RU2164189C2

RU2164189C2 - Method for fastening tube in tube plates

Info

Publication number: RU2164189C2
Application number: RU99108109/02A
Authority: RU
Inventors: С.С. Козий; С.И. Козий; Г.А. Батраев
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева; ООО "Ремонтно-механический завод "
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2001-03-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely, fastening of tubes in tube plates of heat exchange apparatuses with use of effect of oriented localized plastic deformation of metal. SUBSTANCE: method comprises steps of forming on tube annular cross rigidity ribs for preventing unexpected axial yielding of tube material at forming annular protrusions. Annular rigidity ribs are formed by locally reducing tube and by subsequent irreversible expansion of reduced tube portions to initial geometry size. Then tube is placed in die parted along its generatrix and fixed against axial motion. On outer surface of tube end trapezoidal cross section annular protrusions are formed. Tube with protrusions is placed in tube plate opening having on its surface annular rectangular cross section grooves. Annular protrusions of tube are matched with annular grooves of opening. Then compression effort is applied to inner surface of tube for fastening tube in opening of tube plate. EFFECT: enhanced strength characteristics of joints. 7 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 теплообменную трубу устанавливают в трубном отверстии, фиксируют ее от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения нормального к внутренней поверхности трубы давления, например механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. - Л.: Судостроение, 1972, 143 с. ). There is a method of fixing pipes in pipe sheets, in which a heat exchange pipe is installed in the pipe hole, it is fixed from possible axial movement, followed by fixing in the pipe sheet by applying normal pressure to the inner surface of the pipe, for example, by mechanical rolling (see Doroshenko P.A. Technology production of ship steam generators and heat exchangers. - L .: Shipbuilding, 1972, 143 pp.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести неравномерное остаточное давление по длине вальцовочного пояска и, как следствие, относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений. Для устранения данного недостатка прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям. Последнее обуславливает коробление трубной решетки, выдавливание материала трубы в осевом направлении из-за имеющего место угла наклона образующей боковой поверхности ролика к образующей внутренней поверхности трубы, а значит короткий (повышенная коррозия) межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата. The main disadvantage of the known method of securing pipes in tube sheets is the uneven residual pressure along the length of the rolling girdle and, as a result, the relatively low service characteristics of the rolling joints. To eliminate this drawback, resort to increased pressure deforming the pipe. The latter causes warping of the tube sheet, extrusion of the tube material in the axial direction due to the angle of inclination of the generatrix of the lateral surface of the roller to the generatrix of the inner surface of the pipe, and therefore a short (increased corrosion) overhaul run of the tube bundle of the heat exchanger.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку подготовленной к обработке трубы в разъемную по образующей матрицу, фиксацию трубы от осевого перемещения, размещение в ней ступенчатого пуансона, формирование на внешней поверхности конца трубы кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения, установку трубы в трубное отверстие, имеющее на своей поверхности кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, с совмещением кольцевых выступов трубы с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия (RU N 2109589 С1, B 21 D 39/06, 27.04.98)- прототип. There is also known a method of securing pipes in tube sheets, including installing prepared pipe for processing in a detachable generatrix, fixing the pipe from axial movement, placing a stepped punch in it, forming annular protrusions of a trapezoidal cross section on the outer surface of the pipe end, installing the pipe in the pipe hole having on its surface annular grooves of rectangular cross-section, with a combination of the annular projections of the pipe with the annular grooves of the pipe hole, fix the formation of the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by applying compressive forces to the inner surface of the pipe (RU N 2109589 C1, B 21 D 39/06, 04/27/98) - prototype.

Недостатком известного способа (особенно для трубных пучков ремонтного варианта) является возможность формирования кольцевых выступов с различными внешними диаметрами, например внешний диаметр внутреннего кольцевого выступа может иметь меньшие геометрические размеры, чем внешний диаметр наружного (если рассматривать относительно лицевой поверхности трубной решетки) кольцевого выступа. Последнее приводит к различным механическим свойствам материала трубы по местоположению кольцевых выступов и может влиять на прочностные характеристики вальцовочного соединения. A disadvantage of the known method (especially for tube bundles of the repair option) is the possibility of forming annular protrusions with different external diameters, for example, the outer diameter of the inner annular protrusion can have smaller geometric dimensions than the outer diameter of the outer (if considered relative to the front surface of the tube sheet) annular protrusion. The latter leads to various mechanical properties of the pipe material at the location of the annular protrusions and can affect the strength characteristics of the milling connection.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение равных по внешнему диаметру кольцевых выступов, а следовательно, гарантировал бы повышенные характеристики прочности вальцовочных соединений. 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 therefore would guarantee enhanced strength characteristics of milling joints.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку подготовленной к обработке трубы в разъемную по образующей матрицу, фиксацию трубы от осевого перемещения, размещение в ней ступенчатого пуансона, формирование на внешней поверхности конца трубы кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения, установку трубы в трубное отверстие, имеющее на своей поверхности кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения, с совмещением кольцевых выступов трубы с кольцевыми канавками трубного отверстия, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, согласно изобретению перед формированием кольцевых выступов на трубе образуют кольцевые поперечные жесткости для предотвращения непредсказуемого течения материала трубы в осевом направлении при формировании кольцевых выступов, при этом упомянутые кольцевые жесткости образуют путем локального обжима трубы и последующей необратимой раздачи обжатых участков до исходных геометрических размеров при размещении в ней ступенчатого пуансона. The technical result is achieved by the fact that in the method of securing the pipes in the tube sheets, including installing the pipe prepared for processing in a detachable matrix, fixing the pipe from axial movement, placing a stepped punch in it, forming annular protrusions of a trapezoidal cross section on the outer surface of the pipe end, installation of the pipe in a pipe hole having annular grooves of rectangular cross section on its surface, with a combination of the annular projections of the pipe with the annular Avkami pipe holes, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by applying compressive forces to the inner surface of the pipe, according to the invention, annular transverse stiffnesses are formed on the pipe before forming annular protrusions on the pipe to prevent unpredictable flow of pipe material in the axial direction when forming annular protrusions wherein said annular stiffnesses are formed by local crimping of the pipe and subsequent irreversible distribution of crimped chastkov to the original geometric dimensions when placing therein a stepped punch.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения труб с трубными решетками, обладающих повышенными характеристиками прочности. The implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows to obtain milling pipe joints with tube sheets with improved strength characteristics.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости трубы на длине, подвергаемой осевому сжатию, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы свободного объема внутренней кольцевой канавки матрицы. В результате чего имеет место интенсивное упрочнение материала трубы и внешний диаметр внутреннего кольцевого выступа на трубе приобретает размеры, равные размерам внешнего диаметра наружного кольцевого выступа. This is explained by the fact that, using the effect of variable pipe stiffness over the length subjected to axial compression, conditions are created for more efficiently filling the free volume of the pipe with the pipe material of the inner annular groove of the matrix. As a result, there is intense hardening of the pipe material and the outer diameter of the inner annular protrusion on the pipe acquires dimensions equal to the dimensions of the outer diameter of the outer annular protrusion.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана теплообменная труба с внешними силами, обеспечивающими ее локальный обжим; на фиг. 2 - теплообменная труба после осуществления ее локального обжима; на фиг. 3 - стадия размещения ступенчатого пуансона в отверстии трубы, вызвавшая необратимую раздачу одной из обжатых частей трубы; на фиг. 4 - исходное положение трубы (после раздачи обжатых ее частей) и технологической оснастки перед формированием на внешней поверхности конца трубы кольцевых выступов; на фиг. 5 - стадия окончания формирования кольцевых выступов на внешней поверхности конца трубы; на фиг. 6 - исходное положение трубы и трубной решетки перед образованием вальцовочного соединения; на фиг. 7 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a heat exchange tube with external forces providing its local crimp; in FIG. 2 - heat transfer tube after the implementation of its local crimping; in FIG. 3 - the stage of placing the stepped punch in the hole of the pipe, which caused the irreversible distribution of one of the compressed parts of the pipe; in FIG. 4 - the initial position of the pipe (after distribution of its compressed parts) and tooling before forming annular protrusions on the outer surface of the pipe end; in FIG. 5 - the stage of completion of the formation of annular protrusions on the outer surface of the pipe end; in FIG. 6 - the initial position of the pipe and tube sheet before the formation of the rolling connection; in FIG. 7 - milling connection of the pipe with the tube sheet.

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 до металлического блеска. Далее, одним из известных способов обработки металлов давлением (например, обжим разжимными сегментными пуансонами в штамповой оснастке) выполняют локальный (фиг. 1, по местоположению стрелок) обжим трубы на заданном от торца расстоянии (фиг. 2). Operations are performed on the heat-exchange pipe in order to prepare its surface for the subsequent formation of annular protrusions: straightening the pipe, measuring its length and cleaning the outer surface to a metallic luster. Further, one of the known methods of metal forming (for example, crimping with expandable segment punches in die tooling) performs local (Fig. 1, by the location of the arrows) crimping the pipe at a specified distance from the end (Fig. 2).

Затем трубу 1 фиксируют от возможного перемещения, за пределами обжатых частей, внешним радиальным давлением (на фиг. 3 показано стрелками). На выступающей части длины трубы 1 размещают разъемную по образующей матрицу 2, имеющую две кольцевые канавки трапециевидного поперечного сечения. Со стороны внешней поверхности матрицы 2 устанавливают толстостенную обойму 3 из закаленной стали. В отверстие трубы 1 устанавливают ступенчатый пуансон 4, имеющий два цилиндрических участка, сопряженных между собой коническим участком. Причем малая ступень пуансона 4 выполнена с наименьшим зазором по отношению к минимальному внутреннему диаметру трубы 1, а большая ступень - с наименьшим зазором по отношению к исходному внутреннему диаметру трубы 1. Приложение осевого усилия к торцу пуансона 4 вызывает его перемещение относительно трубы 1, что влечет за собой необратимую раздачу последней по местоположению обжатых частей (фиг. 3 и 4). Знакопеременная поперечная деформация трубы 1 приводит к упрочнению ее материала и, кроме того, обуславливает контактное давление между трубой 1 и большой ступенью пуансона 4 (на фиг. 4 показано стрелками). Таким образом, длина трубы 1, подлежащая осевому сжатию, разделена двумя кольцевыми поясками, имеющими отличные (повышенные) от исходных механические свойства. Then the pipe 1 is fixed from possible movement, outside the compressed parts, by external radial pressure (in Fig. 3 is shown by arrows). On the protruding part of the length of the pipe 1 is placed detachable along the generatrix of the matrix 2, having two annular grooves of a trapezoidal cross section. From the side of the outer surface of the matrix 2 establish a thick-walled clip 3 of hardened steel. In the hole of the pipe 1, a stepped punch 4 is installed, having two cylindrical sections, interconnected by a conical section. Moreover, the small step of the punch 4 is made with the smallest clearance with respect to the minimum inner diameter of the pipe 1, and the large step with the smallest clearance with respect to the initial internal diameter of the pipe 1. The application of axial force to the end of the punch 4 causes it to move relative to the pipe 1, which entails the irreversible distribution of the latter at the location of the crimped parts (Figs. 3 and 4). The alternating transverse deformation of the pipe 1 leads to hardening of its material and, in addition, causes contact pressure between the pipe 1 and the large step of the punch 4 (shown in Fig. 4 by arrows). Thus, the length of the pipe 1, subject to axial compression, is divided by two annular bands having excellent (increased) from the original mechanical properties.

Возрастающее осевое усилие на торце трубы 1 вызывает пластическое течение ее материала в свободные объемы кольцевых канавок матрицы 2. Наличие кольцевых поперечных жесткостей предотвращает непредсказуемое течение материала трубы 1 в осевом направлении. Отштампованные кольцевые выступы на внешней поверхности конца трубы 1 имеют равные диаметры, определяемые геометрическими размерами кольцевых канавок матрицы 2 (фиг.5). The increasing axial force at the end of the pipe 1 causes the plastic flow of its material into the free volumes of the annular grooves of the matrix 2. The presence of annular transverse stiffness prevents the unpredictable flow of the material of the pipe 1 in the axial direction. Stamped annular protrusions on the outer surface of the end of the pipe 1 have equal diameters, determined by the geometric dimensions of the annular grooves of the matrix 2 (figure 5).

Затем трубу 1 профилированной законцовкой вводят в отверстие трубной решетки 5, располагая кольцевые выступы напротив кольцевых канавок матрицы 2. В отверстие трубы 1 устанавливают вальцовку, имеющую три ролика, и вызывают приложение деформирующего трубу 1 усилия в радиальном направлении (на фиг. 6 показано стрелками). Реализация стадий привальцовки, когда наблюдается введение кольцевых выступов трубы 1 в кольцевые канавки матрицы 2, и развальцовки, когда имеет место совместная деформация трубы 1 и трубной решетки 5 по кольцевым выступам, формирует вальцовочное соединение, обладающее повышенными характеристиками прочности и плотности (фиг. 7). Then, the pipe 1 with a shaped tip is inserted into the hole of the tube sheet 5, placing the annular protrusions opposite the ring grooves of the matrix 2. A roll having three rollers is installed in the hole of the pipe 1 and cause the force of the pipe 1 deforming in the radial direction (shown in Fig. 6 by arrows) . The implementation of the rolling stages, when the introduction of the annular protrusions of the pipe 1 into the annular grooves of the matrix 2 is observed, and the expansion, when there is a joint deformation of the pipe 1 and the tube sheet 5 along the annular protrusions, forms a milling connection with increased strength and density characteristics (Fig. 7) .

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в трубных решетках из стали 16 ГС. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Труба предварительно локально обжималась разжимными сегментами в штамповой оснастке до внешнего диаметра, равного 24 мм. Обжатые участки трубы длиной 7 и 15 мм располагались на расстоянии 15 и 40 мм от ее торца. 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 16 GS. The initial geometric dimensions of the pipe were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm. The pipe was previously locally crimped by expandable segments in die tooling to an external diameter of 24 mm. The compressed sections of the pipe 7 and 15 mm long were located at a distance of 15 and 40 mm from its end.

Раздачу трубы на обжатых участках ее длины осуществляли ступенчатым пуансоном, имеющим диаметры: малой ступени - 18,6 мм; средней ступени - 19,9 мм и большой ступени - 22,0 мм. The distribution of the pipe on the compressed sections of its length was carried out by a stepped punch having diameters: of a small step - 18.6 mm; middle stage - 19.9 mm and large stage - 22.0 mm.

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, 15 мм. Диаметр отверстия трубы после формирования кольцевых выступов составлял 18,2 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 (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, 15 mm. The diameter of the pipe hole after the formation of the annular protrusions was 18.2 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 a trapezoidal cross section.

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

Установлено, что образование кольцевых уплотнений по всему периметру 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 ограничивается прочностью ее исходного сечения на разрыв. It has been established that the formation of ring seals around the entire circumference 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 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 installing a pipe prepared for processing in a detachable generatrix, fixing the pipe from axial movement, placing a stepped punch in it, forming annular trapezoidal cross sections on the outer surface of the pipe end, installing the pipe in a pipe hole having on its surface, annular grooves of rectangular cross-section, with a combination of the annular projections of the pipe with the annular grooves of the pipe hole, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by applying compressive forces to the pipe’s inner surface, characterized in that prior to the formation of the annular protrusions, annular transverse stiffnesses are formed on the pipe to prevent the pipe material from flowing in the axial direction during the formation of the annular protrusions, said annular stiffnesses are formed by local crimping of the pipe and subsequent irreversible distribution of the crimped sections to the original geometric dimensions When receiving the stepped punch.