способ образования стыковых сварных швов на трубах

Формула изобретения

Способ образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающий подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб с присадочным материалом посредством неплавящегося электрода, отличающийся тем, что формируют два стыковых шва с последующей их горячей деформацией, для чего предварительно сопрягаемые концы труб раздают из цилиндра в цилиндр, при сборке посредством оправки между их торцами устанавливают промежуточный элемент из присадочного материала в виде втулки с кольцевой канавкой на внутренней поверхности с достижением контакта между сопрягаемыми торцовыми поверхностями концов калиброванных раздачей труб с торцовыми поверхностями втулки, сварные швы формируют путем сплавления материала труб с материалом промежуточного элемента, производят подогрев промежуточного элемента, затем осуществляют горячий радиальный обжим промежуточного элемента, концентрируют первоначально его деформацию во внутренних слоях по местоположению кольцевой канавки, сварных швов и околошовных зон на оправке, придают их внешнему диаметру размер, равный исходному внешнему диаметру труб.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам образования стыковых сварных швов при получении трубных шпилек U-образных пучков с использованием эффекта локализованного горячего пластического деформирования сварного шва и прилегающих к нему околошовных зон.

Известен способ образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающий отрезку мерных длин труб для прямолинейных участков шпильки, мерной длины трубы для изготовления гибкой на заданный радиус калача, зачистку внешней поверхности сопрягаемых концов соединяемых элементов, последующую их сварку с образованием двух сварных швов в получаемой шпильке (см. ГОСТ 14245-79 Теплообменники кожухотрубчатые с U-образными трубами).

К главным недостаткам известного способа образования стыковых сварных швов следует отнести незащищенность внутренней поверхности стыка от воздействия агрессивной рабочей среды при эксплуатации трубного пучка, а также повышенную себестоимость их производства. Во-первых, большие отходы трубных заготовок из-за некратности используемых рабочих длин. И, во-вторых, повышенная себестоимость, определяемая и большим процентом брака сварных швов из-за дефектов, определяемых присутствием в процессе сварки атмосферного газа (кислорода и азота). Качество неразъемных соединений при этом всецело определяется профессиональными навыками и умением сварщика интенсивно выполнять необходимые при сварке действия. Следует подчеркнуть и такие недостатки, как наличие околошовных зон с пониженными механическими характеристиками и внутреннего грата, уменьшающего поперечное сечение стыка относительно исходного поперечного сечения соединяемых труб.

Известен также способ образования стыковых сварных швов на трубах при получении трубных шпилек, включающий подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб с присадочным материалом посредством неплавящегося электрода (см. РД 153-34.1-003-01 Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования, Москва, ПИО ОБТ 2001 - прототип).

Недостатком известного способа является то, что сварной шов и околошовные зоны формируют без плакирования внутренней поверхности стыка с целью повышения антикоррозионных его свойств, а также не подвергаются финишной пластической деформации, устраняющей возможные дефекты в сварных швах и упрочняющих материал в околошовных зонах. В результате возможны дефекты в сварных швах и подобные шпильки выбраковываются. При сварке контролю не поддается процесс образования внутреннего грата и каждый раз получаемый стык имеет свои геометрические размеры по внутреннему диаметру, что требует проведения контролирующей операции - обкатывание шпильки контрольным шариком с диаметром, составляющим 0,8Д, где Д - внутренний диаметр трубы.

Задачей изобретения является разработка такого способа образования стыковых сварных швов при получении трубных шпилек U-образных пучков, который бы позволял защищать внутреннюю и внешнюю поверхности стыка от воздействия агрессивных сред при эксплуатации трубного пучка, а также устранял дефекты в сварных швах их финишной горячей штамповкой.

Технический результат достигается тем, что в способе образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающем подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб с присадочным материалом посредством неплавящегося электрода, согласно изобретению формируют два стыковых шва с последующей их горячей деформацией, для чего предварительно сопрягаемые концы труб раздают из цилиндра в цилиндр, при сборке посредством оправки между их торцами устанавливают промежуточный элемент из присадочного материала в виде втулки с кольцевой канавкой на внутренней поверхности, достигая контакта между сопрягаемыми торцовыми поверхностями концов калиброванных раздачей труб с торцовыми поверхностями втулки, сварные швы формируют путем сплавления материала труб с материалом промежуточного элемента, производят подогрев промежуточного элемента, затем осуществляют горячий радиальный обжим промежуточного элемента, концентрируя первоначально его деформацию во внутренних слоях по местоположению кольцевой канавки, сварных швов и околошовных зон на оправке, придавая их внешнему диаметру размер, равный исходному внешнему диаметру труб.

Осуществление предлагаемого способа образования стыковых сварных швов на трубах при получении шпилек U-образных трубных пучков позволяет плакировать внешнюю и внутреннюю поверхности стыка, обеспечивая повышенные антикоррозионные их характеристики, а также устранять дефекты в сварных швах их финишной горячей пластической деформацией, изменять структуру и механические свойства в околошовных зонах, формировать внутреннюю поверхность стыка без грата.

Это объясняется тем, что:

- присадочный материал выбирают с условием повышенных его антикоррозионных свойств, а также механических свойств не ниже соответствующих свойств материала труб;

- осуществляют активацию пластической деформацией (раздачей) объемов сопрягаемых концов труб, свариваемых впоследствии;

- используя промежуточный элемент в виде втулки с кольцевой канавкой на внутренней поверхности из плакирующего материала (например, нержавеющей стали), достигают эффективного пластического течения присадочного материала;

- плакирование поверхностей стыка осуществляют при уменьшенных деформирующих усилиях, но высоким качеством формирования внутренних слоев стыка труб;

- пластическое деформирование сварного шва и околошовных зон устраняет возможные дефекты в сварных швах и упрочняет материал в околошовных зонах (скорость упрочнения материала в околошовных зонах превышает скорость его разупрочнения от горячей деформации).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны сопрягаемый в сборке конец трубы, прошедший подготовительные операции к сварке, и жесткий пуансон перед выполнением операции раздачи трубы из цилиндра в цилиндр; на фиг.2 - окончание стадии раздачи конца трубы жестким пуансоном; на фиг.3 - сопрягаемые концы труб, втулка с кольцевой канавкой из присадочного материала на оправке после формирования сварных швов сплавлением; на фиг.4 - подогретый стык труб, размещенный в разъемной (3-сегментной) матрице горизонтального гидравлического пресса; на фиг.5 - стадия горячей штамповки промежуточного элемента с концентрацией деформации в его внутренних слоях; сварного шва и околошовных зон на оправке; на фиг.6 - окончание горячей штамповки промежуточного элемента, сварных швов и околошовных зон с формированием внутренней и внешней поверхностей стыка труб; на фиг.7 - высококачественное сварное соединение.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На прямолинейных теплообменных трубах 1 (фиг.1) выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности каждого из концов к сварке: правку труб в косовалковой правильной машине, отрезку их мерных длин и зачистку внешних поверхностей до металлического блеска.

Далее производят калибровку сопрягаемых концов труб операцией их раздачи из цилиндра в цилиндр посредством жесткого пуансона 2.

Изгиб образующих труб формирует в пределах толщины их стенки пластические шарниры, выделенные в виде областей треугольного типа многоточиями (фиг.2).

Сборку труб на оправке 3 перед сваркой производят с применением втулки 4 из присадочного материала, например нержавеющей стали марки Х18Н10Т. На внутренней поверхности втулки выполнена кольцевая канавка с глубиной, не заходящей на толщину стенок калиброванных концов трубы. Другими словами, диаметр кольцевой канавки меньше внутреннего диаметра калиброванных концов труб (меньше максимального диаметра жесткого пуансона).

Между сопрягаемыми концами труб и втулкой из присадочного материала достигают необходимый контакт.

Формирование сварных швов по обеим сторонам кольца проводят сплавлением (фиг.3) по режимам, регламентируемым технической документацией.

Относительно большие размеры втулки по его длине требуют дополнительного подогрева стыка труб до оптимальных температур горячего деформирования. Контроль температуры осуществляют переносной термопарой.

Горячий стык труб размещают в разъемной (3-сегментной) матрице 5 горизонтального гидравлического пресса (фиг.4).

Сообщение сегментам матрицы радиального перемещения в направлении оси первоначально вызывает воздействие гребешков рабочей поверхности матрицы на боковую поверхность втулки из присадочного материала. Реактивное усилие со стороны оправки на упомянутое воздействие приводит к локализации деформации промежуточного элемента во внутренних его слоях. Наблюдается растяжение кольцевой канавки в осевом направлении с одновременным изгибом образующих калиброванных участков труб и сдвиговой деформацией сварных швов и околошовных зон (фиг.5).

Дальнейшее перемещение сегментов матрицы в радиальном направлении связано с горячей деформацией присадочного материала и посредством его пластического течения - деформацией сварных швов и околошовных зон (фиг.6). Подчеркнем, что горячую деформацию материала сварного шва осуществляют по 3-осной схеме напряжений неравномерного сжатия, предотвращающей разрушение сварного шва. При этом осевые сжимающие напряжения проявляются на стадии деформации труб в переходных кольцевых зонах, отмеченных многоточиями.

Формирование внутренней поверхности стыка достигают пластическим течением присадочного материала относительно сварного шва, обеспечивая плакирование последнего.

Неразъемное соединение (фиг.7) отличается высокими механическими свойствами (существенную роль здесь играет и материал втулки, воспринимающий действие рабочей среды), формируемыми остаточными сжимающими осевыми напряжениями, достаточной точностью для подобных изделий, высокой технологичностью, что предопределяет и повышенную производительность. Отсутствие внутреннего грата устраняет необходимость проведения контрольного обкатывания шпилек шариком.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа образования стыковых сварных швов прошла при изготовлении одношовных шпилек из труб, полученных из стали 10.

Исходные геометрические размеры труб составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,6 мм и длины 9 и 3,6 м.

Правку труб, резку в меру и зачистку поверхностей сопрягаемых труб производили на соответствующем оборудовании с достижением требуемых параметров.

Втулка с размерами 26,2×18,3×12 мм изготавливалась из нержавеющей стали марки Х18Н10Т путем деформации трубных заготовок на соответствующий диаметр и необходимых операций резания. Со стороны внутренней поверхности каждой втулки выполняли кольцевую канавку треугольного поперечного сечения шириной 7 мм и диаметром 20,2 мм.

Раздача-калибровка сопрягаемых концов труб проводилась на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия конструкции "Ремонтно-механического завода" НК ЮКОС при усилиях в пределах 30 кН.

Длина калиброванного участка трубы составляла 25 мм при наибольшем внешнем диаметре, равном 25,5 мм. Максимальный диаметр стальной оправки был равен 18,25 мм.

Формирование сварных швов выполняли аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом по известным режимам. Горячий обжим стыка труб производили в диапазоне температур, характерных для стали 10, а именно (1200÷850)°С, также на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях, не более 300 кН.

Удаление оправки из длинномерной трубы производили с применением производственного комплекса, когда длинномерную трубу горячим стыком размещали в механическом зажиме, фиксировали от осевых перемещений и, прикладывая тянущее усилие к оправке, вызывали ее осевое перемещение. При этом ход оправки с осевым усилием не превышал 20 мм.

В дальнейшем выполняли гибку труб на заданный радиус.

Установлено, что технологический процесс формирования стыковых сварных швов с применением промежуточного элемента в виде втулки с внутренней кольцевой канавкой из нержавеющей стали, эффективно плакирует поверхности стыка труб, упрочняет материал труб в околошовных зонах, позволяет более рационально выполнять раскрой трубных заготовок, уменьшает и численность рабочих из-за сокращения объема ручных работ, не сопровождается возникновением дефектов типа пор, включений и т.п.

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