UA151657U

UA151657U - Method of repairing pipes of heat exchangers by brazing in a glow discharge field

Info

Publication number: UA151657U
Application number: UAU202200384U
Authority: UA
Inventors: Геннадій Павлович Болотов; Максим Геннадійович Болотов; Світлана Михайлівна Ющенко; Ірина В'ячеславівна Нагорна
Original assignee: Національний Університет "Чернігівська Політехніка"
Priority date: 2022-01-31
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2022-08-25

Abstract

The utility model relates to a method of repairing tube bundles of heat exchangers by restoring the tightness of defective tubes, for which a segment of a repair tube is inserted inside the defective tube into the zone of the through defect with its overlap, along the edges of which solder foil rings are preliminarily placed in the grooves created by machining, the necessary protective gas atmosphere is created in the repair zone and heated to the melting point of the solder.

Description

Корисна модель належить до галузі машинобудування, переважно стосується паяння в тліючому розряді виробів з тонколистових елементів, наприклад, при відновленні трубних пучків теплообмінних апаратів.A useful model belongs to the field of mechanical engineering, it mainly concerns soldering in a glowing discharge of products made of thin-sheet elements, for example, when restoring tube bundles of heat exchangers.

Теплообмінні апарати кожухотрубчастого типу знайшли широкого застосування у багатьох галузях промисловості, зокрема у теплоенергетиці, електроенергетиці, нафтопереробному виробництві, хімічному апаратобудуванні тощо. Основу теплообмінного вузла даних апаратів становлять трубчасті грати із численними, увареними в них, протяжними трубками діаметром 0,01-0,04 м. У процесі роботи трубки гріються ззовні відкритим полум'ям або іншим теплоносієм.Shell-and-tube type heat exchangers are widely used in many industries, in particular in thermal power generation, electric power generation, oil refining, chemical apparatus construction, etc. The basis of the heat exchange unit of these devices is tubular grids with numerous long tubes with a diameter of 0.01-0.04 m welded into them. During operation, the tubes are heated from the outside by an open flame or another heat carrier.

По самих трубках може транспортуватися хімічно активне середовище (продукт), внаслідок чого згодом спостерігається ерозія їх зовнішньої або внутрішньої поверхні зі зниженням товщини їхніх стінок і можливою появою наскрізних дефектів у вигляді свищів. У цьому випадку знижується ефективність теплообміну й з'являється небезпека втрати продукту або забруднення його грійним середовищем.A chemically active medium (product) can be transported through the tubes themselves, as a result of which erosion of their outer or inner surface with a decrease in the thickness of their walls and the possible appearance of through defects in the form of fistulas can be observed. In this case, the efficiency of heat exchange decreases and there is a danger of product loss or contamination by the heating medium.

На даний час ремонт теплообмінного вузла вимагає зупинки апарата, демонтажу й вивантаження з нього теплообмінного вузла, виявлення дефектної трубки, її видалення й вварювання нової. Це забирає значний час і призводить до помітних матеріальних втрат внаслідок тривалої зупинки технологічного процесу.Currently, repair of the heat exchange unit requires stopping the apparatus, disassembling and unloading the heat exchange unit from it, identifying the defective tube, removing it and welding a new one. This takes a lot of time and leads to significant material losses due to a long stoppage of the technological process.

Так, відомий спосіб ремонту кожухотрубчастих теплообмінників (ХО 38.011.85-83 Общие технические условия на ремонт кожухотрубчатьїх теплообменников/ Миннефтехимпром СССР, 1983, ВНИКТИНнефтехимоборудованиє|, що передбачає демонтаж заглушок з обох сторін забракованої трубки, висвердлювання трубчастих грат свердлильною установкою із діаметром свердла, рівним діаметру демонтованої трубки, із подальшим зминанням кінців трубок із використанням спеціального обладнання або пневматичних молотків. Висвердлену трубку демонтують, а на вивільнене місце встановлюють нову і здійснюють її подальше розвальцювання до необхідних розмірів.Thus, there is a well-known method of repairing shell-and-tube heat exchangers (ХО 38.011.85-83 General technical conditions for the repair of shell-and-tube heat exchangers/ Minneftekhimprom of the USSR, 1983, VNYKTINneftehimoborudovanie|, which involves dismantling the plugs from both sides of the rejected tube, drilling the tubular grates with a drilling rig with a drill diameter equal to of the diameter of the dismantled tube, followed by crumpling the ends of the tubes using special equipment or pneumatic hammers.

Такий спосіб ремонту має ряд суттєвих недоліків, головним чином пов'язаних із високою трудомісткістю та низькою продуктивністю, що обумовлено складністю вилучення забракованої трубки із трубчастих грат, а також, необхідністю монтажу нових трубок.This method of repair has a number of significant disadvantages, mainly related to high labor intensity and low productivity, which is due to the difficulty of removing the rejected tube from the tubular grids, as well as the need to install new tubes.

Відомий спосіб ремонту водно-масляного теплообмінного апарата (Технология ремонта тепловозов: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. Под ред. Иванова В.П. - М.: Транспорт, 1987, с.205 и 206Ї, при якому теплообмінний вузол повністю демонтується, розбирається із подальшою очисткою від накипу та забруднень. З метою виявлення течії дефектну трубку опресовують водою під тиском 3-10»Па протягом 5 хв. Виявлений наскрізний дефект усувають шляхом паяння електричними паяльниками із використанням олов'яно-свинцевого припою пос-40.There is a known method of repairing a water-oil heat exchange apparatus (Technology of locomotive repair: Textbook for train technicians of railway transport. Edited by V.P. Ivanova - M.: Transport, 1987, p. 205 and 206), in which the heat exchange unit is completely disassembled, disassembled with further cleaning from scale and impurities. In order to detect the flow, the defective tube is pressed with water under a pressure of 3-10"Pa for 5 minutes. The identified through defect is eliminated by soldering with electric soldering irons using tin-lead solder pos-40.

Однак даний спосіб ремонту є також вельми трудомістким, що пов'язано із необхідністю його повного розбирання. Більш того, використання легкоплавких припоїв системи ПОС, температура плавлення яких не перевищує 238х11, не забезпечує високої якості відновлення, оскільки іноді температура транспортованої теплообмінним апаратом рідини може досягати температури розпаювання припоїв даної групи.However, this method of repair is also very time-consuming, which is connected with the need for its complete disassembly. Moreover, the use of low-melting solders of the POS system, the melting temperature of which does not exceed 238x11, does not ensure high-quality restoration, since sometimes the temperature of the liquid transported by the heat exchanger can reach the de-soldering temperature of the solders of this group.

Відомий також спосіб ремонту теплообмінних апаратів (Заявка ВО 2385790 (Росія) В2З3Рб,A method of repairing heat exchange devices is also known (Application VO 2385790 (Russia) V2Z3Rb,

В21053/08 Способ ремонта трубньїх пучков теплообменньїх аппаратові, що полягає в демонтажі забракованих трубок теплообміннику і встановлення на їх місця нових трубок, підготовлених обробкою тиском. Підготовка полягає в отриманні трубок із профільованими закінченнями шляхом їх правки, різання в міру та зачищенням зовнішньої поверхні кінців трубок та формуванні на них кільцевих виступів із боковими конічними поверхнями шляхом впровадження в трубку жорсткого пуансона гідравлічного пресу. Отримане профільоване закінчення в подальшому встановлюють в, попередньо доопрацьований механічно, отвір трубчастих грат теплообмінного апарата.B21053/08 The method of repairing tube bundles of heat exchanger apparatus, which consists in dismantling the defective tubes of the heat exchanger and installing new tubes prepared by pressure treatment in their place. The preparation consists in obtaining tubes with profiled ends by straightening them, cutting to size and cleaning the outer surface of the ends of the tubes and forming on them annular protrusions with lateral conical surfaces by introducing a rigid punch of a hydraulic press into the tube. The resulting profiled end is then installed in the previously mechanically finished opening of the tubular grates of the heat exchanger.

До недоліків даного способу, окрім високої трудомісткості такого ремонту слід віднести і досить обмежене використання, а саме тільки в поєднанні профільованих закінчень із трубними отворами, що мають відповідні за розміром канавки.Among the disadvantages of this method, in addition to the high labor intensity of such repairs, should be attributed a rather limited use, namely, only in combination with profiled ends with pipe openings that have grooves of the appropriate size.

У відомому способі ремонту внутрішніх поверхонь теплообмінних трубок (Заявка ВИ 2761523 (Росія) ВО501/28, ВО501/28 Способ ремонта трубньїх решеток теплообменньх аппаратові, передбачено введення в міжтрубний простір теплообмінного апарата спеціальної речовини - термозатвердіваючого компаунду при температурі нижче температури його затвердіння із наступним підняттям одного боку теплообмінного апарата на встановлений кут з метою досягнення рідиною дефектної ділянки. При потраплянні компаунду в зону дефекту здійснюють нагрів зовнішнього боку трубки до температури, рівної або такої, що перевищує бо температуру затвердіння компаунду. Нагрів здійснюють до утворення захисного покриття із затверділої плівки компаунду. Після чого апарат повертають у вихідне положення і операції повторюють на інших ділянках трубки або інших дефектних трубках.In the well-known method of repairing the internal surfaces of heat exchange tubes (Application VI 2761523 (Russia) VO501/28, VO501/28 Method of repairing tube grids of heat exchange apparatus, it is provided for the introduction of a special substance - a thermosetting compound into the intertube space of the heat exchange apparatus at a temperature below its solidification temperature, followed by raising one side of the heat exchanger at a set angle in order for the liquid to reach the defective area. When the compound enters the defect zone, the outer side of the tube is heated to a temperature equal to or higher than the solidification temperature of the compound. The heating is carried out until a protective coating is formed from the hardened film of the compound. After that, the device is returned to its original position and operations are repeated on other sections of the tube or other defective tubes.

До недоліків цього способу слід віднести не довговічність захисного шару, оскільки агресивні компоненти рідин, що транспортуються можуть вступати в хімічну реакцію із покриттям із утворенням сполук, що поступово вимиваються із відремонтованої ділянки. Також, можливе спостерігання часткове розтріскування крихкого захисного шару внаслідок циклу нагріву та наступного охолодження трубок теплообмінного апарата в процесі його тривалої роботи.The disadvantages of this method include the lack of durability of the protective layer, since the aggressive components of the transported liquids can enter into a chemical reaction with the coating, forming compounds that are gradually washed out of the repaired area. It is also possible to observe partial cracking of the fragile protective layer as a result of the cycle of heating and subsequent cooling of the tubes of the heat exchanger during its long-term operation.

Найбільш близьким за технічним результатом, що досягається, (прототипом) є спосіб ремонту трубок в трубчастих гратах теплообмінних апаратів (Заявка ЕР 1 624 273 А? (Європатент) Б28Е 11/02, Е16Ї 55/162 Спосіб ремонту трубних грат та трубок теплообмінних апаратів за допомогою проточної заглушки|) шляхом запресовування всередину пошкодженої трубки порожнистої металевої заглушки у вигляді металевого циліндру. Залежно від локалізації дефекту і ступеня пошкодження теплообмінної трубки ремонтна заглушка може бути до 5 см довжиною (щит) або виконана на всю довжину забракованої трубки (дублер). Заглушки виготовляються із вуглецевої сталі із попередньо нанесеним антикорозійним покриттям, нержавіючої сталі або мідних сплавів (Си-Мі або латунь). Задля полегшення впровадження на кінці заглушки забезпечується конусність 0,83 см на 1 метр. Процес ремонту розпочинають із очищення внутрішньої поверхні дефектної трубки дротяною щіткою. Після продування труб стисненим повітрям вимірюють внутрішній діаметр труби для визначення вимог до зовнішнього діаметру заглушки. Потім в забраковані теплообмінні труби вставляють заглушки у вигляді щитів або дублерів і здійснюють їх запресовування ударами молотів або із застосуванням механізованого обладнання допоки кінець ремонтної заглушки не стане в рівень із трубними гратами. Наступним етапом є гідравлічне розширення ремонтної заглушки подачею всередину води під високим тиском (15-75 МПа) з метою забезпечення її контакту із дефектною ділянкою.The closest technical result achieved (prototype) is the method of repairing tubes in tubular grates of heat exchangers (Application EP 1 624 273 A? (European patent) Б28Е 11/02, Е16Й 55/162 Method of repairing tube grates and tubes of heat exchangers according to using a flow plug |) by pressing a hollow metal plug in the form of a metal cylinder into the damaged tube. Depending on the localization of the defect and the degree of damage to the heat exchange tube, the repair plug can be up to 5 cm long (shield) or made for the entire length of the defective tube (doubler). Plugs are made of carbon steel with a pre-applied anti-corrosion coating, stainless steel or copper alloys (Si-Mi or brass). For ease of implementation, a taper of 0.83 cm per 1 meter is provided at the end of the plug. The repair process begins with cleaning the inner surface of the defective tube with a wire brush. After blowing the pipes with compressed air, the inside diameter of the pipe is measured to determine the requirements for the outside diameter of the plug. Then plugs in the form of shields or doublers are inserted into the defective heat exchange pipes and they are pressed with hammer blows or with the use of mechanized equipment until the end of the repair plug is level with the pipe grates. The next stage is the hydraulic expansion of the repair plug by injecting water under high pressure (15-75 MPa) in order to ensure its contact with the defective area.

Далі заглушки, фрезерують та розвальцьовують відповідно до ТУ.Next, plugs are milled and flared in accordance with the Technical Specifications.

Зазначений спосіб ремонту не потребує повного демонтажу теплообмінного вузла, однак використання заглушок для ремонту трубних пучків не забезпечує стабільних показників якості, оскільки з часом, внаслідок агресивних впливів, товщина стінок труб істотно зменшується і механічне запресовування металевих трубних вставок може призводити до додатковогоThe mentioned method of repair does not require complete dismantling of the heat exchange unit, however, the use of plugs for repairing pipe bundles does not provide stable quality indicators, because over time, due to aggressive influences, the thickness of the pipe walls decreases significantly and mechanical pressing of metal pipe inserts can lead to additional

Зо викривлення трубної поверхні або, навіть до появи розривів існуючих з'єднань. В обох випадках, така труба повинна бути демонтована і замінена на нову, оскільки забезпечити щільне прилягання заглушки до механічно викривленої поверхні не вдається можливим навіть після гідравлічного розширення. Також, до недоліків методу, у випадку застосування заглушок- дублерів, слід віднести значну трудомісткість процесу та суттєві перевитрати металу, оскільки наведена технологія ремонту майже не відрізняється від повної заміни дефектних труб новими.From the curvature of the pipe surface or even to the appearance of cracks in existing connections. In both cases, such a pipe must be dismantled and replaced with a new one, since it is not possible to ensure a tight fit of the plug to the mechanically curved surface even after hydraulic expansion. Also, the disadvantages of the method, in the case of the use of doubler plugs, include the significant laboriousness of the process and significant overspending of metal, since the mentioned repair technology is almost no different from the complete replacement of defective pipes with new ones.

Задачею корисної моделі є забезпечення можливості ремонту теплообмінних апаратів без їхнього повного демонтажу відновленням дефектних ділянок трубок паянням із застосуванням тліючого розряду.The task of the useful model is to ensure the possibility of repairing heat exchangers without their complete dismantling by restoring defective sections of tubes by soldering with the use of glow discharge.

Поставлена задача вирішується тим, що з одного з торців усередину дефектної трубки 1 в зону наскрізного дефекту З вводиться відрізок ремонтної трубки 5 (кресл.) із зовнішнім діаметром на 0,15-0,2 мм менше внутрішнього діаметра основної. По краях ремонтної трубки механічним способом створюються неглибокі проточки, у які попередньо укладаються кільця з фольги припою 2 товщиною 0,1-0,15 мм. Оскільки забезпечити флюсування зони спаю як до, так і в процесі паяння не є можливим, доцільно використовувати припої, що самофлюсуються.The problem is solved by introducing a section of the repair tube 5 (drawing) with an outer diameter 0.15-0.2 mm smaller than the inner diameter of the main one from one of the ends inside the defective tube 1 into the zone of the through defect Z. On the edges of the repair tube, shallow grooves are mechanically created, into which rings of solder foil 2 with a thickness of 0.1-0.15 mm are pre-laid. Since it is not possible to ensure fluxing of the joint zone both before and during soldering, it is advisable to use self-fluxing solders.

Один з вихідних отворів трубки герметично з'єднується з форвакуумним насосом і системою подачі робочого (плазмоутворюючого) газу, а з іншого кінця трубки через герметичне ущільнення на ізоляторах уводиться електрод тліючою розряду 4 (анод), що встановлюється поблизу місця спаювання, як показано на кресл. Сама трубка (виріб) при цьому заземлена й служить катодом розряду. Після досягнення в трубці розрідження приблизно 13,3 Па й напуску газу (азоту або аргону) до тиску 100-150 Па між трубкою й електродом запалюється тліючий розряд. Для нагрівання зони паяння необхідно, щоб розряд поширювався від анода (електрода) саме у бік ремонтної трубки. Для запобігання поширенню розряду в протилежний відносно анода бік зазор між електрично ізольованим тримачем анода й внутрішньою стінкою трубки повинен бути менше, ніж довжина зони катодного падіння потенціалу тліючого розряду, що для азоту й аргону при зазначених тисках газу становить 3-4 мм.One of the outlet openings of the tube is hermetically connected to the forevacuum pump and the supply system of the working (plasma-forming) gas, and from the other end of the tube, through a hermetic seal on the insulators, a glow discharge electrode 4 (anode) is introduced, which is installed near the soldering point, as shown in the figure . At the same time, the tube (product) itself is grounded and serves as the discharge cathode. After reaching a vacuum of approximately 13.3 Pa in the tube and the introduction of gas (nitrogen or argon) to a pressure of 100-150 Pa between the tube and the electrode, a glow discharge is ignited. To heat the soldering zone, it is necessary that the discharge propagates from the anode (electrode) exactly towards the repair tube. To prevent the spread of the discharge in the direction opposite to the anode, the gap between the electrically insulated anode holder and the inner wall of the tube should be less than the length of the cathodic potential drop zone of the glow discharge, which for nitrogen and argon at the indicated gas pressures is 3-4 mm.

Елементи теплообмінного вузла виконують, як правило, 3 легованих тепло- і корозійностійких сталей робоча температура яких досягає 873 К, що потребує використання припою з більш високою температурою плавлення ПСр-72 або ВПр-4. Однак ці припої є вельми рідкотекучими і є вірогідність часткового їх стікання униз, призводячи до появи непропаїв у бо верхній дефектній частині трубки. У зв'язку з цим найбільш ефективним, з точки зору заповнення зазору між поверхнями трубок буде використання композиційного припою що складаються з легкоплавкої матриці й більш тугоплавкого наповнювача у вигляді сітки, що перешкоджає стіканню припою. Як такий припій може бути використаний, наприклад, припійThe elements of the heat exchange unit are made, as a rule, of 3 alloyed heat- and corrosion-resistant steels, the working temperature of which reaches 873 K, which requires the use of solder with a higher melting point PSr-72 or VPr-4. However, these solders are very thin-flowing and there is a probability of their partial flow down, leading to the appearance of unsoldered joints in the upper part of the defective tube. In this regard, the most effective, from the point of view of filling the gap between the surfaces of the tubes, will be the use of composite solder consisting of a low-melting matrix and a more refractory filler in the form of a grid, which prevents the flow of solder. As such solder can be used, for example, solder

ПСр-72 у вигляді фольги товщиною 0, мм із привареним до неї з однієї зі сторін конденсаторним зварюванням тонкого мідного дроту діаметром 0,08 мм у вигляді сітки з розміром осередку близько 1,5х1,5 мм. Отриманий припій у вигляді кільця встановлюється сіткою усередину в проточки на ремонтну трубку.PSr-72 in the form of a foil with a thickness of 0. mm with capacitor welding of a thin copper wire with a diameter of 0.08 mm welded to it on one side in the form of a grid with a cell size of about 1.5x1.5 mm. The resulting solder in the form of a ring is installed with a grid inside the grooves on the repair tube.

Температуру паяння встановлюють зміною струму тліючого розряду в межах 1102-1373 К.The soldering temperature is set by changing the glow discharge current in the range of 1102-1373 K.

Довжину області нагрівання й температурний стан зони спаю контролюють за допомогою оптичного пірометра по випромінюванню зовнішньої поверхні трубки.The length of the heating area and the temperature state of the joint zone are monitored using an optical pyrometer based on the radiation of the outer surface of the tube.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

1. The method of repairing tube bundles of heat exchange devices by restoring the tightness of defective tubes, which is characterized by the fact that inside the defective tube, in the zone of the through defect with its overlap, a segment of the repair tube is introduced, along the edges of which, in the grooves created by mechanical processing, rings of solder foil are pre-laid, in the repair zone, they create the necessary protective gas atmosphere and heat to the melting temperature of the solder.

2. The method according to claim 1, which differs in that the heating of the repair zone (tube connection zone) is carried out by a glow discharge that ignites between the anode, which is introduced inside the defective tube to the repair zone, and the inner surface of the product, which serves as the cathode of the discharge.

3. The method according to claim 1, which is distinguished by the fact that composite solders with a refractory filler in the form of a grid are used to eliminate non-soldering along the perimeter of the tube joint zone due to the flow of liquid solder to the lower part. KE Z Z r: ZDO i u deya v o zhi z neuevkh sb 5 po E po i i Ka a zh, KATOK. pk Si: TI i u t ps: AK KA AKA A a A A I KA AJAX KE : Ka y y ek p po m a zh- oso a y i KUTU v ve vo I y ! m m o m p p a k a W o o V V PI I VV MK y EE u KE 5 Kak y EE J sy o RYSI IA I h I y EK Codoodokyokdni UN seni i sefooy kv oon yui tk i uh