способ закрепления труб в трубных решетках

Формула изобретения

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование концов трубы с образованием законцовок, содержащих нагружаемый и опорный участки, а также расположенный между ними конический переходный участок, установку одной из законцовок в трубное отверстие, которое выполняют с кольцевой канавкой, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность нагружаемого участка законцовки, отличающийся тем, что в трубном отверстии со стороны его лицевой поверхности выполняют кольцевую выемку, кольцевую канавку трубного отверстия выполняют комбинированной в виде сочетания кольцевых канавок прямоугольного и треугольного поперечных сечений, на внешней поверхности нагружаемого участка со стороны его торца образуют утолщение, внешний диаметр которого равен диаметру опорного участка, при этом упомянутое утолщение сопрягают с внешней поверхностью нагружаемого участка посредством конического перехода, расстояние между кромками кольцевой выемки и кольцевой канавки трубного отверстия выбирают превышающим расстояние между малыми основаниями переходного конического участка законцовки трубы и конического перехода ее утолщения, а при установке законцовки трубы в трубное отверстие упомянутые конические поверхности располагают напротив упомянутых кромок трубного отверстия.

Описание изобретения к патенту

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 деформирования 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 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, образующие пары соединяемых элементов, являются свариваемыми.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование концов трубы с образованием законцовок, содержащих нагружаемый и опорный участки, а также расположенный между ними конический переходный участок, установку одной из законцовок в трубное отверстие, которое выполняют с кольцевой канавкой, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность нагружаемого участка законцовки (см. RU 2160175 С2, 10.12.1998, В 21 D 39/06 - прототип).

Недостатком известного способа является то, что при его реализации резервом в формировании повышенных служебных характеристик продольно-прессового метода закрепления труб в трубных решетках является образование кольцевых уплотнений на взаимно перпендикулярных поверхностях.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы позволял выполнять неразъемные соединения, обеспечивая образование кольцевых уплотнений на взаимно перпендикулярных плоскостях.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование концов трубы с образованием законцовок, содержащих нагружаемый и опорный участки, а также расположенный между ними конический переходный участок, установку одной из законцовок в трубное отверстие, которое выполняют с кольцевой канавкой, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность нагружаемого участка законцовки, согласно изобретению в трубном отверстии со стороны его лицевой поверхности выполняют кольцевую выемку, кольцевую канавку трубного отверстия выполняют комбинированной в виде сочетания кольцевых канавок прямоугольного и треугольного поперечных сечений, на внешней поверхности нагружаемого участка со стороны его торца образуют утолщение, внешний диаметр которого равен диаметру опорного участка, при этом упомянутое утолщение сопрягают с внешней поверхностью нагружаемого участка посредством конического перехода, расстояние между кромками кольцевой выемки и кольцевой канавки трубного отверстия выбирают превышающим расстояние между малыми основаниями переходного конического участка законцовки трубы и конического перехода ее утолщения, а при установке законцовки трубы в трубное отверстие упомянутые конические поверхности располагают напротив упомянутых кромок трубного отверстия.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет выполнять неразъемные соединения с повышенными служебными характеристиками.

Это объясняется тем, что закрепление трубы в трубном отверстии выполняют, осуществляя локальную пластическую деформацию материала трубы кромками канавок трубного отверстия. Имеющая место пластическая деформация формирует кольцевые уплотнения на взаимно перпендикулярных поверхностях трубного отверстия.

Поперечные сдвиги полотна трубы относительно кромок кольцевых канавок в сочетании с выглаживающим действием инструмента - дорна позволяют наводить во внутренних приповерхностных слоях трубы благоприятные сжимающие остаточные напряжения первого рода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана теплообменная труба с профилированной законцовкой, расположенная в отверстии трубной решетки перед выполнением неразъемного соединения; на фиг.2 - стадия окончания операции раздачи нагружаемого участка законцовки в условиях реализации внеконтактной деформации материала трубы при заполнении кольцевой канавки перед фиксированием трубы на стенках трубного отверстия; на фиг.3 - исходное положение трубы в трубном отверстии и конического дорна перед выполнением фиксирования трубы на стенках трубного отверстия; на фиг.4 - стадия закрепления трубы в отверстии трубной решетки, сопровождаемая формированием кольцевых уплотнений на взаимно перпендикулярных поверхностях кромки кольцевой выемки; на фиг.5 стадия окончания процесса выполнения неразъемного соединения; на фиг. 6 - 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, обжима и осевого сжатия профилированные законцовки, содержащие опорный участок с внешним диаметром, меньшим диаметра отверстия трубной решетки на 0,05 мм, нагружаемый участок с кольцевым утолщением, имеющим внешний диаметр, равный диаметру опорного участка, и конический переход с образующей, обращенной в сторону трубы, и переходный конический участок между ними (отмечен точками).

Трубу размещают в отверстии трубной решетки 2, имеющем кольцевую выемку со стороны лицевой поверхности трубной решетки и комбинированную кольцевую канавку прямоугольного поперечного сечения, переходящем в треугольное поперечное сечение, и фиксируют ее от возможного перемещения (условно показано стрелками).

Следует подчеркнуть, что поскольку расстояние между кромками кольцевой выемки и кольцевой канавки превышает расстояние между малыми основаниями переходного конического участка законцовки и упомянутого конического перехода утолщения, то при установке законцовки трубы в трубное отверстие образующие упомянутых конических поверхностей располагают напротив упомянутых кромок трубного отверстия.

Контроль правильности установки трубы проводится по замеру выступания ее торца над лицевой поверхностью трубной решетки.

В отверстие законцовки устанавливают механическую вальцовку и сообщают вращение ее веретену. Ролики вальцовки, раскатывая отверстие законцовки трубы (их действие показано условно стрелками), вызывают внеконтактную деформацию опорного участка трубы с образованием пластического шарнира на внутренней кромке кольцевой канавки (фиг.2). Наблюдаются частичное заполнение объема кольцевой канавки материалом трубы (чем производят ограничение очага пластической деформации в осевом направлении) и образование контакта между кромками кольцевых выемки и канавки с коническими поверхностями утолщения и переходного участка.

Далее заменяют механическую вальцовку на конический дорн 3 (фиг.3).

Прикладывая дорном осевое усилие (условно показано стрелками) к внутренней поверхности нагружаемого участка законцовки, достигают давлений, вызывающих конусную раздачу его утолщения. Последняя сопровождается растяжением полотна законцовки, располагаемого между малыми основаниями конических участков.

Перемещение дорна в осевом направлении вызывает раздачу утолщения законцовки с поперечным сдвигом полотна относительно кромки кольцевой выемки, формирующее кольцевые уплотнения между соединяемыми элементами во взаимно перпендикулярных поверхностях (фиг.4).

Дальнейшее осевое перемещение дорна вызывает фиксирование трубы на стенках трубного отверстия путем последовательных поперечных сдвигов (показаны пунктирными линиями) полотна законцовки относительно внешней кромки кольцевой канавки и кромки распушки, выполненной со стороны тыльной поверхности трубной решетки (фиг.5).

Процесс закрепления трубы в трубном отверстии завершается остановкой конического дорна в положении, когда произойдет поперечный сдвиг полотна трубы относительно тыльной поверхности.

Снятие деформирующего соединяемые элементы осевого усилия обуславливает практическое отсутствие упругой их разгрузки в радиальном направлении (фиг. 6) и формирование поля осевых сжимающих остаточных напряжений во внутренних слоях трубы, что предопределяет получение неразъемными соединениями заданных коррозионных характеристик.

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 40 мм до диаметра, равного 25,7 мм. Далее концы трубы профилировались радиальным обжимом в технологической оснастке до диаметров: минимальный - 24,3 мм, максимальный - 25,3 мм и осевым сжатием участков трубы с минимальным внешним диаметром выполняли утолщения с внешним диаметром, равным 25,3 мм. При этом формировали конический переход шириной в 2 мм.

Профилирование концов трубы выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0, 3 МН.

Трубные отверстия изготавливались с диаметрами, равными 25,35^+0,05 мм. Комбинированная кольцевая канавка имела: в прямоугольной части поперечного сечения глубину - 0,5 мм, ширину - 1 мм; в треугольной части поперечного сечения - длину основания - 4 мм.

Кольцевые выступы на закрепленных трубах в трубных отверстиях имели поперечное сечение с размерами, соответствующими размерам кольцевой выемки и комбинированной кольцевой канавки.

При установке трубы в трубное отверстие конические участки законцовки размещали напротив кромок кольцевых выемки и канавки.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками и ее закрепления в трубных отверстиях изготавливались 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 отечественными механическими вальцовками на стенде фирмы "Индреско" и на специальном стенде с насосной станцией этой фирмы посредством конического дорна, использующем экстрактор.

Установлено, что профилирование внешней поверхности конца трубы в сочетании с фиксированием трубы на кромках кольцевых канавок трубного отверстия посредством поперечных сдвигов полотна и формированием кольцевых уплотнений во взаимно перпендикулярных поверхностях позволяет выполнять высококачественные неразъемные соединения с повышенными служебными характеристиками.

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.