RU2162022C2

RU2162022C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2162022C2
Application number: RU98117984A
Authority: RU
Inventors: С.С. 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: 1998-09-21
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2001-01-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely, processes for securing tubes to tube plates of heat exchanging apparatuses due to use of localized directed plastic deformation of tube material. SUBSTANCE: method for securing tubes comprises steps of placing tube into tube opening; fixing it against possible motion for subsequent combination type fastening of tube in tube plate due to applying compression effort to tube inner surface for providing additional non-detachable joint. At applying compression effort to inner surface of tube, at least two successive plastic local contacts of tube with surface of opening of tube plate are provided. Non-detachable joint is formed in conditions of moving tube along distance from its end until first local contact in direction to outer surface of tube plate. EFFECT: enhanced operational characteristics of rolled joints. 8 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, 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, in particular, to the processes of fixing pipes in the tube sheets of heat exchangers using the effect of localized directed plastic deformation of the 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 transfer tube is installed in the tube hole, it is fixed from possible axial movement, followed by fastening in the tube sheet by applying normal pressure to the inner surface of the pipe, for example, by mechanical rolling (see P. Doroshenko. Production Technology for Ship Steam Generators and Heat Exchangers, Leningrad, Shipbuilding, 1972, 143 pp.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений, для устранения которых 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 установку трубы в трубное отверстие, фиксацию от возможного перемещения с последующим ее комбинированным закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность (см. патент РФ N 2109589, МПК B 21 D 39/06 от 27.04.98 - прототип). There is also a method of securing pipes in tube sheets, including installing the pipe in the pipe hole, fixing it from possible movement, followed by its combined fastening in the tube sheet by applying compressive forces to the inner surface (see RF patent N 2109589, IPC B 21 D 39/06 from 04/27/98 - prototype).

Недостатком известного способа является тот факт, что для обеспечения требуемых служебных характеристик вальцовочных соединений (характеристики прочности и плотности) применяют обварку концов труб с трубной решеткой на лицевой поверхности последней. Формирование такого комбинированного соединения вызывает значительную деформацию трубной решетки с вытекающими отсюда последствиями. Вместе с тем имеет место удорожание себестоимости производства комбинированного вальцовочного соединения. The disadvantage of this method is the fact that to ensure the required service characteristics of milling joints (strength and density characteristics), welding of the ends of pipes with a tube sheet on the front surface of the latter is used. The formation of such a combined connection causes a significant deformation of the tube sheet with the ensuing consequences. At the same time, there is a rise in the cost of production of a combined rolling compound.

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

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку трубы в трубное отверстие, фиксацию от возможного перемещения с последующим ее комбинированным закреплением в трубной решетке посредством приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность, согласно изобретению первоначально, прикладывая сжимающее усилие к внутренней поверхности трубы, формируют последовательно не менее двух пластических локальных ее контактов с поверхностью отверстия трубной решетки, а неразъемное соединение образуют в условиях перемещения трубы на длине от торца до первого локального контакта в направлении лицевой поверхности трубной решетки. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including the installation of the pipe in the tube hole, the fixation from possible movement and its subsequent combined fastening in the tube sheet by applying a compressive force to the inner surface, according to the invention, initially applying a compressive force to the inner the surface of the pipe, form successively at least two local plastic contacts with the surface of the hole of the tube sheet, and one-piece with The connection is formed under conditions of pipe movement along the length from the end to the first local contact in the direction of the front surface of the tube sheet.

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 комбинированного вальцовочного соединения, включающем холодную сварку трубы с трубной решеткой на контактной поверхности, обуславливает экономическую целесообразность применения предлагаемого изобретения. 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 combined rolling joint, including cold welding of a pipe with a tube sheet on the contact surface, determines the economic feasibility of applying the present invention.

Это объясняется тем, что используют новую конструкцию сборки трубы с трубной решеткой, а именно на внешней поверхности трубы выполняют кольцевые выступы треугольного поперечного сечения с различной их высотой. Причем высота кольцевых выступов на трубе возрастает от ее торца в сторону трубного пучка. Закрепление трубы в трубной решетке сопровождается изначально последовательным формированием не менее двух их локальных контактов. В дальнейшем имеет место развитие пластического контакта упрочненного материала трубы с материалом трубной решетки (формируются кольцевые уплотнения). Наличие на внешней поверхности конца трубы разновеликих по высоте кольцевых выступов и пластической деформации объема материала трубы, находящегося в ее переходной (между цилиндрическими участками) конусной части, объясняет тот факт, что развитие вышеназванного пластического контакта предопределяет перемещение конца трубы на длине от ее торца до первого пластического контакта в направлении лицевой поверхности трубной решетки. Сочетание повышенного локального давления по местоположению кольцевых уплотнений с осевым перемещением трубы относительно трубной решетки приводит к обновлению поверхностей соединяемых материалов и, как следствие, к их холодной сварке. Если учесть, что комбинированное вальцовочное соединение выполняют одним инструментом, то очевидна экономическая целесообразность применения нового технического решения. 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 protrusions of a triangular cross section with different heights are performed. Moreover, the height of the annular protrusions on the pipe increases from its end to the side of the tube bundle. The fastening of the pipe in the tube sheet is accompanied by the initial sequential formation of at least two of their local contacts. In the future, there is the development of plastic contact of the hardened pipe material with the tube sheet material (ring seals are formed). The presence on the outer surface of the pipe end of annular protrusions of different height and plastic deformation of the volume of the pipe material located in its transitional (between the cylindrical sections) conical part explains the fact that the development of the above plastic contact determines the movement of the pipe end along the length from its end to the first plastic contact in the direction of the front surface of the tube sheet. The combination of increased local pressure at the location of the O-rings with the axial movement of the pipe relative to the tube sheet leads to the renewal of the surfaces of the materials being joined and, as a consequence, to their cold welding. If we consider that the combined milling connection is performed with one tool, then the economic feasibility of applying the new technical solution is obvious.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано исходное положение технологической оснастки и размещенного в ней предварительно обжатого конца трубы перед операцией образования кольцевых выступов на внешней поверхности трубы, на фиг. 2 - стадия заполнения внешней кольцевой канавки матрицы, на фиг. 3 - стадия заполнения материалом трубы внутренней кольцевой канавки матрицы, на фиг. 4 показано исходное положение трубной решетки, трубы и установленную в ее отверстие вальцовки (условно показан только один из трех роликов вальцовки), на фиг. 5 - окончание стадии привальцовки трубы с образованием двухточечного контакта (точки 1 и 2) между трубой и трубным отверстием, на фиг. 6 - стадия пластического формирования кольцевых уплотнений по местоположению точек 1 и 2, на фиг. 7 - окончание стадии формирования кольцевых уплотнений по местоположению точек 1, 2 и 3, на фиг. 8 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой, содержащее неразъемные соединения в точках 1, 2 и 3. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the initial position of the tooling and the pre-crimped end of the pipe placed in it before the operation of forming annular protrusions on the outer surface of the pipe, FIG. 2 - the stage of filling the outer annular groove of the matrix, in FIG. 3 shows the stage of filling the pipe material with the inner annular groove of the matrix; FIG. 4 shows the initial position of the tube sheet, pipe and the rolling mill installed in its opening (only one of the three rolling rollers is conventionally shown), FIG. 5 - the end of the rolling stage of the pipe with the formation of a point-to-point contact (points 1 and 2) between the pipe and the pipe hole, in FIG. 6 - the stage of plastic formation of the annular seals at the location of points 1 and 2, in FIG. 7 - the end of the stage of formation of the annular seals at the location of points 1, 2 and 3, in FIG. 8 - milling connection of the pipe with the tube sheet containing one-piece joints at points 1, 2 and 3.

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

Производят подготовку теплообменной трубы к сборке с трубной решеткой, формируя на внешней поверхности ее концов кольцевые выступы треугольного поперечного сечения. Для чего через отверстие прижима 1 (в его нерабочем состоянии) устанавливают предварительно обжатую трубу 2 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 треугольного поперечного сечения. Причем глубина внешней (относительно торца трубы) кольцевой канавки матрицы 3 меньше, чем глубина внутренней кольцевой канавки. На матрице 3, установленной на торце трубы 2, располагают толстостенную обойму 4 из закаленной стали, обеспечивая требуемую жесткость технологической оснастке. В связи с тем, что длина выступающего конца трубы 2 превышает длину матрицы 3, между поверхностью обоймы 4 и внутренним торцем матрицы 3 наблюдается некоторый зазор "h", что позволяет именовать такую матрицу, как "плавающую". В отверстии трубы 2 размещают ступенчатый пуансон 5, диаметр большой ступени которого меньше внешнего диаметра обжатого конца трубы 2. The heat exchange pipe is prepared for assembly with a tube sheet, forming annular protrusions of a triangular cross section on the outer surface of its ends. For this, a pre-compressed pipe 2 is installed through the clip 1 opening (in its inoperative state) so that its end is located at a certain distance from the surface of the clip 1. At the protruding end of the pipe 2, a cutting matrix 3 having two ring rings is placed in the working cavity grooves of a triangular cross section. Moreover, the depth of the outer (relative to the end of the pipe) annular grooves of the matrix 3 is less than the depth of the inner annular groove. On the matrix 3, mounted on the end of the pipe 2, a thick-walled ferrule 4 made of hardened steel is placed, providing the required rigidity for tooling. Due to the fact that the length of the protruding end of the pipe 2 exceeds the length of the matrix 3, a certain gap “h” is observed between the surface of the casing 4 and the inner end of the matrix 3, which allows us to name such a matrix as “floating”. In the hole of the pipe 2, a stepped punch 5 is placed, the diameter of the large step of which is less than the external diameter of the compressed end of the pipe 2.

Отметим, что 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 (фиг. 1). Note that the outer surface of the end of the pipe is pre-cleaned to a metallic luster, and before installing the pipe 2 on the working surfaces of the tooling, grease is applied. Then, with clamp 1, the pipe 2 is fixed from possible axial movement (Fig. 1).

Прикладывая осевое сжимающее усилие к торцу пуансона 5, вызывают пластическую деформацию материала трубы 2, последовательно реализуя операции ее раздачи до касания ее внешней поверхностью полости матрицы 3 (фиг. 1), прямое выдавливание материала трубы 2 во внешнюю кольцевую канавку матрицы 3 (фиг. 2), обжим трубы 2 с выдавливанием ее материала во внутреннюю кольцевую канавку матрицы 3 (фиг. 3), что вызывает устранение зазора "h" между внутренним торцем матрицы 3 и торцем обоймы 4 и, наконец, некоторое прямое выдавливание материала трубы 2 с формированием на ее торце кольцевого углубления (фиг. 3). Applying an axial compressive force to the end face of the punch 5, plastic deformation of the material of the pipe 2 is caused, sequentially performing the operations of its distribution until it touches the outer surface of the cavity of the matrix 3 (Fig. 1), direct extrusion of the material of the pipe 2 into the outer annular groove of the matrix 3 (Fig. 2 ), crimping the pipe 2 with extruding its material into the inner annular groove of the matrix 3 (Fig. 3), which eliminates the gap “h” between the inner end of the matrix 3 and the end of the holder 4 and, finally, some direct extrusion of the material of the pipe 2 with lowering at its end face of the annular recess (Fig. 3).

Затем совершают удаление пуансона 5 из отверстия трубы 2. Описанные операции выполняют на втором конце трубы 2. После чего приступают к выполнению операции закрепления трубы 2 в отверстии трубной решетки 6 (фиг. 4). Трубу 2 вводят в отверстие трубной решетки 6, располагая ее торец заподлицо с лицевой поверхностью последней. В отверстии трубы 2 располагают механическую роликовую вальцовку (показан один ее ролик 7). Then make the removal of the punch 5 from the hole of the pipe 2. The described operations are performed at the second end of the pipe 2. Then proceed to the operation of fixing the pipe 2 in the hole of the tube sheet 6 (Fig. 4). The pipe 2 is introduced into the hole of the tube sheet 6, placing its end flush with the front surface of the latter. In the hole of the pipe 2 is a mechanical roller rolling (one of its roller 7 is shown).

Сообщая роликам 7 вальцовки вращательное движение и радиальное их перемещение, выполняют операцию привальцовки трубы 2. Свободное перемещение стенки трубы 2 в радиальном направлении завершается (фиг. 5) моментом, когда будет иметь место двухточечный ее контакт с поверхностью трубного отверстия. Дальнейшее приложение нормального давления к внутренней поверхности трубы 2 приводит к развитию пластического контакта между трубой 2 и трубным отверстием по местоположению точек 1 и 2 (фиг. 6). Informing the rolling rollers 7 of the rotational movement and their radial movement, they perform the rolling operation of the pipe 2. The free movement of the pipe wall 2 in the radial direction ends (Fig. 5) with the moment when its point-to-point contact with the surface of the pipe hole takes place. Further application of normal pressure to the inner surface of the pipe 2 leads to the development of plastic contact between the pipe 2 and the pipe hole at the location of points 1 and 2 (Fig. 6).

Особенностью раскатки трубы 2 в данном случае является ее осевое перемещение от точки 1 в направлении лицевой поверхности трубной решетки 6. Это объясняется тем, что наблюдается пластическая деформация материала трубы 2 в переходной зоне между двумя ее цилиндрическими участками. В один из моментов раскатки трубы 2 деформации будет подвергаться и внешний кольцевой выступ (точка 3). Упрочненный материал трубы 2 по местоположению кольцевых выступов, внедряясь в поверхность трубного отверстия, пластически деформируется при высоких локальных давлениях (фиг. 7), образуя кольцевые уплотнения, и одновременно перемещается в осевом направлении. В результате пластического сдвига материала трубы 2 относительно поверхности отверстия в трубной решетке наблюдается обновление контактируемых поверхностей. Ювенильные (чистые) контактируемые поверхности на завершающей стадии развальцовки (раскатки) в сочетании с большими локальными давлениями обуславливают явление холодной сварки соединяемых материалов по местоположению кольцевых уплотнений (фиг. 8). A feature of rolling pipe 2 in this case is its axial movement from point 1 in the direction of the front surface of the tube sheet 6. This is because plastic deformation of the material of pipe 2 is observed in the transition zone between its two cylindrical sections. At one of the moments of rolling the pipe 2, an external annular protrusion (point 3) will also be subjected to deformation. The hardened material of the pipe 2 at the location of the annular protrusions, penetrating into the surface of the pipe hole, is plastically deformed at high local pressures (Fig. 7), forming ring seals, and simultaneously moves in the axial direction. As a result of a plastic shift of the material of the pipe 2 relative to the surface of the hole in the tube sheet, contact surfaces are updated. Juvenile (clean) contact surfaces at the final stage of flaring (rolling) in combination with high local pressures cause the phenomenon of cold welding of the materials to be joined at the location of the O-rings (Fig. 8).

Имеющий место поперечный сдвиг стенки трубы вызывает упрочнение ее материала (поверхности сдвига показаны на фиг. 8 пунктирными линиями). The transverse shear of the pipe wall taking place causes hardening of its material (the shear surfaces are shown in dashed lines in Fig. 8).

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 и 0,25 мм, их основание составляло 2,0 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 the tube sheets of steel Art. 3. The initial geometric dimensions of the pipe were: external diameter 25 mm, wall thickness 2.5 mm. The height of the annular protrusions was 0.5 mm and 0.25 mm, their base was 2.0 mm. The distance between the protrusions is 10.5 mm. The diameter of the pipe holes was 25.4 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. Кольцевые канавки треугольного поперечного сечения в матрице технологической оснастки выполняли со следующими геометрическими размерами: основанием 2 мм; высотой 0,25 и 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. The annular grooves of a triangular cross section in the tooling matrix were made with the following geometric dimensions: a base of 2 mm; 0.25 and 0.5 mm high.

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 вальцовками отечественного производства. Fastening of pipes in tube sheets was carried out by rolling of domestic production.

Установлено, что операция формирования разновеликих по высоте кольцевых выступов треугольного поперечного сечения на внешней поверхности конца трубы в сочетании со сжимающими радиальными давлениями на внутренней поверхности трубы обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных комбинированных соединений, приводит к сравнительно небольшому удорожанию трубы и 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 от 0,075 - 0,085 МН. It has been established that the operation of forming annular protrusions of triangular cross section of varying height on the outer surface of the pipe end in combination with compressive radial pressures on the inner surface of the pipe ensures guaranteed increased service characteristics of milling combined joints, leads to a relatively small rise in the cost of the pipe and significantly increases the overhaul distance of the tube bundle subject to the possibility of repeated use of tube sheets. Tests for pulling the pipe out of the tube sheet revealed that the pipe deforming force is between 0.075 and 0.085 MN.

Плотность соединений обеспечивала 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 installing the pipe in the tube hole, fixing it from possible movement and then securing it in the tube sheet by applying compressive forces to the inner surface, characterized in that initially, applying compressive forces to the inner surface of the pipe, they do not consistently less than two of its plastic local contacts with the surface of the hole of the tube sheet, and a one-piece connection is formed under conditions of movement of the pipe at a length from tsa to the first local contact in the direction of the front surface of the tubesheet.