Теплообменные трубы и трубные решетки

Теплообменные трубы кожухотрубчатых стальных аппаратов - это серийно выпускаемые промышленностью трубы из углеродистых, коррозионностойких сталей и латуни. Диаметр теплообменных труб значительно влияет на скорость теплоносителя, коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве и габариты аппарата; чем меньше диаметр труб, тем большее их число можно разместить в кожухе данного

диаметра. Однако трубы малого диаметра быстрее засоряются при работе с загрязненными теплоносителями, определенные сложности возникают при механической очистке и закреплении таких труб развальцовкой. В связи с этим наиболее употребительны стальные трубы с наружным диаметром 20 и 25 мм. Трубы диаметром 38 и 57 мм применяют при работе с загрязненными или вязкими жидкостями.

Схема расположения труб в трубных решетках и шаг отверстий для труб регламентируются ГОСТ 9929- 82. Для теплообменников типов Н и К трубы размещают в трубных решетках по вершинам равносторонне треугольников (рис. 1, а), а для теплообменников типов П, У и ПК - по вершинам квадратов (рис. 1, б) и равносторонних треугольников. При размещении труб диаметром d_m по вершинам равносторонних треугольников обеспечивается более компактное расположение труб в трубной решетке, чем при размещении их по вершинам квадратов при одинаковом шаге t'. Однако последняя схема имеет важное эксплуатационное преимущество: она позволяет очищать трубы снаружи механическим способом, посколько между трубами образуются сквозные ряды. При размещении по вершинам треугольников такие ряды можно получить, только увеличив шаг t'. По окружностям (рис. 1, в) трубы располагают лишь в кислородной аппаратуре

Рис 1 Схема размещения труб в трубной решетке: а-по вершинам равностороннего треугольника; б-по вершинам квадратов; в- по окружностям

Шаг t¹ отверстий для труб в решетке выбирают с учетом достаточной прочности участка шириной

m=t¹ -d_m (1)

для стальных кожухотрубных аппаратов шаг принимают по следующим данным:

таблица №1

Таблица 1

dT, мм
t 1, мм

Трубы соединяют с трубной решеткой стальных аппаратов развальцовкой (рис. 2, а, б, в), сваркой (рис 2, г, д), развальцовкой со сваркой (рис. 2, в). Пайку и заливку металлом концов труб в решетках (рис. 2 ж) применяют при изготовлении теплообменников из меди и ее сплавов, а склеивание - при изготовлении аппаратов из полимерных материалов (рис. 2, з).

Рис. 2 Варианты крепления труб в трубных решетках: а-развальцовка в двух канавках; б- развальцовка в одной канавке; в-развальцовка со сваркой; г- сварка трубы с трубной доской с выходом за пределы трубной доски; д- сварка трубы с трубной доской без выхода за пределы трубной доски; е-развальцовка в гладком отверстии;

ж-пайка; з- склеивание

Рис. 3 Виды сварных соединений при сварке трубных досок с выходом трубы за пределы трубной доски: А- с отбортовкой трубной решетки; В-без разделки трубной доски; С- с разделкой трубной доски

Рис. 4. Типы сварных соединений при вварке труб в трубные доски:
а— труба заподлицо с трубной доской; б— труба утоплена в трубную доску; в— труба выступает над трубной доской; s— сварной шов

Рис 4 Варианты соединений труб с трубными досками

Соединения труб в трубных досках находятся при эксплуатации в условиях высоких переменных напряжений, связанных с термодинамическим изменением давления и температуры. Поэтому при проектировании и выборе технологии сварки нужно заботиться не только о том, чтобы получить качественное сварное соединение при наименьших производственных затратах, но и обеспечить надежную долговременную его эксплуатацию. Как правило, в большинстве стран стандарты на такого рода соединения отсутствуют. Это объясняют в основном самыми разнообразными условиями нагружения соединений.

Конструирование сварных соединений производят все же исходя из соображений рационального технологического выполнения соединений без тщательного анализа условий их работы. Обращают внимание на то, что для обеспечения необходимой работоспособности теплообменников следует контролировать химический состав шва, производить тщательную очистку кромок перед сваркой, выбирать конструкцию из условий наиболее простого выполнения соединений. Большое значение придают выбору основного и присадочного металлов, чтобы при сварке избежать образования трещин и пористости в сварных швах. Для изготовления труб используют низкоуглеродистые нержавеющие стали, а также хромоникелевые и никелево-медные сплавы.

Трубные доски изготовляют из углеродистой стали, часто плакированной нержавеющей сталью. В подавляющем большинстве случаев трубы пропускают через отверстия в трубных досках и приваривают круговым швом с наружной стороны. При этом, как уже было сказано, шов оказывается в зоне наибольших рабочих напряжений (растяжение или сжатие), действующих в трубной доске. Самым неприятным является то обстоятельство, что основные рабочие нагрузки при этом действуют в плоскости трубной доски, т. е. в направлениях действия наибольших остаточных напряжений от сварки. Изготовителей, естественно, привлекает такой вариант конструкционного оформления сварного соединения, так как его технологическое выполнение связано с наименьшим количеством трудностей. Попытки выделить зону сварного соединения из жесткого комплекса с трубной доской (рис. 4, а, в, г) имеют в своей основе технологические корни, так как сварка по отбортовке - проточке (рис. 4, а) или с расплавлением специально оставленного в доске выступа (рис. 4, а) является более простой и надежной.

Улучшение условий работы таких соединений, отмеченное в ряде работ, объясняется, вероятно, не только более качественным выполнением швов, но главным образом некоторой разгрузкой их от рабочих напряжений изгиба трубной доски. В этом случае сварные швы находятся как бы над плоскостью максимальных напряжений растяжения-сжатия, возникающих при изгибе доски и не работают уже как элемент трубной доски, воспринимающий полную рабочую нагрузку. Кроме того, более мягкими становятся условия охлаждения металла шва и переходной зоны, что способствует устранению трещин. Для обеспечения качественного формирования шва необходимо производить обязательную предварительную развальцовку вставленных в отверстие трубной доски концов труб (рис. 4, б).

Развальцовка устраняет совсем или делает минимальными и равномерными зазоры между трубой и трубной доской в месте формирования будущего сварного соединения. Целесообразно также производить развальцовку и после сварки. Эта операция способствует уплотнению металла шва и приводит при незначительном увеличении диаметра отверстия в месте развальцовки к существенному снижению сварочных остаточных напряжений, что весьма важно для повышения работоспособности соединений в условиях переменных нагружений.

Еще более предпочтительны с точки зрения повышения работоспособности варианты, показанные на рис. 4, д-ж. Здесь сварные швы выносятся из зон действия максимальных рабочих напряжений. Наложение шва по средней линии трубы (рис. 4, д) разгружает его от растяжения-сжатия, возникающего при изгибе доски. Рабочие напряжения в этом случае оказываются наименьшими из всех возможных вариантов, так как сохраняется лишь действие напряжений растяжения-сжатия, действующих вдоль трубы в результате перемещения точек трубной доски.

Целесообразно сварные швы варианта на рис. 4,д располагать не в одной плоскости для разных труб, а ступенчато, что приводит к уменьшению концентрации напряжений в околошовной зоне и обеспечивает возможность сварки теплообменников высокого давления с малыми перемычками между свариваемыми трубами.

Интересен вариант приварки к трубной доске кольцевым швом изнутри путем сквозного проплавления стенки трубы без присадочного металла (рис. 5). Как и в случае на рис. 4, д, происходит существенная разгрузка сварных швов от действия эксплуатационных нагрузок (вибрация, термические напряжения при теплосменах, перепады давлений и др.) путем удаления их из зоны максимальных напряжений. Приведенная рядом эпюра напряжений изгиба трубной доски свидетельствует о том, что расположение швов на разной глубине от зеркала трубной доски приводит к их разгрузке от рабочих напряжений. Кроме того, возможен достаточно простой ремонт соединения при выходе последнего из строя в процессе эксплуатации наложением ремонтного шва ниже уровня переднего шва. Сварку швов (рис. 5) производят с помощью специальной сварочной головки, вводимой внутрь трубы на необходимую глубину.

Рис. 5. Ступенчатое расположение швов при сварке труб с трубными досками:

1-трубная доска; 2- труба; 3- сварной шов.

Несмотря на явные конструктивно-прочностные преимущества способов соединения труб в глубине трубных досок и при сварке с выступом, в большинстве случаев, в особенности в массовом производстве, находят применение наиболее простые виды соединений, т. е. когда торцы труб располагают заподлицо с трубными досками или несколько выше или ниже поверхности доски с тем, чтобы иметь возможность получения углового шва. В зависимости от толщины трубы в этих случаях могут быть рекомендованы различные варианты соединения (рис. 6).

Рис 6. Соединения в зависимости от толщины трубы

Представляет интерес технологическое решение (рис. 7) получения выступа посредством ступенчатой засверловки в месте вварки трубы (рис. 7, а) с последующей выштамповкой более узкой части отверстия над поверхностью зеркала трубной доски, как это показано на рис. 7, б (ФРГ).

Рис. 7. Вариант выполнения соединения труб над зеркалом трубной доски:

а- сверление; б-выштамповка отбортовки; в-сварка

Большое количество сварных соединений в трубных досках и высокие требования к их качеству требуют автоматизации применяемых процессов. Большое повышение производительности дает способ, при котором конец каждой трубы пропускают через отверстия в трубной доске так, чтобы торец трубы находился примерно в плоскости трубной доски. Торцы труб закрывают пробками, а затем на поверхности трубной доски наплавляют прямолинейные сварные швы, проходящие через торцы закрепленных труб и покрывающие полностью площадь каждой трубы. Пробки выполняют из стекла типа «пирекс» или из аналогичного материала, который не прилипает к металлу трубной доски и трубы при сварке.

После сварки пробки легко удаляют при незначительном ударе или разрушают, а концы приваренных труб прочищают. Этот процесс легко автоматизируется, при этом возможно значительное повышение производительности по сравнению со способами индивидуальной обварки каждой трубы.

Перспективным процессом является сварка цилиндрической дугой, управляемой магнитным полем. Наилучшие результаты в этом случае могут быть получены при наличии на трубной доске 3-4 мм отбортовки.

Изготовление тонких спиралей из труб, змеевиков различных поперечных сечений производят на поточных линиях, где отдельные трубы торцуют, сваривают в плети, которые затем сворачивают. Трубы круглого и квадратного поперечного сечения сваривают в основном на контактных стыковых машинах ввиду того, что этот способ сварки имеет ряд известных преимуществ перед способами сварки плавлением. Грат удаляют путем проталкивания специального шарика внутри труб сжатым воздухом под давлением 20-30 кгс/см².

Присоединение трубопроводов и штуцеров к поверхности оболочки осуществляют обычно путем взаимного расплавления металла оболочки и штуцера. В этом случае, как было показано ранее, наблюдается весьма неблагоприятное взаимодействие концентрации напряжений, поля местных внутренних напряжений с напряжениями рабочими - главным образом от избыточного давления внутри оболочки.

Конструкция соединения толстостенной оболочки со штуцером показана на рис. 8, а, б. Формирование соединения за счет штуцера при сварке с присадкой переносит круговой шов на внешнюю поверхность оболочки. Для качественного формирования сварного соединения и равномерного проплавления пользуются съемными формирующими подкладками, которые после сварки удаляют. Повышение коррозионной стойкости таких швов по сравнению с обычными круговыми со сквозным проплавлением листа или оболочки отмечается рядом исследователей.

Рис. 8 Конструкции штуцерных соединений и соединений труб с фланцами:

а-до сварки; б-после сварки; в- нерационально; г- рациональный вид соединения

При конструировании соединений, работающих при переменных напряжениях, следует избегать в зоне сварных швов резких перемен сечений, нахлесточных соединений и других конструктивных решений, приводящих к концентрации рабочих напряжений. В этом отношении весьма показательны примеры, приведенные на рис. 8, в, г.

Плавный переход от фланца к трубе и применение кольцевого шва вместо двух круговых сваренных в угол практически избавляют соединение от опасности появления эксплуатационных трещин.

При соединении труб с оболочкой рациональным является соединение через штампованный переходник (рис. 9, б) вместо соединения с высокой концентрацией напряжений конструктивного и технологического характера (рис. 9, а). Применение переходника позволяет использовать в узле только стыковые соединения и увеличить диаметр кругового шва. Это уменьшает радиальные напряжения, оказывающие большое влияние на эксплуатационную прочность таких соединений малых диаметров при переменных тепловых и механических нагрузках, возникающих в химических аппаратах.

Рис. 9. Соединение трубы с оболочкой: а-без промежуточного элемента; б-с промежуточным переходником

Формирование соединения за счет штуцера - при соединении труб с оболочками большой толщины усталостная трещина может развиться из корня шва, расположенного внутри области стыковки, особенно при наличии непровара в корне. В связи с этим при соединении трубных переходников может оказаться рациональным решение, показанное на рис. 10. В оболочке 2 в центре установки трубчатого переходника сверлят центровочное отверстие d, в которое вставляют заготовку 1 переходника с разделкой кромок под сварку. После сварки просверливают отверстия диаметром D (рис. 10, а). Окончательно соединение имеет вид, показанный на рис. 10, б. Оно не избавлено от концентрации напряжений вследствие резких изменений сечения на внешней поверхности трубы и оболочки, но гарантирует хорошее качество поверхности и металла во внутренней полости. Кроме того, при высверловке в связи с удалением части шва и зоны термического влияния происходит снижение остаточных сварочных напряжений.

Рис. 10. Вариант изготовления соединения трубы или штуцера с оболочкой с удалением корневой части шва высверловкой

Рассмотренные примеры не исчерпывают больших возможностей, которые имеются в части создания рациональных конструктивных и технологических решений сварных узлов в различных конструкциях химических аппаратов. Они лишь показывают, что на основании анализа имеющихся решений, выявления их положительных качеств и недостатков, изучения последствий, вносимых сваркой, а также взаимодействий рассматриваемого узла или элемента конструкции с рабочими нагрузками, можно прийти к более оптимальному решению с позиций повышения работоспособности конструкции.

Установка ОСА-ПА рис 11.предназначена для автоматической сварки труб в трубные доски проволокой сплошного сечения в среде активных и защитных газов.
Традиционные установки для сварки трубных решеток, производят сварку вольфрамовым электродом в среде аргона (аргонодуговая сварка - TIG) с подачей присадочной проволоки. Это технология предполагает идеальную подготовку кромок и сборку детали, что не всегда достижимо или нерационально в реальных условиях производства.
Установка ОСА-ПА использует сварку плавящимся электродом(MIG/MAG) с диаметром проволоки 0,8-1,2мм в CO₂ или в смеси Ar+CО₂. Это позволяет смягчить требования к сборке детали и получить высокую производительность сварки.

а) б) в) г)

Рис. 11 Установка ОСА-ПА для автоматической сварки труб в трубные доски:

а- пульт ДУ; б- блок управления; в-источник питания; г- сварочная головка