RU2174886C2

RU2174886C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2174886C2
Application number: RU99122430/02A
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: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-10-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely processes for mounting tubes in tube plates of heat exchangers at using effect of local oriented plastic deforming of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of placing one end of preliminarily prepared tube in tube plate opening having inner and outer annular grooves; fixing tube against its possible motion and mounting it in opening of tube plate by expanding at applying compression effort to inner surface of tube; realizing expanding by two stages: at first stage forming annular supporting protrusion on tube at filling volume of inner annular groove of tube plate opening with tube material; at second stage pressing out tube material from its free end to supporting annular protrusion. EFFECT: possibility for achieving desired operational characteristics of expanded joint without increasing compression efforts acting upon inner surface of tube. 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 деформирования материала трубы. The invention relates to the field of metal forming, and, in particular, to the processes of fastening pipes in the tube sheets of heat exchangers using the effect of localized directional plastic deformation of the pipe material.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу одним из концов устанавливают в трубное отверстие, предварительно закрепляют в нем у внутренней плоскости трубной решетки в локальных участках одного сечения, а развальцовку соединяемых элементов производят от зоны закрепления трубы до лицевой плоскости трубной решетки (см. авт. св. на изобретение N 1119756, МПК B 21 D 39/06, опубл. 23.10.84, Бюл. N 39). A known method of securing pipes in tube sheets, in which the heat exchange pipe is installed at one end in a pipe hole, is pre-fixed in it at the inner plane of the tube sheet in local sections of the same section, and the expansion of the connected elements is carried out from the pipe fixing zone to the face plane of the tube sheet ( see ed. St. Invention No. 1119756, IPC B 21 D 39/06, publ. 23.10.84, Bull. No. 39).

К главному недостатку известного способа закрепления труб в трубных решетках следует отнести повышенную стоимость производства вальцовочных соединений и ограниченность его применения толщиной трубной решетки. The main disadvantage of the known method of fixing pipes in tube sheets should include the increased cost of production of milling joints and the limited use of the thickness of the tube sheet.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку прошедшей подготовительные операции трубы одним концом в отверстие трубной решетки, выполненное с внутренней и внешней кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем развальцовки, которую осуществляют приложением к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия (см. ОСТ 26-02-1015-85 - прототип). There is also known a method of securing pipes in tube sheets, including installing the pipe undergoing preparatory operations with one end into the hole of the tube sheet, made with internal and external annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fastening in the pipe hole by expansion, which is carried out by application to the inner the surface of the pipe compressive forces (see OST 26-02-1015-85 - prototype).

Недостатком известного способа является отсутствие взаимосвязи геометрии профиля кольцевых канавок с положением стенки трубы при выполнении ее закрепления в трубном отверстии решетки. В результате имеет место весьма неудовлетворительная заполняемость объемов кольцевых канавок трубного отверстия материалом трубы при наличии весьма значительного по величине прикладываемого сжимающего усилия к внутренней поверхности трубы. The disadvantage of this method is the lack of correlation of the geometry of the profile of the annular grooves with the position of the pipe wall when performing its fastening in the tube hole of the lattice. As a result, there is a very unsatisfactory occupancy of the volumes of the annular grooves of the pipe hole with the pipe material in the presence of a very significant applied compressive force to the inner surface of the pipe.

Служебные характеристики вальцовочного соединения главным образом формируются на площади контакта соединяемых элементов вне площади кольцевых канавок. Достижение же вальцовочными соединениями требуемых значений служебных характеристик в этом случае требует приложения повышенных сжимающих усилий на внутреннюю поверхность трубы. Последние обуславливают коробление трубной решетки, выдавливание материала трубы в осевом направлении из-за имеющего место угла наклона образующей боковой поверхности ролика механической вальцовки к образующей внутренней поверхности трубы, а значит, короткий (повышенная коррозия) межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата. Service characteristics of the milling connection are mainly formed on the contact area of the connected elements outside the area of the annular grooves. The achievement by rolling joints of the required values of service characteristics in this case requires the application of increased compressive forces on the inner surface of 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 mechanical rolling roller to the generatrix of the inner surface of the tube, and therefore, short (increased corrosion) overhaul run of the tube bundle of the heat exchanger.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение требуемых служебных характеристик вальцовочных соединений без приложения повышенных сжимающих усилий к внутренней поверхности трубы, не вызывал бы коробления трубной решетки и увеличивал бы межремонтный пробег теплообменного аппарата. The objective of the invention is to develop such a method of fixing pipes in tube sheets that would provide the required service characteristics of milling joints without applying increased compressive forces to the inner surface of the pipe, would not cause warping of the tube sheet and increase the overhaul distance of the heat exchanger.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем установку прошедшей подготовительные операции трубы одним концом в отверстие трубной решетки, выполненное с внутренней и внешней кольцевыми канавками, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем развальцовки, которую осуществляют приложением к внутренней поверхности трубы сжимающего усилия, согласно изобретению, развальцовку трубы осуществляют в две стадии, на первой из которых производят формирование на трубе опорного кольцевого выступа путем заполнения ее материалом объема внутренней кольцевой канавки отверстия трубной решетки, а на второй стадии развальцовки осуществляют выдавливание материала трубы в направлении от ее свободного торца к опорному кольцевому выступу. 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 with one end into the hole of the tube sheet, made with inner and outer annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fastening in the pipe hole by flaring, which is carried out by applying to the inner surface of the pipe a compressive force, according to the invention, the flaring of the pipe is carried out in two stages, the first of which the formation of a support annular protrusion on the pipe by filling the volume of the inner annular groove with the material of the hole of the tube sheet, and at the second stage of expansion, the material of the pipe is extruded in the direction from its free end to the support annular protrusion.

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 для закрепления трубы в трубном отверстии решетки без значительной концентрации деформации во внутренних слоях трубы. Последнее существенно увеличивает коррозионную стойкость вальцовочного соединения. This is because, using the effect of variable pipe stiffness, they create conditions for fixing the pipe in the pipe hole of the grate without a significant concentration of deformation in the inner layers of the pipe. The latter significantly increases the corrosion resistance of the milling connection.

Отличительными особенностями здесь являются:
1. выбор технологической операции (раздача трубы) для формирования опорного кольцевого выступа;
2. реализация первой стадии развальцовки трубы в условиях приложения относительно минимального усилия к ее внутренней поверхности;
3. ограничение очага деформации практически расстоянием от лицевой поверхности трубной решетки до внутренней кромки внутренней кольцевой канавки трубного отверстия;
4. выбор геометрии профиля внутренней кольцевой канавки трубного отверстия, учитывающего положение стенки трубы на стадии ее привальцовки;
5. осуществление первой стадии развальцовки трубы с заполнением объема внутренней кольцевой канавки материалом трубы.Distinctive features here are:
1. the choice of the technological operation (pipe distribution) to form the supporting annular protrusion;
2. the implementation of the first stage of the expansion of the pipe under conditions of application of relatively minimal effort to its inner surface;
3. restriction of the deformation zone by practically the distance from the front surface of the tube sheet to the inner edge of the inner annular groove of the tube hole;
4. the choice of the profile geometry of the inner annular grooves of the pipe hole, taking into account the position of the pipe wall at the stage of rolling;
5. the implementation of the first stage of the expansion of the pipe with filling the volume of the inner annular groove with the pipe material.

Применение в сборке труб с предварительно профилированными методом обжима концами на стадии привальцовки последних локализует пластическую деформацию материала трубы, позволяя осуществить заполнение им объема внутренней кольцевой канавки 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. Выполнение второй стадии развальцовки соединяемых элементов осевым сжатием трубы устраняет зависимость служебных характеристик вальцовочных соединений от точности исполнения геометрических размеров трубного отверстия. The use in the assembly of pipes with preformed ends by crimping at the rolling stage of the latter localizes the plastic deformation of the pipe material, allowing it to be filled with the volume of the inner annular groove initially through the pipe distribution 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. The implementation of the second stage of the expansion of the joined elements by axial compression of the pipe eliminates the dependence of the service characteristics of the rolling joints on the accuracy of the geometric dimensions of the pipe hole.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед выполнением предварительного ее обжима; на фиг. 2 - окончание стадии обжима внешней поверхности конца трубы; на фиг. 3 - теплообменная труба, расположенная в отверстии трубной решетки, перед выполнением первой стадии развальцовки с образованием опорного кольцевого выступа; на фиг. 4 - окончание первой стадии развальцовки трубы; на фиг. 5 - труба в трубном отверстии перед выполнением второй стадии развальцовки соединяемых элементов посредством приложения осевого усилия к торцу трубы; на фиг. 6 - окончание второй стадии развальцовки соединяемых элементов; на фиг. 7 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a heat exchanger pipe located in a tooling before crimping it beforehand; in FIG. 2 - end of the crimping stage of the outer surface of the pipe end; in FIG. 3 - heat transfer tube located in the hole of the tube sheet, before performing the first stage of flaring with the formation of a supporting annular protrusion; in FIG. 4 - end of the first stage of pipe expansion; in FIG. 5 - a pipe in a pipe hole before performing the second stage of flaring of the connected elements by applying axial force to the pipe end; in FIG. 6 - the end of the second stage of the flaring of the connected elements; 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.

На теплообменной трубе 1 выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка внешней поверхности концов до металлического блеска. Далее трубу (фиг. 1) размещают в горизонтальном положении и фиксируют от возможного перемещения (прикладываемое радиальное давление к внешней поверхности трубы показано пунктиром). Со стороны свободного торца трубы соосно ее оси располагают обжимную матрицу 2. Operations are performed on the heat exchange pipe 1 in order to prepare the outer surface of its ends for profiling: straightening the pipe, a segment of its measured length and cleaning the outer surface of the ends to a metallic luster. Next, the pipe (Fig. 1) is placed in a horizontal position and fixed from possible movement (the applied radial pressure to the outer surface of the pipe is shown by a dotted line). From the side of the free end of the pipe coaxially to its axis, a crimp die 2 is arranged.

Прикладывая осевое усилие к матрице, вызывают ее перемещение в направлении выступающего конца трубы. Следствием этого перемещения является деформация трубы и приобретение ею геометрических размеров, определяемых профилем матрицы. При этом формирование переходного конического участка трубы от ее исходного диаметра к обжатой части конца производится на длине, не превышающей толщины стенки трубы. Затем подобное профилирование внешней поверхности трубы производят на втором ее конце. Applying axial force to the matrix, cause its movement in the direction of the protruding end of the pipe. The consequence of this movement is the deformation of the pipe and its acquisition of geometric dimensions determined by the profile of the matrix. In this case, the formation of the transitional conical section of the pipe from its initial diameter to the compressed part of the end is carried out at a length not exceeding the thickness of the pipe wall. Then, such profiling of the outer surface of the pipe is carried out at its second end.

Закреплению трубы предшествует стадия размещения профилированного конца с минимальным зазором в отверстие трубной решетки 3, имеющее две кольцевые канавки: трапециевидного (внешняя) и треугольного (внутренняя) поперечного сечений (фиг. 3). The fastening of the pipe is preceded by the stage of placing the profiled end with a minimum gap in the hole of the tube sheet 3, which has two annular grooves: trapezoidal (external) and triangular (internal) cross-sections (Fig. 3).

Обязательным условием правильного размещения трубы в трубном отверстии является размещение переходного конического участка в пределах длины внутренней кольцевой канавки. A prerequisite for the correct placement of the pipe in the pipe hole is the placement of the transitional conical section within the length of the inner annular groove.

Контроль размещения трубы в трубном отверстии достигается замером расстояния от торца трубы до лицевой поверхности трубной решетки. Control of the placement of the pipe in the pipe hole is achieved by measuring the distance from the pipe end to the front surface of the pipe grill.

В уменьшенное операцией обжима отверстие трубы вводят конический дорн 4 (фиг. 3). Прикладывая осевое усилие к дорну, осуществляют его перемещение и совершают первую стадию развальцовки трубы путем ее раздачи по местоположению конического участка. Следствием такой раздачи трубы является формирование опорного кольцевого выступа во внутренней кольцевой канавке трубного отверстия (фиг. 4). A conical mandrel 4 is introduced into the pipe opening reduced by the crimping operation (Fig. 3). Applying axial force to the mandrel, carry out its movement and complete the first stage of pipe expansion by distributing it to the location of the conical section. The consequence of this distribution of the pipe is the formation of a support annular protrusion in the inner annular groove of the pipe hole (Fig. 4).

Далее на выступающем конце трубы размещают кольцо 5 из закаленной стали и в отверстие трубы с минимальным зазором устанавливают ступенчатый пуансон 6, большая ступень которого имеет диаметр, выполненный с минимальным зазором по отношению к диаметру трубного отверстия (фиг. 5). Next, a ring 5 made of hardened steel is placed on the protruding end of the pipe and a step punch 6 is installed in the pipe hole with a minimum clearance, the large step of which has a diameter made with a minimum clearance with respect to the diameter of the pipe hole (Fig. 5).

Прикладывая усилие к торцу ступенчатого пуансона, реализуют вторую стадию развальцовки соединяемых элементов, вызывая осевое пластическое сжатие материала трубы. В результате первоначально имеет место его выдавливание в свободный объем внешней кольцевой канавки и впоследствии совместная строго регламентируемая деформация соединяемых элементов (фиг. 6). Управление степенью деформации на второй стадии развальцовки соединяемых элементов достигается величиной хода ступенчатого пуансона. Applying force to the end face of the stepped punch, the second stage of flaring of the connected elements is realized, causing axial plastic compression of the pipe material. As a result, it is initially squeezed out into the free volume of the outer annular groove and subsequently joint strictly regulated deformation of the connected elements (Fig. 6). The degree of deformation at the second stage of the flaring of the connected elements is controlled by the magnitude of the step of the step punch.

Снятие деформирующего соединяемые элементы усилия обуславливает их совместную упругую разгрузку (фиг. 7), что предопределяет получение вальцовочным соединением заданных характеристик прочности, плотности и коррозионной стойкости. Removing the deforming connected elements of the force determines their joint elastic unloading (Fig. 7), which determines the receipt of the rolling connection of the specified characteristics of strength, density and corrosion resistance.

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 посредством обжима до диаметра, равного 23,8 мм. Общая длина профилированного участка конца трубы составляла 18 мм. Профилирование концов трубы выполняли 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 by crimping to a diameter equal to 23.8 mm The total length of the profiled section of the pipe end was 18 mm. Profiling of the pipe ends was performed 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: большое основание - 4 мм, малое основание - 2 мм, глубину - 0,5 мм (внешняя канавка); основание - 5 мм и глубину - 0,3 мм (внутренняя канавка). Расстояние между внешними кромками кольцевых канавок составляло 13 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 large base - 4 mm, a small base - 2 mm, depth - 0.5 mm (outer groove); the base is 5 mm and the depth is 0.3 mm (inner groove). The distance between the outer edges of the annular grooves was 13 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: привальцовка трубы - коническим дорном с максимальным диаметром, равным 20 мм; развальцовка соединяемых элементов - ступенчатым пуансоном при усилиях, не превышающих 0,1 мН. The pipes were fixed in the tube sheets: rolling the pipe with a conical mandrel with a maximum diameter of 20 mm; flaring of the connected elements by a stepped punch with forces not exceeding 0.1 mN.

В качестве исполнительного органа при выполнении стадий привальцовки трубы и развальцовки соединяемых элементов использовался экстрактор фирмы "Индреско", развивающий максимальное усилие в 0,15 мН. An extractor of the Indresco company was used as an executive body during the stages of pipe rolling and flaring of connected elements, which develops a maximum force of 0.15 mN.

Установлено, что образование опорного кольцевого выступа в сочетании с остаточным давлением на контактной поверхности соединяемых элементов при формировании внешнего кольцевого выступа 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. It has been established that the formation of a support annular protrusion in combination with the residual pressure on the contact surface of the connected elements during the formation of the external annular protrusion 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.

Испытаниями на извлечение трубы из трубной решетки подтверждены повышенные (равные прочности исходного сечения трубы на разрыв) прочностные характеристики вальцовочных соединений. Tests for the extraction of the pipe from the tube sheet confirmed the increased (equal to the strength of the initial section of the pipe tensile) 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 with one end into the hole of the tube sheet, made with internal and external annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by expansion, which is carried out by application to the inner surface of the pipe compressive force, characterized in that the expansion of the pipe is carried out in two stages, in the first of which the support ring is formed on the pipe th projection by filling its internal volume of material of the annular groove of the tube sheet holes, and the second step is carried out flaring squeezing the tube material in the direction from its free end to a supporting annular protrusion.