RU2168385C2

RU2168385C2 - Method for securing tubes in tube grids

Info

Publication number: RU2168385C2
Application number: RU99112252/02A
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: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: plastic working of metals. SUBSTANCE: method involves mounting tube in tube grid opening provided with annular grooves; fixing tube against possible displacement and securing it by applying compression force to inner surface of tube by means of rolls. Circular portion with curved generatrix faced to tube axis is preliminarily formed at tube end. Circular portion has length equal to distance between outer edges of opening annular grooves. Upon mounting, this portion is positioned opposite annular grooves. Compression force is applied to inner surface of tube at portion with curved generatrix. Annular grooves of tube grid are initially filled with tube material, with following formation of final rolled connection, with surface layers of tube grid being subjected to the action of extension force. Method allows tubes to be secured in tube grids of heat-exchanging units with the usage of effect of localized directed plastic deformation of tube material. EFFECT: increased efficiency by improved operating characteristics of rolled connections. 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 деформирования материала трубы. Известен комбинированный способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу устанавливают в трубное отверстие, фиксируют ее от возможного перемещения, далее осуществляют закрепление трубы путем приварки ее торца к лицевой поверхности трубной решетки с последующим приложением сжимающего усилия к внутренней поверхности трубы, например, механической вальцовкой (см. ОСТ 26 - 02 -1015-85 " Крепление труб в трубных решетках"). К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести большую трудоемкость производства комбинированного соединения, связанную, в первую очередь, со сварочными работами. Кроме того, имеет место коробление трубной решетки, что снижает вероятность ее повторного использования. Развальцовка трубы (после приварки ее торца к лицевой поверхности трубной решетки) в трубном отверстии решетки при несимметричном зазоре между соединяемыми элементами не гарантирует равномерного давления на контактной поверхности и, следовательно, вносит дополнительные непредсказуемые эффекты на сохраняемость устойчивости трубной решеткой. The invention relates to the field of metal forming and, in particular, to processes for securing pipes in tube sheets of heat exchangers using the effect of localized directed plastic deformation of pipe material. A combined method of fixing pipes in tube sheets is known, in which a heat exchange pipe is installed in the pipe hole, it is fixed from possible movement, then the pipe is fixed by welding its end to the front surface of the tube sheet with subsequent application of compressive force to the pipe inner surface, for example, mechanical by rolling (see OST 26 - 02 -1015-85 "Fastening pipes in tube sheets"). The main disadvantage of the known method of fixing pipes in tube sheets should be attributed to the great complexity of the production of combined joints, associated primarily with welding. In addition, there is warping of the tube sheet, which reduces the likelihood of its reuse. Flaring of the pipe (after welding its end to the front surface of the tube sheet) in the tube hole of the plate with an asymmetric gap between the connected elements does not guarantee uniform pressure on the contact surface and, therefore, introduces additional unpredictable effects on the stability of the tube sheet.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с кольцевыми канавками на поверхности, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закреплением путем приложения к внутренней поверхности сжимающего усилия роликами механической вальцовки (RU 2078636 С1, 10.05.1997, В 21 D 39/06 - прототип). There is also known a method of securing pipes in tube sheets, including installing the pipe in the hole of the tube sheet, made with annular grooves on the surface, fixing the pipe from possible movement and then securing it by applying mechanical rolling to the inner surface of the compressive force (RU 2078636 C1, 10.05. 1997, B 21 D 39/06 - prototype).

Известный способ имеет тот недостаток, что такой параметр как плотность формируется в условиях, когда отсутствует деформация поверхностных слоев трубного отверстия, что представляет существенный резерв в повышении служебных характеристик (в том числе и коррозионной стойкости) вальцовочных соединений. The known method has the disadvantage that such a parameter as density is formed under conditions when there is no deformation of the surface layers of the pipe hole, which represents a significant reserve in improving the service characteristics (including corrosion resistance) of milling joints.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы формировал служебные характеристики вальцовочных соединений в условиях деформации поверхностных слоев отверстия трубной решетки. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would form the service characteristics of milling joints under conditions of deformation of the surface layers of the hole of the tube sheet.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с кольцевыми канавками на поверхности, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закреплением путем приложения к внутренней поверхности сжимающего усилия роликами механической вальцовки, согласно изобретению на конце трубы формируют кольцевой участок с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, имеющий длину, равную расстоянию между внешними кромками кольцевых канавок отверстия, установку трубы осуществляют с расположением упомянутого участка с криволинейной образующей напротив кольцевых канавок, а сжимающее усилие к внутренней поверхности трубы прикладывают на участке с криволинейной образующей с первоначальным заполнением материалом трубы кольцевых канавок трубной решетки и последующим окончательным образованием вальцовочного соединения в условиях растяжения поверхностных слоев трубной решетки. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including installing the pipe in the hole of the tube sheet, made with annular grooves on the surface, fixing the pipe from possible movement and then securing it by applying mechanical rolling rollers to the inner surface of the compressive force, according to According to the invention, an annular section is formed at the pipe end with a curved generatrix facing the pipe axis, having a length equal to the distance between the outer edges of the pipe. the ring grooves of the hole, the installation of the pipe is carried out with the location of the aforementioned section with a curvilinear generatrix opposite the annular grooves, and a compressive force is applied to the inner surface of the pipe in the section with the curvilinear generatrix with the initial filling of the pipe material of the annular grooves of the pipe lattice and the subsequent final formation of the rolling joint under conditions of tensile surface layers of the tube sheet.

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

Это объясняется тем, что, во-первых, произведя предварительный обжим конца трубы на внешний диаметр, точками которого (после выполнения стадии привальцовки) являются внешние кромки кольцевых канавок, формируют изначальный контакт поверхности трубы с поверхностью трубного отверстия. Во-вторых, предварительный обжим трубы вызывает упрочнение ее материала, придавая требуемую жесткость обжатому участку трубы. В-третьих, механические свойства материала трубы будут наименьшими в сечениях, лежащих в плоскости внешних боковых кромок кольцевых канавок. This is because, firstly, after preliminary crimping the end of the pipe to an external diameter, the points of which (after the rolling stage) are the outer edges of the annular grooves, form the initial contact of the pipe surface with the surface of the pipe hole. Secondly, preliminary crimping of the pipe causes hardening of its material, giving the required rigidity to the compressed section of the pipe. Thirdly, the mechanical properties of the pipe material will be the smallest in sections lying in the plane of the outer lateral edges of the annular grooves.

В соответствии с этими условиями воздействие роликами вальцовки на внутреннюю поверхность обжатого участка трубы приводит к реализации одновременного сдвига материала трубы относительно внешних кромок кольцевых канавок (первая стадия развальцовки). Обжатый участок трубы перемещается в радиальном направлении пластическим сдвигом ее материала относительно внешних кромок обеих кольцевых канавок без изменения своего профиля на глубину, равную глубине кольцевых канавок. Возрастающее сжимающее усилие роликов механической вальцовки в один из моментов обусловит контакт обжатого участка трубы с внутренними кромками кольцевых канавок и последующий пластический сдвиг материала трубы. Таким образом, осуществляется локальное заполнение объемов кольцевых канавок материалом трубы без существенного воздействия на перемычку трубного отверстия. Процесс закрепления завершается окончательной стадией развальцовки, когда строго регламентируется радиальная деформация соединяемых элементов. Заполнение объемов кольцевых канавок материалом трубы изменяет внутренний ее профиль, что упрощает контроль образуемого соединения. In accordance with these conditions, the action of the rolling rollers on the inner surface of the compressed section of the pipe leads to the simultaneous shift of the pipe material relative to the outer edges of the annular grooves (the first stage of flaring). The compressed section of the pipe moves in the radial direction by a plastic shift of its material relative to the outer edges of both annular grooves without changing its profile to a depth equal to the depth of the annular grooves. The increasing compressive force of the mechanical rolling rollers at one point will cause the pressed section of the pipe to contact the inner edges of the annular grooves and the subsequent plastic shear of the pipe material. Thus, local filling of the volume of the annular grooves with pipe material is carried out without significant impact on the jumper of the pipe hole. The fixing process ends with the final stage of flaring, when the radial deformation of the connected elements is strictly regulated. Filling the volume of the annular grooves with the pipe material changes its internal profile, which simplifies the control of the formed connection.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1-а показана теплообменная труба в технологической оснастке перед обжимом ее конца; на фиг. 1-б - стадия окончания формирования обжатого участка трубы; на фиг. 2 - исходное положение трубы в трубном отверстии перед выполнением операции ее закрепления роликами механической вальцовки; на фиг. 3 - завершение стадии привальцовки трубы к стенкам трубного отверстия; на фиг. 4 - завершение стадии сдвига материала трубы относительно внешних кромок кольцевых канавок; на фиг. 5 - завершение стадии сдвига материала трубы относительно внутренних кромок кольцевых канавок; на фиг. 6 - вальцовочное соединение. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1-a shows a heat exchange pipe in a tooling before crimping its end; in FIG. 1-b - the stage of completion of the formation of the compressed section of the pipe; in FIG. 2 - the initial position of the pipe in the pipe hole before the operation of its fastening by the rollers of mechanical rolling; in FIG. 3 - completion of the rolling stage of the pipe to the walls of the pipe hole; in FIG. 4 - completion of the shear stage of the pipe material relative to the outer edges of the annular grooves; in FIG. 5 - completion of the shear stage of the pipe material relative to the inner edges of the annular grooves; in FIG. 6 - milling connection.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем. Теплообменную трубу 1, прошедшую операции правки, отрезки в меру и поверхностной зачистки внешних поверхностей концов, размещают в горизонтальном положении и фиксируют от возможного перемещения радиальным давлением (на фиг. 1-а показано стрелками) на некотором расстоянии от торца. Далее на выступающем конце трубы 1 размещают толстостенный контейнер 2 (со ступенчатым внутренним профилем) из закаленной стали, имеющий диаметр сквозного отверстия, выполненный с наименьшим зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 1. При этом между боковой поверхностью ступенчатой полости контейнера 2 и внешней поверхностью трубы 1 формируется глухая полость, в которую устанавливают втулку 3 из упругого материала, например полиуретана. Причем высота втулки 3 меньше, чем длина выступающего конца трубы 1. В отверстие трубы 1 вводят ступенчатый пуансон 4 с диаметром малой ступени, меньшим диаметра отверстия трубы 1. Большая ступень пуансона 4 выполнена с диаметром, равным внешнему диаметру трубы 1. В зазор между трубой 1 и стенками контейнера 2 устанавливают втулочный пуансон 5 (фиг. 1-а). Воздействуя осевым усилием на втулочный пуансон 5, вызывают сжатие втулки 3 и, как следствие, пластическое формоизменение - обжим трубы 1 до внутреннего диаметра, определяемого диаметром малой ступени пуансона 4 (фиг. 1-б). Таким образом, на трубе 1 сформирована профилированная законцовка, состоящая из цилиндрического участка длиной "h"с исходными геометрическими размерами и участка длиной "h₁", имеющего криволинейную образующую, обращенную к оси трубы 1.An embodiment of the invention is as follows. The heat exchange tube 1, which has undergone straightening operations, measures to the extent and surface cleaning of the outer surfaces of the ends, is placed in a horizontal position and fixed from possible movement by radial pressure (shown in Fig. 1-a by arrows) at a certain distance from the end face. Next, at the protruding end of the pipe 1, a thick-walled container 2 (with a stepped inner profile) made of hardened steel having a diameter of a through hole made with the smallest gap with respect to the outer diameter of the pipe 1 is placed. Moreover, between the lateral surface of the stepped cavity of the container 2 and the outer surface of the pipe 1, a blind cavity is formed in which the sleeve 3 is made of an elastic material, for example polyurethane. Moreover, the height of the sleeve 3 is less than the length of the protruding end of the pipe 1. Into the hole of the pipe 1 enter a stepped punch 4 with a diameter of a small step smaller than the diameter of the hole of the pipe 1. A large step of the punch 4 is made with a diameter equal to the outer diameter of the pipe 1. In the gap between the pipe 1 and the walls of the container 2 establish a sleeve punch 5 (Fig. 1-a). Acting axial force on the sleeve punch 5, cause compression of the sleeve 3 and, as a result, plastic deformation - crimping the pipe 1 to an inner diameter determined by the diameter of the small stage of the punch 4 (Fig. 1-b). Thus, a profiled tip is formed on the pipe 1, consisting of a cylindrical section of length "h" with the original geometric dimensions and a section of length "h ₁ " having a curved generatrix facing the axis of the pipe 1.

Трубу 1 профилированной законцовкой размещают в отверстии трубной решетки 6 таким образом, чтобы ее обжатая часть находилась напротив кольцевых канавок трубной решетки (фиг. 2). В отверстие профилированной законцовки устанавливают механическую вальцовку с роликами 7 (на фиг. 2 условно показан один из трех роликов). Приложение усилия роликом 7 к внутренней поверхности обжатого участка трубы 1 реализует стадию ее привальцовки к поверхности отверстия трубной решетки 6. Последующая стадия локальной развальцовки приводит к тому, что внешние кромки кольцевых канавок, являясь концентраторами напряжений, обуславливают деформацию стенки трубы 1 пластическим сдвигом материала последней. Имеет место частичное заполнение объемов кольцевых канавок (фиг 3). Причем обжатый участок трубы 1 не изменяет своего профиля. Вместе с тем, возникающий контакт трубы 1 с внутренними кромками боковых поверхностей кольцевых канавок в условиях нарастающего по величине сжимающего усилия ролика 7 на внутреннюю поверхность обжатого участка приводит к аналогичному выше пластическому сдвигу материала трубы 1 (фиг. 4), но уже в условиях восприятия поверхностными слоями трубного отверстия растягивающих напряжений. Данным этапом завершают заполнение объемов кольцевых канавок материалом трубы 1 и осуществляют регламентируемую (фиг. 5) совместную деформацию трубы 1 и перемычки трубной решетки 6, достигая требуемой величины остаточного давления на контактной их поверхности (фиг. 6). The pipe 1 with a profiled tip is placed in the hole of the tube sheet 6 so that its compressed part is opposite the annular grooves of the tube sheet (Fig. 2). A mechanical rolling with rollers 7 is installed in the opening of the profiled tip (one of three rollers is conventionally shown in FIG. 2). The application of force by roller 7 to the inner surface of the compressed section of pipe 1 implements the stage of rolling it to the surface of the hole of the tube sheet 6. The subsequent stage of local expansion leads to the fact that the outer edges of the annular grooves, being stress concentrators, cause the wall of pipe 1 to deform by plastic shearing of the material of the latter. There is a partial filling of the volume of the annular grooves (Fig 3). Moreover, the compressed section of the pipe 1 does not change its profile. However, the occurring contact of the pipe 1 with the inner edges of the side surfaces of the annular grooves under conditions of increasing compressive force of the roller 7 on the inner surface of the compressed section leads to a similar plastic shift of the material of the pipe 1 (Fig. 4), but already under surface conditions layers of pipe hole tensile stresses. This stage completes the filling of the volume of the annular grooves with the material of the pipe 1 and carries out the regulated (Fig. 5) joint deformation of the pipe 1 and the lintel of the pipe lattice 6, reaching the desired residual pressure on their contact surface (Fig. 6).

Аналогичную операцию по закреплению трубы 1 в отверстии трубной решетки 6 выполняют и на втором профилированном конце трубы 1. A similar operation to secure the pipe 1 in the hole of the tube sheet 6 is performed at the second profiled end of the pipe 1.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб в трубных решетках из стали 16 ГС толщиной 60 мм. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2, 5 мм и длина 3000 мм. A pilot test of the developed method took place when fixing steel (steel 20) pipes in tube sheets of steel 16 GS 60 mm thick. The initial geometric dimensions of the pipe were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm and length 3000 mm.

Технологическая оснастка для выполнения локального обжима трубы изготавливалась из стали Х12Ф, имевшей твердость после закалки HRC = 56-58 ед. по 7-му квалитету точности. The technological equipment for performing local crimping of the pipe was made of steel X12F, which had hardness after quenching HRC = 56-58 units. according to the 7th accuracy class.

Упругим материалом для втулки являлся полиуретан марки СКУ - 7Л. Геометрические размеры втулки: диаметр - 45 мм, высота - 17 мм, диаметр отверстия - 25 мм. The elastic material for the sleeve was polyurethane brand SKU - 7L. The geometric dimensions of the sleeve: diameter - 45 mm, height - 17 mm, hole diameter - 25 mm.

Малая ступень пуансона имела диаметр - 18,7 мм. The small step of the punch had a diameter of 18.7 mm.

Обжим труб производили на гидравлической установке двойного действия при усилиях 0,15 - 0,17 МН, обеспечивающий уменьшение внешнего диаметра трубы до 23,8 мм. The pipes were crimped in a double-acting hydraulic unit with efforts of 0.15 - 0.17 MN, which provided a reduction in the external diameter of the pipe to 23.8 mm.

Отверстия трубной решетки выполняли диаметром 25,15 мм со стандартными кольцевыми канавками прямоугольного поперечного сечения с геометрическими размерами: шириной - 3 мм, глубиной - 0,5 мм. The holes of the tube sheet were made with a diameter of 25.15 mm with standard annular grooves of rectangular cross-section with geometric dimensions: width - 3 mm, depth - 0.5 mm.

Закрепление труб в трубных решетках проводили отечественными вальцовками на стенде фирмы " Индреско". The fastening of pipes in tube sheets was carried out by domestic rolling at the stand of the company "Indresco".

Исследования характеристик прочности и плотности полученных вальцовочных соединений выявили их повышенные значения по отношению к вальцовочным соединениям, полученным по традиционной технологии. При этом отмечаются улучшенные характеристики коррозионной стойкости. Studies of the strength and density characteristics of the obtained rolling compounds revealed their increased values with respect to the rolling compounds obtained by traditional technology. At the same time, improved corrosion resistance characteristics are noted.

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 hole of the tube sheet, made with annular grooves on the surface, fixing the pipe from possible movement and then securing it by applying mechanical rolling to the inner surface of the compressive force, characterized in that an annular section with a curved generatrix facing the axis of the pipe, having a length equal to the distance between the outer edges of the annular grooves of the hole, the pipe is installed stvlyayut with the location of said portion with a curvilinear generatrix opposite annular grooves, while the compression force to the pipe inner surface is applied on an area with a curvilinear generatrix with the original pictures filling tube the annular grooves of the tube sheet and the subsequent formation of the final rolling compound under tension of the surface layers of the tube sheet.