СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБ В ТРУБНЫХ РЕШЕТКАХ Российский патент 2004 года по МПК B21D39/06 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и, в частности, к процессам закрепления труб в трубных решетках U-образных теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформированная материала трубы.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу одним из концов устанавливают в трубное отверстие, фиксируют ее от возможного осевого перемещения, приваривают торец трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующей развальцовкой трубы путем приложения сжимающего к ее внутренней поверхности усилия, например механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. - Ленинград: Судостроение, 1972, 143 с.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести повышенную стоимость производства комбинированных соединений. Кроме того, последние имеют определенное ограничение по использованию, так как не все материалы, образующих пары соединяемых элементов, являются свариваемыми.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование концов трубы с образованием цилиндрических участков, сопрягаемых переходным коническим участком, установку трубы законцовкой в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней кольцевой канавкой и внутренней кольцевой канавкой треугольного поперечного сечения, размещая переходный конический участок напротив внутренней кольцевой канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия к внутренней поверхности законцовки (RU 2174888, С2, В 21 D 39/06, БИ 29 от 20.10.2001 - прототип).

Недостатками известного способа для трубных пучков ремонтного варианта является существенная зависимость служебных характеристик неразъемных соединений от точности геометрических размеров отверстий трубных решеток. В результате требуется приложение повышенных давлений к внутренней поверхности трубы на стадии образования колокольчика.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках ремонтного варианта, который бы обеспечивал получение качественных кольцевых плотностей на внешней поверхности концов трубы при формировании колокольчика.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование концов трубы с образованием цилиндрических участков, сопрягаемых переходным коническим участком, установку трубы законцовкой в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней кольцевой канавкой и внутренней кольцевой канавкой треугольного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия к внутренней поверхности законцовки, согласно изобретению внешнюю кольцевую канавку выполняют в виде кольцевой выемки, где размещают втулку из пластичного материала при минимальных зазорах между соединяемыми элементами, при установке трубы в отверстии трубной решетки переходный конический участок размещают перед внутренней кольцевой канавкой и фиксацию трубы осуществляют путем осевого сжатия втулки до необратимых деформаций ее материала, после чего производят осевое смещение трубы относительно сдеформированной втулки, располагая переходный конический участок напротив внутренней кольцевой канавки, а при окончательном закреплении выполняют операцию дорнования отверстия законцовки, где на завершающей его стадии раздачей законцовки на конус формируют колокольчик в условиях течения материала втулки в направлении, противоположном направлению прикладываемого усилия.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках ремонтного варианта позволяет получать качественные кольцевые плотности на внешней поверхности концов трубы при формировании колокольчика.

Это объясняется тем, что, используя в конструкции соединения промежуточный элемент в виде втулки из пластичного материала, реализуют существенные силы трения на контактной поверхности трубы с материалом промежуточного элемента, когда предварительно закрепленную трубу пластической деформацией материала промежуточного элемента перемещают в осевом направлении. Последним в сочетании с остаточным контактным давлением неразъемного соединения и температурным эффектом от работы сил трения, перешедшей в тепло, а также с учетом температуры нагрева трубного пучка при его эксплуатации создаются предпосылки к диффузии материала промежуточного элемента в материал трубы. В результате чего имеет место наращивание упомянутых кольцевых плотностей при работе трубного пучка.

Кроме того, использование промежуточного элемента снимает зависимость служебных характеристик получаемых соединений от сохраненной точности отверстиями трубной решетки и не требует повышенных давлений на внутренней поверхности законцовки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - приведено исходное положение соединяемых элементов и технологической оснастки перед закреплением трубы в отверстии трубной решетки; на фиг.2 - стадия фиксирования трубы на стенках трубного отверстия; на фиг.3 - стадия окончания осевого смещения трубы относительно сдеформированного промежуточного элемента; на фиг.4 - стадия дорнования отверстия законцовки; на фиг.5 - окончание стадии формирования колокольчика; на фиг.6 - неразъемное соединение трубы с трубной решеткой ремонтного варианта.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На теплообменной трубе 1 (фиг.1) выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка поверхности концов до металлического блеска.

Далее осуществляют профилирование концов трубы, для чего трубу фиксируют от возможных перемещений и посредством жесткого пуансона производят раздачу ее конца до внешнего диаметра, превышающего диаметр отверстия в трубной решетке. После чего осуществляют радиальный ступенчатый обжим участка трубы, подвергшегося операции раздачи. В результате образования законцовки формируются два цилиндрических участка, сопряженные переходным коническим участком. Цилиндрический участок законцовки, имеющий наибольший диаметр, выполняется с диаметральным зазором по отношению к диаметру отверстия в трубной решетке, равным 0,05 мм. Тем самым обеспечивается симметричность размещения трубы в отверстии трубной решетки.

Аналогичные операции производят и на втором конце трубы.

Затем производят набивку пучка, т.е. установку труб в трубные решетки 2 и перегородки. Отверстия трубной решетки содержат кольцевые выемки и кольцевые канавки треугольного поперечного сечения. В качестве контролируемого параметра при набивке трубного пучка является выступание торца законцовки над лицевой поверхностью трубной решетки, что обеспечивает расположение ее переходного конического участка перед кольцевой канавкой. В зазоре между цилиндрическим участком законцовки с наименьшим диаметром и боковой поверхностью кольцевой выемки размещают втулку 3 из пластичного материала, например алюминия.

На выступающей части законцовки располагают втулочный пуансон 4, а в ее отверстии малую ступень дорна 5 (фиг.1).

Далее производят предварительное закрепление трубы на стенках трубного отверстия. Для чего осевое усилие прикладывают к торцу втулочного пуансона (фиг.2). Во втулке 3, воспринимающей осевые усилия, формируется поверхность сдвига (показана пунктирными линиям) и имеет место выдавливание материала втулки в зазор за пределами кольцевой выемки. Отметим, что процесс выдавливания материала промежуточного элемента в упомянутый зазор сопровождается силами трения между промежуточным элементом и трубой (показаны горизонтальными стрелками). Снятие деформирующего втулку усилия вызывает появление остаточного контактного давления, каким труба удерживается в трубном отверстии.

Затем производят осевое нагружение законцовок по торцам, вызывая размещение их переходных конических участков напротив кольцевых канавок. Работа, совершаемая на преодоление сил трения на контактной поверхности соединяемых элементов, вызывает активацию внешней поверхности законцовки, подготавливая ее к последующему образованию металлических связей.

После чего прикладывают осевое усилие к торцу дорна 5, сообщая ему перемещение в осевом направлении (фиг.3). Внедрение ступени дорна в отверстие законцовки приводит на первом этапе к раздаче цилиндрического участка с наименьшим внешним диаметром и осадке материала втулки (фиг.4). Дальнейшее перемещение дорна в осевом направлении вызывает формирование поперечных сдвигов в полотне законцовки и заполнение материалом трубы кольцевой канавки.

На завершающей стадии окончательного закрепления, когда раздачей на конус законцовки выполняют колокольчик, наблюдается интенсивное выдавливание материала промежуточного элемента в направлении, противоположном направлению прикладываемого усилия. Пластическое течение материала промежуточного элемента сопровождается его интенсивным разогревом, что при наличии ювенильной внешней поверхности законцовки приводит к образованию упругих центров кристаллизации. Последние являются предвестником процесса диффузии. Эксплуатация трубного пучка с достаточно высокими температурами интенсифицирует упомянутую диффузию алюминия в сталь, что наращивает кольцевую плотность между соединяемыми элементами.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в трубных решетках толщиной 80 мм из стали 16 ГС. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр 25 мм, толщина стенки 2,5 мм. Внешние поверхности концов трубы предварительно профилировались в технологической оснастке гидравлического пресса двойного действия, развивающего усилие 0,6 МН. Цилиндрический участок законцовки с минимальным внешним диаметром имел 24,3 мм, максимальным внешним диаметром - 25,3^-0,05 мм. Ширина переходного конического участка равнялась 2 мм.

Трубные отверстия изготавливались с диаметрами, равными 25,35^+0,05 мм. Кольцевые канавки трубного отверстия с треугольным поперечным сечением имели: основание 6 мм, глубину 0,3 мм.

Кольцевые выемки имели глубину 10 мм и диаметр, равный 28 мм.

Промежуточный элемент выполнялся из алюминия марки АДО путем нарезки из трубы с длиной, равной 10 мм.

Предварительное закрепление трубы в трубном отверстии выполняли на дорновочном комплексе, изготовленном и эксплуатируемом на ООО “Ремонтно-механический завод” ПК ЮКОС, при усилиях, не превышающих 0,07 МН. Осевое перемещение законцовок относительно промежуточных элементов также производили на упомянутом комплексе.

Окончательное закрепление производили на этом же комплексе при усилиях не более 0,2 МН.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками и их закрепления в трубных отверстиях изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 9-му квалитету.

Установлено, что образование неразъемных соединений с использованием профилированных законцовок, в сочетании с промежуточными элементами и остаточным давлением на контактных поверхностях, обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики соединений; устраняет какую-либо дефектность, влияющую на эксплуатацию трубного пучка.

Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки подтверждены повышенные прочностные характеристики неразъемных соединений.

Плотность соединений в сочетании с высокой коррозионной стойкостью обеспечили 100% их пригодность требованиям производства.

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

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при закреплении труб в трубных решетках U-образных теплообменных аппаратов. Концы трубы профилируют с образованием на каждом из них законцовки в виде цилиндрических участков, сопрягаемых переходным коническим участком. Конец трубы законцовкой устанавливают в отверстие трубной решетки, имеющее внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки. Внешняя кольцевая канавка представляет собой кольцевую выемку, в которой с минимальным зазором размещена втулка из пластичного материала. Внутренняя канавка имеет треугольное поперечное сечение. При установке трубы ее переходный конический участок размещают перед внутренней кольцевой канавкой. Трубу фиксируют от возможного перемещения осевым сжатием втулки из пластичного материала и последующего осевого смещения трубы относительно сдеформированной втулки с расположением переходного конического участка трубы напротив внутренней кольцевой канавки трубной решетки. Затем трубу закрепляют в отверстии трубной решетки путем дорнования трубы и раздачи законцовки на конус. В результате обеспечивается получение качественных кольцевых плотностей на внешней поверхности концов трубы. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование концов трубы с образованием на каждом из них законцовки в виде цилиндрических участков, сопрягаемых переходным коническим участком, установку трубы полученной законцовкой в отверстие трубной решетки, выполненное с внешней и внутренней кольцевыми канавками, последняя из которых имеет треугольное поперечное сечение, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия к внутренней поверхности законцовки, отличающийся тем, что внешнюю кольцевую канавку выполняют в виде кольцевой выемки, в которой с минимальным зазором размещают втулку из пластичного материала, при установке трубы в отверстие трубной решетки переходный конический участок трубы размещают перед внутренней кольцевой канавкой, фиксацию трубы от возможного перемещения осуществляют путем осевого сжатия втулки из пластичного материала до появления в нем необратимых деформаций и последующего осевого смещения трубы относительно сдеформированной втулки с расположением переходного конического участка трубы напротив внутренней кольцевой канавки трубной решетки, а закрепление трубы в отверстии трубной решетки производят путем дорнования отверстия законцовки трубы и раздачи упомянутой законцовки на конус, которую осуществляют на завершающей стадии дорнования с формированием колокольчика в условиях течения материала втулки из пластичного материала в направлении, противоположном направлению прикладываемого усилия.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предназначен для закрепления труб в U-образных теплообменных аппаратах.