способ закрепления труб в трубных решетках

Формула изобретения

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление путем приложения радиального давления к внутренней поверхности трубы, отличающийся тем, что предварительно концы трубы калибруют по внешнему диаметру путем их раздачи, после чего на каждом конце трубы в пределах длины калиброванного участка посредством обжима формуют профилированный участок с криволинейной образующей, разделяющий калиброванный участок на внутреннюю и внешнюю части, установку трубы в отверстие трубной решетки осуществляют с расположением внутренней части ее калиброванного участка напротив внутренней кольцевой канавки отверстия для опирания трубы на поверхность стенки отверстия трубной решетки с одной стороны относительно внешней кольцевой канавки последнего, а в процессе закрепления трубы обеспечивают первоначальное заполнение объема внутренней кольцевой канавки отверстия трубной решетки материалом внутренней части калиброванного участка трубы путем деформирования профилированного участка с криволинейной образующей.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы в трубное отверстие, фиксацию ее от возможного перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения нормального к внутренней поверхности трубы усилия (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. Ленинград: Судостроение, 1972, с. 143).

К главным недостаткам известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести:

- неравномерное остаточное давление по длине вальцовочного пояска и, как следствие, относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений. Для устранения данного недостатка прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям. Последнее обуславливает коробление трубной решетки, выдавливание материала трубы в осевом направлении из-за имеющего место угла наклона образующей боковой поверхности ролика к образующей внутренней поверхности трубы, а значит, короткий (повышенная коррозия) межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата;

- закрепление трубы сопровождается ее скручиванием, что отрицательно сказывается на коррозионной стойкости вальцовочного соединения.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление путем приложения радиального давления к внутренней поверхности трубы (см. ОСТ 26-02-1015-85. Крепление труб в трубных решетках. Москва: Министерство химического и нефтяного машиностроения, 1985, прототип).

Недостатком известного способа закрепления труб в трубных решетках является свободное (безопорное) положение трубы на начальной стадии ее закрепления (стадии привальцовки), что приводит к таким негативным явлениям, как не заполняемость объемов кольцевых канавок отверстия трубной решетки материалом трубы, скручивание последней, а также подрезание ее стенок и, как следствие, к низким служебным характеристикам вальцовочных соединений.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы, не удорожая технологический процесс, обеспечивал бы качественное заполнение объемов кольцевых канавок и гарантировал бы повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление путем приложения радиального давления к внутренней поверхности трубы, согласно изобретению предварительно концы трубы калибруют по внешнему диаметру путем их раздачи, после чего на каждом конце трубы в пределах длины калиброванного участка посредством обжима формуют профилированный участок с криволинейной образующей, разделяющий калиброванный участок на внутреннюю и внешнюю части, установку трубы в отверстие трубной решетки осуществляют с расположением внутренней части ее калиброванного участка напротив внутренней кольцевой канавки отверстия для опирания трубы на поверхность стенки отверстия трубной решетки с одной стороны относительно внешней кольцевой канавки последнего, а в процессе закрепления трубы обеспечивают первоначальное заполнение объема внутренней кольцевой канавки отверстия трубной решетки материалом внутренней части калиброванного участка трубы путем деформирования профилированного участка с криволинейной образующей.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения, не удорожая технологический процесс и обеспечивая качественное заполнение объемов кольцевых канавок, гарантируя повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений.

Это объясняется тем, что новый технологический процесс закрепления труб в трубных отверстиях, основанный на предлагаемом изобретении, строго увязан с диаметром трубного отверстия. Так, по известному диаметру отверстия трубной решетки предварительно производят калибровку конца трубы жестким пуансоном, обеспечивая односторонний зазор между трубой и стенками трубного отверстия не более 0, 025 мм. Осуществляя профилирование трубы посредством обжима, в пределах калиброванного участка образуют отрезок с криволинейной образующей. Последний своим местоположением разделяет калиброванный участок на внешнюю и внутреннюю части. Устанавливают трубу в отверстие трубной решетки таким образом, что внутренняя часть калиброванного участка располагается напротив внутренней кольцевой канавки. В результате труба опирается на поверхность отверстия трубной решетки только с одной стороны, а именно - на площади, располагаемой до внешней кольцевой канавки. Начальная стадия закрепления трубы вызывает деформацию отрезка с криволинейной образующей, что и обуславливает первоначальное заполнение материалом трубы объема внутренней кольцевой канавки. Последующее раскатывание трубы имеет место при зафиксированном положении трубы на стенках трубного отверстия, что предопределяет качественное заполнение объема внешней кольцевой канавки отверстия трубной решетки материалом трубы. Ограничение очага деформации, минимизация прикладываемого давления, отсутствие скручивания трубы и подрезания ее стенок - основные направления предлагаемого изобретения по улучшению коррозионных свойств вальцовочного соединения.

Гарантирование повышенных служебных характеристик достигается как качественным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы посредством локальной раскатки и раздачи, так и формированием поля сжимающих остаточных напряжений в поверхностных слоях трубного отверстия.

Установка трубы симметрично кольцевым канавкам обеспечивает на опорных консолях различную жесткость стенки трубы. Операция закрепления трубы в трубной решетке отличается последовательным заполнением объемов первоначально внутренней, а затем внешней канавок отверстия трубной решетки. При этом имеет место растяжение внутренних слоев отверстия трубной решетки, что, в конечном итоге, обуславливает появление дополнительного остаточного давления между соединяемыми элементами, повышая служебные характеристики вальцовочных соединений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана труба перед калибровкой ее конца жестким пуансоном; на фиг.2 - калиброванный конец трубы заданной длины; на фиг.3 (слева) - калиброванный конец трубы, установленный в технологическую оснастку, перед формированием посредством обжима отрезка с криволинейной образующей; на фиг.3 (справа) - стадия окончания процесса формирования отрезка трубы с криволинейной образующей; на фиг.4 - профилированный конец трубы, установленный в отверстие трубной решетки, перед раскаткой трубы; на фиг.5 - стадия раскатки трубы с заполнением ее материалом внутренней кольцевой канавки отверстия трубной решетки; на фиг.6 - стадия раскатки трубы с заполнением ее материалом внешней кольцевой канавки отверстия трубной решетки; на фиг.7 - стадия закрепления трубы в отверстии трубной решетки совместным деформированием соединяемых элементов; на фиг.8 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Теплообменную трубу 1, например, из стали 10 фиксируют в механизме зажима от возможного перемещения (фиг.1) и в ее отверстие внедряют (фиг.2) калибрующий пуансон 2, диаметр Д₁ которого превышает диаметр Д отверстия трубы. Результатом этого действия становится приобретение внешним диаметром Д₂ трубы размера, меньшего диаметра отверстия трубной решетки на 0,05 мм.

Далее трубу подвергают стандартным предварительным операциям: резка в меру, зачистка внешних поверхностей концов до металлического блеска.

После чего калиброванный конец трубы устанавливают (фиг.3 - слева) с минимальным зазором в отверстие толстостенного контейнера 2* и фиксируют радиальным внешним давлением от возможного перемещения за пределами контейнера (показано стрелками). Причем донную поверхность полости контейнера размещают от внутренней кромки максимального диаметра трубы на расстоянии, определяемом шириной кольцевой канавки трубного отверстия. Затем в зазор между стенками контейнера и внешней поверхностью трубы устанавливают кольцевой элемент 3 из упругого материала, например полиуретана марки СКУ-7Л. Высота кольцевого элемента меньше длины калиброванного участка трубы, так что между свободными торцами трубы и кольцевого элемента наблюдается зазор. Над кольцевым элементом размещают втулочный пуансон 4, диаметры которого согласованы с внешним диаметром трубы и диаметром полости в контейнере. Через отверстие во втулочном пуансоне в отверстие трубы вводят ступенчатый стержень 5, диаметр большей ступени которого выполнен с минимальным зазором по отношению к диаметру отверстия во втулочном пуансоне, а малая ступень его образует односторонний зазор со стенками отверстия в трубе.

Прикладывая осевое усилие к торцу втулочного пуансона (фиг.3 - справа), вызывают деформацию материала кольцевого элемента и, как следствие, деформацию материала трубы операцией обжима, вызывающей уменьшение диаметра отверстия трубы до размера, определяемого диаметром малой ступени ступенчатого стержня, и формирование, в конечном итоге, отрезка с криволинейной образующей. Таким образом, калиброванный участок трубы разделяется ее отрезком с криволинейной образующей на две части: внешнюю и внутреннюю.

После чего трубу профилированным концом размещают в отверстии трубной решетки 6, имеющем две кольцевые канавки треугольного поперечного сечения с вершинами, обращенными навстречу друг другу.

Располагая торец трубы в плоскости лицевой поверхности трубной решетки, обеспечивают симметричное размещение отрезка трубы с криволинейной образующей относительно кольцевых канавок, что предопределяет установку внутренней части калиброванного участка трубы напротив внутренней кольцевой канавки трубного отверстия. В результате формируется одностороннее опирание трубы на стенки отверстия трубной решетки, а следовательно, обеспечено различие в опорных жесткостях профилированного конца трубы: меньшая - на внутренней канавке отверстия трубной решетки и большая - на его внешней канавке (фиг.4). В отверстие калиброванного участка трубы устанавливают механическую вальцовку, содержащую ролики (образующая ролика условно показана прямой линией).

Сообщая роликам вальцовки вращательное движение (фиг.5) с одновременным радиальным их перемещением, осуществляют воздействие роликов (показано стрелками) на профилированный участок трубы с минимальным диаметром.

Раскатка относительно короткого отрезка трубы с криволинейной образующей обеспечивает первоначально ее раздачу за пределами внутренней кольцевой канавки. Последняя сопровождается введением внутренней части калиброванного участка трубы в объем внутренней кольцевой канавки отверстия трубной решетки (фиг. 5). Фиксирование трубы на поверхности отверстия трубной решетки устраняет возможность последующего ее скручивания.

Дальнейшая раскатка трубы сопровождается внеконтактной ее деформацией в опорных сечениях и контактной деформацией отрезка с криволинейной образующей (фиг. 6). Осуществляется заполнение объемов кольцевых канавок отверстия трубной решетки материалом трубы.

Реализация стадии совместной пластической деформации материалов соединяемых элементов (выполняется вальцовкой с большим диаметром) сопровождается с определенного момента осевым растяжением поверхностных слоев трубной решетки (фиг.7).

Снятие деформирующего трубу усилия вызывает разгрузку соединяемых элементов, появление остаточного давления на контактной поверхности (фиг.8) и формирование кольцевых плотностей по всему периметру профилированного отверстия.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 10) труб в трубных решетках из стали 16 ГС толщиной 60 мм.

Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм и длина 3000 мм.

Технологическая оснастка для выполнения операций калибровки и локального обжима концов трубы изготавливалась из стали Х12М, имевшей твердость после закалки HRC=56-58 ед., по 7-му квалитету точности.

Обжим труб производили полиуретаном марки СКУ-7Л на гидравлической установке двойного действия при усилиях 0,15-0,17 МН, обеспечивающих уменьшение внешнего диаметра трубы до 23,8 мм и длину обжатого участка трубы 11 мм.

Отверстия трубной решетки выполняли диаметром 25,15 мм с двумя кольцевыми канавками. Кольцевые канавки с треугольным поперечным сечением имели геометрические размеры: ширину - 5,0 мм, высоту - 0,3 мм, основание треугольника делилось на отрезки 1:2.

Формирование вальцовочного соединения осуществляли за два перехода на двух участках вальцовочного пояска отечественными вальцовками на стенде фирмы "Индреско" (США).

Исследования характеристик прочности и плотности полученных вальцовочных соединений выявили их повышенные значения по отношению к вальцовочным соединениям, полученным по традиционной технологии. При этом отмечаются (устранением явлений подрезания стенки трубы и ее скручивания) существенно улучшенные характеристики коррозионной стойкости.

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