ITMI931731A1 - Metodo per la realizzazione della saldatura di un tubo alla parete di una sede per il suo alloggiamento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La' presente invenzione si riferisce ad un metodo per realizzare la saldatura tra superficie esterna di un tubo e parete di una sede cilindrica di alloggiamento nella quale il tubo ? introdotto, detta superficie esterna e parete definendo tra esse uno spazio sostanzialmente tubolare.

Per meglio definire il campo di applicazione dell'invenzione, ? utile rilevare come essa ? indicata in particolare ma non esclusivamente per la fabbricazione di elementi scambiatori di calore. Questi ultimi sono gi? noti ed impiegati quali componenti destinati alla trasmissione di calore in vari impianti per la produzione di energia elettrica; tali elementi sono costituiti essenzialmente da un pannello, che pu? essere piastriforme oppure di altra configurazione geometrica per esempio cilindrica od altro, nel quale sono ricavate delle sedi cilindriche affiancate tra loro, destinate all'alloggiamento dei tubi entro cui viene convogliato un fluido che, a seconda delle finalit? dell?impianto, potr? essere di raffreddamento o di riscaldamento.

Una importante prerogativa richiesta a questi elementi scambiatori, ? quella di garantire una efficace e costante conducibilit? termica; per soddisfare tale prerogativa, assume quindi una importanza critica la qualit? della saldatura tra i tubi di convogliamento del fluido e -le pareti delle sedi entro cui questi sono alloggiati. Attualmente, una tecnica impiegata per la realizzazione degli elementi scambiatori ? quella di sottoporre il pannello con i tubi in esso inseriti, ad un processo di brasatura; vale a dire che tra il tubo e la parete della relativa sede viene dapprima interposto del materiale di apporto il quale, a seguito di un ciclo termico di riscaldamento, si fonde dando vita alla saldatura tra tubo e parete.

Prima di proseguire ulteriormente, ? opportuno precisare come in questa descrizione e nelle successive rivendicazioni, con il termine saldatura si intende indicare la giunzione continua, nel senso pi? generale, tra due parti o superfici accostate, anche eterogenee e non solamente metalliche, la quale pu? avvenire oltre che mediante brasatura come appena visto, anche per effetto della fusione locale di dette parti o superfici accostate, nonch? per saldobrasatura od in altro modo, in considerazione di quanto definito dalle normative di unificazione italiane (UNI) sull?argomento.

La tecnica nota cui si ? fatto sopra menzione, presenta per? alcuni inconvenienti che ne rendono inso?disf acenti le prestazioni., soprattutto se si considera la delicatezza degli impieghi nei quali possono venirsi a trovare gli elementi scambiatori quando, ad esempio, sono utilizzati nella tecnologia nucleare.

Tra gli inconvenienti pi? rilevanti, infatti, ? da osservare il fatto che a seguito del trattamento termico subito durante la loro realizzazione, il materiale d'apporto destinato alla brasatura, una volta fuso si ritira originando degli interstizi vuoti tra il tubo e la parete della relativa sede di alloggiamento. Ci? provoca un abbassamento della conducibilit? termica dell'elemento scambiatore dovuta alla presenza di queste zone di vuoto al suo interno e quindi una conseguente diminuzione nella capacit? di attuare scambi termici rispetto ad una condizione ottimale; ? appena il caso di segnalare come, in sede di posa in opera degli elementi scambiatori, una riduzione della loro capacit? di scambio termico rispetto alle condizioni di progetto pu? causare notevoli pericoli per gli impianti di cui sono parte.

Per sopperire a questo inconveniente, si sono ricercate in passato soluzioni alternative, in alcune delle quali il materiale di apporto veniva disposto in una serie di cave comunicanti con le sedi cilindriche di alloggiamento dei tubi; anche in questo caso per? i risultati non sono stati soddisfacenti in quanto tali cave, a seguito della fusione del materiale d'apporto, presentavano anch'esse delle zone vuote riproponendo in pratica la medesima situazione che si verificava con la metodologia precedente.

Quella degli elementi scambiatori di calore ? comunque da considerarsi solo una particolare applicazione della presente invenzione; questa infatti, in via pi? generale, ? destinata a tutte le applicazioni in cui uno o pi? tubi debbano essere saldati alle pareti di corrispondenti sedi, s?a che queste vengano ricavate in un pannello come nel caso degli elementi scambiatori, sia anche in altri oggetti quali ad esempio tubi esterni destinati al rivestimento di quelli da saldare, come accade nella fabbricazione dei cosiddetti tubi bimetallici .

Pi? in generale, ? lo scopo della presente invenzione l'ottenimento di una saldatura tra superficie esterna di un tubo e parete di una sede di alloggiamento di questo, la quale abbia caratteristiche tali da superare gli inconvenienti citati con riferimento alla tecnica nota .

Questo scopo ? raggiunto da un metodo per realizzare tale saldatura, le cui fasi operative sono caratterizzate nelle rivendicazioni che seguiranno.

Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi dell 'invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcuni esempi di realizzazione, riportati nel seguito a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 mostra una vista prospettica di un elemento scambiatore realizzato col metodo secondo il trovato;

le figure 2-3 mostrano una vista sezionata di rispettivi esempi di attuazione di una fase del metodo dell'invenzione, applicata all'elemento scambiatore di figura T,

la figura 4 mostra una vista sezionata longitudinalmente di un tubo bimetallico in una fase di attuazione dell'invenzione,

la figura 5 mostra una vista sezionata trasversalmente secondo la linea V-V di figura 4.

Con riferimento a tali figure ed in particolare figura 1, in essa ? stato complessivamente indicato con 1 uno spezzone di elemento scambiatore di calore secondo il trovato; tale spezzone di elemento 1 comprende un pannello 2 piastriforme nel quale sono formate una pluralit? di sedi 3 definite da rispettive pareti 4 cilindriche, disposte affiancate all'interno del pannello 2 stesso.

Ciascuna di tali sedi 3 ?- destinata all'alloggiamento di un corrispondente tubo '5 (per la maggior facilit? di comprensione, in figura 1 sono illustrate una prima sede 3 ancora priva del rispettivo tubo, una seconda sede in cui ? visibile un tubo gi? inserito, ed una terza sede in cui sta per essere introdotto un tubo da alloggiare). Tra la superficie esterna 5a di ciascun tubo 5 in accoppiamento con la corrispondente parete cilindrica 4 della sede 3 in cui il tubo alloggia, ? definito uno spazio S tubolare secondo le tolleranze geometriche dell'accoppiamento, scelte in funzione di diversi parametri operativi: tra questi ultimi rientrano i materiali con cui sono costituiti il tubo 5 ed il pannello 2, nonch? la eventuale presenza di materiale di apporto brasante, secondo quanto meglio risulter? dal seguito di questa descrizione.

Per l?attuazione del metodo secondo il trovato, ? prevista l'applicazione di una lamina 6 metallica atta al rivestimento dell?elemento 1 nel quale sono stati introdotti i tubi 5; pi? in particolare, detta lamina 6 viene applicata sull'elemento 1 con i tubi introdotti nelle sedi, in modo da formare un involucro chiuso atto ad isolare l'elemento stesso dall'esterno mentre l?interno dei tubi 5 viene mantenuto in comunicazione con l'ambiente circostante per consentire l'attuazione delle successive fasi del metodo.

Tali fasi prevedono che una volta rivestito l'elemento 1 con la lamina 6, l ' involucro da questa formato sia posto sotto vuoto e quindi sigillato.

La prima, cio? la messa sottovuoto, ? ottenuta mediante l'aspirazione dell'aria contenuta nell'involucro, tramite una cannula 7 passante nella lamina 6 e collegata a mezzi di aspirazione comuni non raffigurati nei disegni; si noti che per fare il vuoto, sull'involucro formato ? stata realizzata una semplice saldatura 8 tra la lamina 6 e le estremit? dei tubi 5 fuoriuscenti dalle rispettive sedi 3. L'ordine con cui le suddette fasi avvengono prevede che dapprima venga eseguita la saldatura 8 e quindi, successivamente l'aspirazione dell'aria ultimata la quale la cannula 7, e di conseguenza anche l'involucro chiuso, viene sigillata.

L'elemento scambiatore cos? preparato viene quindi sottoposto ad una fase d? riscaldamento e d? pressurizzazione combinati, mediante trattamento con una pressa isostatica 10 di tipo convenzionale; questa, la quale ? sostanzialmente un forno nel quale la camera di riscaldamento pu? essere pressurizzata con aria o qualsiasi altro gas, ? stata rappresentata solo schematicamente in linea tratteggiata in figura 2 e non viene pertanto ulteriormente descritta.

In seguito alle suddette fasi combinate di riscaldamento e pressurizzaione operate nella pressa isostatica 10 il procedimento di fabbricazione dell'elemento scambiatore 1 pu? considerarsi concluso; infatti, l'azione della pressione garantisce che la superficie esterna 5a del tubo 5, il quale ? reso pi? facilmente deformabile per effetto del calore fornito dalla pressa isostatica, venga portata e mantenuta in intimo contatto con la parete 4, mentre le temperature alle quali viene portato il tubo fanno si che la superficie e la parete accoppiate si saldino tra loro.

Notevoli sono i risultati conseguiti dall'attuazione di un metodo secondo l?invenzione per realizzare la saldatura tra tubo e parete di una sede di alloggiamento, e che sono desumibili dall'esempio qui descritto; in particolare ? da rilevare come la saldatura conseguita risulta essere ottimale. Infatti a seguito dell'effetto combinato delle pressurizazione e del riscaldamento dei tubi 5, il materiale di cui essi sono costituiti si deforma plasticamente e si espande radialmente, cos? che la superficie esterna di ciascun tubo viene ad aderire alla parete della sede relativa senza possibilit? di lasciare interstizi vuoti.

Va peraltro sottolineato che al fine della perfetta aderenza tra superficl esterne e pareti accoppiate, gioca un ruolo determinante la precedente fase di messa sotto vuoto dell'insieme dei tubi rivestiti con l'involucro e la relativa sigillatura di quest?ultimo. Bisogna infatti considerare che qualora non fosse prevista la possibilit? di porre sotto vuoto lo spazio S tubolare presente tra le superfici esterne 5a e le pareti 4, nonch? la sua successiva sigillatura ottenuta per mezzo dell?applicazione dell'involucro, il gas in pressione presente nella pressa isostatica si diffonderebbe all'interno di tale spazio impedendo la deformazione dei tubi e quindi la loro saldatura con le pareti 4. infatti qualora non fosse prevista questa fase di messa sotto vuoto e sigillatura dello spazio suddetto, localmente la parete di un tubo sarebbe sottoposta a due forze contrapposte determinate dalla spinta del gas in pressione presente nella pressa isostatica, esercitata da ambo le parti della parete del tubo.

Si osservi peraltro che per porre sotto vuoto l'involucro citato in alternativa a quanto sopra visto sarebbe possibile pensare di utilizzare per questo scopo anche la pressa isostatica 10; questa infatti potrebbe essere facilmente adattata per ottenerne la depressurizzazione, essendo sufficiente munirla di mezzi di pompaggio idonei per fare il vuoto al suo interno, in aggiunta ai mezzi necessari per la sua pressurizzazione. In una simile eventualit?, una volta ottenuto il vuoto nella pressa isostatica nella quale ? stato anche introdotto l'elemento 1, si potr? operare la sigillatura dell'involucro lavorando a temperatura ambiente all'interno della pressa stessa. Ovviamente/ in caso di una simile eventualit? le fasi di attuazione del metodo non sarebbero concatenate in successione esattamente come nel caso dell'impiego della cannula 7; infatti, operando sotto vuoto nella pressa 10, si potrebbe pensare di applicare la lamina 6 gi? in queste condizioni e quindi, dopo, sigillare direttamente l'involucro da essa formato .

Un altro notevole vantaggio conseguente all'attuazione del metodo pi? sopra descritto, ? che esso permette di sollecitare l'elemento nel quale ? ricavata la sede di alloggiamento del tubo, elemento che in questo caso ? costituito dal pannello 2, in maniera equilibrata. Risulta infatti evidente come l'azione di pressurizzazione esercitata dal gas nella pressa isostatica agisce uniforme, sia all'interno dei tubi dilatandoli, sia all'esterno dell'involucro, compensando le sollecitazioni alle quali viene sottoposto il pannello 2. Questa particolarit? dell'invenzione la rende quindi particolarmente adatta nel caso in cui il suddetto pannello sia costituito di materiali fragili quali i materiali ceramici oppure la grafite, frequentemente impiegati negli elementi scambiatori di calore. Si osservi anche come la semplicit? e flessibilit? del metodo dell'invenzione, consente di controllare al meglio la deformazione dei tubi cos? da garantire una saldatura sempre ottimale; infatti giocando sui parametri fondamentali di processo, e cio? la pressione di pressurizzazione, la temperatura di riscaldamento ed il tempo per i quali questi vengono applicati, si pu? ottenere un controllo totale della deformazione del tubo e quindi della saldatura.

Un altro importante risultato ottenuto dall'invenzione e che bisogna far rilevare, ? quello di consentire di realizzare la saldatura desiderata per molti tubi contemporaneamente; in altre parole, basta osservare come nell'esempio pocanzi descritto, il fissaggio di un tubo 5 nella relativa sede di alloggiamento avviene contemporaneamente all'analogo fissaggio degli altri tubi, senza pertanto dover eseguire le varie fasi operative della saldatura su un tubo alla volta. E' evidente come questa particolarit? riduca in maniera radicale i tempi di produzione con notevoli risparmi, soprattutto per gli elementi scambiatori di calore nei quali sono generalmente previsti molti tubi da saldare. Naturalmente, all'esempio di attuazione del metodo sopra descritto ? possibile apportare ;modifiche e varianti, soprattutto in considerazione del fatto che l'invenzione, come sopra anticipato, pu? trovare una valida applicazione ogni qualvolta si debba eseguire la saldatura anche di un solo tubo alla parete di una corrispondente sede di alloggiamento, come ad esempio, nel caso della fabbricazione di tubi bimetallici.

Per inciso, i tubi bimetallici sono quei particolari tubi realizzati generalmente con la parte interna in un metallo e quella esterna in un altro; tali parti, che hanno forma tubolare e sono coassiali, sono previste principalmente per motivi economici in quanto frequentemente accade che il fluido circolante nel tubo abbia caratteristiche chimiche tali da richiedere l'impiego di un metallo o una lega speciale e, quindi, costoso. Di qui la ragione per cui costruttivamente la struttura del tubo viene frazionata realizzando solo la parte interna in metallo speciale.

Per chiarire ulteriormente l ' invenzione , con riferimento alle figure 4 e 5 viene di seguito illustrato un esempio di attuazione del metodo, applicato proprio al caso di un singolo tubo 5 da saldare in una corrispondente sede 3 la quale, ? ricavata in un secondo tubo 20 pi? esterno, destinato alla produzione dei gi? menzionati tubi bimetallici. In questo secondo esempio, gli elementi strutturalmente e funzionalmente equivalenti a quelli gi? descritti in precedenza, conserveranno la medesima numerazione e non verranno pertanto ulteriormente precisati .

Trattandosi di un solo tubo 5 da saldare, l'applicazione di una lamina metallica di rivestimento quale quella gi? vista, potrebbe essere eccessiva e quindi la stessa lamina pu? essere vantaggiosamente sostituita da una coppia di cordoni 21 anulari di sigillatura, applicati alle estremit? del tubo 5 una volta che nello spazio s compreso tra la superficie esterna 5a e la parete 4 sia stato fatto il vuoto.

Tali cordoni 21, che in quest'esempio sono ottenuti per saldatura, hanno l?effetto di sigillare lo spazio S definito tra superficie esterna 5a e parete 4 della sede 3; in analogia a quanto visto sopra, in questa forma di attuazione del metodo i tubi 5 e 20 cos? predisposti vengono trattati nella pressa isostatica 10 la quale li pressurizza e li riscalda cosi da ottenere la saldatura desiderata per effetto della dilatazione del tubo 5.

Naturalmente anche questa seconda forma nella quale viene attuata l'invenione potr? essere soggetta a modifiche soprattutto per quel che riguarda la sigillatura dello spazio S; ? infatti evidente che i cordoni 21 menzionati potrebbero essere equivalentemente sostituiti da anelli di tenuta in gomma o similari.

Dall'analisi comparata di questo secondo esempio dell'invenzione con quello precedente, ? inoltre possibile chiarire maggiormente i risultati dell'invenzione,

Infatti, se per quanto concerne la qualit? della saldatura tra superficie esterna di un tubo e parete della corrispondente sede d'alloggiamento non vi sono sostanziali variazioni, in quanto tale saldatura avviene sulla base dei medesimi fondamenti (messa sotto vuoto dallo spazio S e sua sigillatura, riscaldamento e pressurizzazione del tubo nella sede relativa) , ? invece da sottolineare la versatilit? e flessibilit? del metodo dell'invenzione; questo particolare aspetto vantaggioso pu? essere meglio compreso ponendo in raffronto gli aspetti operativi dei due esempi di attuazione sopra descritti.

In generale, si osservi come con la presente metodologia ? possibile eseguire l'operazione di saldatura sia per un singolo tubo, sia per una pluralit?: ma pi? in particolare vale la pena rilevare come si potrebbe pensare di realizzare la saldatura di una pluralit? di tubi bimetallici contemporaneamente, procedendo in analogia a quanto mostrato nel primo esempio, in altre parole, si potrebbe pensare di sostituire i cordoni di saldatura 21 procedendo ad un rivestimento di un fascio di tubi bimetallici da saldare con la lamina metallica 6, ricreando cos? le condizioni gi? viste. Vale per? la pena di osservare come in una simile eventualit?, la lamina metallica costituirebbe di per s? oltre che elemento necessario per la sigillatura, anche un mezzo per mantenere raccolti i tubi; questo fatto consente cio? di far rilevare come nel primo esempio in cui ? riportata una applicazione su un elemento scambiatore di calore, il pannello 2 costituisce sostanzialmente un supporto strutturale nel quale le sedi 3 per i tubi da saldare sono formate, e supportate, le une vicine alle altre. E' quindi evidente che un simile elemento strutturale di supporto delle sedi potrebbe essere ottenuto in altro modo, non essendo cio? necessario che esso si presenti in forma di pannello; si potrebbe quindi pensare di sostituirlo con una struttura idonea a sostenere una pluralit? di tubi bimetallici affiancati tra loro, i quali ad esempio potrebbero venire semplicemente appoggiati, cos? da poterli successivamente rivestire con la lamina metallica secondo l'insegnamento gi? visto.

Ulteriormente, con riferimento alla figura 3 ? possibile che per consentire una pi? facile preparazione dell'involucro con la lamina metallica 6, tra tale lamina ed i tubi 5 inseriti nelle corrispondenti sedi 3, le quali in questo caso sono ricavate nel pannello 2, sia interposto del materiale inerte 9 che potrebbe essere sabbia od altro materiale granulare,, la cui presenza non altererebbe comunque nella sostanza le fasi, pi? sopra descritte, nelle quali si articola il metodo inventivo.

Passando poi ulteriormente in rassegna altre eventuali varianti rispetto a quanto finora considerato, ? da segnalare come nelle figure dei disegni allegati sono stati mostrati degli spezzoni di tubo inseriti in corrispondenti sedi di alloggiamento; ? comunque da intendersi che il metodo dell'invenzione potrebbe ugualmente essere applicato nel caso in cui gli spezzoni illustrati appartenessero ad un unico tubo con sviluppo curvilineo a serpentina, quale ad esempio il tubo per -la circolazione di fluido in una batteria alettata. In tal caso si dovrebbe forse pi? propriamente parlare di un metodo per la saldatura dei tratti di un tubo alle pareti di rispettivi sedi cilindriche di montaggio; tuttavia anche questa variante rientrerebbe nel concetto inventivo definito dalle rivendicazioni che seguono la presente descrizione .

Da questa osservazione e dal contesto della descrizione finora riportata, ? inoltre evidente che il metodo dell'invenzione pu? venire ugualmente attuato anche qualora tra la superfice esterna di un tubo e la parete della corrispondente sede sia interposto del materiale di apporto atto a ottenere una giunzione per brasatura o saldobrasatura tra tubo e parete. Si tratterebbe infatti di porre sotto vuoto e sigillare lo spazio S nel quale verrebbe preventivamente inserito il materiale brasante.

Da ultimo sembra opportuno aggiungere ricollegandoci anche alla definizione di saldatura data all'inizio di questa descrizione , come materiali costituenti le sedi 3 ed i tubi 5 da saldare possono essere tra loro eterogenei, vale a dire che tali materiali potrebbero essere ceramica o grafite per il pannello e metallo per i tubi. In tal caso, il metodo dell'invenzione sarebbe comunque attuabile eventualmente con l'impiego di speciali materiali d'apporto, in modo da favorire la giunzione delle superfici da collegare. E1 appena il caso di rilevare inoltre come la presenza o meno del materiale d'apporto interposto tra tubo e parete, cos? come le diversit? dei materiali accoppiati, possono influire sulla forma dello spazio s definito tra essi; in altre parole tale spazio, che negli esempi sopra descritti era sostanzialmente una intercapedine tubolare, potrebbe anche assumere forme geometriche diverse essendo solamente necessario che esso possa venir messo sotto vuoto e sigillato al fine di conseguire i risultati pi? sopra evidenziati.

Tutti questi aspetti e le possibili varianti della presente invenzione, insieme ad altri che qui non sono stati considerati ma che potrebbero essere alla portata di una persona esperta del ramo., sono comunque da considerarsi compresi nell'ambito protettivo definito dalle successive rivendicazioni.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per realizzare la saldatura tra superficie esterna (5a) d? un tubo (5) e parete (4) d? una sede (3) cilindrica di alloggiamento nella quale il tubo ? introdotto, dette superficie esterna (5a) e parete (4) definendo tra esse uno spazio (S) sostanzialmente tubolare, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: porre sotto vuoto detto spazio (S) e sigillarlo , operare in combinazione il riscaldamento e la pressurizzazione interna del tubo (5), ottenendo detta saldatura a seguito della deformazione plastica del tubo (5) per effetto combinato di detti riscaldamento e pressurizzazione operati.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti riscaldamento e pressurizzazione del tubo (5) sono operati in una pressa isostatica (10).
3. 3. Metodo per realizzare la saldatura tra superficie esterna (5a) t?i una pluralit? di tubi (5) e corrispondenti pareti (4) di rispettive sedi (3) di alloggiamento nelle quali i tubi (5) sono introdotti, detti superficie esterna (5a) e corrispondenti pareti (4) definendo tra esse un rispettivo spazio (s) sostanzialmente' tubolare, caratterizzato dal fatto d? comprendere le seguenti fasi operative: rivestire esternamente i tubi (5) e le sedi (3) nelle quali essi sono introdotti con una lamina (6) metallica, formando un involucro di rivestimento di detti tubi (5) e sedi (3), atto a lasciare internamente i tubi (5) in comunicazione con l'esterno, porre sotto vuoto detto involucro formato dalla lamina (6) e sigillarlo, operare, in combinazione, il riscaldamento e la pressurizzazione interna di detti tubi (5) e sedi (3) rivestiti dalla lamina (6), ottenendo detta saldatura a seguito della deformazione plastica dei tubi (5) per effetto combinato di detti riscaldamento e pressurizzazione .
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti riscaldamento e pressurizzazione sono operati da una pressa isostatica (10).
5. 5. Metodo secondo una delle rivendicazione 3 e 4, caratterizzato dal fatto che dette sedi (4) sono ricavate in un pannello (2).
6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, caratterizzato dal fatto che tra detta lamina (6) e detta pluralit? di sedi (3) con i tubi (5) in esse inseriti, ? interposto del materiale inerte (9).
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in detto spazio (s) definito tra detta superficie esterna (5a) di almeno un tubo (5) e detta parete (4) della corrispondente sede (3) di alloggiamento del tubo (5), ? interposto del materiale brasante di apporto.