置倒角，倒角大小范围为3x35°～10x35°，所有圆角和倒角与外端盖外型面圆滑过渡；

4)用车床将中段一侧的循环水水腔内壁加工完成，然后用车床将中段内外侧和尾段车加工完成；

5)用焊接方式拼接外端盖、中段和尾段，完成外喷头气体通道的组合加工；

6)按图纸尺寸精加工外喷嘴喷口及外形；

7)用磨削设备加工外喷嘴外形面使之平整光滑。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

(1)本发明所述的一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头及其加工方法，外喷嘴与冷却水短直管一体化加工完成，消除了迎火面上外喷嘴与冷却水短直管之间的焊缝，整体锻件加工减少了外喷嘴的零件个数，简化了加工制造流程；整体件的抗应力强度大大优于焊接部位，减少了工艺烧嘴的泄漏概率，增强了工艺烧嘴运行的可靠性和安全性。

(2)现有工艺烧嘴由于水腔加工结构造成迎火面一侧循环水水腔内壁与冷却水短直管2的内壁连接处有错边折转角和缝隙，冷却水在该处会产生折转流动，高速流动状态下水流在该处流动受阻，容易产生折转回流甚至局部短路。本发明迎火面一侧的循环水水腔内壁与冷却水短直管2的内壁对齐，使冷却水在短直管入口处可以直接高速冲射到外喷嘴尖角上，提高了换热面的流动速度，理论计算结果显示本发明结构的平均表面换热系数提高20％以上，极大的强化了外喷头尖角处的对流换热效果，优化了外端盖的冷却效果。

(3)在工艺烧嘴外端盖1与冷却水短直管2连接部位的外型面处设置圆角和倒角。经过理论计算、实验和实际运行分析总结，迎火面处和非迎火面处所受应力方向不同，应采取不同的加工方法使外喷头的使用效果最优：

迎火面处应设计成圆角，圆角可均匀分散短直管根部的正向拉应力，最大限度的避免局部应力集中，消除应力峰值，减缓外喷头迎火面冷却水根部裂纹的发生；根据外端盖不同规格，圆角大小范围为r2mm～r10mm。计算结果显示，同一规格的外端盖，短直管根部的应力峰值会随着圆角增大而减小，但圆角的最大值受限于外端盖的型面加工；当圆角小于r2mm时，短直管根部的应力会急剧增大，出现明显的应力集中，因而加工中应避免迎火面处小于r2的圆角。

非迎火面处设计倒角，此处的倒角设计可增大短直管2非迎火面一侧根部的结构刚性，有效对抗非迎火面承受的压应力变形，减少短直管的宏观材料变形量，减小材料变形应力，间接缓解迎火面一侧根部的正向拉应力。在实际使用中，外喷头短直管根部在非迎火面极少发生材料失效，这是因为该处材料主要承受压应力，材料的抗压强度很高，远大于实际承受应力，因而非迎火面的结构设计应主要考虑减少材料的受压变形量，间接缓解迎火面一侧根部的正向拉应力。根据外端盖不同规格，倒角大小范围为3x35°～10x35°。计算结果显示，同一规格的外端盖在相同受力环境下，短直管的变形量会随着倒角增大而减小，但倒角的加工受限于外端盖的型面加工和焊接坡口，不宜过大；当倒角小于3x35°时，短直管根部变形会明显增大，因而加工中应避免非迎火面处小于3x35°的倒角。

附图说明

图1为本发明一种不易泄漏的水煤浆工艺烧嘴外喷头剖面图；

图2为本发明工艺烧嘴外喷头外端盖和短直管局部放大图；

图3为传统水煤浆工艺烧嘴外喷头剖面图；

图4为传统水煤浆工艺烧嘴外喷头外端盖和短直管局部放大图；

图5为短直管根部迎火面侧材料内部应力分布(应力单位：mpa)。

具体实施方式

本发明提供了一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头及其加工方法。实现本发明的技术要点是：将外端盖1和短直管2改为一体化加工工艺完成，采用一种全新的结构设计和制造方法，由一整块锻件制成，取消外端盖1与短直管2之间的角焊接工序，使循环水腔不易泄漏，从而提高工艺烧嘴运行的可靠性和安全性；同时可减少一道焊接工序，降低劳动强度，提高工作效率，节约加工和生产成本。

具体的，如图1、2所示，本发明提出的一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头，包括：外端盖1、冷却水短直管2、中段3和尾段4；

外端盖1与中段3焊接组成外喷头头部循环水水腔，通过冷却水短直管2实现循环水水腔的冷却水循环，外端盖1和冷却水短直管2一体成型，外端盖1与冷却水短直管2连接部位的外型面处设置圆角和倒角，避免应力集中；尾段4与中段3焊接连接。

迎火面一侧的循环水水腔内壁与冷却水短直管2的内壁对齐，使冷却水在短直管入口处可以直接高速冲射到外喷嘴尖角上，提高了换热面的流动速度，强化外喷头尖角处的对流换热效果,理论计算结果显示本发明结构的平均表面换热系数提高20％以上。传统工艺烧嘴由于水腔加工结构造成了迎火面一侧的循环水水腔内壁与冷却水短直管2的内壁连接处有错边折转角和缝隙，如图4所示，冷却水在该处会产生折转流动，高速流动状态下水流容易产生折转回流甚至局部短路，影响了外端盖的冷却效果。一种不易泄漏的水煤浆工艺外喷头在该处内壁对齐，有效避免了传统工艺烧嘴在该处的冷却水折转流动，优化了外喷头的热对流环境。

外喷头工作在1000℃以上的高温炉膛内，外端盖1受热沿轴向向外大幅延伸，而与管短直管2相连的冷却水盘管由于温度较低变形较小，因而外端盖1与冷却水短直管2连接部位会产生较大的热应力，连接部位的迎火面和非迎火面所受热应力方向是不同的,因而需要做不同的设计。

在短直管根部迎火面处的材料受拉应力，此处设计圆角，圆角可均匀分散短直管根部的正向拉应力，最大限度的避免局部应力集中，消除应力峰值，减缓外喷头迎火面冷却水根部裂纹的发生；根据外端盖不同规格，圆角大小范围为r2mm～r10mm。在相同热应力条件下，计算比较不同圆角的受力情况，计算结果如图5所示，圆角r10的应力分布状况最好，应力最大值不高，且应力分布范围也更均匀，应力梯度最小，当圆角减小至r2时，材料表面应力峰值增大了70％,且应力分布均匀性也变差了；如果圆角继续减小，材料表面应力分布状况会急剧恶化出现应力集中点，应力的过分集中且峰值超过材料的高温应力强度，应力集中点就极易成为材料失效的起始点，造成设备泄露。综上，短直管根部迎火面处的应力峰值会随着圆角增大而减小，但圆角的最大值受限于外端盖的型面加工；当圆角小于r2mm时，短直管根部的应力会急剧增大，出现明显的应力集中，因而加工中应避免迎火面处小于r2的圆角。

在短直管根部非迎火面处的材料受压应力，此处设计倒角，根据外端盖不同规格，倒角大小范围为3x35°～10x35°。此处的倒角设计可增大短直管2非迎火面一侧根部的结构刚性，有效对抗非迎火面承受的压应力变形，减少短直管的宏观材料变形量，减小材料变形应力，间接缓解迎火面一侧根部的正向拉应力。在实际使用中，外喷头短直管根部在非迎火面极少发生材料失效，这是因为该处材料主要承受压应力，材料的抗压强度很高，远大于实际承受应力，因而非迎火面的结构设计应主要考虑减少材料的受压变形量，间接缓解迎火面一侧根部的正向拉应力。相同热应力条件下，在短直管根部非迎火面侧设计大小不同的倒角，短直管的计算变形量结果见表1,计算结果显示同一规格的外端盖在相同受力环境下，短直管的变形量会随着倒角增大而减小，但倒角的加工受限于外端盖的型面加工和焊接坡口，不宜过大；当倒角小于3x35°时，短直管根部变形会明显增大，因而加工中应避免非迎火面处小于3x35°的倒角。

表1短直管根部非迎火面侧不同倒角的计算变形量

外喷头的使用不仅要考虑端面温度场，还要考虑热应力对材料的影响，材料内部的温度变化越剧烈、梯度越大，材料内部热应力越大越容易损坏。经理论计算和实际应用总结，外端盖1的迎火面厚度为5mm～10mm，在这个厚度范围内，外端盖可以兼顾材料强度和热应力的影响，达到较好的使用寿命。

本发明提出的一种不易泄漏的水煤浆工艺烧嘴经实际工程应用验证，使用效果优异，大大减少了工艺烧嘴的泄漏概率，增强了工艺烧嘴运行的可靠性和安全性，与传统工艺烧嘴相比，工艺烧嘴平均使用寿命提升50％以上。

进一步的，基于上述外喷头，本发明还提出一种不易泄漏的水煤浆工艺烧嘴，包括：同轴套置的具有流线型前收口端的内喷嘴、中喷嘴和外喷嘴，所述外喷嘴采用上述不易泄漏的水煤浆工艺外喷头实现。

本发明改变了传统工艺烧嘴外喷嘴先车后焊的加工制造过程，采用一种全新的制造工艺，外喷嘴的加工具体实施方案如下：

1、用车床将外端盖1内侧的圆周连续锥面粗车加工完成，即完成气体通道喷口处的粗加工；

2、用铣床将外端盖1一侧循环水水腔内壁和冷却水短直管2内壁一体化铣加工，完成内壁一体化的铣加工；外端盖1迎火面一侧的循环水水腔内壁与冷却水短直管2的内壁对齐，外端盖1的迎火面厚度为5mm～10mm；

3、将外端盖1循环水水腔外壁和冷却水短直管2外壁一体化加工完成；外端盖1与冷却水短直管2连接部位的外型面处设置圆角和倒角，迎火面处设置圆角，圆角大小范围为r2mm～r10mm，非迎火面处设置倒角，倒角大小范围为3x35°～10x35°，所有圆角和倒角与外端盖1外型面圆滑过渡；

4、用车床将中段3一侧的循环水水腔内壁加工完成，然后用车床将中段3内外侧和尾段4车加工完成；

5、用焊接方式拼接外端盖1、中段3和尾段4，完成外喷头气体通道的组合加工；

6、按图纸尺寸精加工外喷嘴喷口及外形；

7、用磨削设备加工外喷嘴外形面使之平整光滑。