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 трубы. Способ закрепления труб в трубных отверстиях, заключается в том, что на внешних концах трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, 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. Трапециевидные выступы выполняют с большим основанием, равным ширине кольцевой канавки. В процессе закрепления трубы осуществляют внедрение боковой поверхности выступа в опорную поверхность кольцевой канавки, вызывая выдавливание материала трубы в направлении прикладываемого усилия. Техническим результатом изобретения является повышение характеристики плотности вальцовочных соединений. 4 з.п. ф-лы, 13 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 деформирования материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу устанавливают в трубном отверстии, фиксируют ее от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения нормального давления к внутренней поверхности трубы, например, механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Ленинград, Судостроение, 1972, 143 с.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений, для устранения которого прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям. Последнее обуславливает коробление трубной решетки, выдавливание материала трубы в осевом направлении и, как следствие, короткий межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних концах трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксируют трубу от возможного перемещения с последующим ее закреплением посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы (см. патент РФ N 2109589, МПК B 21 D 39/06, Бюл. N 12 от 27.04.98 - прототип).

Недостатком известного способа является отсутствие пластического трения между материалом трубы в выступе и опорной поверхностью кольцевой канавки, что представляет несомненный резерв в повышении характеристик плотности вальцовочного соединения.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал повышенные характеристики плотности вальцовочных соединений и не вызывал бы при этом коробления трубной решетки, увеличивая таким образом межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата и эксплуатационную долговечность трубной решетки в том числе.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних концах трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, 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 трапециевидные выступы выполняют с большим основанием, равным ширине кольцевой канавки, и в процессе закрепления трубы осуществляют внедрение боковой поверхности выступа в опорную поверхность кольцевой канавки, вызывая выдавливание материала трубы в направлении прикладываемого усилия; причем кольцевую канавку изготавливают двухкамерной с центральной перегородкой, высота которой не равна глубине канавки; опорную поверхность перегородки выполняют цилиндрической, и на боковой поверхности выступа формируют кольцевое углубление с донной поверхностью, лежащей над наружной поверхностью трубы, кроме того, что опорную поверхность кольцевой канавки выполняют в виде ребра с треугольным поперечным сечением, у которого основание ребра равно или не равно ширине кольцевой канавки.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать соединения трубы с трубной решеткой, обладающие повышенными характеристиками прочности и плотности, при возможности технологического управления необратимыми деформациями трубной решетки.

Это объясняется тем, что используют новую конструкцию сборки трубы с трубной решеткой, когда кольцевые канавки трубных отверстий имеют профилированные опорные поверхности. Осуществление процесса закрепления трубы в этом случае сопровождается локальным внедрением боковых поверхностей кольцевых выступов в опорные поверхности кольцевых канавок. Пластический сдвиг материала трубы относительно опорной поверхности кольцевой канавки формирует дополнительные кольцевые уплотнения, не выходящие на лицевую поверхность трубной решетки. Наличие остаточного давления между боковыми поверхностями выступов и кольцевых канавок, в совокупности с дополнительными кольцевыми уплотнениями и качественным заполнением объемов кольцевых канавок, и предопределяет требуемые повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана сборка трубы с трубным отверстием, когда кольцевые канавки имеют профилированные опорные поверхности; на фиг. 2 - окончание стадии привальцовки трубы с касанием боковой поверхностью выступа опорной поверхности канавки, выполненной в виде ребра, у которого основание поперечного сечения меньше ширины кольцевой канавки (левая часть), на фиг. 2 - начальная стадия внедрения ребра опорной поверхности кольцевой канавки в боковую поверхность кольцевого выступа трубы (правая часть), на фиг. 3 - стадии заполнения объема кольцевой канавки материалом трубы в выступе в условиях пластического трения на контактных поверхностях (пунктирными линиями показаны образующие поверхностей сдвига, формируемых в материале трубы); на фиг. 4 - окончание стадии развальцовки трубы по местоположению кольцевого выступа (стрелками отмечены поверхности кольцевой канавки, воспринимающие давление инструмента, например ролика вальцовки); на фиг. 5 показано вальцовочное соединение, формирующее характеристики прочности и плотности только на поверхностях пластически деформированного материала в кольцевых выступах; на фиг. 6 показано исходное положение теплообменной трубы с кольцевыми выступами в трубном отверстии, имеющем двухкамерные кольцевые канавки; на фиг. 7 - окончание стадии привальцовки трубы (левая часть); на фиг. 7 - стадия развальцовки с внедрением цилиндрической поверхности перегородки кольцевой канавки в углубление кольцевого выступа и выдавливание материала трубы в направлении прикладываемого усилия (правая часть); на фиг. 8 - окончание стадии развальцовки трубы с созданием поля давлений в пределах кольцевой канавки; на фиг. 9 - вальцовочное соединение с концентрацией эксплуатационных характеристик по местоположению кольцевых выступов; на фиг. 10 - сборка трубы с трубным отверстием, опорные поверхности кольцевых канавок которого выполнены в виде ребра с основанием, равным ширине канавки; на фиг. 11 - сборка трубы с трубным отверстием, имеющим кольцевые канавки, где опорные поверхности выполнены в виде ребра с основанием, равным ширине кольцевой канавки (левая часть); на фиг. 11 - стадия развальцовки с внедрением ребра в боковую поверхность кольцевого выступа (правая часть); на фиг. 12 - окончание стадии развальцовки трубы с формированием поля напряжений, ограниченного размерами кольцевой канавки; на фиг. 13 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Производят подготовку теплообменной трубы 1 к сборке с трубной решеткой 2, формируя на внешней поверхности ее концов кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения (технология выполнения кольцевых выступов - в соответствии с патентом РФ N 2078636, Б.И. N 13 от 10.05.97). Причем большое основание выступа равно ширине кольцевой канавки. В отверстии трубной решетки 2 выполняют кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, имеющие профилированные опорные поверхности в виде перегородки (фиг. 6) или ребра (фиг. 1 и фиг. 10) с определенными геометрическими размерами. Выполнение подобных кольцевых канавок посредством канавочника отличается лишь соответствующим профилем резца. Основным условием при выборе геометрических размеров, например, кольцевых выступов по известным геометрическим размерам кольцевых канавок является условие равенства их объемов. Контроль правильности установки трубы в трубном отверстии (совпадение выступов с кольцевыми канавками) проводится совмещением торца трубы с лицевой поверхностью трубной решетки. В отверстие трубы вводится инструмент, например вальцовка, и осуществляют стадию привальцовки трубы (фиг. 2, 7 и 11 - левые части). Особенность этой стадии состоит в том, что воздействие ролика (условно не показан) вальцовки на внутреннюю поверхность трубы вызывает пластическую деформацию обрабатываемого материала только при достижении давлением той величины, которая способна вызвать деформацию кольцевых выступов. Тем самым, предопределяется устойчивость процесса привальцовки и отсутствие подрезания роликами вальцовки стенки трубы (так как труба раздается).

Возрастающее внутреннее давление, использованием вальцовки большего размера, на стенках трубы приводит к реализации стадии развальцовки (фиг. 2, 7 и 11 - правые части; 3, 4, 8, 12). Отличие данной стадии от общепринятой (стандартный случай гладкой трубы с трубным отверстием) состоит в том, что развальцовка производится только по местоположению кольцевых выступов на трубе. Остальной же объем участка трубы, подвергаемого действию внутреннего давления, продолжает претерпевать стадию привальцовки. Локальный контакт опорной поверхности кольцевой канавки с находящимся в пластическом состоянии материалом трубы в выступе приводит к формоизменению материала трубы в выступе в условиях пластического трения на контактируемых поверхностях. Последнее устраняет какую-либо капиллярность в формируемых кольцевых уплотнениях. Удаление инструмента - вальцовки из отверстия трубы вызывает частичную упругую разгрузку соединяемых элементов (фиг. 5, 9 и 13). С учетом преломления контактируемых поверхностей по периметру кольцевых канавок, а также условия, что они не выходят на лицевую поверхность трубной решетки, можно говорить о возможности формирования служебных характеристик вальцовочных соединений, способных переносить знакопеременные нагрузки.

Регламентируемые силовые нагрузки в сочетании с локальным характером совместного деформирования трубы и трубной решетки обуславливают как повышенные характеристики вальцовочных соединений, так и многоразовость использования трубных решеток. Последнее существенно влияет на себестоимость производства одного десятка соединений.

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. Труба предварительно обжималась по концам до диаметра, равного 23,94 мм. Кольцевые выступы получали холодным выдавливанием в плавающей матрице. При внешнем диаметре кольцевых выступов, равном 25 мм, высота кольцевых выступов равнялась 0,51 мм (при глубине кольцевых канавок трубного отверстия в 0,5 мм), а их основание равнялось ширине кольцевой канавки - 3,0 мм. Расстояние между выступами - 10,5 мм. Диаметр трубных отверстий составлял 25,15 мм.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. Кольцевые канавки с опорными поверхностями в виде ребер с основанием, равным ширине канавки, производили на станке модели 2 М 55 с применением специальной формы канавочника. Высота ребра равнялась 0,25 мм для поперечного сечения канавки в виде прямоугольника со следующими геометрическими размерами: основанием - 3,0 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.

Закрепление труб в трубных решетках производилось вальцовками отечественного производства.

Установлено, что образование кольцевых уплотнений по всему периметру кольцевых канавок с формированием остаточного давления на контактной поверхности кольцевых выступов с кольцевыми канавками при качественном заполнении объемов кольцевых канавок обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений; значительно увеличивает межремонтный пробег трубного пучка при условии возможности неоднократного использования трубных решеток. Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки установлено, что деформирующее трубу усилие ограничивается прочностью ее исходного поперечного сечения на разрыв.

Плотность соединений обеспечивало 100% их пригодность требованиям производства.

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

Формула изобретения

1. Способ закрепления труб в трубных отверстиях, при котором на внешних концах трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в трубное отверстие, 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 трапециевидные выступы выполняют с большим основанием, равным ширине кольцевой канавки, и в процессе закрепления трубы осуществляют внедрение боковой поверхности выступа в опорную поверхность кольцевой канавки, вызывая выдавливание материала трубы в направлении прикладываемого усилия.

2. Способ закрепления труб в трубных решетках по п.1, отличающийся тем, что кольцевую канавку выполняют двухкамерной с центральной перегородкой, высота которой не равна глубине канавки, опорную поверхность перегородки выполняют цилиндрической и на боковой поверхности выступа формируют кольцевое углубление с донной поверхностью, лежащей над наружной поверхностью трубы.

3. Способ закрепления труб в трубных решетках по п.1, отличающийся тем, что опорную поверхность кольцевой канавки выполняют в виде ребра с треугольным поперечным сечением.

4. Способ закрепления труб в трубных решетках по п.3, отличающийся тем, что основание ребра равно ширине кольцевой канавки.

5. Способ закрепления труб в трубных решетках по п.3, отличающийся тем, что основание ребра не равно ширине кольцевой канавки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13