ВНУТРЕННИЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ СБОРКИ И СВАРКИ В ВАКУУМЕ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ ТРУБ Российский патент 2001 года по МПК B23K37/53 

Изобретение относится к внутренним центраторам для сборки и центровки труб под сварку, преимущественно для сварки в камерах с контролируемой атмосферой, например, для электронно-лучевой сварки в вакууме труб из активных металлов.

При электронно-лучевой сварке труб к сборке стыков предъявляются особо высокие требования, главным образом на отсутствие в собранном под сварку стыке различных щелей.

В собранном под сварку стыке на известных внутренних центраторах щели могут образовываться как кольцевые, так и секторные.

Кольцевые щели шириной, как правило, не более 0,3 мм образуются из-за отсутствия в известных центраторах механизма для осевого стягивания труб, когда соприкосновение торцев осуществляют вручную, а потом центрируют с помощью центратора. В том случае, когда к длинной подстыковывается короткая труба в виде патрубка с тяжелым фланцем, то из-за веса патрубка может образовываться щель переменной ширины. Избежать такой щели возможно только за счет применения предварительных прихваток. Секторные щели образуются также и в случае незначительной неперпендикулярности свариваемых торцев по отношению к своим осям. Жесткие внутренние центраторы не допускают "перелома" осей в плоскости стыка при плотном прилегании торцев, что неизбежно приводит к образованию небольших секторных щелей, к которым наиболее чувствительна электронно-лучевая сварка, что особенно заметно на тонкостенных трубах, в сварных швах которых из-за неплотного прилегания свариваемых торцев возможен прожог сварного шва, т.е. образование щели с оплавливаемыми кромками торцев.

Еще одна проблема, которая возникает при сборке под сварку с помощью внутреннего центратора, связана с тем, что центрируемые под сварку длинномерная труба и концевой патрубок при одинаковых номинальных диаметрах имеют достаточно большой разброс допусков по диаметрам, по эллипсности и разностенности. Когда эти отклонения на трубе и патрубке оказываются на противоположных крайних значениях, то при центровке по внутренним диаметрам в стыке возникают ступеньки, величину которых известными внутренними центраторами усреднить нельзя, хотя эти ступеньки отрицательно влияют на процесс равномерного формирования сварного шва.

Известен внутренний центратор для сборки и сварки кольцевых стыков труб (а.с. СССР N 1088903, МКИ5 B 23 K 37/053, 1984 г.).

Недостатком указанного устройства является отсутствие в конструкции центратора механизма для стягивания торцев свариваемых труб, что не исключает вероятности образования в собранном под сварку стыке различных щелей, которые могут в свою очередь явиться причиной получения некачественного сварного соединения.

Указанный центратор также мало эффективен при сварке труб, имеющих разброс по допускам на диаметр, эллипсность и разностенность, т.к. конструкция центратора не позволяет перемещать торцы относительно друг друга и фиксировать их в оптимальном положении. Кроме этого, указанное устройство малопригодно для сварки в контролируемой атмосфере, особенно в вакууме, т.к. конструкция центратора препятствует откачке воздуха из внутренней зоны стыка до рабочего разрежения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для сборки и центровки труб под сварку, содержащее центральный стержень с гайками, фланцы, концентрично установленные на стержне, и кольцевые эластичные уплотнения с возможностью их деформирования за счет перемещения гайки (а.с. СССР N 1815099, МКИ5 B 23 K 37/053, 1993 г.).

К недостаткам этого устройства относится отсутствие в конструкции центратора механизма для стягивания торцев свариваемых труб, что может явиться причиной образования в собранном под сварку торце различного рода щелей и образование в результате этого брака в сварном шве.

Кроме этого, известный центратор не позволяет перемещать торцы стыкуемых труб относительно друг друга с целью усреднения величины ступенек на границе стыка, образующихся из-за разницы величин фактических допусков на диаметры соединяемых труб, их разностенность и эллипсность.

Этот центратор также мало пригоден для сварки труб в вакууме, т.к. вакуумирование зоны под сварным соединением будет производиться через систему мелких отверстий в стенках центрального полого стержня, наружной втулки и экрана, что экономически непригодно из-за большого увеличения времени, необходимого для получения рабочего разрежения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание внутреннего центратора для сборки и сварки в вакууме кольцевых стыков труб, который бы обеспечивал сборку труб без образования щели в собранном под сварку стыке, которая может образовываться как за счет неплотного прилегания торцев труб, так и за счет неперпендикулярности торцев по отношению к своим трубным осям, а также центратор должен позволять производить усреднение ступенек, возникающих в стыке при сборке трубы с концевой деталью из-за различия их допусков по диаметрам, эллипсности и разностенности.

Еще одной задачей является обеспечение вакуумной герметизации внутренней полости длинномерной трубки после сборки ее под сварку с короткой трубой или патрубком, при этом конструкция центратора не должна препятствовать созданию вакуума во внутренней зоне стыка.

Технический результат состоит в том, что центратор при сборке труб производит их стягивание с усилием в несколько сот килограммов и допускает при стягивании излом осей труб в плоскости стыка, что обеспечивает плотное прижатие торцев труб друг к другу без образования между ними щели, даже если их торцы неперпендикулярны по отношению к своим осям.

Это гарантирует равные условия для стабильного, при прочих равных условиях, формирования сварного шва на всей его длине, что значительно снижает брак в сварных соединениях при электронно-лучевой сварке труб, например, при сварке циркониевых труб длиной 8 метров с переходниками цирконий-сталь длиной 200 мм для каналов ядерного реактора РБМ-К.

Кроме этого, центратор в процессе сварки позволяет смещать торцы в плоскости стыка и прочно фиксировать выбранное положение с целью уменьшения высоты ступенек в стыке, вызванных разбросом допусков на диаметры, на эллипсность и разностенность собираемых под сварку труб.

Еще один технический результат состоит в том, что при установке центратора в длинномерную трубу ее внутренняя полость на участке, премыкающем к свариваемому стыку, автоматически вакуумно герметизируется, а пространство под стыком легко и быстро вакуумируется наровне с внешней зоной сварного шва.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном внутреннем центраторе для сборки и сварки кольцевых стыков труб, содержащем центральный стержень с гайками, фланцы, концентрично установленные на стержне, и кольцевые эластичные уплотнения, установленные концентрично стержню с возможностью их деформирования;
- фланцы выполнены в виде подвижных и неподвижных стаканов, при этом неподвижный стакан выполнен с кольцевым бортиком и закреплен на конце стержня, а кольцевые эластичные уплотнения выполнены в виде наборного пакета из плоских колец и установлены на наружной поверхности неподвижного стакана с возможностью деформирования с помощью подвижного стакана, одетого на неподвижный, трубки, одетой на стержень, и гайки, а другой подвижный стакан и гайка установлены на противоположном конце стержня;
- кроме того, стержень выполнен длиной, равной не менее пяти диаметров свариваемых труб;
- кроме того, трубка равномерно по всей длине перфорирована отверстиями диаметром не менее 3-х мм;
- кроме того, в донышках подвижных стаканов выполнены отверстия диаметром не менее 15 мм в количестве не менее 4-х;
- кроме того, на торце стенки подвижного стакана, установленного на свободном конце стержня, выполнена проточка, равная внутреннему диаметру привариваемого патрубка.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан центратор в рабочем положении, когда эластичные кольца сжаты до плотного соприкосновения со стенкой длинномерной трубы, которая собрана с короткой трубой для сварки.

На фиг. 2 показан центратор со стороны концевого подвижного стакана.

На фиг. 3 показано сечение по А-А.

Внутренний центратор для сборки и сварки в вакууме кольцевых стыков труб выполнен в виде стержня 1 с гайками 2 и 4, на которой соосно одеты подвижные фланцы 3 и 6 в виде стаканов, а также нажимная трубка 5, с помощью которой за счет перемещения гайки 4 перемещают подвижной стакан 6.

На конце стержня 1 закреплен неподвижный стакан 7 с наружным бортиком, в который упирается пакет из кольцевых эластичных уплотнений 8 при его сжатии стаканом 6 с помощью гайки 3 и трубки 5.

Центратор работает следующим образом.

Сначала в длинномерную трубу со стороны свариваемого конца вставляют центратор неподвижным стаканом 7 с предварительно снятым сжатием кольцевых уплотнений 8. Неподвижный стакан 7 устанавливают на такой глубине, чтобы другой конец центратора с подвижным стаканом 3 выступал из трубы таким образом, чтобы между торцем длинномерной трубы и подвижным стаканом 3 мог поместиться привариваемый к длинномерной трубе короткий патрубок или другой привариваемый к ней трубчатый элемент.

После выбора места установки неподвижного стакана производят затяжку гайки 4 до тех пор, пока пакет из эластичных кольцевых уплотнений, увеличившись в диаметре, не упрется во внутреннюю стенку длинномерной трубы и прочно не зафиксируется в ней.

После этого на свободный конец центратора надевают короткий патрубок, стыкуют привариваемый торец патрубка с торцем длинномерной трубы, потом одевают на стержень 1 подвижной стакан 3 и гайку 2.

Гайкой 2 слегка поджимают патрубок к трубе, вручную центрируют его с трубой, усредняют разницу в допусках на диаметры, эллипсность и разностенность, после чего окончательно затягивают гайку 2, фиксируя выбранное положение патрубка относительно длинномерной трубы. Наличие отверстий в донышках подвижных стаканов и трубки обеспечивает быструю откачку воздуха из внутренней зоны свариваемого стыка.

Пример конкретного выполнения
Собирали для сварки в вакууме длинномерную трубу из циркониевого сплава, длиной 8 м и наружным диаметром 88 мм с толщиной стенки 4 мм, с биметаллическим переходником цирконий-сталь, длиной 200 мм, с наружным диаметром 88 мм и внутренним диаметром 75 мм.

На торце подвижного стакана 3 с целью упрощения и ускорения центровки свариваемых труб выполнили проточку под внутренний диаметр переходника (75 мм).

Фрагмент этой сборки показан на фиг. 1 в тонких линиях. Собранную трубку с переходником цирконий-сталь помещали в вакуумно-герметизируемый вращатель сварочной камеры электронно-лучевой установки.

Изобретение относится к внутренним центраторам для сборки и центровки труб под сварку, преимущественно для сварки в камерах с контролируемой атмосферой. Обеспечение плотной без образования щелей стыковки торцев свариваемых труб независимо от их неперпендикулярности к осям свариваемых труб достигается тем, что фланцы центратора выполняются в виде неподвижного и подвижных стаканов. Неподвижный стакан выполняется с кольцевым бортиком и закрепляется на конце центрального стержня. Кольцевые эластичные уплотнения выполняются в виде наборного пакета из плоских колец и устанавливаются на наружной поверхности неподвижного стакана с возможностью их деформирования с помощью надетого на неподвижный стакан одного из подвижных стаканов, размещенной на центральном стержне трубки и одной из гаек. Второй подвижный стакан и вторая гайка устанавливаются на противоположном конце центрального стержня. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Внутренний центратор для сборки и сварки в вакууме кольцевых стыков труб, содержащий центральный стержень с гайками, концентрично установленные на нем фланцы и кольцевые эластичные уплотнения, установленные концентрично центральному стержню с возможностью их деформирования, отличающийся тем, что фланцы выполнены в виде неподвижного и подвижных стаканов, неподвижный стакан выполнен с кольцевым бортиком и закреплен на конце центрального стержня, а кольцевые эластичные уплотнения выполнены в виде наборного пакета из плоских колец и установлены на наружной поверхности неподвижного стакана с возможностью их деформирования с помощью надетого на неподвижный стакан одного из подвижных стаканов, размещенной на центральном стержне трубки и одной из гаек, а второй подвижный стакан и вторая гайка установлены на противоположном конце центрального стержня. 2. Внутренний центратор по п.1, отличающийся тем, что центральный стержень выполнен длиной, равной не менее пяти диаметров свариваемых труб. 3. Внутренний центратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что упомянутая трубка равномерно по всей длине перфорирована отверстиями диаметром не менее 3 мм. 4. Внутренний центратор по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что подвижные стаканы имеют донышки с, по меньшей мере, четырьмя отверстиями, диаметром не менее 15 мм. 5. Внутренний центратор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что на торце стенки второго подвижного стакана выполнена проточка, равная внутреннему диаметру труб.