ТРУБА ГОРЯЧЕПРЕССОВАННАЯ С ВНУТРЕННИМ ВИНТООБРАЗНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, а именно к производству труб, и может быть использована при изготовлении стальных горячепрессованных труб с внутренним винтообразным оребрением, предназначенных для использования в энергетическом машиностроении при изготовлении котельного оборудования.
Известна теплообменная труба (патент РФ №2496072, F28F 1/00, опубл. 20.10.2013), у которой канал выполнен с выступами и канавками со следующими геометрическими соотношениями:
1
2
h/Д=0,03, l=(90…100)h; l=(90…100)h,
где h - высота выступа, мм;
Д - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм;
1
l - длина выступа, мм;
2
l - длина канавки, мм.
Известная труба относится к группе труб с интенсификаторами теплообмена. Наличие чередующихся кольцевых выступов и канавок указанной геометрии обеспечивает снижение гидросопротивления потока перемещающейся внутри трубы среды (газа или жидкости), что в конечном итоге повышает энергетическую эффективность теплообменной трубы.
Недостатком рассматриваемой теплообменной трубы является сложность ее изготовления, определяющая высокую себестоимость трубы. Труба может быть изготовлена только трудоемким методом металлообработки (расточка внутреннего канала режущим инструментом в виде фрезы), который имеет ограничение по длине обрабатываемой трубы и связан с потерями металла трубы в стружку. Кроме того, теплотехнические характеристики хотя и выше, чем у гладкостенной трубы, однако существенно уступают теплотехническим свойствам труб с интенсификаторами теплообмена, выполненными по винтовой линии.
В трубах с интенсификаторами теплообмена, выполненными по винтовой линии, при закрутке потока в поперечном сечении жидкость перетекает от периферии к центру в результате действия градиента давления, приводящего к возникновению вихревых областей, что способствует усилению теплообмена и возникновению в теплообменных установках более предпочтительного турбулентного течения.
Примером такой трубы, принятой в качестве прототипа, является труба для жидкости (патент РФ №7169, F16L 9/00, опубл. 16.07.1998), содержащая несколько направляющих жидкость выступов, образованных на внутренней стенке по длине трубы в виде плавных спиралей, и образованные между ними впадины. При этом каждый из направляющих жидкость выступов имеет треугольную форму.
Основным недостатком прототипа является низкое качество труб из-за наличия концентраторов напряжений на острых элементах профиля направляющих выступов и смежных с ними впадин, что приводит к появлению трещин и разрывов на внутренней поверхности труб, а следовательно - к повышению вероятности преждевременного разрушения трубы, работающей в условиях повышенных значений давления и температуры. Другим недостатком известной конструкции является технологическая сложность изготовления труб, что увеличивает затраты на производство и себестоимость труб с внутренним винтообразным оребрением.
Решаемая полезной моделью проблема заключается в создании конструкции горячепрессованной трубы с внутренним винтообразным оребрением, исключающей образование концентраторов напряжений на элементах профиля трубы, обеспечивающей повышение качества труб, эксплуатационного ресурса и сокращение затрат на их производство.
Технический результат - повышение качества горячепрессованных труб за счет винтообразного оребрения в форме трапеции в поперечном сечении, исключающей образование концентраторов напряжений на элементах профиля трубы.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением содержит на внутренней поверхности направляющие выступы, выполненные по винтовым линиям на всей длине трубы, и образованные между ними впадины. Согласно полезной модели, угол наклона винтовых линий к продольной оси трубы составляет 6÷24 градуса, а в поперечном сечении трубы выступы и впадины имеют форму трапеции с одинаковыми размерами, при этом размер малого основания b каждого выступа и впадины рассчитан по формуле:
где D - наружный диаметр трубы, мм;
s - номинальная толщина стенки трубы, мм,
h - высота выступа или глубина впадины, мм;
n - количество выступов или впадин;
β - угол наклона боковой поверхности выступа в поперечном сечении трубы, град.
Выполнение горячепрессованной трубы, в поперечном сечении которой выступы и впадины имеют форму трапеции с одинаковыми размерами, повышает качество труб за счет обеспечения формы винтообразного оребрения без образования концентраторов напряжений на элементах профиля трубы и, соответственно, трещин и разрывов металла, обеспечивает наиболее высокие теплотехнические свойства котельных труб с внутренним оребрением, упрощает изготовление трубы за счет минимальных (при прочих равных условиях) деформационных напряжений при прессовании труб со свободным вращением пресс-иглы потоком вытесняемого из контейнера металла, снижает нагрузки при прессовании, исключает поломку прессового инструмента.
Размер малого основания каждого выступа и впадины в форме трапеции определяют по формуле (1), которая базируется на симметрии формы и размеров выступов и впадин на внутренней поверхности трубы. Исходя из указанной формулы, для трубы с произвольным количеством внутренних направляющих винтовых выступов n и такого же количества впадин, все выступы и впадины будут иметь одинаковую форму в виде трапеции и размеры, определяемые наружным диаметром трубы, толщиной ее стенки и высотой выступа или глубиной впадины.
При изготовлении горячепрессованной трубы выполнение на внутренней поверхности направляющих выступов по винтовым линиям под углом наклона к продольной оси трубы от 6 до 24 градусов является обязательным условием устойчивого протекания процесса прессования со свободным вращением пресс-иглы за счет истечения металла через канал матрицы. При свободном истечении металла обеспечивается высокое качество внутренней поверхности трубы за счет исключения образования возможных концентраторов напряжений на острых элементах винтового профиля и возникновения сопутствующих им трещин и разрывов поверхности металла, снижается усилие прессования, существенно упрощается изготовление трубы, так как не требуется принудительного вращения пресс-иглы, исключается ее поломка.
Выполнение трубы с углом наклона винтовых линий направляющих выступов к продольной оси трубы меньше 6 градусов характеризуется низкими теплотехническими характеристиками и не соответствует требованиям потребителей.
Для изготовления трубы, у которой угол наклона винтовых линий направляющих выступов к продольной оси трубы больше 24 градусов, требуется значительное увеличение составляющей силы трения при прессовании, что приведет к существенному увеличению прессовой нагрузки, образованию концентраторов напряжений, трещин и разрывов поверхности металла. Кроме того, любая асинхронность скоростей течения металла и вращения пресс-иглы (при ее принудительном вращении) приведет к поломке последней.
Угол наклона винтовых линий направляющих выступов на внутренней поверхности трубы величиной 24 градуса является границей устойчивого протекания процесса прессования с точки зрения саморегулирования системы - истечения металла из матрицы с свободным вращением пресс-иглы.
Предлагаемая труба поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано продольное сечение трубы с четырьмя внутренними винтовыми направляющими выступами; на фиг. 2 - поперечное сечение трубы с четырьмя внутренними направляющими выступами; на фиг. 3 изображен вид А на фиг. 2; на фиг. 4 приведено поперечное сечение трубы с двенадцатью внутренними направляющими выступами.
Конструктивно предлагаемая труба характеризуется наружным диаметром D, толщиной стенки S и длиной L (фиг.1, 2). На внутренней поверхности трубы по винтовым линиям под углом 6÷24° к продольной оси трубы выполнены направляющие выступы и расположенные между ними впадины, имеющие в поперечном сечении трубы форму трапеции (фиг. 3) с высотой выступа или глубиной впадины h. Величина малого основания Ъ каждого выступа и впадины рассчитана по формуле (1). Количество направляющих выступов n определяет теплотехнические свойства трубы, может быть различным и задается потребителем труб.
Предлагаемая труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением предназначена для использования в котельных установках и служит для передачи теплоносителя (горячей воды или пара). Проходя через внутреннюю полость трубы, теплоноситель получает дополнительное вращательное движение, обеспечивающее появление на внутренней поверхности трубы паровой рубашки, которая уменьшает тепловые потери, возникающие при прохождении теплоносителя по трубе и, соответственно, повышает КПД котельной установки.
Трубы предлагаемой конструкции были изготовлены, например из стали 20 в прессовом цехе АО «Волжский трубный завод» с использованием оборудования прессовой линии усилием 20 МН. Параметры труб: наружный диаметр D=60,0 мм; толщина стенки S=6,0 мм; длина - 6000 мм; количество направляющих выступов n=12, угол наклона винтовых линий направляющих выступов α=20°; высота выступа h=2,0 мм; угол наклона боковой стороны выступа в поперечном сечении трубы β=17°. В поперечном сечении трубы выступы и впадины, расположенные между ними, имеют форму трапеции с одинаковыми размерами. Согласно формуле (1), величина малого основания каждого выступа и впадины составляла 5,47 мм.
Изготовленные трубы с внутренним винтообразным оребрением соответствовали нормативным требованиям, имели надлежащее качество за счет отсутствия трещин и разрывов металла на элементах профиля трубы и несплошностей на поверхности трубы.
При изготовлении труб предлагаемой конструкции значительно сокращаются производственные затраты, что существенно влияет на их себестоимость. Себестоимость изготовления труб (с учетом стоимости трубной заготовки) составила 60% от существующей цены аналогичных труб зарубежного производства. Ожидаемый экономический эффект составит 35 тыс. руб. на 1 тонну горячепрессованных труб с винтообразным оребрением внутренней поверхности.
Таким образом, предлагаемая конструкция горячепрессованной трубы с внутренним винтообразным оребрением обеспечивает повышение качества труб, эксплуатационного ресурса и снижает производственные затраты.