Изготовление и закрепление труб.

Бесшовные трубы.

Прошивка или образование в слитке или заготовке отверстия производится в горячем или холодном состоянии на прошивочных станах с 2-мя бочкообразными валками с осями, наклоненными друг к другу под углом 5- 15° (рис. 5.11). Валки вращаются в одну сторону и сообщают заготовке вращательное и поступательное движения. Это- поперечно- винтовая прокатка.

Если заготовка разогрета, то получаются трубы горячекатаные, если заготовка холодная, то – трубы холоднокатаные.

Последующую прокатку прошитой трубы производят на раскатных станах до получения требуемой трубы. Окончательно заданные параметры трубы получаются прокаткой в калибровочном многоклетьевом стане продольной прокатки без оправки (детали выполняющей отверстие). В зависимости от требований трубы могут подвергаться электрохимической полировке с целью получения высококачественной поверхности, например для АЭС. Затем трубы подвергаются циклу проверок по определению качества: гидроиспытания, УЗК, испытания на механические свойства, вихретоковый контроль и др.

Рис.5.11. Схема поперечно- винтовой прокатки: 1- валки; 2- заготовка;

3- оправка.

Сварные трубы производят из плоской заготовки- ленты (штрикс) из листов, ширина которых соответствует длине или 0,5 длины окружности. Далее гибка в трубу, сварка кромок, уменьшение диаметра (осадка). Используют для этого специальные станы.

Имеются трубы с прямыми и спиральными швами.

Холодная деформация труб.

Трубы широко применяются в тепловой, атомной, нефтехимической промышленности, в судостроении и т.д. Все теплообменные аппараты: котлы, парогенераторы, бойлеры и т.п.,- включают трубы, посредством которых происходит передача тепла. Концы труб закрепляются в металлических досках трубных или решетках. Этот процесс осуществляется при изготовлении или ремонте различными способами. Обычно во время изготовления новых теплообменных аппаратов крепление осуществляется при следующей последовательности операций: подвальцовка на глубину около 6 мм от зеркала доски трубной; обварка концов труб, размещенных в отверстиях со стороны зеркала доски трубной; вальцовка концов труб за сварным швом в соответствии с требованиями конструкторской документации, но не выходя за пределы доски.

Развальцовка труб производится посредством увеличения их диаметров для создания требуемого контактного напряжения (давления) между трубой и стенкой отверстия с целью предотвращения перемещений труб от вибраций, осевых нагрузок, и обеспечения герметичности. Она может производиться несколькими способами: а) гидравлической раздачей; б) прессовой раздачей; в) взрывом; г) механически с помощью роликовых вальцовок и др.

Гидравлическая раздача может осуществляться с помощью специальных установок, развивающих давление жидкости до 400МПа. Так, на МЗ «ЗиО- Подольск» используются установки типа “HYTEX”, закупленные в Германии у фирмы “Balcke- Durr” или собственные разработки подобного же действия. В них происходит мультипликация (повышение) давления дистилата (дистиллированная вода) до 400 МПа. Под действием такого давления пластически деформируется участок трубы, размещенный между уплотнительными поясками 9 зонда- инструмента устройства (рис.5.12).

Процесс гидравлической раздачи осуществляется с помощью специального технологического оснащения (пистолета рис.5.12), основными деталями которого являются шток 1 и поршень 2. Из камеры пистолета 3 через сверления 4 в трубу подается высокое (200- 400МПа) давление жидкости (обычно дистиллированная вода). Это давление развивается вследствие подвода в корпус 5, камеру 6 масла под давлением около 20-30 МПа. При подготовке пистолета в камеру 3 с помощью системы автоматики через обратный клапан 7 подается жидкость. Во время рабочего хода поршня высокое давление вследствие мультипликации через сверления в зонде 8 попадает в ка-меру, ограниченную резиновыми уплотнительными кольцами 9, и вызывает деформацию трубы 10, которая с некоторым контактным давлением прижимается к стенке отверстия доски трубной 11.

Из описания видно, что высокое давление развивается только в пистолете, с которым оператор может размещаться в любом месте.

Этот инструмент соединен с блоком управления и насосно-клапанным агрегатом посредством электрокабелей и гибких шлангов, по которым под давлением до 30 МПа подводится минеральное масло и дистиллированная вода. Управляющие шланги, кабели объединены в одну связку длиной около 10 м. Глубина гидрораздачи - до 450 мм; производительность - 50 отверстий в час.

Кроме таких устройств, применяются установки, где высокое давление создается в насосно-клапанном агрегате и по специальному гибкому шлангу подводится к пистолету. В нем может производиться дополнительная мультипликация давления (“Hydrex 5000” фирма “Maus” Италия).

Рис.5.12. Инструмент (пистолет) конструкции “HYTEX” для закрепления теплообменных труб в трубных решетках (коллекторах) методом раздачи жидкостью высо-кого давления и метод гидрораздачи труб.

Недостатки метода: необходимость высококачественной обработки отверстий, недостаточная герметичность соединения, значительные затраты физиических сил рабочих особенно при наличии “толстых” трубных досок и неровных, хотя и в пределах допуска, внутренних поверхностей труб; необходимость селективной подборки диаметров зондов под внутренние диаметры труб, возможность задиров внутренних поверхностей труб; наличие мертвых зон за уплотнительными кольцами; обрывы зондов; значительное воздействие на доску или коллектор; потребность в деталях и установках импортного производства. Однако процесс достаточно прост, мала осевая деформация труб.

Особенности выбора режима гидрораздачи разработаны в работе Н. Krips, M.Podhorsky[19] и изложены в приложении 1.

Объем металла раздаваемого участка трубы равен V_т = p(D²- d²)l_p .

В процессе деформации изменение V_т соответствует выражению

DV_т= (¶ V_т/¶D)DD+ (¶ V_т/¶d)Dd+ (¶ V_т/¶l_p)Dl_p=

=0,25p(2DDDl_p- 2dDdl_p+ (D²- d²)Dl_p .

Так как объем V_т не меняется, то D V_т = 0 и

Dl_p= 2l_p(-DDD+ dDd)/(D²- d²). (5-27)

Откуда видно, что в зависимости от сочетания допусков труба может, как сокращаться, так и удлиняться.

Если рассматривать только плоскую картину, то при неизменной площади сечения трубы после раздачи S толщина стенки трубы должна уменьшиться. Однако из анализа объемного процесса это не всегда следует. Если геометрия и свойства трубы и отверстия доски совершенны, то контакт будет по всей поверхности. В реальности из-за дефектов отверстие и труба имеют неровности. Кроме того, поперечно винтовая прокатка приводит к образованию слоев волокон, имеющих винтообразное направление. Такое строение под действием внутреннего давления приводит к искривлению оси трубы. Поэтому детали в узле крепления не имеют контатка по всей поверхности даже при максимальном для конкретной доски трубной давлении. Поэтому при объемном воздействии на трубу достаточно трудно обеспечить герметичное соединение.

В процессе раздачи труба соприкасается с поверхностью отверстия и затем под действием давления жидкости р_i в месте контакта развиваются соответствующие контактные давления. Под их воздействием может произойти адгезионное схватывание поверхностей (к этому стремятся). После сброса давления происходит упругое восстановление и трубы и отверстия, но при правильно проведенной гидрораздаче между трубой и доской остается натяг, обеспечивающий требуемое качество закрепления.

Прессовая раздача (рис.5.13).

Для закрепления труб одним из методов прессовой раздачи необходима насосная установка и следующая оснастка: упорная втулка поз 1, шток с наконечником поз. 2, втулка из эластичного материала поз. 3.

1 2 3 4 5

Рис. 5.13. Схема метода прессовой раздачи

(разработка МЗ «ЗиО-Подольск»)

При выполнении операции втулка 3 размещается на штоке 2 и вместе с наконечником 4 вставляется в трубу 5, которая вначале была установлена в доске трубной. Шток 2 резьбой соединяется со штоком гидроцилиндра.

После включения насоса гидроцилиндр корпусом надавливает на втулку 1, шток гидроцилиндра втягивает шток с наконечником. Последний имеет цилиндрические выступы, сжимающие втулку из эластичного материала. Под действием высокого напряжения эластичный материал, например полиамид, “течет”- становится жидкостью, в которой развивается давление, прижимающее теплообменную трубу к стенке отверстия.

Недостаток метода заключается в том, что для создания необходимого давления в эластичной втулке иногда приходится выдвигать наконечник за пределы доски. В этом случае из-за неточного расчета могут происходить “раздувания” участков труб. Кроме того, при закреплении труб в “толстых” досках длина инструмента достигает значительной величины. К недостаткам следует также отнести необходимость селективной подборки наконечника.

Раздача с помощью роликовых вальцовок.

При закреплении труб в отверстиях, в том числе и глубоких, часто используются роликовые вальцовки. Одна из конструкций приведена на рис. 5.14. Ролики 1 в данной конструкции имеют конусность, равную 1: 60, 1:80, контактируют с рабочей поверхностью веретена 3 с конусностью 1:30, 1:40. Работает инструмент следующим образом. После ввода корпуса 2 вальцовки в трубу веретено поджимают рукой вправо до упора. Затем совмещают хвостовик веретена с квадратным отверстием соединительной муфты вальцовочной машины. При включении вальцовочной машины веретено посредством хвостовика вращается в направлении движения часовой стрелки, если смотреть со стороны хвостовика. Трение между роликами и веретеном приводит во вращение конические ролики. Направление их вращения - против движения часовой стрелки. Ролики одновременно контактируют с внутренней поверхностью трубы и рабочей поверхностью веретена. Поскольку первые наклонены к оси веретена под углом g= 1- 3°, то их вращение создает силу, втягивающую веретено внутрь трубы. Таким образом создается эффект клина, при котором на стенки трубы воздействует усилие, приводящее к ее радиальной деформации. Для удаления вальцовки из трубы необходимо придать веретену обратное вращение, поскольку в противном случае для удаления инструмента потребуется очень большое усилие, которое может привести к разрыву деталей.

Вальцевать роликовым инструментом можно ручным способом, с помощью пневматических машин, с помощью электрических машин.

Рис. 5.14. Роликовая вальцовка:

1-ролики; 2- корпус; 3- веретено; 4- обойма; 5- подшипник упорный;

6- хвостовик (квадратный).

Схема механического вальцевания труб с помощью пневматических машин типа ВМ (изготовитель С.- Петербургский ГМТУ) приведена на рис.5.15. Здесь корпус 9 вальцовки, содержащей рабочие органы (конические ролики 7, коническая часть веретена ), вводится в трубу 8, которая будет вальцеваться. Пневматический привод, содержащий источник сжатого воздуха (пневмомагистраль) 1, фильтр 2, пневмомотор шиберного типа 3, редуктор (планетарный) 4, подносится к вальцовке и части муфты 5 и 6 (обычно квадраты) соединяются. После этого нажатием кнопки производится пуск привода и веретено, вращаясь втягивается в корпус, через ролики раздавая трубу.

Достоинство этого метода в относительной дешевизне, использовании достаточно простых механизмов, ремонт которых можно организовать на машиностроительном предприятии.

Последовательность действий:

1. Ролики выдвигаются из обоймы на требуемое расстояние. Упор контрится. Веретено устанавливается в крайнее левое положение.

Рис. 5.15.

Схема механического вальцевания труб посредством пневмомашины:

1- источник сжатого воздуха; 2- фильтр; 3- пневмомотор; 4- редуктор; 5, 6 - муфта соединительная; 7- конические ролики; 8- закрепляемая труба; 9- вращающийся корпус вальцовки; 10- доска трубная.

2. Корпус с роликами вводится на заданную глубину в трубу. Веретено до упора вдвигается в корпус, т.е. вправо.

3. Квадратный хвостовик веретена соединяется (вставляется) в квадратное отверстие вала вальцовочной машины.

4. Подается напряжение или воздух, приводящие во вращение ротор и веретено.

5. Веретено, вращаясь по часовой стрелке, из-за трения о вращающиеся конические ролики втягивается в трубу и одновременно, действуя как клин, через ролики деформирует трубу, увеличивая ее диаметр.

При этом корпус вместе с упором вращается в ту же сторону, что и веретено, но с частотой примерно в 4 раза меньшей. Частота вращения роликов зависит от смещения веретена и равна W_рi=- x W_вr_в(x)/r_pcp, где r_pcp - средний радиус ролика; x - коэффициент проскальзывания; W_рi , r_в(x) - частота вращения и рабочий радиус веретена. В начале процесса раздачи, когда труба не коснулась стенки отверстия, ее деформация имеет форму вращающегося треугольника или многоугольника (в зависимости от числа роликов) с увеличивающимися по мере втягивания веретена сторонами.

После касания происходит прижатие трубы по всему периметру. По мере развальцовывания деформируемый металл трубы заполняет неровности, а между поверхностями происходит адгезионное «схватывание» (межмолекулярное взаимодействие).

Рис. 5.16

Форма трубы в начале процесса вальцевания.

В процессе втягивания на рабочей конической поверхности развивается некоторый крутящий момент М_кр, зависящий от длины вальцевания, числа роликов и т.д. Когда М_кр достигнет необходимой величины, срабатывает автоматическая система и вращение приводного вала вальцовочной машины прекращается.

Рис. 5.17

Изменение крутящего момента при вальцевании трубы Æ16х2 из стали 08Х14МФ роликовой вальцовкой.

На рис.5.17 показана экспериментальная зависимость изменения крутящего момента M_кр = М на веретене от его осевого смещения х из начального положения.

В современном производстве сейчас применяются вальцовочные установки с ограничением крутящего момента, автоматические центры (типа станков с ЧПУ). Такие устройства выпускают в С.- Петербурге (ВМ-500, ВМ-200 …), Волгограде (МЭР-11…), в других странах: фирмы “MAUS” (Италия), “Intool”(США), “Sugino” (Япония) и др.

Обычно критерием закрепления труб является их раздача, т.е. увеличение внутреннего диаметра. Ниже приведены формулы, по которым разные предприятия предлагают определять диаметр развальцованного участка

d_i= D _o- 1,9 s (инофирмы); d_i= d_{i 0}+ D+ ks (С.-Петербургское ГМТУ), (5-28)

где d_i - внутренний диаметр развальцованного участка; d_{i 0} - начальный внутренний диаметр трубы; s - толщина стенки трубы; D - диаметральный зазор между трубой и стенкой отверстия; k - коэффициент.

Многие изделия в России выпускаются в соответствии с ОСТ 26-02-1015- 85, 26-17-01-83, где указаны требуемые величины крутящих моментов и степень развальцовки. Однако применяемые документы несовершенны и требуют доработки. Более целесообразен другой критерий - развиваемое контактное давление s_к между трубой и стенкой отверстия[20], величина которого опреляется экспериментальным путем. При этом крутящий момент на хвостовике веретена следует определять из выражения

М_кр= 0,25s_к sp l’_крвzd_pctga_в / sing , (5-29)

где l’_крв - длина контакта ролика с трубой без учета канавок; z - число роликов; d_pc - средний диаметр ролика; a_в - угол консности веретена.

Ремонт теплообменного аппарата.

Во время ремонта теплообменного оборудования нередко возникает необходимость удаления изношенных труб и установки новых в работающем изделии. Такую операцию можно выполнять только в прямотрубных аппаратах. В таких случаях сначала удаляют сварные швы приварки трубы к доске трубной. Затем обычно трубу разрезают поперек за доской трубной. Для этого используют различные отрезатели, например, однооборотный серии ТО или многооборотный серии МТО (производства НИТЛ С.- Пербургского ГМТУ). Привод может осуществляться вручную или с помощью пневматического устройства.

Удаление частей трубы производится специальными выдергивателями, состоящими из метчика и обоймы с упорной резьбой. Завинчивание метчика и последующее выдергивание трубы производится как от руки (воротком), так и с использованием гайковерта. После удаления изношенной трубы необходимо отверстия в досках очистить от стружки, неровностей, загрязнений. Затем устанавливается новая труба и закрепляется известным способом.

Изготовление ребристых труб экструзионным способом

Для увеличения площади поверхности теплообмена применяют разные способы: на трубах закрепляется множество шипов; привариваются продольные или с винтовым расположением наружные ребра из металлических лент.

В последние годы все шире на ряде заводов, в т.ч. МЗ «ЗиО-Подольск», применяют ребристые биметаллические трубы, полученные экструзионным методом (выдавливанием), а также трубы с разного рода канавками рис.5.18

Рис. 5.18.

Трубы с увеличенной поверхностью теплообмена: а) трубы с канавками; б) биметаллические ребристые трубы.

В биметаллических ребристых трубах (БРТ) несущей являются стальная, латунная трубы, а оребренная рубашка обычно выполнена из алюминиевой трубы.

Основным параметром БРТ считаются наружный диаметр, толщина стенки и материал несущей трубы, а также коэффициент оребрения

j= s₁/s_o,

где s₁ - полная площадь поверхности на единицу длины; s_o - условная площадь поверхности по впадинам на единицу длины.

Такие изделия изготавливают на 3-х валковых станах (см. рис. 5.19, предоставленный В.В. Блохиным).

Для обеспечения надежной теплопередачи между несущей и алюминиевой трубами должно быть требуемое контактное давление.

При накатке ребристых труб валок 1 содержит 25- 30 профильных дисков соответствующей формы (рис. 5.19). Процесс накатки и осевого перемещения труб происходит, если валки повернуты на некоторый угол и смещены друг от друга по оси на 1/3 шага размещения профильных дисков.

Рис. 5.19

Схема накатки ребер в трубе с помощью прокатного стана типа ХПРТ (рисунок предоставлен В.В. Блохиным).