RU2171154C2 - Method for securing tubes to tube plate - Google Patents

Abstract

FIELD: plastic metal working, namely processes for securing tubes to tube plates of heat exchanging apparatuses. SUBSTANCE: method is realized with use of effect of localized oriented plastic deformation of tube material. Method comprises steps of profiling tube end portion after preparing it by forming on outer surface of tube end portion cone whose apex is arranged outside tube end and also by forming portion with curvilinear generatrix turned to tube axis and smoothly joined with cone portion; placing tube into tube opening without gap in such a way that tube portion with curvilinear generatrix may embrace front (at side of face of tube plate) edges of two annular grooves of opening of tube plate; fixing tube against its possible motion and fastening it in tube opening of tube plate in such a way that at first tube material fills annular grooves of tube plate and then common deformation of tube and tube plate is realized. EFFECT: possibility for providing necessary operational parameters of tube-to-tube plate joint without applying increased efforts to tube end. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, 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, in particular to the processes of fixing pipes in the tube sheets 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 одним из концов устанавливают в трубное отверстие, фиксируют ее от возможного осевого перемещения, приваривают торец трубы к лицевой поверхности трубной решетки с последующей развальцовкой трубы путем приложения сжимающего к ее внутренней поверхности усилия, например, механической вальцовкой (см. Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. Ленинград, Судостроение, 1972, 143 с). A known method of fixing pipes in tube sheets, in which a heat exchange pipe is installed at one end in a pipe hole, it is fixed from possible axial movement, the pipe end face is welded to the front surface of the tube sheet with subsequent expansion of the pipe by applying a compressive force to its inner surface, for example, mechanical rolling (see P. Doroshenko, Production Technology for Ship Steam Generators and Heat Exchangers. Leningrad, Shipbuilding, 1972, 143 s).

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, образующих 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 weldable.

Известен также способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование конца трубы, прошедшей подготовительные операции, установку его в трубное отверстие решетки, имеющее две кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии, при котором осуществляют совместное деформирование трубы и трубной решетки и заполнение материалом трубы, в результате ее осевого сжатия, кольцевых канавок решетки (RU 2087231 С1, 20.08.1997, В 21 D 39/06 - прототип). There is also known a method of securing pipes in pipe lattices, including profiling the end of the pipe, which has undergone preparatory operations, installing it in the pipe hole of the lattice, having two annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the pipe hole, in which joint deformation of the pipe and the tube sheet and the filling of the pipe material, as a result of its axial compression, of the ring grooves of the screen (RU 2087231 C1, 08.20.1997, B 21 D 39/06 - prototype).

Недостатком известного способа является возможность не заполняемости объемов кольцевых канавок трубного отверстия материалом трубы. Достижение же требуемых значений эксплуатационных характеристик вальцовочных соединений в этом случае обеспечивается приложением повышенных сжимающих усилий на торцовую поверхность трубы. The disadvantage of this method is the possibility of not filling the volume of the annular grooves of the pipe hole with pipe material. The achievement of the required values of the operational characteristics of the rolling joints in this case is ensured by the application of increased compressive forces on the end surface of the pipe.

Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления труб в трубных решетках, который бы обеспечивал получение требуемых эксплуатационных характеристик вальцовочных соединений без приложения повышенных усилий на торцовую поверхность трубы. The objective of the invention is to develop such a method of securing pipes in tube sheets that would provide the required operational characteristics of milling joints without the application of increased forces on the end surface of the pipe.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления труб в трубных решетках, включающем профилирование конца трубы, прошедшей подготовительные операции, установку его в трубное отверстие решетки, имеющее две кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии, при котором осуществляют совместное деформирование трубы и трубной решетки и заполнение материалом трубы в результате ее осевого сжатия кольцевых канавок решетки, согласно изобретению заполнение материалом трубы кольцевых канавок решетки производят до совместного деформирования трубы и трубной решетки, для чего профилирование конца трубы осуществляют путем выполнения на его внешней поверхности конического участка с вершиной конуса, расположенной вне торца трубы, и участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, плавно сопряженного с коническим участком, а трубу устанавливают в трубное отверстие без зазора, охватывая участком с криволинейной образующей передние от лицевой поверхности трубной решетки кромки кольцевых канавок. The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing the pipes in the tube sheets, including profiling the end of the pipe, which has undergone preparatory operations, installing it in the tube hole of the grid having two annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fastening in the tube hole, in which carry out joint deformation of the pipe and tube sheet and filling the pipe material as a result of its axial compression of the annular grooves of the grid, according to the invention, filling with material the pipes of the annular grooves of the lattice are produced before the joint deformation of the pipe and the pipe lattice, for which the profiling of the end of the pipe is carried out by performing on its outer surface a conical section with a vertex of a cone located outside the pipe end, and a section with a curvilinear generatrix facing the pipe axis, smoothly interfaced conical section, and the pipe is installed in the pipe hole without a gap, covering with a section with a curvilinear generatrix the edges of the annular grooves that are front from the front surface of the tube sheet .

Осуществление предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения труб с трубными решетками, обладающих повышенными характеристиками прочности без приложения повышенных сжимающих усилий на торцовую поверхность трубы. Implementation of the proposed method of securing pipes in tube sheets allows us to obtain milling pipe joints with tube sheets having improved strength characteristics without the application of increased compressive forces on the end surface of the pipe.

Это объясняется тем, что, используя эффект переменной жесткости трубы на длине, подвергаемой осевому сжатию, создают условия более эффективного заполнения материалом трубы объемов кольцевых канавок трубного отверстия. В частности, выполнением конусного участка на торце трубы, осуществляют ее беззазорную постановку в трубное отверстие, обеспечивая контакт соединяемых элементов. При этом устраняется операция привальцовки трубы и внешний ее контур приобретает профиль трубного отверстия. Применение на трубе участка с криволинейной образующей, обращенной к ее оси, локализует пластическую деформацию материала трубы, позволяя осуществить последовательное заполнение им объема внутренней, а затем внешней кольцевых канавок. Стадия совместной деформации собираемых элементов имеет место после заполнения объемов кольцевых канавок и регламентируется контролируемым перемещением деформирующего инструмента. This is because, using the effect of variable pipe stiffness over the length subjected to axial compression, conditions are created for more efficiently filling the volume of the annular grooves of the pipe hole with the pipe material. In particular, by performing a conical section at the end of the pipe, it is set to be gaplessly inserted into the pipe hole, providing contact of the connected elements. This eliminates the operation of rolling the pipe and its external contour acquires the profile of the pipe hole. The application on the pipe of a section with a curved generatrix facing its axis localizes the plastic deformation of the pipe material, allowing it to be sequentially filled with the volume of the inner and then outer annular grooves. The stage of joint deformation of the assembled elements takes place after filling the volumes of the annular grooves and is regulated by the controlled movement of the deforming tool.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1,а показана теплообменная труба, расположенная в технологической оснастке, перед профилированием ее внешней поверхности; на фиг. 1,б - окончание стадии профилирования внешней поверхности конца трубы; на фиг. 2 - профилированный конец теплообменной трубы, установленный беззазорно в отверстие трубной решетки; на фиг. 3 - стадия заполнения объема внутренней кольцевой канавки трубного отверстия; на фиг. 4 - окончание стадии совместной деформации трубы и трубного отверстия; на фиг. 5 - вальцовочное соединение трубы с трубной решеткой. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1a shows a heat exchange pipe located in a tooling before profiling its outer surface; in FIG. 1, b - the end of the stage of profiling the outer surface of the end of the pipe; in FIG. 2 - profiled end of the heat exchange pipe installed gaplessly in the hole of the tube sheet; in FIG. 3 - the stage of filling the volume of the inner annular grooves of the pipe hole; in FIG. 4 - end of the stage of joint deformation of the pipe and pipe hole; in FIG. 5 - milling connection of the pipe with the tube sheet.

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

На теплообменной трубе 1 выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности ее концов к профилированию: правка трубы, отрезка ее мерной длины и зачистка поверхности до металлического блеска. On the heat exchange pipe 1, operations are performed to prepare the outer surface of its ends for profiling: straightening the pipe, a segment of its measured length and cleaning the surface to a metallic luster.

Далее трубу 1 (фиг. 1,а) одним из ее концов располагают в контейнере 2, имеющим ступенчатую рабочую полость. При этом диаметр сквозного отверстия в контейнере 2 выполнен с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 1. Последнюю фиксируют посредством радиального давления (показано стрелками) от осевого перемещения прижимом 3, располагаемым за контейнером 2. Установку трубы 1 в полости контейнера 2 осуществляют таким образом, чтобы ее торец отстоял на некотором расстоянии от донной поверхности полости. На выступающем конце трубы 1 в полости контейнера 2 размещают кольцо 4 из упругого материала, например полиуретана марки СКУ - 7 Л. И в зазор между стенками контейнера 2 и трубой 1 вводят втулочный пуансон - матрицу 5, имеющий на своей внутренней поверхности конический участок. В отверстии втулочного пуансона - матрицы 5 размещают с минимальным зазором большую ступень ограничительного стержня 6, малая ступень которого выполнена с зазором по отношению к диаметру отверстия трубы 1. Next, the pipe 1 (Fig. 1, a) one of its ends is placed in a container 2 having a stepped working cavity. The diameter of the through hole in the container 2 is made with a minimum clearance relative to the outer diameter of the pipe 1. The latter is fixed by radial pressure (shown by arrows) from axial movement by the clamp 3 located behind the container 2. The installation of pipe 1 in the cavity of the container 2 is carried out in this way so that its end face is defended at a certain distance from the bottom surface of the cavity. At the protruding end of the pipe 1, a ring 4 of elastic material, for example, polyurethane grade SKU - 7 L, is placed in the cavity of the container 2. And a sleeve punch - matrix 5, having a conical section on its inner surface, is introduced into the gap between the walls of the container 2 and the pipe 1. In the hole of the sleeve punch - matrix 5 is placed with a minimum clearance of a large step of the bounding rod 6, a small step of which is made with a gap with respect to the diameter of the hole of the pipe 1.

Воздействуя осевым усилием на втулочный пуансон - матрицу 5, вызывают сжатие упругого кольца 4 и, как следствие, приложение сжимающего усилия к части внешней поверхности трубы 1, размещенной в контейнере 2. Осевое перемещение втулочного пуансона - матрицы 5 приводит к локальному обжиму трубы 1 в сочетании с обжимом ее торца, формируя конический участок вершина которого располагается вне торца. Профилирование внешней поверхности конца трубы 1 завершается с формированием на ее внешней поверхности конического участка, плавно переходящего в участок с криволинейной образующей, направленной к оси трубы 1 (фиг. 1,б). The axial force acting on the sleeve punch - matrix 5 causes compression of the elastic ring 4 and, as a result, the application of compressive force to the part of the outer surface of the pipe 1 located in the container 2. The axial movement of the sleeve punch - matrix 5 leads to local compression of the pipe 1 in combination with crimping its end, forming a conical section whose apex is located outside the end. Profiling the outer surface of the end of the pipe 1 is completed with the formation on its outer surface of a conical section that smoothly passes into the section with a curved generatrix directed to the axis of the pipe 1 (Fig. 1, b).

Затем подобное профилирование внешней поверхности трубы 1 производят на втором ее конце. Then, such profiling of the outer surface of the pipe 1 is carried out at its second end.

Закреплению трубы 1 предшествует стадия беззазорной постановки (за счет осевого на нее воздействия) профилированного конца в отверстии трубной решетки 7 (фиг. 2). В этом случае конический участок трубы 1 способствует более легкому ее прохождению через отверстия в перегородках и в отверстии трубной решетки 7. Обязательным условием правильной постановки трубы 1 в трубном отверстии является размещение ее участка с криволинейной образующей таким образом, чтобы им охватывались передние кромки кольцевых канавок. Поперечное сечение последних представляет собой равнобокие трапеции. Контроль постановки достигается по размещению кромки торца трубы 1 над лицевой поверхностью трубной решетки 7 на заданном расстоянии. The fastening of the pipe 1 is preceded by the stage of clearance-free setting (due to the axial impact on it) of the profiled end in the hole of the tube sheet 7 (Fig. 2). In this case, the conical section of the pipe 1 facilitates its easier passage through the holes in the partitions and in the hole of the tube sheet 7. A prerequisite for the correct placement of the pipe 1 in the tube hole is to place its section with a curved generatrix so that it covers the front edges of the annular grooves. The cross section of the latter is an isosceles trapezoid. Setting control is achieved by placing the edge of the pipe end 1 above the front surface of the tube sheet 7 at a predetermined distance.

На выступающем над лицевой поверхностью трубной решетки торце трубы 1 устанавливают кольцо 8 с внутренним отверстием, выполненным с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру трубы 1. On the end of the pipe 1 protruding above the front surface of the tube sheet, a ring 8 is installed with an internal hole made with a minimum clearance with respect to the outer diameter of the pipe 1.

В отверстие трубы 1 вводят ступенчатый пуансон 9, малая ступень которого равна минимальному внутреннему диаметру трубы 1, а большая ступень равна ее внешнему диаметру. A stepped punch 9 is introduced into the hole of the pipe 1, the small step of which is equal to the minimum inner diameter of the pipe 1, and the large step is equal to its outer diameter.

Прикладывая осевое сжимающее усилие к торцу трубы 1, осуществляют продольное ее сжатие. Наличие конического участка трубы 1, обуславливающий повышенную ее кольцевую жесткость, что вызывает раздачу трубы 1 по местоположению внутренней кольцевой канавки трубного отверстия. Другими словами, заполнение объема внутренней кольцевой канавки достигается как сжимающим усилием, а также формируемым изгибающим моментом. Труба 1 фиксируется в отверстии трубной решетки 7 и имеет место заполнение объема внешней кольцевой канавки трубного отверстия. Applying axial compressive force to the end of the pipe 1, carry out its longitudinal compression. The presence of a conical section of the pipe 1, causing its increased ring stiffness, which causes the distribution of pipe 1 at the location of the inner annular groove of the pipe hole. In other words, filling the volume of the inner annular groove is achieved both by compressive force and also by the generated bending moment. The pipe 1 is fixed in the hole of the tube sheet 7 and the volume of the outer annular groove of the tube hole is filled.

Последующее перемещение ступенчатого пуансона 9 вызывает совместную деформацию соединяемых элементов в пределах всей контактной поверхности (фиг. 4). Subsequent movement of the stepped punch 9 causes a joint deformation of the connected elements within the entire contact surface (Fig. 4).

Снятие деформирующего собираемые элементы усилия обуславливает их совместную упругую разгрузку, что предопределяет получение вальцовочным соединением заданных характеристик прочности и плотности (фиг. 5). Removing the deforming assembled elements of the force determines their joint elastic unloading, which determines the receipt of the rolling connection specified characteristics of strength and density (Fig. 5).

Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении стальных (сталь 20) труб с профилированными внешними законцовками в трубных решетках из стали 16 ГС. Исходные геометрические размеры трубы составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм. Внешние поверхности концов трубы предварительно профилировались в технологической оснастке: конический ее участок имел диаметр 24,6 мм, а участок с криволинейной образующей обжимался до диаметра, равного 23,8 мм. Общая длина профилированного участка конца трубы составляла 18 мм. Профилирование концов трубы выполняли в технологической оснастке на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях не более 0,2 Мн. A pilot test of the developed method took place when fixing steel (steel 20) pipes with profiled external endings in the tube sheets of steel 16 GS. The initial geometric dimensions of the pipe were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.5 mm. The outer surfaces of the ends of the pipe were previously profiled in technological equipment: its conical section had a diameter of 24.6 mm, and the section with a curved generatrix was crimped to a diameter of 23.8 mm. The total length of the profiled section of the pipe end was 18 mm. The profiling of the pipe ends was carried out in a tooling on a horizontal double-acting hydraulic press with forces not exceeding 0.2 Mn.

Трубные отверстия изготавливались с диаметрами, равными 25 мм. Кольцевые канавки трубных отверстий имели профиль трапеции с геометрическими размерами: большее основание трапеции - 4 мм, меньшее основание трапеции - 2,0 мм, глубину - 0, 5 мм. Расстояние между осями канавок - 10 мм. Pipe holes were made with diameters equal to 25 mm. The annular grooves of the pipe holes had a trapezoidal profile with geometric dimensions: the larger base of the trapezoid was 4 mm, the smaller base of the trapezoid was 2.0 mm, and the depth was 0.5 mm. The distance between the axes of the grooves is 10 mm.

Технологическая оснастка для производства труб с внешними кольцевыми законцовками и ее закрепления в трубных отверстиях изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью HRC после закалки не менее 56 единиц и точностью исполнительных размеров по 7-му квалитету. The tooling for the production of pipes with external annular endings and its fastening in the pipe holes was made of U8A tool steel with a hardness of HRC after hardening of at least 56 units and accuracy of executive dimensions according to the 7th grade.

Ступенчатый пуансон имел диаметр малой ступени - 18,5 мм, диаметр большой ступени - 25 мм. The stepped punch had a diameter of a small step of 18.5 mm, a diameter of a large step of 25 mm.

Закрепление труб в трубных решетках производилось экстракторами фирмы " Индреско " (США). The pipes were fixed in tube sheets by extractors of the Indresco company (USA).

Установлено, что первоначально заполнение объемов кольцевых канавок материалом трубы приводит к образованию кольцевых уплотнений по кромкам кольцевых канавок. В сочетании с остаточным давлением на контактной поверхности формируемых кольцевых выступов с кольцевыми канавками: обеспечиваются гарантированные повышенные служебные характеристики вальцовочных соединений; значительно увеличивается (по сравнению с традиционной технологией по прототипу) межремонтный пробег трубного пучка при условии возможности неоднократного использования трубных решеток. It was found that initially filling the volume of the annular grooves with the pipe material leads to the formation of ring seals along the edges of the annular grooves. In combination with the residual pressure on the contact surface of the formed annular protrusions with annular grooves: guaranteed increased service characteristics of milling joints are provided; significantly increases (compared with the traditional technology of the prototype) turnaround mileage of the tube bundle, subject to the possibility of repeated use of tube sheets.

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

Плотность соединений обеспечивало 100% их пригодность требованиям производства. The density of the compounds provided 100% of their suitability for production requirements.

Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности. The invention is applicable in the manufacture of tube bundles of heat exchangers for oil refining, petrochemical, gas and other industries.

Claims (1)

Способ закрепления труб в трубных решетках, включающий профилирование конца трубы, прошедшей подготовительные операции, установку его в трубное отверстие решетки, имеющее две кольцевые канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее ее закрепление в трубном отверстии, при котором осуществляют совместное деформирование трубы и трубной решетки и заполнение материалом трубы в результате ее осевого сжатия кольцевых канавок решетки, отличающийся тем, что заполнение материалом трубы кольцевых канавок решетки производят до совместного деформирования трубы и трубной решетки, для чего профилирование конца трубы осуществляют путем выполнения на его внешней поверхности конического участка с вершиной конуса, расположенной вне торца трубы, и участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, плавно сопряженного с коническим участком, а трубу устанавливают в трубное отверстие без зазора, охватывая участком с криволинейной образующей передние от лицевой поверхности трубной решетки кромки кольцевых канавок. A method of securing pipes in tube sheets, including profiling the end of the pipe that has undergone preparatory operations, installing it in the tube hole of the tube having two annular grooves, fixing the pipe from possible movement and its subsequent fixing in the tube hole, in which the pipe and tube sheet are jointly deformed and filling the pipe material as a result of its axial compression of the annular lattice grooves, characterized in that the filling with the pipe material of the annular lattice grooves is performed up to joint deformation of the pipe and the tube sheet, for which the profiling of the pipe end is carried out by performing on its outer surface a conical section with a cone apex located outside the pipe end, and a section with a curvilinear generatrix facing the pipe axis, smoothly interfaced with the conical section, and the pipe is installed into the pipe hole without a gap, covering a section with a curvilinear generatrix, the edges of the annular grooves that are front from the front surface of the tube sheet.

Images