RU2170635C2

RU2170635C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2170635C2
Application number: RU99119623/02A
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; Общество с ограниченной ответственностью "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely 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 profiling tube end portion along length less than spacing between outer edges of annular grooves of tube opening of tube plate for making portion with curvilinear generatrix turned to tube axis; placing tube end into tube opening with minimum gap in such a way that profiled portion of tube is arranged symmetrically relative to annular grooves of tube opening; fastening tube at expanding it by two stages while applying to inner surface of tube compression effort; at first stage expanding tube in portion between outer edges of annular grooves at filling volume of annular grooves with tube material. EFFECT: guaranteed operational characteristics of joints of tube-to-tube plates. 6 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, образующих 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 weldable.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку трубы, прошедшей подготовительные операции, одним концом в трубное отверстие, выполненное с двумя кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление (RU 2087231 C1, 20.08.1997, B 21 D 39/06 - прототип). There is also a method of securing pipes in tube sheets, including installing the pipe, which has undergone preparatory operations, at one end into a pipe hole made with two annular grooves, fixing the pipe from possible movement and then securing it (RU 2087231 C1, 08.20.1997, B 21 D 39/06 - prototype).

Недостатком известного способа является возможность в отдельных случаях не заполнения объемов кольцевых канавок трубного отверстия материалом трубы, что может отразиться на служебных характеристиках вальцовочных соединений. The disadvantage of this method is the possibility in some cases not to fill the volume of the annular grooves of the pipe hole with pipe material, which may affect the service characteristics of milling joints.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение гарантированных служебных характеристик вальцовочных соединений независимо от марок используемых труб. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets, which would provide guaranteed performance characteristics of milling joints, regardless of the brands of pipes used.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку трубы, прошедшую подготовительные операции, одним концом в трубное отверстие, выполненное с двумя кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление, согласно изобретению перед установкой конца трубы в трубное отверстие его профилируют на участке, имеющем длину, меньшую расстояния между внешними кромками кольцевых канавок, с получением участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, установку конца трубы в трубное отверстие осуществляют с минимальным зазором между ними, располагая профилированный участок симметрично кольцевым канавкам трубного отверстия, а закрепление трубы осуществляют путем ее развальцовки, которую проводят в две стадии приложением к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, при этом на первой стадии развальцовки производят раздачу трубы на участке между внешними кромками кольцевых канавок с заполнением материалом трубы объема кольцевых канавок. 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, which underwent preparatory operations, with one end into the pipe hole made with two annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing, according to the invention before installing the pipe end it is profiled into the pipe hole in a section having a length shorter than the distance between the outer edges of the annular grooves, to obtain a section with a curved generatrix facing the axis of the pipe, the installation of the end of the pipe into the pipe hole is carried out with a minimum gap between them, positioning the profiled section symmetrically to the annular grooves of the pipe hole, and the pipe is fixed by flaring, which is carried out in two stages by applying compressive force to the pipe’s inner surface, at the first stage of flaring produce distribution of the pipe in the area between the outer edges of the annular grooves with filling the material of the pipe volume of the annular grooves.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения труб с трубными решетками, обладающих требуемыми служебными характеристиками (в том числе коррозионной стойкостью) без приложения повышенных сжимающих усилий на внутреннюю поверхность трубы, что не вызывает коробления трубной решетки. Implementation of the proposed method for securing pipes in tube sheets allows one to obtain milling pipe connections with tube sheets having the required service characteristics (including corrosion resistance) without the application of increased compressive forces on the inner surface of the pipe, which does not warp the tube sheet.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости трубы, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок трубного отверстия. Отличительными особенностями здесь являются:
1) выбор технологической операции (раздача трубы) для реализации первой стадии развальцовки в условиях приложения относительно минимального усилия к внутренней поверхности трубы,
2) ограничение длины вальцовочного пояска практически расстоянием от лицевой поверхности трубной решетки до внутренней кромки второй кольцевой канавки трубного отверстия,
3) выбор геометрии профиля кольцевых канавок трубного отверстия, учитывающего положение стенки трубы на первой стадии развальцовки. Последняя выполняется локализованно в пределах расстояния между внешними кромками кольцевых канавок,
4) осуществление стадии первой развальцовки с одновременным заполнением объемов обеих кольцевых канавок.This is because, using the effect of variable pipe stiffness, they create conditions for more efficient filling of the volume of the annular grooves of the pipe hole with the pipe material. Distinctive features here are:
1) the choice of the technological operation (pipe distribution) for the implementation of the first stage of flaring under conditions of application of relatively minimal effort to the inner surface of the pipe,
2) limiting the length of the rolling girdle to practically the distance from the front surface of the tube sheet to the inner edge of the second annular groove of the tube hole,
3) the choice of the profile geometry of the annular grooves of the pipe hole, taking into account the position of the pipe wall in the first stage of flaring. The latter is performed locally within the distance between the outer edges of the annular grooves,
4) the implementation of the stage of the first expansion with the simultaneous filling of the volumes of both annular grooves.

Применение на трубе профилированного участка с длиной, меньшей расстояния между внешними кромками кольцевых канавок, на стадии первой развальцовки локализует пластическую деформацию материала трубы, позволяя осуществить заполнение им объемов кольцевых канавок первоначально посредством операции раздачи трубы. Деформирующие трубу усилия значительно уменьшаются, что не вызывает коробления трубной решетки. Локальный характер деформирования трубы устраняет причины, вызывающие повышенную коррозию теплообменной трубы. The use of a profiled section on the pipe with a length shorter than the distance between the outer edges of the annular grooves at the first flaring stage localizes the plastic deformation of the pipe material, allowing it to be filled with the volume of the annular grooves initially through the pipe-dispensing operation. The forces deforming the pipe are significantly reduced, which does not cause warping of the tube sheet. The local nature of the pipe deformation eliminates the causes of increased corrosion of the heat exchanger pipe.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а показана теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед выполнением предварительного ее обжима; на фиг. 1б - окончание стадии предварительного обжима внешней поверхности конца трубы; на фиг. 2а - теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке перед окончательным профилированием ее внешней поверхности; на фиг. 2б - окончание стадии профилирования конца трубы; на фиг. 3 - окончание стадии установки трубы в трубном отверстии с минимальным зазором; на фиг. 4 - стадия первой развальцовки трубы операцией ее раздачи с заполнением объемов кольцевых канавок трубного отверстия; на фиг. 5 - окончание стадии развальцовки трубы в трубном отверстии на укороченном вальцовочном пояске; на фиг. 6 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1a shows a heat exchange tube located in a tooling before crimping it first; in FIG. 1b - the end of the preliminary crimping stage of the outer surface of the pipe end; in FIG. 2a - heat transfer pipe located in the tooling before the final profiling of its outer surface; in FIG. 2b - the end of the stage of profiling the end of the pipe; in FIG. 3 - the end of the installation phase of the pipe in the pipe hole with a minimum clearance; in FIG. 4 - the stage of the first expansion of the pipe by the operation of its distribution with filling the volume of the annular grooves of the pipe hole; in FIG. 5 - end of the stage of expansion of the pipe in the pipe hole on a shortened rolling belt; in FIG. 6 - 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. 1а) 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 расстоянии " H " от донной поверхности полости. На выступающем конце трубы в полости контейнера 2 размещают кольцо 4 из упругого материала, например полиуретана марки СКУ-7 Л. И в зазор между стенками контейнера 2 и трубой 1 вводят втулочный пуансон 5. В отверстии втулочного пуансона 5 размещают с минимальным зазором большую ступень ограничительного стержня 6, малая ступень которого выполнена с зазором по отношению к диаметру отверстия трубы 1. Большая ступень пуансона ограничительного стержня 6 отстоит от донной поверхности контейнера 2 на расстоянии "B". 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. 1A) 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 at a distance of "H" from the bottom surface of the cavity. At the protruding end of the pipe, a ring 4 of elastic material is placed in the cavity of the container 2, for example, polyurethane grade SKU-7 L. And a sleeve punch 5 is introduced into the gap between the walls of the container 2 and the pipe 1. A large restrictive step is placed in the hole of the sleeve punch 5 with a minimum clearance rod 6, the small step of which is made with a gap with respect to the diameter of the hole of the pipe 1. The large stage of the punch of the restrictive rod 6 is separated from the bottom surface of the container 2 by a distance "B".

Воздействуя осевым усилием на втулочный пуансон 5 (фиг. 1б) 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 5 вызывает локальный предварительный обжим трубы 1. The axial force acting on the sleeve punch 5 (Fig. 1b) 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 punch 5 causes local preliminary crimping of the pipe 1.

Далее производят разборку оснастки и заменяют упругое кольцо 4 на упругое кольцо 7, а ограничительного стержня 6 на ограничительный стержень 8 (фиг. 2а). Next, the equipment is disassembled and the elastic ring 4 is replaced by the elastic ring 7, and the restriction rod 6 by the restriction rod 8 (Fig. 2a).

Вновь, прикладывая осевое усилие к торцу пуансона 5, осуществляют упругое деформирование кольца 7 с окончательным профилированием внешней поверхности конца трубы 1 (фиг. 2б). Again, applying axial force to the end face of the punch 5, elastic deformation of the ring 7 is carried out with the final profiling of the outer surface of the end of the pipe 1 (Fig. 2b).

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 постановки профилированного конца с минимальным зазором в отверстие трубной решетки 9, имеющем две кольцевые канавки треугольного поперечного сечения (фиг. 3). Для облегчения ввода трубы 1 в трубное отверстие возможно использование ловителя с коническим выступом или выполнение специального конического участка. The fastening of the pipe 1 is preceded by the stage of setting the profiled end with a minimum gap in the hole of the tube sheet 9 having two annular grooves of a triangular cross section (Fig. 3). To facilitate the entry of the pipe 1 into the pipe hole, it is possible to use a catcher with a conical protrusion or to perform a special conical section.

Обязательным условием правильной постановки трубы 1 в трубном отверстии является размещение участка с криволинейной образующей симметрично кольцевым канавкам. A prerequisite for the correct installation of the pipe 1 in the pipe hole is the placement of the plot with a curved generatrix symmetrically to the annular grooves.

Контроль постановки достигается по размещению кромки торца трубы 1 над лицевой поверхностью трубной решетки 9. Setting control is achieved by placing the edge of the pipe end 1 above the front surface of the tube sheet 9.

В уменьшенное операцией обжима отверстие трубы 1 вводят корпус механической вальцовки, содержащий три конических ролика. Задавая вращательное движение роликам в сочетании с радиальным их перемещением совершают стадию первой развальцовки трубы 1. Поскольку длина профилированного участка трубы 1 меньше расстояния между внешними кромками кольцевых канавок (фиг. 4), то опорными элементами для профилированного участка трубы 1 являются участки трубы с исходными геометрическими размерами, контактирующими с внешними кромками кольцевых канавок трубного отверстия. In the reduction of the crimping operation of the hole of the pipe 1 enter the mechanical rolling mill body containing three conical rollers. By setting the rotational movement of the rollers in combination with their radial movement, the stage of the first flaring of the pipe 1 is completed. Since the length of the shaped section of pipe 1 is less than the distance between the outer edges of the annular grooves (Fig. 4), the supporting elements for the shaped section of pipe 1 are the pipe sections with the original geometric dimensions in contact with the outer edges of the annular grooves of the pipe hole.

Воздействие роликов (условно показано стрелками) на утолщенный и упрочненный обжатый участок трубы 1 приводит к концентрации напряжений на внешних кромках кольцевых канавок и, как следствие, реализацию операции раздачи трубы 1 одновременно в обеих кольцевых канавках (фиг. 4). The effect of the rollers (arbitrarily shown by arrows) on the thickened and hardened compressed section of the pipe 1 leads to a concentration of stresses on the outer edges of the annular grooves and, as a result, the operation of distributing the pipe 1 simultaneously in both ring grooves (Fig. 4).

Завершающаяся стадия первой развальцовки трубы 1 в трубном отверстии характеризуется полным заполнением объемов кольцевых канавок материалом трубы. The final stage of the first flaring of the pipe 1 in the pipe hole is characterized by the complete filling of the volume of the annular grooves with the pipe material.

Для осуществления второй стадии развальцовки в отверстие трубы 1 вводят механическую вальцовку большего диаметра и производят (фиг. 5) строго регламентируемую совместную деформацию соединяемых элементов на укороченном вальцовочном пояске. To carry out the second stage of expansion, mechanical rolling of a larger diameter is introduced into the hole in the pipe 1 and a strictly regulated joint deformation of the connected elements on a shortened rolling belt is performed (Fig. 5).

Снятие деформирующего собираемые элементы усилия обуславливает их совместную упругую разгрузку (фиг 6), что предопределяет получение вальцовочным соединением заданных характеристик прочности и плотности. Removing deforming the assembled elements of the force determines their joint elastic unloading (Fig 6), which determines the receipt of the rolling connection of the specified characteristics of strength and density.

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, так, участок с криволинейной образующей обжимался до диаметра, равного 23,8 мм. Общая длина профилированного участка конца трубы составляла 13 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, so the section with a curved generatrix was crimped to a diameter equal to 23.8 mm. The total length of the profiled section of the pipe end was 13 mm. The profiling of the pipe ends was carried out in a tooling on a horizontal double-acting hydraulic press with forces not exceeding 0.2 Mn.

Трубные отверстия изготавливались с диаметрами, равными 25,05 мм. Кольцевые канавки треугольного поперечного сечения трубных отверстий имели: основание - 3 мм, высоту - 0,3 мм. Расстояние между внешними кромками кольцевых канавок составляло 14 мм. Pipe holes were made with diameters equal to 25.05 mm. The annular grooves of the triangular cross section of the pipe holes had: a base of 3 mm, a height of 0.3 mm. The distance between the outer edges of the annular grooves was 14 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 9-му квалитету точности. 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 9th accuracy class.

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

Установлено, что образование кольцевых уплотнений по поверхности 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 on the surface 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 milling 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, which underwent preparatory operations, with one end into a pipe hole made with two annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fastening, characterized in that it is shaped before installing the pipe end in the pipe hole in a section having a length shorter than the distance between the outer edges of the annular grooves, to obtain a section with a curved generatrix facing the axis of the pipe, installing the end of the pipe in the pipe hole The groove is carried out with a minimum gap between them, positioning the profiled section symmetrically to the annular grooves of the pipe hole, and the pipe is secured by flaring, which is carried out in two stages by applying compressive force to the pipe inner surface, while at the first stage of flaring, the pipe is distributed between the outer edges of the annular grooves with the material filling the pipe volume of the annular grooves.