NO801206L

NO801206L - PROCEDURE FOR FIXING A PIPE IN A PIPE PLATE BY EXPLOSION WELDING AND EXPLOSIVE CHARGE FOR IMPLEMENTATION OF THE PROCEDURE

Info

Publication number: NO801206L
Application number: NO801206A
Authority: NO
Inventors: Jaakko Autio; Toivo Kalevi Lepistoe; Pentti Olavi Kettunen; Pekka Palonen
Original assignee: Ahlstroem Oy
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1980-10-27
Also published as: FR2454856A1; DK181280A; SE8002725L; FI791359A; DE3015577A1

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved festing avThe invention relates to a method for attaching

et rør i en rørplate ved hjelp av eksplosjonssveising, samt en eksplosiv ladning for gjennomførelse av fremgangsmåten, som særlig egner seg for rør hvis veggtykkelse er stor i forhold til rørets■diameter. a pipe in a pipe sheet by means of explosion welding, as well as an explosive charge for carrying out the method, which is particularly suitable for pipes whose wall thickness is large in relation to the pipe's ■diameter.

Eksplosjonssveising er en fremgangsmåte ved hvilken forbindelsen hovedsakelig finner sted i fast tilstand. Således muliggjøres bl.a. sveising av metaller hvis smeltepunk-ter er. betydelig forskjellige. Fremgangsmåten kan imidlertid bare benyttes ved forbindelse av flater med meget enkel form. Typiske anvendelser er beskiktning eller belegning av plater samt ved forbindelse av rør med hverandre. Explosion welding is a method in which the connection mainly takes place in a solid state. This enables, among other things, welding of metals whose melting points are significantly different. However, the method can only be used when connecting surfaces with a very simple shape. Typical applications are coating or coating plates as well as when connecting pipes to each other.

Eksplosjonssveising baserer seg på sammenstøt på skråExplosion welding is based on collisions at an angle

i høy hastighet av de deler som skal sveises sammen. Metallet oppfører seg som en væske ved det høye-trykk som oppstår i sammenstøtningspunktet. Ved en bestemt verdi av sammenstøtningshastigheten, sammenstøtningsvinkelen og sammenstøtningsfrontens forplantningshastighet dannes en metallstråle bestående av deler av de nærliggende flater. , Denne stråle fjerner huden på metallflåtene og de rene metallflater presses sammen og sammensveises. Den store sammenstøtshastighet som kreves ved fremgangsmåten oppnås når man som energikilde utnytter eksplosiver. De deler som skal forbindes ved hjelp av eksplosjonssveising plaseres mot hverandre med innbyrdes avstand, slik at det mellom de flater som skal sveises sammen står igjen en såkalt akselerasjonsstrekning. Flatene kan plaseres parallelt med hverandre, hvilket kalles parallellitetsgeometri, eller flatene kan plaseres med en liten vinkel til hverandre, hvilket kalles vinkelgeometri. Eksplosivladningen ligger på baksiden av den ene del, og ladningens eksplosjonstrykk får de flater som skal sveises sammen til å støte sammen, at high speed of the parts to be welded together. The metal behaves like a liquid at the high pressure that occurs at the point of impact. At a certain value of the impact speed, the impact angle and the propagation speed of the impact front, a metal beam consisting of parts of the neighboring surfaces is formed. , This jet removes the skin of the metal rafts and the clean metal surfaces are pressed together and welded together. The high impact speed required by the method is achieved when explosives are used as the energy source. The parts that are to be joined by means of explosion welding are placed against each other with a mutual distance, so that between the surfaces that are to be welded together there remains a so-called acceleration stretch. The surfaces can be placed parallel to each other, which is called parallelism geometry, or the surfaces can be placed at a small angle to each other, which is called angular geometry. The explosive charge is on the back of one part, and the explosive pressure of the charge causes the surfaces to be welded together to collide,

noe som under visse betingelser medfører at det skjer en sammensveising. Sammenstøtet skjer ikke samtidig over hele flaten, men som en sammenstøtningsfront som skrider frem med detonasjonsfronten over de flater som skal sveises, med begynnelsen ved utgangspunktet. which, under certain conditions, causes a fusion to occur. The impact does not occur simultaneously over the entire surface, but as an impact front that progresses with the detonation front over the surfaces to be welded, starting at the starting point.

Det er mulig metallurgisk å feste to metalldeler til hverandre hvis atomene i de deler som skal sammenbindes bringes i så nær kontakt med hverandre at kreftene mellom atomene kommer i likevekt og danner en binding. Metallflåtene er dog ofte dekket av en hud eller et skikt av oxyder, nitrider og absorberte gasser som forhindrer at metallatomene kommer i direkte kontakt med hverandre over grenseflatene. Ved enhver sveisemetode er det nødvendig å fjerne dette skikt eller hud og bringe de deler som skal sveises sammen i direkte kontakt med hverandre. It is possible metallurgically to attach two metal parts to each other if the atoms in the parts to be joined are brought into such close contact with each other that the forces between the atoms come into equilibrium and form a bond. However, the metal floats are often covered by a skin or a layer of oxides, nitrides and absorbed gases that prevent the metal atoms from coming into direct contact with each other across the interfaces. With any welding method, it is necessary to remove this layer or skin and bring the parts to be welded together into direct contact with each other.

Ved smeltesveising smelter man fugeflatene med ellerIn fusion welding, the joint surfaces are melted with or

uten hjelp av et tilsetningsmateriale, hvorved huden eller overflateskiktet fjernes som slagg. Samtidig muliggjør smeltingen at atomene i de metaller som skal sammenbindes blandes. without the aid of an additive, whereby the skin or surface layer is removed as slag. At the same time, the melting enables the atoms in the metals to be joined to be mixed.

Ved eksplosjonssveising fjerner man de skadelige over-flateskikt ved hjelp av en metallstråle som oppstår ved sammen-støtet mellom fugeflatene. Den kraftige formforandring av fugeflatene som oppstår på grunn av strålen^medfører en destruksjon av overflateskiktene, som deretter helt eller delvis fjernes av strålen. Etterhvert som sammenstøtningfronten skrider frem, presses de nydannede rene flater sammen og det oppstår en metallurgisk binding over grenseflaten. In explosion welding, the harmful surface layers are removed with the help of a metal jet that occurs during the collision between the joint surfaces. The strong change in shape of the joint surfaces that occurs due to the jet leads to a destruction of the surface layers, which are then completely or partially removed by the jet. As the collision front advances, the newly formed clean surfaces are pressed together and a metallurgical bond occurs across the interface.

Hvis man har valgt riktig sveiseparametre, blir sveise-grenseflaten bølgeformet på grunn av den instabile strømning ved sammenstøtspunktet. Også andre, rent metallurgiske sveise-former er mulige. If the correct welding parameters have been chosen, the welding interface becomes wavy due to the unstable flow at the impact point. Other, purely metallurgical forms of welding are also possible.

Av det ovenstående fremgår det at.en nødvendig, om enn ikke tilstrekkelig forutsetning for sveisbarheten er at det dannes en metallstråle ved fugeflåtenes sammenstøtspunkt. Om det oppstår en stråle eller ikke, er avhengig av det herskende trykk og dettes fordeling ved sammenstøtspunktet. From the above, it appears that a necessary, although not sufficient condition for weldability is that a metal beam is formed at the point of contact of the joint rafts. Whether a jet occurs or not depends on the prevailing pressure and its distribution at the point of impact.

Det kan oppstå en stråle hvis sammenstøtsfrontens forplantningshastighet er mindre enn den såkalte gods-lydhastig-het C o i de materialer som skal sveises. En anbefalt verdi for sammenstøtsfrontens forplantningshastighet er3Cq - 2/3 CQ. A beam can arise if the collision front's propagation speed is less than the so-called material sound speed C o in the materials to be welded. A recommended value for the collision front propagation speed is 3Cq - 2/3 CQ.

For at sveising skal skje kreves også at verdiene for sammenstøtningsvinkelen og sammenstøtningshastigheten mellom In order for welding to take place, it is also required that the values for the collision angle and the collision speed between

arbeidsstykkene holder seg innenfor bestemte grenser.the workpieces stay within certain limits.

Man bør avpasse eksplosivens detonas jonshastighet og mengden' av eksplosiv slik at vilkårene for en sammensveising oppfylles. Herunder bør man ta i betraktning både material-egenskaper og sammenføyningsgeometri. One should adjust the detonation speed of the explosive and the amount of explosive so that the conditions for a fusion are met. Here, both material properties and joint geometry should be taken into account.

Ved utviklingen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsenIn the development of the method according to the invention

har man spesielt tatt hensyn til de problemer som forekommer i høytrykksvarmevekslere. I slike varmevekslere benyttes rør som har tykke vegger i forhold til diameteren, og som festes til en rørplate, hvorved man stiller meget strenge krav til festets tetthet. Vanligvis festes rør til rørplaten ved at rørenden forbindes med rørplaten ved hjelp av TIG-sveising. Forbindelsens lengde blir da, regnet fra rørets munning, høyst 2 - 3 mm. Det har vist seg å være vanskelig på denne måte å tilveiebringe en hensiktsmessig tett forbindelse. I tillegg oppstår det i slike korte forbindelser en høy varmespenningstopp som fremmer lekkasjedannelse..Ved particular attention has been paid to the problems that occur in high-pressure heat exchangers. In such heat exchangers, pipes are used which have thick walls in relation to the diameter, and which are attached to a tube plate, whereby very strict requirements are placed on the tightness of the attachment. Pipes are usually attached to the pipe plate by connecting the pipe end to the pipe plate using TIG welding. The length of the connection is then, calculated from the mouth of the pipe, no more than 2 - 3 mm. It has proven to be difficult in this way to provide an appropriately tight connection. In addition, a high thermal voltage peak occurs in such short connections, which promotes leakage formation..Ved

å sveise fast rørets ytterflate mot rørplatens hullveggflate ved hjelp av eksplosjonssveising kan man øke lengden av forbindelsen. I en lang sveiseforbindelse varierer tem- r peraturen mindre sterkt og varmespenningstoppen reduseres. Samtidig blir forbindelsen i avgjørende grad tettere. by welding the outer surface of the pipe to the hole wall surface of the pipe plate using explosion welding, the length of the connection can be increased. In a long welding connection, the temperature varies less strongly and the thermal stress peak is reduced. At the same time, the connection becomes significantly closer.

Man må benytte såkalt parallellitetsgeometri for å kunne tilveiebringe en lang sveisefuge, da hullene i rørplaten er sylindriske. One must use so-called parallelism geometry to be able to provide a long welding joint, as the holes in the tube sheet are cylindrical.

Da vedkommende rør har stor godstykkelse i forhold til diameteren, er det vanskelig å oppfylle forutsetningene for sveisbarhet. Det er spesielt vanskelig å holde sammen-støtningsvinkelen tilstrekkelig stor. Årsaken til vanske-lighetene er følgende: Fordi røret har tykk vegg, kreves en stor energimengde for å utvide røret og for å gi veggen tilstrekkelig anslagshastighet. Dette ville være mulig hvis man anvender en kraftig ladning, altså en stor mengde lavenergieksplosiver eller en mindre mengde høyeksplosiver. Man kan dog ikke anvende lavenergieksplosiver fordi røret som skal fastsveises har en mindre innvendig diameter enn den kritiske diameter.for lavenergieksplosivene (dvs. den minste diameter ved hvilken en detonasjon i ladningen er mulig). De eksplo siver hvis kritiske diameter er tilstrekkelig liten hører i almindelighet til de eksplosiver som har høyenergi. Detonasjonshastigheten for disse eksplosiver er dog vanligvis større enn gods-lydhastigheten i de metaller som skal sveises, og da ville sammenstøtsfrontens forplantningshastighet bli for stor for tilfellet med parallellitetsgeometri. Detonasjonshastigheten for de eksplosiver som har høy energi kan reduseres ved at man blander inn inerte tilsetningsstoffer i dem. Til tross for at man på denne måte kan redusere detonasjonshastigheten, er'man, på grunn av energibehovet, tvunget til å benytte så tett presset ladning at detonasjonshastigheten øker på grunn av dette. Derfor står problemet med altfor liten sammenstøtsvinkel på grunn av den altfor høye detonasjonshastighet tilbake. As the pipe in question has a large material thickness in relation to its diameter, it is difficult to meet the requirements for weldability. It is particularly difficult to keep the collision angle sufficiently large. The reason for the difficulties is the following: Because the pipe has a thick wall, a large amount of energy is required to expand the pipe and to give the wall sufficient impact speed. This would be possible if a powerful charge is used, i.e. a large amount of low-energy explosives or a smaller amount of high explosives. However, low-energy explosives cannot be used because the pipe to be welded has a smaller internal diameter than the critical diameter for low-energy explosives (ie the smallest diameter at which a detonation in the charge is possible). Explosives whose critical diameter is sufficiently small generally belong to the high-energy explosives. However, the detonation speed of these explosives is usually greater than the material sound speed in the metals to be welded, and then the propagation speed of the impact front would be too great for the case of parallelism geometry. The detonation speed of the high-energy explosives can be reduced by mixing inert additives into them. Despite the fact that one can reduce the detonation speed in this way, due to the energy requirement, one is forced to use such a densely compressed charge that the detonation speed increases because of this. Therefore, the problem of too small an impact angle due to the too high detonation speed remains.

Man kan unngå problemet med sammenstøtsvinkelén ved å benytte såkalt vinkelgeometri ved festingen av røret. Her-ved må man utføre hullet eller boringen i rørplaten konisk. På denne måte kan man benytte eksplosiver med høy detonasjonshastighet uten at sammenstøtsfrontens forplantningshastighet blir for stor eller sammenstøtsvinkelén blir for liten. Det' er derimot ikke mulig på denne måte å tilveiebringe en lang sveisefuge, da sammensveising bare er mulig i hullets koniske del. For hvis man' utfører hullets koniske-del meget lang, blir diameteren av hullets munning for stor, slik at enten revner det rør som skal sveises ved detonasjonen, eller sveisens kvalitet lider ved at sammenstøtshastigheten blir for stor. You can avoid the problem with the collision angle by using so-called angular geometry when attaching the pipe. Here, the hole or drilling in the tube plate must be made conical. In this way, explosives with a high detonation speed can be used without the impact front's propagation speed becoming too great or the impact angle becoming too small. However, it is not possible in this way to provide a long welding joint, as welding is only possible in the conical part of the hole. Because if you make the conical part of the hole very long, the diameter of the mouth of the hole becomes too large, so that either the pipe to be welded cracks during the detonation, or the quality of the weld suffers because the impact speed becomes too great.

Selv om man skulle kunne redusere kravet til lengden av sveiseforbindelsen, ville man på grunn av de koniske hull være Even if it were possible to reduce the requirement for the length of the welding connection, due to the conical holes, it would be

■tvunget til å øke rørdelingen, noe som i sin tur fremtvinger større dimensjoner av hele varmeveksleren. ■forced to increase the pipe spacing, which in turn forces larger dimensions of the entire heat exchanger.

Teknikken med å fremstille de nødvendige hull er enklere når man benytter parallellitetsgeometri, enn for de koniske hull som kreves ved anvendelse av vinkelgeometri. Fordelen med parallellitetsgeometrien er foruten en lengre sveiseforbindelse også lavere bearbeidelsesomkostninger. En betydelig fordel ved fremstillingen av varmevekslere er dessuten at rørdelingen forblir uforandret. The technique of producing the required holes is simpler when using parallelism geometry, than for the conical holes required when using angular geometry. The advantage of the parallelism geometry is, in addition to a longer welding connection, also lower processing costs. A significant advantage in the manufacture of heat exchangers is also that the pipe layout remains unchanged.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte ved hvilken man kan overvinne de ovennevnte vanskeligheter. The purpose of the present invention is to provide a method by which the above-mentioned difficulties can be overcome.

Fremgangsmåten kjennetegnes ved at sprengningen utføres slik at detonasjonshastigheten avtar i detonasjonens forplantningsretning. Således kan sammenstøtsvinkelén på The method is characterized by the blasting being carried out so that the detonation speed decreases in the direction of propagation of the detonation. Thus, the impact angle can

kunstig måte holdes større enn hva den ville vært hvis ■ detonasjonshastigheten var konstant. artificially kept greater than what it would be if ■ the rate of detonation were constant.

En sprengladning for gjennomførelse av fremgangsmåten kjennetegnes ved at ladningen er fylt med eksplosiver hvis. detonasjonshastighet reduseres i detonasjonens forplantningsretning. Fortrinnsvis benyttes en ladning hvis tetthet avtar gradvis i detonasjonens forplantningsretning. For å forenkle fremstillingen kan ladningen består av to deler, hvorav den første har høyere ladningsintensitet enn den annen. An explosive charge for carrying out the method is characterized by the fact that the charge is filled with explosives if. detonation speed is reduced in the direction of propagation of the detonation. Preferably, a charge is used whose density decreases gradually in the direction of propagation of the detonation. To simplify production, the charge can consist of two parts, the first of which has a higher charge intensity than the second.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i , forbindelse med tegningene, der fig. 1 viser tverrsnitt av en sprengladning for gjennomførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser hvordan detonasjonshastigheten ■ varierer i sprengladningen. The invention shall be described in more detail below in connection with the drawings, where fig. 1 shows a cross-section of an explosive charge for carrying out the method according to the invention, and fig. 2 shows how the detonation speed ■ varies in the explosive charge.

På fig. 1 er vist en rørplate 1 med et hull beståendeIn fig. 1 shows a tube plate 1 with a hole in it

av to deler. Lengden av den del 2 av hullet som har størst diameter er avhengig av hvilken lengde kan ønsker på sveiseforbindelsen. Den del 3 av hullet som har den minste diameter har til oppgave å sentrere røret 4 i hullet. I røret finnes en ladning 5 som omfatter en tennladning 6 samt en første del 7 og en annen del 8 av den egentlige ladning. Hver delladning inneholder de samme eksplosiver, men ladningstettheten i den første del er større enn i den annen. Sprengladningen antennes elektrisk med en tenner 9 hvorfra det går ut en ildstråle og tenner tennladningen 6. Man benytter en lettantennelig bly-azid som tennladning. Fra denne formidles detonasjonen til den egentlige sprengladning 7,8. I den egentlige ladnings første del 7 er detonasjonshastigheten større enn i dens annen del 8 på grunn av den større ladningstetthet. For å lette håndteringen er ladningens forskjellige komponenter montert i en beskyttelseskappe 10 som har en ansats som bestemmer ladningens stilling i røret. of two parts. The length of the part 2 of the hole which has the largest diameter depends on the desired length of the welding connection. The part 3 of the hole which has the smallest diameter has the task of centering the pipe 4 in the hole. In the tube there is a charge 5 which comprises an ignition charge 6 as well as a first part 7 and a second part 8 of the actual charge. Each partial charge contains the same explosives, but the charge density in the first part is greater than in the second. The explosive charge is ignited electrically with an igniter 9, from which a jet of fire exits and ignites the incendiary charge 6. An easily ignited lead azide is used as an incendiary charge. From this, the detonation is conveyed to the actual explosive charge 7.8. In the actual charge first part 7 the detonation speed is greater than in its second part 8 due to the greater charge density. To facilitate handling, the different components of the charge are mounted in a protective cover 10 which has a shoulder which determines the position of the charge in the pipe.

Før sveisingen kan man redusere rørets ytterdiameterBefore welding, the outer diameter of the pipe can be reduced

på det sted sveisingen skal finne sted, slik at den masse som må settes i bevegelse blir mindre, hvorved også størrelsen av boringsdelen 2 kan gjøres mindre. at the place where the welding is to take place, so that the mass that must be set in motion is smaller, whereby the size of the drilling part 2 can also be made smaller.

EksempelExample

En varmeveksler har følgende driftsdata: Mantelsidens trykk er 25,4 MPa, rørsidens trykk er 38,5 MPa, og temperaturen er 200°C. Til en rørplate med en tykkelse på 200 mm ble det sveiset fast rør $ 17,2 x 2,9 mm ved hjelp av eksplosjonssveise-fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Rørets ytterdiameter var dreiet til <t> 15,7 mm ved sveise-stedet. Den utvidede hulldels diameter var 19,2 mm og lengden 100 mm. Som eksplosiv ble benyttet en blanding av pentrit. Deri egentlige ladnings 35 mm lange første parti hadde en ladningstetthet på 1,0 g/cm 3 og det 72 mm lange annet parti 0,6 g/cm 3. I grunnladningen avtok detonasjonshastigheten V~D på grunn a<y>forandringen i tettheten ifølge fig. 2 i detonasjons-forplantningsretningen x. A heat exchanger has the following operating data: The shell side pressure is 25.4 MPa, the tube side pressure is 38.5 MPa, and the temperature is 200°C. To a tube plate with a thickness of 200 mm, solid tube $ 17.2 x 2.9 mm was welded using the explosion welding method of the invention. The pipe's outer diameter was turned to <t> 15.7 mm at the welding point. The diameter of the extended hole part was 19.2 mm and the length 100 mm. A mixture of pentrite was used as an explosive. In the actual charge, the 35 mm long first part had a charge density of 1.0 g/cm 3 and the 72 mm long second part 0.6 g/cm 3. In the basic charge, the detonation velocity V~D decreased due to the change in density according to fig. 2 in the detonation-propagation direction x.

Det kan selvsagt benyttes forskjellige typer eksplosiver i de forskjellige deler av den egentlige sprengladning . Of course, different types of explosives can be used in the different parts of the actual explosive charge.

Claims

1. Procedure for attaching a pipe to a plate by means of explosion welding, characterized in that the blasting is carried out so that the detonation speed decreases in the direction of propagation of the detonation.

2. Method according to claim 1, characterized in that the detonation speed is brought to decrease step by step.

3. Explosive charge for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the charge (5) comprises explosives (7, 8) whose detonation speed decreases in the direction of propagation of the detonation (x).

4. Explosive charge according to claim 3, characterized in that the charge density of the explosive decreases in the direction of propagation of the detonation (x).

5. Explosive charge according to claim 4, characterized in that its charge density decreases step by step in the aforementioned direction.

6. Explosive charge according to claim 5, characterized in that the charge (7, 8) is two-part, with the charge density of the first charge part (7) being greater than the charge density of the second part (8) in the propagation direction (x) of the detonation.