RU2163850C1

RU2163850C1 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2163850C1
Application number: RU99113151/02A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Батраев; С.И. Козий; С.С. Козий; Л.А. Резник
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева; ООО "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: plastic metal working, possibly securing tubes to tube plates of heat exchange apparatuses at using effect of localized oriented plastic deformation of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of crimping end portions of tube; placing one tube end into die parting along generatrix and having inner and outer annular trapezoidal cross section grooves; fixing tube against axial motion and forming annular protrusions on outer surface of its end portion; placing tube in opening of tube plate having rectangular cross section annular grooves; matching annular protrusions of tube with annular grooves of tube opening; fixing tube against possible motion and fastening it in tube opening due to applying compression effort, for example by rolling, to inner surface of tube; reducing tube end with different deformation degree along said end for forming two portions; arranging one portion of tube end subjected to higher deformation at side of tube end surface; at placing tube in die opening, arranging tube end portion reduced with less deformation in front of inner annular groove. EFFECT: improved corrosion resistance of tube joint. 6 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 the processes of fixing pipes in the tube sheets of heat exchangers using the effect of localized directional plastic deformed pipe material.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором изготовленную одним из методов обработки металлов давлением трубу подвергают правке, резке на мерную длину и последующей зачистке внешних поверхностей концов трубы на заданную длину, далее трубу одним из концов устанавливают в отверстие трубной решетки и, прикладывая сжимающее усилие к внутренней поверхности трубы, например роликами механической вальцовки, осуществляют закрепление последней (см. ОСТ 26-02-1015-85). There is a method of fixing pipes in tube sheets, in which a pipe made by one of the methods of metal forming is subjected to dressing, cutting to a measured length and subsequent cleaning of the outer surfaces of the pipe ends to a predetermined length, then the pipe is installed at one end of the pipe into the hole of the tube sheet and applying compressive the force to the inner surface of the pipe, for example, by mechanical rolling rollers, secures the latter (see OST 26-02-1015-85).

Недостатком известного способа является то, что им не предусматривается какое-либо изменение внешней гладкой поверхности зачищенных концов трубы, направленное на улучшение заполняемости объемов кольцевых канавок отверстий трубных решеток. В результате образование вальцовочного соединения с требуемыми служебными характеристиками является весьма проблематичным. The disadvantage of this method is that it does not provide for any change in the external smooth surface of the cleaned ends of the pipe, aimed at improving the occupancy of the volume of the annular grooves of the holes of the tube sheets. As a result, the formation of a rolling joint with the required service characteristics is very problematic.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий обжим концов трубы, установку одного из концов в разъемную по образующей матрицу, имеющую внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от осевого перемещения, формирование на внешней поверхности ее конца кольцевых выступов, последующее размещение трубы в отверстии трубной решетки, выполненном с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия (RU 2129054 C1, B 21 D 39/06, 20.04.99 - прототип). There is also known a method of securing pipes in tube sheets, including crimping the ends of the pipe, installing one of the ends in a detachable generatrix having an external and internal annular grooves of a trapezoidal cross section, fixing the pipe from axial movement, forming annular protrusions on the outer surface of its end, subsequent placing the pipe in the hole of the tube sheet made with annular grooves of rectangular cross-section, fixing the pipe from possible movement and then securing it e in the opening by applying to the inner surface of the pipe compressive force (RU 2129054 C1, B 21 D 39/06, 20.04.99 - the prototype).

К главному недостатку известного способа следует отнести формирование кольцевых выступов из толщины стенки трубы. Как следствие, имеет место формирование кольцевых выступов с не равными внешними диаметрами и для трубных пучков ремонтного варианта, когда между трубой и стенками трубного отверстия наблюдается увеличенный зазор, вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой может обладать пониженными коррозионными характеристиками. The main disadvantage of this method is the formation of annular protrusions from the wall thickness of the pipe. As a result, there is the formation of annular protrusions with unequal external diameters for the tube bundles of the repair option, when an increased clearance is observed between the tube and the walls of the tube hole, the milling connection of the tube with the tube sheet may have reduced corrosion characteristics.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение равных по внешнему диаметру кольцевых выступов и не приводил к снижению профилированной законцовкой своих коррозионных характеристик. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would ensure equal ring diameters in outer diameter and would not lead to a reduction in the profiled tip of their corrosion characteristics.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем обжим концов трубы, установку одного из концов в разъемную по образующей матрицу, имеющую внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения, фиксацию трубы от осевого перемещения, формирование на внешней поверхности ее конца кольцевых выступов, последующее размещение трубы в отверстии трубной решетки, выполненном с кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, согласно изобретению обжим конца трубы выполняют с различной степенью деформации по его длине с образованием двух участков, один из которых, имеющий большую степень деформации, располагают со стороны торца трубы, а установку конца трубы в разъемную матрицу производят с расположением участка, обжатого с меньшей степенью деформации, напротив внутренней кольцевой канавки. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including crimping the ends of the pipe, installing one of the ends in a detachable along a generatrix having an external and internal annular grooves of a trapezoidal cross section, fixing the pipe from axial movement, forming it on the outer surface the end of the annular protrusions, the subsequent placement of the pipe in the hole of the tube sheet made with annular grooves of rectangular cross-section, the fixation of the pipe from a possible movement According to the invention, crimping the end of the pipe is carried out with a different degree of deformation along its length to form two sections, one of which having a large degree of deformation is located on the side of the pipe end, and the end of the pipe is installed in a detachable matrix with the location of the section, crimped with a lower degree of deformation, opposite the inner annular groove.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет формировать внешние кольцевые выступы на концах трубы с равными по величине диаметрами при относительно низких по уровню деформирующих усилиях. Implementation of the proposed method for securing pipes in tube sheets allows the formation of external annular protrusions at the ends of the pipe with equal diameters at relatively low deforming forces.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости конца трубы на длине, подвергаемой осевому сжатию, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы свободного объема внутренней (считая от лицевой поверхности матрицы) кольцевой ее канавки. Для чего предусматривают два припуска материала трубы, предназначенных соответственно для заполнения объемов каждой из кольцевых канавок и обеспечивают пластическое течение обрабатываемого материала первоначально в объем внутренней кольцевой канавки. Уменьшение деформирующего усилия достигают использованием плавающей матрицы, формирующей активные силы трения, и новой последовательностью заполнения объемов кольцевых канавок матрицы. This is because, using the effect of variable stiffness of the pipe end over the length subjected to axial compression, conditions are created for more efficiently filling the pipe material with the free volume of its internal (counting from the front surface of the matrix) ring grooves. For this, two allowances of pipe material are provided, respectively designed to fill the volumes of each of the annular grooves and provide plastic flow of the processed material initially into the volume of the inner annular groove. A decrease in the deforming force is achieved by using a floating matrix, forming active friction forces, and a new sequence of filling the volume of the annular grooves of the matrix.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана матрица с размещенной в ней концом теплообменной трубы перед осуществлением его обжима с различной степенью деформации по длине; на фиг. 2 - стадия окончания обжима конца теплообменной трубы; на фиг. 3 - исходное положение конца трубы и технологической оснастки перед формированием на внешней его поверхности кольцевых выступов; на фиг. 4 - стадия пластического течения материала трубы в объем внутренней кольцевой канавки матрицы; на фиг. 5 - стадия заполнения материалом трубы объема внешней кольцевой канавки матрицы; на фиг. 6 - стадия калибровки кольцевых выступов и диаметра отверстия в трубе. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a matrix with the end of a heat exchange tube placed in it before crimping it with a different degree of deformation along the length; in FIG. 2 - stage of the end of crimping the end of the heat exchange pipe; in FIG. 3 - the initial position of the end of the pipe and tooling before forming annular protrusions on its outer surface; in FIG. 4 - stage of plastic flow of pipe material into the volume of the inner annular groove of the matrix; in FIG. 5 - the stage of filling the pipe material with the volume of the outer annular groove of the matrix; in FIG. 6 - stage calibration of the annular protrusions and the diameter of the holes in the pipe.

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

Выполняют операции на теплообменной трубе с целью подготовки ее поверхности к последующему формированию кольцевых выступов: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка внешней поверхности концов до металлического блеска. Operations are performed on the heat-exchange pipe in order to prepare its surface for the subsequent formation of annular protrusions: straightening the pipe, a segment of its measured length and cleaning the outer surface of the ends to a metallic luster.

Далее трубу 1, например из стали 10 (фиг. 1), одним из ее концов размещают в матрице 2. Последняя имеет рабочую полость с двумя обжимающими поясками. Трубу 1 фиксируют от возможного перемещения приложением радиального давления к ее внешней поверхности (показано стрелками). Next, the pipe 1, for example of steel 10 (Fig. 1), is placed at one of its ends in the matrix 2. The latter has a working cavity with two compression belts. The pipe 1 is fixed from possible movement by application of radial pressure to its outer surface (shown by arrows).

Прикладывая усилие к матрице 2 (фиг. 2) вызывают ее перемещение в осевом направлении. В результате имеет место последовательный обжим конца трубы 1 с различной степенью деформации по его длине, причем большая степень деформации материала трубы 1 реализуется со стороны ее торца. Applying force to the matrix 2 (Fig. 2) cause its movement in the axial direction. As a result, there is a sequential crimp of the end of the pipe 1 with a different degree of deformation along its length, and a large degree of deformation of the material of the pipe 1 is realized from the side of its end.

Трубу 1 ее обжатым участком (фиг. 3) устанавливают в отверстие разъемной по образующей матрицы 3, которая имеет возможность осевого перемещения относительно охватывающей ее толстостенной обоймы 4 из закаленной стали. Трубу 1 фиксируют от возможного перемещения прижимом 5. В отверстии матрицы 3 выполнены кольцевые канавки (внешняя и внутренняя, считая от лицевой ее поверхности) трапециевидного поперечного сечения. Обжатым концом трубу 1 размещают в матрице 3 таким образом, чтобы участок, деформированный на меньшую степень деформации, располагался напротив внутренней кольцевой канавки. The pipe 1 with its crimped section (Fig. 3) is installed in an opening that is detachable along a generatrix of the matrix 3, which has the possibility of axial movement relative to the thick-walled cage 4 of hardened steel enclosing it. The pipe 1 is fixed from possible movement by the clamp 5. In the hole of the matrix 3 there are annular grooves (external and internal, counting from its front surface) of a trapezoidal cross section. The compressed end of the pipe 1 is placed in the matrix 3 so that the area deformed to a lesser degree of deformation is located opposite the inner annular groove.

В отверстие трубы внедряют ступенчатый пуансон 6, вызывая частичную раздачу ее участка, обжатого на большую степень деформации, и появление контактного давления (показано стрелками). Большая ступень пуансона 6 имеет диаметр, равный среднему диаметру трубы 1 (фиг. 3). A step punch 6 is introduced into the hole of the pipe, causing a partial distribution of its portion, compressed to a large degree of deformation, and the appearance of contact pressure (shown by arrows). The large step of the punch 6 has a diameter equal to the average diameter of the pipe 1 (Fig. 3).

Приложение осевого усилия к пуансону 6 обеспечивает раздачу трубы 1 и выдавливание ее материала в объем внутренней кольцевой канавки. С момента заполнения объема внутренней кольцевой канавки (фиг. 4) материалом трубы 1 наблюдается совместное движение пуансона 6 и матрицы 3. В результате перемещения последней на ее внешней поверхности (за внешней кромкой внутренней канавки) возникают силы трения (фиг. 5), направленные в сторону внутренней кольцевой канавки (показаны стрелками). Материал трубы 1 из нижнего припуска (располагаемого между торцем матрицы 3 и прижимом 5) пластическим течением заполняет зазор между малой ступенью пуансона 6 и матрицей 3. The application of axial force to the punch 6 provides the distribution of pipe 1 and extrusion of its material into the volume of the inner annular groove. From the moment the volume of the inner annular groove (Fig. 4) is filled with the material of the pipe 1, the joint movement of the punch 6 and the die 3 is observed. As a result of the latter moving on its outer surface (behind the outer edge of the inner groove), friction forces arise (Fig. 5) directed to side of the inner circumferential groove (shown by arrows). The material of the pipe 1 from the lower allowance (located between the end face of the matrix 3 and the clamp 5) with plastic flow fills the gap between the small step of the punch 6 and the matrix 3.

Заключительной стадией является стадия калибровки кольцевых выступов, реализуемая выдавливанием материала трубы 1 из верхнего припуска (со стороны рабочего торца пуансона 6) в свободные объемы канавок матрицы 3 (фиг. 6). The final stage is the calibration stage of the annular protrusions, realized by extruding the material of the pipe 1 from the upper allowance (from the working end of the punch 6) into the free volumes of the grooves of the matrix 3 (Fig. 6).

Таким образом, производят теплообменную трубу с утолщенной законцовкой, имеющую равные диаметры кольцевых выступов. Thus, a heat exchanger tube with a thickened tip having equal diameters of the annular protrusions is produced.

Далее в соответствии с технологией, описанной в прототипе (RU 2129054 C1, B 21 D 39/06, 20.04.99), осуществляют закрепление труб в отверстиях трубных решеток. Further, in accordance with the technology described in the prototype (RU 2129054 C1, B 21 D 39/06, 04/20/99), the pipes are fixed in the holes of the tube sheets.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в отверстиях трубных решеток, изготовленных из стали 16ГС толщиной 80 мм. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Труба обжималась на гидравлическом прессе в штамповой оснастке до внешних диаметров - 24 мм (участок с меньшей степенью деформации) и 23,8 мм (участок с большей степенью деформации). Обжатые участки трубы имели длину в 18 мм и 12 мм соответственно для большей и меньшей степеней деформации. Общая длина обжатого конца трубы составляла 30 мм. A pilot test of the developed method took place when fixing steel (steel 20) pipes with profiled external tips in the openings of the tube sheets made of steel 16GS with a thickness of 80 mm. The initial geometric dimensions of the pipe were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm. The pipe was crimped on a hydraulic press in a die tooling to external diameters of 24 mm (section with a lower degree of deformation) and 23.8 mm (section with a higher degree of deformation). The compressed sections of the pipe had a length of 18 mm and 12 mm, respectively, for greater and lesser degrees of deformation. The total length of the compressed end of the pipe was 30 mm.

Частичную раздачу трубы на максимально обжатом участке ее длины осуществляли ступенчатым пуансоном, имеющим диаметр малой ступени - 18,7 мм. Partial distribution of the pipe at the most compressed section of its length was carried out by a stepped punch having a diameter of a small step of 18.7 mm.

Кольцевые выступы получали холодным выдавливанием в плавающей матрице. При внешнем диаметре кольцевых выступов, равном 25 мм, высота кольцевых выступов равнялась 0,51 мм (для глубины кольцевых канавок трубного отверстия в 0,5 мм), а их основание равнялось ширине кольцевой канавки - 3,0 мм. Расстояние между выступами - 10,0 мм. Диаметр отверстия трубы после формирования кольцевых выступов составлял 18,6 мм. 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 (for the depth of the annular grooves of the pipe hole in 0.5 mm), and their base was equal to the width of the annular groove - 3.0 mm. The distance between the protrusions is 10.0 mm. The diameter of the pipe hole after the formation of the annular protrusions was 18.6 mm.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками и ее закрепления в трубных отверстиях изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. The tooling for the production of pipes with external annular endings and its fastening in the pipe holes 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.

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.

Вальцовочные соединения выполнялись на стенде фирмы "Индреско" (США) вальцовками отечественного производства. Rolling joints were carried out at the stand of the company Indresco (USA) by rolling rolling of domestic production.

Установлено, что образование кольцевых выступов с равными диаметрами при относительно низких деформирующих усилиях гарантирует формирование требуемого по величине остаточного давления на контактной поверхности кольцевых выступов с кольцевыми канавками трубного отверстия при закреплении трубы. Последнее обеспечивает 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 ограничивается прочностью ее исходного сечения на разрыв. It has been established that the formation of annular protrusions with equal diameters at relatively low deforming forces ensures the formation of the required residual pressure on the contact surface of the annular protrusions with annular grooves of the pipe hole when securing the pipe. The latter provides increased service characteristics of milling joints, significantly increases the turnaround mileage 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 deforming force of the pipe is limited by the tensile strength of its original section.

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 fixing pipes in tube sheets, including crimping the ends of the pipe, installing one of the ends in a detachable generatrix having external and internal annular grooves of a trapezoidal cross section, fixing the pipe from axial movement, forming annular protrusions on the outer surface of its end, and then placing the pipe in the hole of the tube sheet made with annular grooves of rectangular cross-section, the pipe is fixed from possible movement and its subsequent fixing in the hole Then, a compressive force is applied to the inner surface of the pipe, characterized in that the end of the pipe is crimped with varying degrees of deformation along its length to form two sections, one of which, having a large degree of deformation, is located on the side of the pipe end, and the pipe end is detachable the matrix is produced with the location of the area, crimped with a lower degree of deformation, opposite the inner annular groove.