Значение правильной длины выступа расширителя для герметичных развальцованных соединений

Утечка, которую можно было предотвратить

На химическом заводе в регионе побережья Мексиканского залива был запланирован плановый ремонт для замены тридцати шести трубок теплообменника в критически важном технологическом блоке. Бригада технического обслуживания использовала расширитель труб с типовой длиной развальцовки, которая ранее показала хорошие результаты при выполнении аналогичных работ. Все трубки были развальцованы, гидростатическое испытание пройдено, и блок был собран. Через две недели после пуска в эксплуатацию в одном из соединений трубки началось подтекание — всего несколько капель в минуту, но этого оказалось достаточно, чтобы выявить проблему. В течение месяца ещё шесть соединений начали протекать. Блок пришлось экстренно остановить для ремонта, что обошлось заводу почти в 90 000 долларов США потерь от простоя и затрат на замену рабочей силы.

В чём причина? Толщина трубной решётки данного теплообменника превышала толщину решёток предыдущих теплообменников, с которыми работала бригада. Типовая длина развальцовки не обеспечивала полного охвата толщины трубной решётки. Действие развальцовки не достигало задней поверхности соединения, в результате чего оставался неразвальцованный участок, который впоследствии стал путём утечки.

Длина выступа — расстояние, на которое трубка выходит за пределы трубной решётки, — это параметр, который нельзя определить приблизительно. Это критическая размерность, определяющая, будет ли развальцовочное соединение оставаться герметичным в течение многих лет или выйдет из строя уже через несколько недель.

Что на самом деле означает длина выступа

Выступ трубки — это расстояние, на которое трубка выходит за лицевую поверхность трубной решётки. Этот размер имеет значение, поскольку ролики развальцовочного инструмента должны охватывать полную толщину трубной решётки плюс длину выступа, а также небольшой дополнительный участок за посадочной поверхностью трубки, чтобы обеспечить полную развальцовку.

Если длина выступа слишком мала, у роликов не хватает материала для правильного захвата. Процесс развальцовки начинается внутри трубной решётки, а не с её лицевой поверхности, что может привести к недостаточной развальцовке в передней части соединения. Если длина выступа слишком велика, ролики заходят в свободный пролёт трубки за пределами трубной решётки, утоняя стенку трубки в неподдерживаемой зоне и создавая концентратор напряжений, способный вызвать образование трещин при термических циклах.

Типичный вылет для теплообменников кожухотрубного типа находится в диапазоне от 3/16 дюйма до 9/32 дюйма; при этом 3/16 дюйма часто используется в качестве исходной точки. Однако это лишь общие рекомендации: фактический вылет зависит от диаметра трубы, толщины её стенки, толщины трубной решётки и конкретной конструкции соединения.

Расчёт необходимой длины развальцовки

Необходимая длина развальцовки не выбирается произвольно. Она рассчитывается как сумма трёх составляющих: длины посадочного участка трубы в трубной решётке, вылета трубы за пределы трубной решётки и длины развальцовки, выходящей за пределы посадочного участка трубы. .

Практическая формула выглядит следующим образом: длина развальцовки = длина посадочного участка трубы + вылет трубы + развальцовка за пределами посадочного участка. Длина развальцовки за пределами посадочного участка обычно составляет от 1/8 дюйма до 1/4 дюйма, что обеспечивает распространение деформации за заднюю поверхность трубной решётки.

Пропуск любого из этих компонентов означает, что разжиматель не полностью охватит соединение. В результате получается частично разжатая трубка, которая внешне выглядит нормально, но имеет слабый участок, где могут возникнуть утечки. В некоторых случаях этот слабый участок не обнаруживается при гидростатическом испытании, но проявляется после термоциклирования или колебаний давления в процессе эксплуатации.

Уменьшение толщины стенки: скрытый параметр

Длина выступа работает совместно с уменьшением толщины стенки — процентным снижением толщины стенки трубки в процессе расширения. В отраслевой практике обычно целевое значение уменьшения толщины стенки составляет от 4 до 10 процентов, при этом для углеродистой стали и аустенитных материалов наиболее распространённый диапазон — от 5 до 8 процентов.

Если длина выступа слишком велика, ролики уменьшают толщину стенки трубки на неподдерживаемом свободном участке за пределами трубной решётки. Это приводит к локальному уменьшению толщины стенки, которое может не вызвать немедленного отказа, однако создаёт слабое место при вибрации или термических циклах. Напротив, если длина выступа слишком мала, расширение не обеспечивает требуемого уменьшения толщины стенки в передней части соединения, в результате чего механическая прочность соединения остаётся недостаточной.

Связь между выступом и уменьшением толщины стенки не является линейной. Незначительное изменение величины выступа может привести к существенному изменению конечной толщины стенки в зоне стыка. Поэтому измерение и контроль выступа до прокатки столь же важны, как и контроль крутящего момента прокатки или уменьшения толщины стенки в процессе.

Измерение и проверка

Выступ нельзя оценивать «на глаз». Простой глубиномер или штангенциркуль позволяет точно измерить, насколько далеко труба выступает за плоскость трубной решётки. При новых установках такое измерение выполняется без затруднений. При замене труб существующие обрезки труб могут потребовать удаления, а поверхность трубной решётки — очистки для получения точных показаний.

Проверка не ограничивается измерением выступа до развальцовки. После развальцовки визуальный осмотр концов труб на наличие правильного развальцовки или формирования буртика подтверждает, что развальцовка охватила весь стык. У правильно развальцованной трубы наблюдается плавный переход от поверхности трубной решётки к развальцованному участку без резких изменений диаметра или видимых зазоров.

Ультразвуковые методы измерения также позволяют проверить уменьшение толщины стенки после развальцовки, обеспечивая количественное подтверждение того, что развальцовка соответствует заданным параметрам и не привела к образованию дефектов . Этот метод особенно ценен для агрегатов, работающих в условиях повышенных требований, где отказ стыка влечёт за собой серьёзные последствия для безопасности или эксплуатации.

Учёт свойств материала и их влияние

Разные материалы труб ведут себя по-разному при расширении. Углеродистая сталь упрочняется при прокатке, то есть труба становится твёрже и менее подвержена дальнейшей деформации по мере продвижения процесса расширения. У нержавеющей стали и других аустенитных материалов иные характеристики упрочнения при деформации, поэтому может потребоваться корректировка вылета или техники прокатки.

Толщина стенки трубы также влияет на требуемый вылет. Трубы с тонкими стенками более чувствительны к чрезмерному расширению: избыточный вылет приводит к чрезмерному утонению стенки значительно быстрее, чем у трубы с толстыми стенками. Для труб с толстыми стенками требуется большее усилие прокатки, а для достижения того же относительного уменьшения толщины стенки может понадобиться более длинный прокат.

Материал трубной решетки также имеет значение. Более твердые материалы трубных решеток устойчивы к деформации, что требует большего усилия прокатки и может повлиять на взаимодействие выступа с процессом расширения. Более мягкие материалы могут позволить трубе расширяться легче, изменяя эффективное уменьшение толщины стенки при заданной длине выступа.

Когда возникают проблемы: диагностика неисправностей выступа

Утечки в прокатанных соединениях часто связаны с проблемами выступа, однако для точной диагностики необходимо проанализировать характер отказа. Утечки на передней поверхности трубной решетки — там, где труба входит в решетку — обычно указывают на недостаточную длину выступа или на то, что длина прокатки не охватывает полную толщину трубной решетки .

Течь с задней стороны или выделение влаги из стыкового соединения указывает на то, что вылет был достаточным, но уменьшение толщины стенки недостаточным либо на то, что развальцовка не вышла достаточно далеко за пределы посадочного места трубы. Трещины в трубе непосредственно за трубной решёткой часто свидетельствуют о чрезмерном вылете, вызвавшем истончение стенки в свободном пролёте.

Во всех случаях фиксация длины вылета, длины развальцовки и полученного уменьшения толщины стенки создаёт документальную запись, которая помогает диагностировать проблемы и предотвращать их повторное возникновение. Когда соединение выходит из строя, знание того, какие именно действия были выполнены — а не просто факт отказа — определяет разницу между устранением симптома и устранением коренной причины.

Для операций, требующих надёжных, герметичных развальцованных соединений на трубах различных диаметров и из разных материалов, важны как точные инструменты для развальцовки, так и квалифицированная техническая поддержка. Такие производители, как компании из сети Taizhou Ruiqi Tools, уже много лет поставляют промышленным заказчикам оборудование для развальцовки труб, уделяя особое внимание точности геометрических размеров и стабильному качеству — это позволяет предотвращать отказы, связанные с некачественной развальцовкой, ещё до их возникновения.