Способ изготовления элемента криволинейной формы, содержащего внутреннюю и наружную трубы, установленные коаксиально относительно друг друга, и устройство для его осуществления
Изобретения относятся к машиностроению, в частности к изготовлению методом гибки элементов трубопроводов сложной формы, содержащих коаксиально установленные трубы, в том числе теплообменников и систем для подачи топлива. При получении элементов криволинейной формы, содержащих коаксиально установленные внутреннюю и наружную трубы, в качестве внутренней используют трубу, имеющую криволинейную и прямолинейную части. Установку наружной трубы коаксиально внутренней производят одновременно с гибкой наружной трубы на шаблоне. Шаблон имеет рабочий ручей, поверхность которого конгруэнтна поверхности криволинейной части внутренней трубы. Кроме шаблона устройство, предназначенное для реализации данного способа, содержит средство зажима изгибаемой трубы и неподвижную полую цилиндрическую оправку. Полость средства зажима образована подвижным и неподвижным относительно шаблона сменными прижимами, вращающимися относительно шаблона. Приведена зависимость для определения длины неподвижного прижима. Один конец полой оправки размещен в полости средства зажима. В результате обеспечивается снижение себестоимости полученного изделия и повышение надежности его эксплуатации. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к изготовлению гибкой элементов трубопроводов сложной формы, содержащих установленные коаксиально трубы, в том числе теплообменников и систем для подачи топлива. В различных областях техники достаточно давно широкое применение получили теплообменники, выполненные в виде соосно установленных труб, в которых при движении нагретой жидкости (хладагента) по внутренней трубе поток жидкости в зазоре между внутренней и наружной трубами служит для конвективного подвода или отвода тепла.
Увеличение площади конвективной поверхности обеспечивает повышение теплоотдачи, поэтому обычно теплообменники выполняют с большим числом криволинейных участков. Указанная конструктивная особенность теплообменника затрудняет его изготовление.
Относительно изготовления трубопроводов, обеспечивающих подачу топлива. например, в самолетах, можно добавить, что одной из технологических проблем является обеспечение постоянства зазора между трубами, образующими элементы трубопровода. При этом кривизна трубопровода конструктивно необходима для оптимальной компоновки энергетического оборудования в условиях ограничения пространства.
В большинстве случаев теплообменники, как и другие подобные трубопроводы, собирают из отдельных небольших трубчатых элементов (прямолинейной формы или изогнутых) и соединяют сваркой или с помощью муфт. В последнем случае велика вероятность утечек топлива (энергоносителя) и требуется постоянный контроль качества крепежа.
Необходимость значительного количества сварных швов также приводит к увеличению трудозатрат процесса изготовления теплообменника и требует постоянного контроля качества сварных соединений. В обоих вариантах соединения трубчатых элементов увеличивается число смещений в стыках отдельных элементов, что приводит к неравномерности теплосъема, а также увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций.
Необходимо заметить, что определенная сложность связана с изготовлением изогнутых элементов.
Из уровня техники известны способы и устройства изготовления изогнутых трубчатых элементов, содержащих коаксиально установленные изогнутые трубки. Так, в з. №2001122152 РФ, опубл. 10.05.2003., F 28 F 1/42 описывается способ изготовления теплообменной трубы, содержащей трубчатую заготовку с установленным внутри нее полым сердечником и ребра жесткости, размещенные в пространстве между внутренней поверхностью заготовки и наружной поверхностью сердечника. Для изготовления теплообменной трубы сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно него так, чтобы пазы, выполненные на внутренней поверхности заготовки и наружной поверхности сердечника, были установлены друг относительно друга со смещением на угол α. Далее вводят ребра в пазы и поворачивают заготовку до полной выборки угла α. Затем заготовку фиксируют относительно сердечника. Указанный угол а находят расчетом из условия неподвижности ребер в пазах при заданной эксплуатационной нагрузке на теплообменную трубу.
Изготовление змеевиков из оребренных труб для использования в теплоэнергетике известно также из з. RU №9300347/06, опубл. 20.04.1995., F 28 D 7/04. Согласно известному изобретению конвективная поверхность нагрева содержит змеевики из оребренных труб, установленных в газоходе на опорных стойках. Ребра на образующих змеевики трубах выполнены практически по всей длине, включая участки гибов труб, кроме технологических участков на концах труб, которыми они соединены между собой. В процессе изготовления оребрение труб выполняют непрерывно по всей длине каждой образующей змеевик трубы с заданным соотношением высоты шага, толщины ребра и радиуса гиба, оставляя неоребренными технологические участки на концах труб, выполняют гибы первой трубы, присоединяют к концу первой трубы вторую трубу, зачищают стык от внутреннего грата, изгибают вторую трубу и повторяют упомянутую последовательность операций до полного изготовления змеевика. Установка для гибки труб включает разъемный раздвижной шаблон и зажимное устройство с приводами. Глубина канавки гибочного шаблона превышает половину ширины канавки, равной диаметру оребренной трубы.
Известные решения относятся к теплообменникам с внутренним оребрением, позволяющим повысить прочность теплообменника. Однако они не позволяют изготовить теплообменную трубу сложной формы, содержащую как прямолинейные, так и изогнутые участки.
Необходимо заметить также, что наличие ребер значительно осложняет технологию, а конструкция, как правило, не обладает необходимой прочностью и имеет низкую коррозионную стойкость, зависящую от свойств материалов, из которых изготовлены элементы трубы.
Из уровня техники известны способ и устройство производства колен труб методом протяжки через изогнутый участок оправки (патент РФ 2098207 от 31.05.1995, B 21 D 9/12). При этом фиксирование рабочего положения оправки производится по изогнутому участку оправки, а силовые замковые устройства зажимают и удерживают оправку с помощью гладких клиновых зажимов. Известное решение позволяет получить только изогнутые элементы, которые далее могут быть собраны в трубчатый теплообменник. Необходимым условием для сборки в данном случае является превышение внутреннего диаметра наружной трубы над наружным диаметром внутренней трубы.
Известная технология относится к горячей гибке. При нагревании в процессе гибки многие материалы, в т.ч. металлы изменяют свои свойства, а совместный отпуск по окончании гибки не всегда обеспечивает высокое качество изделия и одинаково высокие эксплуатационные свойства всех элементов конструкции.
В решении по патенту US №5497809 от 05.01.1994, F 16 L 9/18, относящемуся к технологии изготовления трубопроводов для подачи топлива в самолетах, жесткие коаксиальные трубки размещают одну в другой, а постоянство зазора обеспечивается с помощью муфт особой конструкции, которые вводят в зазор между трубами.
Технология по А.С. СССР №1699681 от 03.05.89, B 21 D 9/01 позволяет получить криволинейные элементы, содержащие коаксиально установленные трубы. Элемент с двумя заготовками труб прямолинейной формы из одного материала устанавливают в трубогибочном станке. Трубы размещают коаксиально известным способом, например центрирующими торцевыми заглушками наружной трубы. В зазор между трубами подают хладагент (воду), который замораживают с помощью источника охлаждающей среды. Далее производят гибку элемента на трубогибочном станке. Толщину стенки и диаметр обеих труб выбирают из расчета, чтобы напряжения в стенках труб не превысили напряжений упругости материала, из которого они изготовлены. Полученные элементы соединяют в трубопровод (теплообменник) преимущественно сваркой.
Таким образом, известный способ позволяет снизить трудозатраты на изготовление теплообменника, содержащего исключительно криволинейные элементы. В тех случаях когда конструкция трубопровода включает элементы сложной формы (содержащие как криволинейные, так и прямолинейные части) известная технология неприменима. Кроме того, в результате совместной гибки труб с наполнителем согласно известному способу материал труб, как правило, приобретает наклеп и для его снятия необходим нагрев.
Необходимо заметить, что для ряда ответственных деталей, в частности для трубопроводов и теплообменников, контролирующие органы в обязательном порядке предписывают проводить термообработку для снятия остаточных напряжений и дефектоскопию.
Так в соответствии с Правилами устройства и безопасности технологических трубопроводов. Гостехнадзор России, ПБ 585-03, гнутые отводы после гибки должны подвергаться термообработке. В соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Гостехнадзор России ПБ 03-576-03, гнутые участки труб из углеродистых и легированных сталей подлежат термообработке.
Однако при изготовлении труб, составляющих трубопровод, из разных сталей (например, углеродистых и легированных, что в большинстве случаев диктуется необходимостью, с одной стороны, обеспечить эксплуатационные характеристики, а с другой, - снизить себестоимость), в дальнейшем, после их совместной гибки с наполнителем, как правило, не удается подобрать режимы термообработки, которые обеспечили бы полное снятие наклепа в разных материалах труб и однородные заданные свойства конечного изделия. Известная технология не обеспечивает сохранение геометрических параметров и физико-механических свойств внутренней трубы в процессе изготовления элемента. Данные дефектоскопии внутренней трубы, полученные до гибки, при этом достаточно часто не соответствуют состоянию материала после гибки. Известная технология не позволяет контролировать геометрические параметры внутренней трубы и проводить ее дефектоскопию в готовом изделии. Указанное снижает надежность эксплуатации трубопровода и увеличивает затраты на ремонтные работы.
Решение по А.С. СССР №1699681 по числу существенных признаков наиболее близко заявляемым способу и устройству для его реализации.
Задачей изобретения является создание технологии изготовления элемента сложной формы (содержащего как криволинейную, так и прямолинейную части), образованного установленными коаксиально друг относительно друга трубами, выполненными из разных материалов, отличающихся по физико-механическим свойствам, позволяющей упростить процесс и обеспечить возможность дефектоскопии как наружной, так и внутренней труб.
Технический результат состоит в снижении себестоимости и повышении надежности эксплуатации трубопровода, собранного из элементов, изготовленных согласно заявляемому решению.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления элемента криволинейной формы, содержащего установленные коаксиально друг относительно друга трубы, включающем размещение наружной трубы коаксиально внутренней и гибку, в качестве внутренней трубы используют трубу, содержащую криволинейную и прямолинейную части, размещение указанных труб осуществляют одновременно с гибкой внешней трубы на шаблоне, поверхность рабочего ручья которого конгруэнтна поверхности криволинейной части внутренней трубы.
В устройстве для реализации заявляемого способа, включающем шаблон для гибки трубы с рабочим ручьем, выполненный с возможностью вращения, и средство зажима изгибаемой трубы, установленное с возможностью вращения относительно оси шаблона, с полостью, образованной подвижным и неподвижным относительно шаблона сменными прижимами, поверхность рабочего ручья шаблона выполнена конгруэнтной криволинейной части трубы, содержащей криволинейную и прямолинейную части, устройство также дополнительно снабжено неподвижной полой цилиндрической оправкой, один из концов которой размещен в полости средства зажима, а неподвижный прижим выполнен длиной, характеризуемой следующей зависимостью:
С=[(Rср-Dнт/2)2-(Rср-Dнт/2)2]1/2+(Dвт-Dнт)/2 (мм), (1)
Где
С - длина неподвижного прижима, мм;
Rср - средний радиус криволинейной части трубы, мм;
Dнт - наружный диаметр внутренней трубы, мм;
Dвт - внутренний диаметр наружной трубы, мм.
Для уменьшения возможной овализации наружной трубы часть оправки, размещенную в полости средства зажима, целесообразно выполнять длиной 1, превышающей 0.05 Dвт. В целях экономии металла может быть использована оправка с неодинаковой по длине толщиной, т.е. с утолщением. При этом диаметр конца оправки (или утолщения), размещенного в полости зажима, характеризуется следующей зависимостью:
A=Dвт-qDвт-(1...2)
Где А - диаметр конца оправки, размещенного в полости средства зажима, мм;
Dвт - внутренний диаметр наружной трубы, мм;
qDвт - допуск внутреннего диаметра наружной трубы, мм;
1...2 - гарантированный зазор, мм.
Длину утолщенной части оправки L целесообразно ограничить соотношением L=2-3 Dвт (мм) с целью обеспечения беспрепятственного перемещения наружной трубы.
Внутренняя труба может быть выполнена с одним прямолинейным участком и криволинейной частью или с двумя прямолинейными участками, примыкающими к разным концам криволинейной части. Число прямолинейных участков зависит от конструкции трубопровода, а сущность заявляемого решения не меняется при изготовлении элемента как с одним прямолинейным участком, так и с двумя. Заявляемая группа изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, иллюстрируется графическими материалами, представленными на Фиг.1 - 6, где
На Фиг.1 представлена начальная стадия процесса с основными элементами устройства;
На Фиг.2 представлен разрез по Б-Б, дающий представление о размещении внутренней трубы, оправки и наружной трубы в полости средства зажима;
На Фиг.3 представлен разрез по А-А, дающий представление о размещении оправки, наружной трубы и средства для упора (лотка) последней при гибке;
На Фиг.4 - 6 в схематичном виде представлены различные стадии процесса:
Фиг.4 - начало. Фиг.5 - одна из промежуточных стадий, Фиг.6 - конец процесса.
Позиции на графических материалах относятся к следующим элементам.
1 - шаблон со средством зажима 2 наружной трубы 3, содержащим подвижный прижим 4 и неподвижный прижим 5, привод 6. Шаблон 1 выполнен с возможностью вращения. На оправке 7 с утолщением 8, задающим межтрубный зазор, размещена наружная труба 3, взаимодействующая с подвижным лотком 9, рабочий профиль которого соответствует профилю наружной трубы. Лоток 9, перемещающийся вместе с наружной грубой 3, обеспечивает упор трубы 3 в месте гиба и исключение растягивающего усилия от сил трения. Оправка 7 закреплена неподвижно с помощью зажима 10. Свободный конец наружной трубы 3 закреплен на подвижной опоре 11. Прямолинейный участок 12 внутренней трубы свободно размещен в оправке 7, а его изогнутая часть 13 - в плоскости гиба эквидистантно поверхности рабочего ручья шаблона 1. Нейтральная линия криволинейной части внутренней трубы располагается относительно оси вращения шаблона в зоне описываемой средним радиусом гиба из центра, смещенного вдоль продольной оси от оси вращения на величину межтрубного зазора (Dвт-Dнт)/2 в обе стороны. Направление смещения зависит от стадии процесса гибки. При этом продольной осью, характеризующей величину и направление смещения центра радиуса гиба, является ось, лежащая в плоскости гиба, параллельная оси оправки и проходящая через центр вращения шаблона 1.Средство зажима 2 выполнено с возможностью вращения относительно оси шаблона 1.
Процесс изготовления элемента криволинейной формы, содержащего установленные коаксиально друг относительно друга трубы, начинают с установки наружной трубы 3 требуемой длины на полой цилиндрической оправке 7 (дорне), часть 8 которой при гибке обеспечивает постоянство межтрубного зазора. Подвижный лоток 9 взаимодействует с наружной трубой 3 и обеспечивает упор, перемещающийся вместе с наружной трубой 3 относительно оправки 7 синхронно с шаблоном 1 и средством зажима 2. Прямолинейную часть 12 внутренней трубы заводят в полую оправку 7 и устанавливают неподвижно относительно шаблона 1, а изогнутую часть 13 внутренней грубы располагают в плоскости гиба конгруэнтно рабочему ручью шаблона 1. Оправку 7 закрепляют неподвижно в зажиме 10. Часть оправки 8 и наружной трубы 3 размещают в полости средства зажима 2 между подвижным зажимом 4 и неподвижным зажимом 5 и зажимают, перемещая зажим 4. Давление зажимов 4 и 5 на наружную трубу 3 должно обеспечивать удержание трубы 3 для ее синхронного перемещения с шаблоном 1 и средством зажима 2 при их совместном вращении, а оправка 7 с утолщением 8 - также сохранение постоянства зазора между внутренней поверхностью грубы 3 и наружной поверхностью изогнутой части 13 внутренней трубы. После прохождения всего криволинейного участка 13 оправку 7 удаляют и готовый элемент трубопровода снимают с шаблона 1.
Описанный процесс гибки наружной трубы 3 одновременно с размещением ее коаксиально внутренней трубе позволяет предварительно проводить все технологические операции с внутренней трубой заданной формы (не изменяющейся при последующей гибке наружной трубы), в том числе и дефектоскопию, что значительно повышает надежность эксплуатации трубопровода, собранного из элементов, изготовленных таким образом.
Термообработку наружной трубы производят только в случаях, когда этого требуют ПБ 03-576-03, а именно: для труб из углеродистых и низколегированных сталей с наружным диаметром более 36 мм, при отношении среднего радиуса гиба к номинальному наружному диаметру труб менее 3,5 и отношении номинальной толщины стенки трубы к ее номинальному диаметру более 0,05.
Заявляемые способ и устройство опробованы при изготовлении продуктового холодильника для охлаждения этилен-полиэтиленовой смеси высокого давления, поступающей из реактора. Наружная труба изготовлена из углеродистой стали 09 Г2С, ГОСТ 19292-89, а внутренняя труба - из высокопрочных сталей 30Х2Н2МФА-Ш, ТУ 1301-001-320038846-01 или 12Х13-Ш, ГОСТ 4543-71.
Для труб, имеющих размеры:
Rср=375 мм
Dнт - 40 мм
Dвт - 67 мм
С=[(Rср-Dнт/2)2-(Rср-Dвт/2)2]1/2+(Dвт-Dнт)/2≈110 мм.
Шаблон 1 и зажим 2 в процессе изготовления детали перемещают со скоростью ˜0,5 мин-1.
Для предотвращения овализации наружной трубы в полости средства зажима 2 размещали часть утолщения 8 оправки 7 длиной 4-5 мм. Диаметр утолщенной части 8 равен 65 мм, а длина 250-300 мм.
Заявляемые способ и устройство для его реализации позволяют снизить затраты изготовления элемента криволинейной формы, содержащего установленные коаксиально друг относительно друга трубы, и обеспечить сборку надежного в эксплуатации трубопровода.
В результате реализации заявляемой группы изобретений удается получить сборные изогнутые элементы большей длины, чем по известным технологиям, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства трубопровода. При этом в качестве внутренней трубы используют трубу, предварительно изготовленную любым известным из уровня техники подходящим способом, с заданными свойствами, необходимыми для надежного функционирования трубопровода. Внутренняя труба такого трубопровода заданной формы отвечает требованиям повышенной механической прочности, коррозионной стойкости и однородности свойств, что достигается, например, шлаковым переплавом. Для наружной трубы при этом возможно использование более дешевых материалов, в частности углеродистых сталей. Поскольку новая технология обеспечивает получение криволинейных трубчатых элементов существенно большей длины, то количество сварных швов и/или крепежа при последующей сборке трубопровода при этом сокращается, соответственно трудозатраты снижаются, а эксплуатационные свойства повышаются.
1. Способ изготовления элемента криволинейной формы, содержащего внутреннюю и наружную трубы, установленные коаксиально относительно друг друга, включающий размещение наружной трубы коаксиально внутренней и гибку, отличающийся тем, что в качестве внутренней трубы используют трубу, содержащую криволинейную и прямолинейную части, а размещение указанных труб осуществляют одновременно с гибкой наружной трубы на шаблоне, поверхность рабочего ручья которого конгруэнтна поверхности криволинейной части внутренней трубы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прямолинейная часть внутренней трубы выполнена в виде одного прямолинейного участка.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прямолинейная часть внутренней трубы выполнена в виде двух прямолинейных участков на концах криволинейной части.
4. Устройство для изготовления элемента криволинейной формы, содержащего внутреннюю и наружную трубы, установленные коаксиально относительно друг друга, содержащее шаблон для гибки трубы с рабочим ручьем, выполненный с возможностью вращения, и средство зажима изгибаемой трубы с полостью, образованной подвижным и неподвижным относительно шаблона сменными прижимами, установленными с возможностью вращения относительно оси шаблона, отличающееся тем, что поверхность рабочего ручья шаблона выполнена конгруэнтной криволинейной части внутренней трубы элемента криволинейной формы, устройство дополнительно снабжено неподвижной полой цилиндрической оправкой, один из концов которой размещен в полости средства зажима, а неподвижный прижим выполнен длиной, характеризуемой следующей зависимостью:
С=[(Rcp-Dнт/2)2-(Rср-Dвт/2)2]1/2+(Dвт-Dнт)/2,
где С - длина неподвижного прижима, мм;
Rср - средний радиус внутренней трубы, мм;
Dнт - наружный диаметр внутренней трубы, мм;
Dвт - внутренний диаметр наружной трубы, мм.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что часть оправки, размещенная в полости средства зажима, выполнена длиной, характеризуемой следующей зависимостью:
l≥0,05 Dвт,
где l - длина части оправки, размещаемой в полости средства зажима, мм;
Dвн - внутренний диаметр наружной трубы, мм.
