СПОСОБ РЕМОНТА ТРУБНЫХ ПУЧКОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
METHOD FOR REPAIR OF TUBE BUNDLES IN HEAT-EXCHANGE DEVICES

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и, в частности, к ремонту трубных пучков теплообменных аппаратов с использованием теплообменных труб с профилированными законцовками, полученными от эффекта локализованного направленного пластического течения материала трубы.
Известен способ ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов, включающий получение профилированных законцовок на теплообменной трубе с компенсационными объемами на внешней поверхности в виде кольцевых выступов (бандажей) с трапециевидным поперечным сечением, установку профилированной законцовки в трубное отверстие, содержащее две кольцевые канавки прямоугольного поперечного сечения с расположением бандажей напротив кольцевых канавок, фиксацию трубы от возможных перемещений и последующее закрепление профилированной законцовки в трубном отверстии путем приложения осевого усилия к внутренней ее поверхности, например, роликами механической вальцовки (RU №2317173 С2, МПК В21D 39/06).
К недостаткам известного способа ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов следует отнести одинаковость длин образующих конических поверхностей кольцевых выступов, что весьма ограничивает применение подобных профилированных законцовок при использовании трубных решеток ремонтного варианта.
Как известно, компенсационный объем в виде кольцевого выступа с поперечным сечением, например, равнобокой трапеции, предназначен для заполнения соответствующей кольцевой канавки трубного отверстия и формирования кольцевых плотностей и прочностей неразъемных механических соединений.
Известен также способ ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов, включающий получение теплообменных труб с профилированными законцовками путем подготовки труб их правкой, резкой в меру и зачисткой внешней поверхности концов и формирования на трубах кольцевых выступов с внешней и внутренней боковыми коническими поверхностями, установку профилированных законцовок труб в отверстия трубных решеток и их закрепление (RU 2198052 С2, В21D 53/08, 10.02.2003, 4 с. - прототип).
Недостатком известного способа является его ограниченное применение, а именно только в сочетании профилированных законцовок с трубными отверстиями, имеющими, например, кольцевые канавки с известными исполнительными размерами.
Для случая, когда используются трубные решетки ремонтного варианта, упомянутых выше кольцевых канавок может и не быть. В связи с этим требуется иное сочетание профилированной законцовки с трубным отверстием, где одинаковые длины образующих конических поверхностей могут вызывать негативные явления при закреплении труб в трубных решетках.
Задачей изобретения является разработка такого способа ремонта трубных пучков с использованием трубных решеток ремонтного варианта, который бы обеспечивал долговременные повышенные служебные характеристики неразъемных механических соединений.
Технический результат достигается тем, что в способе ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов, включающем получение теплообменных труб с профилированными законцовками путем подготовки труб их правкой, резкой в меру и зачисткой внешней поверхности концов и формирования на трубах кольцевых выступов с внешней и внутренней боковыми коническими поверхностями, установку профилированных законцовок труб в отверстия трубных решеток и их закрепление, согласно изобретению формируют кольцевой выступ с длиной образующей внешней боковой конической поверхности, превышающей длину образующей внутренней боковой конической поверхности, внутреннюю боковую коническую поверхность выступа формируют путем раздачи - калибровки конца трубы жестким пуансоном, которую осуществляют после подготовки трубы, внешнюю боковую коническую поверхность выступа формируют путем каскадного радиального обжима калиброванного участка трубы сегментами разъемной матрицы, содержащей чистовую и предварительную гравюры и рабочий поясок между ними, с перепрофилированием калиброванного участка трубы на максимально и минимально обжатые участки и конический участок между ними обжимом калиброванного участка рабочим пояском матрицы и поверхностью ее предварительной гравюры, после чего производят дорнование трубы на ее максимально обжатом участке дорном, рабочий диаметр зуба которого равен исходному внутреннему диаметру трубы, с образованием полости конца трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, а полученные профилированные законцовки труб устанавливают в отверстия трубных решеток, рассверленные с получением цилиндрического пояска и кольцевой выемки, с обеспечением расположения кольцевого выступа трубы в соответствии с положением угла кольцевой выемки трубного отверстия.
Реализация предлагаемого способа позволяет эффективно осуществлять ремонт трубных пучков с применением профилированных законцовок, имеющих образующие конических поверхностей кольцевых выступов различной длины.
Это объясняется тем, что при соответствующей конструкции трубного отверстия допустимо получение неразъемных соединений в трубных решетках ремонтного варианта, когда для удержания трубы в полотне законцовки формируются симметричные поперечные сдвиги. При этом трубная перемычка не испытывает больших деформирующих усилий.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена теплообменная труба с калиброванным участком, полученным посредством раздачи конца трубы жестким пуансоном; на фиг.2 - исходное положение трубы и технологической оснастки перед выполнением локального каскадного радиального обжима; на фиг.3 - окончание локального каскадного обжима калиброванного участка трубы; на фиг.4 - окончание операции дорнования, с образованием полости конца трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубы; на фиг.5 - профилированная законцовками с кольцевым выступом, имеющим неодинаковые длины конических образующих; на фиг.6 - сборка профилированной законцовки трубы в трубном отверстии ремонтного варианта перед закреплением трубы; на фиг.7 - стадия предварительного закрепления профилированной законцовки в трубном отверстии ремонтного варианта; на фиг.8 - стадия окончательного закрепления профилированной законцовки трубы в трубном отверстии с последующим образованием колокольчика.
Вариант осуществления изобретения состоит в следующем. После выполнения подготовительных операций на трубах (правка, резка в меру, зачистка внешней поверхности концов) трубу 1 размещают в полости матрицы гидравлического пресса, фиксируют механизмом зажима от осевых перемещений и посредством внедрения жесткого пуансона осуществляют раздачу-калибровку конца трубы с образованием внешней конической поверхности будущего кольцевого выступа (фиг.1).
Затем калиброванный конец трубы размещают в полости разъемной матрицы 2, располагая торец трубы в плоскости внутренней кромки ее чистовой гравюры. Следует пояснить, что описываемая разъемная матрица является универсальной (с учетом имеющихся изобретений), в которой могут быть сформированы внешние бандажи профилированных законцовок. В нашем случае назначение чистовой гравюры состоит в предотвращении осевого течения материала трубы, для чего в ней располагают мундштук соответствующего поперечного сечения. Трубу фиксируют от возможных перемещений. Со стороны свободного торца разъемной матрицы в упомянутую полость вводят мундштук 3, обеспечивая контакт его утолщенной части с торцом трубы. В полость мундштука и трубы вводят дорн 4, устанавливая зуб дорна в пределах полости мундштука, а малую его ступень - в полости калиброванного участка трубы (фиг.2).
Далее, прикладывая сжимающее радиальное усилие к сегментам матрицы (фиг.3), вызывают локальный каскадный обжим калиброванного участка трубы рабочим пояском и поверхностью предварительной гравюры матрицы. Особенностью этого обжима является то, что деформируемый материал (под рабочим пояском) испытывает объемное напряженное состояние сжатия, когда к радиальным и окружным сжимающим напряжениям добавляется осевое сжимающее напряжение от реакции мундштука на воздействие торца трубы при ее обжиме.
Этот каскадный обжим обуславливает деформацию калиброванного участка также и в предварительной гравюре разъемной матрицы, что качественно формирует кольцевой выступ с внешней конической образующей, большей по длине, чем длина образующей внутренней конической поверхности.
Не раскрывая сегменты матрицы, прикладывают осевое усилие к дорну. Материал трубы, находящийся в пластическом состоянии под рабочим пояском матрицы, выдавливают в образованную полость между малой ступенью дорна и внутренней поверхностью калиброванного участка трубы, формируя утолщенное полотно законцовки. Главным условием здесь является равенство рабочего диаметра зуба дорна исходному внутреннему диаметру трубы (фиг.4).
Полученную профилированную законцовку (фиг.5) впоследствии устанавливают в трубное отверстие (фиг.6). Подчеркнем, что трубное отверстие механическим способом доработано, обеспечивая диаметр кольцевой выемки, равный диаметру кольцевых канавок.
Таким образом, стандартное трубное отверстие, содержащее две кольцевые канавки, преобразуют в трубное отверстие, где имеются цилиндрический поясок и кольцевая выемка. Глубина кольцевой выемки в перемычке 5 трубного отверстия по отношению к диаметру цилиндрического пояска составляет 0,3 мм.
Профилированную законцовку устанавливают в трубное отверстие, увязывая положение кольцевого выступа с вершиной угла кольцевой выемки. Контроль правильности установки производят по замеру выступания торца трубы над лицевой поверхностью трубной решетки. Перед закреплением трубу фиксируют от возможных перемещений.
Далее осуществляют стадию предварительного закрепления трубы в трубном отверстии (фиг.6) приложением деформирующего усилия к внутренней поверхности трубы роликами механической вальцовки. Кольцевой выступ свободной раздачей законцовки трубы вводят в полость кольцевой выемки трубного отверстия до обеспечения контакта. В этом случае наблюдаются зазоры между полотном законцовки и цилиндрическими поверхностями трубного отверстия (фиг.7). Абсолютное значение величины этих зазоров разнятся в пределах 25% по отношению к наибольшему зазору, что технологически весьма приемлемо.
Окончательное закрепление производят также роликами механической вальцовки (или дорном) с целью устранения упомянутых зазоров. Отметим, что данное устранение роликами механической вальцовки обуславливает раскатывание полости законцовки с практически равными поперечными сдвигами в полотне законцовки по обеим сторонам кольцевого выступа.
При необходимости возможно формирование колокольчика с деформацией трубы на кромке цилиндрического пояска, что способствует формированию осевых остаточных напряжений, снижающих коррозию (фиг.8).
Опытно-промышленная проверка разработанного способа проводилась на трубах из стали 10 с поперечным сечением ⌀ 25×2,5 мм.
После подготовительных операций концы труб раздавались до внешнего диаметра ⌀ 25,5 мм с длиной калиброванного участка, равного 12 мм. Диаметр малой ступени дорна составлял ⌀ 18,9 мм, а диаметр рабочего зуба - ⌀ 19,8 мм. Каскадный обжим производили в разъемной матрице с диаметром предварительной гравюры, равным ⌀ 25,3 мм, и диаметром по рабочему пояску, равным ⌀ 24,3 мм.
Радиальный каскадный обжим калиброванного участка трубы обеспечивал наличие 3 новых участков: максимально обжатый участок с поперечным сечением ⌀ 24,3×18,9 мм; минимально обжатый участок - ⌀ 25,3×20,36 мм и конический переходный участок между ними.
Дорнование полости максимально обжатого участка осуществляли дорном, имевшим малую ступень диаметром 0 18,9 мм и рабочий зуб диаметром ⌀ 19,8 мм. Операция дорнования обеспечивала постоянный внутренний диаметр законцовки, равный исходному диаметру трубы.
э
Технологическая оснастка выполнялась из стали Х12М по 9-му квалитету точности с твердостью после закалки НRС=58÷60 единиц.
Профилирование концов труб осуществлялось на универсальном горизонтальном гидравлическом прессе, развивающем номинальное усилие, равное 0,6 МН. Профилированные законцовки закрепляли в трубных отверстиях, содержащих цилиндрический поясок диаметром ⌀ 25,4 мм и шириной 5 мм и кольцевые выемки диаметром ⌀ 26 мм. Образование неразъемного соединения осуществлялось двумя механическими вальцовками, обеспечивающими конечный внутренний диаметр законцовки, равный ⌀ 20,56 мм.
Гидравлические испытания неразъемных соединений ремонтного варианта выявили 100% их пригодность требованиям производства, технологичность и минимальные затраты на ремонт трубных пучков. Особенно это важно для трубных решеток из нержавеющей стали, так как стоимость одной тонны данной стали составляет от 240000 рублей.
Изобретение применимо при ремонте трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и другими отраслями промышленности.