RU2129056C1

RU2129056C1 - Method for fastening tubes in tube plates

Info

Publication number: RU2129056C1
Application number: RU97117333/02A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Батраев; С.И. Козий; Ю.Д. Иванников; Т.Б. Козий; Ф.В. Гречников
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.С.П.Королева; Открытое акционерное общество "Куйбышевнефтеоргсинтез"
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-04-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely fastening tubes in tube plates of heat exchange apparatuses. SUBSTANCE: method comprises steps of forming annular protrusions with trapezoidal and triangular cross sections on outer surface of end portions of tube; placing tube in tube plate opening having annular rectangular cross section grooves for matching trapezoidal protrusions of tube with said annular grooves; fixing tube against its possible motion and fastening it in tube plate at applying compression effort upon inner surface of tube; at process of fastening forming additional annular packings on contact surfaces of joined members in zone of triangular cross section protrusions of tube. Additional annular packings are formed at simultaneous engagement of all protrusions of tube with surface of opening in tube plate at condition of initial contact of triangular cross section protrusions or trapezoidal cross section protrusions. EFFECT: enhanced fluid tightness of joint without seaming tube ends. 4 cl, 6 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением, и в частности, к процессам зацепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. The invention relates to the processing of metals by pressure, and in particular, to the processes of pipe engagement in the tube sheets of heat exchangers using the effect of localized directional plastic deformation of the pipe material.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешней поверхности концов трубы формируют кольцевые выступы, устанавливают ее в решетку с отверстиями, имеющими кольцевые выемки прямоугольного поперечного сечения, обеспечивая совпадение выступов и выемок, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия со стороны внутренней поверхности трубы (см. а.с. N 265060, кл. B 21 D 39/06, 1968). There is a method of securing pipes in tube sheets, in which annular protrusions are formed on the outer surface of the pipe ends, install it in the grid with holes having annular recesses of rectangular cross-section, ensuring that the protrusions and recesses coincide, fix the pipe from possible axial movement with subsequent fixing in the grid by applying axial compressive force from the side of the inner surface of the pipe (see A.S. N 265060, class B 21 D 39/06, 1968).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести наличие на концах трубы кольцевых выступов прямоугольного поперечного сечения, что обуславливает их небольшие геометрические размеры и, как следствие, закрепление трубы в решетке осуществляют свободным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы, последнее не гарантирует требуемой герметичности вальцовочного соединения. The main disadvantage of the known method of securing pipes in tube sheets is the presence of annular projections of rectangular cross section at the pipe ends, which leads to their small geometric dimensions and, as a result, the pipe is secured in the grid by freely filling the volume of the annular grooves with the pipe material, the latter does not guarantee the required tightness of the rolling joint.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних концах трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в отверстие трубной решетки, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубной решетки, фиксируют трубу от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, например, механической вальцовкой (патент РФ на изобретение N 2078636, кл. B 21 D 39/06, Бюл. N 13 от 10.05.97) - прототип. There is also known a method of securing pipes in tube sheets, in which annular protrusions of a trapezoidal cross section are made at the outer ends of the pipe, a pipe is installed in the hole of the tube sheet having ring grooves of rectangular cross section, combining the ring protrusions on the pipe with ring grooves of the tube sheet, fix the pipe from possible movement with its subsequent fixing in the tube sheet by applying a compressive force to the inner surface of the pipe, for example, mechanical ltsovkoy (RF patent N 2078636, class B 21 D 39/06, Bulletin N 13 from 05.10.97..) - prototype.

Недостатком известного способа является неиспользование технологического резерва по повышению характеристик герметичности вальцовочного соединения, что, в конечном итоге, позволит полностью отказаться от применения сварки для ответственных теплообменных аппаратов. The disadvantage of this method is the non-use of the technological reserve to improve the tightness characteristics of the milling connection, which, ultimately, will completely abandon the use of welding for critical heat exchangers.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы формировал вальцовочные соединения с гарантированными повышенными характеристиками герметичности без применения обварки концов труб. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would form rolling joints with guaranteed improved tightness characteristics without the use of welding ends of pipes.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, при котором на внешних концах трубы выполняют кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, устанавливают трубу в отверстие трубной решетки, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубной решетки, фиксируют трубу от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, например, механической вальцовкой, отличающийся тем, что в процессе закрепления трубы в трубной решетке на контактной поверхности сопрягаемых элементов сборки формируют дополнительные кольцевые уплотнения, для чего при выполнении кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения формуют кольцевые выступы треугольного поперечного сечения; причем дополнительные кольцевые уплотнения формируют при условии одновременного контакта имеющихся на трубе выступов с поверхностью отверстия в трубной решетке; кроме того, дополнительные кольцевые уплотнения формируют при условии начального контакта выступов треугольного поперечного сечения с поверхностью отверстия трубной решетки; а также дополнительные кольцевые уплотнения формируют при условии начального контакта выступов трапециевидного поперечного сечения с поверхностью отверстия в трубной решетке. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, in which the annular protrusions of the trapezoidal cross section are made at the outer ends of the pipe, the pipe is installed in the hole of the tube sheet having ring grooves of rectangular cross section, combining the ring protrusions on the pipe with the ring grooves of the pipe lattice, fix the pipe from possible movement with its subsequent fixing in the tube sheet by applying compressive forces to the inner surface Pipes, for example, mechanical rolling, characterized in that in the process of fixing the tube in the tube sheet at the contact surface of the mating assembly elements form additional annular seal, which when the annular protrusions of trapezoidal cross-sectional shaped annular projections of triangular cross-section; moreover, additional ring seals are formed under the condition of simultaneous contact of the protrusions on the pipe with the surface of the hole in the tube sheet; in addition, additional ring seals are formed under the condition of initial contact of the protrusions of a triangular cross section with the surface of the hole of the tube sheet; and also additional ring seals are formed under the condition of initial contact of the protrusions of the trapezoidal cross section with the surface of the hole in the tube sheet.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет использовать технологический резерв по повышению характеристик герметичности вальцовочных соединений без использования операции обварки труб. Implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows you to use the technological reserve to improve the tightness characteristics of milling joints without using pipe welding.

Это объясняется тем, что выполненное по новой технологии вальцовочное соединение, обладающее повышенными прочностными характеристиками, будет иметь и повышенные характеристики герметичности, поскольку дополнительно формируются уплотнительные пояски. Следует подчеркнуть, что такое вальцовочное соединение практически не удорожает себестоимость изготовления теплообменного аппарата, что нельзя сказать в случае применения обварки труб. This is due to the fact that the rolling joint made according to the new technology, which has increased strength characteristics, will also have increased tightness characteristics, since sealing belts are additionally formed. It should be emphasized that such a rolling connection practically does not increase the cost of manufacturing a heat exchanger, which cannot be said in the case of using pipe welding.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное положение трубы и технологической оснастки перед формованием кольцевых выступов на внешней поверхности конца трубы; на фиг. 2 - стадия осевого сжатия части объема трубы с предварительным формованием кольцевых выступов; на фиг. 3 - стадия окончательного формования кольцевых выступов на трубе путем сдвига внешних слоев ее материала; на фиг. 4 - труба в трубной решетке перед выполнением операции развальцовки; на фиг. 5 - стадия развальцовки, когда имеет место одновременный контакт всех выступив на трубе с поверхностью отверстия в трубной решетке; на фиг. 6 - фрагмент сборки трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the initial position of the pipe and tooling before forming the annular protrusions on the outer surface of the pipe end; in FIG. 2 - the stage of axial compression of part of the volume of the pipe with the preliminary formation of annular protrusions; in FIG. 3 - the stage of final molding of the annular protrusions on the pipe by shifting the outer layers of its material; in FIG. 4 - pipe in the tube sheet before performing the flaring operation; in FIG. 5 - stage of flaring, when there is a simultaneous contact of all speaking on the pipe with the surface of the hole in the tube sheet; in FIG. 6 is a fragment of the assembly of a pipe with a tube sheet.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем. An embodiment of the invention is as follows.

В отверстие толстостенной обоймы 1, выполненной из закаленной стали, например, инструментальной стали марки У8А, устанавливают по легкопрессовой посадке две полуматрицы 2, выполненные также на закаленной стали. Контроль правильности установки полуматриц 2 в обойме 1 производят по моменту образования на внутренней поверхности полости кольцевых выемок трапециевидного и треугольного поперечного сечений. В полости полуматриц 2 с минимальным зазором размещают трубу 3, контролируя правильность выполнения операции по упиранию трубы 3 в торцовый бурт полуматриц 2. В отверстие трубы 3 с минимальным зазором вводят малой ступенью пуансон 4. Большая ступень пуансона 4, а именно ее кольцевая поверхность, является рабочей. Трубу 3 фиксируют приложением радиального давления "p₀" к внешней ее поверхности за пределами технологической оснастки (фиг. 1).In the hole of a thick-walled holder 1 made of hardened steel, for example, tool steel of the U8A grade, two half-matrices 2, also made on hardened steel, are installed by light-press fit. The correctness of the installation of the half-matrix 2 in the holder 1 is carried out at the time of formation on the inner surface of the cavity of the annular recesses of a trapezoidal and triangular cross-section. Pipe 3 is placed in the cavity of the half-matrix 2 with a minimum clearance, controlling the correctness of the operation of abutment of the pipe 3 into the end face of the half-matrix 2. A small step 4 is inserted into the hole of the pipe 3 with a minimum clearance 4. The large step of the punch 4, namely its annular surface, is working. The pipe 3 is fixed by applying a radial pressure "p ₀ " to its outer surface outside the technological equipment (Fig. 1).

Перед формированием кольцевых выступов на внешней поверхности трубы 3 на контактируемые ее поверхности и технологической оснастки наносят смазку, например машинное масло. Before the formation of the annular protrusions on the outer surface of the pipe 3 on the contacting surface and technological equipment is applied lubricant, such as machine oil.

При воздействии усилием "P" на торец большой ступени пуансона 4 вызывают его внедрение в кольцевую поверхность торца трубы 3 (фиг. 2). В один из моментов под торцем пуансона 4 возникают напряжения по уровню, превосходящие предел текучести материала трубы 3. В результате пластического течения обрабатываемого материала первоначально имеет место калибровка (давлением "p") внутреннего диаметра трубы 3 до диаметра малой ступени пуансона 4. На этой стадии толщина стенки трубы 3 несколько возрастает. Дальнейшее перемещение пуансона 4 приводит к распространению пластической деформации материала трубы 3 в осевом направлении. В силу преобладающего линейного размера трубы 3 наблюдается процесс выдавливания ее материала в радиальном направлении. Наличие свободных кольцевых объемов выемок в полости, образованной полуматрицами 2, в данном случае объясняет частичное их заполнение материалом трубы 3. Таким образом, осуществляют предварительное формование кольцевых выступов, имеющих трапециевидные и треугольные поперечные сечения, на трубе 3. When exposed to the force "P" on the end face of a large step of the punch 4 cause its introduction into the annular surface of the end of the pipe 3 (Fig. 2). At one point under the end of the punch 4, stresses arise in excess of the yield strength of the material of the pipe 3. As a result of the plastic flow of the material being processed, calibration (pressure "p") of the inner diameter of the pipe 3 to the diameter of the small step of the punch 4 initially occurs. At this stage the wall thickness of the pipe 3 increases slightly. Further movement of the punch 4 leads to the propagation of plastic deformation of the material of the pipe 3 in the axial direction. Due to the prevailing linear size of the pipe 3, a process of extruding its material in the radial direction is observed. The presence of free annular volumes of the recesses in the cavity formed by the half-matrices 2, in this case, explains their partial filling with the material of the pipe 3. Thus, preliminary molding of the annular protrusions having trapezoidal and triangular cross sections on the pipe 3 is carried out.

Затем переходят к окончательному формованию кольцевых выступов на внешней поверхности трубы 3. С этой целью, прикладывая осевое усилие сжатия " P₁ " к оставшейся недеформированной кольцевой поверхности торца трубы 3, реализуют процесс выдавливания обрабатываемого материала в радиальном направлении (давление "p₁") с продолжающимся заполнением объемов кольцевых выемок но с одновременным сдвигом выдавливаемого материала относительно внешней поверхности трубы 3 (фиг. 3). После разборки технологической оснастки производят контроль геометрических размеров кольцевых выступов с помощью шаблона. Вышеописанные действия производят и на втором конце трубы 3.Then proceed to the final molding of the annular protrusions on the outer surface of the pipe 3. To this end, applying the axial compression force "P ₁ " to the remaining undeformed annular surface of the pipe end 3, the process of extruding the processed material in the radial direction (pressure "p ₁ ") continuous filling of the volumes of the annular recesses but with a simultaneous shift of the extruded material relative to the outer surface of the pipe 3 (Fig. 3). After disassembling the technological equipment, the geometric dimensions of the annular protrusions are checked using a template. The above actions are performed at the second end of the pipe 3.

Возможны три варианта соотношений высот кольцевых выступов на внешней поверхности трубы 3: высота выступа с треугольным поперечным сечением равна высоте выступа с трапециевидным поперечным сечением, высота выступа с треугольным поперечным сечением составляет половину высоты выступа с трапециевидным поперечным сечением; высота выступа с треугольным поперечным сечением меньше половины высоты выступа с трапециевидным поперечным сечением. На фиг. 3 показан случай, когда высота выступа с треугольным поперечным сечением равна половине высоты выступа с трапециевидным поперечным сечением. Такая разновидность в соотношениях высот кольцевых выступов диктуется требованиями по уровню давлений на контактной поверхности по местоположению дополнительных кольцевых уплотнений. There are three possible ratios of the heights of the annular protrusions on the outer surface of the pipe 3: the height of the protrusion with a triangular cross-section is equal to the height of the protrusion with a trapezoidal cross-section, the height of the protrusion with a triangular cross-section is half the height of the protrusion with a trapezoidal cross-section; the height of the protrusion with a triangular cross section is less than half the height of the protrusion with a trapezoidal cross section. In FIG. Figure 3 shows the case where the height of the protrusion with a triangular cross section is equal to half the height of the protrusion with a trapezoidal cross section. Such a variation in the ratio of the heights of the annular protrusions is dictated by the requirements for the level of pressure on the contact surface at the location of the additional O-rings.

Далее трубу 3 устанавливают в трубную решетку 5, имеющую по кромкам кольцевых канавок углубления треугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения на трубе 3 с кольцевыми канавками трубной решетки 5. Next, the pipe 3 is installed in the tube sheet 5, having along the edges of the annular grooves recesses of a triangular cross section, combining the annular protrusions of the trapezoidal cross section on the tube 3 with the ring grooves of the tube sheet 5.

Прикладывая сжимающее усилие на внутреннюю поверхность трубы 5, например, посредством механической вальцовки (фиг. 4), вызывают раздачу трубы 3. Реализуется операция привальцовки, в один из моментов которой все имеющиеся на внешней поверхности трубы 3 кольцевые выступы коснутся поверхности отверстия трубной решетки 5. Дальнейшая привальцовка приводит к заполнению материалом трубы 3 объемов кольцевых канавок трубной решетки 5 и одновременному формированию дополнительных кольцевых уплотнений в процессе пластического деформирования материала трубы 3 по местоположению выступов с треугольным поперечным сечением (фиг. 6). Applying a compressive force to the inner surface of the pipe 5, for example, by means of mechanical rolling (Fig. 4), the pipe 3 is dispensed. A rolling operation is carried out, at one moment of which all the annular protrusions on the outer surface of the pipe 3 touch the surface of the opening of the tube sheet 5. Further rolling leads to the filling of the pipe material with 3 volumes of the annular grooves of the tube sheet 5 and the simultaneous formation of additional ring seals in the process of plastic deformation of the mater ala tube 3 by location of the projections with a triangular cross section (FIG. 6).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при изготовлении стальных (сталь 20 ) труб с профилированными внешними законцовками. Исходные геометрические размеры трубы составляли: диаметр - 25 мм, толщину стенки - 2,5 мм. Технологическая оснастка изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. Трапециевидные кольцевые выемки выполняли следующих геометрических размеров: длина малого основания - 2 мм; длина большого основания - 4 мм; глубина - 0,5 мм. Треугольные кольцевые выемки имели: высоту - 0,25 мм, основание - 2 мм. A pilot test of the developed method took place in the manufacture of steel (steel 20) pipes with profiled external ends. The initial geometric dimensions of the pipe were: diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm. The tooling was made of U8A tool steel with a hardness of HRC after hardening of at least 56 units and with precision of executive dimensions according to the 7th grade. The trapezoidal annular grooves were made in the following geometric dimensions: the length of the small base was 2 mm; the length of the large base is 4 mm; depth - 0.5 mm. Triangular annular recesses had: height - 0.25 mm, base - 2 mm.

Ступенчатый пуансон имел геометрические размеры: диаметр малой ступени - 19,8 мм, ее длину - 40 мм, диаметр большой ступени - 22,5 мм
Фиксирование трубы осуществляли ее опиранием на стол пресса модели ПСУ - 250.The stepped punch had geometric dimensions: the diameter of the small step is 19.8 mm, its length is 40 mm, the diameter of the large step is 22.5 mm
The pipe was fixed by resting it on the press table of the PSU - 250 model.

Деформирующее трубу усилие на первой стадии не превышало 25 Кн, а на второй стадии его величина составляла 20 Кн. The force deforming the pipe in the first stage did not exceed 25 KN, and in the second stage its value was 20 KN.

Контроль внешнего и внутреннего качества труб с профилированными законцовками с привлечением средств металлографии выявил их 100% пригодность требованиям производства. The control of the external and internal quality of pipes with profiled ends with the use of metallographic means revealed their 100% suitability for production requirements.

Закрепление труб в трубных решетках из стали 16ГС вальцовками отечественного производства подтвердило полное соответствие новой технологии задачам ремонтного производства. The fastening of pipes in tube sheets made of 16GS steel by rolling of domestic production confirmed the full compliance of the new technology with the tasks of the repair production.

Изобретение применимо для ремонтных работ на теплообменных аппаратах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. The invention is applicable for repair work on heat exchangers of oil refining, petrochemical, gas and other industries.

Claims

1. A method of fixing pipes in tube sheets, in which annular protrusions of a trapezoidal cross section are made at the outer ends of the pipe, the pipe is installed in the hole of the tube sheet having ring grooves of rectangular cross section, combining the ring protrusions on the pipe with ring grooves of the pipe grid, fix the pipe from possible movement with its subsequent fixing in the tube sheet by applying a compressive force to the inner surface of the pipe, for example, by mechanical rolling, exl characterized in that in the process of fixing the pipe in the tube sheet on the contact surface of the mating assembly elements, additional annular seals are formed, for which, when performing annular protrusions of a trapezoidal cross section, annular protrusions of a triangular cross section are formed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the additional ring seals are formed under the condition of simultaneous contact of the protrusions on the pipe with the surface of the hole in the tube sheet.

3. The method according to claim 1, characterized in that the additional annular seals are formed under the condition of initial contact of the protrusions of a triangular cross section with the surface of the hole of the tube sheet.

4. The method according to claim 1, characterized in that the additional annular seals are formed under the condition of initial contact of the protrusions of the trapezoidal cross section with the surface of the hole in the tube sheet.