RU2224613C2

RU2224613C2 - Method for securing tubes to tube walls

Info

Publication number: RU2224613C2
Application number: RU2000121168/02A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Батраев; С.И. Козий; С.С. Козий
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева; Общество с ограниченной ответственностью "Ремонтно-механический завод"
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2004-02-27

Abstract

FIELD: plastic metal working, possibly securing tubes to tube walls of heat exchange apparatuses using effect of localized directed plastic deforming of tube material. SUBSTANCE: method comprises steps of profiling outer surface of tube ends at forming in each end portion annular protrusion and realizing multiple profiling operations of inner surface of tube end portions by expanding tube and then reducing it along length value less than during tube expanding; determining diameter of annular protrusion in outer surface of tube according to condition providing minimum gap between said annular protrusion and opening of tube wall; after placing tube in tube opening having outer and inner annular grooves, fixing tube against axial motion; then securing tube in opening by applying deforming effort to its inner surface in such a way that to provide cross shifting of web of annular protrusion in outer surface of tube. EFFECT: simplified process of securing tubes to tube walls. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и, в частности, к процессам закрепления труб в трубных отверстиях 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 fixing pipes in the tube openings of heat exchangers using the effect of localized directed plastic deformation of the pipe material.

Известен способ закрепления труб в трубных решетках, при котором теплообменную трубу устанавливают в трубном отверстии, фиксируют ее от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения нормального к внутренней поверхности трубы давления (см. Дорошенко П. А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов, Ленинград, Судостроение, 1972, 143 с.). There is a method of fixing pipes in tube sheets, in which a heat exchange pipe is installed in the tube hole, it is fixed from possible axial movement, followed by fixing in the tube sheet by applying normal pressure to the inner surface of the pipe (see P. Doroshenko, 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 относительно низкие характеристики плотности вальцовочных соединений, для устранения которого прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям. Последнее обуславливает коробление трубной решетки и, как следствие, короткий межремонтный пробег трубного пучка теплообменного аппарата. The main disadvantage of the known method of securing pipes in tube sheets is the relatively low density characteristics of the rolling joints, to eliminate which they resort to increased pipe deforming pressures. The latter causes warpage of the tube sheet and, as a result, a short overhaul run of the tube bundle of the heat exchanger.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование внешней поверхности концов трубы с формированием на каждом из них кольцевого выступа, установку трубы в трубное отверстие, выполненное с внешней и внутренней стороны кольцевыми канавками, с размещением кольцевого выступа трубы напротив внешней кольцевой канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы деформирующего усилия (патент РФ 2129054; МКИ В 21 D 39/06, бюл. 11 от 20.04.99 - прототип). There is also known a method of securing pipes in tube sheets, including profiling the outer surface of the pipe ends with the formation of an annular protrusion on each of them, installing the pipe in the pipe hole made from the outer and inner sides by annular grooves, with the annular protrusion of the pipe opposite the outer annular groove, fixing pipes from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by applying a deforming force to the inner surface of the pipe (RF patent 2129054; MKI B 21 D 39/06, b 11 l of 20.04.99 -. prototype).

Недостатком известного способа является тот факт, что получение кольцевых выступов из припусков на длине трубы связано с необходимостью приложения относительно больших деформирующих трубу усилий, что влечет за собой обязательное применение специального гидравлического пресса двойного действия. The disadvantage of this method is the fact that obtaining annular protrusions from allowances along the length of the pipe is associated with the need for relatively large forces deforming the pipe, which entails the mandatory use of a special double-acting hydraulic press.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы позволил использовать трубы с профилированными законцовками, возможность выполнения которых заинтересованными предприятиями не вызывала бы технических трудностей. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would allow the use of pipes with profiled ends, the ability to perform which interested enterprises would not cause technical difficulties.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование внешней поверхности концов трубы с формированием на каждом из них кольцевого выступа, установку трубы в трубное отверстие, выполненное с внешней и внутренней стороны кольцевыми канавками, с размещением кольцевого выступа трубы напротив внешней кольцевой канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии путем приложения к внутренней поверхности трубы деформирующего усилия, согласно изобретению профилирование внешней поверхности концов трубы производят с профилированием их внутренней поверхности путем раздачи трубы и последующего ее обжима на длине меньшей, чем при раздаче, которые осуществляют неоднократно, кольцевой выступ на внешней поверхности каждого конца трубы формируют с диаметром, величину которого определяют из условия обеспечения минимального зазора между упомянутым кольцевым выступом и отверстием в трубной решетке, а закрепление трубы в отверстии трубной решетки производят с поперечным сдвигом полотна относительно кольцевого выступа. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including profiling the outer surface of the pipe ends with the formation of an annular protrusion on each of them, installing the pipe in the pipe hole made from the outer and inner sides by ring grooves, with the annular protrusion of the pipe being placed opposite external annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by applying a deforming force to the inner surface of the pipe I, according to the invention, profiling of the outer surface of the ends of the pipe is carried out with profiling of their inner surface by distributing the pipe and then crimping it for a length shorter than during distribution, which is carried out repeatedly, an annular protrusion on the outer surface of each end of the pipe is formed with a diameter whose value is determined from the conditions for ensuring a minimum gap between the said annular protrusion and the hole in the tube sheet, and the pipe is fixed in the hole of the tube sheet with a transverse shifting the canvas relative to the annular protrusion.

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать неразъемные соединения труб с трубными решетками, обладающих повышенными характеристиками прочности и плотности, при отсутствии необратимых деформаций трубных решеток. Implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows to obtain one-piece pipe connections with tube sheets having improved strength and density characteristics in the absence of irreversible deformation of the tube sheets.

Это объясняется тем, что используют новую конструкцию сборки профилированной законцовки трубы с отверстием трубной решетки, причем у законцовки профилирована как внешняя, так и внутренняя поверхности. В результате достигают формообразования кольцевого выступа при наличии кольцевых жесткостей в виде конических переходных участков, соединяющих обжатые и розданные участки трубы. Сочетанием установки профилированной законцовки в отверстие трубной решетки с минимальным зазором консольно-расположенных калиброванных участков трубы относительно внешней кромки внутренней кольцевой канавки обеспечивают устойчивость процесса формоизменения профилированной законцовки на стадии ее предварительного закрепления в отверстии трубной решетки. Кольцевой выступ при раздаче трубы посредством кольцевых жесткостей вводится в объем внешней кольцевой канавки. Разность между глубиной кольцевой канавки и высотой кольцевого выступа предопределяет то, что на завершающей стадии закрепления профилированной законцовки трубы в отверстии трубной решетки имеет место поперечный сдвиг полотна относительно кольцевого выступа и раздача поверхностных слоев трубного отверстия в осевом направлении. Таким образом, производят закрепление профилированной законцовки трубы с формированием остаточных сжимающих напряжений как в радиальном, так осевом направлениях. This is due to the fact that they use a new design for assembling a profiled pipe end with a hole in the tube sheet, and both the external and internal surfaces are profiled at the tip. As a result, the formation of an annular protrusion is achieved in the presence of annular stiffness in the form of conical transition sections connecting the compressed and distributed sections of the pipe. The combination of the installation of a profiled tip in the hole of the tube sheet with a minimum clearance of cantilevered calibrated pipe sections relative to the outer edge of the inner annular groove ensures the stability of the process of forming the shaped tip at the stage of its preliminary fixing in the hole of the tube sheet. The annular protrusion when distributing the pipe by means of ring stiffness is introduced into the volume of the outer annular groove. The difference between the depth of the annular groove and the height of the annular protrusion determines that at the final stage of fixing the profiled end of the pipe in the hole of the tube sheet there is a transverse shift of the web relative to the ring ledge and the distribution of the surface layers of the pipe hole in the axial direction. Thus, the profiled end of the pipe is fixed with the formation of residual compressive stresses in both radial and axial directions.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано исходное положение трубной решетки и размещенной в ней профилированной законцовки теплообменной трубы, на фиг.2 - стадия предварительного закрепления профилированной законцовки в отверстии трубной решетки, когда имеет место свободное введение кольцевого выступа (его раздачей) в объем внешней кольцевой канавки, на фиг.3 - стадия окончательного закрепления профилированной законцовки в упомянутом отверстии, сопровождаемая поперечным сдвигом полотна законцовки относительно кольцевого выступа (поверхности сдвига условно показаны сплошными линиями), на фиг.4 - неразъемное соединение теплообменной трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the initial position of the tube sheet and the shaped tip of the heat exchanger tube placed in it, Fig. 2 shows the stage of preliminary fixing the shaped tip in the hole of the tube sheet, when the annular protrusion (its distribution) is free in the volume of the outer annular groove, figure 3 is the stage of the final fixing of the profiled endings in the said hole, accompanied by a transverse shift of the leaf blade relative to annular protrusion (shear surfaces are conventionally shown by solid lines), figure 4 - one-piece connection of the heat exchange pipe with the tube sheet.

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

Теплообменную трубу 1, например, из стали 10 подвергают предварительным стандартным операциям: правке, резке в меру и зачистке внешней поверхности концов трубы до металлического блеска. Далее на концах трубы образуют законцовки, профилируя как внешние, так и внутренние их поверхности. При этом на внешних поверхностях концов трубы формируют по кольцевому выступу трапециевидного поперечного сечения. Выполняя неоднократно раздачу концов трубы с последующим их обжимом на несколько меньшей длине, производят, во-первых, формирование калиброванных опорных участков законцовок, во-вторых, образование кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения на внешних поверхностях, в-третьих, профилирование внутренних поверхностей созданием нагружаемых впоследствии цилиндрических участков. The heat exchange pipe 1, for example, of steel 10, is subjected to preliminary standard operations: dressing, moderately cutting and cleaning the outer surface of the pipe ends to a metallic luster. Further, ends are formed at the ends of the pipe, profiling both their external and internal surfaces. At the same time, on the outer surfaces of the ends of the pipes, a trapezoidal cross section is formed along the annular protrusion. Performing several times the distribution of the pipe ends with their subsequent crimping to a slightly shorter length, firstly, the formation of calibrated supporting sections of the ends, secondly, the formation of annular protrusions of the trapezoidal cross-section on the outer surfaces, and thirdly, the profiling of the inner surfaces by creating subsequently loaded cylindrical sections.

Далее приступают к операции закрепления профилированной законцовки трубы 1 в отверстии трубной решетки 2 (фиг.1). Next, proceed to the operation of fixing the profiled end of the pipe 1 in the hole of the tube sheet 2 (figure 1).

Трубу 1 профилированной законцовкой вводят в отверстие трубной решетки 2, располагая ее торец заподлицо с лицевой поверхностью последней. Отверстие трубной решетки 2 содержит две кольцевые канавки: внешняя из которых трапециевидного, а внутренняя треугольного поперечных сечений. Расположение торца профилированной законцовки трубы в площади лицевой поверхности трубной решетки обеспечивает размещение кольцевого выступа законцовки напротив ее внешней кольцевой канавки. The pipe 1 with a profiled tip is inserted into the hole of the tube sheet 2, placing its end flush with the front surface of the latter. The hole of the tube sheet 2 contains two annular grooves: the outer of which is trapezoidal, and the inner of triangular cross-sections. The location of the end of the shaped end of the pipe in the area of the front surface of the tube sheet ensures the placement of the annular protrusion of the end opposite its outer annular groove.

В отверстии профилированной законцовки трубы располагают механическую роликовую вальцовку (действие роликов механической вальцовки условно показано стрелками). A mechanical roller rolling is placed in the hole of the profiled pipe ending (the action of the mechanical rolling rollers is conventionally shown by arrows).

Сообщая роликам механической вальцовки вращательное движение и радиальное их перемещение, осуществляют нагружение цилиндрических участков внутренней поверхности законцовки. Тем самым выполняют избирательную раздачу профилированной законцовки, что обеспечивает свободное введение кольцевого выступа в объем кольцевой канавки отверстия трубной решетки (фиг.2). Поскольку глубина внешней кольцевой канавки меньше высоты кольцевого выступа, то при заполнении объема кольцевой канавки кольцевым выступом профилированной законцовки наблюдается радиальный зазор между соединяемыми элементами в сечениях, где располагаются цилиндрические участки от профилирования внутренней поверхности трубы. Informing the rollers of the mechanical rolling of the rotational movement and their radial movement, the cylindrical sections of the inner surface of the tip are loaded. Thereby, selective distribution of the shaped ending is performed, which ensures the free introduction of the annular protrusion into the volume of the annular groove of the hole of the tube sheet (Fig. 2). Since the depth of the outer annular groove is less than the height of the annular protrusion, when filling the volume of the annular groove with the annular protrusion of the profiled tip, a radial clearance is observed between the connected elements in the sections where the cylindrical sections from the profiling of the inner surface of the pipe are located.

К технологической особенности стадии предварительного закрепления соединяемых элементов относится то, что консольное расположение опорного участка законцовки относительно внешней кромки внутренней кольцевой канавки с треугольным поперечным сечением предопределяет условия (при раздаче профилированной законцовки) реализации внеконтактной деформации полотна законцовки с формированием кольцевого пластического шарнира. Следствием этого является заполнение внутренней кольцевой канавки материалом трубы. Возможность выполнения внеконтактной деформации, с одной стороны, устраняет скручивание трубы при ее закреплении, а с другой стороны, ограничивает очаг деформации в осевом направлении трубы. A technological feature of the stage of preliminary fixing of the connected elements is that the cantilever arrangement of the supporting portion of the tip relative to the outer edge of the inner annular groove with a triangular cross-section determines the conditions (when distributing the shaped tip) for the implementation of non-contact deformation of the blade with the formation of an annular plastic hinge. The consequence of this is the filling of the inner annular groove with pipe material. The ability to perform non-contact deformation, on the one hand, eliminates the twisting of the pipe when it is fixed, and on the other hand, limits the deformation zone in the axial direction of the pipe.

Заменив применявшуюся механическую вальцовку на вальцовку с большим диаметром, осуществляют окончательное закрепление трубы в отверстии трубной решетки (фиг.3). В этом случае длина вальцовочного пояска несколько больше, чем на стадии предварительного закрепления соединяемых элементов. Так что в первоначальный момент деформации подвергается труба по наименьшему сечению. Дальнейшее нагружение внутренней поверхности законцовки сжимающим усилием вызывает поперечный сдвиг ее стенки относительно кольцевого выступа, что обеспечивает фиксирование трубы в отверстии трубной решетки (поверхности сдвига показаны на фиг.3 и 4 сплошными линиями). Replacing the applied mechanical rolling for rolling with a large diameter, carry out the final fixing of the pipe in the hole of the tube sheet (figure 3). In this case, the length of the rolling girdle is slightly larger than at the stage of preliminary fixing of the connected elements. So at the initial moment of deformation, the pipe undergoes the smallest section. Further loading of the inner surface of the tip with compressive force causes a transverse shift of its wall relative to the annular protrusion, which ensures fixation of the pipe in the hole of the tube sheet (shear surfaces are shown in Figures 3 and 4 by solid lines).

Снятие деформирующего трубу усилия обуславливает формирование полей остаточных напряжений как в радиальном, так и в осевом направлениях (фиг.4). The removal of the pipe deforming force causes the formation of fields of residual stresses in both radial and axial directions (figure 4).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 10) труб с законцовками, имеющими профилированные внешние и внутренние поверхности, в трубных решетках из Ст. 3. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр 25 мм, толщина стенки 2,5 мм. Профилированные законцовки имели высоту кольцевых выступов, равную 0,5 мм, длину их больших оснований 4,0 мм; малых оснований 2,0 мм, Максимальный внешний диаметр законцовки составлял 25,3 мм; минимальный внутренний диаметр 18,7 мм. A pilot test of the developed method took place when fixing steel (steel 10) pipes with ends with profiled external and internal surfaces in tube sheets of Art. 3. The initial geometric dimensions of the pipe were: external diameter 25 mm, wall thickness 2.5 mm. Profiled endings had a height of annular protrusions equal to 0.5 mm, the length of their large bases 4.0 mm; small bases 2.0 mm; The maximum outer diameter of the tip was 25.3 mm; minimum internal diameter 18.7 mm.

Диаметры трубных отверстий после их дорнования равнялись 25,35^+0,5 мм.The diameters of the pipe holes after their burning were 25.35 ^+0.5 mm.

Технологическая оснастка изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. Кольцевые канавки треугольного поперечного сечения в матрице технологической оснастки выполняли со следующими геометрическими размерами: основанием 6,0 мм; глубиной 0,3 мм. Формирование кольцевых выступов на законцовке проводилось в комплексной технологической оснастке на специальной гидравлической машине при усилиях, не превышающих 30 кН, что обеспечивало полное воспроизведение требуемых геометрических размеров кольцевых выступов трапециевидного поперечного сечения (большое основание 4,0 мм, малое основание 2,0 мм, высота 0,45 мм). The tooling was made of U8A tool steel with a hardness of HRC after hardening of at least 56 units and with precision of executive dimensions according to the 7th grade. The annular grooves of a triangular cross section in the tooling matrix were made with the following geometric dimensions: 6.0 mm base; 0.3 mm deep. The formation of annular protrusions at the tip was carried out in complex technological equipment on a special hydraulic machine with forces not exceeding 30 kN, which ensured full reproduction of the required geometric dimensions of the annular protrusions of the trapezoidal cross section (large base 4.0 mm, small base 2.0 mm, height 0.45 mm).

Закрепление профилированных законцовок труб в трубных решетках производилось вальцовками отечественного производства на стенде фирмы Инреско (США). The profiled pipe ends in the tube sheets were fastened by rolling of domestic production at the stand of Inresco (USA).

Исследованиями установлено, что операция формирования кольцевых выступов на внешней поверхности концов трубы путем их раздачи с последующим обжимом в сочетании с внеконтактной деформацией по местоположению внутренней кольцевой канавки обеспечивает гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений, приводит к сравнительно небольшому удорожанию трубы и значительно увеличивает срок межремонтного пробега трубным пучком при условии возможности неоднократного использования трубных решеток. Испытаниями на выдергивание трубы из трубной решетки установлено, что деформирующее усилие составляет 0,075÷0,085 МН. Studies have established that the operation of forming annular protrusions on the outer surface of the pipe ends by distributing them with subsequent crimping in combination with non-contact deformation at the location of the inner annular groove provides guaranteed increased service characteristics of the rolling joints, leads to a relatively small increase in the cost of the pipe and significantly increases the overhaul time of the pipe beam, subject to the possibility of repeated use of tube sheets. Tests for pulling the pipe out of the tube sheet revealed that the deforming force is 0.075 ÷ 0.085 MN.

Плотность неразъемных соединений обеспечивала 100%-ную их пригодность требованиям производства. The density of one-piece joints ensured their 100% suitability for production requirements.

Малые деформирующие трубу усилия при ее раздаче и обжиме позволяют использовать машины на механическом, гидравлическом или пневматическом приводе. Small forces deforming the pipe during its distribution and crimping allow the use of machines on a mechanical, hydraulic or pneumatic drive.

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 outer surface of the pipe ends with the formation of an annular protrusion on each of them, installing the pipe in a pipe hole made with an external and internal annular grooves, placing the annular protrusion of the pipe opposite the external annular groove, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole by applying a deforming force to the inner surface of the pipe, characterized in that the profiling of the external the ends of the pipe are profiled with their inner surface by distributing the pipe and then crimping it at a length shorter than the distribution that is carried out repeatedly, an annular protrusion on the outer surface of each pipe end is formed with a diameter, the value of which is determined from the condition of ensuring a minimum clearance between the aforementioned an annular protrusion and a hole in the tube sheet, and the pipe is fixed in the hole of the tube sheet with a transverse shift of the pipe web relative to the ring ledge a.