СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБ В ТРУБНЫХ РЕШЕТКАХ Российский патент 2002 года по МПК B21D39/06 B21D53/08 F28F9/16 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных отверстиях теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы в трубное отверстие, фиксацию ее от возможного перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Ленинград, Судостроение, 1972, с. 143).

К главным недостаткам известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести:
- неравномерное остаточное давление по длине вальцовочного пояска и, как следствие, относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений. Для устранения данного недостатка прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям. Последнее обуславливает коробление трубной решетки, выдавливание материала трубы в осевом направлении из-за имеющего место угла наклона образующей боковой поверхности ролика к образующей внутренней поверхности трубы, а значит короткий (повышенная коррозия) межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата.

- закрепление трубы сопровождается ее скручиванием, что отрицательно сказывается на коррозионной стойкости вальцовочного соединения;
Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий предварительный обжим конца трубы, выполнение на его внешней поверхности кольцевого выступа, установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, с совмещением кольцевого выступа трубы с внешней кольцевой канавкой отверстия трубной решетки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, при этом в процессе закрепления трубы последовательно осуществляют стадию свободного введения кольцевого выступа трубы во внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки и стадию локальной развальцовки трубы (патент РФ 2129054; МПК В 21 D 39/06, бюл. 11 от 20.04.99 - прототип).

Недостатком известного способа закрепления труб в трубных решетках является возможность незаполнения металлом трубы угловых объемов кольцевой канавки. Устранение последней представляет собой значительный резерв в повышении служебных характеристик вальцовочных соединений.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы, не удорожая технологический процесс, обеспечивал бы качественное заполнение объемов кольцевых канавок и гарантировал бы повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем предварительный обжим конца трубы, выполнение на его внешней поверхности кольцевого выступа, установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, с совмещением кольцевого выступа трубы с внешней кольцевой канавкой отверстия трубной решетки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, при этом в процессе закрепления трубы последовательно осуществляют стадию свободного введения кольцевого выступа трубы во внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки и стадию локальной развальцовки трубы, согласно изобретению внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки выполняют с трапециевидным поперечным сечением, а кольцевой выступ трубы - с поперечным сечением в виде двух разновеликих трапеций, стадию свободного введения кольцевого выступа во внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки завершают образованием угловых плотностей соединяемых элементов, на стадии локальной развальцовки трубы производят последующую фиксацию кольцевого выступа в кольцевой канавке отверстия трубной решетки при пластическом течении материала трубы, а после завершения стадии локальной развальцовки трубы осуществляют ее окончательную фиксацию относительно отверстия трубной решетки путем поперечного сдвига полотна трубы относительно ее кольцевого выступа. Меньшее основание верхней трапеции выполняют с острыми кромками, расстояние между которыми равно расстоянию между вершинами углов внешней кольцевой канавки. Новый технологический процесс закрепления труб в трубных отверстиях, основанный на предлагаемом изобретении, строго увязан с диаметром трубного отверстия. Так, по известному диаметру отверстия трубной решетки предварительно производят калибровку (посредством операции раздачи) конца трубы жестким пуансоном, обеспечивая односторонний зазор между трубой и стенками трубного отверстия не более 0,025 мм. Далее на обжатом участке трубы осевым пластическим сжатием ее материала формируют кольцевой выступ с поперечным сечением в виде двух разновеликих трапеций. Кромки кольцевой канавки с трапециевидным поперечным сечением снабжают кольцевыми углублениями треугольного поперечного сечения. При закреплении трубы, завершая стадию свободного введения кольцевого выступа в канавку, первоначально образуют угловые плотности соединяемых элементов с последующим их фиксированием при пластическом течении материала трубы в выступе на стадии локальной развальцовки.

Закрепление трубы в трубном отверстии имеет место при зафиксированном положении трубы на внутренней кромке кольцевой канавки с треугольным поперечным сечением, что устраняет возможность ее скручивания.

Ограничение очага деформации, минимизация прикладываемого давления, отсутствие скручивания трубы и подрезания ее стенок - основные направления предлагаемого изобретения по улучшению коррозионных свойств вальцовочного соединения.

Гарантирование повышенных служебных характеристик достигается как качественным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы посредством локальной развальцовки и раздачи, так и сохранением формируемого поля сжимающих остаточных напряжений на контактной поверхности соединяемых элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана труба с профилированной законцовкой в отверстии трубной решетки перед выполнением операции закрепления; на фиг. 2 - окончание стадии свободного введения кольцевого выступа в объем кольцевой канавки; на фиг.3 - стадия локальной развальцовки материала трубы в выступе; на фиг.4 - окончание стадии локальной развальцовки материала трубы в выступе с фиксированием кольцевых плотностей в угловых объемах кольцевой канавки; на фиг.5 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой, когда труба зафиксирована на стенках трубного отверстия посредством поперечного сдвига полотна относительно кольцевого выступа.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Трубу, например, из стали 10 подвергают правке в косовалковой машине с одновременной зачисткой ее внешней поверхности. После чего внешний диаметр трубы калибруют, для чего ее фиксируют в механизме зажима от возможного перемещения и в отверстие внедряют калибрующий пуансон, диаметр которого превышает диаметр отверстия трубы. Результатом этого действия становится приобретение внешним диаметром трубы размера, меньшего диаметра отверстия трубной решетки на 0,05 мм.

Далее осуществляют резку трубы на мерную длину, которая включает в том числе и припуски с обеих ее концов на формирование кольцевых выступов.

Затем калиброванный участок трубы частично обжимают, формируя кольцевую жесткость в виде конуса на переходе от обжатого до калиброванного его отрезков.

В соответствии с технологией, отраженной в патенте РФ 2129054; МПК В 21 D 39/06, бюл. 11 от 20.04.99 - прототипе, на обжатом отрезке трубы выполняют кольцевой выступ, имеющий в поперечном сечении две трапеции, причем малое основание верхней из них выполняют с острыми кромками. Расстояние между вершинами острых кромок равняется расстоянию между вершинами углов в кольцевой канавке.

Далее трубу 1 профилированной законцовкой устанавливают в отверстие трубной решетки 2, имеющее две кольцевые канавки трапециевидного и треугольного поперечных сечений. Причем по кромкам канавки с трапециевидным поперечным сечением выполняют кольцевые углубления в форме треугольника. Правильность установки трубы в трубное отверстие контролируют по расположению ее торца в пределах лицевой поверхности трубной решетки, что обеспечивает симметричное расположение кольцевого выступа напротив кольцевой канавки с трапециевидным поперечным сечением.

В отверстие трубы вводят корпус механической вальцовки, содержащий три ролика. Вызывая вращательное движение роликов с одновременным их радиальным перемещением, осуществляют приложение радиального давления (показано стрелками) на внутреннюю поверхность трубы. При этом имеет место стадия свободного введения кольцевого выступа в объем кольцевой канавки. Отметим, что раздача трубы внутренним давлением (на участке с минимальным диаметром) посредством кольцевой жесткости обуславливает внеконтактную ее деформацию относительно внутренней кромки кольцевой канавки с треугольным поперечным сечением. Последнее фиксирует трубу на поверхности отверстия трубной решетки, что предотвращает такое негативное явление как скручивание. На завершающей стадии свободного введения кольцевого выступа в кольцевую канавку формируют первоначальный контакт между острыми кромками выступа с угловыми объемами кольцевой канавки (фиг.2).

Стадия локальной развальцовки трубы по местоположению кольцевого выступа (фиг. 3) первоначально вызывает пластическую деформацию материала трубы именно в угловых объемах кольцевой канавки, сопровождающееся приобретением внешней поверхностью кольцевого выступа формы, определяемой формой поперечного сечения кольцевой канавки.

Дальнейшая локальная развальцовка трубы приводит к заполнению ее материалом кольцевой канавки и кольцевых углублений по ее кромкам и формированию кольцевых плотностей между соединяемыми элементами. Последнее обеспечивает фиксирование кольцевого выступа трубы в кольцевой канавке трубного отверстия.

С целью сохранения остаточного давления на кольцевых плотностях соединяемых элементов конструкцией кольцевого выступа предусмотрено условие, по которому заполнение объемов кольцевых углублений материалом трубы завершится образованием некоторого зазора между внешней поверхностью полотна трубы и поверхностью трубного отверстия. Тогда в дальнейшем, устраняя этот зазор, осуществляют окончательное фиксирование трубы на стенках трубного отверстия посредством пластического поперечного сдвига ее полотна относительно кольцевого выступа (фиг.4).

В результате повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений достигаются как предварительным формированием угловых плотностей и последующим фиксированием кольцевого выступа трубы в кольцевой канавке трубного отверстия, так и окончательным фиксированием трубы на стенках трубного отверстия при поперечном сдвиге полотна трубы относительно кольцевого выступа.

Поперечный сдвиг полотна трубы на длине между кольцевыми канавками обеспечивает качественное заполнение материалом трубы объема кольцевой канавки с треугольным поперечным сечением, что также устраняет упругую разгрузку трубы, а значит гарантирует остаточное контактное давление между соединяемыми элементами (фиг.5).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 10) труб в трубных решетках из стали 16 ГС толщиной 60 мм.

Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2, 5 мм и длина 3000 мм.

Технологическая оснастка для выполнения операций калибровки, локального обжима концов трубы и формирования кольцевого выступа изготавливалась из стали X12М, имевшей твердость после закалки HRC=56-58 ед., по 7-му квалитету точности.

Калибровку внешнего диаметра трубы и ее последующий обжим производили в инструментальной оснастке на гидравлическом прессе двойного действия при усилиях 0,015-0,03 МН, обеспечивающих при операции калибровки увеличение внешнего диаметра трубы до 25,1 мм и его уменьшение при обжиме до 24,0 мм. Длина калиброванного участка трубы равнялась 25 мм, обжатого же участка - 18 мм.

Кольцевой выступ на внешней поверхности трубы формировали из припуска по его длине при осевом пластическом сжатии ее материала, сопровождавшимся набором толщины стенки полотна трубы, на том же прессе двойного действия при усилиях в пределах до 0,3 МН.

Геометрические размеры кольцевого выступа: длина основания большой трапеции - 5 мм, ее высота - 0,15 мм, большое основание малой трапеции - 4 мм, ее высота - 0,35 мм, расстояние между острыми кромками кольцевого выступа равнялось длине малого основания кольцевой канавки, внешний диаметр кольцевого выступа равнялся диаметру калиброванного участка трубы.

Кольцевые углубления треугольного поперечного сечения имели следующие геометрические размеры: основание - 0,5 мм, высоту - 0,15 мм.

Отверстия трубной решетки выполняли диаметром 25,15 мм с двумя кольцевыми канавками - трапециевидного и треугольного поперечных сечений. Кольцевые канавки с треугольным поперечным сечением имели геометрические размеры: ширину - 5,0 мм, высоту - 0,3 мм, основание треугольника делилось на отрезки 1:2.

Формирование вальцовочного соединения осуществляли за два перехода отечественными вальцовками на стенде фирмы "Индреско" (США).

Исследования характеристик прочности и плотности полученных вальцовочных соединений выявили их повышенные значения по отношению к вальцовочным соединениям, полученным по традиционной технологии. При этом отмечаются (устранением явлений подрезания стенки трубы, ее скручивания, уменьшением длины вальцовочного пояска, набором толщины стенки, уменьшением усилий, вызывающих деформацию трубы) существенно улучшенные характеристики коррозионной стойкости.

Изобретение применимо при изготовлении и ремонте трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением. Производят предварительный обжим конца трубы, после чего на его внешней поверхности выполняют кольцевой выступ в виде двух разновеликих трапеций. Меньшее основание верхней трапеции выполняют с острыми кромками, расстояние между которыми равно расстоянию между вершинами углов внешней кольцевой канавки отверстия трубной решетки. Указанную кольцевую канавку выполняют с трапециевидным поперечным сечением. Трубу устанавливают в отверстие трубной решетки с совмещением кольцевого выступа трубы с внешней кольцевой канавкой отверстия. Трубу фиксируют от возможного перемещения и закрепляют в отверстии трубной решетки путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия. При этом сначала осуществляют стадию свободного введения кольцевого выступа трубы во внешнюю кольцевую канавку решетки, которую завершают образованием угловых плотностей соединяемых элементов. Затем осуществляют стадию локальной развальцовки трубы, на которой производят последующую фиксацию кольцевого выступа в кольцевой канавке при пластическом течении материала трубы. После завершения стадии локальной развальцовки окончательно фиксируют трубу относительно отверстия трубной решетки путем поперечного сдвига полотна трубы относительно ее кольцевого выступа. В результате обеспечивается повышение качества заполнения объемов кольцевых канавок и улучшение служебных характеристик вальцовочных соединений. 5 ил.

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий предварительный обжим конца трубы, выполнение на его внешней поверхности кольцевого выступа, установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, с совмещением кольцевого выступа трубы с внешней кольцевой канавкой отверстия трубной решетки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, при этом в процессе закрепления трубы последовательно осуществляют стадию свободного введения кольцевого выступа трубы во внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки и стадию локальной развальцовки трубы, отличающийся тем, что внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки выполняют с трапециевидным поперечным сечением, а кольцевой выступ трубы - с поперечным сечением в виде двух разновеликих трапеций, причем меньшее основание верхней трапеции выполняют с острыми кромками, расстояние между которыми равно расстоянию между вершинами углов внешней кольцевой канавки, стадию свободного введения кольцевого выступа во внешнюю кольцевую канавку отверстия трубной решетки завершают образованием угловых плотностей соединяемых элементов, на стадии локальной развальцовки трубы производят последующую фиксацию кольцевого выступа в кольцевой канавке отверстия трубной решетки при пластическом течении материала трубы, а после завершения стадии локальной развальцовки трубы осуществляют ее окончательную фиксацию относительно отверстия трубной решетки путем поперечного сдвига полотна трубы относительно ее кольцевого выступа.