RU2157288C2

RU2157288C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2157288C2
Application number: RU97109088/02A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Батраев; С.И. Козий; Л.А. Резник; С.С. Козий
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.С.П.Королева; Акционерное общество "Куйбышевнефтеоргсинтез"
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2000-10-10

Abstract

FIELD: plastic metal working, possibly restoration and manufacture of heat exchanging apparatuses. SUBSTANCE: method comprises steps of using standard-length tube, placing tube plates mutually spaced by distance less than selected length of tube; after securing tube to first tube plates, in order to place reciprocal end of tube in second tube plate, applying to tube axial effort causing only its elastic deformation, then fixing tube in second tube plate whose roll bent joint also is loaded by axial effort. In the result tube plates are fixed against motion. EFFECT: possibility for determining strength parameters of roll bent joints directly at securing tube in each tube plate. 4 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением и, в частности, к процессам закрепления труб в трубных решетках. The invention relates to the processing of metals by pressure and, in particular, to the processes of fastening pipes in tube sheets.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором трубу устанавливают в отверстие трубной решетки, имеющее кольцевую канавку, фиксируют трубу от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в решетке путем приложения осевого сжимающего усилия к торцу трубы (авторское свидетельство N 277712, МПК B 21 D 39/06, Бюл. N 25, от 05.08.70 г.). A known method of securing pipes in pipe lattices, in which the pipe is installed in the hole of the pipe lattice having an annular groove, the pipe is fixed from possible axial movement with subsequent fixing in the lattice by applying axial compressive force to the pipe end (copyright certificate N 277712, IPC B 21 D 39/06, Bull. N 25, dated 05.08.70).

К недостаткам известного способа следует отнести:
1. Пониженные характеристики прочности и плотности вальцовочных соединений из-за наличия только одной кольцевой канавки, а также неравномерности радиальной деформации трубы. Последняя существенно сказывается на заполнении кольцевых канавок отверстий в решетках ремонтного варианта, когда исходный односторонний зазор между трубой и стенками отверстия в трубной решетке может достигать величины в 0,7 мм.The disadvantages of this method include:
1. Reduced characteristics of strength and density of rolling joints due to the presence of only one annular groove, as well as uneven radial deformation of the pipe. The latter significantly affects the filling of the annular grooves of the holes in the grids of the repair option, when the initial one-sided gap between the pipe and the walls of the holes in the tube sheet can reach a value of 0.7 mm.

2. Большие радиальные давления на стенки отверстия в трубной решетке, что вызывает ее деформацию за пределом упругости. При этом с увеличением исходного одностороннего зазора между трубой и стенками отверстия трубной решетки наблюдается увеличение потребного для деформации трубы радиального давления и, как следствие, интенсивное коробление трубной решетки. 2. Large radial pressure on the walls of the holes in the tube sheet, which causes its deformation beyond the elastic limit. At the same time, with an increase in the initial one-sided gap between the pipe and the walls of the hole of the tube sheet, an increase in the radial pressure required for deformation of the tube is observed and, as a result, intense warping of the tube sheet.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов, включающий размещение трубных решеток, имеющих отверстия с кольцевыми канавками, в вертикальном положении с обеспечением параллельности их лицевых поверхностей, набивание трубного пучка, фиксирование каждой из труб от возможного перемещения с ее последующим закреплением в каждой из трубных решеток (см. Черняк Я. С. и др. Ремонт оборудования нефтеперерабатывающих заводов, М., Гостоптехиздат, 1960, 384 с.) - прототип. There is also known a method of securing pipes in the tube sheets of heat exchangers, including placing the tube sheets having holes with annular grooves in a vertical position to ensure the parallelism of their front surfaces, stuffing the tube bundle, fixing each of the pipes from possible movement with its subsequent fixing in each of tube sheets (see Chernyak Ya. S. et al. Repair of equipment at oil refineries, M., Gostoptekhizdat, 1960, 384 pp.) - prototype.

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести тот факт, что прочностные характеристики вальцовочных соединений определяются косвенным путем посредством расчета, используя замеры и находя численные значения степени развальцовки. The main disadvantage of the known method of securing pipes in tube sheets is the fact that the strength characteristics of milling joints are determined indirectly by calculation, using measurements and finding numerical values of the degree of expansion.

Однако для трубных решеток ремонтного варианта установление корреляционной зависимости между степенью развальцовки и характеристиками прочности вальцовочных соединений не представляется возможным. Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках на стадии ремонта трубного пучка, который бы позволял установить прочностные характеристики вальцовочных соединений непосредственно на стадиях закрепления трубы в каждой из трубных решеток теплообменного аппарата. However, for tube sheets of the repair option, the establishment of a correlation between the degree of expansion and the strength characteristics of the rolling joints is not possible. The objective of the invention is to develop such a method of fixing pipes in tube sheets at the stage of repair of the tube bundle, which would allow you to set the strength characteristics of the rolling joints directly at the stages of fixing the pipe in each of the tube sheets of the heat exchanger.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов, включающем размещение трубных решеток, имеющих отверстия с кольцевыми канавками, в вертикальном положении с обеспечением параллельности их лицевых поверхностей, набивание трубного пучка, фиксирование каждой из труб от возможного перемещения с ее последующим закреплением в каждой из трубных решеток, согласно изобретению на концах каждой из труб выполняют по два кольцевых выступа, внешние диаметры которых на одном конце меньше, а на другом - больше диаметра отверстия трубной решетки, при размещении трубных решеток их устанавливают одну от другой на расстоянии, меньшем длины трубы, первоначально закрепляют трубу в первой трубной решетке концом, кольцевые выступы которого имеют меньший диаметр, далее нагружают трубу осевым усилием и ее фиксирование во второй трубной решетке достигают расположением кольцевых выступов, имеющих большой внешний диаметр, напротив кольцевых канавок отверстия второй трубной решетки, а последующее закрепление трубы выполняют в условиях осевого ее сжатия со стороны не лицевой поверхности второй трубной решетки. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing pipes in the tube sheets of heat exchangers, including placing the tube sheets having holes with annular grooves, in a vertical position to ensure parallel face surfaces, stuffing the tube bundle, fixing each of the pipes from possible movement from it subsequent fixing in each of the tube sheets, according to the invention, two annular projections are made at the ends of each of the pipes, the outer diameters of which at one end earlier, and on the other, it is larger than the diameter of the hole of the tube sheet, when placing the tube sheets, they are installed one from the other at a distance shorter than the length of the pipe, the pipe is initially fixed in the first tube sheet with the end, the ring protrusions of which have a smaller diameter, then the pipe is axially loaded and its fixation in the second tube sheet is achieved by the arrangement of annular protrusions having a large outer diameter, opposite the ring grooves of the hole of the second tube sheet, and the subsequent pipe fastening is carried out in conditions of its axial compression from the side of the non-front surface of the second tube sheet.

Осуществление предлагаемого способа позволяет установить прочностные характеристики вальцовочных соединений непосредственно на стадиях закрепления трубы в каждой из трубных решеток теплообменника. The implementation of the proposed method allows you to set the strength characteristics of the rolling joints directly at the stages of fixing the pipe in each of the tube sheets of the heat exchanger.

Это объясняется тем, что, используя стандартную длину трубы, трубные решетки устанавливают на расстоянии, меньшем чем выбранная длина трубы. В результате после закрепления трубы в первой из трубных решеток, для размещения ответного конца трубы в пределах второй из трубных решеток, осуществляют нагружение трубы осевым усилием. Величина последнего ограничивается значением абсолютной деформации трубы Δl для случая упругого деформирования ее материала. Таким образом, уже при закреплении трубы только в первой из трубных решеток можно определить для каждой из труб пучка прочностные характеристики вальцовочных соединений. Поскольку закреплению трубы во второй из трубных решеток предшествует ее упругая деформация, то после закрепления трубы во второй трубной решетке образуемое вальцовочное соединение также будет нагружено осевым усилием. This is because, using the standard pipe length, the tube sheets are installed at a distance less than the selected pipe length. As a result, after the pipe is fixed in the first of the pipe grids, the pipe is loaded by axial force to place the mating end of the pipe within the second of the pipe grids. The value of the latter is limited by the value of the absolute deformation of the pipe Δl for the case of elastic deformation of its material. Thus, even when fixing the pipe only in the first of the tube sheets, it is possible to determine the strength characteristics of milling joints for each of the tube bundles. Since the fastening of the pipe in the second of the tube sheets is preceded by its elastic deformation, then after the tube is fixed in the second tube sheet, the formed rolling joint will also be loaded by axial force.

Следовательно, после закрепления трубы в трубных решетках стало возможным определять нижний уровень прочностных характеристик вальцовочных соединений. Отметим особенность такого закрепления труб в трубных решетках, когда на протяжении всего процесса образования вальцовочных соединений по концам каждой трубы трубные решетки остаются зафиксированными от перемещения в направлении друг друга. Therefore, after fixing the pipe in the tube sheets, it became possible to determine the lower level of the strength characteristics of the rolling joints. We note the peculiarity of such fastening of pipes in tube sheets when throughout the entire process of forming rolling joints at the ends of each pipe, tube sheets remain fixed from moving in the direction of each other.

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

Для осуществления ремонта трубного пучка теплообменного аппарата необходимо выполнить следующие операции:
1. Подготовить трубные решетки с обеспечением в них отверстий диаметром D и кольцевых канавок прямоугольного поперечного сечения глубиной 0,5 мм и шириной 3,0 мм.To repair the tube bundle of the heat exchanger, the following operations must be performed:
1. Prepare tube sheets with holes in them with diameter D and annular grooves of rectangular cross-section 0.5 mm deep and 3.0 mm wide.

2. Подготовить трубу, выполнив кольцевые выступы трапециевидного поперечного сечения одним из методов обработки металлов давлением. Причем на одном из концов внешний диаметр кольцевых выступов на трубе D₁ < D. На ответном конце трубы внешний диаметр кольцевых выступов D₂ > D.2. Prepare the pipe by performing annular protrusions of a trapezoidal cross-section with one of the methods of metal forming. Moreover, at one end the outer diameter of the annular protrusions on the pipe D ₁ <D. At the counter end of the pipe, the outer diameter of the annular protrusions D ₂ > D.

3. Установить и зафиксировать трубные решетки в вертикальном положении на расстоянии 1, обеспечивая параллельность лицевых поверхностей трубных решеток. 3. Install and fix the tube sheets in a vertical position at a distance of 1, ensuring parallel face surfaces of the tube sheets.

4. Уточнить длину трубы, которая должна быть больше расстояния l на величину Δl.
Закрепление трубы в трубной решетке осуществляют в последовательности, представленной на фиг. 1 - 4.4. Clarify the length of the pipe, which should be greater than the distance l by Δl.
The fastening of the pipe in the tube sheet is carried out in the sequence shown in FIG. fourteen.

Трубу 1, например, из стали 10 задают через трубную решетку 2 в трубную решетку 3 концом, где диаметры кольцевых выступов D₁ меньше диаметра отверстия в трубных решетках 2 и 3 (перегородки трубного пучка на чертежах условно не показаны). Трапециевидные кольцевые выступы на трубе 1 располагают напротив кольцевых канавок в трубной решетке 3. Контроль правильности установки трубы 1 в отверстии трубной решетки 3 производят по совмещению торца трубы с лицевой поверхностью последней.The pipe 1, for example, of steel 10 is set through the tube sheet 2 into the tube sheet 3 at the end, where the diameters of the annular protrusions D _{1 are} less than the diameter of the hole in the tube sheets 2 and 3 (the tube bundles are not shown conventionally in the drawings). Trapezoidal annular protrusions on the pipe 1 are located opposite the annular grooves in the tube sheet 3. The correct installation of the pipe 1 in the hole of the tube sheet 3 is carried out by combining the pipe end with the front surface of the latter.

Кольцевые выступы на ответном конце трубы 1 будут запрессованы в отверстие трубной решетки 2 и отстоят на расстоянии Δ1 от осей кольцевых канавок в трубной решетке 2. Поскольку внешний диаметр кольцевых выступов превышает диаметр отверстия в трубной решетке 2, то на контактной поверхности труба 1 - трубная решетка 2 имеет место давление p₀ (фиг. 1).The annular protrusions at the reciprocal end of the pipe 1 will be pressed into the hole of the tube sheet 2 and spaced at a distance Δ1 from the axes of the ring grooves in the tube sheet 2. Since the outer diameter of the ring protrusions exceeds the diameter of the hole in the tube sheet 2, the pipe 1 has a tube sheet on the contact surface 2 there is a pressure p ₀ (FIG. 1).

После чего осуществляют закрепление трубы 1 в трубной решетке 3, например, методом механической развальцовки. Последовательно реализуются стадии свободного введения кольцевых выступов трубы в объемы кольцевых канавок отверстия трубной решетки, развальцовка соединяемых элементов с последующей, после снятия деформирующего усилия, упругой их разгрузкой. Как следствие, наблюдается полное заполнение свободных объемов кольцевых канавок в трубной решетке 3 материалом трубы 1 (фиг. 2). Then carry out the fixing of the pipe 1 in the tube sheet 3, for example, by the method of mechanical expansion. The stages of the free introduction of the annular projections of the pipe into the volumes of the annular grooves of the hole of the tube sheet, the expansion of the elements to be connected, followed by elastic deloading after removing the deforming force, are successively implemented. As a result, there is a complete filling of the free volumes of the annular grooves in the tube sheet 3 with the material of the pipe 1 (Fig. 2).

Затем производят осевое нагружение трубы 1 усилием P, вызывающим только упругую ее деформацию:

где F - площадь поперечного сечения трубы,
E - модуль упругости материала трубы.Then produce axial loading of the pipe 1 force P, causing only its elastic deformation:

where F is the cross-sectional area of the pipe,
E is the modulus of elasticity of the pipe material.

Последняя обеспечит совмещение кольцевых выступов на трубе 1 с кольцевыми канавками в трубной решетке 2. Следствием этого совмещения будет упругая разгрузка кольцевых выступов трубы 1 и приобретение ими исходного диаметра D₂. Дополнительно, зафиксировав трубу 1 с нелицевой стороны давлением Р₁, гарантирующим ее неподвижность, производят закрепление трубы 1 в трубной решетке 2, также механической развальцовкой.The latter will ensure the alignment of the annular protrusions on the pipe 1 with the annular grooves in the tube sheet 2. The result of this combination will be the elastic unloading of the annular protrusions of the pipe 1 and their acquisition of the initial diameter D ₂ . Additionally, fixing the pipe 1 on the non-front side with a pressure P ₁ , which guarantees its immobility, the pipe 1 is fixed in the tube sheet 2, also by mechanical expansion.

Контроль прочностных характеристик вальцовочных соединений производят по остаточному усилию P^*, приходящемуся на каждую из трубных решеток.The strength characteristics of the rolling joints are controlled by the residual force P ^* attributable to each of the tube sheets.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении труб из стали 10 с поперечным сечением 25 x 2,5 мм в отверстиях трубных решеток диаметром 26,4 мм, выполненных из СТ. 3. Толщина трубных решеток составляла 60 мм. Технологическая оснастка для выполнения кольцевых выступов на трубах изготавливалась из стали У 8А, имевшей в закаленном состоянии твердость HRC 56....58 ед. Два кольцевых выступа на трубе имели диаметр, равный 26 мм, что обеспечивало их свободное перемещение как по отверстиям в трубных решетках, так и через отверстия в перегородках. A pilot test of the developed method took place when fastening pipes of steel 10 with a cross section of 25 x 2.5 mm in the holes of the tube sheets with a diameter of 26.4 mm made of ST. 3. The thickness of the tube sheets was 60 mm. The tooling for making annular protrusions on the pipes was made of steel U 8A, which had a hardness of HRC 56 .... 58 units in the hardened state. Two annular protrusions on the pipe had a diameter of 26 mm, which ensured their free movement both through holes in the tube sheets and through holes in the partitions.

Внешние же диаметры еще двух кольцевых выступов (с ответной стороны трубы) были равны 26,43 мм, что предопределяло их упругую запрессовку при перемещении трубы в отверстии соответствующей трубной решетки. Закрепление труб в трубных решетках осуществляли на стенде фирмы "Индреско" с использованием отечественных вальцовок. The external diameters of two more annular protrusions (from the counter side of the pipe) were equal to 26.43 mm, which predetermined their elastic pressing-in when moving the pipe in the hole of the corresponding tube sheet. Pipe fastening in tube sheets was carried out at the Indresco booth using domestic rolling.

Осевое усилие в 62 кН, прикладываемое к торцу трубы, после ее закрепления в первой из трубных решеток выполняли экстрактором фирмы "Индреско" с контролем величины усилия по манометру. Абсолютное укорочение трубы при этом составляло 5 мм. Дополнительное удержание (со стороны нелицевой поверхности второй трубной решетки) выполняли с помощью гидравлического зажима. An axial force of 62 kN applied to the end of the pipe, after it was fixed in the first of the tube sheets, was carried out by an Indresco extractor with control of the pressure gauge. The absolute shortening of the pipe was 5 mm. Additional retention (from the side of the non-face surface of the second tube sheet) was performed using a hydraulic clamp.

Контроль качества вальцовочных соединений производили визуально по положению торцов трубы относительно лицевых поверхностей трубных решеток. Quality control of milling joints was carried out visually by the position of the ends of the pipe relative to the front surfaces of the tube sheets.

Освобождение трубных решеток от их крепления приводило к упругой разгрузке одновременно всех труб и приобретению пучком требуемого размера по длине. The release of the tube sheets from their fastening led to the elastic unloading of all pipes at the same time and the acquisition of the required length along the beam.

Изобретение может быть использовано при ремонте и изготовлении новых теплообменных аппаратов, применяемых в различных отраслях промышленности, а также в энергетических установках судов и так далее. The invention can be used in the repair and manufacture of new heat exchangers used in various industries, as well as in power plants of ships and so on.

Claims

A method of securing pipes in tube sheets of heat exchangers, including placing tube sheets having holes with annular grooves in an upright position to ensure that their faces are parallel, stuffing the tube bundle, fixing each of the pipes from possible movement with its subsequent fixing in each of the tube sheets characterized in that at the ends of each of the pipes two annular protrusions are performed, the outer diameters of which are smaller at one end and greater than the diameter of the pipe hole at the other casing, when placing tube sheets, they are installed one from another at a distance shorter than the pipe length, the pipe is initially fixed in the first pipe sheet with an end, the ring protrusions of which have a smaller diameter, then the pipe is loaded with axial force and its fixation in the second pipe sheet is achieved by the location of the ring protrusions having a large external diameter, opposite the annular grooves of the hole of the second tube sheet, and the subsequent fastening of the pipe is performed under conditions of axial compression from the side of the non-front the surface of the second tube sheet.