Шаблон для изготовления элемента трубопровода сложной формы

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к устройствам для изготовления гибкой элементов трубопроводов сложной формы, содержащих как криволинейные, так и прямолинейные части. Технический результат состоит в снижении себестоимости и повышении надежности эксплуатации трубопровода, собранного из элементов, изготовленных на устройстве, выполненном согласно полезной модели. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для изготовления элемента трубопровода сложной формы, включающем шаблон для гибки трубы с рабочим ручьем, выполненный с возможностью вращения, и средство зажима изгибаемой трубы, установленное с возможностью вращения относительно оси шаблона, с полостью, образованной подвижным и неподвижным относительно шаблона сменными прижимами, поверхность рабочего ручья шаблона выполнена конгруэнтной криволинейной части трубы, содержащей криволинейную и прямолинейную части, устройство также дополнительно снабжено неподвижной полой цилиндрической оправкой, один из концов которой размещен в полости средства зажима, а неподвижный прижим выполнен длиной, характеризуемой следующей зависимостью:

С=[(R_сp-D _нт/2)²-(R_сp -D_нт/2)²] ^1/2+(D_нт-D_нт )/2 (мм),

Где:

С - длина неподвижного прижима (мм)

R_сp-- средний радиус криволинейной части трубы, (мм)

D_нт - наружный диаметр внутренней трубы, (мм)

D_вт - внутренний диаметр наружной трубы, (мм)

Для уменьшения возможной овализации наружной трубы часть оправки, размещенную в полости средства зажима, целесообразно выполнять длиной 1, превышающей 0.05 D _вт.

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к устройствам для изготовления гибкой элементов трубопроводов сложной формы, содержащих как криволинейные, гак и прямолинейные части.

В различных областях техники достаточно давно широкое применение получили теплообменники, выполненные в виде соосно установленных труб, в которых при движении нагретой жидкости (хладагента) по внутренней трубе поток жидкости в зазоре между внутренней и наружной трубами служит для конвективного подвода или отвода тепла.

Увеличение площади конвективной поверхности обеспечивает повышение теплоотдачи, поэтому обычно теплообменники выполняют с большим числом криволинейных участков. Указанная конструктивная особенность теплообменника затрудняет его изготовление.

Относительно изготовления трубопроводов, обеспечивающих подачу топлива, например, в самолетах, можно добавить, что одной из технологических проблем является обеспечение постоянства зазора между трубами, образующими элементы трубопровода. При этом кривизна трубопровода конструктивно необходима для оптимальной компоновки энергетического оборудования в условиях ограничения пространства.

В большинстве случаев теплообменники, как и другие подобные трубопроводы, собирают из отдельных небольших трубчатых элементов (прямолинейной формы или изогнутых) и соединяют сваркой или с помощью муфт. В последнем случае велика вероятность утечек топлива (энергоносителя) и требуется постоянный контроль качества крепежа.

Необходимость значительного количества сварных швов также приводит к увеличению трудозатрат процесса изготовления теплообменника, и требует постоянного контроля качества сварных соединений. В обоих вариантах соединения трубчатых элементов увеличивается число смещений в стыках отдельных элементов, что приводит к неравномерности теплосъема, а также увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Необходимо заметить, что определенная сложность связана с изготовлением изогнутых элементов.

Из уровня техники известны устройства для изготовления изогнутых трубчатых элементов, содержащих коаксиально установленные трубки.

Так из з. RU №9300347/06, опубл. 1995.04.20, F 28 D 7/04, известна установка для гибки труб с оребрением, включающая разъемный раздвижной гибочный шаблон и зажимное устройство с приводами. Глубина канавки гибочного шаблона превышает половину ширины канавки, равной диаметру оребренной трубы.

В процессе изготовления оребрение труб выполняют непрерывно по всей длине каждой образующей змеевик трубы с заданным соотношением высоты шага, толщины ребра и радиуса гиба, оставляя неоребренными технологические участки на концах труб.

Сначала выполняют гибы первой трубы, далее присоединяют к концу первой трубы вторую трубу, зачищают стык от внутреннего грата, изгибают вторую трубу и повторяют упомянутую последовательность операций до полного изготовления змеевика.

Известное решение относится к изготовлению теплообменников с внутренним оребрением и позволяет повысить их прочность. Однако оно не позволяет получить теплообменную трубу сложной формы -содержащую как прямолинейные, так и изогнутые участки.

Необходимо заметить также, что наличие ребер значительно осложняет технологию, а конечное изделие, как правило, не обладает необходимой прочностью и имеет низкую коррозионную стойкость, зависящую от свойств материалов, из которых изготовлены элементы трубы.

Из уровня техники известно устройство для изготовления колен труб методом протяжки через изогнутый участок оправки (патент РФ 2098207 от 2098207 от 31.05.1995, B 21 D 9/12). Устройство, согласно известному решению, содержит шаблон с оправкой изогнутой формы и силовые замковые устройства, зажимающие и удерживающие оправку с помощью гладких клиновых зажимов. Фиксирование рабочего положения оправки производится по ее изогнутому участку.

Известное решение позволяет получить только изогнутые элементы, которые далее могут быть собраны в трубчатый теплообменник. Необходимым условием для сборки в данном случае является превышение внутреннего диаметра наружной трубы над наружным диаметром внутренней трубы.

Известное устройство относится к технологии горячей гибки, включающей обязательную стадию нагревания, в процессе которой многие материалы, в т.ч. металлы, изменяют свои свойства, а совместный отпуск по окончании гибки не всегда обеспечивает высокое качество изделия и одинаково высокие эксплуатационные свойства всех элементов конструкции.

Трубогибочный станок по А.С. СССР №1699681 от 03.05.89. B 21 D 9/01 предназначен для изготовления криволинейного элемента, содержащего коаксиально установленные трубы, и содержит шаблон с рабочим ручьем, позволяющий изгибать одновременно две соосно установленные одна в другой заготовки труб, и средства подачи и замораживания наполнителя (воды). Заготовки труб размещают коаксиально известным способом, например с помощью центрирующих торцевых заглушек наружной трубы. В зазор между трубами подают хладагент (воду), который замораживают. Далее производят гибку. Толщину стенки и диаметр обеих труб выбирают из расчета, чтобы напряжения в стенках труб не превысили напряжений упругости материала, из которого они изготовлены. Полученные элементы соединяют в трубопровод (теплообменник) преимущественно сваркой. Известное устройство позволяет снизить трудозатраты на изготовление теплообменника, содержащего исключительно элементы криволинейной формы. В тех случаях, когда конструкция трубопровода включает элементы сложной формы (содержащие, как криволинейные, так и прямолинейные части) известное устройство неприменимо. Кроме того, в результате совместной гибки труб с наполнителем материал труб, как правило, приобретает наклеп и для его снятия необходим нагрев. Необходимо заметить, что для ряда ответственных деталей, в частности для трубопроводов и теплообменников, контролирующие органы в обязательном порядке предписывают проводить термообработку для снятия остаточных напряжений и дефектоскопию готового изделия.

Так в соответствии с Правилами устройства и безопасности технологических трубопроводов. Гостехнадзор России, ПБ 585-03, гнутые отводы после гибки должны подвергаться термообработке. В соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Гостехнадзор России ПБ 03-576-03 гнутые участки труб из углеродистых и легированных сталей подлежат термообработке.

Однако при изготовлении труб, составляющих трубопровод, из разных сталей (например, углеродистых и легированных, что в большинстве случаев диктуется

необходимостью с одной стороны обеспечить эксплуатационные характеристики, а с другой - снизить себестоимость), в дальнейшем, после их совместной гибки с наполнителем, как правило, не удается подобрать режимы термообработки, которые обеспечили бы полное снятие наклепа в разных материалах труб, и однородные заданные свойства конечного изделия. Известное устройство не обеспечивает сохранение геометрических параметров и физико-механических свойств внутренней трубы в процессе изготовления элемента. Данные дефектоскопии внутренней трубы, полученные до гибки, при этом достаточно часто не соответствуют состоянию материала после гибки. Указанное снижает надежность эксплуатации трубопровода и увеличивает затраты на ремонтные работы. Известное устройство по числу существенных признаков является наиболее близким заявляемому устройству и выбрано в качестве прототипа. Задачей полезной модели является создание устройства для изготовления элемента трубопровода сложной формы (содержащего, как криволинейную, так и прямолинейную части) образованного установленными коаксиально друг относительно друга трубами, выполненными из разных материалов, отличающихся по физико-механическим свойствам, позволяющего снизить себестоимость изготовления и эксплуатации трубопровода, собранного из таких элементов, и повысить надежность его эксплуатации.

Технический результат состоит в снижении себестоимости и повышении надежности эксплуатации трубопровода, собранного из элементов, изготовленных на устройстве, выполненном согласно заявляемому решению. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для изготовления элемента трубопровода сложной формы, включающем шаблон для гибки трубы с рабочим ручьем, выполненный с возможностью вращения, и средство зажима изгибаемой трубы, установленное с возможностью вращения относительно оси шаблона, с полостью, образованной подвижным и неподвижным относительно шаблона сменными прижимами, поверхность рабочего ручья шаблона выполнена конгруэнтной криволинейной части трубы, содержащей криволинейную и прямолинейную части, устройство также дополнительно снабжено неподвижной полой цилиндрической оправкой, один из концов которой размещен в полости средства зажима, а неподвижный прижим выполнен длиной, характеризуемой следующей зависимостью:

Где:

С - длина неподвижного прижима (мм)

R _cp - средний радиус криволинейной части трубы, (мм)

d_HT - наружный диаметр внутренней трубы, (мм)

d_DT - внутренний диаметр наружной трубы, (мм)

Для уменьшения возможной овализации наружной трубы часть оправки, размещенную в полости средства зажима, целесообразно выполнять длиной 1, превышающей 0.05 DBT. В целях экономии металла может быть использована оправка с неодинаковой по длине толщиной, т.е. с утолщением. При этом диаметр конца оправки (или утолщения), размещенного в полости зажима, характеризуется следующей зависимостью:

A=D_BT-qD_BT-(1...2)

Где: А - диаметр конца оправки, размещенного в полости средства зажима, (мм)

D_BT - внутренний диаметр наружной трубы, (мм)

qD_BT - допуск внутреннего диаметра наружной трубы, (мм)

1...2 - гарантированный зазор, (мм)

Длину утолщенной части оправки L целесообразно ограничить соотношением L=2-3 d_BT, (мм) с целью обеспечения беспрепятственного перемещения наружной трубы.

Внутренняя труба может быть выполнена с одним прямолинейным участком и криволинейной частью или с двумя прямолинейными участками, примыкающими к разным концам криволинейной части.

Число прямолинейных участков зависит от конструкции трубопровода, а сущность заявляемого решения не меняется при изготовлении элемента, как с одним прямолинейным участком, так и с двумя.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется графическими материалами, представленными на Фиг.1 - Фиг.6, где

На Фиг.1 представлена начальная стадия процесса с основными элементами устройства;

На Фиг.2 представлен разрез по Б-Б, дающий представление о размещении внутренней трубы, оправки и наружной трубы в полости средства зажима

На Фиг.3 представлен разрез по А-А, дающий представление о размещении оправки, наружной трубы и средства для упора (лотка) последней при гибке;

На Фиг.4 - Фиг.6 в схематичном виде представлены различные стадии процесса:

Фиг.4 - начало, Фиг.5 - одна из промежуточных стадий, Фиг.6 - конец процесса. Позиции на графических материалах относятся к следующим элементам:

1 - шаблон со средством зажима 2 наружной трубы 3, содержащим подвижный прижим 4 и неподвижный прижим 5, привод 6. Шаблон 1 выполнен с возможностью вращения. На оправке 7 с утолщением 8, задающим межтрубный зазор, размещена наружная труба 3, взаимодействующая с подвижным лотком 9, рабочий профиль которого соответствует профилю наружной трубы. Лоток 9, перемещающийся вместе с наружной грубой 3, обеспечивает упор трубы 3 в месте гиба и исключение растягивающего усилия от сил трения. Оправка 7 закреплена неподвижно с помощью зажима 10. Свободный конец наружной трубы 3 закреплен на подвижной опоре 11. Прямолинейный участок 12 внутренней трубы свободно размещен в оправке 7, а его изогнутая часть 13 -в плоскости гиба эквидистантно поверхности рабочего ручья шаблона 1. Нейтральная линия криволинейной части внутренней трубы располагается относительно оси вращения шаблона в зоне описываемой средним радиусом гиба из центра, смешенного вдоль продольной оси от оси вращения на величину межтрубного зазора (D_BT-D _HT)/2 в обе стороны. Направление смещения зависит от стадии процесса гибки. При этом продольной осью, характеризующей величину и направление смещения центра радиуса гиба, является ось, лежащая в плоскость гиба, параллельная оси оправки и проходящая через центр вращения шаблона 1. Средство зажима 2 выполнено с возможностью вращения относительно оси шаблона 1. Процесс изготовления элемента криволинейной формы, содержащего установленные коаксиально друг относительно друга трубы, начинают с установки наружной трубы 3 требуемой длины на полой цилиндрической оправке 7 (дорне), часть 8 которой при гибке обеспечивает постоянство межтрубного зазора. Подвижный лоток 9 взаимодействует с наружной трубой 3 и обеспечивает упор, перемещающийся вместе с наружной трубой 3 относительно оправки 7 синхронно с шаблоном 1 и средством зажима 2. Прямолинейную часть 12 внутренней трубы заводят в полую оправку 7 и устанавливают неподвижно относительно шаблона 1, а изогнутую часть 13 внутренней трубы располагают в плоскости гиба конгруэнтно рабочему ручью шаблона 1. Оправку 7 закрепляют неподвижно в зажиме 10.Часть оправки 8 и наружной трубы 3 размещают в полости средства зажима 2 между подвижным зажимом 4 и неподвижным

зажимом 5, и зажимают, перемещая зажим 4. Давление зажимов 4 и 5 на наружную трубу 3 должно обеспечивать удержание трубы 3 для ее синхронного перемещения с шаблоном 1 и средством зажима 2 при их совместном вращении, а оправка 7 с утолщением 8 - также сохранение постоянства зазора между внутренней поверхностью трубы 3 и наружной поверхностью изогнутой части 13 внутренней трубы. После прохождения всего криволинейного участка 13 оправку 7 удаляют, и готовый элемент трубопровода снимают с шаблона 1.

Заявляемое устройство позволяет осуществить процесс гибки наружной трубы 3 одновременно с размещением ее коаксиально внутренней трубе заданной формы (не изменяющейся при последующей гибке наружной трубы), предварительно прошедшей все технологические операции, в том числе и дефектоскопию, что значительно повышает надежность эксплуатации трубопровода, собранного из элементов, изготовленных таким образом.

Термообработку наружной трубы производят только в случаях, когда этого требуют ПБ 03-576-03, а именно: для труб из углеродистых и низколегированных сталей с наружным диаметром более 36 мм, при отношении среднего радиуса гиба к номинальному наружному диаметру труб менее 3,5 и отношении номинальной толщины стенки трубы к ее номинальному диаметру более 0.05. Заявляемое устройство опробовано при изготовлении продуктового холодильника для охлаждения этилен-полиэтиленовой смеси высокого давления, поступающей из реактора. Наружная труба изготовлена из углеродистой стали 09 Г2С, ГОСТ 19292-89, а внутренняя труба - из высокопрочных сталей 30Х2Н2МФА-Ш, ТУ 1301-001-320038846-01 или 12Х13-Ш, ГОСТ 4543-71. Для труб, имеющих размеры:

R _cp=375 мм d_HT-40 мм d _BT-67 мм

С=[(R_cp-d _HT/2)²-(R_cp -d_BT/2)²] ^1/2+(d_BT-D_HT )/2=110 мм.

Шаблон 1 и зажим 2 в процессе изготовления детали перемещают со скоростью ˜0.5 мин^-1 .

Для предотвращения овализации наружной трубы в полости средства зажима 2 размещали часть утолщения 8 оправки 7 длиной 4-5 мм. Диаметр утолщенной части 8 равен 65 мм, а длина - 250-300 мм.

Заявляемое устройство позволяет снизить затраты изготовления элемента трубопровода сложной формы, содержащего установленные коаксиально друг относительно друга трубы, и обеспечить сборку надежного в эксплуатации трубопровода.

В результате реализации заявляемого решения удается получить сборные изогнутые элементы большей длины, чем по известным решениям, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства трубопровода. При этом в качестве внутренней трубы используют трубу, предварительно изготовленную любым известным из уровня техники подходящим способом, с заданными свойствами, необходимыми для надежного функционирования трубопровода. Внутренняя труба такого трубопровода заданной формы отвечает требованиям повышенной механической прочности, коррозионной стойкости и однородности свойств, что достигается, например, шлаковым переплавом. Для наружной трубы при этом возможно использование более дешевых материалов, в частности углеродистых сталей. Поскольку решение обеспечивает получение криволинейных трубчатых элементов существенно большей длины, то количество сварных швов и /или крепежа при последующей сборке трубопровода при этом сокращается, соответственно трудозатраты снижаются, а эксплуатационные свойства повышаются.

1. Устройство для изготовления элемента трубопровода сложной формы, содержащего внутреннюю и наружную трубы, установленные коаксиально относительно друг друга, включающее шаблон для гибки трубы с рабочим ручьем, выполненный с возможностью вращения, и средство зажима изгибаемой трубы с полостью, образованной подвижным и неподвижным относительно шаблона сменными прижимами, установленными с возможностью вращения относительно оси шаблона, отличающееся тем, что поверхность рабочего ручья шаблона выполнена конгруэнтной криволинейной части внутренней трубы элемента сложной формы, устройство дополнительно снабжено неподвижной полой цилиндрической оправкой, один из концов которой размещен в полости средства зажима, а неподвижный прижим выполнен длиной, характеризуемой следующей зависимостью:

С=[(R_ср-D _нт/2)²-(R_ср -D_вт/2)²] ^1/2+(D_вт-D_нт )/2,

где С - длина неподвижного прижима, мм;

R _ср - средний радиус внутренней трубы, мм;

D _нт - наружный диаметр внутренней трубы, мм;

D _вт - внутренний диаметр наружной трубы, мм;

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть оправки, размещенная в полости средства зажима, выполнена длиной, характеризуемой следующей зависимостью:

l0,05 D_вт,

где l - длина части оправки, размещаемой в полости средства зажима, мм;

D _вт- внутренний диаметр наружной трубы, мм.