Способ соединения труб с трубной решеткой Советский патент 1983 года по МПК B23K31/06 

Изобретение относится к сварке, в частности к способам соединения труб с трубной решеткой и может быть использовано при производстве теплообменных аппаратов и парогенераторов, имеющих узел закрепления типа труба-трубная решетка или труба-толстостенный коллектор, как в энергетике, так и в друг-их отраслях промышленности, использующих эту широко распространенную конструкцию соединения, в частности в нефтехимической промышленности и судостроении.

Обычно при ;изготовлении ответственных теплообменных аппаратов примняют комбинированный способ закрепления труб в трубных решетках или коллекторах, представляющий собой , сочетание приварки труб кольцевыми швами и запрессовки их в отверстиях трубной решетки в большинстве случаев на всю ее толщину путем механической раздачи .или импульсным методом lj .

Недостатки этих способов состоят в том, что возникающие при этом контактные напрягления между трубой отверстием трубной решетки препятствуют осевому и изгибкому перемещению труб под действием температурных и иных напряжений в процессе эксплуатации, тем самым разгружая кольцевой герметизирующий шов от водействия эксплуатационных нагрузок на трубный пучок.

Однако вальцовочные соединения имеют тенденцию к релаксации напряжений в условиях высоких температур и знакопеременных вибрационных нагру;;сений при эксплуатации, в результате чего герметизирующий сварг ной шов начинает выполнять и силовы функции.

Вследствие воздействия постоянны и особенно опасных переменных нагрузок (в связи с наличием концентратора напряжений в виде зазора между трубой и трубной решеткой) в сварны швах возможно образование трещин и появление межконтурных течей в местах разрушения,.что для ответственных теплообменных аппаратов и паро1енераторов, как правило, недопустимо.

Для устранения этого явления применяют технологические процессы сварки, обеспечивающие увеличение, рабочего сечения швов за счет, например, применения высококонцентрированных источников нагрева, таких, как электронно-лучевая сварка, сварка лучом ОКГ или других способов, например, многослойной аргонодуговой сварки.

Каждый ий этих способов обеспечивает качественное выполнение сварпых соединений при существенном усложнении технологии и применении весьма дорогостоящего и сложного оборудования. При этом не всегда удается достигнуть необходимого 5 положительного эффекта, так Kali усталостная прочность соединений с увеличенной глубиной проплавления возрастает незначительно из-за наличия концентратора напря хений в 0 виде .зазора между трубой и трубной решеткой, играющего роль острого надреза в корне шва.

Наиболее близким к предлагаемому является способ соединения труб с

5 трубной решеткой, при котором трубы устанавливают в отверстия трубной решетки и приваривают к последней кольцевыми швами 2 .

Недостатком этого способа, кроме

0 трудности выполнения кольцевых швов на значительном расстоянии от внешней поверхности трубной решетки, является также то, что кольцевые швы,являющиеся лобовыми по отноше5 нйю, например, к осевому нагружению вследствие неравномерного разогрева корпуса и труб прямотрубных теплообменных аппаратов, имеют вследствие такого расположения низкую деформационную спосоеЗность и, следовательно, шов, расположенный со стороны трубного пучка, будет полностью воспринимать осевое s нагружение, в то время как шов, расположенный ближе к внешней стороне трубной решетки,

5 это усилие не воспринимает, а учитывая, что, как правило, разрушение сварных швов с рабочим сечением больше толщины стенки привариваемой трубы идет перпендикулярно

0 ее образующей, в целом работоспособность узла заделки, выполненного по такому технологическому варианту, определяется только работоспособ--. ностью шва, расположенного со стороны трубного пучка.

Цель изобретения - повышение работоспособности сварного соединения.

Указанная цель достигается тем,

я что согласно способу соединения труб с трубной решеткой, при котором трубы устанавливают в отверстия трубной решетки и приваривают к последней кольцевыми швамиj после приварки труб к трубной решетке кольцевыми шваили выполняют по крайней мере один усиливающий шов изнутри трубы по образующей путем сквозного проплавления ее стенки совместно с прилегающим к зоне сплавления

0 металлом трубной решетки.

С целью повышения качества сборки и стабильности проплавления уси-г ливающих швов, на трубах предварительно выполняют прорези под усиливающие швы. I С целью уменьшения деформации и исключения образования трещин в ос новном металле усиливающие швы выполняют на заданном расстоянии от кольцевых швов. С целью упрощения технологии и повьшения производительности, усиливающие шВы Выполняют в виде свар ных точек. На фиг, 1 представлена схема осуществления способа} на фиг. 2 прорези под усиливающие швы; на фиг. 3 - заплавление полученных про резей на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 2, вариант 1; на фиг. 5 - то вариант П} на фиг. 6 - один из вариантов сцособа; ,на фиг. 7 - усиливающие -Точечные швы; на фиг. 8 усиливающие точечные швы в прорезях Способ соединения труб с трубной решеткой осуществляется следующим образом. Трубу 1 устанавливают в отверст трубной решетки 2, предварительно крепляют ее, например, кюханическрй подвальцовкой на глубину 10-15 и приваривают кольцевым швом 3 к трубной решетке, после чего выполня ют по образующей продольные швы 4. Лучший вариант способа - Btmojmeние продрльн1 ис ьшов по прорезям на трубах (фиг. 1) осуществлен на образцах из стали марки 08Х18Н10Т. Диаметр 18 мм, толщина стенки 1,4 мм, толщина трубной pejueTки 60 мм, количество продольных швов 4 шт. Сварку образцов осуществляют аргонодуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом автоматом АГ6-32 (конструкции ЦНИНТМАШ) без присадочной проволоки. Продольные швы выполнены специальной сварочной головкой, изготовленной для отработки технологии автоматнческой сварки продольных швов изнутри привариваемых труб. Проведено сравнительное испытание по определению статической прочности при осевом нагружении, а также усталостной прочности при ассиметричном циклическом растяжении на базе 2 млн. циклов этих образцов и образцов, выполненных только кольцевым швом (базовый вариант). В таблице приведены результаты испытаний.

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ С ТРУБНОЙ РЕШЕТКОЙ, при котором трубы устанавливают в отверстия трубной решетки и приваривают к пос;Ледней кольцевыми швами, отличающийся тем, что, с делью повьвиения работоспособности сварного соединения, после приварки труб к трубной решетке кольцевьми швами выполняют по крайней мере один усиливающий шов изнутри трубы по образующей путем сквозного проплавления ее стенки совместно с прилегающим к зоне сплавления металлом трубной Е ешетки. 2.Способ по п. 1,отличающ и и с я тем, что, с целью повышения качества сборки и стабильности проплавления усиливающих швов, на трубах предварительно выполняют прорези пои усиливающие швы. 3.Способ попп. 1и2, отличающийся тем, что, с целью уменьшения деформаций металла трубы и исключения образования трещин в основном металле, усиливающие швы «Л выполняют на заданном расстоянии от кольцевых швов. с 4.Способ по пп, , о т л и чающийся тем, что, с целью упрощения технологии и поВЕЛвения изводительности, усиливающие швы выполняют в виде сварных точек.

В таблице приведены усредненные результаты усилия вырыва по испытанию б образцов на каждый вариант., Эа предел ограниченной вьносливости принимают отнесение максимзшьиой нагрузки в цикле, при которой не происходило разрушение образца на выбранной базе испытаний, к номи;н§дьному поперечному сечеиию трубы. На каждый вариант было испытано пр 10 образцов.

Проведенные испытания (см. таблицу) показывают, что соедииеиия, выполненные по предлагаемому способу.

тлеют значительно лучшие показатели как по статической, так и по усталостной П1ЮЧНОСТИ. Характер разрушения соединений свидетельствует о том, что кольцевой герметизирующий шов в соединениях, выполненных по данному способу, оказывается разгруженные от действующих на него усиЛИЙ.

Положительный эффект может быть достигнут при внполиеиии дгике одного усиливгиощего шва, с целью и более равнсжерного распределения

напряжений по периметру кольцевого шва целесообразно усиливать последний не менее чем двумя усиливающими LiBaMH. При этом швы рекомендуется располагать равйомерно по периметру трубы. Способ может быть усовершенствован за счет предварительного выполнения на привариваемых трубках 1СКВОЗНЫХ прорезей 5 в местах пос- ледующего выполнения усиливающих ишов. За счет этого обеспечивается более надежное сплавление усиливающих швов с прилегающим основным металлом трубной решетки, уменьшение необходимой погонной энергии сварки кроме того, регулируя количество подаваемого присадочного металла, можно обеспечить оптимальное рабочее сечение усиливающих швов без , образования усиления, неизбежного вследствие теплового расширения металла при варианте сварки без предварительного выполнения прорезе на трубах. Немаловажным достоинством данного усовершенствования является такж то, что после выполнения продольных разрезов торец привариваемой трубы может быть без значительных пластических деформаций подвергнут раздач на конус, так как в данном варианте раздача обеспечивается за счет изги элементов разрезанного торца трубы. При этом отпадает необходимость в предварительной селекции труб по ди метру, так как ограничения по холод ной деформации при сборке могут быт без ущерба для качества расширены, облегчается сборочное крепление тру в отверстиях трубной решетки,так ка торец грубы с прорезями подобно разрезной цанге, удерживается в отверстай за счет упругих сил. Кроме того, может быть успешно выполнена сборка труб при относительно большо величине зазоров в соединении с тру ной решеткой. При сварке теплообменных аппаратов из мекоторых материалов, в част ности цветных металлов и высоколеги рованных сталей, склонных к образованию гсчэячих подсолидусных трещин, в пересечения продольных уоиливаю{ф1Х швов и кольцевого герме тиэирукицего вследствие неблагоприят ного распределения температурных напряжений возможна значительная деформация металла трубы и образование трещин в процессе сварки. Чтобы избежать этого, рекомендуется вариант способа, при котором усиливающие швы выполняют на Hei oтором расстоянии от кольцевого шва, не допуская их пересечения. При этом расстояние до кольцевого шва определяется теплофизическими характеристиками и деформационной способностью свариваемых материалов. Оптимальная величина расстояния от продольных швов до кольцевого определяется опытным путем и в большинстве случаев находится в пределах 2-4 толщин стенки привариваемой трубы. Способ может быть также усовершенствован с целью повышения производительности и упрощения технологии за счет выполнения усиливающих швов путем точечного проплавления стенки прГивариваемьсс труб швами типа электрозаклепочных 6. При этом требуемая из прочностных соображений суммарная плсядадь поперечного сечения точечных швов может быть обеспечена за счет увеличения их количества по периметру трубы, а при невозможности их близкого расположения друг к другу - за счет расположения в несколько рядов по периметру параллельно кольцевому герметизирукцему ишу. Для лучшего проплавления и стабилизации рабочего сечения точечных швов целесообразно, особенно при значительной толщине проплавляемого металла, до сборки выполнять отверстия 7 в трубах в местах последующей сварки усиливаюцнх точечных швов. Эти же отверстия могут служить для ориентировки сварочной горелки при выполнении швов. Следует отметить, что выполнение предлагаемых соединений труб с трубными решетками усиливающих продольных или точечных швов не создает ограничений в части технологии выполнения кольцевого герметизирующего шва, который может накладываться любым из применяемых в настоящее время методов сварки.