СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБ В ТРУБНЫХ РЕШЕТКАХ Российский патент 1997 года по МПК B21D39/06 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам закрепления бандажированных труб в трубных решетках в процессе локализованного направленного пластического деформирования материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, пари котором трубу устанавливают в отверстие решетки, имеющее кольцевую канавку, фиксируют от возможного осевого перемещения с последующим закреплением трубы в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия к торцу трубы (см. а.с. N 277712, B 21 D 39/06, БИ N 25, 1970).

К недостаткам известного способа следует отнести:
пониженные характеристики прочности и герметичности сборки вследствие неоднородности пластической деформации материала трубы как на этапе ее раздачи, так и заполнения объема кольцевой канавки;
большие радиальные давления на стенки отверстия в решетке, что вызывает коробление последней.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешней поверхности концов трубы формируют кольцевые выступы, устанавливают ее в решетку, имеющую кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия со стороны внутренней поверхности трубы (см. а.с. N 265060, B 21 D 39/06, 1970 прототип).

К недостаткам известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести:
недостаточные характеристики герметичности из-за превышения геометрических размеров кольцевых выемок по ширине в решетке соответствующих геометрических размеров кольцевых выступов на трубе;
заниженные характеристики прочности сборки из-за того, что закрепление трубы в трубной решетке осуществляют заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы, без их изначального внедрения.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках на стадии ремонта теплообменного аппарата, который в условиях регламентируемого силового воздействия на решетку, позволил бы повысить характеристики прочности и герметичности сборки при условии постановки труб с возможным зазором до 07 мм на сторону; увеличение срока службы решетки и уменьшение износа инструмента, например, вальцовки.

Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешней поверхности концов трубы формируют кольцевые выступы, устанавливают ее в решетку, имеющую кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающегося усилия с стороны внутренней поверхности трубы, согласно изобретению на концах трубы формируют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения с одновременной калибровкой ее отверстия, для чего на торец разъемной матрицы, имеющей кольцевые выемки трапециевидного поперечного сечения, размещают соосно отверстию диск из упругого материала с диаметром отверстия, превышающим диаметр отверстия в матрице, устанавливают трубу, располагая ее торец в плоскости свободного торца диска, фиксируют трубу от осевого перемещения, затем ее нагружают осевым сжимающим усилием в пределах части площади поперечного сечения посредством ступенчатого пуансона, вызывая последовательную раздачу трубы до диаметра отверстия в диске, обеспечивая на заключительной стадии подрезку по линии, лежащей в плоскости контакта торцев диска и матрицы, и запрессовку материала трубы между диском и большой ступенью пуансона с окончательным заполнением объемов кольцевых выемок, после чего производят разделение трубы в плоскости ее подрезки. Причем разделение трубы производят вращением диска из упругого материала относительно оси или осевым перемещением ступенчатого пуансона в направлении, противоположном направлению его движения при погружении трубы.

Осуществление предлагаемого способа закрепления бандажированных труб в трубных решетках позволит регламентировать силовое воздействие трубы на решетку и обеспечивать повышенные (по сравнению с известным техпроцессом-прототипом) стабильные характеристики прочности и герметичности сборки, увеличить срок службы решетки и уменьшить износ инструмента-вальцовки.2 Это объясняется тем, что бандажирование концов трубы, выполнением с внешней стороны кольцевых выступов, создает предпосылки:
закрепления трубы в трубной решетке посредством прогнозируемого внедрения кольцевых выступов на трубе в кольцевые канавки трубной решетки. В результате устраняется возможность коробления трубной решетки и, следовательно, возрастает ее эксплуатационный ресурс;
получения кольцевых выступов на поверхности трубы пластическим деформированием ее материала, обеспечивая упрочнение последнего, что гарантирует повышенные прочностные характеристики сборки;
полного заполнения материалом трубы объемов кольцевых выемок, что приводит к обеспечению требуемой герметичности;
Снижение износа инструмента вальцовки, поскольку выполняется операция калибровки отверстия в трубе.

Кроме того, выполнение кольцевых выступов за счет материала, находящегося в припуске, позволяет не уменьшать исходную толщину стенки трубы, а совмещение операций бандажирования трубы с операцией отделения припуска не вызывает существенного повышения себестоимости производства одного погонного метра трубы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а показано исходное положение технологической оснастки и трубы перед выполнением операции раздачи трубы; на фиг. 1б стадия раздачи трубы до диаметра отверстия в диске из упругого материала; на фиг. 2а стадия раздачи трубы с начальным этапом ее подрезки и частичным заполнением объемов кольцевых выемок; на фиг. 2б стадия раздачи трубы с одновременной ее подрезкой и заполнением объемов кольцевых выемок; на фиг. 3а стадия запрессовки материала трубы между диском и большой ступенью пуансона с окончательным заполнением объемов кольцевых выемок; на фиг. 3б стадия разделения трубы в плоскости ее подрезки посредством осевого перемещения ступенчатого пуансона в направлении, противоположном направлению его движения при нагружении трубы.

Вариант осуществления предлагаемого к рассмотрению способа закрепления труб в трубных решетках состоит в следующем:
На плиту 1, имеющую отверстие, устанавливают обойму 2 с размещенной в ней разъемной по образующей матрицей 3. На внутренней поверхности последней выполнены кольцевые выемки трапециевидного поперечного сечения. На торец матрицы 3 соосно ее отверстию устанавливают диск 4 из упругого материала, например инструментальной стали У8А. Причем диаметр D отверстия в диске 4 больше, чем диаметр D₁ отверстия в матрице 3. Затем в технологической оснастке размещают трубу 5, создавая необходимый припуск посредством размещения ее торца в плоскости свободного торца диска 4. Фиксируют трубу от осевого перемещения (на чертеже показано стрелками). В отверстие трубы 5 устанавливают ступенчатый пуансон 6, малая ступень которого выполнена с наименьшим зазором по отношению к диаметру отверстия в трубе 5, а большая ступень диаметром D₂ не превышает срединного диаметра трубы 5 (фиг. 1а). Перед установкой ступенчатого пуансона 6 в трубу 5 на его боковую поверхность наносится смазка.

При воздействии усилием P на торец ступенчатого пуансона 6 вызывают его перемещение в осевом направлении. В результате на первом этапе внедрения ступенчатого пуансона 6 в трубу 5 наблюдается раздача последней до диаметра D в диске 4 (фиг. 1б), а также частичное заполнение объемов кольцевых выемок в матрице 3. Дальнейшее перемещение ступенчатого пуансона 6 в один из моментов приводит к реализации начальной стадии подрезки трубы 5 по линии, лежащей в плоскости контакта торцев матрицы 3 и диска 4 (фиг. 2а). Развитие процесса подрезки трубы 5 обуславливает увеличение площади контакта между трубой 5 (ее припуском) и диском 4 (фиг. 2б), и запрессовку материала трубы 5 между большой ступенью пуансона 6 и диском 4 за счет упругой деформации последнего фиг. 3а. Причем на заключительной стадии подрезки трубы 5 имеет место окончательное заполнение объемов кольцевых выемок матрицы 3 материалом трубы 5, находящимся в припуске.

Следует подчеркнуть, что в процессе подрезки трубы 5 площадь ее поперечного сечения уменьшится по сравнению с исходной и станет равной:

Усилие, необходимое для окончательного разделения трубы 5, например, отрывом определяется из выражения:

где σ_в предел прочности материала труб на растяжение.

Следовательно, сила трения между трубой 5 и диском 4, обеспечивающая этот процесс окончательного разделения трубы 5, может быть найдена, как
P_трения = πDρμH,
где
ρ -радиальное давление материала трубы 5 на стенки отверстия в диске 4;
H толщина диска;
m коэффициент трения между материалом трубы 5 и материалом диска 4.2 Тогда искомая величина радиального давления r при запрессовке материала трубы 5 между диском 4 и ступенчатым пуансоном 6 будет определена в виде:

Для окончательного разделения трубы 5 прикладывают усилие P₁ к ступенчатому пуансону 6 (фиг. 3б) в направлении, противоположном направлению его движения при нагружении трубы 5.

Кроме того, окончательное разделение трубы 5 можно осуществить, прикладывая крутящий момент к диску 4.

Опытно-промышленная проверка предлагаемого способа прошла при бандажировании стальных (сталь 20) труб с внешним диаметром, равным 25,0 мм, и толщиной стенки, равной 2,5 мм.

Технологическая оснастка изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC_э после закалки не менее 58 ед. и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету точности.

Разъемная по образующей матрица имела кольцевые выемки трапециевидного поперечного сечения с геометрическими размерами: длина малого основания 2 мм, длина большого основания 4,0 мм; глубина 0,5 мм. Расстояние между выемками по оси 9,0 мм. Размещение разъемной матрицы в обойме осуществляли по легкопрессовой посадке. Геометрические размеры диска: внешний диаметр 50 мм, внутренний диаметр 27 мм, высота 10,0 мм. Ступенчатый пуансон имел геометрические размеры: диаметр алой ступени 19,8 мм, ее длину 40,0 мм; диаметр большой ступени 22,5 м.

Фиксирование трубы от осевого перемещения выполняли с помощью гидроцилиндра и механических захватов.

Нагружение трубы осуществляли на гидравлическом прессе ПСУ-250 с максимальным усилием деформирования в 0,4 Мн. Усилие разделения трубы не превышало 40 кн. Качество торцевой поверхности трубы, имеющей бандажи, соответствовало требованием производства.

Закрепление бандажированных труб в трубных решетках ремонтного варианта выявило полное соответствие новой технологии задачам производства.

Изобретение применимо для ремонтных работ на теплообменных аппаратах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных решетках в процессе локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. Способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешней поверхности концов трубы формируют кольцевые выступы, устанавливают ее в решетку, имеющую кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия со стороны внутренней поверхности трубы. Формирование кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения на концах трубы производят с одновременной калибровкой ее отверстия, для чего на торец разъемной матрицы, имеющей кольцевые выемки трапециевидного поперечного сечения, размещают соосно отверстию диск из упругого материала с диаметром отверстия, превышающим диаметр отверстия в матрице, устанавливают трубу, располагая ее торец в плоскости свободного торца диска, фиксируют ее от осевого перемещения, затем ее нагружают осевым сжимающим усилием в пределах части площади поперечного сечения посредством ступенчатого пуансона, вызывая последовательно раздачу трубы до диаметра отверстия в диске. На заключительной стадии производят подрезку по линии, лежащей в плоскости контакта торцев диска и матрицы, и запрессовку материала трубы между диском и большей ступенью пуансоса с окончательным заполнением объемов кольцевых выемок, после чего производят разделение трубы в плоскости ее подрезки. Разделение трубы производят или вращением кольца из упругого материала относительно оси, или перемещением ступенчатого пуансона в направлении, противоположном направлению его движения при нарушении трубы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешней поверхности концов трубы формируют кольцевые выступы, устанавливают ее в решетку, имеющую кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия со стороны внутренней поверхности трубы, отличающийся тем, что на концах трубы формируют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения с одновременной калибровкой ее отверстия, для чего на торец разъемной матрицы, имеющей кольцевые выемки трапециевидного поперечного сечения, размещают соосно с отверстием диск из упругого материала с диаметром отверстия, превышающим диаметр отверстия в матрице, устанавливают трубу, располагая ее торец в плоскости свободного торца диска, фиксируют трубу от осевого перемещения, затем ее нагружают осевым сжимающим усилием в пределах части площади поперечного сечения посредством ступенчатого пуансона, вызывая последовательно раздачу трубы до диаметра отверстия в диске, обеспечивая на заключительной стадии подрезку по линии, лежащей в плоскости контакта торцов диска и матрицы, и запрессовку материала трубы между диском и большей ступенью пуансона с окончательным заполнением объемов кольцевых выемок, после чего производят разделение трубы в плоскости ее подрезки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение трубы производят вращением диска из упругого материала относительно оси. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение трубы производят осевым перемещением ступенчатого пуансона в направлении, противоположном направлению его движения при нагружении трубы.