Способ крепления труб в отверстиях трубной решетки методом взрыва

СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБ В ОТВЕРСТИЯХ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ МЕТОДОМ ВЗРЫВА, заключающийся в выполнении на поверхности каждого отверстия трубной решетки кольцевой канавки, установке в это отверстие трубы с зарядом взрывчатого вещества и подрыве последнего, отличающийся тем, что, с целью повышения качества полученных соединений путем увеличения их прочности и плотности, середину кольцевой канавки располагают на расстоянии от начала детонации заряда в трубе, составляющем 0,7 от длины заряда, а ширину канавки выбирают из следующего диапазона:
3 h 5 ,
где h - ширина канавки;
- толщина стенки трубы.

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием энергии взрыва и может быть использовано в энергетическом машиностроении при закреплении труб в отверстиях трубной решетки теплообменных аппаратов.
Известен способ крепления труб в отверстиях трубной решетки, при котором в отверстиях решетки изготавливают кольцевые канавки, помещают в них уплотнительные элементы для повышения плотности трубных соединений, затем осуществляют раздачу трубы, установленной в отверстиях решетки, посредством взрыва рабочего заряда ВВ, помещенного в полость трубы.
Недостатком известного способа является то, что в месте расположения кольцевой канавки (на середине трубной решетки) действие импульса давления взрыва на стенку трубы распределяется неравномерно и не достигает своего максимального значения в этом месте, т. к. максимальное его действие, необходимое для эффективного впечатывания стенки трубы в кольцевую канавку, производится на расстоянии 0,7 длины заряда от начала его детонации в трубе. В результате чего после раздачи трубы полость канавки выбирается не полностью, что ведет к появлению зазоров между трубой и поверхностью канавки отверстия трубной решетки и, как следствие, к снижению плотности и прочности трубного соединения.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ крепления труб, при котором на поверхности каждого отверстия трубной решетки на длине, равной 1/3 длины запрессовки от наружного торца, нарезают по одной кольцевой канавке, шириной 5 мм и глубиной, зависящей от диаметра отверстия трубной решетки.
Недостатком известного способа является низкая плотность трубных соединений из-за места расположения кольцевой канавки в отверстии трубной решетки, т. к. максимальное действие импульса давления взрыва, необходимого для эффективного впечатывания стенки трубы в кольцевую канавку, находится на расстоянии 0,7 длины разряда от начала детонации его в трубе. В результате чего, энергии взрыва в месте расположения кольцевой канавки на расстоянии 1/3 недостаточно для обеспечения плотного трубного соединения, что ведет к появлению зазоров между трубой и поверхностью канавки. Рекомендуемые же геометрические размеры канавки также не исключают величину зазоров. Так, при толщине стенки трубы сравнимой с величиной канавки равной 5 мм, прогиб стенки трубы для полного заполнения канавки не обеспечивается. Для этого необходимы усилия, превышающие сдвиговые деформации металла трубы, а максимального импульса давления взрыва для достижения поставленной цели недостаточно, что приводит к неплотному впечатыванию стенки трубы в полость канавки и снижению прочности трубных соединений.
Целью изобретения - повышение качества полученных соединений путем увеличения их прочности и плотности.
Поставленная цель достигается тем, что способ крепления труб в отверстиях трубной решетки методом взрыва, при котором в отверстии трубной решетки изготавливают кольцевую канавку, устанавливают в отверстии трубу, размещают в трубе заряд взрывчатого вещества и взрывом заряда производят запрессовку трубы, дополнительно середину кольцевой канавки располагают на расстоянии 0,7 l от начала детонации рабочего заряда взрывчатого вещества, размещенного в трубе, а ширина канавки h находится в диапазоне:
3 h 5 , где l - длина рабочего заряда, размещенного в трубе;
- толщина стенки трубы.
Расположение середины кольцевой канавки на расстоянии 0,7 I от начала детонации рабочего заряда повышает плотность и прочность трубного соединения за счет того, что позволяет впечатывать стенку трубы в канавку с наибольшей эффективностью, т. к. в этом сечении трубы на ее стенку после детонации рабочего заряда длиной I, действует максимальный импульс давления взрыва.
При ширине канавки 3 h 5 максимального импульса давления взрыва достаточно для качественного впечатывания стенки трубы в канавку не только посередине канавки, но и по ее краям, при этом прогиб стенки трубы и заполнение металлом трубы канавки происходит без подрезки трубы о края канавки и без образования зазора между стенкой трубы и поверхностью кольцевой канавки.
При h< 3 ширина канавки соизмерима с толщиной стенки трубы, что делает невозможным прогиб стенки трубы в канавку. Чтобы заполнить канавку металлом трубы, необходимо стенку трубы "врезать" в канавку, для чего необходимы усилия, превышающие сдвиговые деформации металла трубы, а максимального импульса давления взрыва часто недостаточно для этой цели, что приводит к некачественному впечатыванию стенки трубы в кольцевую канавку и, как следствие, к снижению плотности и прочности трубных соединений.
При h>5 ширина канавки увеличивается, а давление максимального импульса на стенку трубы по обе стороны от середины кольцевой канавки уменьшается, в результате чего не обеспечивается необходимого прогиба трубы по краям канавки для плотного заполнения ее полости, что ведет к возникновению зазоров между трубой и поверхностью канавки и снижению плотности трубного соединения.
Соотношение 3 h 5 получено экспериментально для широкого диапазона стальных труб = 12-40 мм и с толщиной стенки =1,0+ 3,5 мм, которые в основном применяются для снаряжения трубных решеток теплообменных аппаратов.
На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа.
В отверстии 1 трубной решетки 2 выполнена кольцевая канавка 3 шириной h, середина канавки находится на расстоянии 0,7 l заряда от начала детонации его в трубе. В отверстие 1 помещена труба 4, в которую вставляют взрывной патрон, содержащий корпус 5, рабочий заряд 6 и, находящийся с ним в контакте, детонирующий шнур 7. Для предотвращения высыпания заряда 6 из корпуса патрона, конец патрона покрывают пленкой из клея - 8. Для конкретной геометрии трубы и трубной решетки экспериментально определяется оптимальная длина рабочего заряда l. Рабочий заряд устанавливают чаще всего в трубе 4 заподлицо с наружным торцем "A" трубной решетки. Однако это не всегда возможно, например, в патрубке корпуса реактора вокруг запрессовываемых труб изготавливаются кольцевые выемки 9, ширина которых должна быть строго выдержана из-за того, что в процессе работы реактора а кольцевую выемку 9 входит рабочее тело. Поэтому начала рабочего заряда 6 размещают в трубе 4 на некоторой глубине, чтобы не повредить стенку кольцевой выемки 9. Конец рабочего заряда обычно не досылается до конца трубной решетки, чтобы не было раздутия труб за трубной решеткой, которые не допускаются нормативной документацией. После выбора длины l рабочего заряда, расположение заряда окончательно формируется корпусом патрона, что в свою очередь дает возможность строго фиксировать расположение рабочего заряда в трубе после установки в ней патрона. Затем в отверстии 1 изготавливают кольцевую канавку 3, середину которой располагают на расстоянии 0,7 l от начала детонации рабочего заряда 6 в трубе, шириной h, величину которой выбирают в зависимости от толщины стенки ( ) запрессовываемой трубы: 3 h 5 . Трубу 4 устанавливают в отверстии 1 и размещают в трубе взрывной патрон. С помощью детонирующего шнура, например, марки ДША, производят инициирование рабочего заряда 6, например, из аммонита N 6ЖВ. Детонационная волна D, возникшая в рабочем заряде (сечение X= 0) распространяется по заряду внутрь трубы вдоль оси Х. После окончания детонации всего заряда 6 импульс давления взрыва 1, действующий на стенку трубы 4, распределяется по длине трубы вдоль оси Х, как показано на чертеже (см. i=f(x). Импульс i возрастает от начала детонации заряда (сечение X=0 с первоначального значения i=0,125 i_o до своего максимального значения i_макс=0,528 i_o в сечении X=0,7 l, где расположена середина кольцевой канавки, а затем уменьшается до своего первоначального значения i= 0,125 i_o на конце заряда в сечении X=l, где i_o= 8/27 _o i D, _o и D - плотность и скорость детонации рабочего заряда соответственно. Расположение середины канавки, где на стенку трубы действует максимальный импульс давления взрыва, обеспечивает впечатывание стенки трубы в кольцевую канавку с максимальной эффективностью, что увеличивает плотность и прочность трубного соединения.
Трубы 16х1,5 мм устанавливали в трубную решетку L=70 мм технологического конденсатора 1200 мм. В качестве рабочего заряда взрывного патрона для запрессовки труб использовался детонирующий шнур марки ДШЭ-4, при этом длина рабочего заряда, размещенного в трубе, равнялась толщине трубной решетки, т. е. l=L=70 мм. В отверстиях трубной решетки были изготовлены кольцевые канавки, середина которых находилась на расстояние 0,7 l=49 мм от начала детонации рабочего заряда в трубе, в данном случае от наружного торца трубной решетки, ширина h кольцевой канавки варьировалась в более широком диапазоне, чем 3 h 5 , =1,5 мм, а глубина канавки выбиралась согласно нормативной документации (ГОСТ 23691-79, п. 2.15, табл. 2). После запрессовки труб трубные соединения испытывались на прочность и плотность по методикам, утвержденным в ПО "Атоммаш", согласно КД прочность трубных соединений технологического конденсатора 1200 мм должна быть не менее 600 кгс и оценивается усилием на вырыв трубы из отверстия трубной решетки, а плотность - не менее 15 ат, определяемая гидроиспытаниями и оценивается уровнем давления воды по межтрубному пространству до появления течи. Поэтому после запрессовки труб в отверстиях трубных решеток с различными вариантами изготовления кольцевых канавок, трубные соединения были испытаны на прочность и плотность, кроме того, часть трубных соединений разрезалась вдоль трубы, при этом определялось качество впечатывания стенки трубы в кольцевую канавку. Результаты испытаний приведены в таблице, где F и P - прочность и плотность трубных соединений, =1,5 мм.
Трубные соединения варианта 1 не удовлетворяют требованиям конструкторской документации по плотности и прочности, а продольный разрез таких трубных соединений показал, что при впечатывании стенки трубы в кольцевую канавку металл стенки трубы заполняет канавку не полностью, зазор между трубой и поверхностью канавки остается в углах около ее стенок, что объясняется трудностью прогиба стенки трубы, толщина которой сравнима с шириной канавки, а это все в целом, снижает прочность и плотность трубных соединений.
В варианте 2 при h=3 величина зазора меньше и образовывался он из 10 трубных соединений в 3 случаях, однако по другим показателям (F и P) трубные соединения удовлетворяют требованиям конструкторской документации (КД).
В варианте 3 и 4 зазор отсутствует полностью, а по плотности и прочности трубные соединения превосходят требования КД в несколько раз.
В варианте 5 зазор возникает в 8 случаях из 10, что объясняется уменьшением импульса давления взpыва на стенку трубы по обе стороны от середины кольцевой канавки. Все трубные соединения удовлетворяют требованиям КД по плотности и прочности, однако величина плотности по сравнению с вариантом 4 снизилась примерно в 2 раза.
С учетом полученных данных был выбран наиболее оптимальный вариант 3 изготовления кольцевых канавок в отверстиях трубных решеток технологического конденсатора 1200.
Использование предлагаемого способа закрепления труб в трубных решетках методом взрыва позволяет повысить прочность и плотность трубных соединений за счет выбора места расположения кольцевой канавки в трубной решетке и за счет выбора оптимальной ширины канавки.
Использование: изготовление теплообменных аппаратов. Сущность изобретения: на поверхности каждого отверстия трубной решетки выполняют кольцевую канавку. Ширину канавки выбирают в зависимости от толщины стенки трубы. В отверстие устанавливают трубу с зарядом взрывчатого вещества и детонирующим шнуром, обеспечивающим инициирование заряда. Середину кольцевой канавки располагают на расстоянии от начала детонации заряда в трубе, составляющем 0,7 от длины заряда. Крепление трубы осуществляют путем ее раздачи в отверстии решетки энергией, возникающей при взрыве заряда 1 ил.