RU2170153C2

RU2170153C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2170153C2
Application number: RU99114359/02A
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: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-07-10

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely processes for securing tubes to tube plates of heat exchangers with use of effect of localized oriented plastic deformation of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of placing tube after preliminary operations in tube plate opening having two annular grooves; fixing tube against possible motion and fastening it due to applying compression effort to its inner surface by expansion; preliminarily profiling outer surface of tube by forming on it cone portion whose apex is arranged behind end of tube and portion having curvilinear generatrix turned to tube axis and joined with cone portion; placing tube in opening of tube plate without gap and arranging portion with curvilinear generatrix in front of annular grooves of tube plate opening. EFFECT: possibility for providing necessary characteristics of "tube-to-tube plate" joints without applying increased pressure to inner surface of tube. 5 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 деформированная 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 directional plastic deformed pipe material.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу одним из концов устанавливают в трубное отверстие, фиксируют ее от возможного осевого перемещения, приваривают торец трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующей развальцовкой трубы путем приложения сжимающего к ее внутренней поверхности усилия, например механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Ленинград: Судостроение, 1972, 143 с.). A known method of fixing pipes in tube sheets, in which a heat exchange pipe is installed at one end in a pipe hole, it is fixed from possible axial movement, the pipe end is welded to the front surface of the pipe lattice, followed by flaring of the pipe by applying a compressive force to its inner surface, for example, mechanical rolling (see Doroshenko P.A. Production technology of ship steam generators and heat exchangers, Leningrad: Shipbuilding, 1972, 143 pp.).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести повышенную стоимость производства комбинированных соединений. Кроме того, последние имеют определенное ограничение по использованию, так как не все материалы, образующие пары соединяемых элементов, являются свариваемыми. The main disadvantage of the known method of securing pipes in tube sheets should include the increased cost of production of combined compounds. In addition, the latter have a certain restriction on use, since not all materials forming pairs of connected elements are welded.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку прошедшей подготовительные операции трубы в отверстие трубной решетки, имеющее на своей поверхности две кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление путем приложения к внутренней поверхности сжимающего усилия механической вальцовкой (RU, 2078386 С1, 10.05.1997, В 21 D 39/06 - прототип). There is also a method of securing pipes in tube sheets, including installing the pipe that has undergone preparatory operations in the hole of the tube sheet, having two annular grooves on its surface, fixing the pipe from possible movement and then securing it by applying mechanical rolling to the inner surface of the compressive force (RU, 2078386 C1, 05/10/1997, B 21 D 39/06 - prototype).

Недостатком известного способа является возможность незаполняемости объемов кольцевых канавок трубного отверстия материалом трубы. Достижение же требуемых значений эксплуатационных характеристик вальцовочных соединений в этом случае обеспечивается приложением повышенных сжимающих усилий на внутреннюю поверхность трубы. The disadvantage of this method is the possibility of non-fillability of the volume of the annular grooves of the pipe hole with pipe material. The achievement of the required values of the operational characteristics of the rolling joints in this case is ensured by the application of increased compressive forces on the inner surface of the pipe.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение требуемых эксплуатационных характеристик вальцовочных соединений без применения повышенных давлений на внутренней поверхности трубы. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would provide the required operational characteristics of milling joints without the use of increased pressures on the inner surface of the pipe.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку прошедшей подготовительные операции трубы в отверстие трубной решетки, имеющее на своей поверхности две кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление путем приложения к внутренней поверхности сжимающего усилия механической вальцовкой, согласно изобретению, предварительно внешнюю поверхность конца трубы профилируют с получением конического участка, вершина конуса которого расположена за торцем трубы, и плавно сопряженного с упомянутым коническим участком участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, а установку трубы в отверстие трубной решетки осуществляют без зазора, располагая участок с криволинейной образующей напротив кольцевых канавок 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 that has undergone preparatory operations in the hole of the tube sheet, having two annular grooves on its surface, fixing the pipe from possible movement and then securing it by applying mechanical compressive force to the inner surface by rolling, according to the invention, the outer surface of the end of the pipe is pre-shaped to obtain a conical section, the top of the cone of which is located wife of the pipe end and blending with said tapered portion forming a curved portion facing the axis of the pipe, pipe fitting and the hole of the tube sheet is carried out without a gap, positioning portion with a curvilinear generatrix opposite the annular grooves of the tube sheet.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения труб с трубными решетками, обладающих повышенными характеристиками прочности без приложения повышенных сжимающих усилий на внутреннюю поверхность трубы. Implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows to obtain milling pipe joints with tube sheets having improved strength characteristics without the application of increased compressive forces on the inner surface of the pipe.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости трубы на длине, подвергаемой осевому сжатию, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок трубного отверстия. В частности, выполнением конусного участка на торце трубы, осуществляют ее беззазорную постановку в трубное отверстие, обеспечивая контакт соединяемых элементов. При этом устраняется операция привальцовки трубы и внешний ее контур приобретает профиль трубного отверстия. Применение на трубе участка с криволинейной образующей, обращенной к ее оси, локализует пластическую деформацию материала трубы, позволяя осуществить качественное заполнение им объемов кольцевых канавок. This is because, using the effect of variable pipe stiffness over the length subjected to axial compression, conditions are created for more efficiently filling the volume of the annular grooves of the pipe hole with the pipe material. In particular, by performing a conical section at the end of the pipe, it is set to be gaplessly inserted into the pipe hole, providing contact of the connected elements. This eliminates the operation of rolling the pipe and its external contour acquires the profile of the pipe hole. The use on the pipe of a section with a curvilinear generatrix facing its axis localizes the plastic deformation of the pipe material, making it possible to qualitatively fill them with volumes of annular grooves.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а показана теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед профилированием ее внешней поверхности; на фиг. 1б- окончание стадии профилирования внешней поверхности конца трубы; на фиг. 2 - окончание стадии беззазорной установки трубы в трубное отверстие; на фиг. 3 - стадия развальцовки трубы в трубном отверстии; на фиг. 4 - окончание стадии развальцовки трубы в трубном отверстии; на фиг. 5 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1a shows a heat exchange pipe located in a tooling before profiling its outer surface; in FIG. 1b - the end of the stage of profiling the outer surface of the end of the pipe; in FIG. 2 - end of the stage of gapless installation of the pipe in the pipe hole; in FIG. 3 - stage of flaring the pipe in the pipe hole; in FIG. 4 - end of the stage of expansion of the pipe in the pipe hole; in FIG. 5 - milling connection of the pipe with the tube sheet.

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

На теплообменной трубе 1 выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка поверхности до металлического блеска. Далее трубу 1 (фиг. 1) одним из ее концов располагают в контейнере 2, имеющем ступенчатую рабочую полость. При этом диаметр сквозного отверстия в контейнере 2 выполнен с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 1. Последнюю фиксируют посредством радиального давления (показано стрелками) от осевого перемещения прижимом 3, располагаемым за контейнером 2. Установку трубы 1 в полости контейнера 2 осуществляют таким образом, чтобы ее торец отстоял на некотором расстоянии от донной поверхности полости. На выступающем конце трубы в полости контейнера 2 размещают кольцо 4 из упругого материала, например, полиуретана марки СКУ-7Л. On the heat exchange pipe 1, operations are performed to prepare the outer surface of its ends for profiling: straightening the pipe, a segment of its measured length and cleaning the surface to a metallic luster. Next, the pipe 1 (Fig. 1) is placed at one of its ends in a container 2 having a stepped working cavity. The diameter of the through hole in the container 2 is made with a minimum clearance relative to the outer diameter of the pipe 1. The latter is fixed by radial pressure (shown by arrows) from axial movement by the clamp 3 located behind the container 2. The installation of pipe 1 in the cavity of the container 2 is carried out in this way so that its end face is defended at a certain distance from the bottom surface of the cavity. At the protruding end of the pipe, a ring 4 of elastic material, for example, polyurethane grade SKU-7L, is placed in the cavity of the container 2.

И в зазор между стенками контейнера 2 и трубой 1 вводят втулочный пуансон-матрицу 5, имеющий на своей внутренней поверхности конический участок. В отверстии втулочного пуансона-матрицы 5 размещают с минимальным зазором большую ступень ограничительного стержня 6, малая ступень которого выполнена с зазором по отношению к диаметру отверстия трубы 1. And in the gap between the walls of the container 2 and the pipe 1 enter the sleeve punch-matrix 5, having on its inner surface a conical section. In the hole of the sleeve die punch-matrix 5, a large step of the restrictive rod 6 is placed with a minimum clearance, the small step of which is made with a gap with respect to the diameter of the hole of the pipe 1.

Воздействуя осевым усилием на втулочный пуансон-матрицу 5 вызывают сжатие упругого кольца 4 и, как следствие, приложение сжимающего усилия к части внешней поверхности трубы 1, размещенной в контейнере 2. Осевое перемещение втулочного пуансона-матрицы 5 вызывает локальный обжим трубы 1 в сочетании с обжимом ее торца, формируя конический участок, вершина которого располагается вне торца. Профилирование внешней поверхности конца трубы 1 завершается с формированием на ее внешней поверхности конического участка, плавно переходящего в участок с криволинейной образующей, направленной к оси трубы 1. The axial force acting on the sleeve die punch 5 causes compression of the elastic ring 4 and, as a result, the application of compressive force to the part of the outer surface of the pipe 1 located in the container 2. The axial movement of the sleeve die punch 5 causes local compression of the pipe 1 in combination with the crimp its end, forming a conical section, the apex of which is located outside the end. Profiling the outer surface of the end of the pipe 1 is completed with the formation on its outer surface of a conical section that smoothly passes into the section with a curved generatrix directed to the axis of the pipe 1.

Затем подобное профилирование внешней поверхности трубы 1 производят на втором ее конце. Then, such profiling of the outer surface of the pipe 1 is carried out at its second end.

Закреплению трубы 1 предшествует стадия беззазорной постановки (за счет осевого на нее воздействия) профилированного конца в отверстии трубной решетки 7 (фиг. 2). В этом случае конический участок трубы 1 способствует более легкому ее прохождению через отверстия в перегородках и в отверстии трубной решетки 7. Обязательным условием правильной постановки трубы 1 в трубном отверстии является размещение участка с криволинейной образующей напротив кольцевых канавок. The fastening of the pipe 1 is preceded by the stage of clearance-free setting (due to the axial impact on it) of the profiled end in the hole of the tube sheet 7 (Fig. 2). In this case, the conical section of the pipe 1 facilitates its easier passage through the holes in the partitions and in the hole of the tube sheet 7. A prerequisite for the correct placement of the pipe 1 in the pipe hole is to place a section with a curved generatrix opposite the annular grooves.

Поперечное сечение последних представляет собой прямоугольные трапеции с вершинами острых углов, направленных в межканавочное пространство. Контроль постановки достигается по размещению кромки торца трубы 1 в площади лицевой поверхности трубной решетки 7. The cross section of the latter is a rectangular trapezoid with the vertices of sharp angles directed into the inter-groove space. Setting control is achieved by placing the edge of the pipe end 1 in the area of the front surface of the tube sheet 7.

В отверстие трубы 1 вводят корпус механической вальцовки, содержащий три конических ролика 8 (условно показан один из них). Задавая вращательное движение роликам 8 в сочетании с радиальным их перемещением совершают операцию развальцовки трубы 1. Поскольку опорными элементами для участка трубы 1 с криволинейной образующей являются внешние кромки кольцевых канавок трубного отверстия, то воздействие роликов 8 на утолщенный и упрочненный обжатый участок трубы 1 приводит к концентрации напряжений на внешних кромках кольцевых канавок и, как следствие, реализации пластического сдвига материала трубы 1 (фиг. 3). Имеет место фиксирование трубы 1 по боковым поверхностям внешних кромок трубного отверстия, что способствует пластическому затеканию материала трубы 1 в его кольцевые канавки. A case of mechanical rolling is introduced into the hole of the pipe 1, containing three conical rollers 8 (one of them is conventionally shown). By setting the rotational movement of the rollers 8 in combination with their radial movement, they perform the flaring operation of the pipe 1. Since the supporting elements for the pipe section 1 with a curvilinear generatrix are the outer edges of the annular grooves of the pipe hole, the effect of the rollers 8 on the thickened and hardened compressed section of the pipe 1 leads to concentration stresses on the outer edges of the annular grooves and, as a consequence, the implementation of the plastic shear material of the pipe 1 (Fig. 3). There is a fixation of the pipe 1 on the lateral surfaces of the outer edges of the pipe hole, which contributes to the plastic flowing of the material of the pipe 1 into its annular grooves.

Завершающаяся стадия развальцовки трубы 1 в трубном отверстии характеризуется полным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы 1 в условиях растяжения поверхностных слоев трубного отверстия (фиг. 4). Снятие деформирующего собираемые элементы усилия обуславливает их совместную упругую разгрузку, что предопределяет получение вальцовочным соединением заданных характеристик прочности и плотности (фиг. 5). The final stage of the expansion of the pipe 1 in the pipe hole is characterized by the complete filling of the volume of the annular grooves with the material of the pipe 1 under conditions of tension of the surface layers of the pipe hole (Fig. 4). Removing the deforming assembled elements of the force determines their joint elastic unloading, which determines the receipt of the rolling connection specified characteristics of strength and density (Fig. 5).

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. Внешние поверхности концов трубы предварительно профилировались в технологической оснастке: конический ее участок имел диаметр 24,6 мм, а участок с криволинейной образующей обжимался до диаметра, равного 23,8 мм. Общая длина профилированного участка конца трубы составляла 18 мм. Профилирование концов трубы выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0,2 МН. 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 outer surfaces of the ends of the pipe were previously profiled in technological equipment: its conical section had a diameter of 24.6 mm, and the section with a curved generatrix was crimped to a diameter of 23.8 mm. The total length of the profiled section of the pipe end was 18 mm. The profiling of the pipe ends was performed in a tooling on a horizontal double-acting hydraulic press with forces of not more than 0.2 MN.

Трубные отверстия изготавливались диаметрами 25 мм. Кольцевые канавки трубных отверстий имели: большее основание трапеции - 3 мм, меньшее основание трапеции - 2,5 мм, глубину - 0,25 мм. Расстояние между канавками 10 мм. Pipe holes were made with diameters of 25 mm. The annular grooves of the pipe holes had: a larger trapezoid base - 3 mm, a smaller trapezoid base - 2.5 mm, a depth of 0.25 mm. The distance between the grooves is 10 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.

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 кромкам кольцевых канавок в сочетании с остаточным давлением на контактной поверхности формируемых кольцевых выступов с кольцевыми канавками обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений; значительно увеличивает (по сравнению с традиционной технологией по прототипу) межремонтный пробег трубного пучка при условии возможности неоднократного использования трубных решеток. Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки подтверждены повышенные прочностные характеристики вальцовочных соединений. It has been established that the formation of ring seals along the edges of the ring grooves in combination with the residual pressure on the contact surface of the formed ring protrusions with the ring grooves provides guaranteed enhanced service characteristics of the rolling joints; significantly increases (compared with the traditional technology of the prototype) 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 confirmed the increased strength characteristics of milling joints.

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 the pipe that has undergone preparatory operations in the hole of the tube sheet, having two annular grooves on its surface, fixing the pipe from possible movement and subsequently securing it by applying mechanical rolling to the inner surface of the compressive force, characterized in that the outer surface of the end of the pipe is profiled to obtain a conical section, the top of the cone of which is located behind the end of the pipe, and smoothly interfaced with the conical section of the section with a curved generatrix facing the axis of the pipe, and the installation of the pipe in the hole of the pipe lattice is carried out without a gap, placing the section with a curved generatrix opposite the ring grooves of the pipe lattice.