СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБНЫХ ДОСОК И ТРУБ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТЕПЛООБМЕННИКА И ТЕПЛООБМЕННИК
METHOD OF CONNECTING TUBE PLATES AND TUBE IN MAKING HEAT EXCHANGERS

Группа изобретений касается способа соединения трубных досок и труб при изготовлении теплообменника с помощью вращающегося фрикционного инструмента.
Теплообменники представляют собой устройства для передачи тепла одной среды передается другой среде, например, первая среда протекает через несколько труб, расположенных во второй среде, которая протекает вокруг упомянутых труб. Для осуществления этого первая среда обычно течет через множество труб, заключенных в сосуде или цилиндре, в который втекает и из которого вытекает вторая среда. Если первая среда, например, представляет собой охлаждающую воду, сильно нагретую в процессе охлаждения производственной установки, то вторая среда может быть, например, воздухом или маслом, которое используется для обогрева в другом месте. Трубы, по которым направляют первую среду, обычно удерживают в трубных досках на малом расстоянии друг от друга, при этом трубные доски установлены в кожухе или цилиндре теплообменника. В общем случае трубы закрепляют в трубных досках посредством трубопрокатки и фланцевания, что в начале работы обычно вполне подходит для рабочих условий, превалирующих в это время. В процессе дальнейшей работы теплообменника и при возникновении температуры и вибрационных нагрузок данные соединения частично теряют целостность и уже не удовлетворяют требованиям по герметичности. Следствием этого является замена или дорогой ремонт с вытекающими простоями установки.
По этой причине трубы стали приваривать к трубным доскам лазерами на алюмо-иттриевом гранате, что требует сложного контроля за процессом.
Тем не менее в сварном шве все же происходит газообразование, приводящее к образованию пор. Еще один недостаток данного способа лазерной сварки состоит в том, что из-за низкой пластичности в области сварного шва требуется большая глубина сварки, составляющая приблизительно 0,8 толщины трубы. Такая глубина сварки, однако, не может быть достигнута с помощью лазера на алюмо-иттриевом гранате для любых конфигураций. Так как из-за требуемых скоростей сварки и малых радиусов геометрических форм, образующих основание, нельзя использовать присадки, в обозримом будущем невозможно будет получить удовлетворительный результат с использованием лазерной сварки с помощью лазера на алюмо-иттриевом гранате.
Еще один известный способ метод дуговой сварки плавящимся электродом в среде инертного газа, посредством которого можно достичь визуально привлекательного внешнего вида сварных швов. Однако из-за сложности в управлении нагревом в сварном шве, выполненном по методу дуговой сварки в инертном газе, время от времени в сварном шве могут возникать поверхностные трещины от напряжений, немного проникающие под поверхность сварного шва, что опять же ухудшает целостность конструкции. В общем случае туглоплавкие оксидные пленки, присутствующие на алюминиевой заготовке, являются препятствием в использовании методов сварки плавлением, так как для получения удовлетворительного соединения сначала нужно расплавить эту пленку. Разность температур плавления алюминия (около 660°C) и оксидов (около 2050°C) требует плавления оксидов, которые в противном случае могут послужить диффузионным барьером, препятствующим сварке. Высокие энергии, требуемые для этого, оказывают, однако, негативное влияние на компоненты сплава свариваемого материала, имеющие более низкую температуру плавления. В результате в области сварного шва происходит потеря прочности или возникают случаи отвердевания.
Способ изготовления сварного соединения, выполненного сваркой трением, известен из патента Германии 205357, согласно которому изготавливают, например, трубные доски для теплообменников. С этой целью подлежащие соединению части надежно закрепляют, нагревают в области будущего сварного шва и сваривают с помощью вращающегося фрикционного кольца, выделяющего тепло. Фрикционное кольцо, используемое в данном процессе, служит также в качестве присадки и может быть выполнено с различными формами поперечного сечения, в зависимости от выполняемой сварки. Это приводит к расходу фрикционного кольца как части фрикционного инструмента.
В публикации заявки на патент США 2007/0138237 описан способ приваривания концов труб теплообменника к трубным доскам, в котором фрикционные инструменты разнообразных форм воздействуют на концы труб, приваривая их при помощи нагрева. При этом цилиндрический фрикционный инструмент имеет диаметр, равный диаметру привариваемой трубы. Согласно другому варианту осуществления, диаметр фрикционного инструмента меньше наружного диаметра привариваемой трубы, но больше ее внутреннего диаметра. В других вариантах осуществления поверхность цилиндрического фрикционного инструмента имеет профиль, с которым контактирует труба.
Целью настоящего изобретения является создание способа соединения трубных досок и труб при изготовлении теплообменника посредством фрикционного инструмента, усовершенствованного по сравнению с предшествующим уровнем техники.
Согласно изобретению создан способ соединения трубной доски и труб в процессе изготовления теплообменника посредством сварки трением с помощью вращающегося фрикционного инструмента, отличающийся тем, что фрикционный стержень фрикционного инструмента, не расходуемый в процессе сварки трением, при его вращении перемещают в открытый конец трубы, окруженной трубной доской, в направлении оси трубы, и расположенное за фрикционным стержнем кольцо, имеющее наружный диаметр, превышающий диаметр фрикционного стержня, и снабженное буртиком, образующим переход между кольцом и фрикционным стержнем, прижимают к поверхностям конца трубы и трубной доски, окружающей конец трубы, для их пластификации и образования сварного соединения между ними.
При осуществлении способа можно использовать фрикционный элемент с буртиком кольца, снабженным, по меньшей мере, одним профилем и воздействующим на соединяемые поверхности конца трубы и трубной доски.
При осуществлении способа можно использовать фрикционный элемент с буртиком кольца, имеющим вогнутый профиль, если смотреть со стороны фрикционного стержня.
При осуществлении способа можно использовать фрикционный элемент с буртиком кольца, имеющим профиль с полукруглым, прямоугольным или треугольным поперечным сечением.
Согласно изобретению создан теплообменник, содержащий трубную доску, соединенную с трубами вышеописанным способом.
Изобретение более подробно разъяснено далее с помощью чертежей, на которых показано следующее:
фиг.1 изображает участок трубной доски с трубой и фрикционный инструмент, введенный в конец трубы;
фиг.2 - вид в перспективе фрикционного инструмента, представленного на фиг.1;
фиг.3 - вид спереди фрикционного инструмента на фиг.2 в направлении стрелки А.
На фиг.1 представлен участок трубной доски 10, в которую труба 11 введена и удерживается в ней, немного выступая сверху. В открытый конец трубы 11 введен фрикционный инструмент, верхний конец которого имеет хвостовик 1 для зажима в сварочном шпинделе машины для сварки трением, который не показан на чертеже. На противоположном, нижнем конце расположен цилиндрический фрикционный стержень 2, который в процессе выполнения операции вводят в открытый конец трубы 11. Специалисту в данной области техники ясно, что наружный диаметр фрикционного стержня 2 и внутренний диаметр трубы 11 должны соответствовать друг другу.
Между фрикционным стержнем 2 и хвостовиком 1 расположены первое кольцо 3 и второе кольцо 5 с разными наружными диаметрами, отличающимися друг от друга тем, что наружный диаметр первого кольца 3 больше наружного диаметра фрикционного стержня 2, а наружный диаметр второго кольца 5 больше наружного диаметра первого кольца 3. Таким образом, первое кольцо 3 образует первый осевой буртик 4 в месте перехода к фрикционному стержню 2 и второй осевой буртик 6 в месте перехода ко второму кольцу 5.
Второй буртик 6 обычно не участвует в процессе сварки. Следовательно, он также может быть коническим или корончатой формы. С помощью кольцевой поверхности, проходящей параллельно второму буртику 6, но на расстоянии от него и над ним, инструмент установлен в сварочном шпинделе машины для сварки трением, который не показан на чертеже.
Первым буртиком 4 фрикционный инструмент при вращении, например, в направлении стрелки X, контактирует с поверхностью конца 12 трубы 11, и в процессе выделяется столько теплоты трения, что материал трубы 11 пластифицируется на поверхности конца 12. Так как радиальная протяженность первого буртика 4 больше наружного диаметра трубы 11, первый буртик 4 также контактирует с трубной доской 10, расположенной рядом с трубой 11, и аналогичным образом пластифицирует доску 10 при помощи тепла, выделяемого в процессе трения, таким образом, что пластифицированные трубная доска 10 и труба 11 соединяются и образуют сварной шов.
Для лучшего выделения тепла в области формируемого сварного шва и, следовательно, для более быстрой пластификации трубной доски 10 и трубы 11, первый буртик 4 снабжен профилем, например, в виде множества пазов, которые проходят в виде спирали с полукруглым, треугольным или прямоугольным поперечным сечением. Согласно иллюстративному варианту осуществления (фиг.3) имеются два спиральных паза, расположенных на расстоянии друг от друга и проходящих изнутри наружу, т.е. от наружного диаметра цилиндрического фрикционного стержня 2 к наружному диаметру первого кольца 3.
Фрикционный стержень 2 служит как для опоры, так и для дополнительного нагрева трубы посредством трения. В идеале фрикционный стержень сначала контактирует с внутренней поверхностью трубы 11. Таким образом, фрикционный стержень может иметь коническую форму. После этого буртик 4 разогревается и пластифицирует место перехода между буртиком 4 и пластиной 11. Испытания показали, что алюминий, расположенный как на буртике 4, так и на фрикционном стержне 2, также задействован в процессе трения.