способ закрепления труб в трубной решетке

Формула изобретения

1. Способ закрепления труб в трубной решетке, включающий формирование на внешней поверхности концов трубы кольцевых выступов, установку ее в имеющее кольцевые выемки отверстие трубной решетки до совпадения кольцевых выемок и выступов, фиксацию трубы от осевого смещения и закрепление ее в трубной решетке раскаткой ее внутренней поверхности, отличающийся тем, что формирование кольцевых выступов осуществляют путем приложения сжимающего усилия к торцу трубы, образуя при этом углубление в нем, а перед раскаткой выполняют утолщение стенки трубы с кольцевыми выступами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении утолщения стенки трубы прикладывают сжимающее усилие к ступенчатому пуансону, располагая его ступень с большим диаметром в углублении на торце трубы без зазора, а ступень с меньшим диаметром в полости трубы с зазором, и выдавливая металл в упомянутый зазор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, и в частности к процессам закрепления труб в трубной решетке в процессе локализованного направленного пластического деформирования материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубной решетке, при котором трубу устанавливают в отверстие решетки, имеющее кольцевую канавку, фиксируют ее от возможного осевого перемещения с последующим закреплением трубы в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия к торцу трубы (а.с. N 277712, МПК B 21 D 39/06; Б.И. N 25 от 05.08.1970).

К недостаткам известного способа следует отнести:

материалом трубы заполняется только одна кольцевая канавка решетки; в результате соединение может иметь пониженные характеристики прочности и герметичности;

высадка трубы сопряжена с необходимостью приложения больших усилий к торцу трубы, что вызывает непрогнозируемую и к тому же неоднородную раздачу отверстия в решетке.

Известен также способ закрепления труб в трубной решетке, включающий формирование на внешней поверхности концов трубы кольцевых выступов, установку ее в имеющее кольцевые выемки отверстие трубной решетки до совпадения кольцевых выемок и выступов, фиксацию трубы от осевого смещения и закрепление ее в трубной решетке раскаткой ее внутренней поверхности (а. с. N 265060, МПК B 21 D 39/06; 1970) прототип.

К недостаткам известного способа закрепления труб в трубной решетке следует отнести:

существенное утонение стенок трубы, когда она устанавливается в отверстие решетки с зазором до 0,7 мм на сторону; последнее определяет ресурс работы соединения и его прочностные характеристики;

повышенный износ вальцовки, т.к. отверстие в трубе по форме не является круглым и нагружение инструмента весьма неравномерное.

Поставлена задача разработать такой способ закрепления труб в трубной решетке на стадии ремонта теплообменного аппарата, который в условиях регламентируемого силового воздействия на решетку позволил бы повысить характеристики прочности, герметичности и долговечности сборки с учетом того, что труба устанавливается в отверстие решетки с возможным зазором до 0,7 мм на сторону.

Это достигается способом закрепления труб в трубной решетке, включающем формирование на внешней поверхности трубы кольцевых выступов, установку ее в имеющее кольцевые выемки отверстие трубной решетки до совпадения кольцевых выемок и выступов, фиксацию трубы от осевого смещения и закрепление ее в трубной решетке раскаткой ее внутренней поверхности, согласно изобретению, формирование кольцевых выступов осуществляют путем приложения сжимающего усилия к торцу трубы, образуя при этом углубление в нем, а перед раскаткой выполняют утолщение трубы с кольцевыми выступами; причем при выполнении утолщения стенки трубы прикладывают сжимающее усилие к ступенчатому пуансону, располагая его ступень с большим диаметром в углублении на торце без зазора, а ступень с меньшим диаметром в полости трубы с зазором и выдавливая металл в упомянутый зазор.

Осуществление способа закрепления труб в трубной решетке позволяет в условиях регламентируемого силового воздействия на решетку обеспечить повышенные (по сравнению с известным техпроцессом) стабильные характеристики прочности, герметичности и долговечности.

Это объясняется тем, что формированием утолщения со стороны внутренней поверхности трубы решаются следующие задачи:

калибровка внутреннего диаметра трубы, что увеличивает срок службы инструмента;

накопление дополнительного объема материала трубы, который при закреплении трубы в отверстии решетки раскаткой существенно уменьшает утонение стенок трубы, что увеличивает характеристики прочности, герметичности и долговечности.

На фиг. 1 изображено исходное положение трубы и технологической оснастки для формирования кольцевых выступов на внешней поверхности трубы; на фиг. 2

завершение стадии формирования кольцевых выступов на трубе; на фиг. 3 - исходное положение трубы и технологической оснастки перед выполнением утолщения со стороны внутренней поверхности трубы; на фиг. 4 завершение стадии выполнения утолщения на трубе; на фиг. 5 исходное положение трубы, решетки и инструмента перед выполнением операции раскатки; на фиг. 6 - фрагмент трубной решетки с закрепленной в ее отверстии трубой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

В обойму 1, например, из закаленной инструментальной стали У8А по легкопрессовой посадке устанавливают две разъемные по образующей полуматрицы 2, также, например, изготовленные из стали У8А. На внутренней поверхности полуматриц 2 выполнены две кольцевые выемки, имеющие трапециевидный профиль. В полость, образуемую полуматрицами 2, размещают трубу 3, например, из стали 10, опирая ее торец в плиту 4. Отметим, что рабочий торец трубы 3 выступает над поверхностью полуматриц 2 (фиг. 1).

На выступающую часть трубы 3 устанавливают обойму 5, имеющую ступенчатое отверстие. Наибольший диаметр ступени выполнен с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 3. Отверстие меньшего диаметра в обойме 5 и часть полости трубы 3 заполняют, устанавливая ступенчатый пуансон 6 (фиг. 1). Причем наибольший диаметр ступенчатого пуансона 6 не превышает средний диаметр трубы 3.

Торец меньшей ступени пуансона 6 располагают ниже уровня последней кольцевой выемки в полуматрицах 2.

Перед установкой ступенчатого пуансона 6 в технологическую оснастку на его поверхность наносят смазку, например машинное масло.

При воздействии усилием Р на рабочий торец ступенчатого пуансона 6 осуществляют его осевое перемещение. В результате под торцем пуансона 6 (на его кольцевой поверхности) возникает давление, обеспечивающее направленное пластическое течение материала трубы 3. По мере этого перемещения (внедрения в трубу на глубину h) возрастает смещенный объем, и на определенной стадии процесса будет иметь место заполнение свободных объемов кольцевых канавок полуматриц 2 (фиг. 2).

Далее приступают к выполнению операции по образованию утолщения со стороны внутренней поверхности трубы 3. Для чего пуансон 6 заменяют на пуансон 7 (фиг. 3). Следует подчеркнуть, что диаметр Д малой ступени пуансона 7 меньше внутреннего диаметра Д₁ трубы 3, так что обеспечивается гарантированный зазор между внутренней поверхностью трубы 3 и боковой поверхностью малой ступени пуансона 7.

Воздействуя усилием Р₁ на торец пуансона 7, вызывают пластическое сжатие материала трубы на кольцевой поверхности, обусловливаемой геометрическими размерами пуансона 7, и течение материала трубы 3 в осевом направлении. При внедрении пуансона 7 в трубу 3 на глубину h₁ на внутренней поверхности трубы 3 будет образовано утолщение длиной l, а диаметр отверстия на днище утолщения определится диаметром малой ступени пуансона 7. Подчеркнем, что в этом случае будет иметь место процесс калибровки отверстия по диаметру малой ступени пуансона 7 (фиг. 4).

После этого осуществляется процесс закрепления трубы 3 в трубной решетке 8 теплообменного аппарата. Для чего трубу 3 устанавливают в отверстие решетки 8, обеспечивая симметричный зазор и совпадение кольцевых выемок в решетке 8 с кольцевыми выступами на трубе 3. Фиксируют трубу 3 от осевого перемещения, опирая ее свободный торец на плиту 4. Затем в отверстие трубы 3 вводят инструмент-вальцовку, ролик 9, который имеет длину, не меньшую, чем длина утолщения на трубе 3 (фиг. 5).

Сообщив крутящий момент инструменту-вальцовке посредством роликов 9 (в количестве 3 штук), производят операцию раскатки. Особенность же закрепления трубы 3 в решетке 8 состоит в механизме образования сборки, в частности, во внедрении кольцевых выступов трубы 3 в кромки кольцевых выемок решетки 8. В результате достигается минимальная радиальная деформация решетки 8 и высокое качество закрепления свободных объемов кольцевых выемок при несущественном утонении стенок трубы 3 (фиг. 6).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении труб из стали 10 с поперечным сечением 25х2,5 мм в отверстиях трубных решеток диаметром 26,4 мм из стали 3. Отверстия трубных решеток содержали по две кольцевые выемки с геометрическими размерами: шириной 3,0 мм, глубиной 0,5 мм. Толщина трубной решетки составила 40 мм. В технологической штамповой оснастке из стали У8А с твердостью HRCэ 56.58 ед. осуществляли бандажирование концов труб с формированием на их внешней поверхности кольцевых выступов диаметром 26,0 мм и поперечным сечением в виде трапеции: меньшее основание 2,0 мм; большее основание 4,0 мм; высота 0,5 мм. Бандажирование выполняли на гидравлическом прессе марки ПСУ-250 при осевом сжимающем усилии в 400 кн. При этом величина h равна 2,8 мм. Внутреннее утолщение стенки трубы выполняли с осевым сжимающим усилием 800 кн ступенчатым пуансоном, малая ступень которого имела диаметр 18,4 мм; а большая ступень - диаметр, равный 22,5 мм. В результате глубина h₁ равна 4,2 мм. Таким образом, с учетом наличия "колокольчика", выступания трубы над лицевой поверхностью решетки остаточная протяженность углубления в трубе составляла всего (4,2 + 2,8) 5 2,0 мм.

Установку трубы в трубную решетку контролировали с точностью до 0,05 мм по высоте "колокольчика", равной 5,0 мм.

Закрепление трубы в трубной решетке осуществляли раскаткой. Толщина стенки трубы после раскатки составляла не менее 2,5 0,05 2,45 мм, при абсолютной величине радиальной деформации в 0,7 мм.

Испытания по определению характеристик прочности и герметичности полностью подтвердили ожидаемые результаты.

Изобретение может быть использовано при ремонте и изготовлении теплообменных аппаратов, применяемых в различных отраслях промышленности, а также в энергетических установках судов и т.д.