Способ соединения труб с трубной решеткой Советский патент 1980 года по МПК B21D39/06 

1

Изобретение относится к области изготовления теплообменных аппаратов и парогенераторов, и может быть использовано в энергетическом и химическом машиностроении.5

Известен способ крепления труб в трубных решетках с помощью вальцовочного соединения р.3 .

Известный способ осуществляют сле-Ю дующим Образом.

Конец трубы вставляют в отверстие трубной решетки, при этом между наружной поверхностью конца трубы и поверхностью отверстия трубной решетки воз-15 никает технологический зазор. Трубу фиксируют в отверстии. К отверстию трубы подводят вальцовку, содержащую коническое веретено и ролики. При вращении вальцовки осевое перемещение 20 конического веретена передается роликам, которые вращаясь создают радиальное давление на стенки трубы. Под дей-. ствием радиальных усилий в трубе возникают сначала упругие деформации, а 25 затем при напряжениях, превьлшающих предел текучести, - пластические. Труба раздается до соприкосновения со стенками отверстия. Под действием радиально направленных сил металл 30

трубы в слоях, близких к поверхности отверстия трубной решетки, течет в аксиальном направлении. При этом происходит некоторое утонение стенки трубы. При дальнейшем воздействии радиальных усилий в материале трубной решетки тацже возникают упругие и пластические деформации. Таким образом, между трубой и трубной решеткой возникает напряженное состояние за счет контактного давления между сопряженными поверхностями. Изменяя направление вращения веретена, извлекают вальцовку из отверстия трубы. При этом происходит упругая разгрузка элементов соединения. Прочность и герметичность полученного вальцовочного соединения зависят от величины и характера распределения остаточных радиальных напряжений, величина остаточных радиальных напряжений равна величине контактного давления. В процессе эксплуатации соединения величина контактного давления изменяется, так как в результате релаксации происходит уменьшение остаточных радиальных напряжений. Уменьшение контактного давления влечет за собой уменьшение прочности и герметичности соединения.

Таким образом, недостатком известного способа крепления труб в трубной решетке является то, что полученное соединение в процессе эксплуатации из-за релаксации напряжений не сохраняет первоначальной прочности и герметичности и оказывается не пригодным к эксплуатации.

Целью изобретения является создание способа крепления труб в трубной решетке, обеспечивающего увеличение надежности соединения.

Цель достигается с помощью того, что в способе крепления труб в трубной решетке, включающем фиксацию трубы в отверстии решетки, деформацию закрепляемого участка до исключения радиального зазора между трубой и решеткой, последующую совместную деформацию закрепляемого участка трубы и трубной решетки и упругую разгрузку элементов соединения, перед фиксацией трубы в отверстии трубной решетки производят поверхностно-пластическую деформацию наружной, поверхности закрепляемого участка трубы и поверхности отверстия трубно решетки, а после упругой разгрузки элементов соединения соединение подвергают тепловому воздействию при температуре равной (0,25-0,4)7, где Т„ - абсолютная температура плавления материала элементов соединения.

В процессе получения соединения при изменении формы и размеров элементов соединения происходит относительное смещение зерен металла внутри поликрист-аллического тела. Плоскости скольжения отдельных зерен произвольно ориентированы в пространстве. Разная ориентация их приводит к тому, что при нагружении пластическая деформация возникает в первую очередь в зернах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения. Остальные зерна при этом деформируются упруго и могут получать лишь относительное смещение. Так как величина упругой составляющей деформации в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения (слабые зерна) меньше, чем в зернах с неблагоприятной ориентировкой плоскостей скольжения (сильные зерна), то при разгрузке элементов соединения от деформирую1цего усилия в процессе изготовления соединения упругое изменение размеров сильных зерен должно быть больше, чем упругое изменение размеров слабых -зерен. Однако вследствие взаимосвязи обоих видов зерен деформация их при разгрузке одинакова, и слабые зерна после уменьшения действующих в них напряжений до нуля нагружаются затем напряжениями обратного знака. Таким образом, при разгрузке часть зерен сохранит некоторую долю напряжений, а другая часть зерен получит напряжения обратного знака

по сравнению с напряжениями, существующими при нагружении, т.е. разная ориентировка плоскостей скольжения в зернах вызывает неравномерное распределение деформаций в металле и приводит к возникновению остаточных межкристаллитных напряжений. Поверхностно-пластическая деформация наружной поверхности закрепляемого участка трубы и поверхности отверстия способствует разориентировке плоскостей скольжения в среднестатически соседствующи зернах. Последующее тепловое воздействие способствует увеличению амплитуды тепловых колебаний атомов и возвращению атомов в положение равновесия. В связи с этим возникающие в процессе изготовления соединения упругие деформации зерен выравниваются с одновременным снятием искажений кристаллической решетки. Пластичность зерен возрастает и происходит явление возврата, т.е. под воздействием межкристаллитных напряжений происходит меж-, зеренное и внутризеренное проникновение металла элементов соединения. Увеличивается удельная площадь контакта элементов соединения, что способствует повышению надежности соединения.

Установлено, что для чистых металлов 0, 4 Тп Трекр / где Трекр- абсолютная температура рекристаллизации, абсолютная температура плавления. Нагрев деформируемого металла сверх температуры возврата ведет к возникновению рекристаллизации, т.е. к появлению зародышей и возникновению и росту новых зерен взамен дeфop lиpoвaнных. Увеличиваясь в размерах с течением времени, новые зерна могут полностью поглотить атомы деформированных зерен. Но для получения явления возврата и микроползучести необходимо, чтобы произошла упругая разгрузка существовавших ранее и подвергнутых кристаллическому искажению зерен. Таким .образом, температура теплового воздействия должна быть выбрана в пределах (О , 25-0, 4 )Tг т.е. ниже порога рекристаллизации.

Настоящий способ соединения труб с трубной решеткой осуществляют следующим образом.

Закрепляемый участок трубы подвергают поверхностно-пластической деформации путем обкатывания двумя диаметрально расположенными роликами с усилием 200-300 кгс. Одновременно поверхность отверстия трубной решетки подвергают поверхностно-пластической деформации, воздействуя на нее шариками с радисшьным усилием 200-300 кгс В результате в металле наружной поверхности закрепляемого участка трубы и поверхности отверстия трубной решетки происходит разориентировка плоскостей скольжения в соседствующих зернах. Затем закрепляемый участок i-pyf w ч;1водят в отверстие. К отверсЧин) труГ)Ы подводят самозатягивакчцуюс вальцовку. При вращении вальцовки осе вое перемещение конического веретена передается роликам, которые, вращаясь со.здают радиальное давление на стенки трубы. Под действием радиальных усилий в трубе возникают упругопластические деформации. Труба раздается до соприкосновения со стенками отверстия. Между поверхностями отверстия и трубы за счет сжимающих радиальных напряжений возникает напряженное состояние. Происходит относительное смещение зерен металла. Изменяя направле ние вращения веретена, извлекают валь цовку из отверстия трубы. При этом происходит упругая разгрузка элементов соединения. Так как плоскости скольжения зерен разориентированы, то распределение деформаций в металле элементов соединения происходит нерав номерно и в металле возникают остаточ ные межкристаллитные напряжения. Полученное соединение помещают в нагревательное устройство, где выдерживают при определенной температуре в течение заданного времени. Выбор температуры нагрева определяют по температуре плавления материала элементов соединения, а временной интервал задают исходя из требуемых .герметичности и прочности соединения. В процессе теплового воздействия , возрастает пластичность зерен, и в результате межзеренного и внутризеренного проникновения металла элементов соединения растет удельная площадь контакта элементов соединения. При этом чем длительнее тепловое воздействие, тем в большей степени произойдет межзеренное и внутризереннное проникновение металла элементов соединения. Опытным путем ус гановлено, что при тепловом воздействии в течение 10-15 при температуре, равной примерно 0,4Tn металла элементов соединения прочност соединения возрастает на 35-80%, а герметичность - на 50-100%. Этот временной интервал и принят как оптимальный для осуществления данного технологического процесса. В экспериментальных условиях труОы из стали перлитного класса марки 1Х2К размером 16x2,5 мм на участке, равном ширине трубной решетки, подвергли поверхностно-пластической деформации с усилием, 300 кгс. Поверхность отверстия диаметром 16,2 мм трубной решетки ТОЛЩИНОЙ 100 мм, выполненной из стали той же марки, подвергли поверхностнопластической деформации шариками с радиальным усилием 300 кгс. Затем конец трубы завели в отверстие трубной решетки и развальцевали. Полученное соединение подвергли тепловому воздействию при в течение 10 ч. Формула изобретения Способ соединения труб с трубной решеткой, включающий фиксацию трубы в отверстии решетки, деформацию закрепляемого участка трубы до .исключения радиального зазора между трубой и решеткой, последующую совместную деформацию закрепляемого участка трубы и трубной решетки и упругую разгрузку элементов соединения, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности соединения путем увеличения удельной площади контакта элементов соединения, перед фиксацией трубы в отверстии трубной решетки производят поверхностно-пластическую деформацию наружной поверхности закрепляемого участка трубы и позерхности отверстия трубной решетки, а после упругой разгрузки элементов соединения соединение подвергают тепловому воздействию при температуре, равной (0,25-0, 4), где Tpij - абсолютная температура плавления материала элементов соединения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Дорошенко П. А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Судостроение, Ленинград, 1972, с. 265-284.