Способы соединения труб с трубными решетками, применяемые при изготовлении кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, многочисленны и разнообразны. [1]
Выбор того или иного способа определяется, главным образом, назначением аппарата и условиями его эксплуатации.
Кроме того, выбранный способ должен быть достаточно технологичным, т.е. удобным при его практическом применении, а также производительным и по возможности недорогим.
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 (рис.1а), сварку концов труб с трубной решеткой (рис.1б), и последующую радиальную раздачу труб на всю толщину трубной решетки (рис.1в).
Рис.1 Последовательность формирования комбинированного соединения.
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).
Из всех известных способов соединения труб и трубных решеток наиболее производительными следует считать импульсные (способ крепления труб взрывом и электрогидроимпульсный способ), основанные на использование энергии взрывной волны при взрыве пороха в замкнутом объеме или при мгновенном испарении проволочки внутри патрона с жидкостью. [2],[3]
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 соединения;
- 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. Этот способ наиболее часто применяется в тех случаях, когда возникает необходимость закрепления труб малых диаметров (20-25 мм) с толщиной стенки больше 4-х мм, которые невозможно развальцевать роликовыми вальцовками. Раздача труб в этом случае может быть выполнена путем создания внутри закрепляемого конца трубы давления жидкости (воды) величиной до 3500 кг/см².
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» (рис.2).
Рис.2 Развальцовка трубы «пошаговым» способом.
Как видно из рисунка, развальцовка трубы осуществляется последовательно, отдельными «шагами», с небольшим (4-8мм.) перекрытием.
В тех случаях, когда материалы труб и трубных решеток в процессе сварки не закаливаются на воздухе, развальцовка труб производится непосредственно по сварному шву. [4]
Если же трубы и трубные решетки изготовлены из закаливающихся материалов, то крепление труб начинается за сварным швом с отступом от него на 7-10 мм. в сторону теплообменной полости.
«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 середине 1960-х годов при изготовлении теплообменных аппаратов с толстыми трубными решетками впервые был применен способ непрерывной развальцовки, при котором развальцовка трубы осуществлялась за один проход инструмента на всю толщину трубной решетки. [5]
Этот способ получил название ленточно-винтового, поскольку концы роликов в процессе обкатывания трубы и одновременного перемещения в осевом направлении оставляли на внутренней поверхности трубы след ввиде узкой винтовой ленточки.
Для реализации способа был разработан специальный инструмент: ленточно-винтовой труборасширитель (рис.3).
Рис.3 Ленточно-винтовой труборасширитель.
Приводным элементом в труборасширителе являлся корпус, который боковыми стенками окон передавал вращение роликам, опирающимся на «плавающее» веретено.
Взаимное расположение роликов и веретена в процессе работы определялось муфтой предельного момента, входившей в состав труборасширителя. Муфта в начале процесса развальцовки автоматически «настраивала» инструмент на нужную величину раздачи трубы, обеспечивая таким образом получение в соединении оптимальных контактных давлений.
Труборасширители успешно применялись на некоторых отечественных предприятиях в период с 1960 по 1980 годы для развальцовки труб ленточно-винтовым способом в трубных решетках толщиной до 200 мм., однако дальнейшего развития не получили.
Главная причина, по которой труборасширители перестали применяться, это их низкая износостойкость, связанная с кинематической схемой передачи крутящего момента от привода роликам. При передаче вращения корпусом величина крутящего момента возрастает примерно в 3 раза по сравнению с классической схемой, где вращение роликам передается веретеном, а это приводит к скручиванию корпуса в районе окон и интенсивному износу роликов, особенно при развальцовке толстостенных труб.
Еще одной причиной отказа от труборасширителей следует считать их конструктивную сложность, которая делала их дорогими в изготовлении и снижала надежность при эксплуатации.
На основании изложенного можно сделать следующее заключение: ленточно-винтовой способ непрерывной развальцовки является производительным и обеспечивает получение соединений хорошего качества при закреплении труб в толстых трубных решетках. Однако, для широкого применения этого способа при изготовлении теплообменных аппаратов требуется простой, надежный и удобный в работе инструмент.
Такой инструмент – ленточно-винтовая конусная вальцовка («ЛВК») был разработан в Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете.
Устройство (рис.4) и принцип работы вальцовки (рис.5) понятны из рисунков: хвостовик веретена вальцовки соединяется с удлинителем, передние концы роликов вводятся в трубу, вальцовке сообщается вращение по часовой стрелке, и благодаря развороту роликов на некоторый угол по отношению к оси корпуса, вальцовка начинает «затягиваться» в трубу в осевом направлении, последовательно развальцовывая ее на всю толщину трубной решетки за один проход (рис.6).
Рис.4 Ленточно-винтовая конусная вальцовка «ЛВК».
Рис.5 Начало процесса закрепления трубы вальцовкой «ЛВК».
Рис.6 Окончание процесса закрепления трубы вальцовкой «ЛВК».
Диаметр развальцовки при этом устанавливается заранее путем изменения количества регулировочных шайб между хвостовиком веретена и торцом корпуса.
На практике диаметр развальцовки для каждого конкретного соединения определяется следующим образом.
После того, как концы труб развальцованы на конус и сварены с трубной решеткой, производится их развальцовка вальцовкой «Р» [4] одним «поясом» закрепления за сварным швом с использованием привода с контролем величины крутящего момента (рис.7).
Рис.7 Определение требуемого диаметра развальцовки.
Полученные значения диаметров развальцовки Dр – это и есть те диаметры, до которых нужно будет развальцевать трубы на всей толщине трубной решетки ленточно-винтовыми вальцовками.
Затем в развальцованный участок трубы устанавливается вальцовка «ЛВК» (рис.8), веретено вальцовки поджимается в осевом направлении до упора, и в этом положении измеряется зазор «S» между регулировочными шайбами и корпусом вальцовки.
Рис.8 Схема «настройки» вальцовки «ЛВК» на требуемый диаметр.
Если величина зазора «S» попадает в интервал от 0,5t до 1,5t (где t- толщина регулировочной шайбы), то для данного соединения количество регулировочных шайб на веретене вальцовки считается правильным и не требует изменения: вальцовка считается подготовленной для развальцовки трубы на всю толщину решетки.
Если же значение «S» выходит за пределы указанного интервала, то для развальцовки данной трубы следует выбрать вальцовку «ЛВК» с другим (большим или меньшим) количеством регулировочных шайб.
Таким образом, имея на каждой трубе участок, развальцованный с контролем величины крутящего момента, можно достаточно быстро подобрать для этой трубы ленточно-винтовую вальцовку с нужным количеством регулировочных шайб для последующей «правильной» развальцовки.
Итак, сравнивая между собой все рассмотренные выше инструменты – вальцовки «ЛВК», ленточно-винтовые труборасширители и «пошаговые» вальцовки «СР» - можно с уверенностью сказать, что вальцовки «ЛВК» обладают несколькими существенными преимуществами.
По сравнению с труборасширителями, вальцовки «ЛВК» значительно проще по конструкции, и значит, более надежны в работе.
Технологические возможности у этих вальцовок шире, чем у труборасширителей, за счет того, что приводным элементом в них является веретено. Это позволяет передавать роликам больший крутящий момент и, следовательно, развальцовывать трубы с большими толщинами стенок и на большую глубину.
Если сравнивать вальцовки «ЛВК» с «пошаговыми» вальцовками «СР», то следует отметить, что и те, и другие обеспечивают хорошее качество получаемых соединений, но при этом производительность вальцовок «ЛВК» в несколько раз выше, чем у «пошаговых»; поскольку они закрепляют трубу за один проход на всю толщину решетки.
К недостаткам вальцовок «ЛВК» следует отнести невозможность закрепления с их помощью труб с контролем величины крутящего момента, но этот недостаток, как было показано выше, может быть устранен применением для первого «пояса» закрепления вальцовки «Р».
В производственных условиях вальцовки «ЛВК» были испытаны в 2013 году на предприятии ООО «Уралхиммаш» для закрепления U-образных стальных труб диаметром 19 мм с толщиной стенки 3,5 мм в трубной решетке толщиной 500 мм.
Испытания показали, что для закрепления одного конца трубы в трубной решетке вальцовкой «ЛВК-12» с помощью пневмопривода с частотой вращения 200 об/мин требуется времени около 4-х минут.
Для развальцовки этой же трубы тем же приводом, но «пошаговой» вальцовкой «СР-12», потребовалось бы сделать 20 «шагов», а на каждый «шаг» затрачивается примерно 1 минута времени.
После первых заводских испытаний вальцовки «ЛВК» достаточно успешно применялись (и применяются по настоящее время) на различных отечественных и зарубежных предприятиях для закрепления труб с внутренним диаметром 5-35 мм в трубных решетках толщиной 150-500 мм.
Среди этих предприятий такие, как ОАО «Тамбовский завод Комсомолец» им.Артемова (г.Тамбов); ООО «Винета» (Санкт-Петербург); ЗАО «ЦЭЭВТ» (Нижний Новгород); и многие другие.
Кроме того, ленточно-винтовые вальцовки используются некоторыми организациями для лейнирования, т.е. для развальцовки тонкостенных нержавеющих труб внутри толстостенных труб из углеродистой стали с целью защиты последних от коррозии или восстановления функциональных параметров труб после появления коррозионных дефектов. Длина защищаемых труб при этом может достигать 9 метров.
Источник: журнал КШП ОМД № 3 2020.
Авторы: Санников В.П., Санников А.В.
Список литературы:
1. А.В.Орехов, Л.Г.Тевелев, М.И.Клестов. Технология и инструмент для крепления труб в теплообменных аппаратах. Л.:1979
2. Б.Я.Мазуровский, В.С.Козловский, В.В.Бунеева. Технология судостроения, Электрогидравлическая развальцовка труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. 1973, №8, с.17-20.
3. А.И.Луковкин, В.А.Семенов. Технология закрепления труб в теплообменных аппаратах и котлах методом взрыва. Л.:ЛДНТП, 1968 – 28с.
4. Каталог СПбГМТУ НИТЛ 2016
5. Юзик С.И. Технология судостроения, Ленточно-винтовой метод развальцовки труб. 1966, №7.