Аннотация. При проектировании теплообменных аппаратов применяются различные технические решения, повышающие надежность соединения труб с трубными решетками, например, кольцевые уплотнительные канавки или накатной уплотнительный рельеф. Для исследования влияния различных конструктивных факторов на надежность таких соединений, изготавливают образцы будущих соединений труб с трубными решетками и подвергают их испытаниям на герметичность и прочность. В работе проведено экспериментальное исследование эффективности применения однотрубных образцов в качестве моделей соединения труб с трубными решетками теплообменного аппарата.
Надёжность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов в большой степени определяется надёжностью соединений труб с трубными решётками. Нарушение герметичности этих соединений в значительном количестве случаев является основной причиной выхода теплообменного аппарата из строя [1].
На стадии проектирования аппаратов с учётом условий их эксплуатации и параметров теплоносителей применяют различные технологические решения, обеспечивающие заданный уровень герметичности соединений. Так, для аппаратов, работающих с температурами теплоносителей свыше 300°С и с давлениями более 4 МПа, а также для аппаратов, работающих в химической и нефтехимической отраслях промышленности, обычно применяют комбинированные соединения: сварку концов труб с трубной решёткой и последующую развальцовку труб. В аппаратах, работающих с более низкими параметрами теплоносителей, а также в тех случаях, когда использование сварки невозможно, соединения труб с трубными решётками выполняют только развальцовкой [1,2].
Для вальцованных соединений также существуют технологические способы, повышающие их герметичность. Одним из таких способов является способ нарезания в отверстиях трубных решеток одной или нескольких (чаще всего - двух) кольцевых уплотнительных канавок (рис.1) при помощи специального инструмента - канавочника [3,4].
Рис. 1. Эскиз отверстия трубной решетки с канавками и модель соединения
Второй способ - накатка на стенках отверстий трубных решеток чередующихся кольцевых впадин и выступов (рис. 2) при помощи шарикового раскатника [3,4].
Рис. 2. Эскиз отверстия трубной решетки с накатными элементами и модель соединения
После развальцовки концов труб в отверстиях с кольцевыми канавками или с накатным рельефом на кромках канавок (или кромках выступов, сформированных шариками), происходит местное увеличение контактных давлений, позволяющее значительно повысить герметичность соединений [5].
При проведении опытно-конструкторских работ в области проектирования соединений труб с трубными решетками, а также при исследовании влияния различных конструктивных факторов на надежность таких соединений, изготавливают образцы будущих соединений труб с трубными решетками и подвергают их испытаниям на герметичность и прочность.
Образцы для испытания соединений на герметичность при этом могут быть однотрубными (рис. 3) или многотрубными (рис. 4).
Целью настоящей работы являлась экспериментальная проверка возможности оценки эффективности применения указанных способов обеспечения герметичности вальцованных соединений с использованием однотрубных образцов.
Рис. 3. Однотрубный испытательный образец
Рис. 4. Семитрубный испытательный образец (слева на фото расположен однотрубный образец)
Многотрубные образцы моделируют реальную трубную решётку теплообменного аппарата значительно точнее, чем однотрубные, но являются достаточно сложными и дорогими в изготовлении. Поэтому, как правило, испытания проводят на однотрубных образцах полагая, что герметичность соединений в таких образцах (при условии правильно назначенного наружного диаметра втулки, в которой развальцовывают стальную трубу) мало отличается от герметичности реальных соединений в трубной решётке теплообменного аппарата.
Наружный диаметр втулки для однотрубного образца рассчитывают с учётом диаметра закрепляемой трубы и шага расположения отверстий в трубной решётке. Втулку при этом называют эквивалентной, имея в виду тот факт, что величина контактных давлений в соединениях однотрубных образцов будет такой же, как в соединениях в трубной решётке аппарата.
Формулы для расчёта наружного диаметра эквивалентной втулки приведены в работах [6] и [7].
В работе [6] представлена аналитически выведенная зависимость радиуса эквивалентной втулки от диаметра отверстия и шага перфорации (рис. 5).
где ρ – радиус эквивалентной втулки,
a – радиус отверстия в трубной решетке;
с – половина шага перфорации в трубной решетке.
Рис. 5. Параметрическая связь трубной решетки и эквивалентной втулки
В работе [7] для расчета наружного диаметра эквивалентной втулки De используется менее сложная формула
De = dp + 2×α×(t - dp), (2)
где dp – диаметр отверстия в трубной решетке;
α – коэффициент, учитывающий влияние перемычек между соседними отверстиями (на основании экспериментальных данных при расположении отверстий по вершинам равностороннего треугольника α = 1,6, по вершинам квадрата α = 1,75);
t – шаг расположения отверстий в решетке.
Для оценки корректности применения однотрубных образцов при испытаниях соединений на герметичность в НИТЛ СПбГМТУ были подготовлены и проведены экспериментальные исследования, суть которых заключалась в следующем.
Были изготовлены две партии образцов соединений: однотрубные (рис. 3) и семитрубные (рис. 4).
Наружные диаметры эквивалентных втулок для однотрубных образцов были рассчитаны по формулам (1) и (2). В первом случае величина наружного диаметра составила 45 мм; во втором - 50 мм. Для изготовления образцов был выбран меньший диаметр 45 мм.
Эквивалентные втулки и модели трубных решёток семитрубных образцов были изготовлены из стали 40Х.
В качестве образцов труб для испытаний были выбраны трубы с наружным диаметром 25 мм и толщиной стенки 2,5 мм, изготовленные из стали 20.
Отверстия для труб в моделях трубных решёток семитрубных образцов были расположены по вершинам равностороннего треугольника с длиной стороны 33 мм.
Диаметры отверстий во всех образцах были выполнены одинаковыми и равными 25,3+0,13 мм. Глубина развальцовки стальных труб во всех образцах также была одинаковой и составляла 25 мм.
Каждая партия образцов (однотрубных и многотрубных) была разделена на три равные части. В первой части стенки отверстий под развальцовку труб оставались гладкими; во второй - на стенках отверстий были нарезаны две уплотнительные канавки [3]; в третьей - на стенках отверстий был накатан кольцевой уплотнительный рельеф с помощью шарикового метчик раскатника [3].
Трубы были развальцованы роликовой вальцовкой серии Р («Р-20») [4] с помощью вальцовочной машины ВМ-200 [4] с контролем величины крутящего момента. Величина момента при этом определялась из условия утонения стенок труб в процессе развальцовки в интервале 6-8% [3].
Испытания образцов на герметичность проводились на специальном гидравлическом прессе (рис. 6) путём подачи воды высокого давления с разведённым в ней пенетрантом во внутреннюю полость образца, на торцевые поверхности которого был нанесён проявитель. Давление воды внутри образца увеличивалась через каждые 2 минуты на 5 МПа. Давление, при котором на одном из торцов образца появлялись признаки пенетранта, принималась за давление разгерметизации.
Рис. 6. Гидравлический пресс для испытания образцов соединений на герметичность
Результаты испытания образцов соединений на герметичность представлены в таблице 1 и на рис. 7.
Таблица 1. Давления разгерметизации образцов соединений труб с трубными решетками
| Тип образцов | Интервал давлений разгерметизации МПа | ||
| Гладкие | С кольцевыми канавками | С накатным рельефом | |
| Однотрубные | 45-55 | 100-110 | 80-100 |
| Семитрубные | 15-25 | 35-45 | 50-60 |
Рис. 7. Давление разгерметизации испытательных образцов
По результатам проведённых испытаний можно сделать следующие выводы.
1. Нарезание на стенках отверстий кольцевых уплотнительных канавок или накатка уплотнительного кольцевого рельефа существенно (в 1,5-2 раза) увеличивают герметичность вальцованных соединений.
2. Герметичность соединений в однотрубных образцах при прочих равных условиях всегда выше, чем в семитрубных, а значит, и в соединениях реальных теплообменных аппаратов. Следовательно, использование однотрубных образцов (у которых наружные диаметры эквивалентных втулок рассчитаны по приведённым выше формулам), для оценки герметичности соединений в реальных теплообменных аппаратах представляется некорректным.
Однотрубные образцы можно использовать только для проведения сравнительных испытаний соединений, в которых были применены те или иные технологические решения для увеличения их герметичности.
3. Высокие значения давлений разгерметизации соединений в однотрубных образцах по сравнению с многотрубными могут также свидетельствовать о том, что наружные диаметры эквивалентных втулок, рассчитанные по формулам (1) и (2), являются завышенными. Величина этих диаметров требует дополнительных исследований и уточнений.
Список литературы:
1. Ткаченко, Г. П. Изготовление и ремонт кожухотрубчатой теплообменной аппаратуры / Г. П. Ткаченко, В. М. Бриф. – Москва: Машиностроение, 1980. - 160 с.
2. Каган В. Л. Ремонт кожухотрубчатых теплообменников: Технологические рекомендации и средства производства / В. Л. Каган, И. Г. Богородский, Д. В. Штуркин, И. И. Богородский. - Волгоград: Панорама, 2009. - 192 с.
3. СТО-02066380-001-2019. "Крепление труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. Общие технические требования" / Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Научно-исследовательская технологическая лаборатория. – Санкт-Петербург: СПбГМТУ (университет), 2019. – 25 с.
4. Каталог СПбГМТУ НИТЛ 2023: Инструмент для изготовления и ремонта теплообменного оборудования. – Санкт-Петербургский морской технический университет, Научно-исследовательская технологическая лаборатория: [сайт]. – 2025. - URL: Ссылка на каталог (дата обращения: 23.01.2025)
5. Бродов, Ю. М. Техническое обслуживание и ремонт теплообменных аппаратов паротурбинных установок. Учебное пособие для студентов вузов / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, Т.Ф. Богатова, П.Н. Плотников, А.Ю. Рябчиков. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2005. - 302 с.
6. 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.
7. Гиззатуллин, А. А. Численное моделирование процесса развальцовки трубы в трубной решетке теплообменника / А. А. Гиззатуллин, Р. Г. Ризванов, Г. Ф. Хабирова. - // Текст: электронный // Нефтегазовое дело. – 2006. – № 2. - URL: Ссылка на статью (дата обращения: 23.01.2025)
Информация об авторах:
Тимофей Юрьевич Стоянов
Ведущий инженер, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
Ефремов Антон Константинович
Ведущий инженер, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
Источник: Экспериментальная проверка возможности применения однотрубных образцов для оценки герметичности вальцованных соединений труб с трубными решетками в теплообменных аппаратах / Т. Ю. Стоянов, А. К. Ефремов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2025. – № 3. – С. 38-42
УДК: 621.77.07
