Разработка технологии закрепления труб в трубных решетках с дискретно-пластическим формированием служебных характеристик в неразъемных соединениях

Развитие нефтеперерабатывающей, нефтехимической, судостроительной промышленности, атомного, энергетического машиностроения и так далее идет по пути создания мощных агрегатов и аппаратов (рис. 1), работающих в различных агрессивных средах. Надежность работы такого оборудования может быть обеспечена только при использовании для его создания самых прогрессивных технологических процессов обработки и сборки.

Рис. 1 — Нефтеперерабатывающая установка ЭЛОУ — 11 (Новокуйбышевский НПЗ).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, выпускаемые заводами химического машиностроения, являются самым распространенным видом (до 40% /1/ от общего веса) технологического оборудования (рис. 2).

При проектировании новой, изготовлении и ремонте существующей аппаратуры в условиях наращивания мощностей технологических установок (примерно в 4 раза за каждые 10 лет 121), основное внимание направлено на повышение эксплуатационного срока службы теплообмен-ных аппаратов и увеличения сроков межремонтных пробегов технологических линий в целом.

По данным нефтеперерабатывающей и нефтехимической промыш-ленностям убытки, связанные с простоем технологических линий в результате низкого качества закрепления труб в трубных решетках в 10−15 раз /3/ превышают стоимость самих дорогостоящих (100 тыс, рублей/тонну и более) теплообменных аппаратов.

Рис. 2 — Блок теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей установки ЭЛОУ- 11 (Новокуйбышевский НПЗ).

Усовершенствованию многие годы подлежат как конструкции сборок труб в трубных решетках, а также технологические процессы образования неразъемных соединений, так как, например, около 80% простоев теплообменной аппаратуры, изготовленной с применением механической вальцовки, вызвано разгерметизацией и коррозией труб в пределах вальцовочного пояска /4/.

Недостатки существующей большой разновидности технологических процессов закреппения труб в трубных решетках (механическая вальцовка, виброразвальцовка, гидропротягивание, запрессовка высоким гидравлическим давлением, запрессовка взрывчатыми веществами, электрогидравлическая запрессовка и так далее), даже при использовании доработанных конструкций сборок труб с трубными решетками, предопределяются неэффективностью положенного в их основу поперечно-прессового механизма образования соединений, когда:

1. Требуемые характеристики прочности и плотности достигаются только на стадии совместной деформации трубы и трубной решетки, причем на достаточно большой площади контакта соединяемых эпементов;

2. Напичие микронеровностей на контактируемых поверхностях соединяемых элементов обусловливают необходимость использования высоких по уровню радиальных давлений, которые, в конечном итоге, вызывают коробление трубной решетки;

3. Кольцевые канавки, предусмотренные в трубном отверстии, не за-попняются материалом трубы;

4. Коррозионная стойкость соединений труб с трубными решетками, как важнейшая служебная характеристика, не регламентируется техническими документами.

Рис. 3 — Трубные пучки перед их ремонтом {ООО «Ремонтно-механический завод» ЗАО НК ЮКОС — РМ).

Применение той или иной технологии закрепления труб в трубных решетках оправдано для определенных конструкций теплообменной аппаратуры, условий и требований её эксплуатации. Недостаточно обоснованный её выбор приводит к урону (аварии на Чернобыльской АЭС, АЭС «Хенфорд», «Тарапур» «Сан-онофр», «Милма», «Шипинг-порт», на атомных подводных лодках «Морской волк» (США), «Комсомолец», на Самарском НПЗ в ноябре 1997 года), который невозможно оценить только в денежном выражении.

Вибрационные, ударные и другие знакопеременные нагрузки при одновременном воздействии высоких давлений, температур и агрессивных сред обусловливают необходимость применения новых конструктивных решений в соединениях труб с трубными решетками, повышающими качество теплообменников, что, в свою очередь, ставит новые технологические задачи, связанные с закреплением труб в трубных решетках при изготовлении и ремонте трубных пучков.

Эффективная технологическая управляемость служебными характеристиками соединений, в том числе и их коррозионной стойкостью, достигается разработанным автором настоящей работы усовершенствованного механизма продольно — прессового локализованного закрепления и на его основе — рациональной технологий образования неразъемных соединений. При этом используются универсальные конструкции теплообменных труб с профилированными законцовками и соответствующие им новые конструкции сборок соединяемых элементов.

Данный механизм позволил впервые реализовать технологию закрепления труб в трубных решетках, где их плотность, прочность и коррозионная стойкость формируются раздельно как по времени, так и по местоположению. Управление служебными характеристиками весьма эффективно и прогнозируем срок межремонтного пробега любого трубного пучка.

Настоящая работа представляет собой законченный этап исследований, проводимых сотрудниками ООО «Ремонтно-механический завод» ЗАО НК ЮКОС — РМ под руководством автора настоящей работы и при активном участии сотрудников СГАУ имени академика С. П. Королева.

Результаты исследований позволили разработать научно-обоснованные рекомендации и технические требования на проектирование технологических процессов производства теплообменных труб с профилированными законцовками условия ТУ 1212−001−43 950 522−02 «Крепление труб с профилированными законцовками в трубных решетках теплообменных аппаратов» со сроком введения 01.06.2002 года, изготовление оснастки и выбор оборудования, а также на выполнение операций закрепления труб в трубных решетках.

Практическим итогом работы явилось проектирование и изготовление специальных производственных комплексов для производства труб с профилированными законцовками, получения отверстий в трубных решетках, а также изготовления трубных пучков в количестве 36 штук для Новокуйбышевского и Самарского НПЗ, ООО «Этанол», ООО «Завод масел и присадок».

Материал настоящей работы докладывался на научно-технических конференциях г. г. Москвы, Самары и Орла, а также на НТС родственных предприятий городов Тольятти, Бугульмы, Подольска, Воронежа и Калугиобсуждался со специалистами из Азербайджана, Казахстана и Германии.

На международной выставке «Нефть и Газ — 97» и «Нефть и Газ -2001» представленные результаты работы вызвали положительные отзывы отечественных и зарубежных специалистов: «Индреско» (США), «Китайнефтегаз» и др.

На состоявшейся в августе 2001 года презентации продукции ООО «Ремонтно-механический завод» новые технологические процессы закрепления труб в трубных решетках при изготовлении и ремонте тепло-обменных аппаратов получили одобрение со стороны специалистов заинтересованных предприятий (см. в приложении «Заключение о новых технологиях»).

Автор настоящей работы выражают глубокую благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Гречникову Ф. В., д.т.н., проф. Козий С. И. и коллективу кафедры ОМД СГАУ имени академика С. П. Королева за её активное обсуждениеинженерно-техническим работникам ООО «РМЗ», Большаковой Г. И., Мартыновой Е. В., Тамаровой О. Т., Христову В. Р., Иванникову Ю. Д., Глухову В. С., Землякову П. В., Дегтяреву Е. П., Переплетину А. Г., за помощь по освоению и внедрению новых разработок в производствосотрудникам ЦЗЛ АО «Авиакор», Анискиной В. И., Куликовой Н. А., Осипову Н. М., за помощь в проведении испытаний неразъёмных соединений, сотрудникам, отдела механизации и автоматизации АО «Авиакор».

Иванову А. И.], Копелевичу А. М., Пескову А. Н., Долгушину С. И. за консультации, состоявшиеся в процессе выполнения настоящей работы.

1. Продольно-прессовый механизм образования неразъёмных соединений и на его основе — технологические процессы закрепления труб в трубных решетках.

Кожухотрубчатая теплообменная аппаратура является самой распространенной и интенсивно эксплуатируемой химическими, нефтеперерабатывающими и другими предприятиями.

Результаты работы послужили основанием для следующих выводов:

1. Разработана усовершенствованная методология продольно-прессового локализованного закрепления труб в трубных решетках, позволяющая эффективно управлять дискретно-пластическим формированием повышенных и долговременных служебных характеристик неразъёмных соединений (прочность труб на вырыв из трубной решетки превышает их прочность при растяжении в исходном сечениидавление разгерметизации не менее 16 МПа, срок межремонтного пробега трубных пучков при их бездефектной работе более 7 лет).

Создана обобщенная технологическая модель закрепления труб, включающая операции: раздачи законцовки в сочетании с эффективной изгибной деформацией её полотнадорнование отверстий законцовки с предварительной её раздачей на конус, образованием пластического шарнира и последующем заполнением свободных объёмов поперечными сдвигами в полотне в условиях объёмной схемы напряженно-деформированного состояния.

2. Расчетными параметрами технологической модели закрепления труб в трубных решетках являются конструкция профилированной законцовки (длина опорного участка и его консольной частидлина переходного конического участкадлина и форма поперечного сечения нагружаемого участка) — конструкция трубного отверстия (глубина и форма поперечного сечения кольцевых канавокдлина кольцевых поясков) — сборки соединяемых элементов (длина выступания торца законцовки над лицевой поверхностью трубной решетки) — стадии закрепления и силовые характеристики их выполненияконтроль неразъёмных соединений путём замера диаметра отверстия в трубах и их сравнение с контрольными значениями.

3. Разработан технологический процесс получения законцовки с внешним и внутренним профилированием для изготовления новых и трубных пучков ремонтного варианта. Впервые в практике производства законцовок используется локальный радиальный обжим, как элемент технологии, интенсифицирующий пластическую деформацию материала трубы. При этом достигается их единый типоразмер, что снижает потребность в инструменте по номенклатуре и его количеству.

4. Разработана концепция построения полуавтоматической линии с производительностью в 60 труб/час из специализированного оборудования, разработанного на ООО «Ремонтно-механический завод»: косовал-ковая правильная машина, машина для зачистки концов труб, торцовочная машина, горизонтальный гидравлический пресс двойного действия, универсальный производственный комплекс для дорнования.

5. Разработаны способы ускоренных испытаний, имитирующих влияние коррозии на внутренние слои трубы при параметрах эксплуатации трубных пучков, что позволяет прогнозировать их срок бездефектной работы.

6. Выпущены технические условия ТУ 1212−001−43 950 522−02 «Крепление труб с профилированными законцовками в трубных решетках теплообменных аппаратов» со сроком введения 01.06.2002 года.

7. Изготовление трубных пучков для предприятий нефтепереработки и нефтехимии обеспечило получение экономического эффекта в размере около 500 тыс. рублей.

Результаты настоящих исследований вошли в состав конкурсной работы «Высокоэффективные технологии изготовления и ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов», удостоенной Губернской премии по Самарской области за 2001 год.

Заключение

.

Настоящая работа выполнена с целью создания научно обоснованной высокоэффективной технологии усовершенствованного продольно-прессового локализованного закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов.

Программа исследований, намеченная в соответствии с целью работы, выполнена полностью.