Способ закрепления труб в трубных решетках

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при закреплении труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. Концы трубы обжимают. Затем один из концов трубы устанавливают в разъемную по образующей матрицу, имеющую внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения. Трубу фиксируют от осевого перемещения и формируют на внешней поверхности ее конца кольцевые выступы. Далее трубу размещают в отверстии трубной решетки, имеющем кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения. При этом кольцевые выступы на трубе совмещают с кольцевыми канавками трубного отверстия. Трубу фиксируют от возможного перемещения и закрепляют в трубном отверстии. Для этого к внутренней поверхности трубы прикладывают сжимающее усилие, например, механической вальцовкой. Обжим конца трубы выполняют с различной степенью деформации по его длине, образуя два участка. Один участок, имеющий большую степень деформации, располагают со стороны торца трубы. При установке трубы в отверстие матрицы ее участок, обжатый с меньшей степенью деформации, располагают напротив внутренней кольцевой канавки. В результате обеспечивается увеличение коррозионной стойкости полученного соединения. 6 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 изготовленную одним из методов обработки металлов давлением трубу подвергают правке, резке на мерную длину и последующей зачистке внешних поверхностей концов трубы на заданную длину, далее трубу одним из концов устанавливают в отверстие трубной решетки и, прикладывая сжимающее усилие к внутренней поверхности трубы, например роликами механической вальцовки, осуществляют закрепление последней (см. ОСТ 26-02-1015-85).

Недостатком известного способа является то, что им не предусматривается какое-либо изменение внешней гладкой поверхности зачищенных концов трубы, направленное на улучшение заполняемости объемов кольцевых канавок отверстий трубных решеток. В результате образование вальцовочного соединения с требуемыми служебными характеристиками является весьма проблематичным.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий обжим концов трубы, установку одного из концов в разъемную по образующей матрицу, имеющую внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от осевого перемещения, формирование на внешней поверхности ее конца кольцевых выступов, последующее размещение трубы в отверстии трубной решетки, выполненном с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия (RU 2129054 C1, B 21 D 39/06, 20.04.99 - прототип).

К главному недостатку известного способа следует отнести формирование кольцевых выступов из толщины стенки трубы. Как следствие, имеет место формирование кольцевых выступов с не равными внешними диаметрами и для трубных пучков ремонтного варианта, когда между трубой и стенками трубного отверстия наблюдается увеличенный зазор, вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой может обладать пониженными коррозионными характеристиками.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение равных по внешнему диаметру кольцевых выступов и не приводил к снижению профилированной законцовкой своих коррозионных характеристик.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем обжим концов трубы, установку одного из концов в разъемную по образующей матрицу, имеющую внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от осевого перемещения, формирование на внешней поверхности ее конца кольцевых выступов, последующее размещение трубы в отверстии трубной решетки, выполненном с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, согласно изобретению обжим конца трубы выполняют с различной степенью деформации по его длине с образованием двух участков, один из которых, имеющий большую степень деформации, располагают со стороны торца трубы, а установку конца трубы в разъемную матрицу производят с расположением участка, обжатого с меньшей степенью деформации, напротив внутренней кольцевой канавки.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет формировать внешние кольцевые выступы на концах трубы с равными по величине диаметрами при относительно низких по уровню деформирующих усилиях.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости конца трубы на длине, подвергаемой осевому сжатию, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы свободного объема внутренней (считая от лицевой поверхности матрицы) кольцевой ее канавки. Для чего предусматривают два припуска материала трубы, предназначенных соответственно для заполнения объемов каждой из кольцевых канавок и обеспечивают пластическое течение обрабатываемого материала первоначально в объем внутренней кольцевой канавки. Уменьшение деформирующего усилия достигают использованием плавающей матрицы, формирующей активные силы трения, и новой последовательностью заполнения объемов кольцевых канавок матрицы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана матрица с размещенной в ней концом теплообменной трубы перед осуществлением его обжима с различной степенью деформации по длине; на фиг. 2 - стадия окончания обжима конца теплообменной трубы; на фиг. 3 - исходное положение конца трубы и технологической оснастки перед формированием на внешней его поверхности кольцевых выступов; на фиг. 4 - стадия пластического течения материала трубы в объем внутренней кольцевой канавки матрицы; на фиг. 5 - стадия заполнения материалом трубы объема внешней кольцевой канавки матрицы; на фиг. 6 - стадия калибровки кольцевых выступов и диаметра отверстия в трубе.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Выполняют операции на теплообменной трубе с целью подготовки ее поверхности к последующему формированию кольцевых выступов: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка внешней поверхности концов до металлического блеска.

Далее трубу 1, например из стали 10 (фиг. 1), одним из ее концов размещают в матрице 2. Последняя имеет рабочую полость с двумя обжимающими поясками. Трубу 1 фиксируют от возможного перемещения приложением радиального давления к ее внешней поверхности (показано стрелками).

Прикладывая усилие к матрице 2 (фиг. 2) вызывают ее перемещение в осевом направлении. В результате имеет место последовательный обжим конца трубы 1 с различной степенью деформации по его длине, причем большая степень деформации материала трубы 1 реализуется со стороны ее торца.

Трубу 1 ее обжатым участком (фиг. 3) устанавливают в отверстие разъемной по образующей матрицы 3, которая имеет возможность осевого перемещения относительно охватывающей ее толстостенной обоймы 4 из закаленной стали. Трубу 1 фиксируют от возможного перемещения прижимом 5. В отверстии матрицы 3 выполнены кольцевые канавки (внешняя и внутренняя, считая от лицевой ее поверхности) трапециевидного поперечного сечения. Обжатым концом трубу 1 размещают в матрице 3 таким образом, чтобы участок, деформированный на меньшую степень деформации, располагался напротив внутренней кольцевой канавки.

В отверстие трубы внедряют ступенчатый пуансон 6, вызывая частичную раздачу ее участка, обжатого на большую степень деформации, и появление контактного давления (показано стрелками). Большая ступень пуансона 6 имеет диаметр, равный среднему диаметру трубы 1 (фиг. 3).

Приложение осевого усилия к пуансону 6 обеспечивает раздачу трубы 1 и выдавливание ее материала в объем внутренней кольцевой канавки. С момента заполнения объема внутренней кольцевой канавки (фиг. 4) материалом трубы 1 наблюдается совместное движение пуансона 6 и матрицы 3. В результате перемещения последней на ее внешней поверхности (за внешней кромкой внутренней канавки) возникают силы трения (фиг. 5), направленные в сторону внутренней кольцевой канавки (показаны стрелками). Материал трубы 1 из нижнего припуска (располагаемого между торцем матрицы 3 и прижимом 5) пластическим течением заполняет зазор между малой ступенью пуансона 6 и матрицей 3.

Заключительной стадией является стадия калибровки кольцевых выступов, реализуемая выдавливанием материала трубы 1 из верхнего припуска (со стороны рабочего торца пуансона 6) в свободные объемы канавок матрицы 3 (фиг. 6).

Таким образом, производят теплообменную трубу с утолщенной законцовкой, имеющую равные диаметры кольцевых выступов.

Далее в соответствии с технологией, описанной в прототипе (RU 2129054 C1, B 21 D 39/06, 20.04.99), осуществляют закрепление труб в отверстиях трубных решеток.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в отверстиях трубных решеток, изготовленных из стали 16ГС толщиной 80 мм. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Труба обжималась на гидравлическом прессе в штамповой оснастке до внешних диаметров - 24 мм (участок с меньшей степенью деформации) и 23,8 мм (участок с большей степенью деформации). Обжатые участки трубы имели длину в 18 мм и 12 мм соответственно для большей и меньшей степеней деформации. Общая длина обжатого конца трубы составляла 30 мм.

Частичную раздачу трубы на максимально обжатом участке ее длины осуществляли ступенчатым пуансоном, имеющим диаметр малой ступени - 18,7 мм.

Кольцевые выступы получали холодным выдавливанием в плавающей матрице. При внешнем диаметре кольцевых выступов, равном 25 мм, высота кольцевых выступов равнялась 0,51 мм (для глубины кольцевых канавок трубного отверстия в 0,5 мм), а их основание равнялось ширине кольцевой канавки - 3,0 мм. Расстояние между выступами - 10,0 мм. Диаметр отверстия трубы после формирования кольцевых выступов составлял 18,6 мм.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками и ее закрепления в трубных отверстиях изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету.

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.

Вальцовочные соединения выполнялись на стенде фирмы "Индреско" (США) вальцовками отечественного производства.

Установлено, что образование кольцевых выступов с равными диаметрами при относительно низких деформирующих усилиях гарантирует формирование требуемого по величине остаточного давления на контактной поверхности кольцевых выступов с кольцевыми канавками трубного отверстия при закреплении трубы. Последнее обеспечивает 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 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

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий обжим концов трубы, установку одного из концов в разъемную по образующей матрицу, имеющую внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от осевого перемещения, формирование на внешней поверхности ее конца кольцевых выступов, последующее размещение трубы в отверстии трубной решетки, выполненном с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, отличающийся тем, что обжим конца трубы выполняют с различной степенью деформации по его длине с образованием двух участков, один из которых, имеющий большую степень деформации, располагают со стороны торца трубы, а установку конца трубы в разъемную матрицу производят с расположением участка, обжатого с меньшей степенью деформации, напротив внутренней кольцевой канавки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6