Способ закрепления теплообменных труб в подогревателях высокого давления камерного типа
METHOD FOR FASTENING HEAT EXCHANGE TUBES IN CHAMBER-TYPE HIGH-PRESSURE PRE-HEATERS

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.
Существуют разные способы закрепления теплообменных труб:
а) с помощью роликовых вальцовок, силовая часть которых содержит конические ролики (3 или 5 штук) и веретено;
б) с помощью гидравлической раздачи, где пластическая деформация участка трубы, размещенного в отверстиях коллектора или трубной решетки, осуществляется жидкостью, сжатой до высокого давления;
в) посредством прессовой раздачи, осуществляемой давлением материала эластичной втулки, доведенного механическим способом до жидкого состояния;
г) с помощью взрывчатых веществ, обеспечивающих прижатие трубы к стенке отверстия.
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.
Прессовая раздача ограниченно применяется вследствие низкой стоимости эластичного элемента (втулки) и неточном расположении конечного участка зоны раздачи.
Если в конструкции теплообменного аппарата применены решетки (коллекторы) с достаточно толстой стенкой (свыше 100 мм), то, как показал опыт, обычно используют комбинацию разных способов.
+1
+0,196
+0,196
кр1
гв
гв
min
min
H
-1
кр3
кр4
вp
-1
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 мм, исчисляемом от внутренней поверхности коллектора, с ограничением крутящего момента на вале привода величиной M=2,2 Нм, после этого выполняют гидравлическую раздачу в интервале 0- Н, причем H=H-I, где Н - толщина стенки коллектора, I=8…12 мм, затем с помощью 3-х роликовой вальцовки в зоне, прилегающей к внутренней поверхности коллектора, в интервале l=0-15 мм производят механическое вальцевание при ограничении крутящего момента величиной M=2,45 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=2,94-3,92 Нм, причем выступание рабочей конической поверхности ролика относительно наружной поверхности коллектора не должно превышать L=6 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).
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.
кр
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), 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).
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.
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.
d
1
gp
1
gp
d
p1
кр2
p2
d
P2
к1
m
к2
m
m
+1
+0,196
0,9
0,9
Поставленная задача решается за счет того, что в способе закрепления теплообменных труб в трубной доске подогревателя высокого давления камерного типа, имеющей толщину L и обращенной внутренней поверхностью в межтрубное пространство, согласно изобретению осуществляют предварительную раздачу концов теплообменных труб в интервале L=4мм 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 в интервале L ≤ L ≤ L-(10÷15) мм, удаляют «карман» в зоне, прилегающей к наружной поверхности трубной доски, путем вальцевания роликовой вальцовкой с рабочей длиной роликов Lс ограничением крутящего величиной величиной М=2,45 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 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- L, причем обеспечивают радиальные нормальные напряжения в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске σ=(0,25÷0,27)σ±2,5, σ=(0,3÷0,32)σ±2,5 Мпа, где σ– предел текучести материала трубы, при величине крутящего момента, которую  определяют по формуле:
к
где σ – напряжение в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске ;
s - толщина стенки трубы;
крв
l'- фактическая длина контакта прижимаемой трубы со стенкой отверстия;
z - число роликов;
pc
d, γ - средний рабочий диаметр веретена вальцовки и угол перекрещивания осей ролика и веретена вальцовки;
в
α - угол конуса рабочей части веретена вальцовки;
η=0,93 - механический КПД роликового вальцевания.
Изобретение поясняется с помощью чертежей.
На фиг. 1 показана последовательность операций закрепления труб:
Фиг. 1а - предварительная раздача и приварка труб;
Фиг. 1б - гидравлическая раздача;
Фиг. 1в - образование «карманов»;
Фиг. 1г - удаление 1-го «кармана»;
Фиг. 1д - удаление 2-го «кармана».
Применение изобретения показано на фиг. 1, где приведена последовательность закрепления труб.
m
d
1
1
gp
d
p1
1
кр2
2
p2
d
p2
к1
m
к2
m
m
+1
+0,196
0,9
0,9
Закрепляют теплообменные трубы 1 (фиг. 1а) с пределом текучести материала σ в трубной доске 2 подогревателя высокого давления толщиной L, имеющей внутреннюю поверхность 3, контактирующую с межтрубным пространством, и наружную поверхность 4, осуществляют предварительную раздачу концов теплообменных труб роликовой вальцовкой в интервале L=4мм 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 L ≤ L ≤ L-(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 для удаления «кармана» 1 в зоне, примыкающей к наружной поверхности трубной доски(фиг. 1а), производят вальцевание при ограничении крутящего момента величиной М=2,45 Нм, а для удаления «кармана» 1 (фиг. 1в) в зоне, примыкающей к внутренней поверхности трубной доски, с помощью роликовой вальцовки (фиг. 1д), ролики которой имеют рабочую длину L, и веретена с конической рабочей частью, производят механическое вальцевание за два прохода в интервале от наружной поверхности трубной доски L - L, обеспечивающей радиальные нормальные напряжения в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске σ=(0,25÷0,27)σ±2,5; σ=(0,3÷0,32)σ±2,5 МПа,  где σ– предел текучести материала трубы, при величине крутящего момента, которую  определяют по формуле:
к
где где σ – напряжение в зоне контакта трубы со стенкой отверстия в трубной доске ;
s - толщина стенки трубы;
крв
l'- фактическая длина контакта прижимаемой трубы со стенкой отверстия;
z - число роликов;
pc
d, γ - средний рабочий диаметр веретена вальцовки и угол перекрещивания осей ролика и веретена вальцовки;
в
α - угол конуса рабочей части веретена вальцовки;
η=0,93 - механический КПД роликового вальцевания.
крв
p
max
в
кр1
кр2
кр1
кр2
Для труб ∅16×1,4 из стали 08X14МФ и 3-х роликовых вальцовок с параметрами: 1'=30 мм, d=4,5 мм, tgα=0,0161; γ=2, значение крутящего момента составляет M=10 Нм, М=12 Нм; для таких же труб из стали 08Х18Н10Т при использовании указанного инструмента крутящие моменты составили M=8 Нм, М=10 Нм.
Таким образом, применение данного изобретения позволит повысить ресурс работы узла крепления труб.