DE1552127A1

DE1552127A1 - Verfahren zum Befestigen eines Metallrohrs in einer mit einer OEffnung versehenen Metallplatte

Info

Publication number: DE1552127A1
Application number: DE19661552127
Authority: DE
Inventors: Roy Hardwick; Berry David John
Original assignee: Yorkshire Imperial Metals Ltd
Current assignee: Yorkshire Imperial Metals Ltd
Priority date: 1965-09-14
Filing date: 1966-09-02
Publication date: 1970-01-15
Also published as: FI51058B; FI51058C; DE1552127B2; NO126303B; AT278483B; NL153105B; GB1149387A; BE686845A; US3503110A; NL6612989A; SE341509B; ES330929A1; CH454194A; JPS57209790A; DK121275B

Description

Yorkshire Imperial Metals Limited

a British Company,

of Haigh Park Road,

Stourton, Leeds, Yorkshire, England

Verfahren zum Befestigen eines Metallrohrs in einer mit einer Öffnung versehenen Metallplatte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Metallrohr in einer mit einer Öffnung versehenen Metallplatte durch Verwendung einer im Inneren äes Rohrs zur Detonation gebrachten, das Rohr an der Befestigungsstelle aufweitenden Sprengladung, die von einem ringförmigen, die Druckwelle übertragenden Einsatz umgeben ist.

Die Befestigung eines Rohrs in einer Halteplatte ist für viele technische Zwecke erforderlich, beispielsweise bei Wärmeaustauschern, bei denen eine große Zahl von parallelen Rohren an ihren Enden in Halteplatten befestigt werden, die im wesentlichen senkrecht zu den Rohrachsen angeordnet sind. Die Verbindungen zwischen den Rohren und den Halteplatten müssen flüssigkeitsdicht sein, um Vermischungen zwischen dem wärmeabgebenden und dem wärmeaufnehmenden Medium zu verhindern.

Üblicherweise werden Rohre in einer Platte entweder mit Hilfe einer Dichtung befestigt oder die Rohre werden mittels eines Aufweitungswerkzeugs festgewalzt. Ferner ist es möglich, Rohre durch Schweißung zu befestigen. Darüber hinaus ist es vorgeschlagen worden, die Aufweitung eines Rohrs durch eine im Rohrinneren zur Detonation gebrachten Sprengladung herbeizuführen.

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!Durch Aufweiten hergestellte Rohrverbindungen erfordern eine genaue Überwachung der Abmessungen und der Oberflächenbeschaffenheit der Öffnungen in der Halteplatte, wenn zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden sollen. Der Grad der Rohraufweitung und die Anbringung des Aufweitungswerkzeugs oder der Sprengladung im Verhältnis zur Halteplatte ist an bestimmte Regeln gebunden. Verbindungen, die mit Aufweitungswerkzeugen hergestellt sind, erfordern einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand, weil die üblicherweise durch Walzen erfolgende Aufweitung in mehreren Stufen durchgeführt werden muß. Dabei ergeben sich unter Umständen unerwünschte Spannungen in den Rohren und der Halteplatte.

Bei dem bekannten Verfahren, ein Rohr durch Aufweiten mit Hilfe eines Sprengstoffes zu befestigen, werden die aufzuweitenden Rohrenden in von zylindrischen Wänden begrenzte Öffnungen in der Halteplatte eingebracht. Die Verbindungen, die sich beim Aufweiten ergeben, sind von unterschiedlicher Qualität und insbesondere neigen die auf diese Weise hergestellten Verbindungen dazu, im Laufe längerer Betriebsdauer undicht und locker zu werden, so daß auf diese Weise hergestellte Verbindungen für Wärmeaustauscher, bei denen sie hohen Beanspruchungen auf Grund der Druckunterschiede ausgesetzt werden, nicht geeignet sind.

Der Einbau von Rohren, die mit Hilfe von Dichtungen in den Halteplatten befestigt werden, erfordert große Geschicklichkeit bei der Montage, weil die erforderliche Dichtigkeit nur dann erreicht wird, wenn Rohre und Dichtungen unbeschädigt sind. Darüber hinaus laesteht die Gefahr, daß sich Verbindungen dieser Art im Laufe der Betriebsdauer lockern und dadurch undicht werden.

Bei der Anwendung von herkömmlichen Schweißverfahren zur Rohrbefestigung ist man auf bestimmte Werkstoffe festgelegt, weil sich nicht alle Rohr- und Halteplattenwerkstoffe miteinander verbinden lassen. Die Schweißzone weist häufig andere

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metallurgische Eigenschaften wie das übrige Material auf, insbesondere verliert das Rohr auf Grund der bei der Schweißung angewendeten Erhitzung an Festigkeit, die nachträglich nicht wieder hergestellt werden kann. Die Dicke der Schweißzone entspricht ungefähr der Rohrwanddicke. Bereits geringfügige Abweichungen in der Dicke der Schweißzone können Undichtigkeiten in der Schweißung hervorrufen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art und löst die Aufgabe, eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung auf einfachere Weise als durch mechanisches Aufweiten oder durch Schweißung herzustellen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besteht darin, daß die Aufweitung des Rohrs im Bereich eines sich trichterförmig zu einer Seitenfläche der Platte hin erweiternden, das Rohr umgebenden Ringspaltes durchgeführt wird.

Man hat bisher geglaubt, daß bei der Verwendung von Sprengladungen als Energiequelle nur solche Sprengstoffe benutzt werden dürften, deren Detonationsgeschwindigkeit nicht mehr als 120$ der Schallgeschwindigkeit in dem Metall des Rohrs oder in der Halteplatte, falls in dieser der Schall eine höhere Geschwindigkeit hat, betragen dürfte. Man nahm auch an, daß das Spiel des Rohrs in der Halteplatte von Bedeutung sei und daß die Herstellungstoleranzen des Rohrs und der zu seiner Befestigung dienenden Öffnung genau eingehalten werden müßten. Man hatte nämlich festgestellt, daß bei höheren Detonationsgeschwindigkeiten desSprengstoffes Verbindungen von ungleichmäßiger Qualität entstanden und nur innerhalb begrenzter Bereiche regelrechte Verschweißungen eintraten. Man hat deshalb auch versucht, die Qualität der Verbindungen dadurch zu verbessern, daß man zuvor auf der Außenseite des Rohrs Rillen oder dergleichen Unebenheiten angebracht hat.

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Bei Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist es nun jedoch möglich, Äichte und dauerhafte Verbindungen unter Verwendung verschiedenartiger Sprengstoffe herzustellen, insbesondere solcher, deren Detonationsgeschwindigkeit mehr als 120$ der Schallgeschwindigkeit im Metall des Rohrs oder der Halteplatte, falls sie in dieser letzteren höher ist, beträgt. Die gewünschte Verbindung ergibt sich dabei auch an auf der Außenseite glatten Rohren.

Vorteilhaft ist es, das Verfahren in der Weise zu gestalten, daß die Aufweitung in einem teilweise zylindrischen und teilweise sich trichterförmig erweiternden Ringspalt durchgeführt wird. Die Trichterform des Ringspaltes kann entweder dadurch erzielt werden, daß die Begrenzungsfläche der das Rohr aufnehmenden Öffnung in der Halteplatte auf einer Konusfläche liegt oder dadurch, daß das Rohr im Bereich der Befestigungsstelle konisch gestaltet ist. Zweckmäßig ist es, den Sprengstoff in der Weise zu zünden, daß sich die Druckwelle in der Richtung fortpflanzt, in der sich der Ringspalt erweitert. Es ist allerdings auch möglich, in bestimmten Pällen die Druckwelle vom weiteren Teil des Ringspalts zu dessen engeren Teil verlaufen zu lassen.

Wenn die Mündung der in der Halteplatte angeordneten öffnung an dem Ende, an dem der Ringspalte seine größte Breite hat, mit einem geeigneten Winkel oder einer geeigneten Abrundung zur Außenseite der Halteplatte hergestellt wird, ist es möglich, das überstehende Rohrende unter der Wirkung der frei werdende Energie abzutrennen. Es ergibt sich dadurch eine glatte Außenseite der Halteplatte an der Befestigungsstelle.

Die vorteilhaften Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel erläutert. Hierbei stellt die Zeichnung einen Schnitt durch ein Rohr dar, das mit seinem einen Ende in einer Öffnung in einer Halteplatte liegt.

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In der Zeichnung ist ein Rohr 1 dargestellt, das in einer Öffnung einer Halteplatte 2 befestigt werden soll. Die Öffnung besteht aus einem Abschnitt 3 von gleichbleibendem Durchmesser und einem sich daran anschließenden Abschnitt 4 von sich nach der einen Seitenfläche der Platte hin vergrößernden Durchmesser, .so daß sich an den zylindrischen Teil 3 der Öffnung ein konischer !Teil 4 anschließt.

Der zylindrische Abschnitt 3 der Öffnung¹hat für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine besondere Bedeutung. Der zylindrische Abschnitt 3 ist jedoch zweckmäßig, um das Rohr in die zum Befestigen geeignete Stellung zu bringen. Der Abschnitt 4 der Öffnung in der Halteplatte kann entweder einen gleichbleibenden Konuswinkel haben oder beispielsweise einer Exponentialkurve oder einem abgesetzten Kegelstumpf folgen. Der genaue Verlauf der die Öffnung umgebenden Wände im Bereich 4 ist innerhalb weiter Grenzen ohne Einfluß auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und kann so ausgebildet werden, daß sich ein für den Rohreingang besonders geeignetes Profil ergibt oder so, wie er mit den wirtschaftlichsten Mitteln hergestellt werden kann. Das Rohr selbst kann in seinem mittleren Abschnitt oder einem Teil davon konisch sein. Die Eingangsöffnung des Rohrs wird in diesem Falle zylindrisch. Bei der Herstellung eines Wärmeaustauschers ist es jedoch zweckmäßig, die Eingangsöffnung in das Rohr trichterförmig zu gestalten.

Das Rohr wird zur Befestigung in die Öffnung in der Halteplatte gelegt, wobei es nach links, bezogen auf die Zeichnung, bis zu einer zweiten, nicht gezeigten Halteplatte reicht, in der es mit seinem anderen Ende befestigt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung steht das Rohrende nach rechts über die Halteplatte über. Hierdurch können kleinere Längenänderungen des Wärmeaustauschers, die durch Wärmeaufnahme während des Zusammenbaus entstehen können, aufgenommen werden. Es ist aber auch möglich, die Stirnfläche des Rohrs in einer Ebene mit der betreffenden Außenseite der Halteplatte anzuordnen.

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Eine Energiequelle 5 liefert die zur Befestigung des Rohrs erforderliche Energie» Es kann sich hierbei um eine chemische, elektrische, einschließlich einer elektrohydraulisehen, oder einer mechanischen, sowie einer "beliebigen Kombination derartiger Energiequellen handeln. Die Energiequelle 5 ist im Inneren des Rohrs und dabei im wesentlichen innerhalb des Bereiches 4 der Öffnung angeordnet. Die in der Zeichnung dargestellte Energiequelle besteht aus einer üblichen Sprengladung, die mit Hilfe eines Zünders zur Detonation gebracht werden kann. Die Ladung 5 ist von einem Einsatz 6 umgeben, der mit Gleitsitz in das Rohr hineinpaßt. Die Sprengladung liegt ebenfalls mit Gleitsitz in dem Einsatz 6. Das Material, aus dem der Einsatz 6 gefertigt ist, hat keine wesentliche Bedeutung für die Erfindung. Es ist jedoch empfehlenswert, einen Stoff hoher Dichte zu wählen, weil die Druckwelle des Sprengmittels möglichst verlustfrei auf das Rohr und die Halteplatte übertragen werden muß. Die wirksame Dichte des Materials des Einsatzes kann innerhalb der Länge verschieden sein, wenn dies zur Übertragung der Energie gewünscht wird.

Obgleich die Lage der Ladung im Verhältnis zur Halteplatte nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, sollte sie doch so gewählt werden, daß die wirksame Länge der Ladung nicht zu weit von der (in der Zeichnung rechts befindlichen) Außenseite der Halteplatte liegt, also sich im wesentlichen im Abschnitt 4 befindet.

Nachdem die verschiedenen Teile nach der in der Zeichnung dargestellten Art zusammengebaut sind, wird die Ladung, beispielsweise durch Betätigung eines elektrischen Zünders 7, gezündet. Die Detonation breitet sich daher, wie die Zeichnung erkennen läßt, von dem linken Ende der Ladung her aus. Es ist vorteilhaft, wenn die Detonation des Sprengstoffs in der durch den Pfeil 8 gekennzeichneten Richtung fortschreitet, nämlich in der gleichen Richtung, in der sich der Durchmesser der Öffnung erweitert. Hur in diesem Pail ist eine gute metallurgische Bindung zwischen Rohr und Halteplatte erzielbar.

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Je nach den örtlichen Gegebenheiten kann jede beliebige Anzahl von nebeneinander oder weiter voneinander entfernt angeordneten Rohren gleichzeitig nach dem erfindungsgemäßen Verfahren befestigt werden.

Die im Inneren des Rohrs freigegebene Energie weitet das Rohr so auf, daß sich eine metallurgische Verbindung im Berührungsbereich der unter einem Winkel zur Mittelachse verlaufenden Flächen an Rohr und Halteplatte ergibt. Damit eine gute Verbindung entsteht, muß das Rohr sauber sein. Oxyd und Fett wird daher mit Hilfe geeigneter Mittel, beispielsweise durch Abscheuern oder durch organische Lösungsmittel, entfernt.

An der im Durchmesser größeren Mündung der Öffnung in der Halteplatte ist bei 9 eine Abrundung oder eine Kante vorgesehen. Hierdurch ergibt sich eine zweite Wirkung der im Rohriäneren freigegebenen Energie. Sie besteht darin, daß das Rohrende beim Aufweiten gegen die Abrundung bei 9 bzw. die dort vorgesehene Kante gedruckt und dadurch das Rohrende abgetrennt wird. Gleichzeitig mit dem Abtrennen des überstehenden Rohrendes bildet sich eine glatte, trichterförmige Mündung am Rohr. Hierdurch wird die Korrosion am Rohreingang, die bei den herkömmlichen Rohrbefestigungen in Halteplatten festzustellen ist, wesentlich verringert, weil ein allmählicher und glatter Eingang in das Rohrinnere erzielt wird.

Die Form und der Radius der Abrundung bei 9 bzw. der dort vorgesehenen Kante kann entsprechend den verwendeten Werkstoffen gewählt werden.

Wach der erfindungsgemäßen Verfahren sind aus den verschiedensten Werkstoffen bestehende Rohre und Halteplatten mit bestem Erfolg miteinander verbunden worden. Die nachfolgenden Beispiele erläutern einige der zahlreichen möglichen Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen.

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Beispiel I

Es wurden profilierte löcher in einer Halteplatte aus Messing von 1 1/4" Dicke (etwa 31,7 mm) gebohrt. Der zylindrische Teil 3 der Bohrung war in axialer Richtung etwa 15,9 mm lang und hatte einen Durchmesser von 1,005" oder etwa 25,41 mm. Die den Abschnitt 4 der Bohrung begrenzenden Wandteile wurden mit einem Konuswinkel von 7°3O' hergestellt, so daß die Wände des trichterförmigen Teils der Öffnung einen Winkel von 15° zueinander bildeten. Die Bohrung in der Halteplatte wurde gesäubert und entfettet. Sodann wurde ein in entsprechender Weise vorbereitetes, spannungsfreies Aluminium-Messing-Rohr von 1" χ 20 eingesetzt. Eine Sprengladung, bestehend aus einem Zünder Nr. 8 "Star" wurde im Inneren eines ringförmigen, aus Wachs und Sägemehl bestehenden Einsatzes angeordnet. Der Einsatz und der Zünder wurden sodann in das Rohr eingeführt, wobei das innenliegende Ende des Einsatzes etwa 9,5 mm von der, bezogen auf die Zeichnung, linken Seitenfläche der Halteplatte entfernt war.

Nach der Detonation der Ladung wurden etwa 6,4 mm breite Abschnitte in Längsrichtung aus dem Rohr und der Halteplatte an vier Stellen herausgeschnitten. Zur Messung der Festigkeit der Verbindung wurde ein Scherzerreißversuch mit allen vier Ausschnitten durchgeführt. In allen Fällen riß das Rohr bei einer Biegespannung von 0,25 t ab, während die Verbindungsstelle unversehrt blieb. Bei Umrechung auf den gesamten Rohrumfang ergibt sich hierbei eine Festigkeit der Verbindung von 3,41 to. ■

Beispiel II

Bei der gleichen Anordnung und bei Verwendung der gleichen Ladung wie bei Beispiel I wurde ein aus spannungsfreiem Aluminiummessing bestehendes Rohr von 1^M χ 22 in einer Befestigungsplatte aus Kupfer-Nickel befestigt. Einige der

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Bohrungen wiesen einen zylindrischen Abschnitt von etwa 15»9 nun länge auf, während der Konuswinkel des angreneenden, sich trichterförmig erweiternden Teils 5°» d.h. insgesamt eine Erweiterung aur Mündung hin von 10° aufwies. Andere Löcher wurden mit einem gekrümmten Übergang vom zylindrischen zum trichterförmig erweiterten Teil hergestellt.

Die Verbindung wies die gleiche Güte wie in Beispiel I in beiden Fällen auf.

Beispiel III

Wie bei dem Beispiel I wurde ein aus Kupfer und Nickel im Verhältnis 90 : 10 bestehendes Rohr, das wie zum Aufweiten warm vorbehandelt war, in einer Halteplatte aus Kupfer-Nickel befestigt.

Nach der Zündung der Ladung zeigte sich, daß das Rohr fest mit der Halteplatte verschweißt war.

Beispiel IV

Wie bei Beispiel I wurde ein aus Kupfer und Nickel im Verhältnis 70 : 30 bestehendes Rohr von 1" χ 18 in einer Halteplatte aus Messing "befestigt. In diesem !falle wurde eine Ladung aus Metabel, einem Sprengstoff, der eine Detonationsgeschwindigkeit von etwa 7000 m/sec hat, mit Hilfe eines Zünders Nr. 8 "Star" gezündet.

Auch in diesem Pail wies die Befestigung die gleiche Güte wie bei den vorhergehenden Beispielen auf.

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Beispiel V

25 spannungsfreie Aluminium-Messing-Rohre von 1" χ 20 wurden gleichzeitig, wie im Beispiel I erläutert, durch Zündung einer Ladung in einer Halteplatte aus Messing befestigt. Gleichzeitig wurden weitere 25 Rohre von 1" χ 20 aus gehärtetem, spannungsfreiem Aluminium-Messing in zylindrischen Bohrungen von 1 1/64" Durchmesser, d.h. von etwa 25,8 mm Durchmesser, in der gleichen Halteplatte expandiert. Die 25 Rohre in den profilierten Löchern waren, wie die nachfolgende Prüfung ergab, einwandfrei befestigt.

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Befestigen eines Metallrohrs in einer mit einer Öffnung versehenen Metallplatte durch Verwendung einer im Inneren des Rohrs zur Detonation gebrachten, das Rohr an der Befestigungsstelle aufweitenden Sprengladung, die von einem ringförmigen, die Druckwelle übertragenden Einsatz" umgeben ist, dadureh gekennzeich net, daß die Aufweitung des Rohrs (1) im Bereich eines sich trichterförmig zu einer Seitenfläche der Platte (2) hin erweiternden, das Rohr umgebenden Ringspaltes durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadureh gekennz ei ehnet , daß ein Sprengstoff verwendet wird, dessen Detonationsgeschwindigkeit mehr als"120$ der Schallgeschwindigkeit im Metall des Rohrs oder der Halteplatte, falls sie in dieser letzteren höher ist, beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadureh g e 7 kennzeich net _s daß die Aufweitung in einem teilweise zylindrischen und teilweise sich trichterförmig erweiternden Ringspalt durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadureh gekennzeichnet , daß die Aufweitung an einem konischen Rohrabschnitt in einer zylindrischen Öffnung in der Halteplatte durchgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das zu befestigende Rohrende mit Überstand zu der Seite hin, zu der sich der Ringspalt erweitert, in die Öffnung eingelegt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Mündung der in der Halteplatte angeordneten Öffnung an dem Ende, an dem der Ringspalt seine größte Breite hat, mit einem solchen Winkel oder mit einer solchen Abrundung zur Ausßeneeite der Halte-

. platte hergestellt wird, daß das überstehende Rohrende unter der Wirkung der frei werdenden Energie abgetrennt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Sprengstoff 00 gezündet wird, dafl sich die Druckwelle in der Richtung fori pflanzt, in der sich der Ringspalt erweitert.

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