RU2752718C1 - Method for fastening heat exchange tubes in chamber-type high-pressure pre-heaters - Google Patents

Abstract

FIELD: heat exchange.

SUBSTANCE: invention relates to processing of metals by pressure and can be used for tube expanding in tube grids of heat exchange equipment assemblies. The ends of the heat exchange tubes are preliminarily distributed in the interval of L₁=4⁺¹ mm from the outer surface of the tube sheet with a roller expander until the radial gap between the tube and the tube sheet is removed. The ends of the tubes are then welded to the tube sheet and the tubes are hydraulically expanded with a liquid pressure of 254.8±9.8 MPa over a length of L_gp in the range of L₁ ≤ L_gp ≤ L_d-(10÷15) mm. The "pocket" in the area adjacent to the outer surface of the tube sheet is removed by rolling with a roller expander. The "pocket" in the area adjacent to the inner surface of the tube sheet is removed by rolling with a roller expander in two passes. Radial normal stresses in the area of contact of the tube with the wall of the hole in the tube sheet are therein provided at σ_k1=(0.25÷0.27)σ_m ^0.9±2.5, σ_k2=(0.3÷0.32)σ_m ^0.9±2.5 MPa, wherein σ_m is the yield strength of the material of the tube, at a torque value determined by the above formula.

EFFECT: reliability of fastening tubes in the tube sheet is increased as a result.

1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для развальцовки труб в трубных решетках при изготовлении ответственных узлов теплообменного оборудования преимущественно для атомных электростанций и может найти применение в атомной, нефтяной и газовой промышленности.The invention relates to the processing of metals by pressure and can be used for expanding pipes in tube sheets in the manufacture of critical units of heat exchange equipment mainly for nuclear power plants and can be used in the nuclear, oil and gas industries.

Существуют разные способы закрепления теплообменных труб:There are different ways to fix the heat exchange tubes:

а) с помощью роликовых вальцовок, силовая часть которых содержит конические ролики (3 или 5 штук) и веретено;a) using roller mills, the power section of which contains tapered rollers (3 or 5 pieces) and a spindle;

б) с помощью гидравлической раздачи, где пластическая деформация участка трубы, размещенного в отверстиях коллектора или трубной решетки, осуществляется жидкостью, сжатой до высокого давления;b) using hydraulic expansion, where plastic deformation of the pipe section located in the openings of the collector or tube sheet is carried out by a liquid compressed to high pressure;

в) посредством прессовой раздачи, осуществляемой давлением материала эластичной втулки, доведенного механическим способом до жидкого состояния;c) by means of press distribution, carried out by the pressure of the material of the elastic sleeve, brought mechanically to a liquid state;

г) с помощью взрывчатых веществ, обеспечивающих прижатие трубы к стенке отверстия.d) using explosives that press the pipe against the wall of the hole.

Достаточно производительный и сравнительно недорогой метод раздачи взрывом не получил широкого распространения из-за трудоемкости и сложности последующей очистки внутренних поверхностей труб от продуктов взрыва.A sufficiently productive and relatively inexpensive method of distribution by an explosion has not become widespread due to the laboriousness and complexity of the subsequent cleaning of the inner surfaces of pipes from explosion products.

Прессовая раздача ограниченно применяется вследствие низкой стоимости эластичного элемента (втулки) и неточном расположении конечного участка зоны раздачи.Press distribution is used to a limited extent due to the low cost of the elastic element (sleeve) and the inaccurate location of the end section of the distribution zone.

Если в конструкции теплообменного аппарата применены решетки (коллекторы) с достаточно толстой стенкой (свыше 100 мм), то, как показал опыт, обычно используют комбинацию разных способов.If grids (collectors) with a sufficiently thick wall (over 100 mm) are used in the design of a heat exchanger, then, as experience has shown, a combination of different methods is usually used.

Известен способ соединения труб с коллектором парогенератора, в котором в отверстия коллектора вводят концы труб, осуществляют раздачу переднего конца труб до полного устранения кольцевых зазоров между концами труб и стенками отверстий механическим вальцеванием 3-х роликовой вальцовкой в интервале 0- 6⁺¹ мм, исчисляемом от внутренней поверхности коллектора, с ограничением крутящего момента на вале привода величиной M_кр1=2,2^+0,196 Нм, после этого выполняют гидравлическую раздачу в интервале 0- Н_гв, причем H_гв=H-I_min, где Н - толщина стенки коллектора, I_min=8…12 мм, затем с помощью 3-х роликовой вальцовки в зоне, прилегающей к внутренней поверхности коллектора, в интервале l_H=0-15_-1 мм производят механическое вальцевание при ограничении крутящего момента величиной M_кр3=2,45^+0,196 Нм, далее для удаления «кармана» в зоне, примыкающей к наружной поверхности коллектора, производят механическое вальцевание с помощью 3-х роликовой вальцовки, которое начинают на глубине

мм при ограничении крутящего момента величиной М_кр4=2,94-3,92 Нм, причем выступание рабочей конической поверхности ролика относительно наружной поверхности коллектора не должно превышать L_вp=6_-1 мм, при этом перепад диаметров внутренней поверхности трубы между зонами механического вальцевания и участком, на котором осуществляют гидравлическую раздачу, не должен превышать 0,75…1% наружного диаметра трубы, (патент №2524461, МПК B21D 39/06, опубл. 2707.2014).There is a known method of connecting pipes with a steam generator collector, in which the ends of the pipes are introduced into the openings of the collector, the front end of the pipes is dispensed until the annular gaps between the ends of the pipes and the walls of the holes are completely eliminated by mechanical rolling by 3-roller rolling in the interval 0-6 ⁺¹ mm, calculated from the inner surface of the collector, with a torque limitation on the drive shaft of M _cr1 = 2.2 ^{+0.196 Nm, then hydraulic expansion is} performed in the interval 0- N _gv , and H _gw = HI _min , where H is the wall thickness of the collector, I _min = 8 ... 12 mm, then with the help of a 3-roller rolling in the area adjacent to the inner surface of the collector, in the interval l _H = 0-15 _-1 mm, mechanical rolling is performed with a torque limitation of M _cr3 = 2.45 ^{+ 0.196} Nm, then to remove the "pocket" in the area adjacent to the outer surface of the collector, mechanical rolling is performed using a 3-roller rolling, which begins at a depth

mm when the torque is limited to M _cr4 = 2.94-3.92 Nm, and the protrusion of the working tapered surface of the roller relative to the outer surface of the collector should not exceed L _bp = 6 _-1 mm, while the difference in the diameters of the inner surface of the pipe between the zones of mechanical rolling and the section where hydraulic expansion is carried out should not exceed 0.75 ... 1% of the outer diameter of the pipe (patent No. 2524461, IPC B21D 39/06, publ. 2707.2014).

Недостатком данного способа является то, что в основном металле коллектора и теплообменных труб после их закрепления присутствуют остаточные напряжения, которые могут привести к деформациям в процессе эксплуатации, и как следствие снижению эксплуатационной надежности изделия.The disadvantage of this method is that in the base metal of the collector and heat exchange tubes, after their fixation, there are residual stresses, which can lead to deformations during operation, and as a consequence to a decrease in the operational reliability of the product.

Известен способ крепления труб в трубных решетках развальцовкой, включающем создание заданных контактных напряжений между трубой и поверхностью отверстия в трубной решетке посредством вальцовки, содержащей конические ролики, привод и веретено, которому сообщают вращение от привода с обеспечением создания контактных напряжений между веретеном и роликами от радиальных усилий, действующих на ролики, ось вращения которых смещена на угол относительно оси вращения веретена, выполненного с конической рабочей частью, для сообщения вращения веретену используют привод, оснащенный устройством для прекращения процесса развальцовки при достижении заданной величины крутящего момента на ведущем конце веретена, и создают контактные напряжения между трубой и поверхностью отверстия в трубной решетке, при этом создают контактные напряжения между трубой и поверхностью отверстия в трубной решетке, выполненной гладкой или с микроканавками, или с одной радиальной канавкой, или с двумя радиальными канавками, а заданную величину крутящего момента (М_кр), при которой прекращают вращение веретена, определяют с учетом параметров контрольного соединения трубы и трубной решетки, конструкция и материал деталей которого аналогичны получаемому соединению (патент №2360762, МПК B21D 39/06, опубл. 10.07.2009).A known method of fastening pipes in tube sheets by expanding, including the creation of predetermined contact stresses between the pipe and the surface of the hole in the tube sheet by means of rolling, containing tapered rollers, a drive and a spindle, which is imparted to rotation from the drive, ensuring the creation of contact stresses between the spindle and the rollers from radial forces acting on rollers, the axis of rotation of which is displaced by an angle relative to the axis of rotation of the spindle, made with a conical working part, to impart rotation to the spindle, a drive is used, equipped with a device for stopping the flaring process when a given value of torque is reached at the leading end of the spindle, and contact stresses are created between the pipe and the surface of the hole in the tube sheet, while creating contact stresses between the tube and the surface of the hole in the tube sheet, made smooth or with micro-grooves, or with one radial groove, or with two radial grooves, and the set value of the torque (M _cr ), at which the rotation of the spindle is stopped, is determined taking into account the parameters of the control connection of the pipe and the tube sheet, the design and material of the parts of which are similar to the obtained connection (patent No. 2360762, IPC B21D 39/06, publ. 10.07.2009).

Недостатком данного способа является то, что при рекомендации крутящих моментов, по достижению которых завершается процесс раздачи трубы, не учитываются параметры вальцовки и нет критерия о работоспособности вальцовки.The disadvantage of this method is that when recommending the torques, upon reaching which the pipe expansion process is completed, the parameters of the expansion are not taken into account and there is no criterion for the operability of the expansion.

Технической задачей изобретения является повышение надежности узла крепления теплообменных труб в трубной доске подогревателя высокого давления камерного типа за счет правильного выбора величины контактного напряжения между трубой и стенкой трубной доски и величины давления гидрораздачи.The technical objective of the invention is to improve the reliability of the unit for fixing heat exchange tubes in the tube sheet of a chamber-type high-pressure heater due to the correct choice of the value of the contact voltage between the tube and the wall of the tube sheet and the value of the hydraulic expansion pressure.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе закрепления теплообменных труб в трубной доске подогревателя высокого давления камерного типа, имеющей толщину L_d и обращенной внутренней поверхностью в межтрубное пространство, согласно изобретению осуществляют предварительную раздачу концов теплообменных труб в интервале L₁=4⁺¹мм от наружной поверхности трубной доски роликовой вальцовкой до удаления радиального зазора между трубой и трубной доской по визуальной оценке, затем осуществляют приварку концов труб к трубной доске и последующую гидравлическую раздачу труб давлением жидкости 254,8±9,8 Мпа на длине L_gp в интервале L₁ ≤ L_gp ≤ L_d-(10÷15) мм, удаляют «карман» в зоне, прилегающей к наружной поверхности трубной доски, путем вальцевания роликовой вальцовкой с рабочей длиной роликов L_p1 с ограничением крутящего величиной величиной М_кр2=2,45^+0,196 Нм и удаляют «карман» в зоне, примыкающей к внутренней поверхности трубной доски, путем вальцевания за два прохода роликовой вальцовкой, имеющей ролики с рабочей длиной L_p2 и веретено с конической рабочей частью, выполненное с обеспечением перекрещивания его оси с осями роликов, при этом упомянутое вальцевание за два прохода осуществляют в интервале от наружной поверхности трубной доски L_d - L_P2, причем обеспечивают радиальные нормальные напряжения в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске σ_к1=(0,25÷0,27)σ_m ^0,9±2,5, σ_к2=(0,3÷0,32)σ_m ^0,9±2,5 Мпа, где σ_m – предел текучести материала трубы, при величине крутящего момента, которую определяют по формуле:The problem is solved due to the fact that in the method of fixing the heat exchange tubes in the tube plate of a chamber-type high-pressure heater having a thickness L _d and facing the inner surface into the annular space, according to the invention, the ends of the heat exchange tubes are pre-distributed in the interval L ₁ = 4 ⁺¹ mm from the outer surface of the tube plate by roller rolling until the radial gap between the tube and the tube plate is removed according to visual assessment, then the ends of the pipes are welded to the tube plate and the subsequent hydraulic expansion of the tubes is carried out with a liquid pressure of 254.8 ± 9.8 MPa at a length L _gp in the interval L ₁ ≤ L _gp ≤ L _d - (10 ÷ 15) mm, remove the "pocket" in the area adjacent to the outer surface of the tube sheet, by rolling with a roller with the working length of the rollers L _p1 with a torque limitation by the value of M _cr2 = 2, 45 ^+0.196 Nm and remove the "pocket" in the area adjacent to the inner surface of the tube sheet by rolling in two passes rolling, having rollers with a working length L _p2 and a spindle with a conical working part, made to ensure that its axis crosses the axes of the rollers, while the said rolling in two passes is carried out in the interval from the outer surface of the tube sheet L _d - L _P2 , and provide radial normal stresses in the zone of contact of the pipe with the wall of the hole in the tube sheet σ _k1 = (0.25 ÷ 0.27) σ _m ^0.9 ± 2.5, σ _k2 = (0.3 ÷ 0.32) σ _m ^{0 , 9} ± 2.5 MPa, where σ _m is the yield point of the pipe material, at the value of the torque, which is determined by the formula:

где σ_к – напряжение в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске ; where σ _to - stress in the zone of contact of the pipe with the wall of the hole in the tube sheet;

s - толщина стенки трубы; s - pipe wall thickness;

l'_крв- фактическая длина контакта прижимаемой трубы со стенкой отверстия;l ' _krv - the actual length of the contact of the pressed pipe with the wall of the hole;

z - число роликов; z is the number of rollers;

d_pc, γ - средний рабочий диаметр веретена вальцовки и угол перекрещивания осей ролика и веретена вальцовки; d _pc , γ - the average working diameter of the rolling spindle and the angle of intersection of the axes of the roller and the rolling spindle;

α_в - угол конуса рабочей части веретена вальцовки; α _in - the angle of the cone of the working part of the rolling spindle;

η=0,93 - механический КПД роликового вальцевания. η = 0.93 - mechanical efficiency of roller rolling.

Изобретение поясняется с помощью чертежей.The invention is illustrated with the help of drawings.

На фиг. 1 показана последовательность операций закрепления труб:FIG. 1 shows the sequence of pipe clamping operations:

Фиг. 1а - предварительная раздача и приварка труб;FIG. 1a - preliminary distribution and welding of pipes;

Фиг. 1б - гидравлическая раздача;FIG. 1b - hydraulic distribution;

Фиг. 1в - образование «карманов»;FIG. 1c - the formation of "pockets";

Фиг. 1г - удаление 1-го «кармана»;FIG. 1d - removal of the 1st "pocket";

Фиг. 1д - удаление 2-го «кармана».FIG. 1e - removal of the 2nd "pocket".

Применение изобретения показано на фиг. 1, где приведена последовательность закрепления труб.The application of the invention is shown in FIG. 1 for a sequence of pipe fastening.

Закрепляют теплообменные трубы 1 (фиг. 1а) с пределом текучести материала σ_m в трубной доске 2 подогревателя высокого давления толщиной L_d, имеющей внутреннюю поверхность 3, контактирующую с межтрубным пространством, и наружную поверхность 4, осуществляют предварительную раздачу концов теплообменных труб роликовой вальцовкой в интервале L₁=4⁺¹мм от наружной поверхности трубной доски 2 до удаления радиального зазора между трубой и трубной доской по визуальной оценке, затем приваривают сварным швом 5 концы труб с последующей гидравлической раздачей в интервале L₁ ≤ L_gp ≤ L_d-(10÷15) мм с помощью зонда 6 (фиг. 1б), содержащего уплотнения 7, в пространство между которыми по каналу 8 подводят жидкость давлением 254,8±9,8 МПа, затем с помощью роликовой вальцовки, содержащей корпус 9 (фиг. 1в, г), веретено 10, ролики 11 с рабочей длиной L_p1 для удаления «кармана» 1₁ в зоне, примыкающей к наружной поверхности трубной доски(фиг. 1а), производят вальцевание при ограничении крутящего момента величиной М_кр2=2,45^+0,196 Нм, а для удаления «кармана» 1₂ (фиг. 1в) в зоне, примыкающей к внутренней поверхности трубной доски, с помощью роликовой вальцовки (фиг. 1д), ролики которой имеют рабочую длину L_p2, и веретена с конической рабочей частью, производят механическое вальцевание за два прохода в интервале от наружной поверхности трубной доски L_d - L_p2, обеспечивающей радиальные нормальные напряжения в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске σ_к1=(0,25÷0,27)σ_m ^0,9±2,5; σ_к2=(0,3÷0,32)σ_m ^0,9±2,5 МПа, где σ_m – предел текучести материала трубы, при величине крутящего момента, которую определяют по формуле:Heat exchange tubes 1 (Fig. 1a) with a material yield point σ _{m are} fixed in the tube sheet 2 of a high pressure heater with a thickness L _d , having an inner surface 3 in contact with the annular space, and an outer surface 4, preliminary distribution of the ends of the heat exchange tubes is carried out by roller rolling into interval L ₁ = 4 ⁺¹ mm from the outer surface of the tube sheet 2 until the radial gap between the pipe and the tube sheet is removed according to visual assessment, then the ends of the pipes are welded with a weld seam 5, followed by hydraulic expansion in the interval L ₁ ≤ L _gp ≤ L _d - ( 10 ÷ 15) mm using a probe 6 (Fig.1b) containing seals 7, into the space between which a liquid is supplied through channel 8 with a pressure of 254.8 ± 9.8 MPa, then using a roller rolling, containing a housing 9 (Fig. 1c, d), spindle 10, rollers 11 with a working length L _p1 to remove the "pocket" 1 ₁ in the area adjacent to the outer surface of the tube sheet (Fig. 1a), perform rolling when limiting the torque torque value M _cr2 = 2.45 ^+0.196 Nm, and to remove the "pocket" 1 ₂ (Fig. 1c) in the area adjacent to the inner surface of the tube sheet, using roller rolling (Fig.1e), the rollers of which have a working length L _p2 , and a spindle with a conical working part, mechanical rolling is performed in two passes in the interval from the outer surface of the tube sheet L _d - L _p2 , providing radial normal stresses in the zone of contact of the pipe with the wall of the hole in the tube plate σ _k1 = (0.25 ÷ 0.27) σ _m ^0.9 ± 2.5; σ _k2 = (0.3 ÷ 0.32) σ _m ^0.9 ± 2.5 MPa, where σ _m is the yield point of the pipe material, at the value of the torque, which is determined by the formula:

где где σ_к – напряжение в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске ; where σ _to - stress in the zone of contact of the pipe with the wall of the hole in the tube sheet;

s - толщина стенки трубы; s - pipe wall thickness;

l'_крв- фактическая длина контакта прижимаемой трубы со стенкой отверстия;l ' _krv - the actual length of the contact of the pressed pipe with the wall of the hole;

z - число роликов; z is the number of rollers;

d_pc, γ - средний рабочий диаметр веретена вальцовки и угол перекрещивания осей ролика и веретена вальцовки; d _pc , γ - the average working diameter of the rolling spindle and the angle of intersection of the axes of the roller and the rolling spindle;

α_в - угол конуса рабочей части веретена вальцовки; α _in - the angle of the cone of the working part of the rolling spindle;

η=0,93 - механический КПД роликового вальцевания. η = 0.93 - mechanical efficiency of roller rolling.

Для труб ∅16×1,4 из стали 08X14МФ и 3-х роликовых вальцовок с параметрами: 1'_крв=30 мм, d_{p max}=4,5 мм, tgα_в=0,0161; γ=2, значение крутящего момента составляет M_кр1=10 Нм, М_кр2=12 Нм; для таких же труб из стали 08Х18Н10Т при использовании указанного инструмента крутящие моменты составили M_кр1=8 Нм, М_кр2=10 Нм.For pipes ∅16 × 1,4 08X14MF steel and 3-roller expanders with parameters: 1 _'EOC = 30 mm, d _{p max} = 4,5 mm, tgα _a = 0.0161; γ = 2, the torque value is M _cr1 = 10 Nm, M _cr2 = 12 Nm; for the same pipes made of steel 08X18H10T, when using the specified tool, the torques were M _cr1 = 8 Nm, M _cr2 = 10 Nm.

Таким образом, применение данного изобретения позволит повысить ресурс работы узла крепления труб.Thus, the application of this invention will increase the service life of the pipe attachment unit.

Claims (9)

Способ закрепления теплообменных труб в трубной доске подогревателя высокого давления камерного типа, имеющей толщину L_d и обращенной внутренней поверхностью в межтрубное пространство, отличающийся тем, что осуществляют предварительную раздачу концов теплообменных труб в интервале L₁=4⁺¹мм от наружной поверхности трубной доски роликовой вальцовкой до удаления радиального зазора между трубой и трубной доской по визуальной оценке, затем осуществляют приварку концов труб к трубной доске и последующую гидравлическую раздачу труб давлением жидкости 254,8±9,8 МПа на длине L_gp в интервале L₁ ≤ L_gp ≤ L_d-(10÷15) мм, удаляют «карман» в зоне, прилегающей к наружной поверхности трубной доски, путем вальцевания роликовой вальцовкой с рабочей длиной роликов L_p1 с ограничением крутящего момента величиной М_кр2=2,45^+0,196 Нм и удаляют «карман» в зоне, примыкающей к внутренней поверхности трубной доски, путем вальцевания за два прохода роликовой вальцовкой, имеющей ролики с рабочей длиной L_p2, и перекрещивания его оси с осями роликов, при этом упомянутое вальцевание за два прохода осуществляют в интервале от наружной поверхности трубной доски L_d-L_P2, причем обеспечивают радиальные нормальные напряжения в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске σ_к1=(0,25÷0,27)σ_m ^0,9±2,5, σ_к2=(0,3÷0,32)σ_m ^0,9±2,5 МПа, где σ_m – предел текучести материала трубы, при величине крутящего момента, которую определяют по формуле:A method of fixing heat exchange tubes in the tube plate of a chamber-type high-pressure heater having a thickness L _d and facing the inner surface into the annular space, characterized in that the ends of the heat exchange tubes are pre-distributed in the interval L ₁ = 4 ⁺¹ mm from the outer surface of the roller tube plate by rolling until the radial gap between the pipe and the tube sheet is removed according to visual assessment, then the ends of the pipes are welded to the tube sheet and the subsequent hydraulic expansion of the pipes with a liquid pressure of 254.8 ± 9.8 MPa at a length L _gp in the interval L ₁ ≤ L _gp ≤ L _d - (10 ÷ 15) mm, remove the "pocket" in the area adjacent to the outer surface of the tube sheet, by rolling with roller rolling with the working length of the rollers L _p1 with a torque limitation of M _cr2 = 2.45 ^{+ 0.196} Nm and remove " pocket "in the area adjacent to the inner surface of the tube sheet, by rolling in two passes by roller rolling, which has rollers with a working length L _p2 , and the crossing of its axis with the axes of the rollers, while the mentioned rolling in two passes is carried out in the interval from the outer surface of the tube sheet L _d -L _P2 , and radial normal stresses are provided in the zone of contact of the pipe with the wall of the hole in the tube sheet σ _k1 = (0.25 ÷ 0.27) σ _m ^0.9 ± 2.5, σ _k2 = (0.3 ÷ 0.32) σ _m ^0.9 ± 2.5 MPa, where σ _m is the yield point of the pipe material , at the value of the torque, which is determined by the formula:

где σ_к – напряжение в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске;where σ _to - stress in the zone of contact of the pipe with the wall of the hole in the tube sheet; s - толщина стенки трубы;s - pipe wall thickness; l'_крв - фактическая длина контакта прижимаемой трубы со стенкой отверстия;l ' _krv - the actual length of the contact of the pressed pipe with the wall of the hole; z - число роликов; z is the number of rollers; d_pc, γ - средний рабочий диаметр веретена вальцовки и угол перекрещивания осей ролика и веретена вальцовки; d _pc , γ - the average working diameter of the rolling spindle and the angle of intersection of the axes of the roller and the rolling spindle; α_в - угол конуса рабочей части веретена вальцовки; α _in - the angle of the cone of the working part of the rolling spindle; η=0,93 - механический КПД роликового вальцевания.η = 0.93 - mechanical efficiency of roller rolling.

Images