Аннотация. В работе рассматривается актуальная задача крепления толстостенных труб в толстых трубных решетках в теплообменных аппаратах.
В настоящее время в теплообменных аппаратах с толстыми трубными решетками широко применяются так называемые комбинированные соединения, изготовление которых предусматривает предварительную развальцовку концов труб на конус, сварку концов труб с трубной решеткой и последующую радиальную раздачу труб на всю толщину трубной решетки. В работе проведена оценка технических возможностей пошаговых и ленточно-винтовых вальцовок при развальцовке толстостенных труб в толстых трубных решетках. Дано сравнение качества образцов соединений по критериям герметичности, прочности и состоянию поверхностей на развальцованных участках труб, полученных двумя различными способами развальцовки: пошаговым и непрерывным. Приведена сравнительная количественная оценка затрат времени, требуемого для развальцовки труб тем или иным способом. В процессе развальцовки труб в образцах было установлено, что как пошаговые, так и ленточно-винтовые вальцовки способны развальцовывать толстостенные трубы с соотношением внутреннего и наружного диаметров близким к 0,66 (если это отношение меньше 0,66, то такие трубы принято считать «невальцуемыми»).
В результате исследований установлено, что вальцовки ЛВК могут успешно применяться для закрепления особо толстостенных труб малых диаметров в толстых трубных решетках, для которых применение пошаговых вальцовок может быть проблематичным из-за высокой вероятности поломки (скручивания) веретен.
Введение
В настоящее время в теплообменных аппаратах с толстыми трубными решетками широко применяются так называемые комбинированные соединения, изготовление которых предусматривает предварительную развальцовку концов труб на конус, сварку концов труб с трубной решеткой и последующую радиальную раздачу труб на всю толщину трубной решетки.
Радиальная раздача труб после сварки может быть выполнена несколькими различными способами, которые будут отличаться друг от друга как производительностью (количеством времени, необходимым для формирования соединения), так и качеством соединений (способностью соединений сохранять герметичность и прочность в процессе эксплуатации аппарата).
Наиболее производительными следует считать импульсные способы (крепление труб взрывом и электрогидроимпульсом), основанные на использовании энергии взрывной волны при взрыве пороха в замкнутом объеме или при мгновенном испарении проволочки внутри патрона с жидкостью [1,2].
Импульсные способы позволяют закреплять одновременно большое количество труб (несколько десятков) в трубных решетках любой толщины с минимальными затратами времени. В этом заключается их главное достоинство.
Однако, существуют и серьезные недостатки, ограничивающие практическое применение импульсных способов:
- энергия взрывной волны не обеспечивает стабильного качества соединений;
- взрыв оказывает негативное воздействие на внутреннюю структуру трубы и часто приводит к появлению продольных трещин на внутренней поверхности закрепляемой трубы;
- для проведения взрывных работ требуется специально оборудованное помещение.
Другим способом, который также применяется для закрепления труб в толстых трубных решетках, является раздача концов труб гидростатическим давлением. Как и предыдущий способ, гидрораздача также имеет свои недостатки, ограничивающие ее широкое применение:
- невозможность закрепления трубы в отверстии в случае увеличенного радиального зазора между ними;
- высокие требования, предъявляемые к закрепляемым трубам по точности их изготовления и качеству поверхностей;
- необходимость применения дорогостоящего оборудования.
Одним из самых распространенных способов крепления труб в толстых трубных решетках после сварки является способ пошаговой развальцовки закрепляемых концов удлиненными регулируемыми вальцовками «СР».
Пошаговый способ развальцовки позволяет получать соединения хорошего качества, поскольку каждый «шаг» выполняется приводом с контролем величины крутящего момента, а это, в свою очередь, обеспечивает создание между трубой и трубной решеткой оптимальных контактных давлений, отвечающих за герметичность и прочность соединений.
К недостаткам описанного способа следует отнести длительность процесса закрепления, связанную с затратами времени на переход от предыдущего «шага» к следующему (переключение привода с прямого хода на реверс, перестановка вальцовки из одной трубы в другую, и т.п.). При этом, чем толще трубная решетка, тем больше нужно выполнить «шагов», и тем больше непроизводительные затраты времени.
В Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете был разработан новый инструмент для закрепления труб в толстой трубной решетке непрерывным способом, позволяющий быстро и с хорошим качеством развальцевать трубу на всю толщину трубной решетки за один проход: ленточно-винтовая конусная вальцовка (ЛВК).
1. Цели проведения эксперимента
Целями проведения эксперимента являлись:
- оценка технических возможностей пошаговых (рис.1) и ленточно-винтовых вальцовок (рис.2) при развальцовке толстостенных труб¹ в толстых трубных решетках²;
- сравнение качества образцов соединений (герметичность³, прочность4, состояние поверхностей на развальцованных участках труб5), полученных двумя различными способами развальцовки: пошаговым6 и непрерывным7.
- получение сравнительной количественной оценки затрат времени, требуемого для развальцовки труб тем или иным способом.
Рис. 1. Вальцовка серии СР
Рис. 2. Вальцовка серии ЛВК
2. Образцы соединений для проведения испытаний
2.1. Трубы
Для изготовления образцов соединений были выбраны трубы из стали 15ХМ [3] с номинальным наружным диаметром 25мм и толщиной стенки 4 мм.
Выбор труб не был случайным. Известно, что трубы, у которых отношение внутреннего диаметра к наружному меньше или равно 0,66, механической развальцовке роликовыми вальцовками практически не поддаются [7]. В нашем случае соотношение внутреннего и наружного диаметров составило 0,68. Таким образом, выбранные для эксперимента трубы близки к особо толстостенным и для механической развальцовки считаются чрезвычайно «тяжелыми». Именно поэтому для оценки работоспособности двух разных видов вальцовок они и были выбраны.
2.2. Образцы соединений для испытаний на прочность
Для испытаний соединений на прочность были изготовлены четыре 15-ти трубных образца трубной решетки из стали 09Г2С толщиной 180 мм с отверстиями в них диаметром 25,4 мм, в которых затем развальцовывали трубы длиной 210 мм (рис. 3).
Рис. 3. Многотрубный образец
2.3. Образцы соединений для испытаний на герметичность
Для испытаний соединений на герметичность были изготовлены сорок однотрубных образцов из стали 40Х длиной 180 мм с диаметрами отверстий в них 25,4 мм (рис. 4).
Рис. 4. Однотрубный образец
В средней части каждого образца на его внутренней поверхности была выполнена кольцевая проточка шириной 10 мм, соединенная с его наружной поверхностью радиальным отверстием для подачи в проточку воды (рис. 5).
Рис. 5. Эскиз трубной решетки для однотрубного образца
В однотрубных образцах развальцовывались трубы длиной 180 мм.
3. Развальцовка труб
Образцы для проведения сравнительных испытаний были поделены на две равные группы: по два 15-ти трубных образца для проведения испытай на прочность, и по двадцать однотрубных образцов для проведения испытаний на герметичность.
Развальцовка труб в первой группе производилась цилиндрической вальцовкой СР-17 [8] с использованием вальцовочного привода8 ВМ-200 [8], настроенного на оптимальную величину крутящего момента.
Рабочая длина ролика вальцовки СР-17 равна 40 мм, поэтому для развальцовки каждой трубы как в 15-ти трубных, так и в однотрубных образцах, было выполнено по 5 вальцовочных поясов (всего - 250 поясов).
Порядок развальцовки был следующим: сначала во всех образцах концы труб были развальцованы одним поясом, после перенастройки вальцовки - вторым, и т.д., пока трубы во всех образцах не были развальцованы пятью поясами.
Для охлаждения и смазки вальцовки перед каждой установкой ее в трубу передний конец корпуса вальцовки с роликами на 2 - 3 секунды погружался в емкость с минеральным маслом.
Развальцовка труб во второй группе производилась двумя видами вальцовок. Сначала концы труб во всех образцах были развальцованы первым поясом цилиндрической вальцовкой Р-17 [8] (рис.6) тем же приводом ВМ-200 с контролем величины крутящего момента.
Рис. 6. Вальцовка серии Р
Эта операция была необходима для того, чтобы для каждого соединения определить оптимальный диаметр развальцовки. Затем для каждого соединения по этому оптимальному диаметру настраивалась ленточно-винтовая вальцовка 5ЛВК-17 [9], и производилась развальцовка оставшегося участка трубы длиной около 120 мм за один проход инструмента.
Охлаждение и смазка вальцовки в процессе работы осуществлялась непрерывной подачей смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону развальцовки через противоположный конец трубы с расходом примерно 0,5 л/мин.
В процессе закрепления труб фиксировалось время, необходимое для выполнения полного цикла развальцовки, который включал в себя:
- установку вальцовки с приводом в трубу;
- включение привода на прямой ход и развальцовку трубы;
- остановку привода, переключение его на реверс;
- остановку привода и извлечение вальцовки из трубы.
Затраты времени на подготовительные работы и другие операции, не связанные непосредственно с развальцовкой труб, не учитывались.
Было установлено, что для развальцовки конца трубы одним поясом закрепления (40 мм) вальцовками СР-17 или Р-17 с использованием вальцовочного привода ВМ-200 (скорость вращения шпинделя 200 об/мин на холостом ходу) требуется примерно 1 минута времени.
Установлено также, что для развальцовки участка трубы длиной 120 мм вальцовкой 5ЛВК-17 с использованием того же привода требуется чуть меньше 1,5 минут.
4. Испытания образцов соединений на прочность
Для проведения испытаний образцов соединений на прочность (15-ти трубные образцы) внутри выступающих концов труб на длине 25 мм была нарезана резьба М20 для последующего ввинчивания в нее пробок-заглушек.
Образцы устанавливались на рабочий стол гидравлической машины растяжения-сжатия ThuringerIndustriewerk ZD-10/90, развивающей усилие до 100000 Н; в пробку-заглушку упирался закаленный шток, к которому прикладывалось плавно возрастающее осевое усилие «F» (рис. 7).
Рис. 7. Схема выпрессовки труб из трубной решетки:
1 - шток, 2 - труба, 3 - пробка-заглушка, 4 - макет трубной решетки
В момент сдвига трубы относительно трубной решетки фиксировалась величина осевого усилия.
Среднее значение усилия выпрессовки (табл.1) при пошаговым способе составило 63470 Н, а при непрерывным способе – 63280 Н.
Таблица 1
Усилия выпрессовки труб из трубных решеток
Развальцовка труб пошаговым способом | Развальцовка труб непрерывным способом | ||
№ обр. | Усилие выпрессовки, Н | № обр. | Усилие выпрессовки, Н |
1 | 61000 | 1 | 40000 |
2 | 64500 | 2 | 53500 |
3 | 44000 | 3 | 22500 |
4 | 51000 | 4 | >100000 |
5 | 70000 | 5 | 78500 |
6 | 39000 | 6 | 52500 |
7 | 41500 | 7 | 39000 |
8 | 70000 | 8 | 76000 |
9 | 66500 | 9 | 72500 |
10 | 51500 | 10 | 48500 |
11 | 80500 | 11 | 79000 |
12 | 72000 | 12 | 79500 |
13 | 92000 | 13 | 74500 |
14 | 95500 | 14 | 73500 |
15 | 71500 | 15 | 65500 |
16 | 52000 | 16 | 60500 |
17 | 63000 | 17 | 59000 |
18 | 63500 | 18 | 51500 |
19 | 54000 | 19 | 72000 |
20 | 70000 | 20 | 48000 |
21 | 69500 | 21 | 73500 |
22 | 55000 | 22 | 64000 |
23 | 57000 | 23 | 64500 |
24 | 63500 | 24 | 76000 |
25 | 64000 | 25 | 58500 |
26 | 87500 | 26 | 53500 |
27 | 51000 | 27 | 67000 |
28 | 60000 | 28 | 66500 |
29 | 60500 | 29 | 59000 |
30 | 63000 | 30 | 70000 |
5. Испытания образцов соединений на герметичность
Однотрубные образцы испытывались на герметичность на ручном гидравлическом прессе (рис. 8), развивающем давление рабочей жидкости до 160 МПа.
Кольцевая проточка внутри образца заполнялась водой, образец устанавливался под прижимной шток пресса таким образом, чтобы отверстие в прижимном штоке совпало с радиальным отверстием в кольцевой проточке (рис. 9).
Рис. 8. Гидравлический пресс для испытания образцов соединений на герметичность
Рис. 9. Схема испытаний образцов на герметичность:
1 - труба, 2 - макет трубной решетки, 3 - шток
Шток с помощью винта поджимался к образцу, и через него внутрь проточки подавалась вода.
Давление «Р» в проточке поднималось ступенчато с выдержкой по 5 минут на каждой ступени, начиная с 5 МПа и заканчивая давлением разгерметизации.
Момент разгерметизации регистрировался визуально по появлению мелких капель воды («росы») на торцах образца, а также по падению давления на манометре прибора.
Величины давлений разгерметизации образцов соединений представлены в табл. 2.
Таблица 2
Давления разгерметизации образцов соединений
Развальцовка труб пошаговым способом | Развальцовка труб непрерывным способом | ||
№ обр. | Давление разгерметизации, МПа | № обр. | Давление разгерметизации, МПа |
1 | 47 | 1 | 43 |
2 | 55 | 2 | 41,2 |
3 | 53 | 3 | 49 |
4 | 56,9 | 4 | 49 |
5 | 45 | 5 | 51 |
6 | 29,4 | 6 | 37,2 |
7 | 54,9 | 7 | 51 |
8 | 62,7 | 8 | 52 |
9 | 48 | 9 | 54,9 |
10 | 48 | 10 | 49 |
11 | 51 | 11 | 50 |
12 | 49 | 12 | 48 |
13 | 54,9 | 13 | 52 |
14 | 58,8 | 14 | 52,9 |
15 | 53,9 | 15 | 48 |
16 | 47 | 16 | 47 |
17 | 59,8 | 17 | 49 |
18 | 52 | 18 | 53,9 |
19 | 53,9 | 19 | 54,9 |
20 | 48 | 20 | 47 |
Среднее значение давления разгерметизации – 51,5 | Среднее значение давления разгерметизации - 49 |
Выводы
1). В процессе развальцовки труб в образцах было установлено, что как пошаговые, так и ленточно-винтовые вальцовки способны развальцовывать толстостенные трубы с соотношением внутреннего и наружного диаметров близким к 0,66 (если это отношение меньше 0,66, то такие трубы принято считать «невальцуемыми» [7]).
Кроме того, было установлено, что для вращения веретена вальцовок СР-17 и Р-17 в процессе закрепления труб требуется значительно больший крутящий момент (45-50 Н·м), чем для вращения веретена вальцовки 5ЛВК-17 (15-20 Н·м). Это можно объяснить тем, что пошаговые вальцовки в процессе работы в каждый момент времени деформируют стенку трубы на всей длине ролика (40 мм); а ролики ленточно-винтовых вальцовок работают только своими задними концами на длине примерно 7 - 10 мм.
Таким образом, можно достаточно обоснованно предположить, что вальцовки ЛВК могут успешно применяться для закрепления особо толстостенных труб малых диаметров, для которых применение пошаговых вальцовок может быть проблематичным из-за высокой вероятности поломки (скручивания) веретен.
2). Анализ таблиц 1 и 2 позволяет сделать вывод о том, что при развальцовке труб как пошаговым способом, так и непрерывным (ленточно-винтовым), качество полученных соединений труб с трубными решетками (их герметичность и прочность) следует считать приблизительно равным, поскольку средние значения усилий выпрессовки и давлений разгерметизации отличаются незначительно.
Визуальный осмотр развальцованных труб показал, что на внутренних стенках тех труб, которые были развальцованы пошаговыми вальцовками, имеет место отслаивание тонких слоев металла («шелушение» или «чешуйчатость»). Такое явление нередко наблюдается при механической развальцовке толстостенных труб и связано оно с переупрочнением (наклепом) поверхностного слоя при его многократном обкатывании роликами.
В тех трубах, которые были развальцованы вальцовками непрерывного действия (ЛВК), подобного отслаивания металла замечено не было. Очевидно, это объясняется тем, что коническая вальцовка, постоянно перемещаясь в осевом направлении, деформирует трубу радиально значительно быстрее (за меньшее число оборотов), чем пошаговая цилиндрическая, и переупрочнения поверхностного слоя не наступает.
3). По окончании процесса развальцовки труб в многотрубных и однотрубных образцах трубной решетки (см. п.3. Развальцовка труб) было подсчитано время, затраченное на эту операцию.
Так, для развальцовки 50-ти концов труб длиной 180мм пошаговой вальцовкой СР-17 (первая группа образцов) потребовалось примерно 250 минут.
Для развальцовки такого же количества труб вальцовками Р-17 (первый пояс длиной 40мм) и 5ЛВК-17 (оставшиеся 120 мм в каждом образце) потребовалось только 125 минут.
Совершенно очевидно, что ленточно-винтовой способ развальцовки является более производительным, чем пошаговый, для закрепления труб в толстых трубных решетках. При этом экономия времени тем больше, чем толще трубная решетка.
Источник: научный журнал «МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», №4, том 2 2021. С. 101-109.
Автор: А. В. Санников, e-mail: soniс81@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
Литература:
1. Мазуровский Б.Я., Козловский В.С., Бунеева В.В. Технология судостроения, Электрогидравлическая развальцовка труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. 1973, №8, с.17-20.
2. Луковкин А.И., Семенов В.А. Технология закрепления труб в теплообменных аппаратах и котлах методом взрыва. Л.: ЛДНТП, 1968 – 28с.
3. ГОСТ-8732-78 "Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент".
4. СТО-02066380-001-2019 "Крепление труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. Общие технические требования".
5. Каган В.Л. Развальцовочный инструмент. - Волгоград: Альянс, 2006.
6. ГОСТ-32678-2014 "Трубы стальные бесшовные и сварные холоднодеформированные общего назначения. Технические условия".
7. Martin P.W. Factor that affect tube-tubesheet joint integrity. - IASMiRT. 1991.
8. Каталог СПбГМТУ НИТЛ 2020 "Инструмент для изготовления и ремонта теплообменного оборудования".
9. Санников В.П., Санников А.В. Новый способ закрепление труб в толстых трубных решетках теплообменных аппаратов ленточно-винтовыми конусными вальцовками. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, № 3. 2020. С.26-31.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Александр Владимирович Санников, ведущий инженер «Научно-исследовательская технологическая лаборатория» Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, e-mail: sonic81@mail.ru
УДК 622.279.3.04