ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ ЗАПРЕССОВКИ ТРУБ В ТРУДНОДОСТУПНЫХ МЕСТАХ Российский патент 2010 года по МПК B21D26/10 B21D39/04 

Изобретение относится к области обработки материалов давлением с использованием энергии электрического взрыва металлического проводника в жидкой передающей среде и касается, в частности, деформирования и запрессовки труб широкого спектра конфигураций и геометрических размеров в труднодоступных местах.

Известны различные механические устройства и способы запрессовки труб в трубные решетки теплообменных аппаратов, такие как ролики, раскатки, дорны, в частности, №2165325 2001.04.20, МПК B21D 39/06, B21D 53/08, F28 F9/16. Сущность способа закрепления труб в трубных решетках заключается: на внутренней поверхности трубы, прилегающей к ее торцу, формируют внутреннее кольцевое утолщение, трубу устанавливают в отверстие трубной решетки, имеющее на поверхности кольцевые канавки, и фиксируют от возможного перемещения, затем к внутренней поверхности трубы прикладывают сжимающее усилие роликами механической вальцовки, обеспечивая закрепление трубы. Длина роликов превышает ширину внутреннего кольцевого утолщения. В результате обеспечивается достаточное заполнение объемов кольцевых канавок трубной решетки без подрезания стенок трубы при наличии конусности роликов механической вальцовки.

Применение предлагаемых устройств и способов требует больших энергетических затрат, длительного времени обработки, они обладают большой металлоемкостью и ограничены в технологических возможностях, а также при использовании механических способов и устройств проблематично произвести запрессовку труб искривленной геометрии в труднодоступном месте.

Известны устройства для запрессовки труб, в которых в качестве активного элемента используются взрывчатые вещества (А.С. 1731359, кл. ⁵ B21D 26/08, 07.05.92 г.). Сущность изобретения: заряд взрывчатого вещества имеет форму кольца, толщина стенки которого увеличивается от среднего сечения к торцам, а детонирующий шнур на участке контакта с зарядом изогнут по кольцу и расположен на внутренней поверхности заряда. Взрывной патрон содержит цилиндрический корпус, выполненный из двух коаксиальных цилиндров, которые снабжены крышками.

Применение предлагаемых устройств во многих случаях нежелательно вследствие повышенных требований к технике безопасности при их эксплуатации. А также они не всегда позволяют решать поставленные технические задачи, как-то: осуществление деформирования труб искривленной геометрии и малого диаметра, генерация цилиндрически симметричной и однородной ударной волны давления в труднодоступном месте.

Использование классического электровзрывного патрона (Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. - Киев: Наукова думка, 1983. - 342 с.) для деформирования трубы в труднодоступном месте также проблематично из-за невозможности размещения самого электровзрывного патрона в области деформирования, в частности, при искривленной геометрии трубы.

Наиболее близким к заявленному изобретению является "Электрогидроимпульсный способ запрессовки труб в труднодоступных местах" (патент RU №2125496, ⁶ B21D 26/10, 1999).

Данный способ включает следующие операции: устанавливают трубу в отверстие трубной решетки, в полость трубы на конце размещают предварительно собранную конструкцию, состоящую из взрывающегося элемента в виде плоского кольца из фольги, которое размещают на торце механически прочного цилиндра из диэлектрика, имеющего сквозное коаксиальное отверстие, в котором располагают стержневой электрод, соединяемый электрическим контактом с центром взрывающегося плоского кольца, в качестве второго электрода используют обжимающую металлическую втулку, которую устанавливают на цилиндре из условия обеспечения фиксации на его боковой поверхности периферийной части плоского кольца и из стержневой вставки, опирающейся на центрирующие изолирующие звездочки и соединенной со стержневым электродом, на которой установлены тело вращения и направляющий конус, выполненные из механически прочного материала, причем тело вращения и направляющий конус располагают в зоне деформации трубы, заполняют полость передающей средой, производят гидроизоляцию трубы эластичной пробкой на ее торце, а для гидроизоляции трубы со стороны электродов устанавливают эластичную пробку в виде кольцевой прокладки и осуществляют электрический взрыв.

Недостатком известного способа является то, что для осуществления электрического взрыва взрывающегося элемента в виде плоского кольца из фольги необходимо приложить высокую разность потенциалов на ее центральную и периферийную часть. В случае использования предложенной геометрии взрывающегося элемента в нем заведомо создается неоднородное электрическое поле. Следовательно, электрический ток, протекающий в радиальном направлении по плоскому кольцу из фольги, и соответственно, плотность тока, в каждом сечении кольца будут различны. Вследствие чего протекание процессов нагревания, плавления, разрушения, испарения, взрыва, возникновение плазменного образования и т.д. при электрическом взрыве будет осуществляться непредсказуемо, носить в объеме кольца из фольги локальный характер. Электрический взрыв плоского кольца из фольги будет протекать неоднородно, в передающей конденсированной среде будет генерироваться не плоская, а сложного профиля волнового фронта ударная волна. В грубом приближении однородный электрический взрыв плоской кольцевой фольги можно обеспечить, применяя строго определенные геометрические размеры последней, в частности уменьшение ширины кольца, т.е. активной зоны взрывающегося элемента, но при этом возможно используемый перечень размеров будет достаточно узким, что влечет за собой уменьшение технологических возможностей применения. В противном случае протекание процесса электрического взрыва происходит далеко не в оптимальном режиме, возникает неоправданная потеря энергии, КПД не велик.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является осуществление однородного электрического взрыва кольца из фольги, расширение перечня типоразмеров кольца из фольги, генерация плоской ударно-акустической волны высокой интенсивности, повышение КПД.

Поставленный технический результат достигается тем, что в электрогидроимпульсном способе запрессовки труб в труднодоступных местах, включающем установку трубы в отверстие трубной решетки, размещение на конце трубы предварительно собранной конструкции, состоящей из взрывающегося элемента в виде кольца из фольги, расположенного на торце механически прочного цилиндра из диэлектрика, имеющего сквозное коаксиальное отверстие, в котором расположен стержневой электрод, соединенный электрическим контактом с центральной частью кольца из фольги, второго электрода в виде обжимающей металлической втулки, расположенной на цилиндре из условия обеспечения фиксации на его боковой поверхности периферийной части кольца, соединенной со стержневым электродом и опирающейся на центрирующие изолирующие звездочки стержневой вставки с установленными на них направляющим конусом и телом вращения, выполненными из механически прочного материала, расположение тела вращения и направляющего конуса упомянутой конструкции в зоне деформирования трубы, заполнение полости трубы передающей средой, гидроизоляцию трубы эластичной пробкой одного торца и кольцевой прокладкой другого, осуществление электрического взрыва взрывающегося элемента, в используемой предварительно собранной конструкции поверхности кольца из фольги выполнены с профилем по гиперболической функции , толщиной, увеличивающейся от периферийной к центральной части, металлическая втулка изготовлена с внутренним буртом на конце, стержневая вставка имеет длину, равную длине тела вращения и направляющего конуса с центрирующими звездочками, и соединена со стержневым электродом посредством резинового шнура, армированного металлическими жилами, диаметр которого равен внутреннему диаметру кольца.

Благодаря применению в качестве взрывающегося элемента гиперболического кольца из фольги, профили поверхностей которого определяются функцией , где α - коэффициент пропорциональности, при этом толщина кольца увеличивается от периферийной к центральной части, обеспечивается условие однородности протекания электрического тока, и соответственно, плотности тока, в любом ее сечении. Вследствие чего протекание процессов нагревания, плавления, разрушения, испарения, взрыва, возникновение плазменного образования и т.д. при электрическом взрыве будет носить предсказуемый характер. Электрическая энергия конденсаторного накопителя в большей мере полностью реализуется на формирование электрического взрыва. Следовательно, можно считать, что протекание электрического взрыва происходит одновременно и однородно во всем объеме гиперболического кольца из фольги, и в передающей конденсированной среде генерируется плоская ударно-акустическая волна, распространяющаяся по деформируемой трубе, представляющей в данном случае волновод без энергетических потерь.

Обеспечение условия однородности электрического взрыва и оптимальности геометрических размеров взрывающегося элемента (Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986, - 205 с.) обуславливает расширение спектра типоразмеров взрывающегося элемента, в нашем случае гиперболического кольца из фольги.

Таким образом, использование гиперболического кольца, профили поверхностей которого определяются функцией , т.е. у которого толщина кольца увеличивается от периферийной к центральной части, позволяет осуществить однородный электрический взрыв, расширить перечень типоразмеров электрически взрывающихся элементов, произвести генерацию плоской ударно-акустической волны высокой интенсивности и повысить КПД.

Выполнение обжимающей металлической втулки с внутренним буртом на конце обеспечивает необходимую фиксацию гиперболического кольца из фольги на торце диэлектрического цилиндра и надежный электрический контакт всей периферийной части гиперболического кольца из фольги с металлической втулкой, являющейся вторым электродом, что влечет за собой минимизацию джоулевых потерь при электрическом контакте и гарантированную работоспособность способа.

Использование стержневой вставки, изготовленной равной длине тела вращения и направляющего конуса с центрирующими звездочками, позволяет располагать конструкцию в зоне деформирования трубы, имеющей малые радиусы кривизны изгибов, что расширяет технологические возможности.

Применение гибкого армированного металлическими жилами резинового шнура позволяет разместить и точно расположить, варьируя длиной шнура, стержневую вставку с направляющим конусом и тела вращения в необходимой труднодоступной зоне деформирования трубы, которая может иметь достаточно широкий диапазон конфигураций с различными радиусами кривизны. Прочное соединение стержневой вставки с электродной конструкцией посредством армированного металлическими жилами шнура позволяет избежать осевого смещения направляющего конуса и тела вращения относительно деформируемой зоны трубы при воздействии ударной волны, что положительно сказывается на КПД. Применение резины в изготовлении шнура, являющейся диэлектриком, обеспечивает невозможность возникновения паразитного электрического разряда между электродами, деформируемой трубой и металлическими жилами. Равенство диаметра армированного металлическими жилами резинового шнура диаметру центральной части гиперболического кольца из фольги и стержневой вставки обеспечивает уменьшение объема конденсированной передающей среды. Генерируемая ударно-акустическая волна распространяется в среде, по форме представляющей собой толстостенный полый цилиндр, сечение которого определяется площадью кольца из фольги. В этом случае увеличивается объемная плотность потока энергии, уменьшается ее диссипация, обеспечивается гарантированная работоспособность способа и повышается КПД.

Ударно-акустическая волна сжатия высокого давления при распространении вдоль деформируемой трубы взаимодействует с телом вращения (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. - Москва: Наука, 1986, - 736 с.), при этом происходит изменение профиля фронта волны, следовательно, перераспределение направления и величины импульса. Вследствие многократного отражения волны от поверхности тела вращения и участка деформируемой трубы возникает радиально составляющая импульса силы, обеспечивающая осесимметричную деформацию трубы. Наличие сглаживающего конуса позволяет при минимальных энергетических потерях производить формирование фронта ударно-акустической волны и перераспределение потока энергии в ней, что повышает КПД.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема электрогидроимпульсного способа запрессовки труб в труднодоступных местах, на фиг.2 представлено гиперболическое кольцо из фольги, профили поверхностей которого определяются функцией , т.е. толщина в радиальном сечении имеет гиперболическую зависимость от радиуса, на фиг.3 представлен внешний вид гиперболического кольца из фольги с разрезом в радиальном сечении, на фиг.4 показан сегмент кольца, где представлена модель распределения линий тока по произвольному сечению гиперболического кольца из фольги.

На торцевой поверхности механически прочного диэлектрического цилиндра 1 (фиг.1), представляющей собой гиперболоид вращения, располагается гиперболическое кольцо 2 из фольги. Толщина гиперболического кольца 2 из фольги изменяется в радиальном направлении по гиперболическому закону (фиг.2, фиг.3), в нашем случае увеличивается по мере приближения от периферийной к центральной ее части. Этим достигается однородность тока и плотности тока, протекающего в радиальном направлении (фиг.3). На фиг.4 показаны линии тока, пронизывающие в радиальном направлении площадки S₁ и S₂ некоторого выделенного сегмента гиперболического кольца 2 из фольги. В диэлектрическом цилиндре 1 соосно выполнено сквозное отверстие, в котором размещается стержневой электрод 3, соединенный электрическим контактом с центральной частью гиперболического кольца 2 из фольги. Периферийная часть гиперболического кольца 2 из фольги фиксируется на торцевой поверхности диэлектрического цилиндра 1 с помощью металлической втулки 4, выполненной с внутренним буртом и являющейся вторым электродом. Для гидроизоляции устанавливают резиновое кольцо 5 на торце деформируемой трубы 6. Диаметр металлической втулки 4 равен внутреннему диаметру трубы 6. Стержневая вставка 7 с внешней стороны гиперболического кольца 2 из фольги соединяется со стержневым электродом 3 посредством резинового шнура 8, армированного металлическими жилами, диаметр которого равен диаметру центральной части гиперболического кольца 2 из фольги, используя резьбовое соединение. На стержневой вставке 7 располагаются направляющий конус 9 и тело вращения 10, например цилиндр диаметром несколько меньшим, чем диаметр деформируемой трубы 6. Представленная конструкция размещается в полости трубы 6, причем диэлектрический цилиндр 1 с гиперболическим кольцом 2 из фольги и электродами 3 и 4 механически прочно закрепляют на конце деформируемой трубы 6. Тело вращения 10 и направляющий конус 9 на стержневой вставке 7 благодаря выверенной длине армированного шнура 8 при этом автоматически располагаются в зоне деформирования трубы соосно, благодаря центрирующим звездочкам 11. Деформируемая труба 6 заполняется рабочей передающей средой 12, в частности водой, и гидроизолируется с противоположного конца резиновой пробкой 13. Электроды 3 и 4 соединяют токоподводящими проводами с генератором импульсных токов 14. При подаче высокого напряжения на центральную и периферийную части гиперболического кольца 2 из фольги последняя под действием тока высокой плотности однородно взрывается, формируя в окружающей передающей среде 12 плоскую ударно-акустическую волну. Сгенерированная ударно-акустическая волна распространяется по передающей рабочей среде 12, ограниченной радиально трубой 6, в направлении зоны расположения тела вращения 10 и направляющего конуса 9, не претерпевая энергетических потерь. Благодаря направляющему конусу 9 происходит плавное изменение профиля фронта ударно-акустической волны, и энергетический поток направляется в область между телом вращения 10 и деформируемой трубой 6. Ударно-акустическая волна, радиально воздействуя на трубу 6, производит осесимметричную пластическую деформацию, а распространяясь аксиально в зазоре между телом вращения 10 и трубой 6, осуществляет деформацию участка трубы по всей длине, равной длине тела вращения 10. Меняя профиль тела вращения 10 и величину зазора между трубой 6 и телом вращения 10, можно изменить профиль деформации трубы 6, а также величину деформации.

Таким образом, применение в качестве взрывающегося элемента гиперболического кольца из фольги и использование резинового шнура, армированного металлическими жилами, позволяет осуществлять однородный электрический взрыв кольца из фольги, расширить перечень типоразмеров взрывающихся элементов, генерировать плоскую ударно-акустическую волну высокой интенсивности, тем самым повысить КПД.

Пример.

В экспериментах применялся энергетический накопитель конденсаторного типа, имеющий следующие параметры: электрическая емкость С=320 мкФ, индуктивность L=78 мкГн, максимальное напряжение U=2 кВ. Использовалась бесшовная алюминиевая трубка с внутренним диаметром D_вн=25 мм и толщиной стенки h_тр=0,22 мм, длиной l_mp=25 см. Внешний и внутренний диаметр кольца из алюминиевой фольги равны, соответственно d_внеш=23 мм, d_внут=10 мм. Длина стержневой вставки l_вс=20 мм, диаметр тела вращения и направляющего конуса d_тела=22 мм, длина тела вращения l_тела=15 мм, длина резинового шнура l_шн=12 см. В результате экспериментов получено локальное деформирование трубки в заданном месте, длина деформированного участка трубки составила прядка l_труб≈20 мм.

Изобретение относится к области обработки материалов давлением с использованием энергии электрического взрыва металлического проводника в жидкой передающей среде и касается, в частности, деформирования и запрессовки труб широкого спектра конфигураций и геометрических размеров в труднодоступных местах. Трубу устанавливают в отверстие трубной решетки, размещают на конце трубы предварительно собранную конструкцию, состоящую из взрывающегося элемента в виде кольца из фольги, расположенного на торце механически прочного цилиндра из диэлектрика, имеющего сквозное коаксиальное отверстие, в котором расположен стержневой электрод, соединенный электрическим контактом с центральной частью кольца из фольги. Используют второй электрод в виде обжимающей металлической втулки, расположенной на цилиндре из условия обеспечения фиксации на его боковой поверхности периферийной части кольца, соединенной со стержневым электродом и опирающейся на центрирующие изолирующие звездочки стержневой вставки с установленными на них направляющим конусом и телом вращения, выполненными из механически прочного материала. Осуществляют расположение тела вращения и направляющего конуса упомянутой конструкции в зоне деформирования трубы, заполнение полости трубы передающей средой, гидроизоляцию трубы эластичной пробкой одного торца и кольцевой прокладкой другого, осуществление электрического взрыва взрывающегося элемента. При этом в используемой предварительно собранной конструкции поверхности кольца из фольги выполнены с профилем по гиперболической функции, толщиной, увеличивающейся от периферийной к центральной части, металлическая втулка изготовлена с внутренним буртом на конце, стержневая вставка имеет длину, равную длине тела вращения и направляющего конуса с центрирующими звездочками, и соединена со стержневым электродом посредством резинового шнура, армированного металлическими жилами, диаметр которого равен внутреннему диаметру кольца. Повышаются эффективность способа и КПД. 4 ил.

Электрогидроимпульсный способ запрессовки труб в труднодоступных местах, включающий установку трубы в отверстие трубной решетки, размещение на конце трубы предварительно собранной конструкции, состоящей из взрывающегося элемента в виде кольца из фольги, расположенного на торце механически прочного цилиндра из диэлектрика, имеющего сквозное коаксиальное отверстие, в котором расположен стержневой электрод, соединенный электрическим контактом с центральной частью кольца из фольги, второго электрода в виде обжимающей металлической втулки, расположенной на цилиндре из условия обеспечения фиксации на его боковой поверхности периферийной части кольца, соединенной со стержневым электродом и опирающейся на центрирующие изолирующие звездочки стержневой вставки с установленными на них направляющим конусом и телом вращения, выполненными из механически прочного материала, расположение тела вращения и направляющего конуса упомянутой конструкции в зоне деформирования трубы, заполнение полости трубы передающей средой, гидроизоляцию трубы эластичной пробкой одного торца и кольцевой прокладкой другого, осуществление электрического взрыва взрывающегося элемента, отличающийся тем, что в используемой предварительно собранной конструкции поверхности кольца из фольги выполнены с профилем по гиперболической функции , толщиной, увеличивающейся от периферийной к центральной части, металлическая втулка изготовлена с внутренним буртом на конце, стержневая вставка имеет длину, равную длине тела вращения и направляющего конуса с центрирующими звездочками, и соединена со стержневым электродом посредством резинового шнура, армированного металлическими жилами, диаметр которого равен внутреннему диаметру кольца.