NO120882B

NO120882B -

Info

Publication number: NO120882B
Application number: NO16419966A
Authority: NO
Inventors: J Cairns
Original assignee: Yorkshire Imperial Metals Ltd
Priority date: 1965-08-12
Filing date: 1966-08-05
Publication date: 1970-12-21
Also published as: DK118012B; DE1577152A1; CH442937A; GB1123836A; SE315259B; NL6611148A; BE685462A; ES330142A1

Description

Fremgangsmåte for feste av metallrør i en metallrør-plate. Procedure for fixing metal pipes in a metal pipe plate.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret fremgangsmåte for feste av rør i rørplater ved bruk av eksplosjonsenergi. The present invention relates to an improved method for fixing pipes in pipe plates using explosive energy.

Forbindelse av et rør i en rørplate er påkrevet på en mengde forskjellige områder, f.eks. ved varmevekslere hvor et stort antall parallelle rør med sine ender festes til en plate forsynt med hull, en såkalt rørplate, og som i det vesentlige strekker seg perpendikulært på rørenes lengderetning. Forbindelsene mellom rørene og platen må være sikker mot lekkasje for å forhindre blanding av stoffene mellom hvilke varmen blir vekslet. Connecting a pipe in a pipe plate is required in a number of different areas, e.g. in heat exchangers where a large number of parallel tubes with their ends are attached to a plate provided with holes, a so-called tube plate, and which essentially extends perpendicular to the longitudinal direction of the tubes. The connections between the pipes and the plate must be secure against leakage to prevent mixing of the substances between which the heat is exchanged.

Kjente fremgangsmåter for forbindelse av rør med rørplater omfatter bruk av pakninger mellom rør og rørplate, innvalsing ved Kfr. kl. 7c-26/08 bruk av et ekspanderende verktøy, mekanisk ekspansjon av røret og sveising ved bruk av gass eller buesveising. Et eksempel på Known methods for connecting pipes with pipe sheets include the use of gaskets between pipe and pipe sheet, rolling in at Kfr. 7c-26/08 use of an expanding tool, mechanical expansion of the pipe and welding using gas or arc welding. An example of

en fremgangsmåte hvor det nyttes eksplosjonsekspansjon av et rør for å oppnå en mekanisk forbindelse er beskrevet i US patent nr. 2.779*279• Et videre eksempel på en fremgangsmåte for eksplosjons-ekspandering av et rør for å frembringe en mekanisk forbindelse er beskrevet i britisk patent nr. 766.741• Dissé kjente fremgangsmåter nytter en eksplosiv ladning som blir detonert inne i røret som befinner seg inne i rørplatens åpning, hvilken kan være forsynt med spor for å ekspandere eller utbule røret og derved feste røret i åpningen. ;Ved ekspanderte forbindelser kreves vanligvis en nøye kontroll av formen, dimensjonene og overflatebehandlingen i de platehull som skal oppta rørene for å sikre et godt resultat. Ekspansjonsgraden og plasseringen av ekspansjonsverktøyet inne i rørplateåpningen. er også kritisk. På grunn av sin egenart med-fører ekspanderte forbindelser en liten sammensetningshastighet på grunn av at forbindelsene må valses etter hverandre og i noen tilfeller bevirker dette et komplekst og uønsket påkjennings-mønster i rørene og i platen. En mekanisk forbindelse frembragt ved hjelp av et ekspansjonsverktøy eller ved eksplosjonsekspansjon som f.eks. beskrevet i US patent nr. 2.779*279 eller britisk patent nr. 766.741!er upåliteg der hvor et antall faste, lekkasjesikre forbindelser er påkrevet mellom en rekke rør og rørplaten, hvilket er tilfelle med konstruksjon av varmevekslere. Mekaniske forbindelser har en tendens til å løsne etter en tid som resultat av de påkjenninger som fremkommer under drift av varmeveksleren og de kan da ikke motstå høye trykkforskjeller. a method using explosive expansion of a pipe to achieve a mechanical connection is described in US patent no. 2,779*279• A further example of a method for explosive expansion of a pipe to produce a mechanical connection is described in British patent no. 766,741• These known methods use an explosive charge that is detonated inside the tube located inside the opening of the tube sheet, which may be provided with grooves to expand or bulge the tube and thereby fix the tube in the opening. ;In the case of expanded connections, a careful check of the shape, dimensions and surface treatment of the plate holes that will accommodate the pipes is usually required to ensure a good result. The degree of expansion and the location of the expansion tool inside the tube sheet opening. is also critical. Due to their nature, expanded compounds entail a low assembly speed due to the fact that the compounds have to be rolled one after the other and in some cases this causes a complex and unwanted stress pattern in the pipes and in the plate. A mechanical connection produced by means of an expansion tool or by explosive expansion such as e.g. described in US Patent No. 2,779*279 or British Patent No. 766,741!is unreliable where a number of fixed, leak-proof connections are required between a number of tubes and the tube plate, which is the case with the construction of heat exchangers. Mechanical connections tend to loosen after a while as a result of the stresses that arise during operation of the heat exchanger and they cannot then withstand high pressure differences.

Pakkede forbindelser krever en meget stor dyktighet i sammensetningen for å sikre maksimal tetthet uten å ødelegge rør-ene, og som ved ekspanderte forbindelser har pakkede forbindelser også en tendens til å løsne etter noen tids bruk og de er da ikke istand til å motstå høye trykkforskjeller. Frembringelse av forbindelser ved konvensjonell sveising bevirker bedre resultater, men deres anvendelse er begrenset på grunn av at materialene i røret og rørplaten må være metallurgisk forenlige. Sveisesonen har ofte uønskede metallurgiske karakteristikker og rørene blir uavvendelig bløte som et resultat av den temperatur som nås under sveisingen. Sveisesonens tykkelse er tilnærmet lik rørets vegg-tykkelse og mindre variasjoner i sveisetykkelsen kan bevirke feil i sveisen hvilket kan føre til lekkasjer. Det er kjent å nytte eksplosjonsenergi for å forbinde metallrør sammen som vist f.eks. i britisk patent nr. °45«452. For eksempel ved produksjon av varmevekslere hvor flere rør skal festes til en rørplate, er det ønskelig for festefremgangsmåten å sikre at rørenden som stikker frem fra rørplatens ytre flate, blir avkuttet i flukt med rørplatens ytre flate. Problemet ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte for pålitelig feste av rør i rørplater med lekkasjesikre forbindelser, ved hvilken fremT gangsmåte samtidig avkutting av overflødig rørlengde oppstår. Packed connections require a great deal of skill in the composition to ensure maximum tightness without destroying the pipes, and as with expanded connections, packed connections also tend to loosen after some time of use and they are then unable to withstand high pressure differences . Making joints by conventional welding produces better results, but their application is limited due to the fact that the materials of the tube and tube sheet must be metallurgically compatible. The weld zone often has undesirable metallurgical characteristics and the pipes become irreversibly soft as a result of the temperature reached during welding. The thickness of the welding zone is approximately equal to the wall thickness of the pipe and minor variations in the welding thickness can cause errors in the welding which can lead to leaks. It is known to use explosive energy to connect metal pipes together as shown e.g. in British Patent No. °45«452. For example, in the production of heat exchangers where several tubes are to be attached to a tube plate, it is desirable for the attachment method to ensure that the tube end that protrudes from the outer surface of the tube plate is cut off flush with the outer surface of the tube plate. The problem with the present invention is to provide a method for reliably fixing pipes in pipe sheets with leak-proof connections, in which method simultaneous cutting of excess pipe length occurs.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte for feste av et metallrør i en metallrørplate og samtidig fjernelse av en overflødig lengde av røret, og som omfatter følgende trinn: Føring av røret gjennom en åpning med hovedsakelig konstant diameter i rørplaten slik at røret stikker frem fra begge ender av åpningen, anbringelse av en eksplosiv ladning inne i røret og et inert energioverførende medium mellom rørveggen og den eksplosive ladning slik at det overførende medium i det minste stikker ut forbi samme ende av åpningen som den over-flødige lengde av røret, og detonering av den eksplosive ladning for å tilveiebringe en metallurgisk forbindelse mellom røret og rørplaten og samtidig fjerne den overflødige lengde av røret. Fjernelsen av den overflødige lengde av røret kan lettes ved å anbringe en skjærering rundt røret i en stilling nær rørplaten hvorved røret blir presset mot kutteringen og den ekstra lengde kuttet av under den hurtige energifirgjøring. Fortrinnsvis er kutteringen anordnet slik at det kan fremkommer et ringformet spor mellom kutteringens egg og rørplaten slik at den nettopp kuttede ende av røret blir tvunget utad til en klokke- eller konisk form ved forbindelsesstedet med rørplaten. Foretrukne eksplosiver er de som har en detonasjonshastighet på mindre enn 120 fo av lydhastigheten i metallet i røret eller rørplaten som har den høyeste lydhastighet. Eksempler på hensiktsmessige eksplosiver er "elektriske detonatorer", slik som nr. 6 og 8 detonatorer levert av Imperial Chemical Industries Ltd., Nobel Divisio^, Stevenston.Ayrshire, Scotland. Slike detonatorer kan nyttes alene eller i forbindelse med supplimentære "booster caps<rt>(forsterk-ningstennhette) eller pellets av støpbare plastiske eksplosiver, f.eks. "Metabel" levert av Imperial Chemical Industries Ltd. According to the present invention, a method is provided for fixing a metal pipe in a metal pipe plate and simultaneously removing an excess length of the pipe, and which comprises the following steps: Passing the pipe through an opening of substantially constant diameter in the pipe plate so that the pipe protrudes from both ends of the opening, placing an explosive charge inside the tube and an inert energy-transferring medium between the tube wall and the explosive charge so that the transferring medium at least protrudes past the same end of the opening as the excess length of the tube, and detonating the explosive charge to provide a metallurgical bond between the pipe and the tube sheet while removing the excess length of pipe. The removal of the excess length of the tube can be facilitated by placing a cutting ring around the tube in a position close to the tube sheet whereby the tube is pressed against the cutter and the extra length cut off during the rapid release of energy. Preferably, the cutter is arranged so that an annular groove can appear between the cutter's egg and the tube plate so that the just-cut end of the tube is forced outwards into a bell or conical shape at the connection point with the tube plate. Preferred explosives are those having a detonation velocity of less than 120 feet of the velocity of sound in the metal of the tube or tubesheet having the highest velocity of sound. Examples of suitable explosives are "electrical detonators", such as No. 6 and 8 detonators supplied by Imperial Chemical Industries Ltd., Nobel Divisio^, Stevenston, Ayrshire, Scotland. Such detonators can be used alone or in conjunction with supplementary "booster caps" or pellets of castable plastic explosives, eg "Metabel" supplied by Imperial Chemical Industries Ltd.

Karakteristiske trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av et utførelseseksempel ifølge oppfinnelsen som kun er gitt ved hjelp av et eksempel, Characteristic features and advantages of the invention will be apparent from the following description of an embodiment according to the invention which is given only by way of example,

med henvisning til tegningen som viser et langsgående snitt gjennom et rør som strekker seg gjennom en rørplate klar for å with reference to the drawing showing a longitudinal section through a tube extending through a tube plate ready to

bli festet i denne.be fixed in this.

Et rør 1 er anbragt i et hull i en rørplate 2, hvilket hull er utformet innen de vanlige grenser som er oppnåelige ved maskin-ering for å oppnå en diametrisk klaring som vanligvis ligger innen området 0,13-0,5 mm. Til venstre for platen som vist i tegninge, rager røret henimot en annen plate (ikke vist) og til høyre for platen rager røret noe frem fra platen slik at det tillates mindre variasjoner fra den satte tubelengde, hvilke kan oppstå under konstruksjonen av varmeutvekslerens skall. For å lette fjernelsen av rørets overskuddslengde og for å danne en jevn profil på røret hvor dette blir kuttet av, blir det anbragt en kuttering 3 av herdet stål eller annet hensiktsmessig matériale rundt røret og i kontakt med platens flate. En eksplosiv ladning 4 er anbragt inne i røret slik at den ligger hovedsakelig inne i platen. Den på tegningen viste energikilde er en konvensjonell detonasjoneksplosiv ladning og denne er omgitt av en energiover-førende f6ring 5 som har skyveklaring inne i røret. Den eksplosive ladning har også skyvepasning inne i overføringsfåringen. F6rings-materialets beskaffenhet er ikke viktig skjønt det fortrinnsvis skal være av middels eller høy tetthet, og det tjener til kun å overføre eksplosjonsbølgen til røret og platen med et minimum tap av energi. Anbringelsen av den eksplosive ladning i forhold til platen, skjønt den ikke er kritisk, bør være slik at ladning-ens effektive lengde ikke strekker seg forbi platens indre flate, og bør fortrinnsvis begrenses til de ytre 2/3 av platens tykkelse, dvs. de to tredjedeler av platetykkelsen som sees til høyre i tegningen. A pipe 1 is placed in a hole in a pipe plate 2, which hole is designed within the usual limits that can be achieved by machining in order to achieve a diametric clearance that is usually within the range of 0.13-0.5 mm. To the left of the plate as shown in the drawings, the tube protrudes towards another plate (not shown) and to the right of the plate the tube protrudes slightly from the plate so that minor variations from the set tube length are allowed, which may occur during the construction of the heat exchanger shell. To facilitate the removal of the pipe's excess length and to form an even profile on the pipe where it is cut off, a cutter 3 of hardened steel or other suitable material is placed around the pipe and in contact with the surface of the plate. An explosive charge 4 is placed inside the tube so that it lies mainly inside the plate. The energy source shown in the drawing is a conventional detonation explosive charge and this is surrounded by an energy-transmitting ring 5 which has sliding clearance inside the tube. The explosive charge also has a slide fit inside the transfer groove. The nature of the conducting material is not important, although it should preferably be of medium or high density, and it serves only to transfer the blast wave to the tube and plate with a minimum loss of energy. The placement of the explosive charge in relation to the plate, although not critical, should be such that the charge's effective length does not extend beyond the plate's inner surface, and should preferably be limited to the outer 2/3 of the plate's thickness, i.e. the two thirds of the plate thickness seen on the right in the drawing.

Etter sammensetningen av komponentene som vist i tegningen, blir den eksplosive ladning tent ved bruk av konvensjonelle metoder som f.eks. bruk av en elektrisk oppvarmet.motstandstrad som vist i tegningen. Den elektriske detonasjonsinnretning kan hvis ønsket, plasseres i den motsatte ende av den eksplosive ladning i forhold til det som er vist i tegningen, slik at detonasjons-bølgen vandrer i motsatt retning. Et hvilket som helst antall hosliggende eller fjernere fra hverandre liggende rør kan festes på likt alt avhengig av de lokale forhold. After the composition of the components as shown in the drawing, the explosive charge is ignited using conventional methods such as using an electrically heated resistance wire as shown in the drawing. The electric detonation device can, if desired, be placed at the opposite end of the explosive charge in relation to what is shown in the drawing, so that the detonation wave travels in the opposite direction. Any number of adjacent or more widely spaced pipes can be attached equally depending on the local conditions.

Den frigjorte energi utvider røret på en slik måte atThe released energy expands the tube in such a way that

det dannes en metallurgis forbindelse i kontaktområdet mellom røret og platens motliggende flater. Det er nødvendig med en vanlig form for rengjøring av røret for å oppnå full vedheftning, og oksyder, fett etc. på overflaten, blir fjernet før sammensetningen ved hensiktsmessige anordninger som f.eks. mekanisk rensning eller ved hjelp av organiske oppløsninger. a metallurgical connection is formed in the contact area between the tube and the opposite surfaces of the plate. A common form of cleaning of the pipe is necessary to achieve full adhesion, and oxides, grease etc. on the surface are removed before assembly by appropriate devices such as e.g. mechanical cleaning or by means of organic solutions.

En sekundær og samtidig virkning av energien frigjort av den eksplosive ladning, er å tvinge røret mot kutteringen 3«Kutteringens kutte-egg adskiller røret circumfe.rielt og den nettopp tildannede rørende blir utvidet\til en klokkeform slik at det ligger i ett med platens overflate. Kutteringens utformning omfatter en fordypning 6 mellom ringen og platens flate inn i hvilken rørenden kan ekspandere for å danne klokkeformen. Kutteringens kuttevinkel er ikke kritisk, men det kan etableres foretrukne vinkler for de spesielle legeringer..Forskjellige kombi-nasjoner av rør og platematerialer er i samsvar med foreliggende oppfinnelse blitt forbundet med hell, og en typisk operasjon skal beskrives i det følgende eksempel. A secondary and simultaneous effect of the energy released by the explosive charge is to force the pipe against the cutter. The cutting egg of the cutter separates the pipe circumferentially and the newly formed pipe end is expanded into a bell shape so that it lies flush with the surface of the plate. . The design of the cutter includes a recess 6 between the ring and the surface of the plate into which the pipe end can expand to form the bell shape. The cutting angle of the cutter is not critical, but preferred angles can be established for the special alloys. Various combinations of pipes and plate materials have been connected successfully in accordance with the present invention, and a typical operation will be described in the following example.

Eksempel.Example.

Aluminium bronserør med 2,54 cm (1") ytr/ e diameter og kaliber 18 ble festet'inn i marinebronseplater med på forhånd borede hull med 2, 578 cm (1,015") diameter med 3,81 cm (1 l/2") senteravstand. En eksplosiv ladning bestående av en nr. 8 deton-ator ble brukt og den energioverførende hylse besto av en plugg av en blanding av voks og tresagmugg. Det ble brukt en kuttering av. herdet stål av en utformning lignende den som er vist i tegningen. Røret eller hullene i platen ble ikke behandlet på noen spesiell måte bortsett fra fjernelse av fett og olcsydfilmer. Aluminum bronze tubing 2.54 cm (1") OD and 18 gauge was bolted into marine bronze plates with pre-drilled holes 2.578 cm (1.015") diameter by 3.81 cm (1 l/2" ) center distance. An explosive charge consisting of a No. 8 detonator was used and the energy-transmitting sleeve consisted of a plug of a mixture of wax and sawdust. A hardened steel cutter of a design similar to that shown was used in the drawing.The tube or the holes in the plate were not treated in any special way except for the removal of grease and olcyd films.

Etter at festeprosessen var gjennomført ble det oppnådd et kvanti-tativt mål på forbindelsesstyrken ved å trekke røret fra platen i en kalibrert strekkmaskin. Det var nødvendig med påkjenninger over 2 tonn for å trekke røret fra platen etter at den klokke- formede rørende var bearbeidet vekk for å eliminere virkningen av den mekaniske motstand. After the fastening process was completed, a quantitative measure of the connection strength was obtained by pulling the pipe from the plate in a calibrated stretching machine. Stresses in excess of 2 tons were required to pull the tube from the plate after the bell-shaped tube end was machined away to eliminate the effect of mechanical resistance.

For sammenligning, ble noen rør festet i en plate i samsvar med oppfinnelsen, men med den forskjell at røroverflaten ble dekket med et forbindelseshindrende middel slik at det ikke oppsto noen metallurgisk forbindelse. Under disse forhold ble den nødvendige belastning for å trekke ut røret redusert til ca. 1 tonn, hvilket tilsvarer det som er nødvendig for å trekke ut en ekspandert forbindelse frembragt ved tidligere kjente metoder. For comparison, some pipes were fixed in a plate in accordance with the invention, but with the difference that the pipe surface was covered with an anti-bonding agent so that no metallurgical bond occurred. Under these conditions, the load required to pull out the pipe was reduced to approx. 1 ton, which corresponds to what is necessary to extract an expanded compound produced by previously known methods.

Claims

1. Method for fixing a metal pipe in a metal pipe plate and at the same time removing the excess length of the pipe, characterized by the following steps: That the pipe is passed through a hole of approximately constant diameter in the pipe plate so that the pipe protrudes on both sides of the hole , that an explosive charge is placed inside the pipe and an inert, energy-transmitting medium between the pipe wall and the explosive charge so that the transmitting medium at least extends beyond the same end. of the opening as the excess length of the tube, and detonating the explosive charge to provide a metallurgical connection between the tube and the tubesheet while removing the excess length of the tube.

2. Method according to claim 1, characterized in that the explosive charge extends beyond the same end of the opening as the excess length of the pipe.

3. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that cutting the excess pipe length is achieved by means of a cutter arranged around the excess pipe length at a location close to the pipe plate.

4. Method according to claim 3> characterized in that an annular depression is arranged between the cutter's egg and the tube sheet so that after removing the excess tube length, the newly formed end is forced outwards into a bell or conical shape at the connection point with the tube sheet.