RU2159688C2

RU2159688C2 - Method for securing tubes to tube latticed plates

Info

Publication number: RU2159688C2
Application number: RU98119345/02A
Authority: RU
Inventors: С.С. Козий; С.И. Козий; Г.А. Батраев
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева; ООО "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely processes for securing tubes to tube plates of heat exchanger with use of effect of local directed plastic deforming of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of making annular protrusions on outer end portions of tubes; placing tube in tube opening having annular grooves; matching annular protrusions of tube with annular grooves of tube opening; fixing tube against its possible motion and securing tube to tube grate by flaring due to applying compression effort to inner surface of tube. Annular protrusions have rectangular cross section with base equal to width of groove and with height exceeding depth of groove. Annular grooves have cross section in the form of rectangular trapeziums whose acute angles are turned one to another. At joining inner annular sealings are formed between lateral surfaces of grooves and protrusions for providing tube tension between them. EFFECT: enhanced quality of tube joints. 3 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 деформированная 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 directional plastic deformed pipe material.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу устанавливают в трубном отверстии, фиксируют ее от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения нормального давления к внутренней поверхности трубы, например, механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Ленинград, Судостроение, 1972, 143 с). There is a method of fixing pipes in tube sheets, in which a heat exchange tube is installed in the tube hole, it is fixed from possible axial movement, followed by fixing in the tube sheet by applying normal pressure to the pipe inner surface, for example, by mechanical rolling (see P. Doroshenko. Technology for the production of ship steam generators and heat exchangers, Leningrad, Shipbuilding, 1972, 143 s).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений, для устранения которого прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям. Последнее обуславливает коробление трубной решетки и, как следствие, короткий межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата. The main disadvantage of the known method of fixing pipes in tube sheets should be attributed to the relatively low service characteristics of milling joints, to eliminate which they resort to increased pipe deforming pressures. The latter causes warpage of the tube sheet and, as a result, a short overhaul run of the tube bundle of the heat exchanger.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий выполнение на внешних концах трубы кольцевых выступов, установку трубы в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, совмещение кольцевых выступов на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубной решетке, совершая стадии привальцовки и развальцовки, посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы (см. RU 2107572 С1, 27.03.1998, B 21 D /06) - прототип. There is also known a method of securing pipes in tube sheets, comprising making annular protrusions at the outer ends of the pipe, installing the pipe in a pipe hole having ring grooves, aligning the ring protrusions on the pipe with ring grooves of the pipe hole, fixing the pipe from possible movement and securing it in the pipe the lattice, performing the rolling and expansion stages, by applying a compressive force to the inner surface of the pipe (see RU 2107572 C1, 03/27/1998, B 21 D / 06) - prototype.

Недостатком известного способа является относительно малые площади кольцевых уплотнений между боковыми поверхностями кольцевых канавок и кольцевых выступов, что представляет несомненный резерв в повышении характеристик плотности вальцовочного соединения. The disadvantage of this method is the relatively small area of the annular seals between the side surfaces of the annular grooves and annular protrusions, which represents an undoubted reserve in improving the characteristics of the density of the milling connection.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал повышенные характеристики плотности вальцовочных соединений и не вызывал бы при этом коробления трубной решетки, увеличивая таким образом межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата и эксплуатационную долговечность трубной решетки в том числе. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would provide increased characteristics of the density of the rolling joints and would not cause warping of the tube sheet, thereby increasing the overhaul distance of the tube bundle of the heat exchanger and the service life of the tube sheet including.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем выполнение на внешних концах трубы кольцевых выступов, установку трубы в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, совмещение кольцевых выступов на трубе с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубной решетке, совершая стадии привальцовки и развальцовки, посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, согласно изобретению кольцевые выступы выполняют прямоугольного поперечного сечения с основанием, равным ширине канавки, и высотой, превышающей глубину канавки, а кольцевые канавки выполняют с поперечным сечением в виде прямоугольных трапеций, острые углы которых обращены навстречу друг другу, и на стадии привальцовки формируют внутренние кольцевые уплотнения между боковыми поверхностями канавок и выступов, вызывая растяжение трубы между ними. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including making annular protrusions at the outer ends of the pipe, installing the pipe into the pipe hole having ring grooves, aligning the ring protrusions on the pipe with the ring grooves of the pipe hole, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the tube sheet, performing the rolling and expansion stages, by applying a compressive force to the inner surface of the pipe, according to the invention, to the ring The protrusions have a rectangular cross-section with a base equal to the width of the groove and a height greater than the depth of the groove, and the annular grooves are made with a cross-section in the form of rectangular trapezoids, the acute angles of which are turned towards each other, and at the stage of rolling form inner ring seals between the side the surfaces of the grooves and protrusions, causing the pipe to stretch between them.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать соединения трубы с трубной решеткой, обладающих повышенными характеристиками прочности и плотности, при отсутствии необратимых деформаций трубной решетки. Кроме того, образование вальцовочного соединения по предлагаемому способу содержит элементы процесса холодной сварки трубы с трубной решеткой по боковым поверхностям кольцевых канавок, обуславливая экономическую целесообразность применения предлагаемого изобретения взамен комбинированных соединений, предусматривающих обварку труб по торцам на лицевой поверхности трубной решетки. Implementation of the proposed method for securing pipes in tube sheets allows to obtain pipe connections with the tube sheet with enhanced strength and density characteristics in the absence of irreversible deformations of the tube sheet. In addition, the formation of a rolling joint according to the proposed method contains elements of the process of cold welding of a pipe with a tube sheet along the lateral surfaces of the annular grooves, making it economically feasible to use the invention instead of combined joints involving pipe welding at the ends on the front surface of the tube sheet.

Это объясняется тем, что используют новую конструкцию сборки трубы с трубной решеткой, а именно на внешней поверхности трубы выполняют кольцевые выступы прямоугольного поперечного сечения с высотой, превышающей глубину кольцевых канавок. Сочетание таких кольцевых выступов с новым поперечным сечением кольцевых канавок в виде прямоугольных трапеций позволяет осуществлять заполнение объемов кольцевых канавок в условиях пластического контакта между соединяемыми материалами. Имеющее место осевое растяжение поперечного сечения трубы между кольцевыми выступами вызывает аккумулирование ею упругой энергии, которая на стадии разгрузки полностью не релаксируется. Тем самым, объясняется наличие остаточного давления между боковыми поверхностями выступов и кольцевых канавок. Последнее в совокупности с качественным заполнением объемов кольцевых канавок и предопределяет требуемые служебные характеристики вальцовочных соединений. This is due to the fact that they use a new design for assembling a pipe with a tube sheet, namely, on the outer surface of the pipe, annular projections of a rectangular cross section with a height exceeding the depth of the annular grooves are made. The combination of such annular protrusions with a new cross-section of the annular grooves in the form of rectangular trapezoids allows filling the volumes of the annular grooves under conditions of plastic contact between the materials to be joined. The axial tension of the pipe cross section between the annular protrusions that takes place causes it to accumulate elastic energy, which does not completely relax at the unloading stage. This explains the presence of residual pressure between the lateral surfaces of the protrusions and annular grooves. The latter, together with the quality filling of the volumes of the annular grooves, predetermines the required service characteristics of the rolling joints.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное положение трубы с внешними кольцевыми выступами в отверстии трубной решетки, содержащем кольцевые канавки с поперечным сечением в виде прямоугольной трапеции, перед выполнением операции закрепления, на фиг. 2 - стадия локальной развальцовки трубы, выражающаяся пластическим деформированием материала трубы в выступах, и привальцовки в условиях осевого растяжения трубы между выступами, на фиг. 3 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой после снятия деформирующего усилия. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the initial position of the pipe with external annular protrusions in the hole of the tube sheet containing annular grooves with a cross section in the form of a rectangular trapezoid, before performing the fastening operation, in FIG. 2 - the stage of local flaring of the pipe, expressed by plastic deformation of the pipe material in the protrusions, and rolling under conditions of axial tension of the pipe between the protrusions, in FIG. 3 - milling connection of the pipe with the tube sheet after removal of the deforming force.

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

Производят подготовку теплообменной трубы 1 к сборке с трубной решеткой 2, формируя на внешней поверхности ее концов кольцевые выступы прямоугольного поперечного сечения (технология выполнения кольцевых выступов в соответствии с патентом РФ N 2078636, БИ N 13 от 10.05.97). В отверстии трубной решетки 2 выполняют кольцевые отверстия с поперечным сечением в виде прямоугольной трапеции, причем острые углы трапеций обращают навстречу друг другу. Соотношения геометрических размеров кольцевых выступов и канавок являются следующими: ширина большего основания трапеции равна ширине кольцевой канавки, а высота кольцевого выступа превышает глубину кольцевой канавки настолько, чтобы свободные объемы кольцевых канавок были равны объемам кольцевых выступов. Prepare the heat exchange pipe 1 for assembly with the tube sheet 2, forming annular protrusions of rectangular cross section on the outer surface of its ends (the technology for making annular protrusions in accordance with RF patent N 2078636, BI N 13 of 05/10/97). In the hole of the tube sheet 2, circular holes with a cross section in the form of a rectangular trapezoid are made, and the sharp corners of the trapezoid facing each other. The ratios of the geometric dimensions of the annular protrusions and grooves are as follows: the width of the larger base of the trapezoid is equal to the width of the annular groove, and the height of the annular protrusion exceeds the depth of the annular groove so that the free volumes of the annular grooves are equal to the volumes of the annular protrusions.

После чего приступают к выполнению операции закрепления трубы 1 в отверстии трубной решетки 2 (фиг. 1). Трубу 1 вводят в отверстие трубной решетки 2, располагая ее торец заподлицо с лицевой поверхностью последней. В отверстии трубы 1 располагают, например, механическую роликовую вальцовку (действие роликов на внутреннюю поверхность трубы условно заменено стрелками). Then proceed to the operation of fixing the pipe 1 in the hole of the tube sheet 2 (Fig. 1). The pipe 1 is introduced into the hole of the tube sheet 2, placing its end flush with the front surface of the latter. In the hole of the pipe 1 is, for example, a mechanical roller rolling (the action of the rollers on the inner surface of the pipe is conditionally replaced by arrows).

Сообщая роликам вальцовки вращательное движение и радиальное их перемещение, выполняют стадию привальцовки трубы 1. Свободное перемещение стенки трубы 1 в радиальном направлении завершается моментом, когда будет иметь место 4-х точечный ее контакт с кромками кольцевых канавок трубного отверстия. Дальнейшее приложение нормального давления к внутренней поверхности трубы 1 приводит к развитию пластического контакта между трубой 1 и трубным отверстием по местоположению кольцевых канавок (фиг. 2). Informing the rolling rollers of the rotational movement and their radial movement, the stage of rolling of the pipe 1 is performed. The free movement of the pipe wall 1 in the radial direction ends with the moment when its 4-point contact with the edges of the annular grooves of the pipe hole takes place. Further application of normal pressure to the inner surface of the pipe 1 leads to the development of plastic contact between the pipe 1 and the pipe hole at the location of the annular grooves (Fig. 2).

Особенностью стадии локальной развальцовки трубы 1 в данном случае является изначальное формирование кольцевых уплотнений между боковыми поверхностями канавок и выступов. Заполнение объемов кольцевых канавок материалом трубы в выступах осуществляется в условиях сдвига при нарастающем давлении на контактных поверхностях. Последнее может реализовывать на контактных поверхностях трубы 1 с трубным отверстием явления сварки или схватывания, что предотвратит возможность образования какой-либо капиллярности. Выполнение кольцевых канавок с профилем, отличающимся от профиля кольцевых выступов на трубе 1, обуславливает тот факт, что стадия привальцовки трубы 1 сопровождается ее растяжением на длине, располагаемой в промежутке между выступами. Аккумулирование упругой энергии трубой 1 объясняет появление остаточного контактного давления на боковых поверхностях кольцевых канавок после снятия деформирующего трубу 1 усилия. A feature of the stage of local flaring of the pipe 1 in this case is the initial formation of ring seals between the side surfaces of the grooves and protrusions. The volume of the annular grooves is filled with pipe material in the protrusions under shear conditions with increasing pressure on the contact surfaces. The latter can be realized on the contact surfaces of the pipe 1 with the pipe hole the phenomenon of welding or setting, which will prevent the formation of any capillarity. The implementation of the annular grooves with a profile different from the profile of the annular protrusions on the pipe 1, determines the fact that the stage of rolling of the pipe 1 is accompanied by its extension along the length located between the protrusions. The accumulation of elastic energy by the pipe 1 explains the appearance of residual contact pressure on the lateral surfaces of the annular grooves after the removal of the force deforming the pipe 1.

Закрепление трубы 1 в трубной решетке 2 завершается в условиях качественного заполнения кольцевыми выступами трубы 1 кольцевых канавок трубного отверстия и наличия контакта между цилиндрическими поверхностями трубы 1 и трубного отверстия (фиг. 3). Повышенные характеристики прочности гарантируются механическими свойствами трубы 1 в выступах, повышенные характеристики плотности вальцовочного соединения определяются контактными явлениями холодной сварки или схватывания и наличием остаточного давления. Относительно низкие давления на внутренней поверхности трубы 1 на стадиях локальной развальцовки (по местоположению кольцевых выступов) и сопутствующей ей привальцовки (свободного перемещения стенок трубы вне кольцевых выступов) объясняют улучшенные коррозионные характеристики вальцовочных соединений. The fastening of the pipe 1 in the tube sheet 2 is completed under conditions of high-quality filling with the annular projections of the pipe 1 of the annular grooves of the pipe hole and the presence of contact between the cylindrical surfaces of the pipe 1 and the pipe hole (Fig. 3). The increased strength characteristics are guaranteed by the mechanical properties of the pipe 1 in the protrusions, the increased density characteristics of the milling connection are determined by the contact phenomena of cold welding or setting and the presence of residual pressure. The relatively low pressures on the inner surface of the pipe 1 at the stages of local flaring (at the location of the annular protrusions) and its accompanying rolling (free movement of the pipe walls outside the annular protrusions) explain the improved corrosion characteristics of the milling joints.

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. Труба предварительно обжималась по концам до диаметра, равного 23, 94 мм. Кольцевые выступы получали холодным выдавливанием в плавающей матрице. При внешнем диаметре кольцевых выступов, равном 25 мм, высота кольцевых выступов равнялась 0, 51 мм (при глубине кольцевых канавок трубного отверстия в 0,5 мм), а их основание равнялось ширине кольцевой канавки - 3,0 мм. Расстояние между выступами - 10,5 мм. Диаметр трубных отверстий составлял 25,4 мм. A pilot test of the developed method took place when fixing steel (steel 20) pipes with profiled external endings in tube sheets made of steel Art. 3. The initial geometric dimensions of the pipe were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm. The pipe was preliminarily crimped at the ends to a diameter equal to 23, 94 mm. Ring protrusions were obtained by cold extrusion in a floating matrix. With an outer diameter of the annular protrusions equal to 25 mm, the height of the annular protrusions was 0, 51 mm (with a depth of the annular grooves of the pipe hole of 0.5 mm), and their base was equal to the width of the annular groove of 3.0 mm. The distance between the protrusions is 10.5 mm. The diameter of the pipe holes was 25.4 mm.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. Кольцевые канавки с поперечным сечением в виде прямоугольной трапеции выполняли со следующими геометрическими размерами: большим основанием - 3,0 мм; малым основанием - 2,8 мм, глубиной - 0,5. 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 прямоугольного поперечного сечения. The tooling for the production of pipes with external annular endings was made of U8A tool steel with a hardness of HRC after hardening of at least 56 units and accuracy of executive dimensions according to the 7th grade. Annular grooves with a cross section in the form of a rectangular trapezoid were made with the following geometric dimensions: a large base - 3.0 mm; a small base - 2.8 mm, a depth of 0.5. 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 rectangular cross section.

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 образование кольцевых уплотнений на боковых поверхностях кольцевых канавок с формированием остаточного давления на контактной поверхности кольцевых выступов с кольцевыми канавками при качественном заполнении объемов кольцевых канавок обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений, значительно увеличивает межремонтный пробег трубного пучка при условии возможности неоднократного использования трубных решеток. Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки установлено, что деформирующее трубу усилие составляет не менее 0,075 - 0,085 мН. It has been established that the formation of ring seals on the lateral surfaces of the annular grooves with the formation of residual pressure on the contact surface of the annular protrusions with the annular grooves during the quality filling of the volumes of the annular grooves ensures guaranteed enhanced service characteristics of the rolling joints, significantly increases the overhaul distance of the tube bundle, provided that it is possible to repeatedly use tube sheets . Tests for pulling the pipe out of the tube sheet revealed that the tube deforming force is not less than 0.075 - 0.085 mN.

Плотность соединений обеспечивало 100% их пригодность требованиям производства. The density of the compounds provided 100% of their suitability for production requirements.

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 pipe openings, including making annular protrusions at the outer ends of the pipe, installing the pipe into the pipe opening having annular grooves, aligning the annular protrusions on the pipe with the annular grooves of the pipe opening, fixing the pipe from possible movement and then securing it in the pipe grill, completing the rolling and expansion stages, by applying a compressive force to the inner surface of the pipe, characterized in that the annular protrusions perform a rectangular cross-section of a cross section with a base equal to the width of the groove and a height exceeding the depth of the groove, and the annular grooves are made with a cross section in the form of rectangular trapezoids, the acute angles of which are turned towards each other, and at the rolling stage, inner ring seals are formed between the side surfaces of the grooves and protrusions causing stretching of the pipe between them.