RU2208495C2

RU2208495C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2208495C2
Application number: RU2001125772/02A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Батраев; С.И. Козий; С.С. Козий; А.А. Коновалов
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П.Королева; Общество с ограниченной ответственностью "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-07-20

Abstract

FIELD: plastic metal working, possibly securing tubes to tube plates of heat exchanging apparatuses with use of effect of localized directed plastic deforming of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of profiling tube ends for forming shaped end portions; placing one end of tube in tube plate opening having outer and inner annular grooves; fixing tube against possible motion in opening of tube plate by applying compression effort to inner surface of tube; making outer annular groove of tube plate opening in the form of end recess; upon securing tube at first fixing it on walls of opening by laterally shifting material of its end portion relative to edge of outer annular groove; then filling volume of inner annular groove due to bending deformation of tube end portion at condition of axial tension of its inner layers for further normalized common radial deformation of joined parts. EFFECT: enlarged manufacturing possibilities of process due to securing tubes with different size of cross section without significantly increased technological effort and cycle duration. 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. 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.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку одним концом теплообменной трубы в трубное отверстие, фиксацию ее от возможного перемещения, приварку торца трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующим закреплением трубы в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия на ее внутреннюю поверхность (см. Дорошенко П. А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. Ленинград. Судостроение, 1972, 143 с.). A known method of securing pipes in tube sheets, including installing one end of the heat exchanger pipe in the tube hole, fixing it from possible movement, welding the pipe end to the front surface of the tube sheet, followed by fixing the pipe in the hole of the tube sheet by applying compressive force to its inner surface (see Doroshenko P. A. Production technology for 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 профилирование концов трубы с образованием законцовок, установку одного из них в трубное отверстие, имеющее внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы (RU 2160175 С2, 10.12.1998, В 21 D 39/06 - прототип). There is also known a method of securing pipes in pipe lattices, including profiling the ends of the pipe with the formation of the ends, installing one of them in the pipe hole having an outer and inner annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the hole of the pipe lattice by applying compressive force to the inner surface of the pipe (RU 2160175 C2, 12/10/1998, B 21 D 39/06 - prototype).

Недостатком известного способа является, в случае использования труб, например, из углеродистых сталей с размерами поперечного сечения 38х2 мм и 57х2 мм, необходимость приложения к торцу трубы относительно больших осевых усилий для получения кольцевых выступов на внешней поверхности конца трубы. Последнее оказывает существенное влияние на стойкость технологической оснастки. The disadvantage of this method is, in the case of pipes, for example, made of carbon steel with cross-sectional sizes 38x2 mm and 57x2 mm, the need to apply relatively large axial forces to the pipe end to obtain annular protrusions on the outer surface of the pipe end. The latter has a significant impact on the durability of technological equipment.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы позволял профилировать концы теплообменных труб с различными геометрическими размерами поперечных сечений без значительного увеличения деформирующего усилия и не имел бы большого технологического цикла. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would allow to profile the ends of heat transfer pipes with different geometric cross-sectional sizes without a significant increase in deforming force and would not have a large technological cycle.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование концов трубы с образованием законцовок, установку одного из них в трубное отверстие, имеющее внешнюю и внутреннюю кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в отверстии трубной решетки путем приложения сжимающего усилия на внутреннюю поверхность трубы, согласно изобретению внешнюю кольцевую канавку выполняют в виде торцового углубления, а при закреплении трубы первоначально ее фиксируют на стенках трубного отверстия путем поперечного сдвига полотна законцовки относительно кромки внешней кольцевой канавки, далее осуществляют заполнение объема внутренней кольцевой канавки за счет изгибной деформации законцовки в условиях осевого растяжения ее внутренних слоев с последующей регламентируемой совместной радиальной деформацией соединяемых элементов. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including profiling the ends of the pipe with the formation of the ends, installing one of them in the tube hole having an external and internal annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the hole of the tube sheet by applying a compressive force to the inner surface of the pipe, according to the invention, the outer annular groove is made in the form of an end recess, and when the pipe is fixed, initially it is fixed on the walls of the pipe hole by transversely shifting the tip cloth relative to the edge of the outer annular groove, then the volume of the inner annular groove is filled due to the bending deformation of the tip under the axial tension of its inner layers, followed by the regulated joint radial deformation of the connected elements.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать концы теплообменных труб с профилированными законцовками при относительно небольших деформирующих усилиях и имеет относительно короткий технологический цикл, если учесть, что на внутренних слоях трубы формируется поле сжимающих остаточных напряжений первого рода. Implementation of the proposed method for fixing pipes in tube sheets allows one to obtain ends of heat-exchange pipes with shaped ends at relatively small deforming forces and has a relatively short production cycle, given that a field of compressive residual stresses of the first kind is formed on the inner layers of the pipe.

Это объясняется тем, что сочетание конструкций профилированной законцовки и трубного отверстия с характером нагружения законцовки трубы, вызывая изгибную деформацию ее нагружаемого участка, позволяет реализовать механизм продольно-прессового закрепления трубы. В последнем случае устраняется зависимость формируемых служебных характеристик соединений от уменьшения толщины стенки трубы при явлении коррозии. Отметим, что формируемое поле сжимающих остаточных напряжений во внутренних слоях закрепленной трубы в отверстии трубной решетки благотворно влияет на ресурс работы соединения в целом. This is explained by the fact that the combination of the structures of the shaped end and the pipe hole with the nature of the loading of the pipe end, causing bending deformation of its loaded section, allows for the realization of a longitudinally press-fastening mechanism for the pipe. In the latter case, the dependence of the formed service characteristics of the joints on reducing the pipe wall thickness in the event of corrosion is eliminated. Note that the generated field of compressive residual stresses in the inner layers of the fixed pipe in the hole of the tube sheet has a beneficial effect on the life of the joint as a whole.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана теплообменная труба с профилированной законцовкой, трубная решетка и конический дорн перед выполнением неразъемного соединения; на фиг.2 - начало стадии предварительного фиксирования трубы на кромке внешней кольцевой канавки; на фиг. 3 - окончание стадии предварительного фиксирования трубы на кромке внешней кольцевой канавки; на фиг.4 - стадия закрепления трубы с заполнением внутренней кольцевой канавки посредством реализации внеконтактной деформации образующей опорного участка законцовки; на фиг.5 - стадия окончания закрепления трубы в отверстии трубной решетки; на фиг.6 - высококачественное неразъемное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a heat exchange pipe with a profiled tip, a tube sheet and a conical mandrel before making a permanent connection; figure 2 - the beginning of the stage of preliminary fixation of the pipe at the edge of the outer annular grooves; in FIG. 3 - end of the stage of preliminary fixation of the pipe at the edge of the outer annular groove; figure 4 - stage of fixing the pipe with filling the inner annular grooves through the implementation of non-contact deformation of the generatrix of the supporting portion of the ending; figure 5 is the stage of completion of the fastening of the pipe in the hole of the tube sheet; figure 6 - high-quality permanent 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 (фиг.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. On the heat exchange pipe 1 (Fig. 1), operations are performed to prepare the outer surface of its ends for profiling: straightening the pipe, a length of its measured length and cleaning the outer surface of the ends to a metallic sheen.

После чего на каждом из концов трубы образуют известными операциями раздачи и обжима профилированные законцовки, содержащие опорный участок с внешним диаметром, меньшим диаметра отверстия трубной решетки на 0,05 мм, нагружаемый участок, имеющий минимальный диаметр отверстия, и переходный конический участок между ними (отмечен точками). Then, at each end of the pipe, profiled endings are formed by known dispensing and crimping operations, containing a support section with an external diameter less than the diameter of the hole of the tube sheet by 0.05 mm, a loaded section having a minimum diameter of the hole, and a transition conical section between them (marked dots).

Трубу размещают в отверстии трубной решетки 2 и фиксируют ее от возможного перемещения. Контроль правильности установки трубы проводится по замеру выступания торца над лицевой поверхностью трубной решетки. В этом случае опорный участок законцовки устанавливается в отверстии трубной решетки консольно с расположением переходного участка напротив внутренней кольцевой канавки. В отверстие законцовки устанавливают конический дорн 3 (фиг. 1). Подчеркнем, что максимальный диаметр дорна превышает внутренний диаметр опорного участка. The pipe is placed in the hole of the tube sheet 2 and fix it from possible movement. Checking the correct installation of the pipe is carried out by measuring the protrusion of the end above the front surface of the tube sheet. In this case, the supporting portion of the ending is installed in the hole of the tube sheet cantilever with the location of the transition section opposite the inner annular groove. A conical mandrel 3 is installed in the opening of the tip (Fig. 1). We emphasize that the maximum diameter of the mandrel exceeds the internal diameter of the supporting section.

Прикладывая осевое усилие к торцу конического дорна, достигают давлений, вызывающих свободную раздачу нагружаемого участка законцовки до момента (фиг.2), когда будет иметь место пластический контакт между трубой и кромкой внешней кольцевой канавки трубного отверстия. Из-за выбранных геометрических размеров конического дорна, его дальнейшее осевое перемещение связано с пластическим деформированием материала трубы. В результате труба предварительно фиксируется на стенках трубного отверстия поперечным сдвигом полотна законцовки, вызывающим заполнение объема внешней кольцевой канавки (фиг.3). При этом толщина стенки закрепленного участка трубы приобретает размер, меньший, чем толщина стенки трубы в опорном участке. В один из моментов осевого перемещения конического дорна осуществляется заполнение объема внутренней кольцевой канавки внеконтактной деформацией (с образованием пластического шарнира на внутренней кромке этой канавки). Условие постоянства объема предопределяет, что заполнение объема внутренней кольцевой канавки приводит к образованию соответствующей каверны (фиг.4). Applying axial force to the end face of the conical mandrel, pressures are achieved that cause free distribution of the loaded end portion to the moment (FIG. 2) when plastic contact takes place between the pipe and the edge of the outer annular groove of the pipe hole. Due to the selected geometric dimensions of the conical mandrel, its further axial displacement is associated with plastic deformation of the pipe material. As a result, the pipe is pre-fixed on the walls of the pipe hole with a transverse shift of the leaf of the tip, causing the filling of the volume of the outer annular groove (figure 3). Moreover, the wall thickness of the fixed pipe section takes on a size smaller than the wall thickness of the pipe in the supporting section. At one moment of the axial movement of the conical mandrel, the volume of the inner annular groove is filled with non-contact deformation (with the formation of a plastic hinge on the inner edge of this groove). The condition of constant volume predetermines that filling the volume of the inner annular groove leads to the formation of the corresponding cavity (figure 4).

Процесс закрепления трубы в трубном отверстии завершается (фиг.5), когда заполняется объем каверны и соединяемые элементы совместно деформированы в радиальном направлении на строго заданную величину. Кроме того, внутренние слои трубы испытывают растягивающие напряжения. The process of fixing the pipe in the pipe hole is completed (figure 5), when the volume of the cavity is filled and the connected elements are jointly deformed in the radial direction by a strictly specified value. In addition, the inner layers of the pipe experience tensile stresses.

Снятие деформирующего соединяемые элементы усилия обуславливает практическое отсутствие упругой их разгрузки в радиальном направлении (фиг.6) и формирование поля сжимающих остаточных напряжений во внутренних слоях трубы, что предопределяет получение неразъемных соединений заданных характеристик прочности, плотности и коррозионной стойкости. Removing the deforming connected elements of the force causes the practical absence of their elastic unloading in the radial direction (Fig.6) and the formation of a field of compressive residual stresses in the inner layers of the pipe, which determines the receipt of permanent joints 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 калибровались на длине 30 мм до диаметра, равного 25,7 мм. Далее концы трубы профилировались радиальным обжимом в технологической оснастке до диаметров: минимальный - 24,3 мм и максимальный - 25,3 мм. 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 pipe ends were calibrated over a length of 30 mm to a diameter of 25.7 mm. Further, the ends of the pipe were profiled with a radial crimp in a tooling up to diameters: minimum - 24.3 mm and maximum - 25.3 mm.

Профилирование концов трубы выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0,2 МН. 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 с диаметрами, равными 25,35 мм. Кольцевая канавка треугольного поперечного сечения трубных отверстий имела основание 6 мм, высоту 0,3 мм. Торцовое кольцевое углубление имело диаметр 26 мм и глубину 5 мм. Расстояние между кромками кольцевых канавки и углубления составляло 17 мм. Pipe holes were made with diameters equal to 25.35 mm. The annular groove of the triangular cross section of the pipe holes had a base of 6 mm, a height of 0.3 mm The end annular recess had a diameter of 26 mm and a depth of 5 mm. The distance between the edges of the annular grooves and recesses was 17 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 на специально изготовленном стенде, использующем насосную станцию фирмы "Индреско" (США). Fastening of pipes in tube sheets was carried out on a specially made stand using a pump station of the company Indresco (USA).

Установлено, что профилирование внешней поверхности конца трубы в сочетании с предварительным фиксированием трубы на стенках трубного отверстия позволяет выполнять неразъемные соединения с трубами практически без ограничения их геометрических размеров в поперечном сечении. It has been established that profiling of the outer surface of the pipe end in combination with preliminary fixing of the pipe on the walls of the pipe hole allows one-piece connections to the pipes to be made practically without limiting their geometric dimensions in the cross section.

При этом требуются относительно небольшие деформирующие усилия и значительно сокращается технологический цикл (примерно до 50% по сравнению с прототипом). This requires relatively small deforming forces and significantly reduces the technological cycle (up to about 50% compared with the prototype).

Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки подтверждены повышенные прочностные характеристики полученных соединений. Tests for pulling the pipe out of the tube sheet confirmed the increased strength characteristics of the obtained compounds.

Плотность соединений (по гидравлическим испытаниям) обеспечивала 100% их пригодность требованиям производства. The density of the joints (for hydraulic tests) provided 100% of their suitability to the requirements of production.

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 profiling the ends of the pipe with the formation of endings, installing one of them in the pipe hole having an external and internal annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the hole of the pipe lattice by applying compressive force to the inner surface pipes, characterized in that the outer annular groove of the pipe hole is made in the form of an end recess, and when the pipe is fixed, it is initially fixed on the walls of the cut hole by transversely shifting the leaf of the tip relative to the edge of the outer annular groove, after which the volume of the inner ring groove is filled due to the bending deformation of the tip under the axial tension of its inner layers with the subsequent regulated joint radial deformation of the connected elements.