RU2112619C1

RU2112619C1 - Method for securing tube in opening of tube plate of heat exchange apparatus (variants)

Info

Publication number: RU2112619C1
Application number: RU97103233A
Authority: RU
Inventors: Г.С. Филиппов; Г.К. Артемов; С.Г. Филиппов
Original assignee: Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: plastic metal working, particularly, manufacture of ship power plants. SUBSTANCE: method comprises steps of placing heat treated tube made of martensite steel with retained austenite in opening of tube plate of heat exchange apparatus; expanding tube in oil at temperature 225-230 C for 1-6 h. In variant tube is made of material usually used for manufacturing tubes of ship heat exchangers and only sleeve is made of martensite steel with retained austenite. Sleeve is placed in opening of tube wall and tube is inserted into it. Then expansion process is realized at heating sleeve and end portion of tube in oil at temperature 225-230 C for 1-6 h. EFFECT: enhanced reliability of tube mounting. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретения относятся к технологии судового машиностроения, а именно к технологии производства судовых энергетических установок. The invention relates to the technology of marine engineering, and in particular to the production technology of marine power plants.

Известны деформационные способы крепления труб в отверстиях трубной решетки теплообменников, включающие операции установки трубы в отверстие трубной решетки и развальцовку трубы в трубной решетке, причем перед проведением развальцовки проводят дополнительные операции: либо покрывают концы трубы материалом, коэффициент линейного расширения которого больше, чем коэффициент линейного расширения материала труб [1], либо размещают в трубе втулку из материала, коэффициент линейного расширения которого больше коэффициента линейного расширения материала трубы [2]. Known are deformational methods of fastening pipes in the holes of the tube sheet of heat exchangers, including the steps of installing the pipe in the hole of the tube sheet and flaring the pipe in the tube sheet, and before performing flaring, perform additional operations: either cover the ends of the pipe with a material whose linear expansion coefficient is greater than the linear expansion coefficient pipe material [1], or a sleeve of material is placed in the pipe whose linear expansion coefficient is greater than the linear expansion coefficient rhenium pipe material [2].

Использование материала, коэффициент линейного расширения которого больше, чем коэффициент линейного расширения материала труб, приводит к удорожанию способа, во-первых, из-за стоимости этого материала, во-вторых, требуется вести обработку при температурах в два раза выше, чем в заявляемом изобретении, что приводит к значительному расходу электроэнергии. Кроме того, необходимость удаления втулки после развальцовки ведет к усложнению технологичности способа. The use of a material whose linear expansion coefficient is greater than the linear expansion coefficient of the pipe material leads to an increase in the cost of the method, firstly, because of the cost of this material, and secondly, it is necessary to carry out processing at temperatures twice as high as in the claimed invention , which leads to significant energy consumption. In addition, the need to remove the sleeve after flaring leads to a complication of the manufacturability of the method.

Известен способ закрепления трубы в отверстии трубной решетки теплообменного аппарата, включающий операции установки трубы в отверстии трубной решетки и развальцовку с помощью объемно-расширяющейся оправки [3]. Данному способу также присущи недостатки вышеуказанных способов. A known method of fixing the pipe in the hole of the tube of the heat exchanger, including the installation of the pipe in the hole of the tube and flaring using a volume-expanding mandrel [3]. This method also has the disadvantages of the above methods.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ закрепления трубы в отверстии трубной решетки теплообменного аппарата путем пластической деформации концов трубы с помощью объемно-расширяемой оправки, устанавливаемой внутрь трубы, воздействия на оправку газовой средой и последующего ее удаления [4]. The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of securing the pipe in the hole of the tube of the heat exchanger by plastic deformation of the ends of the pipe using a space-expandable mandrel installed inside the pipe, exposing the mandrel to a gas medium and its subsequent removal [4] .

Однако в указанном способе развальцовку ведут с помощью объемно-расширяемой оправки, которую изготавливают из дорогостоящих металлов (ниобия, циркония), устанавливают ее внутрь трубы, а затем удаляют окислением оправки в воздушной среде при температуре 1000-1200^oC. Все это приводит к усложнению технологического процесса, что неминуемо увеличивает трудоемкость и себестоимость теплообменного аппарата. Кроме того, способ не обеспечивает достаточного качества соединения между трубой и трубной решеткой.However, in this method, the expansion is carried out using a volume-expandable mandrel, which is made of expensive metals (niobium, zirconium), set it inside the pipe, and then removed by oxidation of the mandrel in air at a temperature of 1000-1200 ^o C. All this leads to complication technological process, which inevitably increases the complexity and cost of the heat exchanger. In addition, the method does not provide sufficient quality of the connection between the pipe and the tube sheet.

Перед изобретением ставилась задача улучшить качество соединения между трубой и трубной решеткой за счет увеличения диаметра трубы в процессе развальцовки и повысить технологичность процесса. The invention was tasked with improving the quality of the connection between the pipe and the tube sheet by increasing the diameter of the pipe during the flaring process and increasing the processability.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе закрепления трубы в отверстии трубной решетки, включающем операции установки труб в отверстии трубной решетки и развальцовку с использованием объемно-расширяющегося свойства материала, особенностью является использование трубы, изготовленной из термообработанной стали мартенситного класса с остаточным аустенитом, а развальцовку производят путем нагрева концов трубы в масляной среде при температуре 225-230^oC в течение 1 - 6 ч.The problem is solved in that in the known method of fixing the pipe in the hole of the tube sheet, including the installation of pipes in the hole of the tube sheet and expansion using volume-expanding properties of the material, a feature is the use of a pipe made of heat-treated steel of martensitic class with residual austenite, and flaring is carried out by heating the ends of the pipe in an oil medium at a temperature of 225-230 ^o C for 1 to 6 hours

В целях экономии исходного материала для изготовления трубы предлагается другой вариант осуществления изобретения, а именно использование трубы не полностью изготовленной из термообработанной стали мартенситного класса с остаточным аустенитом, а только втулки из этой стали, а сама труба изготавливается из материалов, обычно используемых для изготовления труб судовых теплообменников. Втулку при этом устанавливают в отверстие трубной решетки, а затем в нее вставляют трубу. После этого развальцовку производят путем нагрева втулки и концов трубы в масляной среде при температуре 225-230^oC в течение 1 - 6 ч.In order to save raw material for the manufacture of pipes, another embodiment of the invention is proposed, namely the use of a pipe not completely made of heat-treated steel of martensitic class with residual austenite, but only bushings of this steel, and the pipe itself is made of materials commonly used for the manufacture of ship pipes heat exchangers. The sleeve is installed in the hole of the tube sheet, and then a pipe is inserted into it. After that, flaring is carried out by heating the sleeve and pipe ends in an oil medium at a temperature of 225-230 ^o C for 1 to 6 hours

Для реализации предлагаемых изобретений могут быть использованы стали мартенситного класса с содержанием остаточного аустенита 7-18% типа ХВГ, ШХ15, Р18, 18 ХГНИМА и другие. To implement the proposed inventions, martensitic class steels with a residual austenite content of 7-18% of the type HVG, ShH15, P18, 18 KHNIMA and others can be used.

Развальцовка конца трубы или втулки, изготовленных из стали мартенситного класса с остаточным аустенитом, в масляной среде при температуре 225-230^oC приводит к значительному снижению температуры процесса и является технологически рациональным и экономически эффективным. Осуществление способа при температуре ниже 225^oC не обеспечивает полного перехода остаточного аустенита, содержащегося в стали, в мартенсит с увеличенной кристаллической решеткой, а при температуре выше 230^oC идет разрушение решетки аустенита, что приводит к ухудшению прочности и герметичности соединения между трубой и трубной решеткой.Flaring of the end of a pipe or sleeve made of martensitic steel with residual austenite in an oil medium at a temperature of 225-230 ^o C leads to a significant reduction in the temperature of the process and is technologically rational and cost-effective. The implementation of the method at a temperature below 225 ^o C does not provide a complete transition of residual austenite contained in steel to martensite with an enlarged crystal lattice, and at a temperature above 230 ^o C the austenite lattice is destroyed, which leads to a deterioration in the strength and tightness of the connection between the pipe and pipe bars.

Развальцовку ведут в течение 1 - 6 ч в зависимости от диаметра трубы, используемой в трубной решетке. Экспериментально установлено, что 1 ч - это минимально необходимое время для перехода остаточного аустенита в мартенсит с увеличенной кристаллической решеткой, а при проведении процесса развальцовки более 6 ч не наблюдается изменения размеров диаметра трубы. Как правило, соединение труб с трубной решеткой удовлетворяет критериям герметичности и прочности, если приращение диаметра трубы в процессе развальцовки составляет больше 10 мкм. Flaring is carried out for 1 to 6 hours, depending on the diameter of the pipe used in the tube sheet. It was experimentally established that 1 h is the minimum necessary time for the transition of residual austenite to martensite with an enlarged crystal lattice, and during the expansion process for more than 6 h, there is no change in the diameter of the pipe. As a rule, the connection of pipes with the tube sheet meets the criteria of tightness and strength if the increment in the diameter of the pipe during flaring is more than 10 microns.

Проведенный заявителем анализ уровня техники и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемых изобретений, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемых изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемых способах, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art and the identification of sources containing information about analogues of the claimed inventions made it possible to establish that the applicant did not find a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed inventions. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the features of the analogue, allowed us to establish a set of significant distinctive features in relation to the applicant’s perceived technical result in the claimed methods set forth in the claims.

Следовательно, изобретение соответствует критерию "новизна". Therefore, the invention meets the criterion of "novelty."

Отличительные от прототипа признаки: использование труб или втулки из сталей мартенситного класса с остаточным содержанием аустенита и проведение процесса развальцовки в масляной среде при температуре 225-230^oC в течение 1 - 6 ч, не обнаружены в просмотренных заявителем источниках информации. Это позволяет сделать вывод о том, что изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".Distinctive features from the prototype: the use of pipes or sleeves made of martensitic steel with a residual austenite content and the flaring process in an oil medium at a temperature of 225-230 ^o C for 1-6 hours, were not found in the information sources reviewed by the applicant. This allows us to conclude that the invention meets the criterion of "inventive step".

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Для доказательства реализации указанного способа в части увеличения диаметра труб первоначально были проведены следующие модельные эксперименты. To prove the implementation of this method in terms of increasing the diameter of the pipes, the following model experiments were initially carried out.

Пример 1. Из стали ХВГ изготавливают десять стержней диаметром 12 мм, длиной 75 мм, которые после термообработки помещают в ванну с авиационным маслом МС-20, нагретую до температуры 225^oC, и выдерживают в ней в течение 6 ч. Затем охлаждают до комнатной температуры, извлекают стержни из ванны и измеряют диаметр. Приращение диаметра составило от 5,5 до 16,3 мкм.Example 1. Ten rods with a diameter of 12 mm and a length of 75 mm are made from HVG steel. After heat treatment, they are placed in a bath with aviation oil MS-20, heated to a temperature of 225 ^o C, and kept in it for 6 hours. Then it is cooled to room temperature. temperature, remove the rods from the bath and measure the diameter. The diameter increment ranged from 5.5 to 16.3 microns.

Примеры 2-9 выполняются аналогично примеру 1, только изменяются условия проведения способа. Условия проведения процесса и результаты представлены в таблице. Examples 2-9 are carried out analogously to example 1, only the conditions of the method. The process conditions and results are presented in the table.

Как видно из результатов, приведенных в таблице, наилучшими условиями проведения процесса развальцовки, которые обеспечивают приращение диаметра стержня больше 10 мкм, что должно обеспечить качественное соединение трубы или втулки и трубы с трубной решеткой, являются: проведение способа в масляной среде при температуре 225-230^oC в течение 1 - 6 ч (см. примеры 1 - 6, 9).As can be seen from the results given in the table, the best conditions for the flaring process, which provide an increase in the diameter of the rod more than 10 microns, which should ensure high-quality connection of the pipe or sleeve and pipe with the tube sheet, are: carrying out the method in an oil medium at a temperature of 225-230 ^o C for 1-6 hours (see examples 1-6, 9).

Пример 10. В отверстия трубной решетки диаметром 23 мм помещают термообработанные концы труб (из стали ХВГ), обточенные до размера внешнего диаметра трубы 23 мм, затем решетку с трубами помещают в ванну с авиационным маслом (МС-20) и производят нагрев при температуре 225^oC в течение 4 ч с последующим остыванием до комнатной температуры. Диаметр трубы увеличивается на 25 мкм, что и обеспечивает прочное закрепление трубы в отверстии трубной решетки.Example 10. In the holes of the tube sheet with a diameter of 23 mm, heat-treated pipe ends (made of HVG steel) are turned, turned to the size of the outer diameter of the pipe 23 mm, then the tube rack is placed in a bath with aviation oil (MS-20) and heated at a temperature of 225 ^o C for 4 hours, followed by cooling to room temperature. The diameter of the pipe increases by 25 microns, which ensures a strong fastening of the pipe in the hole of the tube sheet.

Пример 11. В отверстия трубной решетки диаметром 33 мм помещают втулку из стали ХВГ с внешним диаметром 33 мм и внутренним 23 мм, затем во втулку вставляют термообработанный конец трубы (труба изготовлена из стали 45) с диаметром 23 мм, затем решетку с втулкой и трубой помещают в ванну с авиационным маслом (МС-20) и производят нагрев при температуре 230^oC в течение 6 ч с последующим остыванием до комнатной температуры. В результате происходит увеличение наружного диаметра втулки и уменьшение внутреннего диаметра в пределах 20 - 30 мкм, что и обеспечивает прочное закрепление трубы в отверстии втулки и втулки в отверстии трубной решетки.Example 11. In the holes of the tube sheet with a diameter of 33 mm, a sleeve made of HVG steel with an external diameter of 33 mm and an inner 23 mm is placed, then a heat-treated end of the pipe (a pipe made of steel 45) with a diameter of 23 mm is inserted into the sleeve, then a wire with a sleeve and a pipe placed in a bath with aviation oil (MS-20) and produce heating at a temperature of 230 ^o C for 6 hours, followed by cooling to room temperature. As a result, there is an increase in the outer diameter of the sleeve and a decrease in the inner diameter in the range of 20 - 30 μm, which ensures strong fixing of the pipe in the hole of the sleeve and sleeve in the hole of the tube sheet.

Вышеописанные примеры доказывают, что заявляемые изобретения соответствуют критерию "промышленная применимость". The above examples prove that the claimed invention meets the criterion of "industrial applicability".

Предлагаемые способы закрепления трубы в отверстии трубной решетки обеспечивают качественное и прочное закрепление труб и при этом являются более технологичными и менее дорогостоящими по сравнению с известными. The proposed methods of securing the pipe in the hole of the tube sheet provide high-quality and durable fastening of the pipes and at the same time are more technologically advanced and less expensive compared to the known ones.

Claims

1. The method of fixing the pipe in the hole of the tube sheet of the heat exchanger, including installing the pipe in the hole of the tube sheet and expansion using volume-expanding properties of the material, characterized in that the pipe is made of steel of martensitic class with residual austenite, and the expansion is carried out by heating in oil medium at 225 - 230 ^o C for 1 to 6 hours

2. The method of fixing the pipe in the hole of the tube sheet of the heat exchanger, including installing the pipe in the hole of the tube sheet and expansion using volume-expanding properties of the material, characterized in that before installing the pipe in the hole of the tube sheet place a sleeve made of steel of martensitic class with residual austenite, and flaring is carried out by heating in an oil medium at 225 - 230 ^o C for 1 to 6 hours