KR810001378B1

KR810001378B1 - Method for mechanical removal of tensile stresses in a tube shich has been expanded in a support

Info

Publication number: KR810001378B1
Application number: KR7801288A
Authority: KR
Inventors: 레 휴드 죠오지즈; 자샤리 구이
Original assignee: 제라드 데룩스; 일렉트리시테 드 프랑스(서비스 내쇼날)
Priority date: 1978-04-29
Filing date: 1978-04-29
Publication date: 1981-10-17

Abstract

Mechanical removal of tensile stress in a tube(1) having a radially expanded zone(4) and a radially non-expanded zone(5) comprises contacting the transition zone(6) with an expansion device(7) and applying diametral deformation of controlled intensity and direction. The method is esp. suitable for treating heat exchanger assemblies since the stress reduction produced reduces the risk of crack formation under corrosive conditions. The tube(1) deformation is pref. produced by introducing fluid under pressure into the tube interior.

Description

Method for Mechanical Removal of Tensile Stresses of Expanded Tubs in Supports

제1도 및 제2도는 판내에서 팽창된 튜우브 및 공칭 직경을 가진 튜우브의 팽창 부분과 외부 사이의 전이대역(transition zone)내 응력을 제거하기 위하여 튜우브의 내부에 계합시킨 공구의 종단면도.1 and 2 are longitudinal cross-sectional views of a tool engaged inside the tubing to remove stresses in the transition zone between the outside and the expanded portion of the tubing having a nominal diameter and an expanded tube in the plate; .

제3도는 본 발명 방법의 실제 사용을 위한 변형 장치의 구조 설명도.3 is a structural explanatory diagram of a deformation apparatus for practical use of the method of the present invention.

본 발명은 튜우브의 팽창된 부분과 변형되지 않은 부분 사이의 전이 대역 내에 기계적인 튜우브 팽창에 의하여 지지체에 고정된 상태에 있는 튜우브내의 잔류 응력을 완화시키는 방법에 관한 것이다.The present invention is directed to a method of relieving residual stress in a tub that is fixed to the support by mechanical tube expansion in the transition zone between the expanded and undeformed portions of the tub.

지지체, 특히 열교환기의 튜우브-시이트와 같이 튜우브를 끼워 맞춘 보어(b ore)가 갖추어진 판내에, 튜우브의 기계적 팽창 방법을 적용하는 것은 통상적인 실시 방법이다. 이러한 방법의 첫 단계는, 해당하는 보어의 표면과 접촉시키기 위하여 각 튜우브를 내부로부터 확대시키며, 둘째 단계는 튜우브를 벽에 대하여 강제로 작용시키고 판에 접착시키고자 하는 튜우브의 금속상에 실제적인 냉간 로울링 또는 냉간단조를 실시한다. 튜우브와 판의 재질은 그들의 기계적 특성이 판의 탄성 한계를 초과함이 없이 튜우브의 소성 변형을 일으키도록 선택되며, 필요에 따라 튜우브 팽창 공정은 단부-용접 조작에 의하여 완결된다.It is a common practice to apply the method of mechanical expansion of tubing in a plate equipped with a bore fitted with tubing, such as a tubing-sheet of a heat exchanger. The first step of this method is to enlarge each tube from the inside to make contact with the surface of the corresponding bore, and the second step on the metal of the tube to force the tube to the wall and adhere it to the plate. Perform actual cold rolling or cold forging. The materials of the tubes and plates are selected to cause plastic deformation of the tubes without their mechanical properties exceeding the elastic limits of the plates, and if necessary the tubing expansion process is completed by end-welding operation.

튜우브의 팽창은 튜우브-팽창기로 공지되어 있으며 보어 및 그 보어와 계합되는 튜우브의 축에 평행하거나 경사진 축을 가진 일련의 로울러를 구비하는 적당한 공구에 의하여 종래의 방법으로 실시된다. 로울러는 회전 구동되고 로울러와 맨드렐 사이에 배치된 축 맨드렐에 의하여 힘이 외부로 작용하므로 튜우브의 벽은 보어의 벽에 대하여 추력을 작용한다.The expansion of the tube is known by the tube-expander and is carried out in a conventional manner by means of a suitable tool having a bore and a series of rollers having an axis parallel or inclined to the axis of the tube engaged with the bore. The rollers are rotationally driven and the forces act outwardly by the axial mandrel disposed between the rollers and the mandrel, so the walls of the tubule exert a thrust against the walls of the bore.

보다 큰 직경을 가진 팽창된 부분과 초기의 공칭 직경을 가진 튜우브의 부분 사이에 위치한 점에서 튜우브는 부식 매체 내에서 균열이 생기고 어떤 경우에는 운전 중 튜우브내에 관통 구멍을 유발하는 잔류 인장 응력을 받는다. 그러므로 특히 열 교환기에서는 튜우브의 내구성에 역효과를 가진 잔류 응력의 실제적인 제거를 위하여 튜우브를 사용하기 전에 상술한 대역으로부터 인장 응력을 제거한다.Located between the expanded portion with the larger diameter and the portion of the tube with the initial nominal diameter, the tubing cracks in the corrosive medium and in some cases residual tensile stresses causing through-holes in the tubing during operation. Receives. Therefore, especially in heat exchangers, the tensile stresses are removed from the above-mentioned zones before using the tubs for the practical removal of residual stresses which have an adverse effect on the durability of the tubs.

응력 제거의 여러가지 방법들이 이미 알려졌으며 이들 중 대개는 관련된 대역의 열 처리로 이루어진다. 그러나 이러한 조작의 정확한 실시는 대단히 곤란한데 왜냐하면 특히 튜우브의 팽창계수가 판의 팽창 계수보다 높다면 튜우브 팽창 공정자체에 대한 기계적 저항성을 확보하는 응력의 동시 제거를 방지하기 위하여 각 튜우브의 팽창된 부분관 변형되지 않은 부분 사이의 전이 대역 또는 그 부위에 한정된 열 처리를 실시하여야 하기 때문이다. 튜우브가 판 보다 높은 크리이프 강도를 가진때 예컨대 튜우브가 오오스테나이트 스텐레스 강 또는 높은 니켈 함량을 갖는 합금으로 형성되었을 때 그리고 판이 예를 들어 탄소 강일 때, 판의 특성을 해치지 않기 위한 온도 범위내에서의 열적 처리는 팽창된 대역내에 약간의 응력만을 감소시킬 뿐이다.Several methods of stress relief are already known, most of which consist of heat treatment in the relevant zones. However, the correct implementation of this operation is very difficult because, in particular, if the expansion coefficient of the tube is higher than the expansion coefficient of the plate, the expansion of each tube is prevented in order to prevent simultaneous removal of stress which ensures mechanical resistance to the tube expansion process itself. This is because a limited heat treatment must be performed at the transition zone or the portion between the unstrained parts. When the tube has a creep strength higher than the plate, for example when the tube is formed of austenitic stainless steel or an alloy with a high nickel content, and when the plate is, for example, carbon steel, within a temperature range not to impair the properties of the plate. The thermal treatment at s only reduces the slight stress in the expanded zone.

상술한 곤란점 때문에 본 방법을 대규모 공업에 적응하는 것은 고려될 수 없고 결과적으로 전이 대역내 인장 응력의 제거는 대부분 포기되어 왔다.Because of the difficulties mentioned above, adaptation of the method to large scale industries cannot be considered and as a result the removal of tensile stresses in transition zones has largely been abandoned.

본 발명은 지지체 내에서 기계적 팽창을 받은 튜우브의 전이 대역내의 인장 응력을 기계적으로 제거하는 방법에 관한 것으로 본 방법은 즉 튜우브 팽창 공정의 완료로 튜우브와 지지체 사이의 연결이 완료된 후 이루어진다.The present invention relates to a method of mechanically removing the tensile stress in the transition zone of a tube that has undergone mechanical expansion in the support, ie, after the connection between the tube and the support is completed by completion of the tube expansion process.

이러한 목적을 위하여, 본 방법은 팽창된 튜우브를 연속적으로 직경 변형을 시키고 적어도 팽창된 부분과 튜우브의 공칭 직경이 유지되고 팽창된 부분이 아닌 부분 사이의 전이 대역 내에 조절된 범위로 확대를 실시하는 것으로 구성되었다.For this purpose, the present method continuously diameter-expands the expanded tube and at least extends it to a controlled range within the transition zone between the expanded portion and the portion whose nominal diameter is maintained and not the expanded portion. It consisted of doing.

본 방법은 처리된 부분의 탄성 한계를 전체로서 얻기 위해 기계적 변형을 시킴에 의하여 처리된 부분의 잔류 응력을 제거하는 공지된 일반적 원리에 기초를 두고 있다. 소성 변형은 잔류 응력을 받는 대역에서 발생하지만 응력이 영인 대역에서는 보다 작게 일어나고, 이러한 변형은 팽창된 대역내 튜우브 벽의 해로운 냉간 로울을 방지하기 위하여 연속적으로 조절된다. 따라서 이것은 상이한 대역의 부분에 적용할 수 있고 제거가 일어난 후, 즉 그 부분이 초기 형상으로 복귀되였을 때 국부적인 잔류 응력의 상당한 감소를 유발한다. 상술한 방법에 의하여, 인장 응력의 기계적 제거를 위한 이러한 형태의 공정은 튜우브가 제작 공정의 마지막에 약간 연신되는 견인력을 발생함에 의하여 똑바르게 한 후 튜우브의 직선부에 적용된다. 그러나, 이러한 방법은 특별한 용도, 즉 지지체, 특히 판내에서 튜우브를 팽창시키는 용도에는 적용할 수 없다.The method is based on the known general principle of removing residual stresses in treated parts by mechanical deformation to obtain the elastic limits of the treated parts as a whole. Plastic deformation occurs in the zone under residual stress, but smaller in the zone where stress is zero, and this deformation is continuously adjusted to prevent harmful cold rolls of the expanded in-band tubing wall. This can thus be applied to parts of different zones and causes a significant reduction in local residual stress after removal has taken place, ie when the part has returned to its initial shape. By the method described above, this type of process for the mechanical removal of tensile stress is applied to the straight portion of the tub after the tube is straightened by generating a slightly drawn traction at the end of the fabrication process. However, this method is not applicable to special applications, ie inflating tubes in supports, in particular in plates.

본 발명에 따른 방법은 관련된 대역의 조절된 직경 변형을 실시하는 동일한 원리리 상이하게 적용하는 것을 기초로 한다.The method according to the invention is based on the same principle differently applying the controlled diameter deformation of the relevant zone.

본 발명의 첫번째 실시예에서 튜우브의 직경 변형은 잭크의 장치에 의하여 원추 또는 탄두의 형태를 가진 공구의 축방향 전진운동을 조절함에 의하여 실시한다. 다른 실시예에서 방사상 외향 팽창을 시킬 수 있는 공구가 같은 효과를 발생시키는데 사용될 수 있다.In the first embodiment of the present invention the diameter deformation of the tubing is effected by adjusting the axial forward movement of the tool in the form of a cone or warhead by means of a jack's device. In other embodiments a tool capable of radial outward expansion can be used to produce the same effect.

다른 실시예에 따르면 튜우브의 직경 변형은 회전 로울러가 부착된 튜우브-팽창기에 의하여 실시될 수 있으며 또 다른 실시예에서 튜우브의 정반대 변형은 압력 유체를 튜우브의 내부에 도입함에 의하여 실시될 수 있다. 이러한 방법은 동일한 U-형 열교환기 튜우브로부터 인장 응력의 기계적 제거에 사용할 수 있으며 튜우브의 2단부는 동일한 지지판상에 고정된다. 본 방법은 모든 튜우브가 동일한 용량 변화에 상응하는 범위까지 변형되는 사실이 특별하다.According to another embodiment the diameter deformation of the tube can be carried out by means of a tube-expander with a rotating roller and in another embodiment the opposite deformation of the tube can be carried out by introducing a pressure fluid into the inside of the tube. Can be. This method can be used for the mechanical removal of tensile stress from the same U-shaped heat exchanger tube and the two ends of the tube are fixed on the same support plate. The method is particular to the fact that all tubs are modified to the extent corresponding to the same capacity change.

지지체내에서 튜우브의 팽창 후 튜우브로부터 인장 응력의 기계적 제거에 대한 본 발명에 따른 방법은 제한없이 첨부 도면을 참조로 하여 기술된 다음의 실시예의 기술로부터 명백하게 이해되리라 믿는다.It is believed that the method according to the invention for the mechanical removal of the tensile stress from the tube after expansion of the tube in the support will be clearly understood from the description of the following examples described with reference to the accompanying drawings without limitation.

제1도에서 1은 원통형 금속 튜우브의 단부를 나타내고, 이 튜우브는 튜우브-팽창의 종래 방법에 의하여 역시 금속인 횡판 2내에 고정되었으며, 횡판 2는 튜우브 1과 계합할 수 있는 크기의 보어 3을 갖는다. 보어내에 위치한 튜우브의 부분 4는 축 맨드렐(도면에 도시되지 않았음)을 가진 튜우브 팽창기와 같은 어떤 적당한 수단에 의하여 상기 보어의 내벽에 대하여 강제로 밀어넣어서 팽창과 접착에 의하여 튜우브를 고착시킨다. 이와 같이 팽창된 부분 4는 도면에서 점선으로 표시된 바와 같이 전이 대역 6에 의하여 보어 3의 밖에 위치한 튜우브의 공칭 직경 부분 5에 연결된다.In FIG. 1, 1 represents the end of a cylindrical metal tube, which is fixed in diaphragm 2, which is also metal, by a conventional method of tube-expansion, which diaphragm 2 is of a size capable of engaging tube 1. Has a bore 3. Part 4 of the tube located in the bore is forcibly pushed against the inner wall of the bore by any suitable means, such as a tubing inflator with an axial mandrel (not shown in the figure) to expand the tubing by expansion and adhesion. Stick. This expanded portion 4 is connected to the nominal diameter portion 5 of the tube located outside of bore 3 by transition zone 6 as indicated by the dashed line in the figure.

본 발명에 따르면, 전이 대역 6내의 튜우브-팽창에 의하여 발생된 잔류 응력의 제거는 튜우브의 내면에 그리고 팽창된 부분 4를 지나서 원추 또는 탄두 형상의 공구 7을 계합시킴에 의하여 실시되며, 그 공구는 공기 또는 수압 잭에 의하여 튜우브내의 축방향으로 점진적 전진 운동을 한다. 따라서 전이 대역 6은 외향 변형이 생기고 최종 단계에서는 도면의 실선으로 표시된 부분 8이 된다. 전이 대역에 일어난 변형은 통상적으로 직경으로 0.5%정도이며, 예컨대 공구 7의 변위폭을 조절함에 의하여 자동적으로 얻을 수 있다.According to the invention, the removal of residual stresses generated by tubing-expansion in transition zone 6 is carried out by engaging a tool 7 in the form of a cone or warhead on the inner surface of the tube and past the expanded portion 4, The tool makes a gradual forward movement in the tube in the axial direction by means of an air or hydraulic jack. Thus transition band 6 is outwardly deformed and at the final stage becomes part 8, indicated by the solid line in the figure. Deformation in the transition zone is typically on the order of 0.5% in diameter and can be obtained automatically, for example, by adjusting the displacement width of tool 7.

제2도에 설명된 다른 실시예는 회전 로울러 9를 움직이는 축맨드렐에 의하여 팽창된 튜우브의 전이 대역 6를 변형시키기 위하여 공구 7(튜우브-팽창기 형식의)을 사용한다. 이러한 경우 전이 대역 6의 외향적 변형으로부터 이루어진 응력의 해소는 사전 보정에 의하여 예정된 변형에 상응하는 어떤 적당한 수의 회전을 실시한 후 로울러를 움직이는 맨드렐의 정지를 프로그램함에 의하여 용이하게 조절될 수 있다.Another embodiment described in FIG. 2 uses tool 7 (in the form of a tub-expander) to deform the transition zone 6 of the tubing expanded by the axial mandrel moving the rotary roller 9. In this case the release of the stresses from the outward deformations of transition zone 6 can be easily adjusted by programming the stop of the mandrel moving the rollers after carrying out any suitable number of turns corresponding to the predetermined deformations by pre-correction.

제3도에 설명된 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서는, 단부 10과 11을 팽창시킨 후 튜우브 1의 전이 대역의 변형은 튜우브에 수력을 가함에 의하여 이루어지게 된다. 따라서, 팽창된 단부는 각기 2개의 제거할 수 있는 봉합부(removable seal) 12와 13에 의하여 밀폐된다. 봉합부 12는 튜우브의 내부를 수압펌프 15에 연결하는 파이프 14에 의하여 횡단되었고 압력은 압력계 16에 의하여 파이프 14내에서 측정된다. 유사한 방법으로 봉합부 13은 파이프 17에 의하여 출구 및 드레인 밸브 18에 연결되었다.In another embodiment of the method according to the invention described in FIG. 3, the deformation of the transition band of tube 1 after expansion of ends 10 and 11 is effected by applying hydraulic pressure to the tube. Thus, the expanded end is closed by two removable seals 12 and 13, respectively. The seal 12 was traversed by a pipe 14 connecting the interior of the tube to a hydraulic pump 15 and the pressure was measured in the pipe 14 by a manometer 16. In a similar manner, the seal 13 is connected to the outlet and drain valve 18 by pipe 17.

본 실시예에서 튜우브 1내에 수압 펌프 15에 의하여 생긴 압력은 예정된 값을 얻는 평균 원주방향 응력을 유발시킴에 의하여 팽창된 부분 이상으로 튜우브의 전이 대역에 충분한 변형이 생기도록 선택되어야 한다. 그러나 주어진 모든 튜우브내에 있는 인장 응력의 제거에 필요한 최저 압력을 계산하기 위하여는, 튜우브의 기계적 및 기하학적 특성의 산포로 부터 일어날 수 있는, 최대강도의 튜우브내의 인장 응력을 제거하는데 필요한 압력은 최저 강도를 가진 튜우브의 과잉 변형을 일으키는 상황을 고려하여야 한다. 그러므로, 전이 대역내의 인장 응력을 제거하기 위하여 단일의 내부 압력을 가하는 것은 해로움이 입증되었다.In this embodiment, the pressure generated by the hydraulic pump 15 in the tubing 1 should be chosen such that sufficient deformation occurs in the transition zone of the tube beyond the expanded portion by causing an average circumferential stress to obtain a predetermined value. However, in order to calculate the lowest pressure necessary to remove the tensile stress in all given tubs, the pressure required to remove the tensile stress in the maximum strength tubing, which may arise from the dispersion of the mechanical and geometric properties of the tube, Consideration should be given to situations that cause excessive deformation of the tubing with the lowest strength. Therefore, applying a single internal pressure to remove the tensile stress in the transition zone has proven harmful.

사용된 공정들은 응력 대신에 변형을 부과하는 것으로, 모든 튜우브의 경우 튜우브가 동일한 체적 변화를 받도록 적당히 변경된다.The processes used impose strain instead of stress, and for all tubs it is appropriately altered so that the tubs receive the same volume change.

튜우브의 내부 체적 변화 ΔV와 튜우브의 직경 변화 Δø 사이의 관계는 다음 식으로 주어진다.The relationship between the internal volume change ΔV of the tube and the diameter change Δø of the tube is given by the following equation.

식중에서, L는 튜우브의 길이이고, ø₁는 평균내경이다. 체적 V는 또한 조작을 비압축성 유체로 실시할 때 튜우브의 충전 후 주입되는 유체의 체적이다.Where L is the length of the tube and ø ₁ is the average inner diameter. Volume V is also the volume of fluid injected after filling of the tube when the operation is performed with incompressible fluid.

상기에서 주어진 관계식(1)은 튜우브의 두께를 포함하지 않는 장점이 있다. 특히 주어진 튜우브의 경우 내경의 변화는 보통 작아서 2%정도이다. 결과적으로 소정의 변형

를 얻기에 필요한 체적 변화 ΔV는 길이 L이 변할때 만한 튜우브로 부터 다른 튜우브로 변한다. 특히 튜우브 길이가 광범위하게 변하지 않는 열교환기의 경우 인장 응력의 제거에 필요한 체적 변환 ΔV는 항상 동일하다.The relation (1) given above has the advantage of not including the thickness of the tub. Especially for a given tube, the change in inner diameter is usually small, about 2%. As a result, some variation

The volume change ΔV required to obtain is changed from one tubing to another as long as the length L changes. Particularly in the case of heat exchangers whose tube lengths do not vary widely, the volume conversion ΔV required for the removal of the tensile stress is always the same.

결과적으로, 지지체, 특히 판내에서 팽창된 튜우브내 인장 응력의 기계적 제거는 본 발명에 따른 방법에 의하여 간단하고 편리하게 실시될 수 있다. 어떤 매체내에서 회복될 수 없는 균열을 형성시킬 수 있는 응력을 제거함으로써 인장하의 부식에 대한 튜우브의 기계적 특성을 상당히 개량할 수 있게 되었다. 본 발명에 따른 방법은 상술한 바와 같이 기계적 튜우브-팽창에 의하여 이들의 판 또는 지지체 상에 고정된 튜우브에도 적용할 수 있다. 한편, 튜우브가 수압 팽창에 의한 변형의 결과로서 고정되었다면, 이러한 형식의 고정 공정에 의하여 발생된 잔류 응력이 기계적 튜우브 팽창 공정의 것과 비교할 수 없으므로 그 방법은 어떠한 장점도 제공 못한다.As a result, the mechanical removal of the tensile stress in the expanded tube in the support, in particular the plate, can be carried out simply and conveniently by the method according to the invention. By eliminating the stresses that can form irreparable cracks in any medium, it is possible to significantly improve the mechanical properties of the tubing against corrosion under tension. The method according to the invention is also applicable to tubing fixed on their plates or supports by mechanical tubing-expansion as described above. On the other hand, if the tube is fixed as a result of deformation by hydraulic expansion, the method does not provide any advantage since the residual stresses generated by this type of fixing process cannot be compared with that of the mechanical tube expansion process.

Claims

A method of mechanically removing tensile stress in tube 1 comprising a radially expanded portion 4, an unexpanded portion 5 and a transition zone 6 between said expanded and non-expanded portions, wherein said transition zone 6 is defined by expansion means 7. Contacting and varying the diameter in a controlled direction and strength within the transition zone 6.