СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБНЫХ ШПИЛЕК Российский патент 2005 года по МПК B21C37/28 B21D53/02 B23K9/16 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам получения трубных шпилек U-образных теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного пластического деформирования сварного шва и прилегающих к нему околошовных зон.

Известен способ получения трубных шпилек U-образных теплообменных аппаратов, включающий отрезку мерных длин труб для прямолинейных участков шпильки, мерной длины трубы для изготовления гибкой на заданный радиус калача, зачистку внешней поверхности концов соединяемых элементов, подвергаемых сварке, последующую их сварку с образованием двух сварных швов в получаемой трубной шпильке (см. ГОСТ 14245-79 Теплообменники кожухотрубчатые с U-образными трубами).

К главному недостатку известного способа получения трубных шпилек U-образных теплообменных аппаратов следует отнести повышенную стоимость производства соединений. Во-первых, большие отходы трубных заготовок из-за некратности используемых рабочих длин. И во-вторых, повышенная себестоимость, определяемая и большим процентом брака сварных швов, который выявляется при проведении радиологических испытаний. Качество неразъемных соединений при этом всецело определяется профессиональными навыками и умением сварщика и его помощника, а также наличием стапелей для сборки труб и калача перед их сваркой.

Известен также способ получения трубных шпилек, преимущественно из разнородных материалов, включающий подготовку труб к сварке, гибку конца одной из труб по радиусу, сборку этого конца трубы с ответной трубой, имеющей прямолинейную образующую, и образование неразъемного соединения труб аргоно-дуговой сваркой с использованием присадочного материала (см. Руководящий документ РД 153-34.1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования, Москва, ПИО ОБТ 2001 - прототип).

Недостатком известного способа является то, что сварной шов и околошовные зоны не подвергаются финишной обработке пластическим деформированием. В результате возможные дефекты сварного шва не устраняются и подобные шпильки выбраковываются. Кроме того, большой проблемой здесь является наличие внутреннего грата, уменьшающего проходное сечение трубы, что также обусловливает значительный брак трубных шпилек и требует проведения такого испытания, как обкатывание трубной шпильки шариком.

Задачей изобретения является разработка такого способа получения трубных шпилек U-образных трубных пучков, который бы обеспечивал требуемое качество сварных швов, позволял сваривать трубы из разнородных материалов и не приводил к образованию внутреннего грата.

Технический результат достигается тем, что в способе получения трубных шпилек, включающем подготовку труб к сварке, гибку конца одной из труб по радиусу, сборку этого конца трубы с ответной трубой, имеющей прямолинейную образующую, и образование неразъемного соединения труб аргоно-дуговой сваркой с использованием присадочного материала, согласно изобретению неразъемное соединение труб образуют перед гибкой путем формирования комбинированного сварного шва с последующим пластическим деформированием указанного сварного шва и околошовных зон, при формировании комбинированного сварного шва образуют внутренний сварной шов, который получают диффузионной сваркой соединяемых труб и присадочного материала по стыку, и внешний шов, который получают наплавлением присадочного материала на внешнюю поверхность стыка труб, для формирования упомянутого комбинированного сварного шва предварительно профилируют концы сопрягаемых труб, при сборке между трубами соосно с ними устанавливают кольцо из присадочного материала со ступенчатым внутренним профилем с образованием внешней кольцевой выемки с расположенным в ней и между торцами труб присадочным материалом кольца и далее производят осевое сжатие труб до получения контактных давлений на торцах труб и боковых гранях кольца, комбинированный сварной шов формируют в процессе расплавления присадочного материала кольца в объеме внешней кольцевой выемки, после чего удаляют грат с получением внешнего диаметра комбинированного сварного шва, равного диаметру околошовных зон, а упомянутое пластическое деформирование комбинированного сварного шва и околошовных зон осуществляют путем двукратной правки полученной трубы с сообщением ей вращательного и поступательного движений, при этом изменяют направление вращения трубы на последнем переходе правки.

Осуществление предлагаемого способа получения трубных шпилек U-образных пучков позволяет устранять дефекты сварных швов их финишной пластической деформацией.

Это объясняется тем, что, образуя комбинированный сварной шов - диффузионной сваркой соединяемых труб по стыку и наплавлением присадочного материала на внешнюю поверхность по местоположению сварного соединения. Концы труб перед сваркой проходят активацию поверхностей путем знакопеременной пластической деформации материала труб с образованием ступени, имеющей минимальный внешний диаметр.

Наличие последней при сборке труб позволяет формировать внешнюю кольцевую выемку. Размещение между торцами свариваемых труб присадочного материала в форме кольца, имеющего профилированную внутреннюю поверхность, и создание физического контакта торцов труб с кольцевыми поверхностями кольца из присадочного материала при наложении осевого сжимающего усилия, создают условия реализации процесса диффузии по месту стыка соединяемых элементов. Обязательным условием, как известно, при этом является температура нагрева стыка материалов.

Последняя достигается расплавлением присадочного материала в объеме внешней кольцевой выемки, создавая теплосодержащую жидкую фазу. В результате внешняя поверхность кольцевой выемки нагревается за счет теплопередачи от источника теплового потока - жидкой фазы из присадочного материала. Имеющие место на торцовых контактных поверхностях давления обусловливают образование жидкой фазы присадочного материла на поверхностях контакта и протекание пластической деформации соединяемых материалов в условиях ускоренного процесса диффузии. Наблюдается образование и рост новых зерен по месту стыка в соединении. Расплавленный же присадочный материал при своем охлаждении способствует поддержанию температуры в зоне стыка, что объясняет возможность осуществления процесса диффузии за относительно короткое время.

Расплавленный присадочный материал заполняет полностью объем внешней кольцевой выемки с образованием внешнего грата. Последний необходим, так как существует зависимость между объемом расплавленного присадочного материала и температурой внутренних слоев труб.

Расплавление присадочного материала существенно упрощает технологию образования неразъемного соединения, поскольку в этом случае требуется только вращать неплавящийся электрод или трубу. Придание присадочному материалу формы кольца с профилированной внутренней поверхностью обеспечивает предварительный его собственный нагрев (тепловые потоки от теплопередачи в окружном направлении) и нагрев материалов соединяемых труб от источника тепла за счет теплопроводности. Сказанное позитивно влияет на сокращение времени диффузии материалов труб по их стыку.

Полученный после охлаждения присадочного материала внешний грат удаляют, что приводит внешний диаметр последнего к внешнему диаметру околошовных зон. Последующая двукратная правка трубы с утолщением по местоположению сварного шва в косовалковой машине обеспечивает заданную степень деформации сварного шва и околошовных зон, существенно упрочняя материал последних. При этом осуществление последнего перехода правки с изменением направления вращения трубы вызывает знакопеременную деформацию сварного шва и околошовных зон, обеспечивая проникновение пластической деформации на большую глубину. В результате чего обеспечиваются как требования по точности внешнего диаметра трубы, так и механические свойства сварного шва и околошовных зон.

Гибка трубы обкатыванием по известной технологии в практике производства трубных шпилек завершается контролем сварного шва, например, вихревыми токами с применением специальных датчиков, что вносит достаточно значимую экономию по сравнению с радиологическим методом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны труба и жесткий ступенчатый пуансон перед выполнением операции раздачи - калибровки; на фиг.2 - окончание операции раздачи - калибровки конца трубы; на фиг.3 - матрица и зафиксированная от перемещений труба перед выполнением операции осевого обжима части длины калиброванного участка; на фиг.4 - окончание операции осевого обжима калиброванного участка трубы; на фиг.5 - сборка соединяемых труб с применением центрирующего кольца из присадочного материала; на фиг.6 - операция осевого сжатия соединяемых элементов с достижением контактного давления на внутренней и внешней кольцевых поверхностях; на фиг.7 - неразъемное соединение с удаленным внешним гратом и новыми зернами, кристаллизирующимися в зоне стыка (условно показаны штриховыми линиями); на фиг.8 - неразъемное соединение после правки трубы в косовалковой правильной машине.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На прямолинейных теплообменных трубах выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности одного из их концов к профилированию: отрезка их мерных длин и зачистка внешних поверхностей до металлического блеска. Далее каждый зачищенный конец трубы 1 (с диаметрами Д₁ и Д₂) подвергают раздаче - калибровке жестким пуансоном 2 с рабочим диаметром Д₃ и его длиной, равной L. Для чего трубу 1 зачищенным концом обращают к ступенчатому пуансону 2 и фиксируют радиальным усилием от возможных перемещений (фиг.1). Затем, сообщая осевое перемещение ступенчатому пуансону 2, вызывают его внедрение в отверстие трубы. Имеет место пластическая деформация конца трубы с приобретением им внутреннего диаметра, равного рабочему диаметру ступенчатого пуансона Д₃ (фиг.2), и образованием кольцевой конической жесткости (условно выделена точками).

После чего заменяют ступенчатый пуансон на матрицу 3 с профилированной рабочей поверхностью (фиг.3) и производят частичный обжим калиброванного участка трубы до внешнего диаметра Д₅ перемещением матрицы относительно неподвижного конца трубы (фиг.4).

Аналогичные операции производят на ответном конце второй трубы, сопрягаемом в неразъемном соединении.

Поверхности профилированных концов труб и промежуточного кольца 4 из присадочного материала перед их сборкой (фиг.5) обезжиривают по известной в практике технологии. Использованием промежуточного кольца, а также профилированных участков соединяемых труб существенно упрощает обеспечение центровки последних.

К трубам через конические участки утолщений прикладывается осевое усилие сжатия (фиг.6), приводящее к деформации промежуточного кольца и появлению контактных давлений на сопрягаемых кольцевых поверхностях соединяемых элементов (условно показаны стрелками).

После чего выполняют расплавление материала промежуточного кольца посредством электрической дуги в защитной среде, например аргоне. Процедура расплавления может выполняться как в автоматическом режиме, так и ручном варианте. При этом основными технологическими параметрами аргоно-дуговой сварки будут: давление аргона, величина тока и скорость вращения, например, трубы, а также объем расплавляемого присадочного материала и величина осевого усилия, предварительно прикладываемого к трубам.

Форма промежуточного кольца позволяет осуществлять предварительный его собственный нагрев за счет теплопроводности, так и теплопереноса на соединяемые материалы из-за наличия контактного давления на кольцевых поверхностях. Отметим, что нагрев соединяемых элементов вызывает уменьшение прочностных характеристик и появление на стыке жидкой фазы легкоплавкой эвтектики присадочного материала. Следствием чего является ускоренная диффузия на стыке соединяемых элементов. На стадии охлаждения сварного шва имеет место кристаллизация с образованием и ростом новых зерен по стыку соединяемых труб, как бы прошивая стык новыми зернами (на фиг.7 условно показано штриховыми линиями). Осевое усилие, приложенное перед расплавлением к трубам, сохраняется и на стадии формирования твердой фазы соединения, что обеспечивает мелкозернистую структуру сварного шва. Таким образом, внутренний сварной шов соединения формируется за счет процесса диффузии. При этом достигается усиление сварного шва увеличением толщины стенки и отсутствует неконтролируемый внутренний грат в обычном понимании этого слова.

После снятия внешнего грата на токарном станке (фиг.7) присадочный материал, заполнивший объем внешней кольцевой канавки, представляет некоторую защиту для сварного шва, как в повышении его прочности, так и улучшении в определенных условиях коррозионной стойкости.

Придание трубе прямолинейности с обеспечением минимальной кривизны, а также пластической деформации сварного шва и его околошовных зон производится операцией двукратной правки в косовалковой машине. Причем правка трубы производится с изменением направления ее вращения на последнем переходе, что вызывает знакопеременную деформацию сварного шва и околошовных зон.

Труба приобретает одинаковый внешний диаметр с дополнительно проработанным пластическим деформированием сварным швом и околошовных зон, а также пластически деформированными при правке кольцевыми жесткостями и отличается повышенными прочностными свойствами материалов труб в околошовных зонах (фиг.8).

Полученная длинномерная труба подвергается гибке методом обкатки с последующим контролем сварного шва.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при изготовлении одношовных трубных шпилек из стали 10 и 20.

Исходные геометрические размеры труб составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм и длинами 6,0 и 2,0 м. Сопрягаемые в сборке концы труб по внешней поверхности концов калибровались на длине в 40 мм до диаметра, равного 25,6 мм. Калибровку концов труб выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0,2 МН. Обжим калиброванных концов труб также производился на горизонтальном гидравлическом прессе с использованием матрицы, минимальный диаметр рабочего профиля которой равнялся 24,3 мм.

Далее трубы укладывались на ложементы, располагая сопрягаемые в сварке концы навстречу друг другу. Перед сборкой концы труб и кольца (макетный материал из стали 10) присадочного материала (для нескольких образцов) обезжиривались ацетоном. Разместив между профилированными торцами труб промежуточное кольцо, осуществляли осевое их нагружение с усилием, не превышающим 30 кН. С учетом указанной величины осевого усилия сжатия соединяемых элементов контактное давление не превышало 170 МПа (или примерно 80% от предела текучести материала трубы из стали 10).

Сварку производили в ручном режиме при давлении аргона, равном 0,15 МПа, и сварном токе в 80-100 А. Время сварки не превышало 180 секунд. Охлаждение сварного шва производили в условиях сохранения осевого нагружения.

Снятие внешнего грата выполняли на токарном станке, придавая ему внешний диаметр, равный 25,6 мм.

Правку труб проводили на правильной косовалковой машине при вращении ее валков с числом оборотов в минуту, равным 100. Изменение направления вращения трубы достигалось ее разворотом на 180° при задаче трубы в косовалковую машину на последнем переходе правки.

Финишную операцию гибки выполняли на гибочном станке, использующем метод обкатки трубы на неподвижной оправке посредством ролика.

Контроль качества сварных швов, испытавших гибку и без таковой, производили путем рентгеновского просвечивания, как того требовали условия производства. Все трубные шпильки имели сварные швы, отвечающие полному пакету предъявляемых к ним требованиям. И в том числе, по диаметру отверстия в сварном шве. Его уменьшение составляло по сравнению с исходным диаметром менее 8%.

Испытания на разрыв не выявили потерю прочностных свойств сварными швами и разрушение образцов имело место по исходному сечению трубы.

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

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении трубных шпилек, преимущественно из разнородных материалов, для U-образных теплообменных аппаратов. Производят подготовку труб к сварке, гибку конца одной из труб по радиусу, сборку этого конца трубы с ответной трубой и образование неразъемного соединения труб аргоно-дуговой сваркой с использованием присадочного материала. Неразъемное соединение образуют перед гибкой формированием комбинированного сварного шва с последующим пластическим деформированием самого шва и околошовных зон. При формировании сварного шва диффузионной сваркой соединяемых труб и присадочного материала по стыку образуют внутренний шов, а наплавлением присадочного материала на внешнюю поверхность стыка труб - внешний шов. При сборке между трубами устанавливают кольцо из присадочного материала со ступенчатым внутренним профилем. Далее производят осевое сжатие труб до получения контактных давлений на торцах труб и боковых гранях кольца. Комбинированный шов формируют в процессе расплавления присадочного материала кольца в объеме внешней кольцевой выемки. Пластическое деформирование шва и околошовных зон производят путем двукратной правки трубы. В результате обеспечивается требуемое качество сварных швов и исключается образование внутреннего грата. 8 ил.

Способ получения трубных шпилек преимущественно из разнородных материалов, включающий подготовку труб к сварке, гибку конца одной из труб по радиусу, сборку этого конца трубы с ответной трубой, имеющей прямолинейную образующую, и образование неразъемного соединения труб аргонодуговой сваркой с использованием присадочного материала, отличающийся тем, что неразъемное соединение труб образуют перед гибкой путем формирования комбинированного сварного шва с последующим пластическим деформированием указанного сварного шва и околошовных зон, при формировании комбинированного сварного шва образуют внутренний сварной шов, который получают диффузионной сваркой соединяемых труб и присадочного материала по стыку, и внешний шов, который получают наплавлением присадочного материала на внешнюю поверхность стыка труб, для формирования упомянутого комбинированного сварного шва предварительно профилируют концы сопрягаемых труб, при сборке между трубами соосно с ними устанавливают кольцо из присадочного материала со ступенчатым внутренним профилем с образованием внешней кольцевой выемки с расположенным в ней и между торцами труб присадочным материалом кольца и далее производят осевое сжатие труб до получения контактных давлений на торцах труб и боковых гранях кольца, комбинированный сварной шов формируют в процессе расплавления присадочного материала кольца в объеме внешней кольцевой выемки, после чего удаляют грат с получением внешнего диаметра комбинированного сварного шва, равного диаметру околошовных зон, а упомянутое пластическое деформирование комбинированного сварного шва и околошовных зон осуществляют путем двукратной правки полученной трубы с сообщением ей вращательного и поступательного движений, при этом изменяют направление вращения трубы на последнем переходе правки.