Способ закрепления труб в трубных решетках

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при закреплении труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. Концы трубы профилируют с образованием законцовок. В отверстии трубной решетки выполняют кольцевые канавки и расположенное со стороны ее тыльной поверхности кольцевое ребро, задняя грань которого наклонена под острым углом к оси отверстия. Законцовку устанавливают в трубное отверстие с размещением ее на кольцевом ребре. Трубу фиксируют от возможных перемещений и закрепляют приложением к ее внутренней поверхности сжимающих усилий. Кроме того, при закреплении трубы производят поперечный пластический сдвиг материала трубы в полотне законцовки относительно задней грани кольцевого ребра. В результате обеспечивается повышение прочности полученных соединений за счет образования кольцевых плотностей с тыльной стороны трубной решетки и расширение технологических возможностей способа. 5 ил.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и, 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, включающий установку одним концом теплообменной трубы в трубное отверстие, фиксацию ее от возможного перемещения, приварку торца трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующим закреплением трубы в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия на ее внутреннюю поверхность (см. Дорошенко П. А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. - Л.: Судостроение, 1972, 143.

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, образующие пары соединяемых элементов, являются свариваемыми.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование концов трубы с образованием законцовок, установку трубы одной из них в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможных перемещений и последующее ее закрепление путем приложения сжимающих усилий на внутреннюю поверхность законцовки (RU 2160175 С2,10.12.1998, В 21 D 39/06 - прототип).

Недостатком известного способа является то, что при его реализации не формируют кольцевых плотностей со стороны тыльной поверхности трубной решетки. Кроме того, для теплообменных труб с размерами поперечного сечения, например, 57х2 мм имеются определенные проблемы с формированием в холодном состоянии кольцевого (или кольцевых) выступа на внешней поверхности законцовки из-за потребных больших деформирующих трубу усилий.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы позволял образовывать кольцевые плотности с тыльной стороны трубной решетки и устранял бы имеющиеся проблемы, возникающие при профилировании концов труб относительно большого размера в поперечном сечении.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование концов трубы с образованием законцовок, установку трубы одной из них в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможных перемещений и последующее ее закрепление путем приложения сжимающих усилий на внутреннюю поверхность законцовки, согласно изобретению, в отверстии трубной решетки со стороны ее тыльной поверхности выполняют кольцевое ребро, задняя грань которого наклонена под острым к оси отверстия, при установке законцовки в трубное отверстие ее размещают на кольцевом ребре и, закрепляя трубу, выполняют поперечный пластический сдвиг материала трубы в полотне законцовки относительно упомянутой выше грани кольцевого ребра.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет формировать кольцевые плотности между соединяемыми элементами со стороны тыльной поверхности трубной решетки и устраняет проблемы профилирования концов теплообменных труб с относительно большими размерами в поперечном сечении.

Это объясняется тем, что закрепление трубы в трубном отверстии осуществляется продольно-прессовым методом, когда удержание трубы в трубной решетке обуславливается наличием поперечных сдвигов полотна трубы относительно выступов, образующих рельефность поверхности трубного отверстия. Формирование поперечного сдвига полотна трубы со стороны тыльной поверхности трубной решетки предотвращает попадание среды межтрубного пространства в зазор между соединяемыми элементами и, следовательно, устраняет коррозию на контактной поверхности неразъемного соединения. При этом имеет место равномерная деформация трубной решетки, что ликвидирует ее коробление.

Профилирование концов трубы, производимое операцией обжима, не сопряжено с проблемами стойкости технологической оснастки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - показана теплообменная труба с профилированной законцовкой, трубная решетка и конический дорн перед выполнением неразъемного соединения; на фиг.2 - начало стадии предварительного фиксирования трубы на кромке внешней кольцевой канавки; на фиг. 3 - окончание стадии предварительного фиксирования трубы на кромке внешней кольцевой канавки; на фиг.4 - стадия окончания закрепления трубы в отверстии трубной решетки поперечным сдвигом полотна законцовки относительно кольцевого ребра со стороны тыльной поверхности трубной решетки; на фиг. 5 - высококачественное неразъемное соединение трубы с трубной решеткой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На теплообменной трубе 1 (фиг.1) выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка внешней поверхности концов до металлического блеска.

После чего на каждом из концов трубы образуют известными операциями раздачи и обжима профилированные законцовки, содержащие опорный участок с внешним диаметром, меньшим диаметра отверстия трубной решетки на 0,05 мм, нагружаемый участок, имеющий минимальный диаметр отверстия, и переходный конический участок между ними (отмечен точками).

Трубу размещают в отверстии трубной решетки 1, имеющей внешнюю канавку в виде кольцевой выемки и внутреннюю канавку с треугольным поперечным сечением, и фиксируют ее от возможного перемещения (условно показано стрелками). Контроль правильности установки трубы проводится по замеру выступания ее торца над лицевой поверхностью трубной решетки. В этом случае опорный участок законцовки располагается в отверстии трубной решетки на кольцевом ребре, образуя консоль переходного участка по отношению к внутренней кольцевой канавке. В отверстие законцовки устанавливают конический дорн 3 (фиг.1). Подчеркнем, что максимальный диаметр дорна превышает внутренний диаметр опорного участка.

Прикладывая осевое усилие к торцу конического дорна, достигают давлений, вызывающих свободную раздачу нагружаемого участка законцовки до момента (фиг.2), когда будет иметь место пластический контакт между трубой и кромкой внешней кольцевой канавки трубного отверстия. Из-за выбранных геометрических размеров конического дорна его дальнейшее осевое перемещение связано с пластическим деформированием материала трубы. В результате труба предварительно фиксируется на стенках трубного отверстия поперечным сдвигом полотна законцовки, вызывающим заполнение объема внешней кольцевой канавки (фиг.3). При этом толщина стенки закрепленного участка трубы приобретает размер, меньший чем толщина стенки трубы в опорном участке. В один из моментов осевого перемещения конического дорна осуществляется заполнение объема внутренней кольцевой канавки внеконтактной деформацией (с образованием пластического шарнира на внутренней кромке этой канавки). Условие постоянства объема предопределяет, что заполнение объема внутренней кольцевой канавки приводит к образованию соответствующей каверны (фиг.3).

Процесс закрепления трубы в трубном отверстии завершается (фиг. 4), когда заполняется объем каверны и труба фиксируется поперечным сдвигом полотна законцовки относительно кольцевого ребра трубного отверстия.

Внутренние слои трубы при этом испытывают растягивающие напряжения.

Снятие деформирующего соединяемые элементы усилия обуславливает практическое отсутствие упругой их разгрузки в радиальном направлении (фиг.5) и формирование поля сжимающих остаточных напряжений во внутренних слоях трубы, что предопределяет получение неразъемных соединений заданных характеристик прочности, плотности и коррозионной стойкости.

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 калибровались на длине в 33 мм до диаметра, равного 25,7 мм. Далее концы трубы профилировались радиальным обжимом в технологической оснастке до диаметров: минимальный - 24,3 мм и максимальный - 25,3 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 25,35+0,05 мм. Кольцевая канавка треугольного поперечного сечения трубных отверстий имела: основание 6 мм, высоту 0,3 мм. Торцовое кольцевое углубление имело диаметр 26 мм и глубину 10 мм. Расстояние между кромками кольцевых канавки и углубления составляло 25 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 на специально изготовленном стенде, использующем насосную станцию фирмы " Индреско " (США).

Установлено, что профилирование внешней поверхности конца трубы в сочетании с предварительным фиксированием трубы на стенках трубного отверстия позволяют выполнять неразъемные соединения с трубами без ограничения их геометрических размеров в поперечном сечении.

При этом требуются относительно небольшие деформирующие усилия и значительно сокращается технологический цикл (примерно, до 50% по сравнению с прототипом).

Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки подтверждены повышенные прочностные характеристики полученных соединений.

Плотность соединений (по гидравлическим испытаниям) обеспечивала 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 профилирование концов трубы с образованием законцовок, установку одной из них в трубное отверстие, выполненное с кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможных перемещений и последующее ее закрепление путем приложения сжимающих усилий к внутренней поверхности законцовки, отличающийся тем, что в отверстии трубной решетки со стороны ее тыльной поверхности выполняют кольцевое ребро, задняя грань которого наклонена под острым углом к оси отверстия, при установке законцовки в трубное отверстие ее размещают на кольцевом ребре, а при закреплении трубы производят поперечный пластический сдвиг материала трубы в полотне законцовки относительно упомянутой выше задней грани кольцевого ребра.

РИСУНКИ

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