СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ С ТРУБНЫМИ РЕШЕТКАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B21D39/06 B23K11/00 B23K101/14 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности - к технологии и оснастке для соединения труб с трубными решетками, и предназначено для использования, преимущественно, при изготовлении трубчатых теплообменников в энергетическом и атомном машиностроении, но может найти применение и в других областях техники для решения аналогичной задачи - в нефтехимическом машиностроении, судостроении.

Известен способ соединения труб с трубной решеткой, при котором производят раздачу труб в отверстиях трубной решетки и приварку их к трубной решетке по периметру соединения, для чего в зону раздачи труб вводят разжимные кольцевые сварочные электроды, в процессе раздачи прижимают их к внутренней поверхности трубы по ее периметру, а в конце раздачи к упомянутым электродам и трубной решетке подают сварочный ток и осуществляют контактную сварку труб с трубной решеткой кольцевым швом (US 806313 A, 23.02.81, B 23 K 11/00).

Известно устройство для соединения труб с трубной решеткой, содержащее предназначенный для введения в трубу стержневой наконечник с расположенной на его конце съемной головкой, упор для ограничения глубины ввода в трубу наконечника с электроизоляционным элементом на опорной поверхности, размещенные на наконечнике элемент для раздачи трубы и, по меньшей мере, один разжимной кольцевой сварочный электрод, а также средство для подключения токоподвода от сварочного трансформатора.

Указанные известные способ и устройство позволяют осуществить соединение труб с трубными решетками достаточной толщины, превышающей расстояние между сварочными электродами, а оно - в свою очередь - вряд ли может быть меньше диаметра соединяемых труб в силу резкого снижения надежности в эксплуатации. Следовательно, трубная решетка должна быть толщиной не менее 1,5 - 2,0 диаметров труб, что ограничивает область их применения. Раздача труб в пределах практически всей толщины трубной решетки не всегда оправдана и требует значительных энергозатрат. Контактная приварка труб к трубным решеткам кольцевым швом выполняется на некотором расстоянии от переднего и заднего торцов трубной решетки, что не исключает образование полых кольцевых зон у обоих торцов трубной решетки, попадания в них рабочих сред и образования застойных зон, а возможная агрессивность рабочих сред и значительные внутренние напряжения материала труб в переходной зоне их раздачи может способствовать не только ускоренной коррозии металла, но и ускоренному увеличению и распространению микротрещин, вызывая ускоренное разрушение металла, снижая надежность и долговечность оборудования в эксплуатации. При этом не исключаются и аварийные ситуации с возможными последствиями различной тяжести. Одновременное выполнение контактной сваркой двух кольцевых швов практически исключает возможность контроля качества соединения (плотности), особенно сварного шва у задней торцевой стенки трубной решетки (дефекты сварного шва у передней торцевой стенки трубной решетки можно исправить их обваркой дуговой сваркой). Это дополнительно снижает надежность оборудования в эксплуатации. Устройство для осуществления этого способа не отличается простотой в конструктивном отношении и обслуживании и обладает в основном почти всеми недостатками, присущими устройствам для гидравлической раздачи труб. Кроме того, замена самого нестойкого элемента его конструкции - раздающей втулки из эластичного материала - с установкой на ее концах разрезных втулок, пружинных втулок под пакетами разрезных колец, образующих сварочные электроды, и самих пакетов разрезных колец представляет собой достаточно трудоемкую операцию и связана с потерями рабочего времени и производительности работ.

Технической задачей изобретений является повышение качества (плотности) соединения труб с трубной решеткой, а также расширение возможной области использования способа соединения труб с трубными решетками и устройства для его осуществления.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе соединения труб с трубной решеткой, включающем раздачу труб в отверстиях трубной решетки и приварку их к трубной решетке по периметру соединения, при котором в зону раздачи труб вводят кольцевые сварочные электроды, прижимают их к внутренней поверхности трубы по ее периметру в процессе раздачи, а в конце раздачи к электродам и к трубной решетке подают сварочный ток и осуществляют контактную сварку труб с трубной решеткой кольцевым швом, - в соответствии с данным изобретением раздачу труб в отверстиях трубной решетки выполняют кольцевыми участками ограниченной ширины в заданных зонах по толщине трубной решетки. При этом вначале можно выполнить раздачу труб указанным кольцевым участком, охватывающим задний торец трубной решетки, и контактную сварку труб с трубной решеткой кольцевым швом в конце раздачи каждой трубы, после такого частичного соединения всех труб с трубной решеткой проверяют плотность выполненных соединений, устраняют выявленные дефекты повторением раздачи и контактной приварки труб к трубной решетке в дефектных соединениях до устранения всех дефектов, после чего выполняют раздачу всех труб таким же кольцевым участком, но охватывающим переднюю торцевую стенку трубной решетки, и контактную сварку каждой трубы с трубной решеткой в этой зоне. При необходимости одновременно с раздачей труб кольцевым участком с захватом передней торцевой стенки трубной решетки и контактной сваркой их между собой или после выполнения этих операций можно выполнить такую же раздачу и сварку на промежуточном участке соединения труб с трубной решеткой. Данный способ позволяет указанную раздачу труб в трубной решетке и контактную сварку их между собой выполнить на двух крайних участках по толщине трубной решетки с охватом сварным швом ее передней и задней торцевых стенок одновременно, что обеспечит более высокое качество соединения при меньших энергозатратах. Повышение качества и надежности соединения труб с трубными решетками при осуществлении любого из перечисленных выше вариантов осуществления заявляемого способа может быть обеспечено проведением контроля качества сварки в зоне передней торцевой стенки трубной решетки с устранением обнаруженных дефектов повторной кольцевой раздачей труб в этой зоне и контактной сваркой кольцевого шва или обваркой дефектных и сомнительных участков дуговой сваркой без дополнительной раздачи.

Поставленная задача решается также тем, что вначале выполняют раздачу труб указанным кольцевым участком, охватывающим задний торец трубной решетки, и выполняют контактную сварку труб с трубной решеткой кольцевым швом в конце процесса раздачи каждой трубы, после такого соединения всех труб с трубной решеткой проверяют плотность выполненных соединений, устраняют выявленные дефекты повторением раздачи и контактной приварки труб к трубной решетке в дефектных соединениях до устранения всех дефектов, а затем выполняют приварку всех труб к трубной решетке кольцевым швом по передней кольцевой стенке последней дуговой сваркой. При этом перед приваркой труб к трубной решетке по передней торцевой стенке последней кольцевым швом дуговой сваркой можно осуществить раздачу (развальцовку) концов труб в зоне передней торцевой стенки трубной решетки.

Для решения поставленной задачи в устройстве для соединения труб с трубными решетками, содержащем вводимый в трубу стержневой наконечник со съемной головкой на конце, упор для ограничения глубины ввода наконечника в трубу с электроизоляционным элементом на опорной поверхности, размещенные на наконечнике раздающий трубу элемент и, по меньшей мере, один разжимной кольцевой сварочный электрод, а также средство для подключения токоподвода от сварочного трансформатора, например, клеммный зажим, - в соответствии с данным изобретением наконечником устройства служит шток силового цилиндра, на котором свободно размещены две сменные цилиндрические распорные втулки с обращенными одна к другой конусными торцевыми поверхностями, элемент для раздачи трубы и сварочный электрод выполнены в виде разрезной втулки, состоящей из набора секторных сухарей, изготовленных из высокопрочного электропроводного материала и подвижно соединенных между собой в радиальном направлении, например, пружинными кольцами, оба торца указанной втулки имеют конусную поверхность (с обращенными друг к другу вершинами конусов) и установлены каждый на конусном торце одной из распорных втулок, упор для ограничения закреплен на штоковой втулке силового цилиндра. При этом целесообразно, чтобы конусные торцевые поверхности распорных втулок и разжимного кольцевого сварочного электрода были выполнены с одинаковым углом при вершине конуса в пределах до 90^o. Целесообразно также, чтобы образующая наружную боковую поверхность упомянутого разжимного кольцевого сварочного электрода имела форму выпуклой кривой, например, части дуги окружности. Упор на штоковой втулке силового цилиндра следует выполнить упругим в осевом направлении. Наконец, для решения разных технологических задач устройство может содержать, по меньшей мере, один дополнительный разжимной кольцевой сварочный электрод и такое же количество дополнительных распорных втулок, причем последние выполнены конусной поверхностью на обоих торцах и расположены на штоке между основными распорными втулками.

Раздача труб в отверстиях трубной решетки кольцевыми участками ограниченной ширины только в заданных зонах трубной решетки по ее толщине позволяет уменьшить энергозатраты на раздачу труб. Раздача всех труб в отверстиях трубной решетки узкой кольцевой зоной вначале в зоне заднего торца трубной решетки с выполнением кольцевого шва контактной сваркой позволяет проверить плотность выполненных соединений, устранить выявленные дефекты повторением операций раздачи и сварки труб с трубной решеткой до полного устранения всех дефектов и завершить соединение всех труб с трубной решеткой выполнением их раздачи и сварки в зоне переднего торца трубной решетки. Способ полностью исключает образование кольцевых полостей вблизи торцовых поверхностей трубной решетки, гарантирует высокое качество соединения труб с трубной решеткой и позволяет повысить надежность и долговечность эксплуатации изготовленного этим способом оборудования по меньшей мере вдвое. Кроме того, выполнение одновременно с раздачей концов труб в зоне переднего торца трубной решетки и сварки их между собой, раздачи и сварки труб с трубной решеткой в промежуточной зоне в пределах толщины трубной решетки существенно повысит прочность соединения, а значит, дополнительно повысит надежность и долговечность изделия в эксплуатации. А это достигается без дополнительных затрат рабочего времени. Выполнение раздачи труб в трубных решетках и сварку их между собой одновременно на двух участках по толщине трубной решетки с захватом переднего и заднего торцов трубной решетки кольцевыми швами контактной сварки позволяет осуществить процесс с меньшими энергозатратах при более высоком качестве.

Сущность изобретения поясняют приводимые ниже примеры его осуществления, которые, однако, не исключают и другие варианты его осуществления в пределах формулы изобретения, и чертежи, на которых представлены:
- на фиг. 1 - общий вид устройства для осуществления одного из вариантов заявляемого способа соединения труб с трубными решетками в продольном осевом разрезе и вариант схемы осуществления автоматического управления процессом;
- на фиг. 2 - рабочая часть устройства по фиг.1, подготовленного для раздачи трубы и сварки ее с трубной решеткой в зоне передней торцевой стенки последней, и один из возможных вариантов конструктивного выполнения ограничительного упора, упругого в осевом направлении;
- на фиг. 3 - рабочая часть устройства в соответствии с данным изобретением, подготовленного для одновременной раздачи труб и сварки их с трубной решеткой в двух зонах по толщине последней, в частности - с захватом зоной раздачи и сварки переднего и заднего торцов трубной решетки;
- на фиг. 4 - рабочая часть устройства по фиг. 3, но с захватом зоной раздачи и сварки переднего торца трубной решетки и промежуточной зоны трубной решетки в пределах ее толщины при осуществлении одного из заявляемых способов.

Способ соединения труб с трубными решетками и его возможные варианты реализуются с помощью устройства и его модификаций, представленных на прилагаемых чертежах.

Устройство содержит (см. фиг.1) силовой цилиндр 1 с поршнем 2 и штоком 3, проходящим через штоковую втулку 4 корпуса цилиндра 1. На конце штока 3 закреплена съемная головка 5, а между головкой 5 и штоковой втулкой 4 на штоке 3 свободно размещены сменные цилиндрические распорные втулки 6 и 7. Обращенные друг к другу концы упомянутых втулок 6 и 7 выполнены с конусной торцовой поверхностью и взаимодействуют с противоположными концами размещенного между ними разжимного кольцевого сварочного электрода. Электрод выполнен в виде разрезной втулки из набора секторных сухарей 8, подвижно соединенных между собой в радиальном направлении пружинными кольцами 9, входящими в прорези сухарей 8, образующие кольцевые канавки на внешней боковой поверхности разрезной втулки у ее концов. Концы разрезной втулки выполнены с конусными торцовыми поверхностями и таким же углом при вершине конуса, что и у внешних конусных торцовых поверхностей распорных втулок 6 и 7. Целесообразно, чтобы угол при вершине конусов указанных поверхностей не превышал 90^o. Ограничение глубины введения рабочего конца устройства в обрабатываемое изделие предусмотрено с помощью упора, закрепленного на штоковой втулке 4 корпуса силового цилиндра 1. Особенность упора в заявляемом устройстве заключается в выполнении его упругим в осевом направлении. В показанном на фиг.1 варианте конструкции устройства упор выполнен составным из соосно расположенных втулок 10 и 11, одна из которых охватывает другую с возможностью их относительного перемещения, а противоположные концы втулок соединены между собой сильфоном 12 или другим упругим элементом (например, пружиной осевого сжатия - такой вариант в чертежах не представлен). Для электроизоляции корпуса силового цилиндра 1 при установке устройства для обработки изделия, на опорном торце втулки 11 закреплена втулка 13 из электроизоляционного материала. Для подключения разжимного кольцевого сварочного электрода к токоподводу сварочного трансформатора на корпусе силового цилиндра предусмотрен клеммный зажим 14. Одной из основных особенностей устройства является совмещение разжимным кольцевым сварочным электродом функций раздающего трубу элемента, для чего образующие его секторные сухари 8 должны быть выполнены из высокопрочного и твердого материала с высокой электропроводностью. Для уменьшения энергозатрат при раздаче труб 15 кольцевым участком ограниченной ширины и обеспечения точного расположения выполняемого контактной сваркой кольцевого шва в заданной зоне в пределах толщины трубной решетки 16, образующая наружную боковую поверхность разрезной втулки разжимного кольцевого сварочного электрода из секторных сухарей 8 выполнена в виде выпуклой кривой, преимущественно части дуги окружности, с расположением максимального диаметра втулки в средней части по ее длине.

Устройство в представленном на фиг. 1 варианте его конструкции и компоновки основных элементов обеспечивает раздачу труб 15 в отверстиях трубной решетки 16 с выполнением кольцевого шва 17 контактной сваркой в зоне задней торцовой поверхности трубной решетки 16 независимо от толщины последней. Это достигается соответствующим подбором длины распорных втулок 6 и 7. Таким образом, представленный на фиг.1 вариант конструкции устройства позволяет реализовать первый этап способа соединения труб с трубных решетками, предусматривающего выполнение соединения в несколько этапов. Работа устройства, или первый этап осуществления способа, могут быть полностью автоматизированы с использованием известных средств и схем, одна из которых с условным изображением входящих в нее элементов представлена на фиг. 1 вместе с устройством. Для работы устройства необходим источник рабочей среды под давлением. В предлагаемом варианте им может быть насос 18 высокого давления с приводом (не показан) и расходной емкостью 19 с запасом рабочей среды. Для управления подачей рабочей среды под давлением под поршень 2 в штоковую полость 20 силового цилиндра 1 с отводом рабочей среды из полости 21 над поршнем 2 силового цилиндра 1 в расходную емкость 19 и наоборот предусмотрен четырехходовой двухпозиционный электромагнитный переключатель потока 22, содержащий установленный на пружине 23 золотник 24, связанный с якорем электромагнита, управляемого катушкой 25. Золотник 24 разделяет рабочую полость переключателя потока 22 на три камеры, из которых центральная камера высокого давления в любом положении золотника 24 остается подключенной трубопроводом 26 к напорному патрубку насоса 18, а обе крайние камеры непосредственно или через каналы в золотнике 24 трубопроводом 27 соединены с полостью расходной емкости 19. Подпоршневая (штоковая) полость 20 цилиндра 1 трубопроводом 28 с установленным на нем реле давления "РД" подключена к левой (по фиг. 1) камере рабочей полости переключателя потока 22, а надпоршневая полость 21 цилиндра 1 трубопроводом 29 подключена к средней камере высокого давления переключателя 22. Всасывающий патрубок насоса 18 подключен к трубопроводу 30, введенному в расходную емкость 19 с рабочей средой. Отвод напорного трубопровода 26 через регулируемый предохранительный (перепускной) клапан 31 подключен к полости расходной емкости 19. Катушка 25 электромагнита переключателя потока 22 соединена параллельно с обмоткой реле напряжения "РН", и к источнику электропитания они подключены последовательно через нормально открытые контакты "IPH" этого реле, шунтированные пусковой кнопкой "Кп", и нормально замкнутые контакты "IPT" реле тока "РТ" во вторичной цепи сварочного трансформатора "Тр", которое включено последовательно с нормально открытыми контактами "IРД" упомянутого реле давления "РД". Токоподвод 32 от клеммного зажима 14 на корпусе силового цилиндра 1 и подключаемый к трубной решетке 16 токоподвод 33 с выходом вторичной обмотки сварочного трансформатора "Тр" могут быть соединены, например, через спаренный выключатель "Вк".

Работа устройства по фиг. 1 в автоматическом режиме заключается в следующем. После введения рабочей части устройства по фиг.1 в трубу 15, установленную в отверстии трубной решетки 16, токоподводы 32 и 33 соединяют соответственно с клеммным зажимом 14 на корпусе силового цилиндра 1 и с трубной решеткой 16, включают выключатель "Вк" и включают в электросеть сварочный трансформатор "Тр", катушку 25 электромагнита переключателя потока 22 и привод насоса 18. Нажатием пусковой кнопки "Кп" напряжение питания подают в обмотки катушки 25 и реле напряжения "РН". Сработает реле напряжения "РН" и замкнет нормально открытые контакты "IРН", обеспечивая подачу электропитания в указанные обмотки и после отпускания пусковой кнопки "Кп". Создаваемое катушкой 25 магнитное поле сместит влево (по фиг. 1) якорь электромагнита и связанный с ним золотник 24. Трубопровод 28 окажется сообщенным с камерой высокого давления переключателя потока 22, и рабочая среда начнет поступать в штоковую полость 20 силового цилиндра 1, а его надпоршневая полость 21 через трубопровод 29 окажется сообщенной с правой полостью низкого давления переключателя потока 22, соединенную трубопроводом 27 с полостью расходной емкости 19, в которую и будет вытесняться рабочая среда из полости 21 силового цилиндра 1. Пока давление рабочей среды в штоковой полости 20 силового цилиндра 1 будет оставаться ниже порога срабатывания реле давления "РД", его контакты в цепи вторичной обмотки трансформатора "Тр" будут оставаться разомкнутыми и тока в этой цепи не будет. Поступление рабочей среды в штоковую полость 20 силового цилиндра 1 и постепенный подъем ее давления насосом 18 вызовет относительное перемещение поршня 2 в полости корпуса цилиндра 1. Поскольку втулка 13 ограничительного упора препятствует перемещению корпуса силового цилиндра 1 относительно трубы 15 и трубной решетки 17, такое перемещение будет совершать шток 3 со съемной головкой 5 и распорной втулкой 7. Распорная втулка 6 вместе с корпусом силового цилиндра будут оставаться неподвижными. Сближение распорных втулок 6 и 7 вызовет частичное перемещение вместе со штоком 3 втулки из секторных сухарей 6 и одновременное радиальное расхождение сухарей 8. Как только радиальный зазор между трубой 15 и втулкой из секторных сухарей 8 будет полностью выбран и последние окажутся прижаты к внутренней поверхности трубы 15, смещению секторных сухарей 8 со штоком 3 относительно трубы 15 будет препятствовать возрастающая сила трения на поверхности контакта сухарей 8 и трубы 15. Давление рабочей среды в штоковой полости 20 силового цилиндра 1 начнет расти, появится осевое усилие сжатия ограничительного упора. Дальнейшее поступление рабочей среды в штоковую полость 20 силового цилиндра 1 и повышение ее давления вызовет перемещение поршня 2 в полости силового цилиндра 1 и втягивание штока 3, но теперь при относительно неподвижной втулке из секторных сухарей 8 одновременно с перемещением штока 2 с распорной втулкой 7 относительно втулки из секторных сухарей 8 начнется встречное перемещение корпуса силового цилиндра 1 за счет сжатия упругого элемента ограничительного упора - сильфона 12, а вместе с перемещением корпуса цилиндра 1 получит относительное перемещение и распорная втулка 6. Продолжится радиальное расхождение секторных сухарей 8, но теперь уже с одновременной раздачей прилегающего к ним кольцевого участка стенки трубы 15, который под действием усилия раздачи будет находиться в упруго-пластическом состоянии. Когда давление рабочей среды достигнет величины, при которой раздаваемый сухарями 8 кольцевой участок стенки трубы 15 войдет в плотный контакт со стенками отверстия в трубной решетке 16 по всему периметру (определяется расчетом и/или экспериментальной проверкой), сработает реле давления "РД", его нормально открытые контракты "IРД" в цепи вторичной обмотки сварочного трансформатора "Тр" замкнутся, и по цепи "корпус силового цилиндра 1 - шток 3 - распорные втулки 6 и 7 - секторные сухари 8 - кольцевой участок трубы 15 - трубная решетка 16-цепь вторичной обмотки трансформатора "Тр" - пойдет ток. Прохождение тока через кольцевую поверхность контакта трубы 15 с трубной решеткой 16 вызовет сильный разогрев и оплавление металла на их контактной поверхности, повышение температуры металла трубы 15 в этой зоне, находящейся под действием усилия раздачи в упруго-пластическом состоянии, переход металла трубы 15 в пластическое состояние и дополнительную ее раздачу уже без повышения давления рабочей среды, что и вызывает контактную сварку трубы 15 с трубной решеткой 16. Одновременно с оплавлением металла по кольцевой поверхности контакта трубы 15 с отрубной решеткой 16 в силу резкого падения электросопротивления по упомянутой поверхности контакта резко возрастает ток в цепи вторичной обмотки трансформатора "Тр". Это вызывает срабатывание реле тока "РТ" и размыкание его нормально замкнутых контактов "IРД" в цепи питания катушки 25 электромагнита переключателя потока 22 и реле напряжения "РН". Разомкнутся замкнутые при срабатывании реле напряжения "РН" его контакты "IРН" в цепи питания катушки 25 электромагнита и реле напряжения "РН". Под действием сжатой пружины 23 золотник 24 возвратится в исходное положение, трубопровод 28 окажется сообщенным с камерой низкого давления полости переключателя потока 22, сообщенной через каналы золотника 24 и вторую полость низкого давления с трубопроводом 27 отвода рабочей среды в расходную емкость 19, а трубопровод 29 окажется подключенным к камере высокого давления переключателя потока 22. Рабочая среда из штоковой полости 20 силового цилиндра 1 начнет сливаться в расходную емкость 19 и давление ее в этой магистрали упадет, реле давления "РД" возвратится в исходное положение, его контакты "IРД" в цепи вторичной обмотки сварочного трансформатора "Тр" разомкнутся и обесточат цепь. Рабочая среда под давлением начнет поступать по трубопроводу 29 в надпоршневую полость 21 цилиндра 1, возвращая поршень 2 в крайнее правое (по фиг. 1) положение. При этом в исходное положение возвратятся сильфон 12 ограничительного упора и секторные сухари 8, образующие разрезную втулку разжимного сварочного электрода. Теперь устройство можно переставить в очередную трубу 15, и после нажатия на пусковую кнопку "Кп" описанные процессы повторяются в автоматическом режиме. Система автоматического управления описанным процессом может быть дополнена цепью сигнализации начала и/или окончания операции контактной сварки с использованием второй пары контактов реле давления "РД" или реле тока "РТ" по одной из известных схем. Если после заданного подъема давления рабочей среды и раздачи трубы 15 до контакта ее по периметру кольцевого участка с трубной решеткой 16 по какой-либо причине не состоится операция контактной сварки, дальнейший подъем давления рабочей среды будет ограничен величиной, при которой срабатывает предохранительный перепускной клапан 31. То же произойдет и после завершения любого цикла с возвращением поршня 2 в исходное положение, если насос 18 не будет выключен, а пусковая кнопка "Кп" не будет нажата для выполнения очередного цикла, подаваемая насосом 18 рабочая среда будет сброшена через клапан 31 в расходную емкость 19.

После указанной контактной сварки всех труб 15 с трубной решеткой 16 кольцевыми швами 17 в зоне задней торцевой стенки последней проводят проверку качества выполненных соединений, преимущественно плотности сварных швов, любыми известными способами. Выявленные дефекты устраняют повторением операций раздачи и контактной сварки кольцевых швов в той же зоне с корректировкой, при необходимости, режимов раздачи и контактной сварки изменением порога срабатывания реле давления "РД" и реле тока "РТ".

После полного устранения выявленных дефектов в выполненных соединениях приступают к завершающей стадии соединения труб 15 с трубной решеткой 16 - раздаче труб кольцевыми участками ограниченной ширины и выполнению кольцевого шва контактной сваркой с захватом сварным швом передней торцевой стенки трубной решетки 16. Эти операции выполняют тем же заявляемым устройством, как показано на фиг. 2 чертежей. Отличие устройства по фиг. 2 в сравнении с представленным на фиг. 1 заключается только в компоновке элементов на рабочей части устройства и в новом варианте конструкции ограничительного упора, упругого в осевом направлении. В частности изменено расположение на штоке 3 распорных втулок 6 и 7 на обратное с соответствующим смещением разжимного кольцевого сварочного электрода из секторных сухарей 8, а ограничительный упор может быть выполнен в виде втулки 34 из упругого материала с хорошими электроизоляционными свойствами, установленной с натягом на штоковой втулке 4 силового цилиндра 1. Работа устройства при выполнении этой стадии способа соединения труб с трубными решетками абсолютно аналогична работе его на первой стадии рассматриваемого варианта способа, включая работу системы автоматического управления.

При хорошей отработке технологических режимов раздачи труб 15 и контактной сварки их кольцевым швом с трубной решеткой 16, исключающей необходимость проверки качества (плотности) соединения труб 15 с трубной решеткой 16 по кольцевым сварным швам 17, соединение труб с трубными решетками может быть выполнено еще одним вариантом осуществления заявляемого способа, обеспечивающим максимальную производительность.

Сущность такого варианта заявляемого способа соединения труб с трубными решетками заключается в том, что раздачу труб кольцевыми участками ограниченной ширины и приварку их к трубной решетке выполняют одновременно на двух крайних участках в пределах толщины трубной решетки с захватом сварными швами передней и задней торцевых стенок трубной решетки. Для его осуществления в устройстве по фиг. 1 или фиг. 2 уменьшают длину распорной втулки 6 и дополнительно вводят промежуточную распорную втулку 35 с внешней конусной поверхностью обоих торцов и еще один разжимной кольцевой сварочный электрод из секторных сухарей 8. Такой вариант рабочей части заявляемого устройства представлен на фиг. 3 чертежей. Работа устройства при осуществлении этого варианта заявляемого способа несколько отличается от ранее описанных вариантов и заключается в следующем. Шток 3 устройства с опорными втулками 6, 7 и 35 и двумя разжимными кольцевыми сварочными электродами из секторных сухарей 8 вводят в трубу 15, установленную в отверстии трубной решетки 16, до контакта торца упора 34 в переднюю торцовую стенку трубной решетки 16. При этом средняя часть одного из разжимных кольцевых сварочных электродов из секторных сухарей 8 должна располагаться в полости передней торцевой стенки трубной решетки 16, а второго - в плоскости ее задней торцевой стенки или несколько дальше, что обеспечивается подбором длины упомянутых распорных втулок и втулки 34 ограничительного упора. Затем подключают токоподводы 32 и 33 соответственно к клеммному зажиму 14 на корпусе силового цилиндра 1 и к трубной решетке 16, как показано на фиг. 1 чертежей, и включают в цепь питания привод насоса 18, катушку 25 электромагнита переключателя потока 22 с реле напряжения "РН" и сварочный трансформатор "Тр". После нажатия на пусковую кнопку "Кп" катушка 25 электромагнита и обмотка реле напряжения "РН" окажутся под напряжением, срабатывание реле напряжения "РН" вызовет замыкание его контактов "IРН" в цепи питания, а создаваемое катушкой 25 магнитное поле вызовет срабатывание переключателя потока 22 - смещение золотника 24 в левое по фиг.1 положение. Подаваемая насосом 18 рабочая среда через камеру высокого давления переключателя 22 начнет поступать в трубопровод 28 с включенным в него реле давления "РД" и далее в штоковую полость 20 силового цилиндра 1, а из полости 21 силового цилиндра 1 рабочая среда будет вытесняться в трубопровод 29 и далее через правую по фиг. 1 камеру переключателя 22 и трубопровод 27 сбрасываться в расходную емкость 19 за счет перемещения влево (по фиг. 1) поршня 2 силового цилиндра 1. Перемещение поршня 2 при неподвижных корпусе силового цилиндра 1 и распорной втулки 7 вызовет перемещение штока 3 с головкой 5 и разное перемещение размещенных на штоке 3 и сопряженных между собой элементов. Распорная втулка 6 будет перемещаться вместе со штоком 3, секторные сухари 8 сопряженного со втулкой 6 кольцевого разжимного сварочного электрода будут перемещаться с меньшей скоростью за счет одновременного их расхождения в радиальном направлении от контакта с конусными поверхностями втулок 6 и 35 и вызовет такое же линейное перемещение втулки 35, а при неподвижной втулке 7 секторные сухари 8 второго кольцевого разжимного сварочного электрода будут перемещаться с еще меньшей линейной скоростью за счет их расхождения в радиальном направлении от контакта с конусными поверхностями втулок 7 и 35. Когда секторные сухари 8 первого из указанных разжимных кольцевых сварочных электродов при их расхождении в радиальном направлении достигнут внутренней поверхности трубы 15 и войдут с нею в плотный контакт по кольцевой поверхности сопряжения, их дальнейшему расхождению будут препятствовать силы упругости стенки трубы, а линейному перемещению - силы трения на контактных поверхностях. Это создаст сопротивление дальнейшему перемещению штока 3 и приведет к встречному перемещению по штоку 3 корпуса силового цилиндра 1 с распорной втулкой 7. Втулка 34 ограничительного упора начнет сжиматься в осевом направлении под действием усилия со стороны корпуса силового цилиндра 1, обеспечивая перемещение корпуса цилиндра 1 и распорной втулки 7. Секторные сухари 8 сопряженного с распорной втулкой 7 разжимного кольцевого сварочного электрода получат меньшее, чем втулка 7, линейное перемещение в обратном направлении, и одновременно продолжится их расхождение в радиальном направлении от контакта с конусными поверхностями втулок 7 и 35. Когда сухари 8 этого кольцевого сварочного электрода тоже достигнут внутренней поверхности трубы 15 и войдут с нею в плотный контакт по кольцевой поверхности сопряжения, давления рабочей среды в полости 20 силового цилиндра 1 окажется недостаточно для преодоления сопротивления упругих сил стенки трубы 15 и дальнейшего расхождения сухарей 8. По мере роста давления в полости 20 силового цилиндра 1 будет увеличиваться и встречно направленное осевое усилие на сухари 8 обоих сварочных электродов. Радиальная раздача сухарей 8 сместится к торцам, взаимодействующим с конусными торцами втулок 6 и 7, поскольку повышение давления в полости 20 силового цилиндра 1 обеспечит встречное осевое перемещение штока 3 и корпуса силового цилиндра 1. Такая раздача сухарей 8 обоих кольцевых сварочных электродов будет происходить вместе со стенкой трубы 15 за счет ее раздачи под действием радиальных усилий, передаваемых стенке трубы от сухарей 8 в зоне их контакта, до достижения контакта трубы 15 с трубной решеткой 16 по кольцевым поверхностям в зонах раздачи трубы. При дальнейшем повышении давления рабочей среды в полости 20 силового цилиндра стенки отверстия в трубной решетке 16 в зоне их контакта с трубой 15 начнут испытывать давление раздачи, и в материале трубной решетки 16 возникнут напряжения. Их величина не должна вырасти до предела упругости и вызвать остаточную деформацию отверстия, что обеспечивается настройкой реле давления "РД" на срабатывание при достижении давлением рабочей среды определенной величины, устанавливаемой расчетом или экспериментально. При срабатывании реле давления "РД" контакты "IРД" во вторичной цепи сварочного трансформатора "Тр" замкнутся, и по цепи - "корпус силового цилиндра 1 - шток 3 - распорные втулки 6, 7 и 35 - секторные сухари 8 обоих разжимных кольцевых сварочных электродов - труба 15 в зонах ее раздачи - трубная решетка 16 по кольцевым участкам ее контакта с трубой 15" - пойдет ток. Дальнейшая работа системы автоматического управления и характер работы устройства до завершения этого цикла будут аналогичны описанным для первого и заключительного этапов первого варианта заявляемого способа с той лишь разницей, что в данном случае будет выполнена контактная сварка двух кольцевых швов. После возвращения устройства в исходное положение рабочая часть его может быть переставлена в очередную трубу 15 обрабатываемого изделия для ее раздачи и соединения с трубной решетной 16.

При повышенных требованиях к прочности закрепления труб в трубной решетке осуществление любого из уже описанных вариантов заявляемого способа может быть дополнено раздачей труб в одной или нескольких промежуточных зонах по толщине трубной решетки кольцевыми участками ограниченной ширины с контактной их сваркой кольцевым швом с помощью заявляемого устройства соответствующим подбором длины распорных втулок 6 и 7. Эта дополнительная раздача и соединение труб с трубной решеткой в одной или нескольких промежуточных зонах могут быть отдельной операцией, выполняемой как первый или заключительный этап в первом варианте заявляемого способа, и в дополнительных разъяснениях не нуждается. Однако при осуществлении первого варианта заявляемого способа его заключительный этап может быть проведен устройством по фиг. 3 с одновременной раздачей и сваркой трубы с трубной решеткой в зоне передней торцевой стенки последней и на одном из промежуточных участков. Такой вариант осуществления заявляемого способа представлен на фиг. 4.

Исходное положение соответствует исходному положению при осуществлении последнего этапа первого варианта заявляемого способа, представленного на фиг. 2: в обрабатываемом изделии уже произведена раздача труб 15 в отверстиях трубной решетки 16 и контактная сварка их кольцевым швом 17 в зоне задней торцевой стенке трубной решетки 16. Вместо устройства по фиг. 2 здесь используется устройство по фиг. 3 с соответствующей длиной распорной втулки 6 и промежуточной распорной втулки 35. Технологический процесс выполнения заключительного этапа соединения труб с трубной решеткой в этом варианте осуществления заявляемого способа в точности повторяет предыдущий вариант с одновременной раздачей труб в двух зонах и в дополнительных разъяснениях не нуждается.

При необходимости дополнительного закрепления труб в двух промежуточных зонах по толщине трубной решетки эта операция тоже может быть выполнена одновременно заявляемым устройством по фиг. 3 или фиг. 4 соответствующим подбором длин распорных втулок 6, 7 и 35 без изменения технологического процесса (такой вариант в чертежах не представлен).

Возможность одновременной раздачи труб в трех зонах по толщине трубной решетки требует экспериментальной проверки, но теоретически вряд ли осуществима из-за малой вероятности раздачи трубы в средней зоне из трех.

После завершения любого из представленных вариантов заявляемого способа может быть проведен визуальный (или иной) контроль качества сварного шва в зоне передней торцевой стенки трубной решетки 16 с устранением выявленных дефектов повторением раздачи и сварки в этой зоне устройством по фиг. 2 или обычной дуговой сваркой.

Наконец, завершающий этап первого из представленных вариантов заявляемого способа может быть заменен дуговой кольцевой сваркой конца трубы 15 с трубной решеткой 16 с раздачей конца трубы 15 или без нее, которая может быть выполнена другими устройствами как до выполнения сварки, так и после нее.

Таким образом, варианты заявляемого способа соединения труб с трубными решетками и устройство для их реализации обеспечивают получение надежного и прочного соединения, в ряде случаев более высокого качества и долговечности по сравнению с известными способами и с меньшими трудозатратами. Исключение из конструкции устройства раздающей эластичной втулки и совмещение ее функций разжимным кольцевым сварочным электродом существенно повышает надежность и долговечность в эксплуатации самого устройства, снижает затраты времени на его обслуживание в эксплуатации и повышает за счет этого производительность работ.

Изобретения могут быть использованы в энергетическом и атомном машиностроении при изготовлении трубчатых теплообменников. Способ соединения труб с трубными решетками предусматривает раздачу труб с введением в зону раздачи разжимных кольцевых сварочных электродов и подачей на них в конце раздачи сварочного тока для выполнения кольцевой контактной сварки труб с трубной решеткой. Особенностью заявляемого способа является выполнение раздачи труб кольцевыми участками ограниченной ширины в заданных зонах по толщине трубной решетки. При этом вначале выполняют такую раздачу всех труб в зоне заднего торца трубной решетки и контактную приварку их кольцевым швом, после чего проверяют плотность выполнения всех соединений, выявленные дефекты устраняют повторением раздачи с контактной сваркой всех дефектных соединений до устранения дефектов, после чего выполняют такую же раздачу и контактную сварку кольцевым швом в зоне передней торцевой стенки трубной решетки. Способ реализуется устройством, содержащим силовой цилиндр с упором для ограничения глубины ввода штока в трубу, съемную головку на конце штока, свободно размещенные на штоке две сменные цилиндрические распорные втулки, обращенные друг к другу, концы которых выполнены с конусной торцовой поверхностью, и размещенный между ними разжимной кольцевой сварочный электрод в виде разрезной втулки из набора секторных сухарей, подвижно соединенных между собой в радиальном направлении. Торцы разрезной втулки имеют конусную поверхность и взаимодействуют с торцами распорных втулок. Особенностью заявляемого устройства является совмещение сварочным электродом функций раздающего элемента. В результате обеспечивается повышение качества полученного соединения и расширение области применения способа и устройства. 2 c. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ соединения труб с трубной решеткой, при котором производят раздачу труб в отверстиях трубной решетки и приварку их к трубной решетке по периметру соединения, для чего в зону раздачи труб вводят разжимные кольцевые сварочные электроды, в процессе раздачи прижимают их к внутренней поверхности трубы по ее периметру, а в конце раздачи к упомянутым электродам и трубной решетке подают сварочный ток и осуществляют контактную сварку труб с трубной решеткой кольцевым швом, отличающийся тем, что раздачу труб в отверстиях трубной решетки выполняют кольцевыми участками ограниченной ширины в заданных зонах по толщине трубной решетки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сначала производят раздачу каждой трубы, соединяемой с решеткой, кольцевым участком, охватывающим задний торец трубной решетки, и контактную сварку с решеткой кольцевым швом, после упомянутого частичного соединения всех труб с трубной решеткой проверяют плотность полученных соединений, устраняют выявленные дефекты повторением раздачи и контактной сварки в дефектных соединениях трубы с трубной решеткой, после чего производят раздачу всех труб кольцевым участком, охватывающим передний торец трубной решетки, и контактную сварку каждой трубы с трубной решеткой в этой зоне. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что одновременно с раздачей труб кольцевым участком, охватывающим передний торец трубной решетки, и контактной сваркой их между собой производят раздачу труб и их контактную сварку с трубной решеткой на промежуточном участке, расположенном между передним и задним торцами трубной решетки. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что раздачу труб в отверстиях трубной решетки и контактную сварку их между собой кольцевым швом производят одновременно на двух крайних кольцевых участках по толщине трубной решетки, при этом сварными швами охватывают соответственно передний и задний торцы трубной решетки. 5. Способ по любому из пп.2 - 4, отличающийся тем, что после соединения всех труб с трубной решеткой проводят визуальную проверку качества контактной сварки труб с трубной решеткой в зоне переднего торца трубной решетки и обнаруженные дефекты устраняют повторной раздачей труб в этой зоне и выполнением контактной сварки кольцевого шва или подваркой дефектных и сомнительных участков дуговой сваркой без дополнительной раздачи. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сначала производят раздачу труб кольцевым участком, охватывающим задний торец трубной решетки, и контактную сварку труб с трубной решеткой кольцевым швом, после упомянутого закрепления всех труб в отверстиях трубной решетки проверяют плотность полученных соединений, устраняют выявленные дефекты повторением раздачи и контактной сварки труб с трубной решеткой в дефектных соединениях и приваривают все трубы к трубной решетке по ее переднему торцу кольцевым швом дуговой сваркой. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что перед приваркой труб к трубной решетке по ее переднему торцу дуговой сваркой производят раздачу концов труб в зоне переднего торца трубной решетки. 8. Устройство для соединения труб с трубной решеткой, содержащее предназначенный для введения в трубу стержневой наконечник с расположенной на его конце съемной головкой, упор для ограничения глубины ввода наконечника в трубу с электроизоляционным элементом на опорной поверхности, размещенные на наконечнике элемент для раздачи трубы и по меньшей мере один разжимной кольцевой сварочный электрод, и также средство для подключения токоподвода от сварочного трансформатора, отличающееся тем, что стержневой наконечник выполнен в виде штока силового цилиндра и свободно размещенных на нем двух сменных цилиндрических распорных втулок с обращенными одна к другой конусными торцевыми поверхностями, а количество элементов для раздачи трубы равно количеству сварочных электродов, при этом элемент для раздачи трубы и сварочный электрод выполнены в виде разрезной втулки, состоящей из набора секторных сухарей из высокопрочного электропроводного материала, соединенных между собой с возможностью перемещения в радиальном направлении, торцы которой выполнены с конусными поверхностями с обращенными одна к другой вершинами конусов, расположенными в контакте с конусными торцевыми поверхностями соответствующих распорных втулок, корпус силового цилиндра выполнен со штоковой втулкой, а упор для ограничения глубины ввода в трубу наконечника закреплены на упомянутой штоковой втулке. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что средство для подключения токоподвода от сварочного трансформатора выполнено в виде клеммного зажима. 10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что секторные сухари соединены между собой с помощью пружинных колец. 11. Устройство по любому из пп.8 - 10, отличающееся тем, что конусные поверхности распорных и разрезной втулок выполнены с одинаковым углом при вершине конуса, величина которого находится в диапазоне до 90^o. 12. Устройство по любому из пп.8 - 11, отличающееся тем, что разрезная втулка выполнена с образующей наружной боковой поверхности, имеющей форму выпуклой кривой, например, части дуги окружности. 13. Устройство по любому из пп.8 - 12, отличающееся тем, что ограничительный упор выполнен упругим в осевом направлении. 14. Устройство по любому из пп.8 - 13, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одной дополнительной распорной втулкой, выполненной с конусной поверхностью на торцах и расположенной на наконечнике между основными распорными втулками, а разрезные втулки расположены между основными и дополнительными распорными втулками.