СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБ В ТРУБНОЙ РЕШЕТКЕ Российский патент 1997 года по МПК B21D39/06 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубной решетке в процессе лекализованного направленного пластического деформирования материала трубы.

Развитие химической и судостроительной промышленности, атомного и энергетического машиностроения идет по пути создания мощных теплообменных аппаратов, работающих в условиях высоких давлений и температур, а также в различных агрессивных средах. Надежность работы теплообменных аппаратов может быть обеспечена только при применении для их реализации прогрессивных технологических процессов сборки. При этом качество закрепления труб в трубных решетках во многом определяет эксплуатационные характеристики теплообменной аппаратуры. Так, по данным нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности убытки, связанные с простоем технологических линий в результате низкого закрепления труб в трубных решетках, в 10-15 раз превышает стоимость самих теплообменных аппаратов.

Известен способ закрепления труб в трубной решетки, при котором трубы устанавливают в отверстие решетки, фиксируют от возможного осевого перемещения с последующим закреплением трубы в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия к торцу трубы [1]
К недостаткам известного способа следует отнести
затруднения, связанные с извлечением инструмента из отверстия трубы, поскольку имеет место осадка материала трубы и выполнения им изначальных зазоров, обеспечивающих установку инструмента в трубу;
заполняется только одна кольцевая вставка, в результате соединение может иметь пониженные характеристики герметичности;
высадка трубы сопряжена с необходимостью приложения больших усилий к торцу трубы, что вызывает непрогнозируемую и к тому же неоднородную раздачу отверстия в решетке.

Известен также способ закрепления труб в трубной решетке, при котором трубу устанавливают в отверстие решетки, имеющей две кольцевые канавки, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения, затем деформируют ее с обеспечением заполнения кольцевых канавок решетки материалом трубы путем приложения к последней усилия от инструмента, перемещаемого в осевом направлении [2]
К недостаткам известного способа закрепления труб в трубной решетки следует отнести
заполнение кольцевых канавок трубной решетки, осуществляемое в процессе пластического сжатия материала трубы по толщине между инструментом и решеткой, сопровождается значительной деформацией решетки и вызывает коробление последней;
для обеспечения требуемой герметичности сборки в условиях, когда труба устанавливается в отверстие решетки с зазором (в большинстве своем неравномерным), необходимы большие осевые усилия, прикладываемые к инструменту вальцовке для осуществления локальной раздачи трубы с последующим пластическим выдавливанием ее материала в свободные объемы кольцевых канавок решетки.

Однако последнее ограничено физическими возможностями рабочего или техническими характеристиками, например, пневмодвигателя.

Задача изобретения -разработка такого способа закрепления труб в трубной решетки на стадии ремонта теплообменного аппарата, который в условиях регламентируемого силового воздействия на решетку позволил бы повысить характеристики прочности и герметичности сборки при условии, установки трубы в отверстие решетки с возможным зазором до 0,5 мм на сторону.

Это достигается тем, что трубу устанавливают в отверстие решетки, имеющей две кольцевые канавки, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения, осуществляют последующее деформирование трубы с обеспечением заполнения кольцевых канавок решетки материалом трубы путем приложения к последней усилия от инструмента, перемещаемого в осевом направлении, и на внутренней поверхности трубы со стороны ее конца выполняют кольцевую выемку длиной, превышающей расстояние между торцевыми поверхностями кольцевых канавок трубной решетки, обращенными к торцам последней, установку трубы производят, располагая ее кольцевую выемку в зоне кольцевых канавок, а инструментом воздействуют на часть торцевой поверхности трубы, обеспечивая ее перемещение относительно решетки в процессе деформирования трубы и заполнения кольцевых канавок материалом трубы посредством свободного изгиба последней в зоне канавок.

Кроме того, установку трубы производят, располагая кольцевую выемку симметрично относительно торцевых поверхностей кольцевых канавок решетки, а осевое усилие прикладывают к части поверхности торца трубы, ограниченной геометрическими размерами, равными геометрическим размерам полученного сечения кольцевой выемки. Осевое усилие может быть приложено к части поверхности торца трубы, ограниченной геометрическими размерами, превышающими геометрические размеры поперечного сечения кольцевой выемки. Вместе с тем свободный объем кольцевой выемки трубы предварительно заполняют вязкой средой, например ЦИАТИН 201.

Осуществление способа закрепления труб в трубной решетке позволяет в условиях регламентируемого силового воздействия на решетку, обеспечить повышенные (по сравнению с известным теплопроцессом) стабильные характеристики прочности и герметичности сборки.

Это объясняется тем, что на конце трубы, выполняя кольцевую выемку, создают переменную цилиндрическую жесткость. Эксцентричное приложение деформирующего усилия относительно нейтральной линии поперечного сечения трубы позволяет первоначально осуществить калибровку трубы до геометрических размеров отверстия в решетке на всей ее толщине, а заполнение свободных объемов кольцевых канавок произвести путем свободного изгиба трубы по их местоположению в процессе перемещения торца трубы относительно решетки.

На фиг. 1 изображено исходное положение трубной решетки трубы, установленной с зазором в отверстие решетки, и ступенчатого пуансона перед приложением сжимающего усилия на части поверхности торца трубы, ограниченной геометрическими размерами, равными геометрическим размерам кольцевой выемки; на фиг. 2 стадия калибровки трубы по отверстию в решетке; на фиг. 3 - окончание стадии калибровки трубы по отверстию в решетке в пределах всей ее толщины; на фиг. 4 завершающая стадия заполнения свободных объемов кольцевых канавок решетки материалом трубы; на фиг. 5 фрагмент трубной решетки с закрепленной в ее кольцевых канавках трубой.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

В трубную решетку 1 (фиг.1), выполненную, например, из стали 3 и имеющую отверстия с кольцевыми канавками (передними и задними по отношению к свободной поверхности трубной решетки в теплообменном аппарате), устанавливают с зазором (односторонний зазор не более 0,5 мм) трубу 2, изготовленную, например, из стали 10. На конце трубы со стороны ее внутренней поверхности предварительно выполняют кольцевую выемку диаметром d и длиной l. При установке трубы 2 в отверстие решетки 1 обеспечивают выступание торца трубы 2 над свободной поверхностью решетки 1 в пределах длины h. Фиксирование трубы 2 в осевом направлении от возможного ее перемещения в решетке 1 выполняют таким образом, чтобы кольцевая выемка в трубе 2 располагалась, например, симметрично торцевым поверхностям кольцевых канавок в трубной решетке 1. В отверстие трубы 2 устанавливают ступенчатый пуансон 3. Причем диаметр меньшей ступени пуансона 3 выполняют с минимальным зазором по отношению к диаметру "d" отверстия в трубе 2. Большая ступень пуансона 3 имеет D, например, равный диаметру кольцевой выемки в трубе 2. Длину малой ступени пуансона 2 выбирают из условия, что при его установке в отверстие трубы 2 торец малой ступени будет располагаться ниже торцевой поверхности задней кольцевой канавки в решетке 1. Перед установкой пуансона 3 в отверстие трубы 2 его рабочую поверхность подвергают смазке, например, машинным маслом (фиг.1).

При воздействии усилием P на ступенчатый пуансон 3 на первой стадии нагружения имеет место его внедрение в торец трубы 1 и, как следствие, на контактной кольцевой поверхности ступенчатый пуансон 3 труба 2 создаются напряжения, вызывающие раздачу части длины трубы 2 до размеров отверстия в трубной решетке 1 (фиг.2).

Дальнейшее воздействие ступенчатого пуансона 3 на торец трубы 2 при условии эксцентрично прикладываемой нагрузки по отношению к нейтральной оси поперечного сечения трубы 2 обеспечивает калибровку трубы 2 по диаметру отверстия в решетке 1 в пределах ее толщины (фиг.3).

Последующее эксцентричное нагружение торца трубы 1 усилием P из-за переменной цилиндрической жесткости трубы предопределяет локализацию процесса деформации материала трубы в пределах кольцевой выемки и приводит к нагружению осевым сжимающим усилием часть длины трубы 1 в сочетании с изгибающим моментом по местоположению кольцевых канавок (фиг.4). В результате заполнение свободных объемов кольцевых канавок трубной решетки 1 сопровождается перемещением торца трубы 2 относительно свободной поверхности трубной решетки 1 (в пределах длины h).

Необходимым и достаточным условием устойчивого функционирования описанного техпроцесса является превышение усилия, требующегося на деформацию сдвигом материала трубы на диаметре D, по отношению к усилию, вызывающему свободный изгиб решетки 1. Исходя из этого условия, рассчитываются глубина кольцевой выемки и ее длина.

Вместе с тем в определенных практических условиях требуются увеличенные значения усилия, требующегося на деформацию сдвигом, для чего используют увеличенные кольцевые площадки на ступенчатом пуансоне 3. При этом глубина кольцевой выемки на трубе 2 меньше размера ступеньки на переходе малой ступени пуансона 3 к его большой ступени. Процессу калибровки трубы 2 в пределах толщины трубной решетки 1 способствует заполнение свободного объема кольцевой выемки вязкой средой, например грунтовкой на антикоррозионной основе или ЦИАТИМ 201.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа проводилась при закреплении труб из стали 10 с поперечным сечением 25х2,5 мм. в трубной решетке толщиной 40,0 мм из стали 3 при наличии двустороннего зазора 0,25 мм.

В трубной решетке методом резания выполнялись кольцевые канавки диаметром 26,5 мм при ширине 3,0 мм и расстоянии между кольцевыми канавками 9 мм. Расстояние от передней кольцевой канавки до свободной поверхности трубной решетки 5,0 мм.

В трубе со стороны ее внутренней поверхности режущим методом выполнялась кольцевая выемка с глубиной 0,5 мм и длиной 23,0 мм. Трубу фиксировали в решетке с симметричным расположением торцевых поверхностей выемки относительно кольцевых канавок трубной решетки.

Ступенчатый пуансон изготавливался из стали У8А со следующими геометрическими размерами, мм:
диаметр большой ступени 21,8
диаметр меньшей степени 19,8
длина малой ступени 27 мм
Твердость материала ступенчатого пуансона после закалки составляла HRC 56-58 ед.

Нагружение торца трубы осуществлялось на гидравлической машине ЦДМУ-30 со скоростью не более 4,0 мм/мин.

В экспериментах по закреплению труб в трубных решетках использовалась смазка ЦИАТИМ-201.

Испытания, проведенные по определению характеристик прочности и герметичности сборки, выявили повышение (в пределах до 17-25%) значений указанных характеристик в сравнении с параметрами сборки, полученной по известной технологии завальцовки. При этом отмечались минимальные деформации трубной решетки.

Изобретение может быть использовано при изготовлении и ремонте различных конструкций теплообменных аппаратов широкого профиля, используемых в том числе в технологических линиях котельных, ТЭЦ, в энергетических элементах военных кораблей, подводных лодок и т.д.

Использование: при обработке металлов давлением при закреплении труб в трубной решетке методом локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. Сущность изобретения: в трубную решетку, имеющую отверстия с кольцевыми канавками, устанавливают с зазором трубу. На внутренней поверхности трубы со стороны ее конца выполняют кольцевую выемку длиной, превышающей расстояние между торцевыми поверхностями кольцевых канавок трубной решетки, обращенными к торцам последней. Трубу устанавливают, располагая кольцевую выемку в зоне торцевых поверхностей кольцевых канавок решетки. Затем на часть торцевой поверхности трубы воздействуют перемещаемым в осевом направлении инструментом. В результате обеспечиваются деформирование трубы с перемещением ее торцевой поверхности относительно решетки и заполнение кольцевых канавок материалом трубы путем свободного изгиба последней в зоне канавок. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ закрепления труб в трубной решетке, включающий установку трубы в отверстие решетки, имеющей две кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного осевого перемещения и последующее деформирование трубы с обеспечением заполнения кольцевых канавок решетки материалов трубы путем приложения к последней усилия от инструмента, перемещаемого в осевом направлении, отличающийся тем, что на внутренней поверхности трубы со стороны ее конца выполняют кольцевую выемку длиной, превышающей расстояние между торцевыми поверхностями кольцевых канавок трубной решетки, обращенными к торцам последней, установку трубы производят, располагая ее кольцевую выемку в зоне кольцевых канавок, а инструментом воздействуют на часть торцевой поверхности трубы, обеспечивая ее перемещение относительно решетки в процессе деформирования трубы и заполнение кольцевых канавок материалом трубы посредством свободного изгиба последней в зоне канавок. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что установку трубы производят, располагая ее кольцевую выемку симметрично относительно торцевых поверхностей кольцевых канавок решетки. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что инструментом воздействуют на часть торцевой поверхности трубы, ограниченную геометрическими размерами, равными геометрическим размерам поперечного сечения кольцевой выемки. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что инструментом воздействуют на часть торцевой поверхности трубы, ограниченную геометрическими размерами, превышающими геометрические размеры поперечного сечения кольцевой выемки. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что свободный объем кольцевой выемки трубы предварительно заполняют вязкой средой, например ЦИАТИМ-201.9