DE2900784C3

DE2900784C3 - Stopfen zum Verschließen schadhafter Rohre eines Wärmetauschers

Info

Publication number: DE2900784C3
Application number: DE2900784A
Authority: DE
Inventors: Gordon C. Evington Va. Larson
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1978-06-09
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1981-04-23
Also published as: CA1086664A; BE873236A; CH638026A5; JPS54162257A; US4158370A; ES476620A1; IT7909312A0; SE7813447L; FR2428200B1; DE2900784A1; IL56056A; SE438196B; DE2900784B2; JPS591955B2; GB2022759A; IL56056A0; LU80765A1; IT1121123B; GB2022759B; FR2428200A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Stopfen zum Verschlie-Ben schadhafter Rohre eines Wärmetauschers mit einem hohlförmigen, mittels einer Sprengladung ausdehnbaren Expansionskörper.

Man hat festgestellt, daß über die ausgedehnte Lebenszeit eines Wärmetauschers eine kleine Anzahl von Wärmetauscherrohren Risse und Lecks entwickeln können. Da es unerwünscht ist, daß die normalerweise getrennten Strömungsmittel, welche durch den Wärmetauscher strömen, in direkten Kontakt miteinander kommen, sind zahlreiche Techniken entwickelt worden, um leckende Rohre abzudichten bzw. zu verschließen.

Solche defekten Rohre können z. B. durch geschweißte Stopfen, explosiv ausgedehnte Stopfen oder mechanisch angetriebene Stopfen abgedichtet werden. Diese Methoden bringen jedoch unglücklicherweise Schwierigkeiten mit sich, welche ihre Wirksamkeit negativ beeinflussen können.

Geschweißte Rohrstopfen erfordern einen direkten Zugang zu den Rohrplatten, die innerhalb des Wärmetauschers angeordnet sind. Häufig ist ein solcher Zugang äußerst schwierig. Allgemein wird ein massiver Stopfen in jedes Ende des defekten Rohres eingeführt Anschließend wird eine Schweißnaht um den Umfang des Rohrstopfens eingebracht, um eine drucksichere Dichtung zwischen dem Stopfen und der Rohrwand zu gewährleisten. Man hat jedoch aus Erfahrung festgestellt, daß Strömungsmittel die Rohr-Stopfen-Grenzflächen durchdringen kann und die Schweißnaht korrodiert, wodurch sich ein Leck ergibt und der gesamte Vorgang nutzlos wird.

Mechanisch angetriebene Stopfen sind schwierig konsistent einzubauen.

Bekannte, mittels einer Sprengladung ausdehnbare Stopfen bilden eine metallurgische Verbindung, d. h. eine Verschweißung zwischen dem Rohr und dem Stopfen (z.B. DE-OS 26 07 531). Es ist jedoch sehr schwierig, den Umfang und die Qualität einer solchen Verschweißung zu steuern. Außerdem ist zu befürchten, daß die relativ unkontrollierte Explosivkraft, die für diese Methode erforderlich ist, die dünnen zwischen benachbarten Rohren in den Rohrplatten angeordneten Bänder verformen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Unzulänglichkeiten der bekannten Stopfen zu vermeiden und einen Stopfen der in Frage stehenden Art zu schaffen, bei dem der Grad der Ausdehnung des Expansionskörpers in einfacher Weise gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der Expansionskörper an seinem offenen Ende mit einem gehärteten, rohrförmigen Gehäuse verbunden ist, daß der Hohlraum des Expansionskörpers sich in Richtung des Gehäuses erweiternd kegelstumpfförmig ausgebildet ist, an der Innenwand des Expansionskörpers ein ebenfalls kegelstumpfförmiger Kolben anliegt, die Sprengladung von außen zündbar innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und daß mit dem Gehäuse ein Verlängerungsbauteil lösbar verbunden ist. Die vorliegende Erfindung kombiniert erfolgreich die vorteilhaften Eigenschaften sowohl der mechanisch angetriebenen Stopfen wie auch der Explosivstopfen, ohne die diesen bekannten Stopfen innewohnenden Nachteile aufzuweisen. Durch Veränderung der Geometrie des Stopfens und seiner Komponenten ist eine beinahe unbegrenzte Anzahl von Steuervariationen gegeben, um den Grad der Ausdehnung des Expansionskörpers zu verändern. So kann z. B. durch Verwendung einer öffnung im Expansionskörper der Grad der Ausdehnung weiter verändert werden. Durch die steuerbare Ausdehnung des Expansionskörpers bildet der Stopfen eine wirksame mechanische lecksichere Dichtung mit der Innenwand des schadhaften Rohres. Das Verlängerungsbauteil ermöglicht einen einfachen und schnellen Einbau des Stopfens.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stopfens sind in den Unteransprüchen

angeführt

Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stopfens in Verbindung mit der Zeichnung beschiieben. Darin zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt eines Rohrstopfens gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig.2 eine abgewandelte Ausführungsform des Rohrstopfens.

In F i g. 1 ist ein Explosivstopfen 10 dargestellt Der Stopfen 10 besteht aus einem gehärteten, rohrförmigen Explosionsgehäuse 12, das an der Verbindungsstelle 14 mit dem offenen Endabschnitt eines Expansionskörpers 16 verschweißt oder in anderer Weise verbunden ist. Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Laderaum 38 angeordnet Innerhalb des Expansionskörpers 16 ist ein Hohlraum 18 vorgesehen. Der Hohlraum 18 ist in drei Kammern unterteilt Eine erste Kammer 20 und eine zweite Kammer 22 weisen einen ungleichen kreisförmigen Querschnitt auf, wohingegen eine Zw;}chenkammer 24 einen kegelslumpfförmigen Querschnitt hat. Die zweite Kammer 22, welche kleiner als die erste Kammer 20 ist, wirkt sowohl als Stoßdämpfer als auch als eine Einrichtung zur weiteren Beschleunigung der Ausdehnung des Expansionskörpers. Ein kegelstumpfförmiger Kolben 26 ist so angeordnet, daß er bündig mit der Innenwand der Zwischenkammer 24 abschließt. Die Außenseite des Expansionskörpers 16 kann eine Anzahl von Umfangsnuten 28 aufweisen. Der Winkel 56 stellt den Neigungswinkel der Zwischenkammer 24 dar. Darüber hinaus können Umfangskerben 30 und 32 verwendet werden. Die Verwendung und Streckung der Nuten 28 und der Kerben 30 und 32 wird leicht aus der nachfolgenden Erörterung verständlich.

Ein für die Beschleunigung der Stopfenanordnung nützliches Verlängerungsbauteil 34 steht in Schraubverbindung mit dem Stopfen 10. Um einen abgedichteten Sitz zwischen dem Verlängerungsbauteil 34 und dem Gehäuse 12 zu bewirken, kann ein Dichtungsring 40 verwendet werden. In der mit Schraubgewinde versehenen Spitze 35 des Verlängerungsbauteils 34 ist ein Zündhohlraum 36 angeordnet.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform des Stopfens 10 dargestellt, der in ein Rohr 42 eingeführt ist und gebrauchsfertig für die Zündung ist. Das Rohr 42 ist innerhalb einer Rohrplatte 44 positioniert.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kolben mit einer fakultativen Stange 46 ausgerüstet. Die Länge der Stange 46 muß nicht festgelegt sein. Vielmehr kann in Abhängigkeit von den Umständen irgendeine Stangenlänge ausgewählt werden, wenn sich die Stange nur mindestens teilweise in das Gehäuse 12 erstreckt. Darüber hinaus ist der Stopfen 10 mit einem fakultativen Abzug bzw. einer Öffnung 54 ausgebildet. Die Funktion des Abzugs 54 wird sich in verständlicher Weise aus der nachfolgenden Erörterung ergeben.

Innerhalb des Zündhohlraumes 36 ist eine Sprengkapsel 48 angeordnet. Wie gezeigt, dringen in das Verlängerungsbauteil 34 Zündungsschnüre 52 ein. Innerhalb des Laderaums 38 ist eine geeignete Sprengladung 50 angeordnet

Der Stopfen 10 wird in der nachfolgenden Art und Weise verwendet. Nachdem man ein defektes Rohr lokalisiert hat, wird ein zündfertiger, lösbar mit einem Verlängerungsbauteil 34 verbundener Stopfen geeigneter Länge in die Bohrung des Rohres an der Rohrplatte plaziert. Die Richtungsorieniierung des Stopfens spielt keine Rolle, da der Stopfen entweder zur Rohrplattenstirnseite oder zum Rohrbündel ausgerichtet sein kann. Es spielt keine Rolle, in welcher Weise der Stopfen 10 schließlich ausgerichtet ist, da die Ausbildung der lecksicheren Dichtung zwischen dem Stopfen und der Rohrwand unabhängig von der Orientierung des Stopfens ist Demzufolge kann ein unterer Rohrverschluß dadurch bewirkt werden, daß zunächst der Stopfen in das Rohr an der oberen Rohrplatte eingeführt und dann durch das Rohr nach unten

ίο gestoßen wird. Nachdem der Stopfen gezündet worden ist, wird das Verlängerungsbauteil 34 von dem Stopfen gelöst und aus der Bohrung des Rohres entfernt Anschließend wird der obere Stopfen in ähnlicher Weise eingeführt, woraus sich ergibt, daß beide Stopfen in der gleichen nach unten ausgerichteten Richtung orientiert sind. Wie unmittelbar klar ist, kann der Vorgang umgekehrt werden oder können die Stopfen von entgegengesetzten Richtungen eingeführt werden.

Bei der vorhergehenden Ausführungsform ist ein vertikales Rohr nur zu Illustrationszwecken ausgewählt worden. Es wird angemerkt, daß die Orientierung des Rohres für den Zweck der Befestigung eines lecksicheren Verschlusses innerhalb des Rohres unerheblich ist. Es wird jedoch angemerkt, daß unabhängig von der Orientierung des Rohres der Stopfen in das Rohr in demjenigen Bereich eingeführt werden sollte, in welchem die Rohrplatte das Rohr umgibt.

Nachdem der Stopfen eingeführt und an der richtigen Stelle angeordnet ist, wird die Sprengladung ferngezündet, wodurch der Kolben gegen die konische bzw. kegelförmige Innenwand der Zwischenkammer 24 gedrückt wird. Demzufolge wird der Expansionskörper 16 radial nach außen verformt, wodurch der Stopfen 10 eine wirksame mechanische lecksichere Dichtung mit der Innenwand des Rohres bildet. Das Verlängerungsbauteil 34 wird dann vom Gehäuse abgeschraubt und aus dem Rohr entfernt.

Der Stopfen 10 ist äußerst vielseitig in Bezug auf das Verschließen von defekten Rohren. Durch Veränderung der inneren Geometrie des Stopfens und seiner Komponenten kann eine beinahe unbegrenzte Anzahl von Steuervariationen verwendet werden, um den Grad der Stopfenausdehnung zu verändern.

Wie im vorhergehenden angemerkt worden ist, verursachen bekannte Explosivstopfen eine unerwünschte Beanspruchung der Bänder der Rohrplatte. Durch den vorliegenden Stopfen wird dieses Problem abgeschwächt, indem dem Techniker ermöglicht wird, den Grad der Stopfenausdehnung zu steuern, wodurch eine überschüssige Deformation der Rohrplatte verhindert wird, während gleichzeitig die Risiken möglichst klein gehalten werden, die von dem allgemein spröden Verhalten der Rohr- und Rohrplattenmaterialien hervorgerufen werden, welche während des Einbaus des Stopfens offenbar werden können.

So kann z. B. die Explosivkraft auf den Kolben dadurch begrenzt werden, daß entweder eine innere Umfangskerbe 32 oder eine äußere Umfangskerbe 30 in den F.xpansionskörper 16 eingeführt wird. Hierdurch wird die Trennung des Expansionskörpers 16 vomGehäuse 12 bei einer vorbestimmten Kraft gestartet. Durch Veränderung der Tiefe der verwendeten Kerbe, kann der Grad der Stopfenausdehnung gesteuert werden, da ein Teil der Explosionsenergie zum Bruch der Kerbe verbraucht wird. Darüber hinaus kann der Expansionskörper 16 gleichzeitig mit Kerben 30 und 32 ausgebildet sein. Als Folge dieses Aufbaus kann das Verlängerungsbauteil 34 dann entfernt werden, ohne daß ein

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Abschrauben vom Gehäuse 12 erforderlich ist.

Alternativ hierzu kann das Verlängerungsbauteil 34 so ausgebildet sein, daß es bei einer gewünschten Kraft abgetrennt wird, wodurch die Explosionskraft der Umgebung ausgesetzt und die in ihr enthaltene überschüssige Energie abgegeben wird.

Die Ausdehnung des Stopfens kann darüber hinaus durch den Abzug 54 in der ersten Kammer 20 des Expansionskörpers 16 in unmittelbarer Nachbarschaft der Verbindungsstelle 14 gesteuert werden. Vergleiche hierzu F i g. 2. Durch gezielte Auswahl der Länge der Stange 46 ist es möglich, den Umfang zu verändern, in welchem der Kolben 26 der vom Laderaum 38 abgegebenen Explosivkraft ausgesetzt ist. Es wird angemerkt, daß zu dem Zeitpunkt, in welchem die Stange 46 den Laderaum 38 verläßt ^))ErSChO⁰F¹Jn¹¹S-punkt«), die verbleibende Explosionsenergie über den Abzug 54 zur Atmosphäre abgegeben wird. Demzufolge wird natürlich die Kolben- und Expansionskörperverschiebung beendet. Durch Verwendung einer längeren Stange wird der Beginn des Erschöpfungspunktes verzögert, wodurch eine größere Kolben- und Expansionskörperverschiebung ermöglicht wird. Im Gegensatz hierzu wird eine kürzere Stange den Beginn des Erschöpfungspunktes beschleunigen, wodurch sich eine kleinere Kolben- und Expansionskörperverschiebung ergibt. Wenn die Abzugsoption gewählt wird, ist klar, daß der Teil des Expansionskörpers 16, welcher mit dem Abzug 54 ausgebildet ist, mit der Umgebung in Verbindung stehen muß, so daß die überschüssige Energie nach außen abgegeben werden kann und nicht auf die Stange 46.

Als weitere Bestätigung der Vielseitigkeit des vorliegenden Stopfens kann das Verhältnis zwischen der aus der Sprengladung 50 zur Verfügung stehenden Energie und der inneren Geometrie des Stopfens 10 verändert werden, um den gewünschten Ausdehnungsgrad zu bewirken. Wenn z. B. ein relativ großer Verjüngungswinkel 56 gewählt wird, ergibt sich eine größere Expansionskörperverformung. Im Gegensatz hierzu ergibt sich eine geringere Expansionskörpevverformung, wenn ein relativ kleiner Verjüngungswinkel 56 gewählt wird.

Andere Variable können verwendet werden. So kann z. B. der Durchmesser der Stange 46, der Durchmesser des Laderaums 38 und die Stärke der Sprengladung verändert werden. Durch vollständiges Weglassen der Stange 46 (wie in Fig. 1 gezeigt ist) wird eine größere Kraft auf den Kolben 26 ausgeübt. Darüber hinaus kann der Reibungskoeffizient zwischen dem Kolben 26 und der Innenwand des Hohlraums 18 verändert werden, wodurch sich das Verhältnis Energie-Verschiebung des Stopfens 10 verändert.

Es wird angemerkt, daß durch Weglassen der Stange 46 und die Möglichkeit, daß ein Teil der Sprengladung in die erste Kammer 20 eintritt, die Eigenschaften des Ausdehnungsvorganges übertragen werden können von einer direkten Ausdehnung, welche ausschließlich durch die lineare Verschiebung der Stangen-Kolben-Kombination veranlaßt wird, zu einer kombinierten Ausdehnungswirkung, weiche sich sowohl aus der radialen Verschiebung des Expansionskörpers 16, welche durch das in der Kammer 20 enthaltene Explosionsmittel veranlaßt wird, als auch aus der linearen Verschiebung, weiche durch den slangenlosen Kolben bewirkt wird, ergibt.

Der Expansionskörper 16 kann Umfangsnuten 28, wie in Fig. 1 gezeigt ist. enthalten oder glatt ausgebildet sein, wie in Fig. 2 gezeigt ist, abhängig von den Beanspruchungsbedingungen, Materialien und Rohrzustüinden. Die Nuten 28 werden in die Wand des zu verschließenden Rohres gepreßt und bilden einen leciksicheren, geriffelten Verschluß zwischen diesen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stopfen zum Verschließen schadhafter Rohre eines Wärmetauschers mit einem hohlförmigen, mittels einer Sprengladung ausdehnbaren Expan- b sionskörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionskörper (16) an seinem offenen Ende mit einem gehärteten, rohrförmigen Gehäuse (12) verbunden ist, daß der Hohlraum des Expansionskörpers (16) sich in Richtung des Gehäuses (12) erweiternd kegelstumpfförmig ausgebildet ist, an der Innenwand des Expansionskörpers (16) ein ebenfalls kegelstuinpfförmiger Kolben (26) anliegt, die Sprengladung von außen zündbar innerhalb des Gehäuses (12) angeordnet ist und daß mit dem Gehäuse (12) ein Verlängerungsbauteil (34) lösbar verbunden ist.

2. Stopfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum des Expansionskörpers (16) von der Verbindungsfläche mit dem Gehäuse (12) beginnend aus einer kreiszyiindrischen Bohrung, an die sich stufenlos zunächst der kegelstumpfförmige Hohlraum und dann ein weiterer zylindrischer Hohlraum anschließt, gebildet ist.

3. Stopfen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Umfangsnut (28) auf der äußeren Oberfläche des Expansionskörpers (16).

4. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kolben (26) eine Stange (46) befestigt ist, die sich mindestens teilweise in das Gehäuse (12) erstreckt.

5. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlängerungsbauteil (34) mit dem Gehäuse (12) verschraubt ist.

6. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Expansionskörpers (16) in der Nähe des Gehäuses (12) eine Öffnung (54) ausgebildet ist. w

7. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umfangskerbe (30) in der äußeren Oberfläche des Expansionskörpers (16) in der Nähe des Gehäuses (12) ausgebildet ist.

8. Stopfen nach einem oder mehreren, der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine umlaufende Kerbe (32) an der inneren Wand des Expansionskörpers (16) in der Nähe des Gehäuses (12) vorgesehen ist.

9. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kerben (30, 32) jeweils in der äußeren und inneren Wand des Expansionskörpers (16) in der Nähe des Gehäuses (12) vorgesehen sind.