Способ закрепления труб в трубных решетках

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала труб. Способ закрепления труб в трубных решетках заключается в том, что на внешних поверхностях концов труб выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения. Кольцевые выступы на трубе совмещают с кольцевыми канавками трубного отверстия. Трубу фиксируют от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы. По кромкам кольцевых канавок выполняют кольцевые углубления треугольного поперечного сечения с вершинами, не лежащими на поверхности отверстия трубной решетки. Закрепление трубы осуществляют заполнением кольцевых канавок в условиях упругой деформации материала трубной решетки по местоположению кольцевых канавок в их поперечном сечении. Техническим результатом изобретения является достижение повышенных характеристик прочности и плотности вальцовочных соединений. 4 ил.

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 деформированная материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешней поверхности концов трубы формируют кольцевые выступы, устанавливают ее в решетку с отверстиями, имеющими кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия со стороны внутренней поверхности трубы (см. а.с. N 265060, МПК B 21 D 39/06, 1968).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести наличие на концах трубы кольцевых выступов прямоугольного поперечного сечения, что обуславливает их небольшие геометрические размеры и, как следствие, закрепление трубы в решетке осуществляют свободным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы, последнее не гарантирует требуемой герметичности вальцовочного соединения.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних поверхностях концов трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксируют трубу от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы (см. патент РФ на изобретение N 2078636, МПК B 21 D 39/06, Бюл. N 13 от 10.05.97) - прототип.

Недостатком известного способа является не использование технологического резерва по повышению характеристик прочности и плотности соединений трубы с трубной решеткой.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы использовал имеющиеся технологические резервы по повышению характеристик прочности и плотности соединений трубы с трубной решеткой.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних поверхностях концов трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксируют трубу от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, согласно изобретению по кромкам кольцевых канавок выполняют кольцевые углубления треугольного поперечного сечения с вершинами, не лежащими на поверхности отверстия трубной решетки, а закрепление трубы осуществляют заполнением кольцевых канавок в условиях упругой деформации материала трубной решетки по местоположению кольцевых канавок в их поперечном сечении.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать соединения трубы с трубной решеткой, обладающих повышенными характеристиками прочности и плотности за счет использования упругой энергии, аккумулируемой в материале трубной решетки и создающей постоянное контактное давление на боковые поверхности кольцевых выступов.

Это объясняется тем, при закреплении трубы в трубном отверстии вызывают упругую деформацию материала трубной решетки по местоположению кольцевых канавок в их поперечном направлении. Аккумулируемая в трубной решетке энергия сохраняется и после закрепления трубы. Таким образом, на боковой поверхности кольцевых выступов создаются контактные давления, которые и обуславливают факт повышения эксплуатационных характеристик соединений. Наличие этих давлений также препятствует упругой разгрузке трубы после снятия деформирующего ее усилия.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное положение трубы и трубной решетки перед выполнением операции закрепления; на фиг. 2 - стадия свободной привальцовки, заканчивающаяся касанием выступа на трубе кромок кольцевых канавок трубной решетки; на фиг. 3 - стадия заполнения объема кольцевой канавки, сопровождаемая упругой деформацией материала трубной решетки по местоположению кольцевой канавки в ее поперечном сечении; на фиг. 4 - фрагмент соединения трубы с трубной решеткой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Теплообменную трубу 1, содержащую на внешней поверхности кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, размещают в отверстии трубной решетки 2, совмещая выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия. Кольцевые канавки трубного отверстия по их кромкам имеют кольцевые углубления треугольного поперечного сечения. Вершины последних не лежат на поверхности трубного отверстия, так что образуются в определенной степени консольные участки. В трубное отверстие вводят вальцовку с роликами 3 (фиг. 1).

Сообщая вращательное движение роликам 3 вальцовки с одновременным их перемещением в радиальном направлении, вызывают пластическую деформацию материала трубы 1. Реализуется стадия привальцовки трубы 1, в один из моментов которой кольцевые выступы на трубе 1 коснутся кромок кольцевых канавок прямоугольного поперечного сечения отверстия трубной решетки 2 (фиг. 2). Дальнейшая привальцовка трубы 1 сопровождается на первом этапе упругой деформацией консольных участков трубной решетки 2 в поперечном сечении без заметной пластической деформации материала трубы 1 по местоположению кольцевых выступов (фиг. 3). Таким образом, деформированными консольными участками трубной решетки 2 аккумулируется упругая энергия, сохраняемая и на этапе окончательного закрепления трубы 1 в трубном отверстии (фиг. 4). Деформация консольных участков кольцевых канавок трубного отверстия вызывает постоянное давление этих участков на боковые поверхности кольцевых выступов трубы. Реализуется прочно - плотное соединение, не теряющее эксплуатационные характеристики из-за невозможности образования каких-либо неплотностей на контактных поверхностях трубы 1 с кольцевыми канавками трубной решетки 2.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в трубных решетках из стали Ст. 3. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Высота кольцевых выступов равнялась 0,5 мм, их большое основание - 4,0 мм, малое основание - 2,0 мм, расстояние между выступами - 10,5 мм.

Технологическая оснастка изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. Трапециевидные кольцевые канавки в матрице технологической оснастки выполняли со следующими геометрическими размерами: малым основанием - 2 мм; большим основанием - 4 мм; глубиной - 0,5 мм.

Формирование кольцевых выступов на трубе проводилось на специальной гидравлической машине при усилиях, не превышающих 5 МН, что обеспечивало полное воспроизведение требуемых геометрических размеров кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения.

Консольные участки на кромках кольцевых канавок трубной решетки имели следующие геометрические размеры: высоту - 0,3 мм, угол при вершине, равный 59 градусам.

Закрепление труб в трубных решетках производилось вальцовками отечественного производства.

Установлено, что операция формирования кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения в сочетании упругой деформаци консольных участков кольцевых канавок трубной решетки позволяет достигать повышенных характеристик прочности и плотности соединений в среднем на 47-80% за счет создания постоянного давления на контактной боковой поверхности кольцевых выступов на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия.

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

Формула изобретения

Способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних поверхностях концов трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксируют трубу от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, отличающийся тем, что по кромкам кольцевых канавок выполняют кольцевые углубления треугольного поперечного сечения с вершинами, не лежащими на поверхности отверстия трубной решетки, а закрепление трубы осуществляют заполнением кольцевых канавок в условиях упругой деформации материала трубной решетки по местоположению кольцевых канавок в их поперечном сечении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4