Способ крепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов импульсным методом

СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБ В ТРУБНЫХ РЕШЕТКАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ, заключающийся в том, что трубу устанавливают в отверстие трубной решетки, размещают в ней источник импульсной энергии и осуществляют раздачу трубы давлением, создаваемым упомянутым источником, отличающийся тем, что, с целью повышения качества полученных соединений за счет увеличения их плотности, раздачу трубы осуществляют в два этапа, на первом из которых трубу деформируют до выборки зазора между поверхностями трубы и отверстия трубной решетки, а материал трубы выбирают с акустической жесткостью, превышающей акустическую жесткость материала трубной решетки.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к способу крепления труб в отверстиях трубной решетки теплообменных аппаратов.
Известны способы импульсной (взрывной, электроимпульсной и др. ) запрессовки труб в отверстиях трубных решеток теплообменников, сущность которых заключается в установке трубы в отверстии трубной решетки, размещении источника импульсного давления в трубе, давлением которого осуществляют раздачу трубы с образованием натяга между трубой и отверстием трубной решетки и тем самым закрепляют трубу в трубной решетке.
Недостатком известных способов является низкая плотность трубных соединений вследствие того, что натяг между трубой и отверстием трубной решетки не образуется, когда акустическая жесткость (произведение плотности на скорость звука) материала трубы меньше акустической жесткости металла трубной решетки, из-за возникновения, после соударения (в процессе запрессовки) стенки трубы с межтрубной перемычкой, двух ударных волн, которые от границы соударения пойдут в разные стороны - одна ударная волна по межтрубной перемычке, другая по металлу стенки трубы по направлению в ее оси, а так как направление массовой скорости вещества в ударной волне совпадает с направлением волны, то плотного прилегания стенки трубы к межтрубной перемычке (перегородка между двумя соседними отверстиями трубной решетки) не происходит.
Наиболее близким техническим решением являются импульсные способы получения прочноплотных соединений труб с трубными решетками, при которых трубу устанавливают в отверстие трубной решетки, затем в трубе размещают источник импульсного давления и давлением производят раздачу трубы, при этом должно выполняться условие:
>1, где _т.реш., _тр - пределы текучести металла трубной решетки и трубы соответственно при температуре 20^оС.
Недостатком известного технического решения является низкая плотность трубных соединений, когда акустическая жесткость материала трубы меньше акустической жесткости материала трубной решетки, так как в этом случае между трубой и отверстием трубной решетки натяг не образуется вследствие возникновения ударных волн, идущих по трубе и перемычке трубной решетки после их соударения, а так как массовая скорость вещества в ударной волне имеет то же направление, что и волна, то плотносго прилегания трубы к перемычке трубной решетки не происходит.
Целью изобретения является повышение плотности трубных соединений за счет выбора материала трубы с акустической жесткостью превышающей акустическую жесткость материала трубной решетки и двукратной раздачи трубы.
Указанная цель достигается тем, что в известном импульсном способе запрессовки труб в отверстиях трубной решетки материал трубы подбирают таким, чтобы его акустическая жесткость, характеризуемая произведением плотности материала на скорость звука в нем, превышала акустическую жесткость материала трубной решетки, а раздачу трубы производят дважды. При первой раздаче трубы полностью выбирают зазор между трубой и отверстием трубной решетки, а при повторной раздаче трубы создают натяг между трубой и поверхностью отверстия, так как в этом случае первоначально в трубе возникает ударная волна, идущая по стенке трубы по направлению к перемычке трубной решетки, которая, достигая границы раздела "труба-перемычка", отражается в трубу (при условии выполнения указанного выше соотношения акустических жесткостей материалов трубы и трубной решетки) в виде волны разрежения, а так как массовая скорость вещества в волне разрежения имеет направление обратное направлению волны, то труба будет прилегать к перемычкам трубной решетки с образованием натяга.
Известны технические решения, в которых специальным образом подбирают акустические жесткости материалов, но в обоих указанных случаях итогом такого подбора является образование ударных волн, с помощью которых и достигаются разлет частей корпуса взрывного патрона в разные стороны и упрочнение металла образца.
В изобретении акустическая жесткость подбирается так, что за достижение поставленной цели, а именно создание натяга между трубой и отверстием трубной решетки и, как следствие, повышение плотности трубных соединений, ответственна волна разрежения, имеющая место при двухкратной раздаче трубы.
Способ реализуется следующим образом.
При снаряжении трубных решетоктрубами, трубы выбирают таким образом, чтобы акустическая жесткость материала трубы превышала акустическую жесткость материала трубной решетки, то есть ( с)_тр > ( с)_реш. (1) Затем в трубе размещают источник импульсного давления и задействуют его, тем самым производят раздачу трубы и полностью выбирают зазор между трубой и отверстием. При этом под действием импульсного давления стенка трубы приобретает скорость и соударяется с межтрубной перемычкой трубной решетки. Вследствие соударения образуются две ударные волны, идущие по трубе и перемычке, а так как массовая скорость в ударной волне имеет то же направление, что и волна, то плотного прилегания трубы к стенке отверстия (перемычке) не происходит и натяг не образуется. При повторной раздаче трубы по ее стенке пойдет ударная волна, которая, достигнув границы раздела "стенка трубы-перемычка" отразится в трубу в виде волны разрежения (при выполнении условия (1). Массовая скорость вещества в волне разрежения имеет направление обратное направлению волны, поэтому стенка трубы будет (дополнительно к раздаче) прилегать к межтрубной перемычке, образуя натяг между трубой и отверстием, что существенно повышает плотность трубного соединения. Отметим, что если соотношение (1) не выполняется, т. е. ( с)_тр ( с)_реш, то и при повторной раздаче по трубе пойдет вместо волны разрежения ударная волна, массовая скорость вещества в которой имеет направление волны и труба не будет плотно прилегать к перемычке трубной решетки, т. е. натяг между трубой и отверстием трубной решетки образовываться не будет, что снижает плотность трубных соединений.
П р и м е р. Трубные решетки теплообменников-подогревателей низкого давления (ПН-1200, ПН-3000) и охладителей конденсата типа ОКГ-500 изготавливают из стали 22К и снаряжают трубами из сплава МНЖ (медь-никель-железо), которые крепят в трубных решетках электрогидроимпульсным методом (завод "Красный котельщик" г. Таганрог) или методом взрыва взрывчатых веществ (ПО "Атоммаш"). Согласно требованиям конструкторской документации плотность трубных соединений у этих теплообменников должна быть не ниже 15 ат. Однако из-за того, что акустическая жесткость материала труб - сплав МНЖ меньше, чем акустическая жесткость материала трубной решетки - стали 22К, то 30-40% трубных соединений после запрессовки (раздачи), давали течь, не выдерживая гидроиспытаний давлением воды в 15 ат и их подвальцовывали механическим способом. Отметим, что трубные соединения перечисленных выше теплообменников и после повторной раздачи также не выдерживали давление воды в 15 ат. Поэтому было решено совместно с ПО "Атоммаш" и разработчиками теплообменных аппаратов заменить трубы из сплава МНЖ на трубы из нержавеющей стали 08Х14МФ, у которой акустическая жесткость превышает акустическую жесткость стали 22К - материала трубной решетки, т. е. выполняют соотношение (1) предлагаемого изобретения. После двухкратной импульсной запрессовки (раздачи) этих труб трубные соединения выдерживают давление гидроиспытаний в 120 ат, хотя согласно прототипа этого не должно было быть, так как
_т,реш = 23 кгс/мм²,
_{т.трубы} = 25 кгс/мм²,
< 1
Использование предлагаемого способа крепления труб при импульсных методах запрессовки позволит по сравнению с существующими методами существенно (в 10 раз) повысить плотность трубных соединений теплообменных аппаратов. (56) Запрессовка труб с применением источников импульсного давления, ГОСТ 23691-79.
Использование: энергетическое машиностроение. Сущность изобретения: трубы изготавливают из материала с акустической жесткостью, превышающей акустическую жесткость материала трубной решетки. Трубы устанавливают в отверстия трубной решетки. В каждой трубе размещают источник импульсной энергии, посредством которого производят ее раздачу. Раздачу осуществляют в два этапа. На первом этапе выбирают зазор между трубой и отверстием решетки. На втором этапе труба деформируется до получения требуемого натяга в соединении. Это обеспечивается подбором величин акустической жесткости материалов трубы и трубной решетки.