СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИНЗОВОГО КОМПЕНСАТОРА ТЕМПЕРАТУРНЫХ УДЛИНЕНИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2023 года по МПК B21D53/04 B21D19/04 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и сварке, и может быть использовано при изготовлении узлов теплообменных аппаратов, в частности линзовых компенсаторов температурных удлинений.

При температурных колебаниях транспортируемой и окружающей среды, а также изменениях давления в межтрубном пространстве теплообменной аппаратуры в качестве устройства для компенсации температурных удлинений используется линзовый компенсатор - гибкая складка на кожухе теплообменника. Линзовый компенсатор состоит из двух полулинз, сваренных между собой кольцевым швом по наружному бурту встык и служит для снижения различного рода напряжений на фланцевые и сварные соединения, которые возникают вследствие температурной деформации аппарата. Обладая большей жесткостью для сдвигового и углового перемещений, как результат применения однослойных материалов, данный вид компенсаторов находит большое применение для компенсации в осевом направлении в системах с высокими рабочими давлениями и температурами. Основное применение линзовых компенсаторов осуществляется в нефтеперерабатывающей, химической и газовой отраслях промышленности для компенсация температурного удлинения корпусов теплообменного и газотурбинного оборудования. Возможность изменять геометрию линзы позволяет разрабатывать и изготовлять линзовые компенсаторы с внутренним диаметром до 5000 мм с применением сталей, сплавов титана и других металлов для достижения требуемых эксплуатационных показателей.

Элементы линзовых компенсаторов воспринимают существенные знакопеременные ударные и вибрационные нагрузки, поэтому к ним предъявляют повышенные требования к надежности в работе. Однако следует отметить, что изготовление линзовых компенсаторов является весьма затратным и трудоемким процессом. Поэтому при увеличении потребности в теплообменной аппаратуре и, соответственно, увеличении количества ее сборочных узлов, перед специалистами возникает задача в повышении эффективности способов изготовления линзовых компенсаторов при обеспечении их высокого качества.

Известен способ изготовления компенсатора температурных удлинений трубопровода, заключающийся в том, что вначале гнут трубу для придания ей необходимой формы, затем присоединяют к ней фланцы, при этом после этого дополнительно формуют внешний силовой слой компенсатора: на трубу надевают плетеный трубчатый каркас, закрепляют его концы на фланцах, пропитывают каркас связующим и отверждают, причем в качестве трубы используют гофрированную пластмассовую трубу (Патент РФ №2210019, МПК F16L 51/02, опубл. 10.08.2003).

Известное решение используется при изготовлении компенсаторов для пластиковых трубопроводов и не учитывает особенности изготовления металлических компенсаторов.

Известен способ изготовления гофрированных компенсаторов на металлических обечайках, включающий закрепление обечайки, перемещение металла внутрь по периметру обечайки путем надавливания внешнего ролика на вращающуюся обечайку с одновременным поджатием образующейся выпуклости гофра внутренним роликом с получением гофра внутри обечайки, при этом вращение обечайки осуществляют внутренним роликом, вращение внутреннего ролика проводят с угловой скоростью 20…22 град./с до образования половины высоты выпуклости гофра с последующим увеличением угловой скорости вращения внутреннего ролика до 28…30 град/с при удельном давлении внешнего ролика на поверхность обечайки 23…25 кг/мм² (Патент РФ №2104109, МПК, публ. B21D 15/06 10.02.1998).

Известный способ, предназначенный для изготовления гофрированных компенсаторов, не позволяет получать изделия с равномерной толщиной стенки профиля, так как отклонение толщины стенки от толщины исходной заготовки достигает 45%. Кроме того, для изготовления каждого типоразмера компенсатора требуется отдельная дорогостоящая оснастка.

Известен способ изготовления линзового компенсатора гидродинамической штамповкой из цилиндрических заготовок (обечаек) (Лукьянов В.П., Маткава И.И., Бойко В.А. Штамповка, гибка деталей для сварных сосудов, аппаратов и котлов, М. Машиностроение, 2003, с. 438) - прототип. В прототипе осуществляют штамповку на гидравлических прессах путем осевой осадки цилиндрической обечайки при наличии соответствующего давления жидкости в полости заготовки.

Недостатком прототипа является наличие специализированного штамповочного оборудования, требующего применения устройства, обеспечивающего подачу жидкости в полость штампуемого изделия. В штамповой оснастке обязательны надежные уплотнения в месте контакта пуансона с торцами заготовок. Кроме того, для каждого типоразмера компенсатора требуются дорогостоящие крупногабаритные штампы, что в условиях единичного и мелкосерийного производства существенно увеличивает затраты на изготовление продукции, а для хранения большого количества крупногабаритных штампов требуются значительные производственные площади.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка ресурсосберегающего универсального способа изготовления линзовых компенсаторов температурных удлинений при обеспечении высокого качества компенсаторов.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации изобретения, являются получение компенсаторов с высокой равномерностью толщины стенки, снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления оснастки в условиях индивидуального и мелкосерийного производств, создание возможности унификации применяемого инструмента для различных типоразмеров компенсаторов.

Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления линзового компенсатора температурных удлинений теплообменных аппаратов, согласно изобретению включает изготовление листовых кольцевых заготовок полулинз компенсатора, отбортовку заготовок с получением полулинз, термическую обработку полулинз, их калибровку и последующую сварку полулинз кольцевым швом по наружному диаметру с получением линзового компенсатора, при этом отбортовку кольцевых заготовок полулинз осуществляют с формированием на заготовке внутреннего и наружного буртов за два перехода обкаткой на профилирующей оправке с приложением усилия к заготовке в радиальном направлении посредством деформирующего ролика с вогнутой рабочей поверхностью. На первом переходе отбортовки осуществляют формирование наружного бурта полулинзы, а на втором переходе отбортовки формируют внутренний бурт полулинзы. В качестве термической обработки полулинз используют полный разупрочняющий отжиг. Листовую кольцевую заготовку изготавливают посредством гидроабразивной резки из катаного листа. Используют катаный лист из титанового сплава марки Вт 1-0.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема отбортовки наружного бурта в поперечном разрезе (фиг. 1а - начальная стадия процесса, фиг. 1б - конечная стадия процесса), на фиг. 2 - схема отбортовки наружного бурта - вид сбоку (фиг. 2а - начальная стадия процесса, фиг. 2б - конечная стадия процесса). На фиг. 3 приведена схема отбортовки внутреннего бурта в поперечном разрезе (фиг. 3а - начальная стадия процесса, фиг. 3б - конечная стадия процесса), на фиг. 4 - схема отбортовки внутреннего бурта - вид сбоку (фиг. 4а - начальная стадия процесса, фиг. 4б - конечная стадия процесса), на фиг. 5 - фото полу линз одного профиля и разных диаметров, на фиг. 6 - фрагмент отбортовки первого перехода, на фиг. 7 - фрагмент отбортовки второго перехода, на фиг. 8 - фото линзового компенсатора, на фиг. 9 - фрагмент теплообменного аппарата с установленным линзовым компенсатором.

Способ реализуется следующим образом.

Исходную кольцевую заготовку вырезают из листа одним из известных способов, например на установке гидроабразивной резки. На консольную часть листогибочной машины устанавливают инструментальную оснастку первого перехода, состоящую из деформирующего ролика 1, профилирующей оправки 2, сменного кольца 3 для изменения высоты профиля полулинзы, фланца 4, опорного ролика 5. При этом приводной является оправка 2. Заготовку 6 закрепляют в инструментальной оснастке и задают вращение N профилирующей оправке 2 при этом вращение деформирующего ролика 1 осуществляется за счет трения через заготовку 6 посредством вращения т. Деформирующий ролик 1 вместе с заготовкой 6 подводят к вращающейся оправке 2 и постепенным приложением усилия Р в радиальном направлении обкатывают вогнутой поверхностью ролика 1 с формированием наружного бурта в радиусном профиле оправки 2 и получением переходной формы полулинзы 7. Перемещение ролика 1 осуществляется с угла А на угол А₁ и с расстояния L на расстояние L₁. При этом диаметр D заготовки 6 изменяется на диаметр D₁ (фиг. 2). Устойчивость процесса обкатки обеспечивается опорным роликом 5. После обкатки переходную форму полулинзы 7 извлекают из оснастки и осуществляют замену инструмента на оснастку второго перехода, состоящую из деформирующего ролика 1, профилирующей оправки 2, сменного вкладыша 8 для смены высоты профиля полулинзы, фланца 4, опорного ролика 5. На втором переходе приводным является деформирующий ролик 1. Переходную форму полулинзы 7 закрепляют в инструментальной оснастке и задают вращение ТУ деформирующему ролику 1, при этом вращение профилирующей оправки 2 осуществляется за счет трения через переходную форму полулинзы посредством вращения n. Профилирующую оправку 2 вместе с переходной формой полулинзы 7 подводят к вращающемуся ролику 1 и постепенным приложением усилия Р в радиальном направлении обкатывают вогнутой поверхностью ролика 1 с формированием внутреннего бурта в радиусном профиле оправки 2 и получением окончательной формы полулинзы 9. Перемещение оправки 2 осуществляется с угла α на угол α₁ и с расстояния l на расстояние l₁. При этом диаметр d заготовки изменяется на диаметр d₁ (фиг. 4).

Далее осуществляют термическую обработку полулинз в виде полного отжига, позволяющую снять упрочнение материала, полученное при холодной деформации. Для получения окончательных размеров полулинз, в соответствии с требованиями чертежа, после термической обработки осуществляют калибровку полулинз в оснастке второго перехода. Далее осуществляют подготовку полулинз под сварку, их сборку и сварку кольцевым швом по наружному бурту. Универсальность процесса заключается в том, что в одном комплекте инструмента одного профиля могут изготавливаться полулинзы различных диаметров (фиг. 5). Для смены высоты профиля полулинзы достаточно поменять кольцо 3 в оснастке первого перехода (фиг. 1), а также вкладыш 8 в оснастке второго перехода (фиг. 3).

За счет выбранной схемы деформации и направления приложения усилия изменение толщины стенки при отбортовке в предлагаемом способе не превышает 15%.

Промышленную применимость изобретения подтверждает пример его конкретного выполнения.

Предлагаемый способ использовали для изготовления линзового компенсатора с размерами наружного диаметра 850 мм, внутреннего диаметра 600 мм из титанового сплава марки Вт 1-0 для применения в конструкции кожухотрубчатого теплообменника. Для изготовления листовой заготовки прокатывали лист из вышеуказанного сплава на толщину 6 мм. Из листа вырезали кольцевую заготовку гидроабразивным способом. На листогибочной машине осуществляли первый переход отбортовки с формированием наружного бурта полулинзы (фиг. 6). Далее на этом же оборудовании осуществляли второй переход отбортовки с формированием внутреннего бурта полулинзы (фиг. 7). После чего выполнили полный отжиг полулинз. После термической обработки осуществляли калибровку полулинз с целью обеспечения окончательных размеров в соответствии с требованиями конструкторской документации, подготовку кромок к сварке, аргоно-дуговую сварку кольцевым швом по наружному бурту. Полученный линзовый компенсатор (фиг. 8) в полной мере удовлетворяет всем требованиям конструкторской и нормативно-технической документации, был установлен на теплообменный аппарат (фиг. 9). Изменение толщины стенки профиля компенсатора составило 12%. На фиг. 9 стрелкой указан линзовый компенсатор, установленный на теплообменном аппарате.

Таким образом, заявляемый способ, по сравнению с известными, позволяет получать линзовые компенсаторы с равномерной толщиной стенки, снизить затраты на изготовление инструментальной оснастки, а также унифицировать применяемый инструмент для компенсаторов различных типоразмеров.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и сварке и может быть использовано при изготовлении узлов теплообменных аппаратов, в частности линзовых компенсаторов температурных удлинений. Изготавливают листовые кольцевые заготовки полулинз компенсатора и осуществляют их отбортовку с получением полулинз. Производят термическую обработку полулинз, их калибровку и последующую сварку кольцевым швом по наружному диаметру с получением линзового компенсатора. Отбортовку кольцевых заготовок полулинз осуществляют с формированием внутреннего и наружного буртов за два перехода обкаткой на профилирующей оправке. При этом к заготовке прикладывают усилие в радиальном направлении посредством деформирующего ролика с вогнутой рабочей поверхностью. В результате обеспечивается получение компенсаторов с высокой равномерностью толщины стенки, снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления оснастки в условиях индивидуального и мелкосерийного производств, создание возможности унификации применяемого инструмента для различных типоразмеров компенсаторов. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ изготовления линзового компенсатора температурных удлинений теплообменных аппаратов, отличающийся тем, что он включает изготовление листовых кольцевых заготовок полулинз компенсатора, отбортовку заготовок с получением полулинз, термическую обработку полулинз, их калибровку и последующую сварку полулинз кольцевым швом по наружному диаметру с получением линзового компенсатора, при этом отбортовку кольцевых заготовок полулинз осуществляют с формированием на заготовке внутреннего и наружного буртов за два перехода обкаткой на профилирующей оправке с приложением усилия к заготовке в радиальном направлении посредством деформирующего ролика с вогнутой рабочей поверхностью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на первом переходе отбортовки осуществляют формирование наружного бурта полулинзы, а на втором переходе отбортовки формируют внутренний бурт полулинзы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термической обработки полулинз используют полный разупрочняющий отжиг.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что листовую кольцевую заготовку изготавливают посредством гидроабразивной резки из катаного листа.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют катаный лист из титанового сплава марки Вт 1-0.