2.7.3 Крепление труб в трубных решетках

Крепление труб в трубных решетках теплообменных аппаратов - наиболее ответственная и трудоемкая опе­рация в процессе производства этих аппаратов. Существуют несколько методов крепления труб в трубных решетках:

- крепление труб с помощью роликовых вальцовок;

- обварка труб;

- комбинированный метод (обварка + развальцовка; развальцовка + обварка);

- развальцовка с помощью высоковольтных электрических разрядов;

- развальцовка труб с помощью взрыва;

- метод развальцовки ударом жесткого инструмента и др.

Крепление труб с помощью роликовых вальцовок

Процесс развальцовки труб заключается в том, что при подаче инструмента внутрь трубы ролики вальцовки раздвигаются по диаметру и, обкатываясь по внутренней поверхности трубы, деформирует металл. При этом труба увеличивается в диаметре и приходит в соприкосновение с поверхностью стенки отверстия, в которое она вставлена, в результате чего получаем прочно-плотное соединение трубы с трубной решеткой.

Основное требование к процессу развальцовки - это обеспечение оптимальной степени развальцовки.

Существует два метода контроля степени развальцовки:

- первый основан на измерении изменений размеров вальцуемых труб (внутреннего диаметра, либо толщины стенки);

- второй основан на измерении и регулировании усилия прилагаемого к вальцовке. В практике нашел большее применение второй метод. Для развальцовки труб применяются разнообразные конструкции развальцовочного инструмента. Простейшая развальцовка (рис. 2) представляет собой корпус-обойму 1, в которую встав­ляют конические ролики 3. Внутрь обоймы вводят конус-расширитель 4. Для ограничения хода конуса-расши­рителя на обойму надевают упорные шайбы. Чаще всего развальцовка труб проводится на развальцовочных стендах (машинах), которые снабжены приборами для регулировки крутящего момента. Развальцовочный стенд ВЭП 66-В, разработанный УкрНИИХИММАШем предназначен для крепления труб в трубных решётках полуавтоматическим методом с применением электронного прибора, контролирующего оптималь­ную степень уплотнения трубных соединений.

Развальцовка производится самоподающей вальцовкой, которая вводится оператором в неразвальцованный конец трубы до заклинивания роликов между веретеном и внутренней поверхностью трубы. Оператор включа­ет вращение привода на рабочий ход. Далее цикл процесса развальцовки трубы автоматизирован (рис. 3) . По достижении степени уплотнения (величины крутящего момента) вращение на рабочий ход выключается, и включается реверсивное вращение. После 3-4-х оборотов реверсивное вращение выключается, и через 1-2с включа­ется автоматически вращение на рабочий ход. Оператор выводит вальцовку из развальцованного конца трубы и включает новый цикл.

Рис.3.

Контроль качества вальцовочного соединения определяется по крутящему моменту на веретене вальцовки, показания которого фиксируются прибором контроля степени уплотнения.

Техническая характеристика стенда для развальцовки труб

Диаметр вальцуемых труб, мм............................................................................................свыше 25

Диаметр тенлообменного аппарата, мм:

при развальцовке без поворота в роликоопорах..................................... 400-1000

при развальцовке с поворотом в роликоопорах.....................................1000-1600

Частота вращения веретена вальцовки, об/мин................. 127; 203; 338; 406; 186; 380; 500; 600

Рекомендуемый угол поворота поворотной штанги привода вальцовки, град..........................25

Размеры, мм............................................................................................................. 3040x1800x1075

Вес, кгс.........................................................................................................................................607,3

Развальцовку производят также на сверлильном станке (рис. 4). Станок, установленный на рельсовом пути, перемещается при помощи штурвала, шестерни и зубчатой рейки. Привод подъема и опускания хобота станка состоит из электродвигателя и редуктора. В шпиндель станка вставлен шарнир Гука с веретеном вальцовки. Прибор ВЭП, контролирующий степень уплотнения труб по величине крутящего момента, связан электричес­кой схемой с электродвигателем 2.

УкрНИИХИММАШем разработан станок-полуавтомат ГВЭП-325 для групповой развальцовки труб 25 мм в трубных решетках 1000мм.

Техническая характеристика полуавтомата ГВЭП-325

Частота вращения веретена, об/мин............................................................................................ 280

Угол наклона, град:

роликов.............................................................................................................................. 3

корпуса веретена............................................................................................................... 4

Время, с., ввода, вывода и перемещения каретки на последующий шаг................................. 4-5

Установленная мощность электродвигателей, кВт....................................... ... ........................ 2, 8

Размеры, мм................................................................................................................ 912x2850x2750

Вес, кгс. ....................................................................................................................................... 2415

При эксплуатации установки средняя величина машинного времени, затрачиваемого на один ввод инстру­мента, развальцовку трубы, вывод и перемещение инструмента на один шаг, составляет 19с, а на холостой ход без обхода последующего ряда - 21 с.

При развальцовке аппаратов с толстостенными трубноуплотняемыми трубами диаметром 38x4 и 57x3,5мм в целях исключения течи используется эпоксидный клей. Процесс уплотнения в этом случае заключается в сле­дующем. Один конец трубы (на длину развальцовки) смазывают эпоксидным клеем. Трубу вставляют в отверс­тие первой решетки несмазанным концом. Во второй решетке обмазывают клеем отверстия. Для равномерного распределения слоя клея трубу поворачивают вокруг своей оси 2-3 раза при помощи специального инструмен­та, после чего закрепляют с одной стороны трубу скобами и производят развальцовку. Время между обмазкой клеем и окончанием развальцовки не должно превышать 3ч, так как в течение этого времени происходит полимеризация клея. По окончании развальцовки наплывы клея с поверхности решеток удаляют.

Гидравлические испытания необходимо проводить не раньше чем через 18ч после окончания развальцовки.

При сборке трубного пучка может происходить прогиб трубных решеток.

Прогиб происходит в основном от двух причин: остаточных напряжений, вызванных приваркой трубных решеток к корпусу (в теплообменниках типов ТН и ТК), и остаточных напряжений, вызванных развальцовкой. На рис.5 представлены наиболее распространенные в практике схемы последовательности развальцовки труб.

Рис.5

Для аппаратов до Д ≤ 800 мм сначала в центре развальцовывают с двух сторон по семь труб (поз.1), затем трубы вальцуют, начиная с нижнего ряда (поз. 2).

Для аппаратов с Д = 1000 - 1200 мм сначала развальцовывают по семь труб с двух сторон в пяти местах (поз.1), затем вальцуют трубы, начиная с нижнего ряда (поз. 2).

Для аппаратов с Д > 1 200 мм развальцовывают семь труб с двух концов в пяти местах (поз. 1), завальцовывают пять парных рядов труб с двух концов с поворотом аппарата (поз. 2), поворачивают аппарат на 120 градусов и развальцовывают пять парных рядов труб с двух концов (поз. З), устанавливают аппарат так, чтобы ряды труб находились в горизонтальной плоскости, вальцуют трубы от нижнего конца к центру (поз. 4).

Обварка труб

Обварка трубок в трубных решетках производится в следующих случаях:

- когда циркулирующие в теплообменниках газы и жидкости ядовиты или радиоактивны, при соединении с воздухом могут образовывать взрывчатые смеси, а также, если их смешение недопустимо;

- если трубная решетка имеет малую толщину и требуется увеличить механическую прочность соединения;

- когда есть опасность возникновения коррозии на поверхности трубы в месте соприкосновения ее с отверс­тием в решетке;

- при тяжелых условиях эксплуатации в результате высоких температур и давлений или резких их колебаний.

Наиболее часто применяются следующие методы обварки:

- обварка вручную обмазанными электродами;

- автоматическая обварка в атмосфере защитного газа вольфрамовым электродом без присадочного материа­ла;

- автоматическая обварка плавящимися электродами в атмосфере защитного газа. За последнее время полу­чили устройства для автоматической обварки в атмосфере защитного газа, состоящего из смеси аргона и угле­кислоты.

Выбор метода зависит от эксплуатационных параметров работы аппарата (давления, температуры), расстоя­ния между трубами, материала труб и решетки, толщины решетки и требований экономичности.

Обварка вручную обмазанными электродами

Обварка вручную обмазанными электродами может применяться для углеродистых сталей (с содержанием углерода не более 0.3 %) и низколегированных сталей.

При обварке труб из низколегированных сталей наличие легирующих элементов увеличивает твердость и возможность появления трещин. Для предотвращения этого необходимы предварительный подогрев до 100-200°С, а после сварки - термообработка при 700°С для снятия напряжений.

Нержавеющие стали аустенитного класса также можно обваривать обмазанными электродами, но специаль­ными для сварки высоколегированных сталей.

Ферритовые нержавеющие стали для предотвращения образования в зоне сварного шва хрупких мартенситных структур обваривают обмазанными электродами, в составе которых преобладают аустенитные стали с высоким содержанием никеля. Рекомендуется также работать с предварительным подогревом, а обварку про­изводить при минимальном подводе тепла, т. е. несколькими последовательными проходами с минимальным количеством расплавляемого металла. Если электроды того же состава, что и основной металл, то необходимы высокий предварительный подогрев и последующая термическая обработка для снятия напряжений.

Автоматическая сварка в среде защитного газа неплавящимися (вольфрамовыми) электродами без присадоч­ного материала применяется для тонкостенных труб при расстоянии между ними меньше 5 мм.

Обварку вольфрамовыми электродами без присадочного материала применяют также, когда есть возмож­ность возникновения коррозии.

Автоматическая обварка плавящимися электродами в среде защитного газа

Обварка плавящимися электродами в защитной среде углекислого газа применяется для сварки труб с труб­ными решетками из углеродистой и низколегированной стали. Сварку производят проволокой - 08Г2С диаметром 1мм. Режим сварки: сварочный ток 120-130 А; напряжение дуги 28-30В; ток обратной полярности. Сварка производится сварочным пистолетом с использованием сварочной проволоки.

Этот способ обварки наиболее прогрессивен, характеризуется высокой производительностью процесса, высо­ким качеством сварного соединения, возможностью автоматизации процесса приварки труб к трубным решет­кам.

С целью предотвращения деформации трубных решеток обварку труб производить в определенной последовательности (рис. 7).

Рис.7.

Для высоколегированных сталей (12Х18Н10Т) сварку необходимо производить в среде аргона вольфрамо­вым электродом диаметром 2 и 3 мм иногда с присадочной проволокой.

Режимы сварки: сварочный ток 130 А; напряжение дуги 35 В.

Для предотвращения появления деформаций в трубной решетке обварку труб необходимо производить по участкам. Трубы из никеля и медно-никелевых сплавов рекомендуется обваривать вручную в атмосфере за­щитного газа вольфрамовыми электродами с присадочным материалом.

Приварка алюминиевых труб к алюминиевым трубным решеткам производится аргонодуговой сваркой не­плавящимся электродом с присадочной проволокой. Сварку производят с обязательным подогревом трубной решетки, температура подогрева 100-250°С в зависимости от марки алюминия или сплава.

За последнее время получила распространение автоматическая обварка труб в атмосфере защитного газа, состоящего из смеси аргона и углекислого газа.

Комбинированный метод крепления труб в трубных решетках

Комбинированный метод:

а) сварка + вальцовка

Последующую развальцовку для сталей низкоуглеродистых и низколегированных (типа Ст.З, 16ГС, 09Г2С) можно производить только в исключительных случаях, когда возможна (при соответствующих средах) так называемая «щелевая» коррозия. В большинстве случаев применение второй операции развальцовки с эконо­мической и эксплуатационной точек зрения нецелесообразно. В случае необходимости проведения разваль­цовки ее надо выполнять, отступая от корня шва на 8-10 мм.

б) развальцовка + сварка

Необходимо отметить, что сочетание предварительной развальцовки и сварки не может повысить работо­способность соединения.

При проведении операции развальцовки до сварки напряженное состояние свариваемых кромок может вы­звать образование «горячих» трещин в корне шва, что при затрудненном контроле сварного соединения этого тина способно привести к аварийному выходу из строя во время эксплуатации. Кроме этого, при проведении предварительной развальцовки наблюдается повышенное порообразование (свищи) при замыкании шва, по-видимому, из-за ограничения выделения окиси углерода при охлаждении сварочной ванны в сторону разваль­цовки.

Применяется для крепления труб в аппаратах, работающих при высоких давлениях (300-700 кг/см) и темпе­ратурах до 350°С.

Крепление труб с помощью высоковольтных электрических разрядов

Заключается в использовании для деформирования трубы энергии импульсного разряда. Импульсный раз­ряд под напряжением 30000-50000В взрывает проволочку малого диаметра, помещенную в патрон разового действия (рис. 8), который вставлен внутрь закрепляемой среды.

Рис.8.

Патрончик разового действия представляет собой полиэтиленовый корпус, в который запрессовывается ини­циирующая проволока из алюминия.

Рабочая часть корпуса заливается жидким заполнителем, который при отсеивании образует густую желеоб­разную массу.

Этот способ применяют в основном для крепления труб малых диаметров (до 14 мм), а также для крепления, труб из высокопрочных материалов, например, из титановых сплавов.

Наиболее эффективно применение метода при большой глубине развальцовки.

Недостатки метода: низка стабильность процесса крепления, сравнительно высокая стоимость установки и патрончиков, а также необходимость строительства специального помещения, обеспечивающего защиту от высокого напряжения и звукоизоляцию.

Метод крепления труб энергией взрывчатых веществ

Основан на использовании энергии высокого давления (порядка 10000 кг/кв. см), возникающего при взрыве внутри трубы заряда взрывчатого вещества (рис.9) и вызывающего деформацию трубы и трубной доски.

Рис.9.

Метод применяется в основном для крепления труб малого диаметра (менее 14 мм) и наиболее эффективен для крепления труб на значительную глубину (80-200 мм).

Преимущества перед электрогидравлическим способом: простое и дешевое оборудование, отсутствие высо­кого электрического напряжения.

Основной недостаток - трудности, связанные с хранением и применением взрывчатых веществ в заводских условиях.

Магнитно-импульсный метод крепления труб

Как и электрогидравлический, основан на использовании энергии импульсного электрического разряда.

Деформация трубы происходит за счет импульса магнитного поля, образующегося при прохождении разря­да через специальный индуктор 1, помещенный внутрь закрепляемой трубы 2 (рис.10). При этом в материале трубы находятся вихревые токи, увеличивающие диаметр трубы и закрепляющие ее в трубной решетке.

Рис.10.

Недостаток метода - высокая стоимость индукторов, которые выходят из строя после каждого импульса, что сдерживает промышленное использование этого метода.