способ испытаний неразъемных механических соединений

Формула изобретения

Способ испытаний неразъемных механических соединений, включающий установку конца трубы в трубное отверстие имитатора (фланца), ее фиксацию от возможных перемещений и закрепление в имитаторе посредством приложения деформирующего усилия к внутренней поверхности трубы, например, роликами механической вальцовки с последующим испытанием закрепленной трубы на прочность ее удержания в отверстии имитатора путем приложения осевого усилия к трубе при зафиксированном имитаторе, отличающийся тем, что имитатор выполняют в виде двух колец из закаленной стали в сочетании с трехсекционным вкладышем, имеющим внутренние ограничивающие сегменты, центральный из которых с кольцами образует прямоугольную канавку, например, с центральным ребром, далее охватывают внешнюю поверхность вкладыша цилиндрической втулкой, устраняющей возможное перемещение секций вкладыша, конец трубы предварительно профилируют, а после закрепления профилированной законцовки в кольцевой канавке с формированием силового элемента производят кольцевой пережим последнего в сочетании с поперечными сдвигами между упомянутыми кольцами и записью автодиаграммы, для чего неразъемное механическое соединение освобождают от цилиндрической втулки, производят замену секций вкладыша на нагружающие секции гидравлического пресса и в полости закрепленной законцовки с минимальным зазором устанавливают ступенчатый подкладной элемент, располагая режущие кромки его ступени напротив кромок кольцевой канавки, после чего нагружающим секциям гидравлического пресса сообщают радиальное перемещение в направлении оси трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к испытаниям на прочность неразъемных механических соединений, образованных пластической деформацией материала трубы, размещенного в полости имитатора.

Известен способ гидравлических и механических испытаний неразъемных соединений на прочность и плотность, включающий образование вальцовочного соединения трубы с имитатором и последующим нагружением торца закрепленной трубы осевым усилием, прикладываемым со стороны тыльной поверхности фланца и одновременно заданным давлением жидкости, подаваемой в зазор между законцовкой трубы и имитатором, и установление допустимого давления жидкости в зависимости от толщины стенки трубы на данном этапе испытания (см. RU 2195639 С2, G01M 3/08, бюл.28, от 04.10.2001).

К главному недостатку известного способа следует отнести невозможность однозначного определения влияния технологии закрепления на служебные характеристики плотности и прочности неразъемного соединения.

Известен также способ испытаний неразъемных механических соединений, включающий установку конца трубы в трубное отверстие имитатора (фланца), ее фиксацию от возможных перемещений и закрепление в имитаторе посредством приложения деформирующего усилия к внутренней поверхности трубы, например, роликами механической вальцовки с последующим испытанием закрепленной трубы на прочность ее удержания в отверстии имитатора путем приложения осевого усилия к трубе при зафиксированном имитаторе (см. Юзик С.И., Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах. Л., «Судостроение», 1978, с.140 - прототип).

К главному недостатку следует отнести невозможность прогнозирования течения материала трубы в кольцевой канавке и его влияния на упомянутые служебные характеристики неразъемного соединения в целом.

Задачей изобретения является разработка такого способа механического испытания неразъемного соединения, который позволял бы течением материала в кольцевой канавке трубного отверстия прогнозировать служебные характеристики соединения, оценить эффективность конструкции кольцевой канавки и ее пригодность к формоизменению материала трубы.

Технический результат достигается тем, что в способе механических испытаний неразъемных соединений, включающем установку конца трубы в трубное отверстие имитатора (фланца), ее фиксацию от возможных перемещений и закрепление в имитаторе посредством приложения деформирующего усилия к внутренней поверхности трубы, например, роликами механической вальцовки с последующим испытанием закрепленной трубы на прочность ее удержания в отверстии имитатора путем приложения осевого усилия к трубе при зафиксированном имитаторе, согласно изобретению имитатор выполняют в виде двух колец из закаленной стали в сочетании с трехсекционным вкладышем, имеющим внутренние ограничивающие сегменты, центральный из которых с кольцами образует прямоугольную канавку, например, с центральным ребром, далее охватывают внешнюю поверхность вкладыша цилиндрической втулкой, устраняющей возможное перемещение секций вкладыша, конец трубы предварительно профилируют, а после закрепления профилированной законцовки в кольцевой канавке с формированием силового элемента производят кольцевой пережим последнего, в сочетании с поперечными сдвигами между упомянутыми кольцами и записью автодиаграммы, для чего неразъемное механическое соединение освобождают от цилиндрической втулки, производят замену секций вкладыша на нагружающие секции гидравлического пресса и в полости закрепленной законцовки с минимальным зазором устанавливают ступенчатый подкладной элемент, располагая режущие кромки его ступени напротив кромок кольцевой канавки, после чего нагружающим секциям гидравлического пресса сообщают радиальное перемещение в направлении оси трубы.

Осуществление предлагаемого способа испытаний неразъемных механических соединений позволяет течением материала трубы в кольцевую канавку прогнозировать служебные характеристики, объективно оценивать силовые характеристики удержания силового элемента в заданной конструкции кольцевой канавки трубного отверстия, характер деформирования материала трубы в силовом элементе на механические характеристики его удержания.

Это объясняется возможностью:

1) выбора конструкции кольцевой канавки, в частности, с особым профилем поперечного сечения, например прямоугольная, ступенчатая кольцевые канавки, прямоугольная канавка с центральным ребром на донной поверхности и т.п.;

2) направленного деформирования материала трубы в кольцевой канавке сдвигающими поперечными деформациями, формируя каркасное упрочнение материала трубы;

3) осуществления интенсивной пластической деформации материала трубы в кольцевой канавке, например, изгибной деформацией полотна утолщения законцовки и его закреплением в кольцевой канавке (см.ниже.).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано исходное положение профилированной законцовки в полости имитатора перед образованием неразъемного механического соединения; на фиг.2 - стадия окончания выполнения неразъемного механического соединения; на фиг.3 - неразъемное механическое соединение, освобожденное от ограничивающей втулки и вкладыша; на фиг.4 - исходное положение неразъемного механического соединения и нагружающих секций гидравлического пресса перед кольцевым пережимом силового элемента; на фиг.5 - стадия окончания кольцевого пережима.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

Теплообменные трубы проходят предварительную обработку: правку в косовалковой правильной машине, резку в меру с применением фрезерных станков, калибровку-зачистку, устраняющую разнотолщинность по периметру поперечного сечения трубы и его овальность. Далее на концах трубы производят формообразующие операции: закрытый радиальный обжим на дорне и двустороннее дорнование с образованием зон сильного и слабого упрочнения материала трубы (структурированного утолщения) и каверной на внутренней ее поверхности. Полученную законцовку 1 устанавливают в имитаторе, который образован двумя кольцами из закаленной стали 2, секциями вкладыша 3 и ограничивающей втулкой 4 (фиг.1). Утолщение располагают симметрично относительно внутренних кромок упомянутых колец. Посредством механических вальцовок производят закрепление законцовки в упомянутой кольцевой канавке до конечного внутреннего диаметра (d_к). Закрепление такой законцовки идет по следующим стадиям, первая из которых характеризуется свободной раздачей, когда внешний диаметр полотна законцовки увеличивается, при этом утолщение вводится в кольцевую канавку до касания ее кромок. Вторая стадия характеризуется тем, что свободная раздача сопровождается локальной раскаткой утолщения на кромках кольцевой канавки с началом образования заплечиков до момента касания ребром полотна законцовки. Третья стадия закрепления локализует процесс раскатки утолщения в кольцевой канавке, такая коническая поверхность дна позволяет реализовать изгиб полотна с образованием жесткой зоны (зоны затрудненной пластической деформации), что вызывает течение материала трубы от центра кольцевой канавки к ее боковым стенкам. Последнее обусловливает появление давления на боковых поверхностях кольцевой канавки, которое приводит к ее растяжению в осевом направлении. При этом наблюдается заполнение материалом трубы увеличенного объема кольцевой канавки, реализуя продольно-прессовый механизм закрепления, когда осевое растяжение перемычки трубного отверстия сохраняется избыточным материалом трубы, подаваемым в кольцевую канавку. Процесс развальцовки заканчивается касанием полотна поверхностей упомянутых колец с формированием силового элемента, отмеченного точками. Неразъемное механическое соединение структурированной законцовки с кольцами приобретает конечный внутренний диаметр d_к. Сохранение формируемых служебных характеристик прочности и плотности неразъемных соединений обеспечивается: поперечными сдвигами в полотне законцовки, каркасным упрочнением материала трубы в кольцевой канавке, а также силами трения на боковых стенках канавки (фиг.2). Далее производят удаление ограничивающей втулки и секций вкладыша (фиг.3). Затем на кольца устанавливают нагружающие секции 5 гидравлического пресса, которые позволяют создать замкнутую систему перед кольцевым пережимом силового элемента. Перед испытанием в полость закрепленной законцовки с минимальным зазором устанавливают ступенчатый подкладной элемент 6, располагая режущие кромки его ступеней напротив кромок кольцевой канавки (фиг.4). После чего нагружающим секциям гидропресса сообщают перемещение в направлении оси трубы с записью автодиаграммы зависимости усилия пережима от хода нагружающих секций (фиг.5). По автодиаграмме находят усилие удержания силового элемента в кольцевой канавке (Р_удер.), при котором извлекается силовой элемент из нее. При данном виде испытания существует возможность показать, какое сопротивление оказывает боковое давление и каркасное упрочнение материала трубы в силовом элементе на характер удержания последнего в трубном отверстии в зависимости от конфигурации профиля кольцевой канавки. Получаемое усилие удержания должно быть больше, чем усилие на разрыв исходной трубы. Следовательно, нагружение закрепленной законцовки в осевом направлении растягивающим усилием всегда приведет к разрыву образца в исходном сечении трубы.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа испытания неразъемного механического соединения прошла в программном продукте DEFORM-2D.

Исходные данные: виртуальные испытания при компьютерном моделировании проводили на трубах из стали 15Х5М с поперечным сечением 25×19,8 мм. В качестве оборудования использовался гидравлический пресс, развивающий максимальное усилие, равное 0,6 МН. Имитатор неразъемного соединения имел закаленные кольца с внутренним диаметром, равным 25,35^+0,05 мм. Калиброванные участки полотна законцовки имели: внешний диаметр - 24,3 мм, внутренний - 19,8 мм, а также полученная каверна имела поперечное сечение 20,4 мм и шириной 5,9 мм. Неразъемные соединения выполняли посредством механических вальцовок на стенде Индреско (США). Кольцевой пережим при испытании неразъемного соединения выполняли на том же гидравлическом прессе.

1) Первоначально экспериментальную проверку осуществляли в части оценки эффективности конструкции кольцевой канавки прямоугольного поперечного сечения с центральным ребром. После закрепления законцовки в трубном отверстии выполняли кольцевой пережим силового элемента. Получали значение Р_удер.=15,9 т, что соответствует зависимости Р_удер.=Р_сдвига+Р_тр.+Р_упроч. , где Р_сдвига - поперечное усиление сдвига, определяемое прочностью калиброванного полотна; Р_тр. - сила трения, удерживающая силовой элемент в кольцевой канавке; Р_упроч. - усилие, характеризующее упрочнение материала трубы в силовом элементе от сдвиговых радиальных деформаций. Величину Р_упроч. можно представить в виде зависимости: Р_упроч.=Р _обж.+ Р=8,086 т, где Р_обж. - это величина усилия, позволяющая вывести силовой элемент из кольцевой канавки, без учета упрочнения материала трубы в силовом элементе, а Р является дополнительной составляющей усилия, вызывающего упомянутое упрочнение материала трубы.

Для возможности сравнения полученных результатов кольцевому пережиму была подвержена закрепленная законцовка в кольцевой канавке. Искусственно создавали условия, при которых отсутствовало упрочнение обрабатываемого материала. Величина кольцевого пережима в данном случае составляла - Р_исх.=14,5 т, что соответствовало зависимости Р _исх.=Р*_сдвига+Р*_тр.+Р_обж. , где параметры, отмеченные звездочкой (*), относятся к законцовке из неупрочняемого материала. По этой формуле стало возможным нахождение усилия Р_обж.=7,435 т. Следовательно, можно найти, наконец, и величину P=Р_упроч.-Р_обж.=8,086-7,435=0,651 т.

2) На втором этапе производили экспериментальную проверку эффективности кольцевой канавки прямоугольного поперечного сечения (без упомянутого ребра). Полученные значения составляли: Р_удер.=15,4 т, Р_упроч.=7,626 т, Р_исх. =14,4 т, Р_обж.=7,27 т. Следовательно, можно найти Р=Р_упроч.-Р_обж.=0,356 т.

Данная экспериментальная проверка показала, что кольцевая канавка с центральным ребром на донной поверхности является наиболее предпочтительной, так как усилие удержания силового элемента в кольцевой канавке почти в два раза превышает аналогичное усилие для прямоугольной канавки.

Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности, а также и в поиске новых конструкций неразъемных соединений труб с трубными решетками.