CH615369A5

CH615369A5 - Method for the hydraulic pressure-tight fixing of tubes in holes of tube plates

Info

Publication number: CH615369A5
Application number: CH291377A
Authority: CH
Inventors: Herbert Krips; Miroslav Dr Dipl Ing Podhorsky
Original assignee: Balcke Duerr Ag
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1980-01-31
Also published as: BR7702353A; CS194793B2; SE7704539L; NL7702798A; ATA392977A; ZA77960B; FR2351726A1; DE2622753A1; DE2622753C3; GB1543524A; AT363477B; SE424827B; JPS52142356A; ATA363477A; CA1079041A; AT351901B; BE854788A; DE2622753B2; FR2351726B1; IT1076425B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydraulischen druckdichten Befestigen von Rohren in Bohrungen von Rohrplatten, insbesondere bei Wärmetauschern, bei dem die Rohre mit Spiel in die Bohrungen eingesetzt, anschliessend durch ein hydraulisches Druckmittel aufgeweitet und an die Bohrungswandung angepresst werden.

Für das Befestigen von Rohren in Bohrungen von Rohrplatten für Wärmetauscher ist bisher das seit langem bekannte Verfahren des mechanischen Einwalzens der Rohre angewendet worden. Die Verbindung zwischen Rohr und Rohrplatte stellt im Apparatebau einen Fertigungsprozess von grosser sicherheitstechnischer und verfahrenstechnischer Bedeutung dar. Die Anforderungen an die Sicherheit und Lebensdauer einer solchen Rohrbefestigung sind in den letzten Jahren allgemein und vor allem im Hinblick auf die Verwendung von Wärmetauschern in Kernenergieanlagen ganz erheblich gestiegen. Diese erhöhten Qualitätsanforderungen lassen sich mit dem mechanischen Einwalzen nicht in ausreichendem Masse erfüllen, abgesehen davon, dass das Einwalzverfahren relativ zeitaufwendig ist.

Nach einer anderen bekannten Methode zur Befestigung von Rohren in Bohrungen wird das Rohr unter Verwendung eines hydraulischen Druckmittels aufgeweitet und gegen die Bohrungswandung gepresst, wobei der die Wandung umgebende Werkstoff der Rohrplatte teilweise mitverformt wird.

Eine Einrichtung, mittels derer Rohre durch hydraulisches Aufweiten in Bohrungen befestigt werden können, ist aus der DE-OS 24 00 148 bekannt.

Das Verfahren des hydraulischen Aufweitens von Rohren ist dem mechanischen Anwalzen in der Handhabung und in der Wirtschaftlichkeit überlegen. Was die Zuverlässigkeit der Dichtheit unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen anbelangt, sind jedoch die Ergebnisse der bisher bekanntgewordenen hydraulischen Aufweitverfahren noch nicht zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass an sich bekannte Verfahren, Rohre durch hydraulisches Aufweiten druckdicht in Bohrungen zu befestigen, dahingehend weiterzuentwickeln, dass unter Berücksichtigung der Werkstoffe und der geometrischen Abmessungen eine gewünschte Verspan-nung des Rohres in der Bohrung, d. h. ein vorher bestimmbarer Haftdruck, erzielt wird. Der Haftdruck ist hierbei ein Mass für die Kraft, mit der das Rohr in der Rohrplatte gegen axiales Herausziehen aus der Bohrung gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Druck des hydraulischen Druckmittels bis zu einem Druckwert gesteigert wird, bei dem eine solche Aufweitung des Rohres und der Bohrungswandung eingetreten ist, dass nach der Druckentlastung die Differenz der unbehinderten elastischen Rückwege des Rohres und der Bohrungswandung positiv ist und somit eine bleibende Umklammerung des Rohres durch die Bohrungswandung erzeugt wird.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der Druck des hydraulischen Druckmittels kontinuierlich gesteigert werden kann.

Die Erfindung vermittelt die Erkenntnis, dass es zur Erzielung einer einwandfreien Rohrbefestigung, bei der das Rohr nach dem Aufweitvorgang in der Bohrung unter einer vorgegebenen Spannkraft steht, notwendig ist, den Aufweitdruck über einen vorgegebenen Grenzwert zu steigern. Dieser Grenzwert ist der Druck, bei dem die unbehinderten elastischen Rückwege von Bohrung und Rohr gleich gross sind, d. h. ihre Differenz den Wert null ergibt. Die physikalischen Zusammenhänge werden nachfolgend noch erläutert.

Ein bedeutsamer Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, dass aufgrund des messbaren Arbeitsdruckes des flüssigen Druckmittels der erforderliche Aufweitdruck genau eingestellt werden kann und folglich eine grosse Genauigkeit in der Erzielung der gewünschten Verspannung des Rohres erreichbar ist. Der genau messbare Arbeitsdruck gewährleistet ferner eine hohe Gleichmässigkeit bei der Vielzahl der sich wiederholenden Rohrbefestigungen an einer einzigen Rohrplatte. Hinzu kommt, dass die Aufweitzonen bei Verwendung einer Einrichtung, wie sie aus der vorstehend erwähnten Offenlegungsschrift bekannt ist, genau begrenzt werden können. Dadurch ist es möglich, einen Spalt zwischen Rohr und Rohrplatte auch am Ende der Bohrung auf der Platteninnenseite zuverlässig zu vermeiden. Die Aufweitzone wird hierbei bis an den Rand der Bohrung gelegt. Bisher war es nicht möglich, bis in den Randbereich zu walzen, ohne die Rohre zu gefährden. Vorhandene Spalte bei einer Rohrbefestigung sind aber bekanntlich Ursachen für Korrosionsnester.

Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und anhand von zeichnerischen Darstellungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum hydraulischen Aufweiten von Rohren mit Hilfe einer Sonde und

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Verformungen von Rohr und Rohrplatte während des Aufweitvorganges.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zum Aufweiten enthält eine Sonde 1, eine Pumpe 2, einen Druckwandler oder Multiplikator 3, ein Druckmessgerät 4, ein Uberströmventil 5, einen Vorratsbehälter 6 für Druckflüssigkeit und ein Schaltventil 7.

Das aufzuweitende Rohr 8 ist in die Bohrung einer Rohrplatte 9 eingesetzt. Die Sonde 1 enthält einen zylindrischen Dorn, auf dem zwei Dichtringe 10 in umlaufenden Nuten gelagert sind, die einen zwischen ihnen liegenden ringförmigen Aufweitraum an den Enden abdichten.

Die Arbeitsweise der Aufweiteinrichtung ist folgende:

Vor Beginn des Aufweitens wird der Sekundärbereich mit Flüssigkeit angefüllt und der Stufenkolben des Multiplikators 3 in die in der Zeichnung wiedergegebene Ausgangsstellung gedrückt. Dieser Zustand wird dadurch erreicht, dass das Schaltventil 7 in die Stellung «Füllen» gebracht wird. Anschliessend wird das Schaltventil in die Stellung «Aufweiten» umgelegt. Der mittels der Hochdruckpumpe 2 erzeugte Druck wirkt auf die grosse Querschnittsfläche des Stufenkolbens des Multiplikators 3, wodurch entsprechend dem Querschnittsverhältnis des Stufenkolbens im Sekundärbereich ein entsprechend erhöhter Druck erzeugt wird. Der Arbeitsdruck im Sekundärbereich wird anhand des Druckmessgerätes 4 im Primärbereich kontrolliert. Die Begrenzung des Primärdruckes erfolgt durch das Überströmventil 5. Sobald der gewünschte

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Höchstdruck erreicht worden ist, wird die Flüssigkeit über das Überströmventil aus dem Primärbereich in den Vorratsbehälter 6 abgeleitet.

Nach Beendigung des Aufweitvorganges wird das Schaltventil in die Stellung «Entlasten» bewegt. Die Sonde 1 kann danach ohne Schwierigkeit aus dem aufgeweiteten Rohr 8 herausgezogen werden.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Verformungen des Rohres 8 und der Rohrplatte 9 während des Aufweitvorganges. Im Bereich a wird das Rohr 8 mit ständig steigendem Druck des Druckmittels elastisch bis zur Fliessgrenze beansprucht. Im Bereich b fliesst das Rohr 8, bis es das Spiel zwischen Rohraus-senwandung und Bohrungswandung überbrückt hat. Dieser Vorgang findet ohne nennenswerte Steigerung des Druckes des Druckmittels statt. Im Bereich c findet die elastische Verformung der Bohrungswandung in der Rohrplatte 9 statt, wobei gleichzeitig das Rohr 8 weiter plastisch verformt wird.

Der Enddruck wird unter Berücksichtigung der Werkstoffe, der Geometrie von Rohr 8 und Rohrplatte 9 und im Hinblick auf den gewünschten Haftdruck berechnet und am Überströmventil 5 eingestellt.

Die in Fig. 2 auf der Radialkoordinate aufgetragenen Strecken a und c sind ein Mass für die elastische Verformung des Rohres und der Rohrplatte. Sie geben damit gleichzeitig auch die unbehinderten elastischen Rückwege dieser beiden Bestandteile wieder. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist die Strecke c grösser als die Strecke a, d. h. die Differenz der unbehinderten elastischen Rückwege von Plattenbohrung und Rohr ist positiv.

Der Aufweitdruck, bei dem die unbehinderten elastischen Rückwege von Plattenbohrung und Rohr gleich gross sind, d. h. c' - a = o, wird als Grenzdruck bezeichnet. Wenn beim Aufweiten der Arbeitsdruck gerade diesen Grenzwert erreicht, liegt das Rohr nach der Druckentlastung zwar an der Bohrungswandung an, es ist aber praktisch keine Umklammerung und damit kein Haftdruck vorhanden. Man erkennt hieran, dass es zur Erzielung einer festen Rohrverbindung notwendig ist, während des Aufweitvorganges den Arbeitsdruck bis über den erwähnten Grenzdruck hinaus zu steigern.

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Zahlenbeispiel

Rohraussendurchmesser

Rohrwandstärke

Rohrwerkstoff

Rohrplattenwerkstoff

Dreiecksteilung erzielte Ergebnisse:

Fliessdruck des Rohres

Grenzdruck

Enddruck

Haftdruck, errechnet

22 mm 2,9 mm Incoloy 800 22 NiMoCr 37 30 mm

1995 bar 3106 bar 4700 bar 728 bar s

1 Blatt Zeichnungen

Claims

615 369 2 P ATENTANS PRÜCH E

1. Verfahren zum hydraulischen druckdichten Befestigen von Rohren in Bohrungen von Rohrplatten, insbesondere bei Wärmetauschern, bei dem die Rohre mit Spiel in die Bohrungen eingesetzt, durch ein hydraulisches Druckmittel aufgeweitet und an die Bohrungswandung angepresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des hydraulischen Druckmittels bis zu einem Druckwert gesteigert wird, bei dem eine solche Aufweitung des Rohres und der Bohrungswandung eingetreten ist, dass nach der Druckentlastung die Differenz der unbehinderten elastischen Rückwege des Rohres und der Bohrungswandung positiv ist und somit eine bleibende Umklammerung des Rohres durch die Bohrungswandung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des hydraulischen Druckmittels kontinuierlich gesteigert wird.