ТРУБА ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ГИБКИ Российский патент 2024 года по МПК B21D7/00 B21D9/00 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению труб из сплавов с пониженной пластичностью.

Известны варианты исполнения труб переменного сечения. Так, например, в патенте Великобритании [Патент GB651775. Improvements in or relating to a method of forming integral finned tube. Опубл. 1951-04-11 Изобретатель Calumet And Hecla Cons Copper. МПК B21C37/20. Заявка GB19460034284 от 1946-11-19] предлагалось трубу выполнять с изменением диаметра по длине, при этом труба сохраняет в поперечном сечении осесимметричную форму, описываемую окружностью определенного диаметра.

В описании к российскому патенту [Патент RU 2674850. Труба для теплообменника с, по меньшей мере, частично переменным поперечным сечением и теплообменник, ею снабженный. МПК F28F 1/06. Х. Босхер ; заявитель Интергэс Хитинг Эссетс Б.В. Заявка 2016116933 от 01.10.2014. Опубл. 13.12.2018] предлагалось изготавливать трубу переменного сечения, часть такой трубы имеет круглое сечение, а на части трубы изготавливают продольные ребра. Обычно наличие ребер в трубах позволяет увеличить контактную поверхность, за счет чего повышаются характеристики теплопередачи [А. с. SU1765672. Кожухотрубный теплообменник. МПК F28D 7/16, F28F 1/04. / В. В. Иванов, А. А. Крылов, Е. Ф. Кузнецов, В. В. Шерапов. Заявка 4161396 от 16.12.1986. Опубл. 30.09.1992]. Изменение профиля стенки трубы за счет нанесения рифлений предусмотрено также патентами [Патент RU45499. Труба бесшовная для теплообменных аппаратов. / А. С. Овчинников, Ю. Н. Логинов, А. Г. Титова. Заявители УГТУ-УПИ, ОАО "Ревдинский завод по обработке цветных металлов". МПК F16L 9/00. Заявка 2004132276/22. Заявл. 09.11.2004. Опубл. 10.05.2005; Патент ПМ RU107583. Теплообменная труба. / И. В. Бойко, В. С. Никитченко, Б. Н. Шукайло. МПК F28F 1/00. Заявка 2011107911/06 от 01.03.2011. Опубл. 20.08.2011].

Полезная модель [Патент ПМ RU128912. Труба бурильная с замками переменного внутреннего сечения (варианты). МПК F16L 9/00, E21B 17/00 / Е. М. Курнев; заявитель ООО "РОБУТ". Заявка № 2012143596/03 от 11.10.2012. Опубл. 10.06.2013] относится к инструменту, применяемому при строительстве скважин, а именно к трубам, предназначенным для бурения. Труба бурильная выполнена круглого поперечного сечения с переменной толщиной стенки. Этим достигается повышенная прочность на кручение и изгиб, а также повышенная усталостная прочность при минимизации гидравлического сопротивления внутри труб.

Изобретение [Патент SU1588747. Теплообменная труба. МПК C10G 9/20. В. В. Таушев, Н. А. Таушева, Р. Х. Садыков, Р. М. Усманов. Заявка 4271609 от 29.06.1987. Опубл. 30.08.1990] относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, в частности к оборудованию трубчатых печей. Цель изобретения - снижение коксоотложений на внутренней поверхности трубчатого змеевика. Теплообменная труба имеет круглый профиль и содержит участки переменного по диаметру круглого сечения. При переходе перекачиваемой среды в полостях различного сечения изменяется скачком давление, возникают фазовые переходы от жидкой среды до газообразной и отложения выносятся циркулирующим потоком.

Трубы теплообменников могут выполняться по всей длине некруглого сечения, а иметь форму овала, что предлагалось в техническом решении [А.с. SU775536. Овальная труба для секций чугунного котла с параллельным расположением труб. / И. С. Гельфанд, А. И. Кунахович, Р. А. Гольдин и др. МПК F24H 1/38. Заявка 2561650 от 29.12.1977. Опубл. 30.10.1980] и что позволяло увеличить эффективность теплопередачи.

Изобретение в соответствии с патентом [Патент RU2669410 Полуплоскоовальная профильная труба / А. С. Марутян. Заявка 2017140588 от 21.11.2017. МПК E04C 3/07. Опубл. 11.10.2018] относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых и балочных элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения, в частном случае это могут быть стержневые элементы поясов и решеток ферм или решетчатых прогонов покрытий, а также балочные элементы крановых и подкрановых конструкций. Полуплоскоовальная труба включает одну полукруглую грань, две стенки, вертикальные грани, и одну полку, горизонтальную грань. При этом выполнена с внутренним ребром, расположенным по середине полукруглой грани параллельно стенкам и сформированным сваркой отогнутых кромок листовой заготовки. Недостатком полуплоскоовальной трубы является невозможность ее изгиба без искажения формы, поэтому она применяется только в качестве несущего балочного элемента конструкции.

Сечение труб из материалов с пониженным уровнем пластичности, например, из титана, увеличивают локально с помощью методов гидростатической обработки, что предлагается патентом [Патент CN116174565. Variable cross-section thin-wall titanium pipe forming method and system based on hydromechanics. Опубл. 2023-05-30 / Li Cong; Li Chengwu; Xu Zixuan; Xu Wenbo; Wang Yuqing. Заявитель University China Mining & Technology Beijing. МПК B21C51/00; B21D26/033; B21D26/041; B21D26/043. Заявка CN202310105715 от 2023- 02-13]. Из этого же патента известна конструкция трубы из титанового сплава, имеющая переменное поперечное сечение, которое сохраняет круглую форму по длине трубы. Титановые сплавы имеют не самые высокие показатели пластичности. Такая конструкция выбрана в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является сохранение постоянства формы трубы по длине. Этот недостаток проявляется при необходимости изменения направления оси трубы. Направление оси трубы по ее длине изменяют методом гибки, и для этого разработаны специальные приемы и устройства [Патент RU2062157. МПК B21D 9/00, B21D 11/06. Способ гибки многоколенных изделий / Е. С. Сизов. Заявитель: Научно-исследовательский институт авиационной технологии и организации производства. Заявка 93028975/08 от 13.05.1993. Опубл. 20.06.1996; Патент RU2016683. МПК B21D 9/12. Способ гибки труб и устройство для его осуществления. / В. А. Медведев, Н. М. Ахметзянов, А. А. Гончаров. Заявка 5040800/27 от 20.09.1991. Опубл. 30.07.1994].

Одна из трудностей, возникающих при выполнении операции гибки труб, заключается в том, что при придании трубе радиуса кривизны создаются пластические деформации, которые могут привести к появлению трещин, особенно в том случае, если материал трубы оказывается мало пластичным. В свою очередь появление трещин зависит от уровня механических напряжений, возникающих в операции изгиба. Необходимо снизить уровень механических напряжений, особенно в периферийном слое трубы, подвергаемой гибке.

В соответствии с положениями сопротивления материалов при изгибе балок различного профиля поперечного сечения возникающие механические напряжения зависят от координаты удаленности материальной точки от нейтральной оси y. В случае изгиба трубы нейтральной осью является ось симметрии трубы. При изгибе трубы возникают положительные напряжения на стороне трубы, наиболее удаленной от нейтральной оси, а на стороне трубы, наиболее приближенной к нейтральной оси, возникают отрицательные напряжения. Наиболее опасными являются положительные напряжения, поскольку они являются напряжениями растяжения. В соответствии с теорией разрушения, при достижении критической пластической деформации разрушение металла наступает именно в областях с действующими напряжениями растяжения, а не сжатия [Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия., с.49].

Величину напряжений изгиба при нагружении балки сосредоточенной силой определяют по формуле [Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа. 1975. 654с. 1970., с. 249]:

где M - изгибающий момент; J - момент инерции; y – координата удаления точки от нейтральной оси. В этом же источнике отмечено, что в такой схеме изгиба получают форму нейтральной оси в виде дуги окружности, что соответствует желаемому результату при изготовлении трубопровода.

Из формулы, в частности следует, что, уменьшая координату y как расстояния от нейтральной оси до текущей точки, можно снижать напряжения изгиба.

Если в качестве конструкции, подвергаемой изгибу, используется труба, то опасным местом является именно наиболее удаленная от нейтральной оси часть трубы. Встает вопрос, как уменьшить координату удаления от нейтральной оси. Это возможно осуществить, если соответствующий размер трубы будет уменьшен за счет придания ей другой формы, например, формы овала. В этом случае координату удаления от нейтральной оси можно приблизить существенно. Замена формы круга на форму овала позволяет сохранить пропускную способность трубы, поскольку площадь поперечного сечения не изменяется. Особенно следует отметить, что на части трубы выгодно сохранить участки не овального, а круглого сечения, что создает минимальную вероятность создания вихревого, а не ламинарного движения жидкости или газа в полости трубы, кроме того, концевые участки круглого сечения позволяют обеспечить присоединение трубы к другой трубе, имеющей такие же участки.

Сущностью предлагаемого технического решения является конструкция трубы, имеющей переменное поперечное сечение. При этом по длине трубы выполнены два концевых участка, имеющие круглое поперечное сечение, и участок, прилегающий к середине длины, который имеет овальное сечение. Два концевых участка имеют круглое поперечное сечение, чтобы была возможность подсоединения к другому участку трубопровода, который имеет как правило, круглое поперечное сечение, тогда соединение удастся выполнить, например, с помощью переходной муфты или даже сварки.

Как показано выше, наличие на трубе участка овального сечения позволяет изогнуть трубу с возникновением меньших напряжений. Но при этом возникает такое ограничение, что направление изгиба должно соответствовать ориентации длинной и короткой осей овала. Плоскость, в которой располагается изгиб, должна проходить через короткую ось овала. При монтаже трубы может возникнуть ситуация, при которой это ограничение мешает прокладке. Поэтому удобно создать второй участок трубы, на которой выполнено овальное сечение, но с разворотом осей овала до величины прямого угла. Теперь при монтаже можно использовать этот участок, который будет больше соответствовать задачам прокладки трубопровода.

Получение участка трубы с овальным сечением возможно с применением различных способов, например, методом плющения, как это показано в патенте [Патент RU2778317. Способ обработки немерных отрезков труб / Ю. Н. Логинов, Г. В. Шимов, Н. И. Бушуева. Заявитель: Уральский федеральный университет МПК B21B 1/22, B21D 39/03, B23P 17/00. Заявка № 2022100875 от 17.01.2022. Опубл. 17.08.2022], но применительно к получению плоской продукции.

На фиг.1 отображено продольное сечение трубы по предлагаемому техническому решению, на фиг.2 приведена форма поперечного сечения на концах трубы, а на фиг.3 приведена форма поперечного сечения в месте предполагаемого изгиба. На фиг. 4 показана возможная форма перехода от одного сечения к другому.

Пример 1. На фиг. 1 отображено продольное сечение трубы переменного по длине профиля. Сечение А-А (фиг.2) со стороны концов трубы выглядит в форме окружности, а сечение Б-Б (фиг.3) в месте предполагаемого изгиба выполнено в форме овала. Показаны также (фиг.1) координаты расстояния y₁ от нейтральной оси до наружного контура участка трубы круглого профиля и расстояния y₂ от нейтральной оси до наружного контура участка трубы овального профиля. Здесь видно, что вторая координата примерно в два раза меньше, что в соответствии с формулой (1) приведет к получению в два раза меньших напряжений в случае применения изгиба. Это снизит вероятность трещинообразования в опасном сечении. Например, если напряжения при изгибе круглой трубы оказались равны 800 МПа, то при уменьшении расстояния от нейтральной оси до периферийного слоя трубы в два раза, напряжения в соответствии с формулой (1) окажутся в два раза меньше, то есть только 400 МПа.

Переход от круглого сечения к овальному может быть выполнен плавным, чтобы избежать появления концентраторов напряжений (фиг. 4).

Пример 2. Длинная и короткая оси овала на участке, который имеет овальное сечение и прилегающем к середине длины, могут иметь разворот до величины прямого угла, что показано на фиг. 5 изменением размера трубы в продольном сечении. Соответственно, в трубе появилось три формы сечения: круглое, с овалом, вытянутым по горизонтали и с овалом, вытянутым по вертикали (фиг. 6). Теперь труба может быть подвергнута изгибу в двух плоскостях. Два таких овальных участка могут быть получены сплющиванием трубы при изменении направления сплющивания под прямым углом.

Решением технической проблемы в соответствии с заявленным техническим решением является снижение уровня механических напряжений при изгибе трубы.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении труб из сплавов с пониженной пластичностью. Труба, подвергаемая гибке, имеет переменное поперечное сечение. Два концевых участка выполнены с круглым поперечным сечением. На длине, прилегающей к середине трубы, имеются два участка с овальным поперечным сечением. Длинная и короткая оси овала на одном участке расположены под прямым углом относительно длинной и короткой осей овала на другом участке. В результате обеспечивается снижение уровня механических напряжений при изгибе трубы. 6 ил., 2 пр.

Труба для последующей гибки, выполненная с переменным поперечным сечением и имеющая два концевых участка с круглым поперечным сечением, отличающаяся тем, что на длине, прилегающей к середине трубы, она выполнена с двумя участками с овальным поперечным сечением, причем длинная и короткая оси овала на одном участке расположены под прямым углом относительно длинной и короткой осей овала на другом участке.