RU2156669C2

RU2156669C2 - Method for fastening tubes in tube plates

Info

Publication number: RU2156669C2
Application number: RU98112308/02A
Authority: RU
Inventors: Т.Б. Козий; С.И. Козий; Г.А. Батраев; Ф.В. Гречников
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева; ООО "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2000-09-27

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely processes for fastening tubes in tube plates of heat exchanging apparatuses with use of effect of local directed plastic deformation of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of making annular protrusions with trapezoidal cross section on outer surfaces of upper end portions of tube; placing tube in opening of tube plate having annular grooves with rectangular cross section; aligning annular protrusions of tubes and annular grooves of openings; fixing tube against motion and then securing tube to tube plate by applying compression effort to inner surface of tube. Annular protrusions with trapezoidal cross section are formed in conditions of axial thrust at making additional annular protrusions due to compressing tube by thickness at applying increased effort to outer surface of tube outside formed annular protrusions. Parameters of tube joints are increased in average by (50-70)% due to formation of additional annular protrusions. EFFECT: enhanced properties of joints of tube with tube plate. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и, в частности, к процессам закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с использованием эффекта локализованного направленного пластического деформирования материала трубы. The invention relates to the field of metal forming and, in particular, to processes for securing pipes in tube sheets of heat exchangers using the effect of localized directed plastic deformation of 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 ее закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия на внутреннюю поверхность торца трубы (см. а. с. N 265060, МПК B 21 D 39/06, 1968 г.). 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 lattice with holes having annular recesses of rectangular cross section, ensuring that the protrusions and recesses coincide, fix the pipe from possible axial movement with its subsequent fixing in the lattice by applying axial compressive force to the inner surface of the pipe end (see A. p. N 265060, IPC 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 fixing 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 fixed in the grid by freely filling the volume of the annular grooves with the pipe material, the latter does not guarantee the required tightness milling connection.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий выполнение на внешних поверхностях концов трубы кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения, установку трубы в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы (см. патент РФ на изобретение N 2078636, МПК 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, including performing on the outer surfaces of the pipe ends ring-shaped protrusions of a trapezoidal cross section, installing the pipe in a pipe hole having ring grooves of rectangular cross-section, combining the ring protrusions on the pipe with ring grooves of the pipe hole, fixing the pipe from a possible movement with its subsequent fixing in the tube sheet by applying compressive forces to the inner surface of the pipe (see RF patent for retention N 2078636, IPC B 21 D 39/06, Bull. N 13 from 05/10/97) - prototype.

Недостатком известного способа является возможность пластического течения материала трубы в осевом направлении, что не приводит в отдельных случаях к качественному формированию внутреннего (считая от лицевой поверхности трубной решетки) кольцевого выступа на трубе. Последнее требует использования труб с повышенными припусками по длине, что в свою очередь обуславливает появление дополнительной операции по удалению излишков материала после формообразования кольцевых выступов на внешней поверхности трубы. The disadvantage of this method is the possibility of plastic flow of the pipe material in the axial direction, which in some cases does not lead to high-quality formation of the inner (counting from the front surface of the tube sheet) annular protrusion on the pipe. The latter requires the use of pipes with increased allowances in length, which in turn leads to the appearance of an additional operation to remove excess material after the formation of annular protrusions on the outer surface of the pipe.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы предотвращал свободное пластическое течение материала трубы в осевом ее направлении при формировании внешних кольцевых выступов. Последнее обеспечит качественное исполнение внутреннего кольцевого выступа, а также снизит себестоимость трубы с профилированными законцовками за счет устранения операции торцовки ее концов. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would prevent the free plastic flow of pipe material in its axial direction when forming the outer annular protrusions. The latter will ensure high-quality performance of the inner annular protrusion, and also reduce the cost of the pipe with profiled endings by eliminating the trimming operation of its ends.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем выполнение на внешних поверхностях концов трубы кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения, установку трубы в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, совмещая кольцевые выступы на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения с последующим ее закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, согласно изобретению, формирование кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения выполняют в условиях осевого подпора посредством образования дополнительных кольцевых выступов при сжатии трубы по толщине возрастающим по величине усилием, прикладываемым к ее внешней поверхности за пределами формируемых кольцевых выступов. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing pipes in the tube sheets, including the execution on the outer surfaces of the pipe ends of the annular protrusions of a trapezoidal cross section, installing the pipe in a pipe hole having annular grooves of rectangular cross section, combining the annular protrusions on the pipe with the annular grooves of the pipe hole , fixing the pipe from possible movement with its subsequent fixing in the tube sheet by applying a compressive force to the inner surface st tube according to the invention, the formation of the annular protrusions of trapezoidal cross-section operate under axial backing by forming additional annular projections upon compression of the pipe by increasing the thickness of the largest force applied to its outer surface outside the annular projections formed.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать трубы с профилированными законцовками для ремонта трубных пучков с качественным формированием внутреннего кольцевого выступа, что устраняет операцию торцовки концов трубы и как следствие снижает ее себестоимость. Implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows you to get pipes with profiled tips for repairing tube bundles with high-quality formation of the inner annular protrusion, which eliminates the trimming of the ends of the pipe and as a result reduces its cost.

Это объясняется тем, что формирование кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения в технологической оснастке осуществляют в условиях подпора, создаваемого на внешней поверхности трубы за пределами формообразуемых кольцевых выступов. Тем самым предотвращают возможное пластическое течение материала трубы в осевом направлении. Последнее обуславливает как качественное воспроизведение форм кольцевых выступов, так и не требует выполнения финишной операции на торцах трубы. This is due to the fact that the formation of annular protrusions of a trapezoidal cross-section in technological equipment is carried out under conditions of backwater created on the outer surface of the pipe outside the shaped ring protrusions. This prevents the possible plastic flow of the pipe material in the axial direction. The latter determines both the high-quality reproduction of the forms of the annular protrusions, and does not require a finishing operation at the ends of the pipe.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное положение технологической оснастки и теплообменной труби перед выполнением операции формирования кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения; на фиг. 2 - стадия частичного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок (основных и дополнительных) при наличии осевого подпора; на фиг. 3 - стадия окончательного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок технологической оснастки при наличии осевого подпора; на фиг. 4 - исходное положение трубы и трубной решетки перед выполнением операции закрепления; на фиг. 5 - фрагмент сборки трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the initial position of the tooling and heat transfer tube before performing the operation of forming the annular protrusions of the trapezoidal cross section; in FIG. 2 - the stage of partial filling with the pipe material of the volumes of the annular grooves (main and additional) in the presence of axial support; in FIG. 3 - the stage of the final filling by the pipe material of the volumes of the annular grooves of the technological equipment in the presence of axial support; in FIG. 4 - the initial position of the pipe and tube sheet before performing the fastening operation; in FIG. 5 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.

Теплообменную трубу 1 устанавливают в обойму 2, состоящую из двух половин, с выступанием конца трубы над рабочей поверхностью обоймы. На выступающем конце трубы устанавливают матрицу 3, состоящую из двух половин и сочленяемых в вертикальной плоскости разъема. Полость матрицы содержит кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения. The heat exchange pipe 1 is installed in a holder 2, consisting of two halves, with the protrusion of the end of the pipe above the working surface of the holder. At the protruding end of the pipe, a matrix 3 is installed, consisting of two halves and articulated in the vertical plane of the connector. The cavity of the matrix contains annular grooves of a trapezoidal cross section.

Гравюра матрицы имеет следующие геометрические размеры: Д - диаметр цилиндрического участка, Д₁ - максимальный диаметр кольцевых канавок трапециевидного поперечного сечения. Геометрические размеры кольцевых канавок: а - малое основание трапеции, б - большое основание трапеции, высота трапеции определяется глубиной (0,5 мм) кольцевой канавки в отверстии трубной решетки.The engraving of the matrix has the following geometric dimensions: D is the diameter of the cylindrical section, D ₁ is the maximum diameter of the annular grooves of the trapezoidal cross section. The geometric dimensions of the annular grooves: a - the small base of the trapezoid, b - the large base of the trapezoid, the height of the trapezoid is determined by the depth (0.5 mm) of the annular groove in the hole of the tube sheet.

Опорная поверхность матрицы 3 является конической с углом конусности α и располагается на ответной конической поверхности разъемной по образующей матрицы 4. Последняя содержит на цилиндрической контактной поверхности с трубой 1 рельеф в виде, например, двух дополнительных кольцевых канавок, имеющих полукруглое поперечное сечение. The supporting surface of the matrix 3 is conical with a taper angle α and is located on the mating conical surface detachable along the generatrix of the matrix 4. The latter contains on the cylindrical contact surface with the pipe 1 a relief in the form, for example, of two additional annular grooves having a semicircular cross section.

Далее матрицу 3 фиксируют в обойме 5. В отверстие трубы 1 с минимальным зазором устанавливают малую ступень пуансона 6. Большая же его ступень выполнена с минимальным зазором по отношению к наименьшему диаметру отверстия в матрице 3. Next, the matrix 3 is fixed in the holder 5. In the hole of the pipe 1 with a minimum clearance set a small step of the punch 6. Its large step is made with a minimum clearance in relation to the smallest diameter of the hole in the matrix 3.

Отметим, что внешняя поверхность конца трубы 1 предварительно зачищается до металлического блеска и на нее наносится смазка, например машинное масло (фиг. 1). Note that the outer surface of the end of the pipe 1 is pre-cleaned to a metallic luster and grease is applied to it, for example machine oil (Fig. 1).

Затем прикладывают осевое усилие P к внутренней поверхности торца трубы 1 большой ступенью пуансона 6 (фиг. 2). Возникающие под кольцевой поверхностью торца пуансона 6 давление "p" превышает предел текучести материала трубы 1 и вызывает его течение в осевом направлении (в направлении прикладываемого усилия). Пластическое течение материала трубы 1 обеспечивает калибровку (радиальное давление показано стрелками) ее внутреннего отверстия и дополнительное утолщение стенки. Формируется поверхность сдвига (показана пунктирной линией), что обеспечивает частичное заполнение материалом трубы 1 свободных объемов кольцевых канавок с трапециевидным поперечным сечением в полости технологической оснастки (фиг. 2). Отметим, что заполнение кольцевых канавок технологической оснастки сопровождается передачей осевого усилия от матрицы 3 на матрицу 4, вызывая перемещение половинок последней в радиальном направлении (в направлении оси трубы). Следствием этого перемещения являются создаваемые сжимающие напряжения в материале трубы 1 по ее толщине. В результате кольцевые канавки матрицы 4 также частично заполняются материалом трубы. Then apply the axial force P to the inner surface of the pipe end 1 with a large step of the punch 6 (Fig. 2). The pressure "p" arising under the annular surface of the end face of the punch 6 exceeds the yield strength of the material of the pipe 1 and causes its flow in the axial direction (in the direction of the applied force). The plastic flow of the material of the pipe 1 provides calibration (radial pressure is shown by arrows) of its inner hole and an additional thickening of the wall. A shear surface is formed (shown by a dashed line), which ensures partial filling of the free volume of the annular grooves with a trapezoidal cross-section in the cavity of the technological equipment by the pipe material 1 (Fig. 2). Note that the filling of the annular grooves of the tooling is accompanied by the transfer of axial force from the matrix 3 to the matrix 4, causing the halves of the latter to move in the radial direction (in the direction of the pipe axis). The consequence of this movement is the created compressive stresses in the material of the pipe 1 by its thickness. As a result, the annular grooves of the matrix 4 are also partially filled with pipe material.

Таким образом, в поверхностных слоях трубы 1 вне длины, где формируются кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения, создаются условия, вызывающие сопротивление течению материала трубы 1 в осевом направлении, то есть создается осевой подпор. Thus, in the surface layers of the pipe 1 outside the length where the annular protrusions of the trapezoidal cross section are formed, conditions are created that cause resistance to the flow of the material of the pipe 1 in the axial direction, that is, axial support is created.

Дальнейшее возрастающее осевое усилие P приводит к окончательному формообразованию качественных по геометрическим размерам кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения и дополнительных кольцевых выступов полукруглого поперечного сечения (фиг. 3). A further increasing axial force P leads to the final shaping of the geometric-quality ring projections of the trapezoidal cross section and additional annular projections of the semicircular cross section (Fig. 3).

Завершает процесс формирования кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения на внешней поверхности трубы 1 стадия их калибровки, когда в замкнутом объеме перемещение пуансона 6 приводит к выдавливанию материала трубы 1, образуя на трубе со стороны ее торца кольцевое углубление. The process of forming annular protrusions of a trapezoidal cross section on the outer surface of the pipe 1 completes the stage of calibration when the movement of the punch 6 in an enclosed volume leads to extrusion of the material of the pipe 1, forming an annular recess on the pipe from the side of its end.

Разобрав технологическую оснастку, описанные выше действия производят на втором конце трубы 1, располагая кольцевые выступы по концам на расстоянии, определяемым расчетом для заданной длины трубного пучка. Having disassembled the tooling, the steps described above are performed at the second end of the pipe 1, placing the annular protrusions at the ends at a distance determined by calculation for a given length of the tube bundle.

Затем приступают к закреплению трубы 1 в отверстии трубной решетки 7, для чего осуществляют установку профилированного конца трубы 1 в отверстие трубной решетки 7, совмещая кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения на трубе 1 с кольцевыми канавками трубного отверстия. В отверстие трубы 1 вводят механическую вальцовку, содержащую три ролика 8 (условно показан только один из них). Следует подчеркнуть, что длина роликов 8, определяющая длину вальцовочного пояска, не меньше длины отрезка трубы 1 от его торца до последнего внутреннего дополнительного кольцевого выступа (фиг. 4). Then proceed to fixing the pipe 1 in the hole of the tube sheet 7, for which they install the profiled end of the pipe 1 in the hole of the tube sheet 7, combining the annular protrusions of the trapezoidal cross section on the pipe 1 with the ring grooves of the pipe hole. A mechanical rolling mill comprising three rollers 8 is introduced into the opening of the pipe 1 (only one of them is conventionally shown). It should be emphasized that the length of the rollers 8, which determines the length of the rolling belt, is not less than the length of the pipe segment 1 from its end to the last internal additional annular protrusion (Fig. 4).

Сообщая вращательное движение роликам 8 вальцовки с одновременным их перемещением в радиальном направлении, вызывают пластическую деформацию материала трубы 1. Реализуется стадия свободного введения кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения трубы 1 в кольцевые канавки трубного отверстия, в один из моментов которой кольцевые выступы на трубе 1 достигнут кромок кольцевых канавок прямоугольного поперечного сечения отверстия трубной решетки 7. Дальнейшее формообразование трубы 1 в радиальном направлении сопровождается локальной пластической деформацией ее материала, находящегося в кольцевых выступах. Таким образом, формируются кольцевые уплотнительные пояски по месту контакта выступов трубы 1 с поверхностью отверстия трубной решетки 7 (фиг. 5). Informing the rotational movement of the rolling rollers 8 with their simultaneous radial movement, plastic deformation of the pipe material 1 is caused. The stage of free introduction of the annular protrusions of the trapezoidal cross section of the pipe 1 into the annular grooves of the pipe hole is realized, at one point of which the annular protrusions on the pipe 1 reach the edges annular grooves of rectangular cross-section of the hole of the tube sheet 7. Further shaping of the pipe 1 in the radial direction is accompanied by a lock plastic deformation of its material located in the annular protrusions. Thus, annular sealing belts are formed at the place of contact of the protrusions of the pipe 1 with the surface of the hole of the tube sheet 7 (Fig. 5).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в трубных решетках из стали Ст 3. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Высота кольцевых выступов равнялась 0,5 мм, их большое основание - 4,0 мм, малое основание - 2,0 мм. Расстояние между выступами - 10,5 мм. A pilot test of the developed method was carried out when fixing steel (steel 20) pipes with profiled external tips in the tube sheets made of steel St 3. The initial geometric dimensions of the pipe were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm. The height of the annular protrusions was 0.5 mm, their large base was 4.0 mm, and the small base was 2.0 mm. The distance between the protrusions is 10.5 mm.

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 канавки в матрице технологической оснастки выполняли со следующими геометрическими размерами: малым основанием - 2 мм; большим основанием - 4 мм; глубиной - 0,5 мм. 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. Trapezoidal annular grooves in the tooling matrix were made with the following geometric dimensions: small base - 2 mm; large base - 4 mm; depth - 0.5 mm.

Угол конусности опорной поверхности матрицы составлял 60 градусов. The taper angle of the supporting surface of the matrix was 60 degrees.

Формирование кольцевых выступов на трубе проводилось на специальной гидравлической машине при усилиях, не превышающих 5 МН, что обеспечивало полное воспроизведение требуемых геометрических размеров кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения. The formation of annular protrusions on the pipe was carried out on a special hydraulic machine with forces not exceeding 5 MN, which ensured full reproduction of the required geometric dimensions of the annular protrusions of the trapezoidal cross section.

Диаметр же дополнительных кольцевых выступов составлял 3 мм. The diameter of the additional annular protrusions was 3 mm.

Закрепление труб в трубных решетках производилось вальцовками отечественного производства. Fastening of pipes in tube sheets was carried out by rolling of domestic production.

Установлено, что операция формирования кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения посредством приложения сжимающего усилия к внутренней поверхности торца трубы позволяет воспроизводить кольцевые выступы требуемых геометрических размеров и достигать повышенных характеристик прочности и плотности соединений в среднем на 50-70% за счет применения дополнительных кольцевых выступов в том числе. It has been established that the operation of forming annular protrusions of a trapezoidal cross-section by applying a compressive force to the inner surface of the pipe end allows reproducing annular protrusions of the required geometric dimensions and achieve increased strength and density characteristics of joints by an average of 50-70% due to the use of additional annular protrusions including .

Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности. The invention is applicable in the manufacture of tube bundles of heat exchangers for oil refining, petrochemical, gas and other industries.

Claims

A method of securing pipes in tube sheets, including making trapezoidal cross-section annular protrusions on the outer surfaces of the pipe ends, installing the pipe in a pipe hole having ring grooves of rectangular cross-section, aligning the ring protrusions on the pipe with ring grooves of the pipe hole, fixing the pipe from possible movement with its subsequent fixing in the tube sheet by applying compressive forces to the inner surface of the pipe, characterized in that ue annular projections trapezoidal cross section operate under axial backing by forming additional annular projections upon compression of the pipe by increasing the thickness of the largest force applied to its outer surface outside the annular projections formed.