Способ закрепления труб в трубных решетках

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности,- к процессам закрепления труб в трубных решетках путем локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. Способ закрепления труб в трубных решетках включает формирование кольцевых выступов на внешней поверхности концов трубы, установку трубы в отверстие решетки, имеющее кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения. Обеспечивая совпадение выступов и выемок, осуществляют фиксацию трубы от возможного осевого смешения и последующее ее закрепление в решетке путем приложения радиального усилия со стороны внутренней поверхности трубы. Перед установкой трубы в отверстие решетки на конце трубы образуют внешнее утолщение, например, посредством последовательной высадки с одновременной калибровкой отверстия трубы на длине утолщения, а кольцевые выступы формируют на утолщенной части трубы, получая сначала кольцевые выступы с трапециевидным поперечным сечением и геометрическими размерами, превышающими требуемые, после чего доводят геометрические размеры кольцевых выступов до требуемых путем поверхностного деформирования материала трубы, например обкаткой калибрами. 9 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных решетках путем локализованного направленного пластического деформирования материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором трубу устанавливают в отверстие решетки, имеющее кольцевую канавку, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия к торцу трубы (а. с. N 277712, кл. B 21 D 39/06, 05.08.70).

К недостаткам известного способа следует отнести.

Понижение характеристики прочности и герметичности сборки из-за наличия только одной кольцевой канавки, а также неравномерности радиальной деформации трубы. Последнее существенно сказывается на заполнении кольцевых канавок в ремонтных решетках, когда исходный односторонний зазор может достигать величины в 0,7 мм.

Большие радиальные давления на стенки решетки, что вызывает ее деформацию за пределами упругости. При этом с увеличением исходного одностороннего зазора между трубой и решеткой наблюдается увеличение этого радиального давления и, как следствие, интенсивное коробление решетки.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, включающий формирование кольцевых выступов на внешней поверхности концов трубы, установку трубы в отверстие решетки, имеющее кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксацию трубы от возможного осевого смещения и последующее ее закрепление в решетке путем приложения радиального усилия со стороны внутренней поверхности трубы [1].

К недостаткам известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести.

Наличие кольцевых выступов с прямоугольным поперечным сечением, что обуславливает их небольшие геометрические размеры и, как следствие, закрепление трубы в решетке осуществляется процессом заполнения объемов кольцевых выемок материалов трубы, последнее не гарантирует требуемую герметичность сборки.

Отсутствует упрочнение материала трубы в процессе получения кольцевых выступов, что не обеспечивает необходимую прочность сборки.

Задачей изобретения является разборка такого способа закрепления труб в трубных решетках на стадии ремонта теплообменного аппарата, который в условиях регламентируемого силового воздействия на решетку позволил бы повысить характеристики прочности и герметичности сборки с учетом того, что труба устанавливается в отверстие решетки с возможным зазором до 0,7 мм на сторону.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем формирование кольцевых выступов на внешней поверхности концов трубы, установку трубы в отверстие решетки, имеющее кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксацию трубы от возможного осевого смещения и последующее ее закрепление в решетке путем приложения радиального усилия со стороны внутренней поверхности трубы, согласно изобретению, перед установкой трубы в отверстие решетки на конце трубы образуют внешнее утолщение, например, посредством последовательной высадки с одновременной калибровкой отверстия трубы на длине утолщения, а кольцевые выступы формируют на утолщенной части трубы, получая сначала кольцевые выступы с трапециевидным поперечным сечением и геометрическими размерами, превышающими требуемые, после чего доводят геометрические размеры кольцевых выступов до требуемых путем поверхностного деформирования материала трубы, например обкаткой калибрами.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет: регламентировать силовое воздействие трубы на решетку; обеспечить повышение (по сравнению с известным техпроцессом - прототипом) стабильные характеристики прочности и герметичности сборки; уменьшить коррозию материала трубы за счет наведения на ее поверхности (по местоположению кольцевых выступов) сжимающих остаточных напряжений; уменьшить утонение стенки трубы, т.к. формирование кольцевых выступов на ее внешней поверхности производится заблаговременно.

Это объясняется тем, что бандажирование концов трубы путем формирования с внешней стороны кольцевых выступов создает предпосылки для закрепления трубы в трубной решетке посредством прогнозируемого внедрения кольцевых выступов на трубе в кольцевые выемки трубной решетки, что устраняет коробление решетки и обеспечивает требуемую герметичность сборки, а упрочнение материала трубы в процессе бандажирования обуславливает повышенные характеристики прочности механического соединения На фиг. 1 показано исходное положение штамповой оснастки и трубы перед формированием утолщения на длине l трубы; на фиг. 2 - стадия окончания формирования утолщения на длине l трубы с одновременной калибровкой ее отверстия; на фиг.3 - исходное положение штамповой оснастки и трубы перед формированием утолщения на длине l₁ трубы; на фиг.4 - стадия окончания формирования утолщения на длине l₁ трубы с одновременной калибровкой ее отверстия; на фиг. 5 - стадия доведения геометрических размеров кольцевых выступов до требуемых в процессе обкатки калибрами; на фиг. 6 - исходное положение решетки и трубы перед выполнением операции закрепления последней в отверстие решетки; на фиг.7 - увеличенное сечение по местоположению кольцевой выемки решетки и кольцевого выступа трапециевидного поперечного сечения трубы; на фиг. 8 - стадия заполнения кольцевой выемки материалом трубы при операции развальцовки; на фиг. 9 - сборка (труба в трубной решетке) с материала трубы при упругой разгрузке решетки.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Обойму 1 из закаленной стали, например марки У8А, размещают на плите 2, имеющей сквозное отверстие диаметром D. В отверстие обоймы 1 по посадке движения устанавливают разъемную по образующей матрицу 3, имеющую ступенчатое отверстие. Причем меньшее отверстие имеет диаметр D, а большее отверстие - диаметр D₁. Глубина большей ступени равна H. Обойму 1 располагают соосно отверстию в плите 2 и трубу 4 устанавливают в отверстие матрицы 3 таким образом, чтобы свободный конец трубы отстоял от донной поверхности углубления на расстоянии l₀. В отверстие трубы 4 устанавливают ступенчатый пуансон 5. При этом большая ступень пуансона 4 выполнена по посадке движения по отношению к диаметру D₁ в матрице 3, а диаметр меньшей ступени пуансона 4 выполнен с минимальным зазором по отношению к диаметру D₂, отверстия в трубе 4, труба 4 зафиксирована от осевого перемещения радиальным давлением P и оперта свободным концом на плиту 6 (фиг.1).

При воздействии статическим усилием P на торец пуансона 5 вызывают его перемещение в осевом направлении. В результате под кольцевой поверхностью пуансона 5 возникают давления, вызывающие пластическое сжатие материала трубы 4 на длине l₀. Как следствие, имеет место формирование внешнего утолщения с диаметром D₁, калиброванием внутренним диаметром, соответствующим диаметру малой ступени пуансона 4, и длиной, равной l (фиг.2).

Затем производят осевое перемещение, например, трубы 4 относительно технологической оснастки на величину l₀.

Прикладывая осевое сжимающее усилие P₂ к торцу трубы 4 через пуансон 5, вновь вызывают перемещение последнего (фиг.3). Производится формирование утолщения на длине l (фиг.4). Таким образом, общая длина внешнего утолщения составляет 2l, а длина калиброванного участка отверстия в трубе превышает величину 2l.

Далее трубу 4 извлекают из технологической оснастки и режущими методами образуют в пределах высоты утолщения два кольцевых выступа с трапециевидным профилем, причем геометрические размеры выступов превышают требуемые. После чего, установив трубу, например, в токарный станок и зафиксировав ее от осевого перемещения, осуществляют доведение геометрических размеров кольцевых выступов до требуемых. Для чего, используя калибр 7, имеющий возможность, осевого вращения, выполняют подачу усилием P₃ калибра 7 в направлении трубы 4, перпендикулярно оси последней (фиг.5). Вращение трубы 4, при наличии ее контакта с калибром 7, вызывает процесс обкатывания им кольцевых выступов.

Оптимальная подача калибра 7 в направлении трубы 4, а также выбор оптимальной скорости вращения последней определяют процесс поверхностного пластического деформирования материала трубы по местоположению кольцевых выступов с доведением геометрических размеров последних до требуемых. В поверхностных пластически деформированных слоях трубы 4 формируется поле сжимающих остаточных напряжений первого рода. Далее трубу 4 устанавливают в трубную решетку 8, обеспечивая совпадение оси кольцевых выступов на трубе 4 с кольцевыми выемками на решетке 8 (фиг.6). Контроль за расположением кольцевых выступов на трубе 4 осуществляет по длине h свободной ее части, выступающей над свободной поверхностью трубной решетки 8.

Операцию закрепления трубы 4 в трубной решетке 8 выполняют путем приложения радиального сжимающего усилия к внутренней поверхности трубы 4, согласно прототипу, инструментом - вальцовкой 9. При исходных размерах кольцевых выступов на трубе 4 трапециевидного профиля с меньшим основанием h₁ и большим основанием h₂, геометрическими размерами кольцевой выемки в трубной решетке 8 - шириной l и глубиной l₁, начальным односторонним зазором Z между трубой 4 и трубной решеткой 8 операция реализуется следующим образом. Приложение радиального давления P к ролику инструмента-вальцовки 9 с одновременным вращением последнего вызывает раздачу трубы 4 и первоначальное касание ее кольцевыми выступами кромок кольцевой выемки решетки 8 в двух точках а и б, что соответствует средней линии поперечного сечения кольцевого выступа (фиг.7). Дальнейшая раздача трубы 4 несколько возрастающим радиальным давлением сопровождается внедрением кольцевых выступов трубы 4 в кольцевые выемки материалом трубы и происходит в условиях деформации кольцевой выемки по ширине, что при снятии деформирующего давления каких-либо неплотностей между трубой 4 и решеткой 8(фиг.8 и 9).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении труб из стали 10 с поперечным сечением 25 ± 2,5 мм в отверстиях трубной решетки диаметром 26,4 мм из стали Ст.3. Толщина трубной решетки составляла 40 мм. В технологической штамповой оснастке из стали У8А с твердостью HRC 56-58 ед. осуществляли высадку концов трубы с формированием на ее внешней поверхности утолщений диаметром 26 мм. Холодную высадку выполняли на гидравлическом прессе ПСУ-250 при максимальном усилии в 0,4 мм. Изготовление бандажей производили на токарноревольверном станке модели 1Е 365 БП, обеспечивающем точность изготовления по h для наружной обработки с шероховатостью поверхности до Rz 2,5. Геометрические размеры бандажированных участков труб имели завышенные (в среднем на 0,2 мм) значения относительно требуемых. Чистовую обработку бандажей проводили методом откатывания с подачей до 0,06 мм/об и скоростью обкатывания не более 200 м/мин. Во избежание налипания металла трубы на инструмент использовали СОЖ. Закрепление труб в решетке осуществляли на оборудовании и вальцовками фирмы "Индреско". Утонение стенок трубы не превышало 0,15 мм.

Испытаниями по определению характеристик прочности и герметичности выявлено: прочность сборки более чем на 60% по отношению к прочности, обеспечиваемой известной технологией - прототипом, уровень герметичности обусловил 100%-ную пригодность закрепления труб в трубных решетках.

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

Формула изобретения

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий формирование кольцевых выступов на внешней поверхности концов трубы, установку трубы в отверстие решетки, имеющее кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксацию трубы от возможного осевого смещения и последующее ее закрепление в решетке путем приложения радиального усилия со стороны внутренней поверхности трубы, отличающийся тем, что перед установкой трубы в отверстие решетки, на конце трубы образуют внешнее утолщение, например, посредством последовательной высадки с одновременной калибровкой отверстия трубы на длине утолщения, а кольцевые выступы формируют на утолщенной части трубы, получая сначала кольцевые выступы с трапециевидным поперечным сечением и геометрическими размерами, превышающими требуемые, после чего доводят геометрические размеры кольцевых выступов до требуемых путем поверхностного деформирования материала трубы, например обкаткой калибрами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 21.08.2004

Извещение опубликовано: 20.11.2005        БИ: 32/2005

---