Экспериментальная оценка качества вальцованных соединений с различными типами уплотнений

Экспериментальная оценка качества вальцованных соединений с различными типами уплотнений

Аннотация. В работе рассматривается проблема обеспечения герметичности и прочности вальцованных соединений труб с трубными решетками. Приведены факторы, снижающие герметичность и прочность вальцованных соединений. Описаны два основных способа повышения качества вальцованных соединений путем применения кольцевых уплотнительных элементов, а именно: способ нарезания на стенках отверстий трубной решетки кольцевых канавок прямоугольного сечения, способ формирования на стенках отверстий трубной решетки кольцевого уплотнительного рельефа шариковым раскатником. Для оценки влияния описанных выше способов повышения локальных контактных давлений на прочность и герметичность выполнены сравнительные испытания трех типов соединений: гладких соединений (без кольцевых уплотнительных элементов), соединений с накатанными на поверхности трубной решетки кольцевыми выступами, соединений с нарезанными на поверхности трубной решетки канавками. Описанный в работе эксперимент продемонстрировал существенное повышение герметичности и прочности при применении как канавок, так и кольцевого уплотнительного рельефа в соединении трубы с трубной решеткой.

Введение

Последовательность создания вальцованного соединения трубы с трубной решеткой описывается тремя основными стадиями.

На первой стадии производится деформирование трубы, установленной с зазором в отверстие трубной решетки, до выбора этого зазора.

На второй стадии развальцовки происходит совместное деформирование трубы с трубной решеткой. При этом труба деформируется пластически, а трубная решетка упруго-пластически.

На третьей стадии после извлечения вальцовочного инструмента из трубы трубная решетка упруго разгружается и обжимает трубу, которая остается в состоянии пластической деформации. Таким образом, между трубой и трубной решеткой возникают контактные давления [1,2,4].

1. Понятие герметичности и прочности

Качество соединений труб с трубными решетками характеризуется их герметичностью и прочностью.

Герметичность – это способность соединения выдерживать давление теплоносителя без протечек. Количественно герметичность определяется максимальной величиной перепада давления, воспринимаемого соединением без протечек.

Прочность – способность соединения выдерживать осевые усилия, возникающие в процессе работы теплообменного аппарата, без относительного осевого смещения трубы и трубной решетки. Количественно прочность определяется величиной осевого усилия, при котором происходит сдвиг трубы относительно трубной решетки.

Герметичность и прочность зависят главным образом от величины остаточных радиальных напряжений (контактных давлений) между сопряженными поверхностями соединения) [3].

2. Факторы, снижающие герметичность и прочность

Существует ряд факторов, снижающих герметичность и прочность вальцованных соединений:

  • неправильно назначенное на этапе проектирования соотношение механических свойств материалов труб и трубных решеток, когда предел текучести материала трубы превышает аналогичную характеристику материала трубной решетки, что может привести к невозможности получения соединения деформационным способом;
  • малая толщина трубных решеток, не позволяющая создать в соединении контактных давлений, обеспечивающих необходимые герметичность и прочность;
  • наличие теплоносителей с повышенной проникающей способностью (керосин);
  • повышенная шероховатость поверхности отверстий трубной решетки;
  • повышенная овальность отверстий в трубной решетке, которая приводит к неравномерному распределению контактных давлений по периметру соединения;
  • наличие на стенках отверстий в трубных решетках осевых или спиральных рисок, по которым происходит разгерметизация [2,4].

3. Способы повышения герметичности и прочности

В настоящее время известны два способа обеспечения качества вальцованных соединений путем повышения локальных контактных давлений.

К первому способу относится нарезание на стенках отверстий трубной решетки кольцевых канавок прямоугольного сечения глубиной до 0,5 мм на сторону (рис.1, 2) [3].

Эскиз отверстия трубной решетки с канавками
Рис. 1. Эскиз отверстия трубной решетки с канавками

Модель соединения с канавками
Рис. 2. Модель соединения с канавками

Повышенные герметичность и прочность в вальцованном соединении достигаются за счет локального увеличения контактных давлений в зоне концентраторов напряжений – кромок канавки [2,4].

Второй способ повышения локальных контактных давлений в соединении заключается в формировании на стенках отверстий кольцевого уплотнительного рельефа шариковым раскатником. Высота выступов рельефа находится в диапазоне 0,04…0,10 мм в зависимости от диаметра обрабатываемого отверстия.

За счет поверхностного упрочнения (наклепа) твердость поверхности выступов кольцевого рельефа в среднем на 10-15% выше твердости металла трубной решетки.

В процессе последующей развальцовки кольцевые выступы рельефа внедряются в наружную поверхность трубы, увеличивая контактные давления в соединении, и тем самым повышая герметичность и прочность вальцованного соединения (рис. 3,4) [2,3,4].

Эскиз отверстия трубной решетки с кольцевым уплотнительным рельефом
Рис. 3. Эскиз отверстия трубной решетки с кольцевым уплотнительным рельефом

Модель соединения трубной решетки с кольцевым уплотнительным рельефом
Рис. 4. Модель соединения трубной решетки с кольцевым уплотнительным рельефом

4. Исследование влияния различных видов кольцевых уплотнительных элементов на прочность и герметичность

Для оценки влияния описанных выше способов повышения локальных контактных давлений на прочность и герметичность были выполнены сравнительные испытания трех типов соединений: гладких соединений (без кольцевых уплотнительных элементов), соединений с накатанными на поверхности трубной решетки кольцевыми выступами, соединений с нарезанными на поверхности трубной решетки канавками.

4.1. Описание испытательных образцов

В качестве образцов соединений трубных решеток с трубами были использованы однотрубные образцы, представляющие из себя втулки с развальцованными в них трубами [4].

Для испытаний на герметичность были изготовлены 60 образцов, по 20 штук на каждый тип соединения (гладкое, с кольцевыми выступами, с канавками). Материал втулок – Сталь 40 Х. Конструкцией образцов были предусмотрены два пояса развальцовки шириной по 25 мм. Между поясами была выполнена кольцевая проточка, в которую через радиальное отверстие подавалась под давлением испытательная жидкость (рис. 5,6).

Разрезанный испытательный образец
Рис. 5. Разрезанный испытательный образец

Эскизы трубных решеток для испытаний образцов соединений на герметичность
Рис. 6. Эскизы трубных решеток для испытаний образцов соединений на герметичность:
а) гладкое соединение; б) соединение с канавками; в) соединение с кольцевыми уплотнительными элементами

Для испытаний на прочность также изготовлено 60 образцов по 20 штук на каждый тип соединения. Материал втулок – Сталь 40 Х. На втулках в соответствии со схемой испытаний выполнен один пояс закрепления (рис. 7,8).

Испытательный образец
Рис. 7. Испытательный образец

Эскизы трубных решеток для испытаний образцов соединений на прочность
Рис. 8. Эскизы трубных решеток для испытаний образцов соединений на прочность:
а) гладкое соединение; б) соединение с канавками; в) соединение с кольцевыми уплотнительными элементами

Материал труб для всех типов соединений и видов испытаний – Сталь 20. Наружный диаметр труб - 25 мм, толщина стенки - 2,5 мм.

Развальцовка всех соединений производилась цилиндрической трехроликовой вальцовкой Р-20 с использованием привода ВМ-200 [5].

4.2. Испытание образцов на герметичность

Для определения герметичности экспериментальных образцов использована установка (рис. 9), развивающая давление рабочей жидкости до 160 МПа. Основными узлами этой установки являются: масляный плунжерный насос высокого давления, устройство для закрепления экспериментальных образцов и подвода к ним рабочей жидкости, манометр и разделительная емкость, в которой давление масла передается воде.

Гидравлический пресс для испытания образцов соединений на герметичность
Рис. 9. Гидравлический пресс для испытания образцов соединений на герметичность

Методика проведения гидравлических испытаний заключалась в ступенчатом повышении давления с выдержкой 15 сек. после каждого увеличения давления. Момент нарушения герметичности регистрировался по появлению капель в местах сопряжения трубы с трубной решеткой на торце образца.

Результаты испытаний представлены в табл. 1, а также для большей сравнительной наглядности на рис. 10.

Результаты испытаний на герметичность
Рис. 10. Результаты испытаний на герметичность:
А – гладкое соединение; Б - соединение с кольцевыми уплотнительными элементами; В - соединение с канавками

Таблица 1

Результаты испытаний образцов на герметичность

Гладкое соединение Соединение с кольцевыми выступами Соединение с канавками
№ обр. Давление разгерме-тизации, МПа № обр. Давление разгерме-тизации, МПа № обр. Давление разгерме-тизации, МПа
1 15,69 1 66,69 1 56,88
2 33,34 2 90,22 2 94,14
3 39,23 3 105,91 3 100,03
4 23,54 4 53,94 4 103,95
5 52,96 5 92,18 5 101,99
6 70,61 6 96,11 6 125,53
7 33,34 7 94,14 7 112,78
8 34,32 8 84,34 8 112,78
9 33,34 9 90,22 9 105,91
10 11,77 10 94,14 10 117,68
11 35,30 11 88,26 11 119,64
12 9,81 12 98,07 12 76,49
13 37,27 13 84,34 13 100,03
14 13,73 14 107,87 14 125,53
15 11,77 15 80,41 15 111,80
16 9,81 16 107,87 16 92,18
17 35,30 17 83,36 17 107,87
18 9,81 18 96,11 18 73,55
19 56,88 19 96,11 19 88,26
20 11,77 20 80,41 20 115,72

Средние значения давлений разгерметизации составляют: 102,14 МПа для соединений с канавками, 89,53 МПа для соединений с кольцевыми выступами, 28,98 МПа для гладких соединений.

4.3. Испытание образцов на прочность

Прочность образцов соединений оценивалась с помощью гидравлической машины растяжениясжатия ThuringerIndustriewerk ZD-10/90, развивающей усилие до 100000 Н.

В пробку-заглушку, вваренную в выступающий конец трубы образца, упирался закаленный шток, к которому прикладывалась плавно возрастающая осевая нагрузка. При сдвиге трубы относительно втулки фиксировалась величина осевой нагрузки.

Схема испытаний образцов соединений на прочность показана на рис. 11.

Схема испытания образцов на прочность
Рис. 11. Схема испытания образцов на прочность:
1 - шток, 2 - труба, 3 - пробка-заглушка, 4 - трубная решетка

Результаты испытаний представлены в табл. 2, а также для большей сравнительной наглядности на рис. 12.

Результаты испытаний на прочность
Рис. 12. Результаты испытаний на прочность:
А - гладкое соединение; Б - соединение с кольцевыми уплотнительными элементами; В - соединение с канавками

Таблица 2

Результаты испытаний образцов на прочность

Гладкое соединение Соединение с кольцевыми выступами Соединение с канавками
№ обр. Усилие сдвига, кН № обр. Усилие сдвига, кН № обр. Усилие сдвига, кН
1 38 1 52 1 49
2 46 2 45 2 43
3 44 3 46 3 45
4 42 4 52 4 53
5 42 5 50 5 45
6 45 6 41 6 62
7 30 7 48 7 55
8 38 8 47 8 50
9 41 9 50 9 49
10 40 10 41 10 50
11 38 11 45 11 42
12 43 12 45 12 60
13 36 13 50 13 50
14 39 14 52 14 55
15 39 15 50 15 47
16 35 16 47 16 55
17 38 17 49 17 65
18 44 18 51 18 49
19 43 19 47 19 53
20 41 20 50 20 47

Как видно из табл. 2, средние значения усилий сдвига составляют: 51200 Н для соединений с канавками; 47900 Н для соединений с кольцевыми выступами, 40100 Н для гладких соединений.

Заключение

Проведенный эксперимент продемонстрировал существенное повышение герметичности и прочности при применении как канавок, так и кольцевого уплотнительного рельефа в соединении трубы с трубной решеткой.

В некоторых случаях применение шарикового раскатника для формирования кольцевого уплотнительного рельефа может оказаться более технологичным, чем использование канавочника для нарезания канавок на стенках отверстий в трубных решетках, например, при производстве ремонтных работ или при обработке отверстий малых (менее 12 мм) диаметров.

Иногда локальное повышение твёрдости стенок отверстий трубных решеток путем обкатывания шариковым раскатником может оказаться единственным способом получения вальцованного соединения для данного сочетания материалов трубы и трубной решетки.

Источник: научный журнал «МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», №3 часть 1, 2022. С. 94—101.
Авторы: А.В. Санников, e-mail: soniс81@mail.ru, Т.Ю. Стоянов, e-mail: stoyanov.ty@yandex.ru, А.К. Ефремов, e-mail: hunter_men@inbox.ru
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Научно-исследовательская технологическая лаборатория


Литература:

1. Каган В.Л. Развальцовочный инструмент. - Волгоград: Альянс, 2006. – 128 с.

2. Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок в условиях эксплуатации / Под общ. ред. Ю.М. Бродова. - Е.: УрФУ, 2010. – 308 с.

3. СТО-02066380-001-2019 "Крепление труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. Общие технические требования".

4. Кузнецов И. Л. Разработка технологии изготовления и применения проставочных элементов и покрытий для повышения герметичности и прочности соединений труб с трубными решетками судового теплообменного оборудования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения (судостроение и судоремонт)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кузнецов Илья Леонидович ; Ленинградский кораблестроительный институт. - Ленинград, 1987. - 158 с. - Библиогр.: с. 146-155. - Место защиты: Лен. кораблестроительный ин-т. - Текст: непосредственный.

5. Каталог СПбГМТУ НИТЛ 2020 "Инструмент для изготовления и ремонта теплообменного оборудования". – URL: https://nitl.ru/catalog/ (дата обращения: 06.05.2022).

6. Дорошенко П.А. Производство судовых котлов и теплообменных аппаратов. – Ленинград: Судостроение, 1964. – 219 с.

7. Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок/ Под общ. ред. Ю.М. Бродова. - Е.: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2006. – 584 с.

8. Ремонт и техническое обслуживание оборудования паротурбинных установок: справочник. В 2 т. Т. 2/ Под общ. ред. Ю.М. Бродова. – Е.: УрФУ, 2011. – 487 с.

9. Кузнецов И.Л. Повышение герметичности и прочности соединений труб с трубными решетками теплообменных аппаратов за счет применения проставочных сред/ И.Л. Кузнецов, В.И. Черненко //Сб. НТО им. А.Н. Крылова. Л., 1985. Вып.403. С.22-27.

10. Юзик С.И. Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах/ С.И. Юзик. Л.: Судостроение, 1978. 114 с.


ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Александр Владимирович Санников, ведущий инженер, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, e-mail: sonic81@mail.ru

Тимофей Юрьевич Стоянов, ведущий инженер, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, e-mail: stoyanov.ty@yandex.ru

Антон Константинович Ефремов, ведущий инженер, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, e-mail: hunter_men@inbox.ru

УДК 621.77.07

DOI: https://doi.org/10.37220/MIT.2022.57.3.012


Возврат к списку