СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ В ТРУБНЫХ РЕШЕТКАХ
METHOD OF FIXING HEAT EXCHANGE TUBES IN TUBE PLATES

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к процессам закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов с формированием неразъемных соединений замкового типа, обладающих противокоррозионной и противотурбулентной защитой.
Известен способ закрепления труб в трубных решетках, включающий установку теплообменной трубы в трубном отверстии, ее фиксацию от возможного осевого перемещения с последующим закреплением в трубной решетке путем приложения нормального к внутренней поверхности трубы давления, например, механической вальцовкой (см. Юзик С.И. Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах. Л., «Судостроение», 1978, с.6).
К основным недостаткам известного способа следует отнести: неравномерное остаточное давлением по длине вальцовочного пояска и, как следствие, относительно низкие служебные характеристики вальцовочных соединений. Для устранения данного недостатка прибегают к повышенным деформирующим трубу давлениям, что обуславливает существенную раздачу трубного отверстия, выдавливание материала трубы в осевом направлении и шелушение поверхностных слоев. В результате имеет место интенсивная коррозия и, как следствие, короткий срок межремонтного пробега трубного пучка теплообменного аппарата.
Известен также способ закрепления теплообменных труб в трубных решетках, включающий профилирование концов трубы с выполнением на них законцовок, установку законцовки трубы в отверстие трубной решетки, выполненное с кольцевой канавкой, фиксацию трубы от возможных перемещений, закрепление трубы в отверстии трубной решетки путем приложения деформирующего усилия к внутренней поверхности законцовки вращающимися роликами механической вальцовки (см. RU 2171155 С2, МПК 7 В21D 39/06, 53/08, F28F 9/16, опубл. 27.07.01 - прототип).
К недостатку известного способа следует отнести то, что коррозионные характеристики вальцовочных соединений определяются не только толщиной формируемой стенки профилированной законцовки, но и степенью неоднородности пластической деформации материала трубы по толщине. Последняя, тем самым, и определяет предельный срок межремонтного пробега трубного пучка. Кроме того, наблюдается одновременное заполнение объемов кольцевых канавок упомянутыми бандажами, что требует увеличенных усилий на роликах механической вальцовки. В неразъемном соединении, к тому же, не предусмотрена защита от турбулентного течения внутритрубной жидкой среды.
Задачей изобретения является разработка такого способа закрепления теплообменных труб в трубных решетках, который обеспечивал бы повышенные характеристики прочности и плотности, а также предусматривал бы противотурбулентную и противокоррозионную защиту вальцовочных соединений и позволял бы неоднократно увеличить срок межремонтного пробега трубных пучков теплообменных аппаратов.
Технический результат достигается тем, что способ закрепления теплообменных труб в трубных решетках включает профилирование концов трубы с выполнением на них законцовок, содержащих торцевое утолщение, утолщение, имеющее комбинированное поперечное сечение в виде прямоугольника в сочетании с трапецией, и расположенные по краям упомянутого утолщения упрочненные зоны, установку законцовки трубы в дорнованное отверстие трубной решетки, выполненное с кольцевой канавкой, с расположением торцевого утолщения законцовки над лицевой поверхностью трубной решетки, а утолщения законцовки - симметрично относительно кромок кольцевой канавки, фиксацию трубы от возможных перемещений, установку на торцевом утолщении законцовки кольца с противокоррозионным покрытием для противокоррозионной защиты соединения трубы с трубной решеткой, последующее закрепление трубы в отверстии трубной решетки путем приложения деформирующего усилия к внутренней поверхности законцовки вращающимися роликами механической вальцовки с обеспечением раскатки утолщения законцовки в кольцевой канавке трубной решетки с воздействием усилием на боковые стенки упомянутой кольцевой канавки, а также с образованием внешнего торцевого уплотнения с кольцом с противокоррозионным покрытием, располагаемого за пределами отверстия трубной решетки, затем формирование на внутренней поверхности законцовки уступа в месте перехода от внутреннего диаметра законцовки к исходному диаметру трубы, установку в полости закрепленной законцовки экранирующей втулки из материала трубы для обеспечения противотурбулентной защиты соединения и фиксацию экранирующей втулки в полости законцовки. Причем противокоррозионную защиту осуществляют размещением на утолщенном торце законцовки кольца-протектора, например, из алюминия с цинковым покрытием, а после закрепления законцовки в трубном отверстии производят точечное сплавление материалов контактных колец, образуя на лицевой поверхности трубной решетки протекторный щит. Осуществление предлагаемого способа закрепления теплообменных труб в трубных решетках позволяет получать вальцовочные соединения, обладающие, наряду с увеличенными характеристиками прочности и плотности, повышенными характеристиками противокоррозионной стойкости, а также противотурбулентной защитой.
Это объясняется тем, что профилированную законцовку выполняют структурированной, а именно разнопрочной, содержащей утолщение с переменной толщиной стенок. Закрепление упомянутой законцовки в трубном отверстии осуществляют раскаткой ее утолщения в кольцевой канавке с образованием силового элемента. При этом обеспечивают осевые усилия на боковых стенках кольцевой канавки. Полученные неразъемные соединения замкового типа предусматривают организацию противокоррозионной защиты служебных характеристик в сочетании с его противотурбулентной защитой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано исходное положение профилированной законцовки в полости трубного отверстия и размещенного на ее утолщенном торце кольца-протектора перед образованием неразъемного соединения; на фиг.2 - окончание стадии только свободной раздачи законцовки; на фиг.3 - окончание стадии образования неразъемного соединения законцовки с трубным отверстием; на фиг.4 - закрепленная законцовка в трубном отверстии и пуансон перед выполнением внутреннего уплотнения; на фиг.5 - окончание операции формирования внутреннего уплотнения; на фиг.6 (верх) - положение пуансона в полости, закрепленной перед выполнением уступа по месту перехода от конечного внутреннего диаметра законцовки к исходному диаметру трубы; на фиг.6 (низ) - конечная стадия выполнения уступа по месту перехода от конечного внутреннего диаметра законцовки к исходному диаметру трубы; на фиг.7 - исходное положение элементов противотурбулентной защиты (кольца-манжеты) из пластичного материала и экранирующей втулки в полости законцовки. Экранирующая втулка предварительно зафиксирована точечным сплавлением ее материала с материалом трубы; на фиг.8 - стадия окончания раскатки кольца-манжеты на поверхности закрепленной законцовки с приобретением им внутреннего диаметра, равного исходному диаметру трубы; на фиг.9 - фрагмент лицевой поверхности трубной решетки с элементами защиты и охватывающей их замкнутой полосы-протектора.
Вариант осуществления предлагаемого изобретения состоит в следующем. На концах теплообменной трубы 1 предварительно выполняли законцовки, содержащие торцевые утолщения, калиброванные участки полотна из упрочненного материала (показано точками), а также по удлиненному утолщению комбинированного поперечного сечения (прямоугольник в сочетании с трапецией) с зонами сильного упрочнения по краям и зоной слабого упрочнения по центру с каверной. Внутренний диаметр законцовки равен исходному диаметру трубы.
Трубу 1 законцовкой устанавливают в отверстии трубной решетки 2, располагая удлиненное утолщение симметрично относительно кромок кольцевой канавки. Трубу фиксируют от возможных перемещений. На утолщенном торце законцовки, расположенном над лицевой поверхностью трубной решетки, устанавливают кольцо-протектор 3 (фиг.1). Обязательным требованием здесь является использование колец-протекторов с противокоррозионным покрытием, например, цинком.
2
Законцовку подвергают свободной раздаче механической вальцовкой №1, при которой внешний диаметр полотна увеличивается, утолщение постепенно вводится в кольцевую канавку до касания ее кромок (фиг.2). Внутренний диаметр законцовки достигает величины d. Внешняя цилиндрическая поверхность удлиненного утолщения претерпевает изменение - образование угловых выступов и смещенной центральной части. При дальнейшей раздаче законцовки вальцовкой №2 выполняют также локальную раскатку утолщения до момента касания дна кольцевой канавки. При этом угловые выступы претерпевают радиальную раздачу в канавке, достигая ее донной поверхности.
Финальная часть закрепления законцовки в трубном отверстии сводится к фиксированию кольцевой плотности на заплечиках посредством поперечных сдвиговых деформаций в полотне законцовки и появлению боковых давлений на стенках кольцевой канавки от внедрения центральной части (зоны слабого упрочнения). Наблюдается растяжение перемычки трубного отверстия совместно с кольцевой канавкой в осевом направлении. При этом реализуется заполнение материалом трубы увеличенного объема кольцевой канавки, реализуя продольно-прессовый механизм закрепления, когда осевое растяжение перемычки трубного отверстия сохраняется избыточным материалом трубы, подаваемым в кольцевую канавку. Сохранение формируемых характеристик прочности и плотности неразъемных соединений обеспечивается поперечными сдвигами в полотне законцовки, каркасным упрочнением материала трубы в кольцевой канавке, а также силами трения на боковых стенках канавки.
k
Параллельно описанному процессу закрепления законцовки в трубном отверстии имеет место формирование внешнего торцевого уплотнения, состоящее из деформированного утолщенного торца законцовки, располагаемого за пределами трубного отверстия и протекторного кольца с максимальными контактными давлениями в радиальном направлении. Внутренний диаметр закрепленной законцовки равен диаметру d (фиг.3).
Далее приступают к формированию внутреннего торцевого уплотнения, для чего в полость закрепленной законцовки вводят ступенчатый пуансон 4, имеющий коническую рабочую поверхность (фиг.4).
Прикладывая осевое усилие к торцу пуансона 4, сообщают ему перемещение, вызывая раздачу трубы в кольцевую выемку в пределах толщины трубной решетки с образованием внутренней поверхности, имеющей коническую часть (фиг.5).
Затем приступают к формированию уступа внутренней поверхности закрепленной законцовки, перепрофилируя исходную коническую поверхность. Для чего в полость закрепленной трубы вводят ступенчатый пуансон 5 с острой рабочей кромкой на торце, располагая его большую ступень на расстоянии 1 от торца закрепленной законцовки (фиг.6 - верх). Внедряя пуансон 5 в объем материала трубы на упомянутую глубину 1, производят формирование уступа, имеющего угол 90° (фиг.6 - низ).
Выполнение уступа позволяет использовать экранирующую втулку 6 для формирования противотурбулентной защиты. Крепление данной втулки в отверстии закрепленной законцовки производят с использованием кольца-манжеты 7 из пластичного материала, например латуни. Порядок организации противотурбулентной защиты состоит в следующем: кольцо-манжету вводят в полость законцовки и посредством экранирующей втулки проталкивают до его контакта с упомянутым уступом, при этом свободный торец экранирующей втулки разместится в полости свободного торца закрепленной законцовки. Подчеркнем, что внутренний диаметр кольца-манжеты меньше соответствующего диаметра экранирующей втулки (фиг.7).
Затем в диаметрально противоположных торцах закрепленной законцовки производят (фиг.9) прихватку 8 аргоно-дуговым способом (или сплавлением материалов трубы и экранирующей втулки). Фиксацию экранирующей втулки в отверстии закрепленной законцовки производят раскатыванием толщины стенки кольца-манжеты роликами механической вальцовки с приданием ему внутреннего диаметра, равного исходному внутреннему диаметру трубы. Пластичный материал кольца-манжеты позволяет при раскатывании заполнить имеющиеся пустоты (фиг.8). Экранирующая втулка плотно закрепляется в полости законцовки за счет осевых сжимающих усилий со стороны кольца-манжеты после ее раскатки.
Эффект усиления противокоррозионной защиты может быть повышен тем, что материалы протекторных колец по месту их контакта с соседними кольцами подвергают сплавлению (фиг.9). Это в дальнейшем позволяет ввести в конструкцию образованного протекторного щита таблетки-вкладыши 9 из материала с более отрицательным электродным потенциалом (например, алюминия), чем материал кольца-протектора. Таблетки-вкладыши беззазорно располагают в пространстве, например, между четырьмя кольцами-протекторами и создают их соединение с протекторными кольцами путем точечного сплавления их материалов. Созданный протекторный щит будет единым анодом, который, расходуясь, будет защищать силовой элемент и все неразъемное соединение, являющееся катодом. Протекторный щит с учетом того, что материал таблеток-вкладышей имеет более отрицательный электродный потенциал, чем электродный потенциал покрытия колец-протекторов, является гарантом образования цепи анод - катод. Как следствие этого, коррозионному воздействию подвергнутся, в первую очередь, материалы таблеток-вкладышей, затем колец-протекторов, защитив тем самым не только неразъемное соединение, но и область трубной решетки. Образованное вальцовочное соединение обладает повышенными характеристиками прочности, плотности, коррозионной стойкости и способностью к защите от турбулентности. Объем анодного материала увеличивается возможностью применения замкнутой полосы-протектора 10 из алюминия, охватывающей внешний контур колец.
Опытно-промышленная проверка разработанного способа прошла при закреплении труб в трубных решетках. Трубы с поперечным сечением ⌀ 25×19,8 мм изготавливались из стали 15Х5М.
+0,05
+0,05
Отверстия имитаторов трубных решеток выполнялись с диаметром, равным 25,35 мм; трубные отверстия содержали калиброванные пояски с длиной 4,5 и 5,0 мм; кольцевую выемку с диаметром ⌀ 26,1 мм и кольцевую канавку шириной 11,4 мм и глубиной, равной 0,43 мм.
+0,05
Профилированные законцовки теплообменных труб содержали: калиброванные участки ⌀ 24,3×19,8 мм в соответствии с размерами для трубного отверстия; удлиненное утолщение комбинированного поперечного сечения с размерами - внешний диаметр ⌀ 25,3 мм, внутренний ⌀ 20,2 мм. Ширина каверны составляла 5,9 мм.
Неразъемные соединения выполнялись механическими вальцовками с использованием вальцовочного стенда «Индреско» (США).
Экранирующие втулки изготавливались из стали 15Х5М и имели геометрические размеры: длина - 76 мм, внутренний диаметр - ⌀ 19,8 мм, наружный диаметр - ⌀ 21,1 мм.
Кольца-манжеты изготавливались из латуни марки Л 96 с геометрическими размерами: длина - 7 мм, внутренний диаметр - ⌀ 18,99÷19,0 мм, наружный - ⌀ 21,1 мм.
Кольца-протекторы с цинковым покрытием изготавливались в формате ⌀ 31,16÷25,17 мм, шириной - 5 мм.
Протекторная защита в целом рассчитана на плановый ремонт по ее восстановлению (замена таблеток-вкладышей и замкнутой полосы-протектора) через каждые 3 года.
Установлено, что экспериментальная проверка коррозионной стойкости неразъемных соединений в виде однотрубных фланцев в рабочей среде средней агрессивности полностью подтвердила ожидаемые результаты.
Отметим ожидаемую экономию от принятых технических новаций. Так, по ценам на материалы в 2010 году, первоначальная стоимость (новый трубный пучок) протекторной и противокоррозионной защиты неразъемных соединений не превышала 70 тысяч рублей, что в ценах к относительной стоимости по отношению к трубному пучку массой 5 т не превышает 2%. Устранение турбулентного течения внутритрубной жидкой среды позволяет сэкономить до 1000 руб./ч за счет устранения затрат, необходимых на компенсацию потерь от превышения мощности работающих насосов.
Отсутствие протечек ликвидирует внештатные ситуации, а значит, устраняются затраты на их предотвращение. Кроме того, не нарушается рабочий цикл функционирования аппарата из-за уменьшения числа труб от их глушения и не уменьшается производительность теплообменного аппарата.
В целом повышается безопасность работы, устраняются вибрации, шумы и т.д., что нормализует производственную атмосферу.
Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, энергетической, газовой и других отраслей промышленности.