CH615369A5

CH615369A5 - Method for the hydraulic pressure-tight fixing of tubes in holes of tube plates

Info

Publication number: CH615369A5
Application number: CH291377A
Authority: CH
Inventors: Herbert Krips; Miroslav Dr Dipl Ing Podhorsky
Original assignee: Balcke Duerr Ag
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1980-01-31
Also published as: IT1076425B; DE2622753A1; ATA392977A; DE2622753C3; NL7702798A; GB1543524A; CS194793B2; FR2351726B1; JPS52142356A; SE424827B; DE2622753B2; FR2351726A1; CA1079041A; BR7702353A; BE854788A; AT351901B; ZA77960B; ATA363477A; AT363477B; SE7704539L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydraulischen druckdichten Befestigen von Rohren in Bohrungen von Rohrplatten, insbesondere bei Wärmetauschern, bei dem die Rohre mit Spiel in die Bohrungen eingesetzt, anschliessend durch ein hydraulisches Druckmittel aufgeweitet und an die Bohrungswandung angepresst werden. The invention relates to a method for the hydraulic pressure-tight fastening of tubes in bores of tube plates, in particular in heat exchangers, in which the tubes are inserted into the bores with play, then expanded by a hydraulic pressure medium and pressed against the bore wall.

Für das Befestigen von Rohren in Bohrungen von Rohrplatten für Wärmetauscher ist bisher das seit langem bekannte Verfahren des mechanischen Einwalzens der Rohre angewendet worden. Die Verbindung zwischen Rohr und Rohrplatte stellt im Apparatebau einen Fertigungsprozess von grosser sicherheitstechnischer und verfahrenstechnischer Bedeutung dar. Die Anforderungen an die Sicherheit und Lebensdauer einer solchen Rohrbefestigung sind in den letzten Jahren allgemein und vor allem im Hinblick auf die Verwendung von Wärmetauschern in Kernenergieanlagen ganz erheblich gestiegen. Diese erhöhten Qualitätsanforderungen lassen sich mit dem mechanischen Einwalzen nicht in ausreichendem Masse erfüllen, abgesehen davon, dass das Einwalzverfahren relativ zeitaufwendig ist. The long-known method of mechanically rolling in the tubes has hitherto been used for fastening tubes in bores of tube plates for heat exchangers. The connection between the tube and the tube plate represents a manufacturing process of great safety and procedural importance in apparatus engineering. The requirements for the safety and service life of such a tube fastening have increased significantly in recent years in general and especially with regard to the use of heat exchangers in nuclear power plants . These increased quality requirements cannot be met with mechanical rolling to a sufficient extent, apart from the fact that the rolling process is relatively time-consuming.

Nach einer anderen bekannten Methode zur Befestigung von Rohren in Bohrungen wird das Rohr unter Verwendung eines hydraulischen Druckmittels aufgeweitet und gegen die Bohrungswandung gepresst, wobei der die Wandung umgebende Werkstoff der Rohrplatte teilweise mitverformt wird. According to another known method for fastening tubes in bores, the tube is expanded using a hydraulic pressure medium and pressed against the bore wall, the material of the tube plate surrounding the wall being partially deformed as well.

Eine Einrichtung, mittels derer Rohre durch hydraulisches Aufweiten in Bohrungen befestigt werden können, ist aus der DE-OS 24 00 148 bekannt. A device by means of which pipes can be fastened in bores by hydraulic expansion is known from DE-OS 24 00 148.

Das Verfahren des hydraulischen Aufweitens von Rohren ist dem mechanischen Anwalzen in der Handhabung und in der Wirtschaftlichkeit überlegen. Was die Zuverlässigkeit der Dichtheit unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen anbelangt, sind jedoch die Ergebnisse der bisher bekanntgewordenen hydraulischen Aufweitverfahren noch nicht zufriedenstellend. The process of hydraulically expanding pipes is superior to mechanical rolling in terms of handling and economy. As far as the reliability of the tightness under all expected operating conditions is concerned, however, the results of the hydraulic expansion methods which have become known so far are not yet satisfactory.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass an sich bekannte Verfahren, Rohre durch hydraulisches Aufweiten druckdicht in Bohrungen zu befestigen, dahingehend weiterzuentwickeln, dass unter Berücksichtigung der Werkstoffe und der geometrischen Abmessungen eine gewünschte Verspan-nung des Rohres in der Bohrung, d. h. ein vorher bestimmbarer Haftdruck, erzielt wird. Der Haftdruck ist hierbei ein Mass für die Kraft, mit der das Rohr in der Rohrplatte gegen axiales Herausziehen aus der Bohrung gehalten wird. The object of the invention is to further develop known methods of fastening pipes pressure-tightly in bores by hydraulic expansion in such a way that, taking into account the materials and the geometric dimensions, a desired tensioning of the tube in the bore, i. H. a previously determinable adhesive pressure is achieved. The adhesive pressure is a measure of the force with which the tube is held in the tube plate against axial pulling out of the bore.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Druck des hydraulischen Druckmittels bis zu einem Druckwert gesteigert wird, bei dem eine solche Aufweitung des Rohres und der Bohrungswandung eingetreten ist, dass nach der Druckentlastung die Differenz der unbehinderten elastischen Rückwege des Rohres und der Bohrungswandung positiv ist und somit eine bleibende Umklammerung des Rohres durch die Bohrungswandung erzeugt wird. This object is achieved according to the invention in that the pressure of the hydraulic pressure medium is increased up to a pressure value at which such an expansion of the tube and the bore wall has occurred that after the pressure relief, the difference between the unobstructed elastic return paths of the tube and the bore wall is positive and thus a permanent clasping of the tube is generated by the bore wall.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der Druck des hydraulischen Druckmittels kontinuierlich gesteigert werden kann. A further embodiment is that the pressure of the hydraulic pressure medium can be increased continuously.

Die Erfindung vermittelt die Erkenntnis, dass es zur Erzielung einer einwandfreien Rohrbefestigung, bei der das Rohr nach dem Aufweitvorgang in der Bohrung unter einer vorgegebenen Spannkraft steht, notwendig ist, den Aufweitdruck über einen vorgegebenen Grenzwert zu steigern. Dieser Grenzwert ist der Druck, bei dem die unbehinderten elastischen Rückwege von Bohrung und Rohr gleich gross sind, d. h. ihre Differenz den Wert null ergibt. Die physikalischen Zusammenhänge werden nachfolgend noch erläutert. The invention conveys the knowledge that it is necessary to increase the expansion pressure above a predetermined limit value in order to achieve a perfect pipe fastening, in which the pipe is under a predetermined clamping force after the expansion process in the bore. This limit is the pressure at which the unobstructed elastic return paths of the bore and the pipe are the same, i.e. H. their difference is zero. The physical relationships are explained below.

Ein bedeutsamer Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, dass aufgrund des messbaren Arbeitsdruckes des flüssigen Druckmittels der erforderliche Aufweitdruck genau eingestellt werden kann und folglich eine grosse Genauigkeit in der Erzielung der gewünschten Verspannung des Rohres erreichbar ist. Der genau messbare Arbeitsdruck gewährleistet ferner eine hohe Gleichmässigkeit bei der Vielzahl der sich wiederholenden Rohrbefestigungen an einer einzigen Rohrplatte. Hinzu kommt, dass die Aufweitzonen bei Verwendung einer Einrichtung, wie sie aus der vorstehend erwähnten Offenlegungsschrift bekannt ist, genau begrenzt werden können. Dadurch ist es möglich, einen Spalt zwischen Rohr und Rohrplatte auch am Ende der Bohrung auf der Platteninnenseite zuverlässig zu vermeiden. Die Aufweitzone wird hierbei bis an den Rand der Bohrung gelegt. Bisher war es nicht möglich, bis in den Randbereich zu walzen, ohne die Rohre zu gefährden. Vorhandene Spalte bei einer Rohrbefestigung sind aber bekanntlich Ursachen für Korrosionsnester. An important advantage of the new method is that the required expansion pressure can be set precisely on account of the measurable working pressure of the liquid pressure medium, and consequently a high degree of accuracy can be achieved in achieving the desired tensioning of the pipe. The precisely measurable working pressure also ensures a high level of uniformity with the large number of repeated pipe attachments on a single pipe plate. In addition, the expansion zones can be precisely limited when using a device as is known from the aforementioned publication. This makes it possible to reliably avoid a gap between the tube and the tube plate, even at the end of the hole on the inside of the plate. The expansion zone is placed up to the edge of the hole. Until now, it was not possible to roll to the edge without endangering the pipes. Existing gaps in pipe fastening are known causes of corrosion nests.

Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und anhand von zeichnerischen Darstellungen erläutert. Es zeigen: Details of the invention are explained below using an exemplary embodiment and with the aid of drawings. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum hydraulischen Aufweiten von Rohren mit Hilfe einer Sonde und Fig. 1 is a schematic representation of a device for hydraulic expansion of pipes with the aid of a probe and

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Verformungen von Rohr und Rohrplatte während des Aufweitvorganges. Fig. 2 is a diagram of the course of the deformation of the tube and tube plate during the expansion process.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zum Aufweiten enthält eine Sonde 1, eine Pumpe 2, einen Druckwandler oder Multiplikator 3, ein Druckmessgerät 4, ein Uberströmventil 5, einen Vorratsbehälter 6 für Druckflüssigkeit und ein Schaltventil 7. The device for expanding shown in FIG. 1 contains a probe 1, a pump 2, a pressure converter or multiplier 3, a pressure measuring device 4, an overflow valve 5, a reservoir 6 for pressure fluid and a switching valve 7.

Das aufzuweitende Rohr 8 ist in die Bohrung einer Rohrplatte 9 eingesetzt. Die Sonde 1 enthält einen zylindrischen Dorn, auf dem zwei Dichtringe 10 in umlaufenden Nuten gelagert sind, die einen zwischen ihnen liegenden ringförmigen Aufweitraum an den Enden abdichten. The pipe 8 to be expanded is inserted into the bore of a pipe plate 9. The probe 1 contains a cylindrical mandrel, on which two sealing rings 10 are mounted in circumferential grooves, which seal an annular expansion space between them at the ends.

Die Arbeitsweise der Aufweiteinrichtung ist folgende: The expansion device works as follows:

Vor Beginn des Aufweitens wird der Sekundärbereich mit Flüssigkeit angefüllt und der Stufenkolben des Multiplikators 3 in die in der Zeichnung wiedergegebene Ausgangsstellung gedrückt. Dieser Zustand wird dadurch erreicht, dass das Schaltventil 7 in die Stellung «Füllen» gebracht wird. Anschliessend wird das Schaltventil in die Stellung «Aufweiten» umgelegt. Der mittels der Hochdruckpumpe 2 erzeugte Druck wirkt auf die grosse Querschnittsfläche des Stufenkolbens des Multiplikators 3, wodurch entsprechend dem Querschnittsverhältnis des Stufenkolbens im Sekundärbereich ein entsprechend erhöhter Druck erzeugt wird. Der Arbeitsdruck im Sekundärbereich wird anhand des Druckmessgerätes 4 im Primärbereich kontrolliert. Die Begrenzung des Primärdruckes erfolgt durch das Überströmventil 5. Sobald der gewünschte Before the expansion begins, the secondary area is filled with liquid and the step piston of the multiplier 3 is pressed into the starting position shown in the drawing. This state is achieved in that the switching valve 7 is brought into the “fill” position. The switching valve is then switched to the "expand" position. The pressure generated by means of the high-pressure pump 2 acts on the large cross-sectional area of the step piston of the multiplier 3, as a result of which a correspondingly increased pressure is generated in accordance with the cross-sectional ratio of the step piston in the secondary region. The working pressure in the secondary area is checked using the pressure measuring device 4 in the primary area. The primary pressure is limited by the overflow valve 5. As soon as the desired one

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

615 369 615 369

Höchstdruck erreicht worden ist, wird die Flüssigkeit über das Überströmventil aus dem Primärbereich in den Vorratsbehälter 6 abgeleitet. Maximum pressure has been reached, the liquid is discharged from the primary area into the reservoir 6 via the overflow valve.

Nach Beendigung des Aufweitvorganges wird das Schaltventil in die Stellung «Entlasten» bewegt. Die Sonde 1 kann danach ohne Schwierigkeit aus dem aufgeweiteten Rohr 8 herausgezogen werden. After the expansion process has been completed, the switching valve is moved to the "Relieve" position. The probe 1 can then be pulled out of the expanded tube 8 without difficulty.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Verformungen des Rohres 8 und der Rohrplatte 9 während des Aufweitvorganges. Im Bereich a wird das Rohr 8 mit ständig steigendem Druck des Druckmittels elastisch bis zur Fliessgrenze beansprucht. Im Bereich b fliesst das Rohr 8, bis es das Spiel zwischen Rohraus-senwandung und Bohrungswandung überbrückt hat. Dieser Vorgang findet ohne nennenswerte Steigerung des Druckes des Druckmittels statt. Im Bereich c findet die elastische Verformung der Bohrungswandung in der Rohrplatte 9 statt, wobei gleichzeitig das Rohr 8 weiter plastisch verformt wird. Fig. 2 shows the course of the deformations of the tube 8 and the tube plate 9 during the expansion process. In area a, the tube 8 is subjected to elastic stresses up to the yield point with constantly increasing pressure of the pressure medium. In area b, the pipe 8 flows until it has bridged the clearance between the outer wall of the pipe and the wall of the bore. This process takes place without any appreciable increase in the pressure of the pressure medium. The elastic deformation of the bore wall in the tube plate 9 takes place in the area c, the tube 8 simultaneously being plastically deformed.

Der Enddruck wird unter Berücksichtigung der Werkstoffe, der Geometrie von Rohr 8 und Rohrplatte 9 und im Hinblick auf den gewünschten Haftdruck berechnet und am Überströmventil 5 eingestellt. The final pressure is calculated taking into account the materials, the geometry of tube 8 and tube plate 9 and with regard to the desired adhesive pressure and set at the overflow valve 5.

Die in Fig. 2 auf der Radialkoordinate aufgetragenen Strecken a und c sind ein Mass für die elastische Verformung des Rohres und der Rohrplatte. Sie geben damit gleichzeitig auch die unbehinderten elastischen Rückwege dieser beiden Bestandteile wieder. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist die Strecke c grösser als die Strecke a, d. h. die Differenz der unbehinderten elastischen Rückwege von Plattenbohrung und Rohr ist positiv. The distances a and c plotted on the radial coordinate in FIG. 2 are a measure of the elastic deformation of the tube and the tube plate. At the same time, they also reflect the unimpeded elastic return paths of these two components. As can be seen from the diagram, the distance c is greater than the distance a, d. H. the difference between the unobstructed elastic return paths of the plate bore and the tube is positive.

Der Aufweitdruck, bei dem die unbehinderten elastischen Rückwege von Plattenbohrung und Rohr gleich gross sind, d. h. c' - a = o, wird als Grenzdruck bezeichnet. Wenn beim Aufweiten der Arbeitsdruck gerade diesen Grenzwert erreicht, liegt das Rohr nach der Druckentlastung zwar an der Bohrungswandung an, es ist aber praktisch keine Umklammerung und damit kein Haftdruck vorhanden. Man erkennt hieran, dass es zur Erzielung einer festen Rohrverbindung notwendig ist, während des Aufweitvorganges den Arbeitsdruck bis über den erwähnten Grenzdruck hinaus zu steigern. The expansion pressure at which the unimpeded elastic return paths of the plate bore and tube are the same size, i.e. H. c '- a = o, is called the limit pressure. If the working pressure just reaches this limit during expansion, the pipe is in contact with the wall of the bore after the pressure relief, but there is practically no clasping and therefore no adhesive pressure. This shows that in order to achieve a firm pipe connection, it is necessary to increase the working pressure to above the limit pressure mentioned during the expansion process.

15 15

20 20th

25 25th

Zahlenbeispiel Numerical example

Rohraussendurchmesser Pipe outside diameter

Rohrwandstärke Pipe wall thickness

Rohrwerkstoff Pipe material

Rohrplattenwerkstoff Pipe plate material

Dreiecksteilung erzielte Ergebnisse: Triangle division results:

Fliessdruck des Rohres Flow pressure of the pipe

Grenzdruck Limit pressure

Enddruck Final pressure

Haftdruck, errechnet Adhesive pressure, calculated

22 mm 2,9 mm Incoloy 800 22 NiMoCr 37 30 mm 22 mm 2.9 mm Incoloy 800 22 NiMoCr 37 30 mm

1995 bar 3106 bar 4700 bar 728 bar s 1995 bar 3106 bar 4700 bar 728 bar s

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

615 369 2 P ATENTANS PRÜCH E

1. A method for hydraulic pressure-tight fastening of pipes in the bores of tube plates, in particular in heat exchangers, in which the tubes are inserted into the bores with play, expanded by a hydraulic pressure medium and pressed against the bore wall, characterized in that the pressure of the hydraulic pressure medium is increased up to a pressure value at which such an expansion of the tube and the bore wall has occurred that after the pressure relief the difference between the unrestricted elastic return paths of the tube and the bore wall is positive and thus a permanent clasping of the tube is generated by the bore wall.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure of the hydraulic pressure medium is continuously increased.