RU2209700C2

RU2209700C2 - Method for securing tubes to tube plates

Info

Publication number: RU2209700C2
Application number: RU2001129906A
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: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely securing tube to tube plates of heat exchangers at using effect of localized directed plastic deforming of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of profiling tube end portions for making their ends; making in opening of tube plate annular grooves and making at side of its back surface annular rib whose back edge is inclined by acute angle relative to axis of opening; placing end of tube in opening of tube plate while arranging it on annular rib; fixing tube against possible motion and applying compression efforts to its inner surface; at securing tube realizing cross plastic displacement of tube material in volume of tube end relative to back edge of annular rib. EFFECT: enhanced strength of joints due to formed annular sealings on back side of tube plate, enlarged manufacturing possibilities of method. 5 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 деформированная 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 directional plastic deformed 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. - Л.: Судостроение, 1972, 143. 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. - L .: Sudostroenie, 1972, 143.

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 трубы одной из них в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможных перемещений и последующее ее закрепление путем приложения сжимающих усилий на внутреннюю поверхность законцовки (RU 2160175 С2,10.12.1998, В 21 D 39/06 - прототип). There is also a method of securing pipes in tube sheets, including profiling the ends of the pipe with the formation of the ends, installing one of them in a pipe hole having annular grooves, fixing the pipe from possible movements and its subsequent fixing by applying compressive forces to the inner surface of the end (RU 2160175 C2.10.12.1998, B 21 D 39/06 - prototype).

Недостатком известного способа является то, что при его реализации не формируют кольцевых плотностей со стороны тыльной поверхности трубной решетки. Кроме того, для теплообменных труб с размерами поперечного сечения, например, 57х2 мм имеются определенные проблемы с формированием в холодном состоянии кольцевого (или кольцевых) выступа на внешней поверхности законцовки из-за потребных больших деформирующих трубу усилий. The disadvantage of this method is that during its implementation do not form ring densities from the back surface of the tube sheet. In addition, for heat transfer pipes with cross-sectional dimensions of, for example, 57x2 mm, there are certain problems with the formation of a cold ring (or ring) protrusion on the outer surface of the tip due to the required large deforming pipe forces.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы позволял образовывать кольцевые плотности с тыльной стороны трубной решетки и устранял бы имеющиеся проблемы, возникающие при профилировании концов труб относительно большого размера в поперечном сечении. The objective of the invention is to develop such a method of fixing pipes in tube sheets that would allow the formation of ring densities on the back of the tube sheet and eliminate existing problems that arise when profiling pipe ends of relatively large cross-sectional sizes.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование концов трубы с образованием законцовок, установку трубы одной из них в трубное отверстие, имеющее кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможных перемещений и последующее ее закрепление путем приложения сжимающих усилий на внутреннюю поверхность законцовки, согласно изобретению, в отверстии трубной решетки со стороны ее тыльной поверхности выполняют кольцевое ребро, задняя грань которого наклонена под острым к оси отверстия, при установке законцовки в трубное отверстие ее размещают на кольцевом ребре и, закрепляя трубу, выполняют поперечный пластический сдвиг материала трубы в полотне законцовки относительно упомянутой выше грани кольцевого ребра. 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 the pipe of one of them in the pipe hole having annular grooves, fixing the pipe from possible movements and its subsequent fixing by applying compressive forces to the inner the ending surface, according to the invention, in the hole of the tube sheet from the side of its back surface, an annular rib is made, the rear face of which is inclined under a sharp axis to the hole Stia, installation ending in the tube hole it is placed on the annular rib and securing the tube operate transverse plastic shear tubes ending in the web material relative to the aforementioned faces of the annular rib.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет формировать кольцевые плотности между соединяемыми элементами со стороны тыльной поверхности трубной решетки и устраняет проблемы профилирования концов теплообменных труб с относительно большими размерами в поперечном сечении. The implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows the formation of annular densities between the connected elements from the back surface of the tube sheet and eliminates the problems of profiling the ends of heat transfer pipes with relatively large cross-sectional sizes.

Это объясняется тем, что закрепление трубы в трубном отверстии осуществляется продольно-прессовым методом, когда удержание трубы в трубной решетке обуславливается наличием поперечных сдвигов полотна трубы относительно выступов, образующих рельефность поверхности трубного отверстия. Формирование поперечного сдвига полотна трубы со стороны тыльной поверхности трубной решетки предотвращает попадание среды межтрубного пространства в зазор между соединяемыми элементами и, следовательно, устраняет коррозию на контактной поверхности неразъемного соединения. При этом имеет место равномерная деформация трубной решетки, что ликвидирует ее коробление. This is explained by the fact that the pipe is fixed in the pipe hole by the longitudinal-press method, when the pipe is held in the pipe grid due to the presence of transverse shifts of the pipe web relative to the protrusions forming the surface relief of the pipe hole. The formation of a transverse shear of the pipe web from the rear surface of the tube sheet prevents the annulus from entering the gap between the connected elements and, therefore, eliminates corrosion on the contact surface of the permanent connection. In this case, uniform deformation of the tube sheet takes place, which eliminates its warping.

Профилирование концов трубы, производимое операцией обжима, не сопряжено с проблемами стойкости технологической оснастки. The profiling of the ends of the pipe produced by the crimping operation is not fraught with stability problems of technological equipment.

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 окончания закрепления трубы в отверстии трубной решетки поперечным сдвигом полотна законцовки относительно кольцевого ребра со стороны тыльной поверхности трубной решетки; на фиг. 5 - высококачественное неразъемное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in 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 is the stage of completion of the fixing of the pipe in the hole of the tube sheet by a transverse shift of the leaf tip relative to the annular rib from the back surface of the tube sheet; in FIG. 5 - 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 1, имеющей внешнюю канавку в виде кольцевой выемки и внутреннюю канавку с треугольным поперечным сечением, и фиксируют ее от возможного перемещения (условно показано стрелками). Контроль правильности установки трубы проводится по замеру выступания ее торца над лицевой поверхностью трубной решетки. В этом случае опорный участок законцовки располагается в отверстии трубной решетки на кольцевом ребре, образуя консоль переходного участка по отношению к внутренней кольцевой канавке. 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 1 having an external groove in the form of an annular recess and an internal groove with a triangular cross section, and fix it from possible movement (conventionally shown by arrows). Checking the correct installation of the pipe is carried out by measuring the protrusion of its end above the front surface of the tube sheet. In this case, the supporting portion of the ending is located in the hole of the tube sheet on the annular rib, forming a cantilever of the transition section with respect to 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.3). 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 3).

Процесс закрепления трубы в трубном отверстии завершается (фиг. 4), когда заполняется объем каверны и труба фиксируется поперечным сдвигом полотна законцовки относительно кольцевого ребра трубного отверстия. The process of fixing the pipe in the pipe hole is completed (Fig. 4), when the volume of the cavity is filled and the pipe is fixed by a transverse shift of the leaf blade relative to the annular edge of the pipe hole.

Внутренние слои трубы при этом испытывают растягивающие напряжения. The inner layers of the pipe undergo tensile stresses.

Снятие деформирующего соединяемые элементы усилия обуславливает практическое отсутствие упругой их разгрузки в радиальном направлении (фиг.5) 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. 5) and the formation of a field of compressive residual stresses in the inner layers of the pipe, which determines the production of permanent joints with 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 в 33 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 33 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+0,05 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 10 мм. Расстояние между кромками кольцевых канавки и углубления составляло 25 мм. Pipe holes were made with diameters equal to 25.35 + 0.05 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 10 mm. The distance between the edges of the annular grooves and recesses was 25 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). Pipe fastening in tube sheets was carried out on a specially made stand using an Indresco pumping station (USA).

Установлено, что профилирование внешней поверхности конца трубы в сочетании с предварительным фиксированием трубы на стенках трубного отверстия позволяют выполнять неразъемные соединения с трубами 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 with pipes to be made without limiting their geometric dimensions in cross section.

При этом требуются относительно небольшие деформирующие усилия и значительно сокращается технологический цикл (примерно, до 50% по сравнению с прототипом). In this case, relatively small deforming efforts are required and the technological cycle is significantly reduced (approximately, up to 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 the endings, installing one of them in the pipe hole made with annular grooves, fixing the pipe from possible movements and then securing it by applying compressive forces to the inner surface of the tip, characterized in that in the hole of the tube sheet from the side of its back surface, an annular rib is made, the rear face of which is inclined at an acute angle to the axis of the hole, when the tip is installed in the pipe The second hole is placed on the annular rib, and when the pipe is fixed, a transverse plastic shift of the pipe material in the leaf of the tip relative to the aforementioned rear edge of the annular rib is made.