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. Конец трубы предварительно профилируют с образованием двух участков с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, разделенных цилиндрическим пояском. Конец трубы устанавливают в разъемную по образующей. Матрицу с внешней и внутренней кольцевыми канавками трапециевидного поперечного сечения. Цилиндрический поясок трубы располагают напротив внутренней кольцевой канавки матрицы. Трубу фиксируют от возможного перемещения, и с помощью ступенчатого пуансонa на ней формируют кольцевые выступы. Затем трубу устанавливают в трубное отверстие решетки, выполненное с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы трубы с кольцевыми канавками трубного отверстия. Трубу фиксируют от возможного перемещения и закрепляют в отверстии трубной решетки путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия. В результате обеспечивается возможность получения кольцевых выступов на внешней поверхности трубы с требуемыми геометрическими размерами при сохранении высокой стойкости используемой технологической оснастки. 8 ил.

Изобретение относится к обработкe 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 одним из концов устанавливают в трубное отверстие, фиксируют ее от возможного осевого перемещения, приваривают торец трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующей развальцовкой трубы путем приложения сжимающего к ее внутренней поверхности усилия, например, механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов.- Л.: Судостроение, 1972, 143 с.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести повышенную стоимость производства комбинированных соединений. Кроме того, последние имеют определенное ограничение по использованию, так как не все материалы образующих пары соединяемых элементов являются свариваемыми.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку подготовленной к обработке трубы одним из ее концов в разъемную по образующей матрицу, выполненную с внешней и внутренней кольцевыми канавками трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения, размещение в ней ступенчатого пуансона, формирование на внешней поверхности конца трубы кольцевых выступов, последующую установку трубы в трубное отверстие решетки, выполненное с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, с совмещением кольцевых выступов трубы с упомянутыми кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубу от возможного перемещения и получение соединения ее с трубной решеткой путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия (RU 2096118 C1, 20.11.1997, В 21 D 39/06 - прототип).

Недостатком известного способа является возможность некачественного выполнения геометрических размеров внутреннего кольцевого выступа на трубах, предназначенных для ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов, cледствием чего могут являться пониженные служебные характеристики вальцовочных соединений.

Кроме того, формирование кольцевых выступов сопряжено с необходимостью приложения больших деформирующих усилий, что отрицательно сказывается на стойкости технологической оснастки.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение кольцевых выступов на внешней поверхности концов трубы с требуемыми геометрическими размерами при условии высокой стойкости технологической оснастки.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку подготовленной к обработке трубы одним из ее концов в разъемную по образующей матрицу, выполненную с внешней и внутренней кольцевыми канавками трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения, размещение в ней ступенчатого пуансона, формирование на внешней поверхности конца трубы кольцевых выступов, последующую установку трубы в трубное отверстие решетки, выполненное с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, с совмещением кольцевых выступов трубы с упомянутыми кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения и получение соединения ее с трубной решеткой путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, согласно изобретению предварительно производят профилирование конца трубы с образованием двух участков с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, разделенных цилиндрическим пояском, а установку конца трубы в матрицу осуществляют с расположением упомянутого цилиндрического пояска напротив внутренней кольцевой канавки матрицы.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать теплообменные трубы с профилированными законцовками требуемых геометрических размеров при обеспечении высокой стойкости технологической оснастки.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости трубы на длине, подвергаемой профилированию, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок матрицы. В частности, выполнение профиля трубы в виде двух участков с криволинейными образующими, разделенных цилиндрическим пояском, позволяет создать условия опережающей его деформации в радиальном направлении. Поскольку цилиндрический поясок располагают напротив внутренней кольцевой канавки матрицы, то его раздача обеспечивает частичное заполнение объема последней. Кроме того, выполнение такого предварительного профилирования конца трубы (в сочетании с плавающей матрицей) устраняет отрицательное действие сил трения. Другими словами, выполнение кольцевых канавок на внешней поверхности конца трубы последовательно реализуется рядом технологических операций, каждая из которых не требует относительно больших по величине деформирующих усилий.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а показана теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед выполнением внутреннего участка с криволинейной образующей, обращенной к оси; на фиг. 1б - окончание стадии выполнения внутреннего участка с криволинейной образующей; на фиг. 2а - теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед выполнением внешнего участка с криволинейной образующей; на фиг. 2б - окончание стадии выполнения внешнего участка с криволинейной образующей; на фиг. 3 - теплообменная труба в технологической оснастке перед выполнением кольцевых выступов; на фиг. 4 - осевое сжатие трубы, вызывающее раздачу ее цилиндрического пояска и частичное заполнение объема внутренней кольцевой канавки матрицы; на фиг. 5 - осевое сжатие трубы, вызывающее одновременное заполнение объемов обеих кольцевых канавок плавающей матрицы; на фиг. 6 - стадия калибровки кольцевых выступов, вызывающая заполнение объемов кольцевых канавок неподвижной матрицы; на фиг. 7 - теплообменная труба, установленная в отверстие трубной решетки; на фиг. 8 - вальцовочное соединение.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На теплообменной трубе 1 выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка поверхности до металлического блеска.

Далее трубу 1 (фиг. 1а) одним из ее концов располагают в контейнере 2, имеющем ступенчатую рабочую полость. При этом диаметр сквозного отверстия в контейнере 2 выполнен с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 1. Последнюю фиксируют посредством радиального давления (показано стрелками) от осевого перемещения прижимом 3, располагаемым за контейнером 2. Установку трубы 1 в полости контейнера 2 осуществляют таким образом, чтобы ее торец отстоял на некотором расстоянии от донной поверхности полости. На выступающем конце трубы в полости контейнера 2 размещают кольцо 4 из упругого материала, например полиуретана марки СКУ-7Л и в зазор между стенками контейнера 2 и трубой 1 вводят втулочный пуансон 5. В отверстии втулочного пуансона 5 размещают с минимальным зазором большую ступень ограничительного стержня 6, малая ступень которого выполнена с зазором по отношению к диаметру отверстия трубы 1.

Воздействуя осевым усилием на втулочный пуансон 5 (фиг. 1б), вызывают сжатие упругого кольца 4 и как следствие приложение сжимающего усилия к части внешней поверхности трубы 1, размещенной в контейнере 2. Таким образом, осевое перемещение втулочного пуансона 5 вызывает локальный обжим трубы 1 с формированием требуемого внешнего диаметра.

Затем переходят к формированию внешнего участка с криволинейной образующей, для чего трубу 1 перемещают в осевом направлении относительно контейнера 2 (фиг. 2а). Тогда внутренний участок с криволинейной образующей располагается за контейнером 2. В отверстие трубы 1 устанавливают ограничительный стержень 7, имеющий укороченную (по отношению к стержню 6) центральную ступень.

Выполняя аналогично рассмотренному осевое сжатие упругого кольца 4, образуют внешний участок (фиг. 2б) с криволинейной образующей. Отметим, что протяженность формируемых участков с криволинейными образующими может быть как равной, так и различной. Подобное соотношение возможно и между внешними диаметрами обжатых участков трубы 1.

Затем подобное профилирование внешней поверхности трубы 1 производят на втором ее конце.

После этого профилированный конец трубы 1 устанавливают (фиг. 3) в технологическую оснастку, которая содержит разъемную по образующей матрицу 8, имеющую две кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения, и обойму 9, охватывающую по посадке движения матрицу 8.

При этом совмещая торец трубы 1 с торцевой поверхностью матрицы 8, осуществляют строгое размещение цилиндрического пояска трубы 1 напротив внутренней кольцевой канавки матрицы 8. Трубу 1 фиксируют от возможного перемещения радиальным давлением посредством прижима 10. В исходном положении между торцевыми поверхностями матрицы 8 и прижима 9 наблюдается некоторый зазор. В отверстие трубы 1 вводят ступенчатый пуансон 11, малая ступень которого выполнена с минимальным зазором относительно меньших внутренних диаметров ее обжатых участков, а большая ступень имеет диаметр, равный среднему диаметру трубы 1.

Прикладывая эксцентричное усилие к торцу трубы 1, вызывают раздачу цилиндрического пояска, тем самым частично заполняя материалом трубы 1 объем внутренней кольцевой канавки матрицы 8 (фиг. 4). Имеет место фиксирование трубы 1 и матрицы 8 по местоположению внутренней кольцевой канавки последней.

Дальнейшее приложение деформирующего усилия к торцу трубы 1 приводит к ее раздаче на обжатых участках и перемещение матрицы 8 относительно прижима 10. В поверхностных слоях трубы 1 за внутренней кольцевой канавкой матрицы 8 возникают активные силы трения, способствующие набору толщины стенки трубы 1 (фиг. 5).

Действие активных сил трения прекращается в момент, когда торец матрицы 8 коснется торца прижима 10. Реализуется стадия калибровки кольцевых выступов на внешней поверхности конца трубы 1, обуславливаемая выдавливанием ее материала при внедрении торца большой ступени пуансона 11 (фиг. 6).

Закреплению трубы 1 в отверстии трубной решетки 12 предшествует операция набивки пучка. В этом случае предпринимают меры, обеспечивающие строгое расположение кольцевых выступов трубы 1 напротив кольцевых канавок трубной решетки 12 (фиг. 7). Прикладывая сжимающее усилие к внутренней поверхности трубы 1, например роликами механической вальцовки, производят раскатывание ее внутреннего диаметра, последовательно реализуя стадии привальцовки (введение кольцевых выступов в кольцевые канавки) и развальцовки - совместной радиальной деформации соединяемых элементов.

Снятие деформирующего трубу 1 усилия приводит к формированию на контактных поверхностях кольцевых выступов и кольцевых канавок, а также вне их остаточного радиального давления (фиг. 8), гарантирующего требуемые характеристики плотности.

Вальцовочное соединение обладает сочетанием таких повышенных характеристик, как прочность (определяется механическими свойствами материала трубы по местоположению кольцевых выступов), плотность (определяется величиной остаточного радиального давления на контактных поверхностях) и коррозионная стойкость, определяемая величиной утолщения стенки трубы.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при ремонте трубных пучков, закрепляя стальные (сталь 20) трубы с профилированными внешними законцовками в трубных решетках толщиной 80 мм из стали 16 ГС. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Внешние поверхности концов трубы предварительно профилировались в технологической оснастке: участки с криволинейной образующей обжимались до внешнего диаметра, равного 23,8 мм. Длина каждого обжатого участка конца трубы составляла 13 мм. Цилиндрический поясок имел длину, равную ширине кольцевой канавки матрицы, то есть 3 мм.

Профилирование концов трубы выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0,2 МН.

Трубные отверстия изготавливались с диаметрами, равными 26,15 мм. Кольцевые канавки трубных отверстий прямоугольного поперечного сечения имели основание 3 мм, глубину - 0,5 мм. Расстояние между канавками - 10 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.

Кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения имели внешний диаметр 26 мм; большое основание трапеции - 3,0 мм и малое ее основание - 2,8 мм.

Для производства кольцевых выступов использовался тот же гидравлический пресс двойного действия при усилиях, не превышающих 0,29 МН.

Закрепление труб в трубных решетках производилось вальцовками отечественного производства на вальцовочном стенде фирмы "Индреско" (США).

Установлено, что образование вальцовочных соединений на трубных пучках ремонтного варианта с использованием профилированных законцовок приводит к формированию кольцевых уплотнений на контактных поверхностях, что в сочетании с остаточным давлением обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений; устраняет какую-либо дефектность, влияющую на эксплуатацию трубного пучка.

Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки подтверждены повышенные прочностные характеристики вальцовочных соединений.

Плотность соединений в сочетании с высокой коррозионной стойкостью обеспечили 100%-ную 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 установку подготовленной к обработке трубы одним из ее концов в разъемную по образующей матрицу, выполненную с внешней и внутренней кольцевыми канавками трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения, размещение в ней ступенчатого пуансона, формирование на внешней поверхности конца трубы кольцевых выступов, последующую установку трубы в трубное отверстие решетки, выполненное с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, с совмещением кольцевых выступов трубы с упомянутыми кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения и получение соединения ее с трубной решеткой путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, отличающийся тем, что предварительно производят профилирование конца трубы с образованием двух участков с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, разделенных цилиндрическим пояском, а установку конца трубы в матрицу осуществляют с расположением упомянутого цилиндрического пояска напротив внутренней кольцевой канавки матрицы.

РИСУНКИ

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