RU214454U1

RU214454U1 - HOT-PRESSED PIPE WITH INTERNAL HELICAL FIN

Info

Publication number: RU214454U1
Application number: RU2022120008U
Authority: RU
Inventors: Ярослав Игоревич Космацкий; Игорь Юрьевич Пышминцев; Борис Владимирович Баричко; Николай Владимирович Трутнев; Евгений Михайлович Засельский; Валерий Борисович Восходов
Original assignee: Акционерное общество "Волжский трубный завод"
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2022-10-28

Abstract

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, а именно к производству труб, и может быть использована при изготовлении стальных горячепрессованных труб с внутренним винтообразным оребрением, предназначенных для использования в энергетическом машиностроении при изготовлении котельного оборудования. Труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением содержит на внутренней поверхности направляющие выступы, выполненные по винтовым линиям на всей длине трубы, и образованные между ними впадины. Угол наклона винтовых линий к продольной оси трубы составляет 6÷24 градуса, в поперечном сечении трубы выступы и впадины имеют форму трапеции с одинаковыми размерами, при этом размер малого основания b каждого выступа и впадины рассчитан по формуле:

The utility model relates to the field of metal forming, namely the production of pipes, and can be used in the manufacture of hot-pressed steel pipes with internal helical fins, intended for use in power engineering in the manufacture of boiler equipment. The hot-pressed pipe with internal helical finning contains on the inner surface guide ledges made along helical lines along the entire length of the pipe, and depressions formed between them. The angle of inclination of the helical lines to the longitudinal axis of the pipe is 6÷24 degrees, in the cross section of the pipe, the protrusions and depressions have the shape of a trapezoid with the same dimensions, while the size of the small base b of each protrusion and depression is calculated by the formula:

где D - наружный диаметр трубы, мм;where D is the outer diameter of the pipe, mm;

s - номинальная толщина стенки трубы, мм,s - nominal pipe wall thickness, mm,

h - высота выступа или глубина впадины, мм;h is the height of the protrusion or the depth of the depression, mm;

n - количество выступов или впадин;n is the number of protrusions or depressions;

β - угол наклона боковой поверхности выступа в поперечном сечении трубы, град.β - angle of inclination of the side surface of the protrusion in the cross section of the pipe, deg.

Достигается повышение качества горячепрессованных труб за счет винтообразного оребрения в форме трапеции в поперечном сечении, эксплуатационного ресурса и снижение производственных затрат. 4 ил.

EFFECT: improved quality of hot-pressed pipes due to helical ribs in the form of a trapezoid in cross section, service life and reduced production costs. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, а именно к производству труб, и может быть использована при изготовлении стальных горячепрессованных труб с внутренним винтообразным оребрением, предназначенных для использования в энергетическом машиностроении при изготовлении котельного оборудования.The utility model relates to the field of metal forming, namely the production of pipes, and can be used in the manufacture of hot-pressed steel pipes with internal helical fins, intended for use in power engineering in the manufacture of boiler equipment.

Известна теплообменная труба (патент РФ №2496072, F28F 1/00, опубл. 20.10.2013), у которой канал выполнен с выступами и канавками со следующими геометрическими соотношениями: Known heat exchange tube (RF patent No. 2496072, F28F 1/00, publ. 20.10.2013), in which the channel is made with protrusions and grooves with the following geometric relationships:

h/Д=0,03, l₁=(90…100)h; l₂=(90…100)h,h / D \u003d 0.03, l ₁ \u003d (90 ... 100) h; l ₂ \u003d (90 ... 100) h,

где h - высота выступа, мм; where h is the height of the protrusion, mm;

Д - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм; D - inner diameter of the heat exchange tube, mm;

l₁ - длина выступа, мм; l ₁ - protrusion length, mm;

l₂ - длина канавки, мм.l ₂ - groove length, mm.

Известная труба относится к группе труб с интенсификаторами теплообмена. Наличие чередующихся кольцевых выступов и канавок указанной геометрии обеспечивает снижение гидросопротивления потока перемещающейся внутри трубы среды (газа или жидкости), что в конечном итоге повышает энергетическую эффективность теплообменной трубы.Known pipe belongs to the group of pipes with heat transfer intensifiers. The presence of alternating annular protrusions and grooves of the specified geometry reduces the flow resistance of the medium (gas or liquid) moving inside the pipe, which ultimately increases the energy efficiency of the heat exchange pipe.

Недостатком рассматриваемой теплообменной трубы является сложность ее изготовления, определяющая высокую себестоимость трубы. Труба может быть изготовлена только трудоемким методом металлообработки (расточка внутреннего канала режущим инструментом в виде фрезы), который имеет ограничение по длине обрабатываемой трубы и связан с потерями металла трубы в стружку. Кроме того, теплотехнические характеристики хотя и выше, чем у гладкостенной трубы, однако существенно уступают теплотехническим свойствам труб с интенсификаторами теплообмена, выполненными по винтовой линии.The disadvantage of the considered heat exchange tube is the complexity of its manufacture, which determines the high cost of the tube. The pipe can be made only by the labor-intensive metalworking method (boring the inner channel with a cutting tool in the form of a cutter), which has a limitation on the length of the processed pipe and is associated with the loss of pipe metal into chips. In addition, the thermal performance, although higher than that of a smooth-walled pipe, is significantly inferior to the thermal properties of pipes with heat transfer intensifiers made along a helix.

В трубах с интенсификаторами теплообмена, выполненными по винтовой линии, при закрутке потока в поперечном сечении жидкость перетекает от периферии к центру в результате действия градиента давления, приводящего к возникновению вихревых областей, что способствует усилению теплообмена и возникновению в теплообменных установках более предпочтительного турбулентного течения.In pipes with heat transfer intensifiers made along a helical line, when the flow is swirling in the cross section, the liquid flows from the periphery to the center as a result of the action of a pressure gradient, leading to the appearance of vortex regions, which contributes to increased heat transfer and the appearance of a more preferable turbulent flow in heat exchange installations.

Примером такой трубы, принятой в качестве прототипа, является труба для жидкости (патент РФ №7169, F16L 9/00, опубл. 16.07.1998), содержащая несколько направляющих жидкость выступов, образованных на внутренней стенке по длине трубы в виде плавных спиралей, и образованные между ними впадины. При этом каждый из направляющих жидкость выступов имеет треугольную форму.An example of such a pipe, adopted as a prototype, is a liquid pipe (RF patent No. 7169, F16L 9/00, publ. depressions formed between them. Each of the fluid guide protrusions has a triangular shape.

Основным недостатком прототипа является низкое качество труб из-за наличия концентраторов напряжений на острых элементах профиля направляющих выступов и смежных с ними впадин, что приводит к появлению трещин и разрывов на внутренней поверхности труб, а следовательно - к повышению вероятности преждевременного разрушения трубы, работающей в условиях повышенных значений давления и температуры. Другим недостатком известной конструкции является технологическая сложность изготовления труб, что увеличивает затраты на производство и себестоимость труб с внутренним винтообразным оребрением.The main disadvantage of the prototype is the low quality of the pipes due to the presence of stress concentrators on the sharp profile elements of the guide ledges and adjacent depressions, which leads to cracks and ruptures on the inner surface of the pipes, and therefore to an increase in the likelihood of premature failure of the pipe operating under conditions increased values of pressure and temperature. Another disadvantage of the known design is the technological complexity of manufacturing pipes, which increases the cost of production and the cost of pipes with internal helical fins.

Решаемая полезной моделью проблема заключается в создании конструкции горячепрессованной трубы с внутренним винтообразным оребрением, исключающей образование концентраторов напряжений на элементах профиля трубы, обеспечивающей повышение качества труб, эксплуатационного ресурса и сокращение затрат на их производство.The problem solved by the utility model is to create a design of a hot-pressed pipe with internal helical finning, which excludes the formation of stress concentrators on the elements of the pipe profile, which improves the quality of pipes, service life and reduces the cost of their production.

Технический результат - повышение качества горячепрессованных труб за счет винтообразного оребрения в форме трапеции в поперечном сечении, исключающей образование концентраторов напряжений на элементах профиля трубы.EFFECT: improving the quality of hot-pressed pipes due to helical ribbing in the form of a trapezoid in cross section, which excludes the formation of stress concentrators on the elements of the pipe profile.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением содержит на внутренней поверхности направляющие выступы, выполненные по винтовым линиям на всей длине трубы, и образованные между ними впадины. Согласно полезной модели, угол наклона винтовых линий к продольной оси трубы составляет 6÷24 градуса, а в поперечном сечении трубы выступы и впадины имеют форму трапеции с одинаковыми размерами, при этом размер малого основания b каждого выступа и впадины рассчитан по формуле:The specified technical result is ensured due to the fact that the hot-pressed pipe with internal helical finning contains guide projections on the inner surface, made along helical lines along the entire length of the pipe, and depressions formed between them. According to the utility model, the angle of inclination of the helical lines to the longitudinal axis of the pipe is 6÷24 degrees, and in the cross section of the pipe, the protrusions and depressions have the shape of a trapezoid with the same dimensions, while the size of the small base b of each protrusion and depression is calculated by the formula:

Выполнение горячепрессованной трубы, в поперечном сечении которой выступы и впадины имеют форму трапеции с одинаковыми размерами, повышает качество труб за счет обеспечения формы винтообразного оребрения без образования концентраторов напряжений на элементах профиля трубы и, соответственно, трещин и разрывов металла, обеспечивает наиболее высокие теплотехнические свойства котельных труб с внутренним оребрением, упрощает изготовление трубы за счет минимальных (при прочих равных условиях) деформационных напряжений при прессовании труб со свободным вращением пресс-иглы потоком вытесняемого из контейнера металла, снижает нагрузки при прессовании, исключает поломку прессового инструмента.The implementation of a hot-pressed pipe, in the cross section of which the protrusions and depressions have the shape of a trapezoid with the same dimensions, improves the quality of the pipes by providing the shape of helical fins without the formation of stress concentrators on the elements of the pipe profile and, accordingly, cracks and ruptures of the metal, provides the highest thermal properties of boiler rooms tubes with internal ribs, simplifies the manufacture of the tube due to minimal (ceteris paribus) deformation stresses when pressing pipes with free rotation of the press needle by the flow of metal displaced from the container, reduces the load during pressing, eliminates breakage of the pressing tool.

Размер малого основания каждого выступа и впадины в форме трапеции определяют по формуле (1), которая базируется на симметрии формы и размеров выступов и впадин на внутренней поверхности трубы. Исходя из указанной формулы, для трубы с произвольным количеством внутренних направляющих винтовых выступов n и такого же количества впадин, все выступы и впадины будут иметь одинаковую форму в виде трапеции и размеры, определяемые наружным диаметром трубы, толщиной ее стенки и высотой выступа или глубиной впадины.The size of the small base of each trapezoid protrusion and depression is determined by formula (1), which is based on the symmetry of the shape and size of the protrusions and depressions on the inner surface of the pipe. Based on this formula, for a pipe with an arbitrary number of internal guide screw protrusions n and the same number of cavities, all protrusions and cavities will have the same shape in the form of a trapezoid and dimensions determined by the outer diameter of the pipe, its wall thickness and the height of the protrusion or the depth of the cavity.

При изготовлении горячепрессованной трубы выполнение на внутренней поверхности направляющих выступов по винтовым линиям под углом наклона к продольной оси трубы от 6 до 24 градусов является обязательным условием устойчивого протекания процесса прессования со свободным вращением пресс-иглы за счет истечения металла через канал матрицы. При свободном истечении металла обеспечивается высокое качество внутренней поверхности трубы за счет исключения образования возможных концентраторов напряжений на острых элементах винтового профиля и возникновения сопутствующих им трещин и разрывов поверхности металла, снижается усилие прессования, существенно упрощается изготовление трубы, так как не требуется принудительного вращения пресс-иглы, исключается ее поломка.In the manufacture of a hot-pressed pipe, the execution on the inner surface of the guides along the helical lines at an angle of inclination to the longitudinal axis of the pipe from 6 to 24 degrees is a prerequisite for a stable pressing process with free rotation of the press needle due to the outflow of metal through the matrix channel. With the free flow of metal, a high quality of the inner surface of the pipe is ensured by eliminating the formation of possible stress concentrators on sharp elements of the screw profile and the occurrence of accompanying cracks and ruptures of the metal surface, the pressing force is reduced, and the manufacture of the pipe is greatly simplified, since forced rotation of the press needle is not required. , breakage is ruled out.

Выполнение трубы с углом наклона винтовых линий направляющих выступов к продольной оси трубы меньше 6 градусов характеризуется низкими теплотехническими характеристиками и не соответствует требованиям потребителей.The execution of the pipe with an angle of inclination of the helical lines of the guide ledges to the longitudinal axis of the pipe is less than 6 degrees is characterized by low thermal characteristics and does not meet the requirements of consumers.

Для изготовления трубы, у которой угол наклона винтовых линий направляющих выступов к продольной оси трубы больше 24 градусов, требуется значительное увеличение составляющей силы трения при прессовании, что приведет к существенному увеличению прессовой нагрузки, образованию концентраторов напряжений, трещин и разрывов поверхности металла. Кроме того, любая асинхронность скоростей течения металла и вращения пресс-иглы (при ее принудительном вращении) приведет к поломке последней.For the manufacture of a pipe, in which the angle of inclination of the helical lines of the guides to the longitudinal axis of the pipe is more than 24 degrees, a significant increase in the component of the friction force during pressing is required, which will lead to a significant increase in the pressing load, the formation of stress concentrators, cracks and ruptures of the metal surface. In addition, any asynchrony between the rates of metal flow and the rotation of the press needle (when it is forced to rotate) will lead to a breakdown of the latter.

Угол наклона винтовых линий направляющих выступов на внутренней поверхности трубы величиной 24 градуса является границей устойчивого протекания процесса прессования с точки зрения саморегулирования системы - истечения металла из матрицы с свободным вращением пресс-иглы.The angle of inclination of the helical lines of the guides on the inner surface of the pipe with a value of 24 degrees is the boundary of the stable flow of the pressing process from the point of view of the self-regulation of the system - the outflow of metal from the matrix with the free rotation of the press needle.

Предлагаемая труба поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано продольное сечение трубы с четырьмя внутренними винтовыми направляющими выступами; на фиг. 2 - поперечное сечение трубы с четырьмя внутренними направляющими выступами; на фиг. 3 изображен вид А на фиг. 2; на фиг. 4 приведено поперечное сечение трубы с двенадцатью внутренними направляющими выступами.The proposed pipe is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a longitudinal section of a pipe with four internal helical guides; in fig. 2 - cross-section of a pipe with four internal guides; in fig. 3 shows view A in Fig. 2; in fig. 4 shows a cross section of a pipe with twelve internal guides.

Конструктивно предлагаемая труба характеризуется наружным диаметром D, толщиной стенки S и длиной L (фиг.1, 2). На внутренней поверхности трубы по винтовым линиям под углом 6÷24° к продольной оси трубы выполнены направляющие выступы и расположенные между ними впадины, имеющие в поперечном сечении трубы форму трапеции (фиг. 3) с высотой выступа или глубиной впадины h. Величина малого основания Ъ каждого выступа и впадины рассчитана по формуле (1). Количество направляющих выступов n определяет теплотехнические свойства трубы, может быть различным и задается потребителем труб.Structurally, the proposed pipe is characterized by an outer diameter D, wall thickness S and length L (figure 1, 2). On the inner surface of the pipe, along helical lines at an angle of 6÷24° to the longitudinal axis of the pipe, there are guide ledges and depressions located between them, having a trapezoid shape in the cross section of the pipe (Fig. 3) with the height of the ledge or the depth of the depression h. The value of the small base b of each protrusion and depression is calculated by formula (1). The number of guides n determines the thermal properties of the pipe, it can be different and is set by the pipe consumer.

Предлагаемая труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением предназначена для использования в котельных установках и служит для передачи теплоносителя (горячей воды или пара). Проходя через внутреннюю полость трубы, теплоноситель получает дополнительное вращательное движение, обеспечивающее появление на внутренней поверхности трубы паровой рубашки, которая уменьшает тепловые потери, возникающие при прохождении теплоносителя по трубе и, соответственно, повышает КПД котельной установки.The proposed hot-pressed pipe with internal helical fins is designed for use in boiler plants and serves to transfer the coolant (hot water or steam). Passing through the inner cavity of the pipe, the coolant receives an additional rotational movement, which ensures the appearance of a steam jacket on the inner surface of the pipe, which reduces heat losses that occur when the coolant passes through the pipe and, accordingly, increases the efficiency of the boiler plant.

Трубы предлагаемой конструкции были изготовлены, например из стали 20 в прессовом цехе АО «Волжский трубный завод» с использованием оборудования прессовой линии усилием 20 МН. Параметры труб: наружный диаметр D=60,0 мм; толщина стенки S=6,0 мм; длина - 6000 мм; количество направляющих выступов n=12, угол наклона винтовых линий направляющих выступов α=20°; высота выступа h=2,0 мм; угол наклона боковой стороны выступа в поперечном сечении трубы β=17°. В поперечном сечении трубы выступы и впадины, расположенные между ними, имеют форму трапеции с одинаковыми размерами. Согласно формуле (1), величина малого основания каждого выступа и впадины составляла 5,47 мм.Pipes of the proposed design were made, for example, from steel 20 in the press shop of JSC "Volga Pipe Plant" using the equipment of a press line with a force of 20 MN. Pipe parameters: outer diameter D=60.0 mm; wall thickness S=6.0 mm; length - 6000 mm; the number of guides n=12, the angle of inclination of the helical lines of the guides α=20°; protrusion height h=2.0 mm; the angle of inclination of the lateral side of the protrusion in the cross section of the pipe β=17°. In the cross section of the pipe, the protrusions and depressions located between them have the shape of a trapezoid with the same dimensions. According to formula (1), the value of the small base of each protrusion and depression was 5.47 mm.

Изготовленные трубы с внутренним винтообразным оребрением соответствовали нормативным требованиям, имели надлежащее качество за счет отсутствия трещин и разрывов металла на элементах профиля трубы и несплошностей на поверхности трубы.The manufactured pipes with internal helical finning complied with the regulatory requirements, had the proper quality due to the absence of cracks and metal breaks on the elements of the pipe profile and discontinuities on the pipe surface.

При изготовлении труб предлагаемой конструкции значительно сокращаются производственные затраты, что существенно влияет на их себестоимость. Себестоимость изготовления труб (с учетом стоимости трубной заготовки) составила 60% от существующей цены аналогичных труб зарубежного производства. Ожидаемый экономический эффект составит 35 тыс. руб. на 1 тонну горячепрессованных труб с винтообразным оребрением внутренней поверхности.In the manufacture of pipes of the proposed design, production costs are significantly reduced, which significantly affects their cost. The prime cost of manufacturing pipes (including the cost of pipe blanks) amounted to 60% of the current price of similar foreign-made pipes. The expected economic effect will be 35 thousand rubles. per 1 ton of hot-pressed pipes with helical finning of the inner surface.

Таким образом, предлагаемая конструкция горячепрессованной трубы с внутренним винтообразным оребрением обеспечивает повышение качества труб, эксплуатационного ресурса и снижает производственные затраты.Thus, the proposed design of a hot-pressed tube with internal helical finning improves the quality of tubes, service life and reduces production costs.

Claims

Hot-pressed pipe with internal helical finning, containing on the inner surface guide protrusions made along helical lines along the entire length of the pipe, and depressions formed between them, characterized in that the angle of inclination of the helical lines to the longitudinal axis of the pipe is 6 ÷ 24 degrees, in cross section pipes, protrusions and troughs have the shape of a trapezoid with the same dimensions, while the size of the small base b of each protrusion and cavity is calculated by the formula:

where D is the outer diameter of the pipe, mm;

s - nominal pipe wall thickness, mm,

h is the height of the protrusion or the depth of the depression, mm;

n is the number of protrusions or depressions;

β - angle of inclination of the side surface of the protrusion in the cross section of the pipe, deg.