RU2162021C2

RU2162021C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2162021C2
Application number: RU98111655/02A
Authority: RU
Inventors: С.И. Козий; Т.Б. Козий; Г.А. Батраев; Ф.В. Гречников
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.акад.С.П.Королева; ООО "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2001-01-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely, securing tubes to tube plates of heat exchanging apparatuses with use of localized directed plastic deformation of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of making annular trapezoidal cross section protrusions on outer surfaces of end portions of tubes; placing tube into tube opening having annular rectangular cross section grooves; matching annular protrusions of tubes with rectangular cross section annular grooves of tube opening; fixing tube against possible motion for subsequent fastening of it in tube plate due to applying compression effort to inner surface of tube. End portion of tube is preliminarily reduced, and simultaneously outer annular protrusions and inner annular thickened portions of tube are formed. Then outer annular protrusions are calibrated due to axially shifting inner annular thickened portions. EFFECT: guaranteed stabilized size and geometry due to use of technological fitting for tubes of any steel and alloy. 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 деформирования материала трубы. The invention relates to the field of metal forming and, in particular, to processes for fixing 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 со стороны внутренней поверхности трубы (см. а.с. N 265060, МПК B 21 D 39/06, 1968 г.). A known method of securing pipes in tube sheets, in which on the outer surface of the pipe ends to form annular protrusions, install it in the lattice with holes having annular recesses of rectangular cross section, ensuring the coincidence of the protrusions and recesses, fix the pipe from possible axial movement with its subsequent fixing in lattice by applying axial compressive force from the side of the inner surface of the pipe (see A.S. 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 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, включающий выполнение на внешних поверхностях концов труб кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения, установку трубы в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного сечения, совмещение кольцевых выступов 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 (RU, N 2078636 C1, 10.05.97, B 21 D 39/06 - прототип). There is also known a method of securing pipes in tube sheets, including performing on the outer surfaces of the ends of the pipes annular protrusions of a trapezoidal cross section, 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 a compressive force to the inner surface of the pipe (RU, N 2078636 C1, 05/10/97, B 21 D 39/06 - protot n).

Недостатком известного способа является возможность не полного воспроизведения геометрических размеров внутреннего кольцевого выступа для отдельных марок сталей, например, стали марки Х18Н10Т, что может снижать характеристики прочности и плотности соединений трубы с трубной решеткой. The disadvantage of this method is the possibility of incomplete reproduction of the geometric dimensions of the inner annular protrusion for individual grades of steel, for example, steel grade X18H10T, which can reduce the strength and density characteristics of pipe joints with the tube sheet.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал полное воспроизведение геометрических размеров внутреннего кольцевого выступа и гарантировал бы повышенные характеристики прочности и плотности соединений трубы с трубной решеткой. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would ensure full reproduction of the geometric dimensions of the inner annular protrusion and would guarantee enhanced strength and density characteristics of the pipe to tube connection.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем выполнение на внешних поверхностях концов труб кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения, установку трубы в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки прямоугольного сечения, совмещение кольцевых выступов 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 предварительно конец трубы обжимают и одновременно с выполнением внешних кольцевых выступов формируют внутренние кольцевые утолщения, после чего осуществляют калибровку внешних кольцевых выступов осевым сдвигом внутренних кольцевых утолщений. 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 of the pipe, According to the invention, the end of the pipe is pre-crimped and, simultaneously with the execution of the outer annular protrusions, the inner annular thickenings are formed, after which the outer annular protrusions are calibrated by axial shift of the inner annular thickenings.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать соединения трубы с трубной решеткой, обладающих повышенными характеристиками прочности и плотности для любых марок сталей. Implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows to obtain pipe connections with the tube sheet having enhanced strength and density characteristics for any steel grades.

Это объясняется тем, что с профилированием внешней поверхности конца трубы одновременно выполняют внутренние кольцевые утолщения, размещая внутренние кольцевые выступы напротив внешних кольцевых выступов. После чего, осуществляя обратный холостой ход органа машины, выполняют операцию калибровки отштампованных внешних кольцевых выступов за счет радиального давления, прикладываемого к внутренней поверхности трубы в процессе осевого сдвига внутренних кольцевых выступов. Таким образом, формирование внешних кольцевых выступов на концах трубы дополняется операциями калибровки и зачистки внутренней поверхности трубы от ржавчины. This is because with the profiling of the outer surface of the pipe end, the inner annular thickenings are simultaneously performed, placing the inner annular protrusions opposite the outer annular protrusions. Then, performing the reverse idling of the machine organ, the calibration operation of the stamped outer annular protrusions is performed due to the radial pressure applied to the inner surface of the pipe during the axial shift of the inner annular protrusions. Thus, the formation of the outer annular protrusions at the ends of the pipe is complemented by the operations of calibration and cleaning the inner surface of the pipe from rust.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное положение технологической оснастки и конца трубы перед выполнением операции формирования внешних и внутренних кольцевых выступов; на фиг. 2 - стадия окончания процесса формирования кольцевых выступов на внешней и внутренней поверхностях; на фиг. 3 - стадия калибровки внешних кольцевых выступов в процессе осевого сдвига внутренних кольцевых выступов. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the initial position of the tooling and the end of the pipe before performing the operation of forming the external and internal annular protrusions; in FIG. 2 - stage of completion of the formation of annular protrusions on the outer and inner surfaces; in FIG. 3 - stage calibration of the outer annular protrusions in the process of axial shift of the inner annular protrusions.

Через отверстие прижима 1 (в его нерабочем состоянии) устанавливают предварительно обжатую трубу 2 (фиг. 1) таким образом, что ее торец располагается на некотором расстоянии от поверхности прижима 1. На выступающем конце трубы 2 размещают разрезную по образующей матрицу 3, имеющую в рабочей полости две кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения. Удержанию матрицы 3 на торце трубы 2 способствует наличие на внешнем торце матрицы 3 кольцевого буртика с диаметром сквозного отверстия меньшим, чем диаметр трубы 2. В связи с тем, что длина выступающего конца трубы 2 превышает длину матрицы 3, то между поверхностью обоймы 1 и внутренним торцем матрицы 3 наблюдается некоторый зазор, что позволяет именовать такую матрицу, как "плавающую". На внешней поверхности матрицы 3 устанавливают обойму 4, обеспечивая достаточную жесткость матрице 3. В отверстии трубы 2 размещают ступенчатый пуансон 5, имеющий на малой ступени две кольцевые выемки, располагаемые напротив кольцевых канавок матрицы 3. Through the hole of the clamp 1 (in its inoperative state), a pre-pressed pipe 2 is installed (Fig. 1) so that its end face is located at a certain distance from the surface of the clamp 1. At the protruding end of the pipe 2, a cutting matrix 3 with a working matrix cavity two annular grooves of a trapezoidal cross section. The retention of the matrix 3 at the end of the pipe 2 is facilitated by the presence on the outer end of the matrix 3 of an annular collar with a diameter of the through hole smaller than the diameter of the pipe 2. Due to the fact that the length of the protruding end of the pipe 2 exceeds the length of the matrix 3, then between the surface of the cage 1 and the inner the end of the matrix 3 there is a certain gap, which allows us to name such a matrix as "floating". On the outer surface of the matrix 3, a ferrule 4 is installed, providing sufficient rigidity to the matrix 3. A step punch 5 is placed in the hole of the pipe 2, having two annular recesses located on the small stage opposite the annular grooves of the matrix 3.

Внешняя поверхность конца трубы предварительно зачищается до металлического блеска, а перед установкой трубы 2 на рабочие поверхности технологической оснастки наносится смазка. После чего прижимом 1 фиксируют трубу 2 от возможного осевого перемещения. The outer surface of the end of the pipe is pre-cleaned to a metallic luster, and before installing the pipe 2, grease is applied to the working surfaces of the tooling. Then, with clamp 1, pipe 2 is fixed from possible axial movement.

Прикладывая осевое сжимающее усилие к торцу пуансона 5 (фиг. 2), вызывают пластическую деформацию материала трубы 2, последовательно реализуя операции раздачи диаметра отверстия трубы 2 до касания ее внешней поверхности полости матрицы 3, прямое выдавливание материала трубы 2 во внешнюю кольцевую канавку матрицы 3 и внутреннюю кольцевую выемку малой ступени пуансона 5, обжим трубы 2 с выдавливанием ее материала во внутреннюю кольцевую канавку матрицы 3 и внешнюю кольцевую выемку малой ступени пуансона 5 (что вызывает устранение зазора между внутренним торцем матрицы 3 и торцем обоймы 1) и, наконец, некоторое прямое выдавливание материала трубы 2 с формированием на ее торце кольцевого углубления. Applying axial compressive force to the end face of the punch 5 (Fig. 2), cause plastic deformation of the material of the pipe 2, sequentially implementing the operation of distributing the diameter of the hole of the pipe 2 until it touches the outer surface of the cavity of the matrix 3, direct extrusion of the material of the pipe 2 into the outer annular groove of the matrix 3 and the inner annular recess of the small stage of the punch 5, crimping the pipe 2 with extruding its material into the inner annular groove of the matrix 3 and the outer annular recess of the small stage of the punch 5 (which eliminates the gap between the inner end of the matrix 3 and the end of the holder 1) and, finally, some direct extrusion of the material of the pipe 2 with the formation on its end of the annular recess.

Затем совершают удаление пуансона 5 из отверстия трубы 3 (фиг. 3). Для чего прикладывают осевое усилие в направлении от технологической оснастки, закрепив последнюю от возможного перемещения. Удалению пуансона 5 препятствуют внутренние утолщения на трубе 2 и силы трения на контактных поверхностях трубы 2 с пуансоном 5. Перемещение пуансона 5 в направлении прикладываемого усилия достигается в условиях пластического сдвига внутренних утолщений трубы 2 относительно ее внутренней поверхности, определяемой геометрическими размерами большего диаметра малой ступени пуансона 5. Пластический сдвиг материала трубы 2 осуществляет калибровку ее внешних кольцевых выступов. Одновременно с извлечением пуансона 5 из отверстия трубы 2 производят зачистку внутренней поверхности трубы от ржавчины и возможных дефектов в ее исходном состоянии. Then make the removal of the punch 5 from the hole of the pipe 3 (Fig. 3). Why apply axial force in the direction from the technological equipment, securing the latter from possible movement. Removal of the punch 5 is prevented by internal thickenings on the pipe 2 and friction forces on the contact surfaces of the pipe 2 with the punch 5. The movement of the punch 5 in the direction of the applied force is achieved under conditions of plastic shear of the internal thickenings of the pipe 2 relative to its inner surface, determined by the geometrical dimensions of the larger diameter of the small stage of the punch 5. The plastic shear of the material of the pipe 2 calibrates its outer annular protrusions. Simultaneously with the extraction of the punch 5 from the hole of the pipe 2, the inner surface of the pipe is cleaned from rust and possible defects in its original state.

Описанные операции выполняют на втором конце трубы 2. После чего производят закрепление трубы 2 в отверстии трубной решетки согласно технологии, описанной в патенте РФ N 2078636, принятого за прототип. The described operations are performed at the second end of the pipe 2. Then, the pipe 2 is fixed in the hole of the tube sheet according to the technology described in RF patent N 2078636, adopted as a prototype.

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 took place when fixing steel (steel 20) pipes with profiled external endings in the tube sheets of steel Art. 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. На малой ступени пуансона выполнялись кольцевые трапециевидные выемки с размерами: глубиной - 0,15 мм, малым основанием - 4 мм, большим основанием - 6 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. At the small step of the punch, circular trapezoidal grooves were made with dimensions: depth - 0.15 mm, small base - 4 mm, large base - 6 mm.

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.

Закрепление труб в трубных решетках производилось на стенде фирмы "Индреско" (США) вальцовками отечественного производства. Fastening of pipes in tube sheets was carried out at the stand of the company Indresco (USA) by rolling of domestic production.

Установлено, что операция формирования внешних кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения в сочетании с операцией их калибровки обеспечивает гарантированные технологической оснасткой геометрические размеры, стабильность их исполнения для любых сталей и сплавов. Испытаниями на выдавливание трубы из трубной решетки установлено, что деформирующее трубу усилие на стадии калибровки кольцевых выступов составляет от 0,15 - 0,18 МН. It has been established that the operation of forming the outer annular protrusions of the trapezoidal cross-section in combination with the operation of their calibration ensures the geometric dimensions guaranteed by technological equipment and the stability of their performance for any steels and alloys. Tests for extruding the pipe from the tube sheet revealed that the force deforming the pipe at the stage of calibration of the annular projections is from 0.15 - 0.18 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 tube sheets, including performing 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 ring grooves of rectangular cross-section, aligning the ring protrusions on the pipe with the ring grooves of the pipe hole, fixing the pipe from possible movement with subsequent fixing it in the tube sheet by applying a compressive force to the inner surface of the pipe, characterized in that the pre-end tr the loss is crimped and, at the same time as performing the outer annular protrusions, the inner annular thickenings are formed, after which the outer annular protrusions are calibrated by axial shift of the inner annular thickenings.