Способ закрепления труб в трубных решетках

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. Конец трубы профилируют на участке, имеющем длину, меньшую расстояния между внешними кромками кольцевых канавок трубного отверстия трубной решетки. При этом получают участок с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы. Конец трубы устанавливают в трубное отверстие с минимальным зазором, располагая профилированный участок симметрично кольцевым канавкам трубного отверстия. Трубу закрепляют путем ее развальцовки, которую ведут в две стадии приложением к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия. На первой стадии развальцовки трубу раздают на участке между внешними кромками кольцевых канавок с заполнением материалом трубы объема кольцевых канавок. В результате обеспечивается получение гарантированных служебных характеристик соединения труб с трубными решетками. 6 ил.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформированная материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу одним из концов устанавливают в трубное отверстие, фиксируют ее от возможного осевого перемещения, приваривают торец трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующей развальцовкой трубы путем приложения сжимающего к ее внутренней поверхности усилия, например механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Ленинград, Судостроение, 1972, 143 с.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести повышенную стоимость производства комбинированных соединений. Кроме того, последние имеют определенное ограничение по использованию, так как не все материалы, образующих пары соединяемых элементов, являются свариваемыми.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы, прошедшей подготовительные операции, одним концом в трубное отверстие, выполненное с двумя кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление (RU 2087231 C1, 20.08.1997, B 21 D 39/06 - прототип).

Недостатком известного способа является возможность в отдельных случаях не заполнения объемов кольцевых канавок трубного отверстия материалом трубы, что может отразиться на служебных характеристиках вальцовочных соединений.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение гарантированных служебных характеристик вальцовочных соединений независимо от марок используемых труб.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку трубы, прошедшую подготовительные операции, одним концом в трубное отверстие, выполненное с двумя кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление, согласно изобретению перед установкой конца трубы в трубное отверстие его профилируют на участке, имеющем длину, меньшую расстояния между внешними кромками кольцевых канавок, с получением участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, установку конца трубы в трубное отверстие осуществляют с минимальным зазором между ними, располагая профилированный участок симметрично кольцевым канавкам трубного отверстия, а закрепление трубы осуществляют путем ее развальцовки, которую проводят в две стадии приложением к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, при этом на первой стадии развальцовки производят раздачу трубы на участке между внешними кромками кольцевых канавок с заполнением материалом трубы объема кольцевых канавок.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения труб с трубными решетками, обладающих требуемыми служебными характеристиками (в том числе коррозионной стойкостью) без приложения повышенных сжимающих усилий на внутреннюю поверхность трубы, что не вызывает коробления трубной решетки.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости трубы, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок трубного отверстия. Отличительными особенностями здесь являются: 1) выбор технологической операции (раздача трубы) для реализации первой стадии развальцовки в условиях приложения относительно минимального усилия к внутренней поверхности трубы, 2) ограничение длины вальцовочного пояска практически расстоянием от лицевой поверхности трубной решетки до внутренней кромки второй кольцевой канавки трубного отверстия, 3) выбор геометрии профиля кольцевых канавок трубного отверстия, учитывающего положение стенки трубы на первой стадии развальцовки. Последняя выполняется локализованно в пределах расстояния между внешними кромками кольцевых канавок, 4) осуществление стадии первой развальцовки с одновременным заполнением объемов обеих кольцевых канавок.

Применение на трубе профилированного участка с длиной, меньшей расстояния между внешними кромками кольцевых канавок, на стадии первой развальцовки локализует пластическую деформацию материала трубы, позволяя осуществить заполнение им объемов кольцевых канавок первоначально посредством операции раздачи трубы. Деформирующие трубу усилия значительно уменьшаются, что не вызывает коробления трубной решетки. Локальный характер деформирования трубы устраняет причины, вызывающие повышенную коррозию теплообменной трубы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а показана теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед выполнением предварительного ее обжима; на фиг. 1б - окончание стадии предварительного обжима внешней поверхности конца трубы; на фиг. 2а - теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке перед окончательным профилированием ее внешней поверхности; на фиг. 2б - окончание стадии профилирования конца трубы; на фиг. 3 - окончание стадии установки трубы в трубном отверстии с минимальным зазором; на фиг. 4 - стадия первой развальцовки трубы операцией ее раздачи с заполнением объемов кольцевых канавок трубного отверстия; на фиг. 5 - окончание стадии развальцовки трубы в трубном отверстии на укороченном вальцовочном пояске; на фиг. 6 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На теплообменной трубе 1 выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка поверхности до металлического блеска. Далее трубу 1 (фиг. 1а) одним из ее концов располагают в контейнере 2, имеющем ступенчатую рабочую полость. При этом диаметр сквозного отверстия в контейнере 2 выполнен с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 1. Последнюю фиксируют посредством радиального давления (показано стрелками) от осевого перемещения прижимом 3, располагаемым за контейнером 2. Установку трубы 1 в полости контейнера 2 осуществляют таким образом, чтобы ее торец отстоял на расстоянии " H " от донной поверхности полости. На выступающем конце трубы в полости контейнера 2 размещают кольцо 4 из упругого материала, например полиуретана марки СКУ-7 Л. И в зазор между стенками контейнера 2 и трубой 1 вводят втулочный пуансон 5. В отверстии втулочного пуансона 5 размещают с минимальным зазором большую ступень ограничительного стержня 6, малая ступень которого выполнена с зазором по отношению к диаметру отверстия трубы 1. Большая ступень пуансона ограничительного стержня 6 отстоит от донной поверхности контейнера 2 на расстоянии "B".

Воздействуя осевым усилием на втулочный пуансон 5 (фиг. 1б) вызывают сжатие упругого кольца 4 и, как следствие, приложение сжимающего усилия к части внешней поверхности трубы 1, размещенной в контейнере 2. Осевое перемещение втулочного пуансона 5 вызывает локальный предварительный обжим трубы 1.

Далее производят разборку оснастки и заменяют упругое кольцо 4 на упругое кольцо 7, а ограничительного стержня 6 на ограничительный стержень 8 (фиг. 2а).

Вновь, прикладывая осевое усилие к торцу пуансона 5, осуществляют упругое деформирование кольца 7 с окончательным профилированием внешней поверхности конца трубы 1 (фиг. 2б).

Затем подобное профилирование внешней поверхности трубы 1 производят на втором ее конце.

Закреплению трубы 1 предшествует стадия постановки профилированного конца с минимальным зазором в отверстие трубной решетки 9, имеющем две кольцевые канавки треугольного поперечного сечения (фиг. 3). Для облегчения ввода трубы 1 в трубное отверстие возможно использование ловителя с коническим выступом или выполнение специального конического участка.

Обязательным условием правильной постановки трубы 1 в трубном отверстии является размещение участка с криволинейной образующей симметрично кольцевым канавкам.

Контроль постановки достигается по размещению кромки торца трубы 1 над лицевой поверхностью трубной решетки 9.

В уменьшенное операцией обжима отверстие трубы 1 вводят корпус механической вальцовки, содержащий три конических ролика. Задавая вращательное движение роликам в сочетании с радиальным их перемещением совершают стадию первой развальцовки трубы 1. Поскольку длина профилированного участка трубы 1 меньше расстояния между внешними кромками кольцевых канавок (фиг. 4), то опорными элементами для профилированного участка трубы 1 являются участки трубы с исходными геометрическими размерами, контактирующими с внешними кромками кольцевых канавок трубного отверстия.

Воздействие роликов (условно показано стрелками) на утолщенный и упрочненный обжатый участок трубы 1 приводит к концентрации напряжений на внешних кромках кольцевых канавок и, как следствие, реализацию операции раздачи трубы 1 одновременно в обеих кольцевых канавках (фиг. 4).

Завершающаяся стадия первой развальцовки трубы 1 в трубном отверстии характеризуется полным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы.

Для осуществления второй стадии развальцовки в отверстие трубы 1 вводят механическую вальцовку большего диаметра и производят (фиг. 5) строго регламентируемую совместную деформацию соединяемых элементов на укороченном вальцовочном пояске.

Снятие деформирующего собираемые элементы усилия обуславливает их совместную упругую разгрузку (фиг 6), что предопределяет получение вальцовочным соединением заданных характеристик прочности и плотности.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в трубных решетках из стали 16 ГС. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Внешние поверхности концов трубы предварительно профилировались в технологической оснастке, так, участок с криволинейной образующей обжимался до диаметра, равного 23,8 мм. Общая длина профилированного участка конца трубы составляла 13 мм. Профилирование концов трубы выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0,2 Мн.

Трубные отверстия изготавливались с диаметрами, равными 25,05 мм. Кольцевые канавки треугольного поперечного сечения трубных отверстий имели: основание - 3 мм, высоту - 0,3 мм. Расстояние между внешними кромками кольцевых канавок составляло 14 мм.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками и ее закрепления в трубных отверстиях изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 9-му квалитету точности.

Закрепление труб в трубных решетках производилось вальцовками отечественного производства на вальцовочном стенде фирмы " Индреско " (США) с ограничением крутящего момента.

Установлено, что образование кольцевых уплотнений по поверхности кольцевых канавок в сочетании с остаточным давлением на контактной поверхности формируемых кольцевых выступов с кольцевыми канавками обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений; значительно увеличивает (по сравнению с традиционной технологией по прототипу) межремонтный пробег трубного пучка при условии возможности неоднократного использования трубных решеток. Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки подтверждены повышенные прочностные характеристики вальцовочных соединений.

Плотность соединений обеспечивало 100% их пригодность требованиям производства.

Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности.

Формула изобретения

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы, прошедшей подготовительные операции, одним концом в трубное отверстие, выполненное с двумя кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление, отличающийся тем, что перед установкой конца трубы в трубное отверстие его профилируют на участке, имеющем длину, меньшую расстояния между внешними кромками кольцевых канавок, с получением участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, установку конца трубы в трубное отверстие осуществляют с минимальным зазором между ними, располагая профилированный участок симметрично кольцевым канавкам трубного отверстия, а закрепление трубы осуществляют путем ее развальцовки, которую проводят в две стадии приложением к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, при этом на первой стадии развальцовки производят раздачу трубы на участке между внешними кромками кольцевых канавок с заполнением материалом трубы объема кольцевых канавок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6