本发明涉及用于清洁锅炉内表面的吹灰器，它通过设在可转动的伸缩式吹管一端的一个或多个喷嘴喷出清洁流体，例如空气、水或蒸汽、吹管可伸向锅炉表面。本发明特别涉及一种新颖的、改进的过渡处焊接方式，用于连接较大壁厚的吹管管段和较小的壁厚的吹管管段。 通常在长行程伸缩式吹灰器中，须将一吹管水平移动经过长达-比如55英尺的行程，以便使吹管伸到大型公用锅炉的热交换区中。在移动吹管的过程中，吹管绕其纵向轴线旋转，同时通过设在其最前端的喷嘴喷出清洁流体，清洁流体被射向锅炉的各个内表面，以便去除堆集的灰垢。在一种传统的吹灰器中，吹管安装在一滑架上，该滑架可靠地固定吹管的一端，并可使吹管移动和旋转，当吹管伸进或从锅炉中退出时，滑架可为长吹管导向。
如下面将要详细图示和描述的那样，吹管、滑架以及吹灰器的其它部件间的实际布置要求吹管在其整个长达55英尺的长度内部具有一均匀一致的外径。吹灰器中吹管的长悬臂结构要求选择适当的吹管外径和壁厚，以便减小由悬臂结构引起的弯曲应力和由绕吹管的支承端产生地扭矩引起的扭转应力。一般来说，吹管包括两个或更多个不同壁厚的空心筒状管段，这些管段一个接一个地排列，壁厚最小的管段设置在吹管无支承端的端部，以便减小吹管的重量和在吹管上产生的应力;壁厚最大的管段设置在由滑架支承的吹管支承端处，以便增加其强度。
本发明的第一个目的是在较大壁厚的管段和较小壁厚的管段之间提供一种新颖的、改进的焊接过渡段，同时使吹管在其整个长度内保持统一的外径和具有一光滑的内表面。按照传统的方式，光滑的内表面是通过加工厚壁管的内径使其与薄壁管的内径相适配而获得的。然而，用传统的过渡段会产生一个问题，那就是为了提供一光滑的内表面，在磨削后要进行内部打磨，这一工序是很难控制的，因为它是在4至5英寸的吹管的10至30英尺处进行的。因此，由于控制打磨的困难，常常使薄壁管段的壁厚减小过量，而使薄壁管的横截面大小低于允许值。
按照本发明，与厚壁管段焊接的薄壁管段的端部模锻或用其它方式成形，这样，在过渡区域薄管段的内径就与厚壁管段的内径相适配，用焊接材料使厚壁管段和成形的薄壁管段的端部之间的外径均匀一致。经过实验发现，按照本发明形成的焊接过渡段中产生的应力要比按传统方式形成的焊接过渡段中的应力小得多。因此，本发明提出的焊接过渡段在考虑到弯曲应力和扭转应力时，更适合于连接固定两个管段，而且所产生的应力要比至今按惯用的焊接方式产生的应力小。
此外，应当理解的是，吹管是在锅炉内的高温环境下使用的。清洁流体通过吹管时冷却了吹管，特别是靠近滑架的管段，由于刚进入吹管的清洁流体是最冷的，而且能吸收更多的热量。因此，安装在滑架端处的厚壁管段的所用材料通常与靠近吹管自由端，即喷嘴端处的薄壁管段的材料不同。制造薄壁管段的材料通常包括这样一种合金，这种合金比用于厚壁管段的合金有较高的高温抗拉强度。本发明的一个重要的优点是厚壁管段不需要加工成其内径与薄壁管段内径相适配。因此，厚壁管段通常在其整个长度内具有同样的壁厚，不会在焊接过渡段附近，在高温下，由于拉伸强度渐弱而出现强度弱的危险点。而在传统的用以减小厚壁管段的厚度的机加工过程中，由于厚壁管壁厚的减小往往会产生弱强度点的。
本发明为长行程伸缩式吹灰器提供了一种优越的多种截面吹管结构。本发明的焊接过渡段容易获得，而且在高温环境操作时，抗拉强度得到改进，并能更好地承受弯曲应力和扭转应力。因此，按照本发明制造的吹管不会出现像以前吹灰器作业时常出现的问题，即吹管在锅炉内经常在焊接接头处发生弯曲或断裂。
为了更好理解本发明的上述和其它特征和优点，下面将参照附图对本发明的一个最佳实施例进行较详细地描述。
附图简要说明如下。
图1和2是一种长行程伸缩式吹灰器的俯视图;
图3和4是图1和2示出的吹灰器的侧视图;
图5是图1、2、3、4示出的吹灰器的吹管的侧视剖视图，以及弯曲应力图;
图6是一局部侧视剖视图，示出用传统的焊接过渡接头在图5示出的两段吹管间进行的焊接过渡;
图7是一局部侧视剖视图，示出用本发明改进的焊接过渡接头在图5示出的两段吹管之间进行的焊接过渡;
图8是一曲线图，表示图6所示吹管的各段所用的材料在不同的温度时的抗拉强度。
参看附图，首先参看图1、2、和3、4，图中示出一吹灰器实例，以标号10表示。图中所示的吹灰器是根据1983年6月14日批准的美国专利4，387，482的技术制造的。吹灰器10包括一长筒形主框架，其上安装有一个可水平移动的滑架12。滑架12可旋转地支承一个细长空心的可转动的吹管13，从而滑架12的水平移动就可使吹管被进送而完成工作运动或退回。框架11以公知的方式安装在一大型公用锅炉的热交换区附近没有特意用图表示，并且吹管13安排在框架11中，使之能从框架11中穿过而到达锅炉的内部，伸进到锅炉的内部进行除灰垢作业。在框架11的最前端安装一滚筒组件73，以便在吹管对锅炉伸出或缩回时对其进行支承和导向。
滑架12的水平移动由一缆绳驱动系统产生，该缆绳驱动系统通常包括一可往返的驱动组件14和第一驱动缆绳15，以及第二驱动缆绳16，第一驱动缆绳15的一端固定并绕了若干圈在驱动组件14的一个可转动的驱动鼓17上。缆绳15从驱动鼓17伸向惰轮18，惰轮18可调节地固定在主框架11的后壁上。惰轮18的调节可通过任何合适的公知机构完成，该机构应能将惰轮18可选择地固定在某一予定的水平位置。在图示的实施例中，使用了一个滑轮箱组件和一个后调节螺杆将惰轮18可调节地安装在框架11上。惰轮18还可作为一缆绳张力轮，以便将缆绳15绷紧。缆绳15绕过惰轮18，然后通过一缆绳连接器19刚性固定在滑架12上。
同样地，第2驱动缆绳16的一端固定并绕在驱动鼓17上，然后从驱动鼓伸向一第二惰轮20，惰轮20可调节地固定在主框架11的最前端。第2缆绳16绕过惰轮20后通过一缆绳连接器21刚性固定在滑架12上。如图1、2和3、4清楚示出的，缆绳15和16都连接在滑架12上，它们之间成180°角。这样，第二驱动缆绳16就可用于拉动滑架12使其前进，而第一驱动缆绳15可拉动滑架12使其后退。
应当理解的是，电动机带动驱动鼓17顺时针转动将把缆绳16卷在鼓17上，第二驱动缆绳16可拉动滑架12前进，从而使吹管13伸进锅炉。而驱动鼓17的逆时转动将会造成相反的结果，即缆绳15卷绕在鼓17上，从而第一驱动缆绳15拉动滑架12后退，使吹管13从锅炉中退出。无论驱动鼓17向那个方向转动，非工作状态的缆绳将会从驱动鼓上放出，放出的缆绳长度等于工作状态的缆绳被卷绕在驱动鼓上的长度，从而非工作状态的缆绳其固定在滑架12上的端部就会随滑架12移动，不会阻碍工作缆绳的拖曳效果。
如上面所讨论过的，吹管13可长达55英尺，因此，当吹管13的无支承端伸到锅炉的最深处时，将会在吹管13上产生相当大的弯曲应力，如图5所示。为了减少应力同时又使吹管13保持足够的结构强度，吹管13由不同壁厚的几个管段100，101，102组成。这几个管段100，101，102相互焊在一起，最大壁厚的管段100由滑架12支承，接着是壁厚较薄的管段101，壁厚最小的管段102安装在前端，而在壁厚最小的管段102的最前端安装一个喷嘴103。使用薄壁的管段102减少了吹管13前端的重量。此外，由滑架12固定并由它和滚轮组件73支承厚壁管段100，使吹管13额外增加了强度，在滚轮组件73处的厚壁管段100须承受最大应力值。
参看图5的曲线图部份，应当理解的是，如前面所述的，在滚轮组件73处温度最低，所以吹管13的设计应力值在此处应最高，并且应力值向着喷嘴103逐渐减少为零。应当注意，在吹管13的管段100，101，102的焊接过渡接头104，105处的强度和整体性是非常重要的。而且由于要在不同壁厚的管段100，101，102之间进行焊接，在焊接强度上会产生一些问题。此外，吹管13移动时要经过滚轮组件73，因此其外表面必须保持光滑。而在清洁流体通过吹管13内部被送往喷嘴103时，为了减少清洁流体在吹管13内部的湍流运动，吹管13还必须具有一光滑的内表面。
按照传统的方式，如图6所示，将厚壁管段101的端部101A加工与较薄管壁102的壁厚相适配，由此获得焊接过渡段。用焊接填充材料115将两管段101，102焊接在一起，并使两管段相邻的外表面齐平，从而为吹管13提供一光滑的外表面。为了在吹管13内部获得一光滑的内表面，在吹管内部的焊接过渡区域110处进行打磨，以便磨掉焊接填充材料和管段101，102端部处的材料使其光滑。如前所述，在焊接区域110处打磨常会减小较薄管壁管段102的壁厚而使其低于可允许限度，由此在危险应力区中降低了焊接过渡段110的强度。这是传统焊接方式的第一个问题。此外，即使没有打磨问题，传统焊接本身也易于产生应力集中，这将在下面进行描述。
现在参看图7，本发明提出了一种新的改进型焊接过渡段，它不易使应力集中，并消除了先有技术中打磨所带来的问题。按照本发明，使较薄壁厚的管段102的端部200渐缩倾斜，倾斜的端部200在最前端处壁厚减小，以便与较大壁厚的管段101的内径相适配。在管段101和102之间施加焊接填充材料并使其填满较薄壁厚管102的端部200，以便为吹管13提供一连续光滑的外表面。
对图6和图7中的管段进行应力计算，由此可见，用本发明的成型端部所获得的弯曲应力的改进情况。
弯曲应力按下式计算：
S＝ (MC)/(I)
其中：
S＝弯曲应力（磅/英寸2）
M＝弯距（磅-英寸）
C＝最远端纤维离中心的距离，即半径（英寸）
I＝惯性矩＝（K×In4）（其中K为0.049）
＝0.049×[D4（外径）-d4（内径）]
在每一实例中，我们假设较大壁厚管段101的壁厚为0.6英寸，较小壁厚管段102的壁厚为0.375英寸，吹管13的外径为4英寸（图6和图7中以D表示）。还假设由于打磨而引起的壁厚减少量允许值为0.03英寸。图6和图7中示出焊接过渡段的内径以d表示，打磨后焊接过渡段的有效内径以d′表示。
对图6的计算结果如下：
D＝4英寸
d＝3.25英寸
d′＝3.25+2×0.03＝3.31英寸
I＝0.49（4.004-3.314）＝6.66
因此，S＝0.15MC（图7）
对图7的计算结果如下：
D＝4英寸
d＝（4-2×0.5）英寸
d′＝3+2×0.03＝3.06英寸
I＝0.49（4.4-3.064）＝8.25
因此，S＝0.12MC（图7）
从上面的计算结果可知，用图6的传统焊接所产生的应力比图7的本发明焊接过渡段高24%。从应力计算公式中应当理解到，应力值与惯性矩成反比，而惯性矩是焊接过渡段壁厚的函数。较小壁厚管段102的成形端部200在焊接过渡段减小了吹管13的内径，从而在较危险的焊接区域提供了较大的有效壁厚。当然，上面对管段101和102之间焊接过渡接头的讨论结果同样适用于管段100和101之间的焊接接头。
本发明的另一很大优点涉及吹管13的高温使用环境。吹管13通常暴露在超过华氏2500度的气温中。如前所述，清洁流体作为冷却剂，用它保持吹管13的温度不致太高，以便保证其可靠运行。离滑架12最近的管段100的工作温度比管段101和102处的温度要低，而且清洁流体也较冷，当清洁流体从管段100处首先进入吹管13时也可吸收较多的热量。例如，进入管段100的清洁流体是华氏500度的蒸汽，当它们喷出最外端的管段102时，温度可达近华氏900度。
因此，吹管13的管段100，101，102通常根据它不同的工作温度而采用不同的材料制成。参见图8，图中示出两种合金的抗拉强度-温度曲线图，合金1在低于1000度时表现出较高的抗拉强度，它可用来制造比如厚壁管段100。而合金2在高于华氏1000度时抗拉强较优，它可用来制造管段101。
在大约为华氏1000度的温度时（见图8中的临界温度T），合金1的抗拉强度降低到与合金2抗拉强度值一样。在高于此临界温度时，合金2比合金1的强度高，强度最弱的地方在图6和图7标示出的“A”处。采用本发明的这种改进型焊接接头，管段101在“A”点的壁厚保持在0.5英寸，从而使这一最弱点的强度得到显著的加强。
因此，本发明为吹管的管段提供了一种新颖的，得到很大改进的焊接过渡形式。这一改进的焊接过渡段减小了在过渡区域产生的应力。此外，厚壁管段的整个壁厚在管段的临界端处起作用，使得管段在高温操作时的抗拉强度得以增强。因此，本发明可提供一种有效使用寿命较长的吹管。
上面所述的本发明最佳实施例只是一具有代表性的实例。熟悉本领域的人员在本发明的范围内还可以作出一些改进。因此，本发明的范围应由权利要求书限定。