CAPITOLUL IV

ANALIZA DIN PUNCT DE VEDERE TEHNIC ŞI ECONOMIC A METODELOR DE FIXARE A ŢEVILOR ÎN PLACA TUBULARĂ, CU

ALEGEREA VARIANTEI OPTIME

În practică se folosesc diferite metode de fixare a ţevilor în placa tubulară, dar ponderea cea mai mare în realizarea schimbătoarelor de căldură o au următoarele metode:

1.) îmbinarea prin mandrinare;2.) îmbinarea prin sudare;3.) îmbinarea prin sudare şi mandrinare;4.) imbinarea prin lipire, cu aliaje de lipit sau cu adezivi;5.) fixarea hidrodinamică;6.) fixarea prin explozie.Îmbinările prin mandrinare sunt imbinările cu strângere radială, obţinute la rece cu

ajutorul mandrinelor.Mandrinarea este operaţia de evazare la rece, la început liberă, apoi forţată, a capetelor

unor zone de elemente tubulare (ţevi), în orificiile practicate în pereţii anumitor dispozitive sau structuri (plăci tubulare), în scopul realizării corespunzătoare – prin strângere radială – de îmbinări semidemontabile etanşe, rezistente şi durabile.

Îmbinarea prin sudare este un procedeu tehnologic de obţinere a unei îmbinări prin stabilirea unei legături între reţelele cristaline, în acest scop utilizând activitatea mecanică sau termică.

Fixarea ţevilor prin sudare se aplică în următoarele cazuri: când în schimbătoarele de căldură circulă gaze otrăvitoare, radioactive sau există pericolul ca, în contact cu aerul, gazele din schimbător să producă amestecuri explozive; în cazul pericolului apariţiei coroziunii sub tensiune; când placa tubulară are grosimea mică şi se cere o rezistenţă ridicată a îmbinării, şi în cazul unor condiţii grele de exploatare.

Îmbinarea prin sudare şi mandrinare este o combinaţie a primelor două procedee de îmbinare între ţevi şi placa tubulară, în scopul asigurării unor condiţii suplimentare faţă de asigurarea etanşeităţii şi rezistenţei mecanice a îmbinării, cum ar fi: împiedicarea pătrunderii unui mediu coroziv între placa tubulară şi ţeava sudată.

Îmbinarea prin lipire cu ajutorul aliajelor de lipit este un procedeu de asamblare nedemontabilă a pieselor în stare solidă prin intermediul unui aliaj topit aflat între suprafeţele de îmbinat.

Acest procedeu este posibil numai în cazul în care forţele de adeziune dintre lichid şi solid sunt mai mari decât forţele de coroziune dintre particulele de lichid.

Lipirea cu adezivi este un procedeu de asamblare nedemontabil bazat pe capacitatea de aderenţă şi de întărire a unor substanţe sau amestecuri de substanţe aflate în contact cu suprafeţele corpurilor solide destinate îmbinării.

Dintre metodele enumerate de fixare a ţevilor în placa tubulară în industria chimică şi petrochimică cele mai utilizate sunt:

- îmbinarea prin mandrinare- îmbinarea prin sudare.

1

4.1 ÎMBINAREA PRIN MANDRINARE

Principalele tipuri de îmbinare prin mandrinare sunt următoarele:1. După criteriul formei geometrice a orificiilor în placa tubulară, avem:

- îmbinări cilindrice- îmbinări tronconice

2. După criteriul stării suprafeţei orificiilor, se impart în:- îmbinări cu suprafaţă netedă- îmbinări cu suprafaţă renurată

3. După criteriul constructiv, îmbinările se impart în:- imbinări fără petrecere- îmbinări cu petrecere dreaptă- îmbinări cu petrecere răsfrântă.

În general îmbinările prin mandrinare se utilizează, practic, pentru temperaturi de lucru t < 500 oC,în absenţa coroziunii fisurante (coroziuni sub sarcină, coroziuni sub tensiune mecanică), ele fiind realizabile şi eficiente în următoarele condiţii:

- grosimea de perete iniţială si a elementului mandrinat este corespunzătoare din punct de vedere dimensional şi are de regulă dimensiuni mici;

- duriatatea plăcii tubulare este mai mare fată de duritatea ţevii;- când se urmăreşte obţinerea unui avantaj determinant pentru activitatea de

exploatare-întreţinere-recondiţionare şi anume acela al înlocuirilor, destul de uşoare, rapide şi fără deteriorări sensibile ale structurilor tubulare de elemente tubulare defecte sau avariate.Îmbinarea prin mandrinare asigură atât înlocuirea uşoară şi rapidă a unor ţevi deteriorate,

cât şi refolosirea unor piese (plăci tubulare, şicane) pentru confecţionarea unui nou fascicol tubular.

Din punct de vedere al modalităţii de execuţie practică, mandrinarea poate fi:- mecanică (statică);- hidraulică;- prin explozie (dinamică).

Mandrinarea mecanică se execută cu aparate cu role rostogolitoare, numite mandrine, în scopul măririi diametrului ţevii şi realizarea unei forţe remanente de strângere intre placa tubulară şi ţeavă.

Fixarea hidrodinamică foloseşte energia hidrodinamică obţinută prin explozia, în mediu lichid,a unui fir subţire,în urma descărcării sub tensiune de (3..5)·104 V, a unei baterii de condensatori. Bateria de condensatori se încarcă de la reţea prin intermediul unui transformator de înaltă tensiune şi a unui redresor. Firul subţire se confecţionează din aluminiu şi se montează intr-un cartuş ce poate fi folosit numai o dată. Ţeava se fixează prin deformare plastică în placa tubulară, în urma exploziei unui cartuş.

Metoda se foloseşte pentru fixarea ţevilor cu diametre mai mari de 14mm, precum şi pentru fixarea ţevilor din materiale cu rezistenţă mecanică ridicată, cum ar fi aliajele titanului, se aplică eficient şi în cazul adâncimilor mari de fixare.

Această metodă presupune un cost ridicat, deoarece este necesar luarea unor măsuri speciale de protecţia muncii, iar ca principal dezavantaj îl constituie variaţia necontrolată a parametrilor de fixare a ţevilor în placa tubulară.

2

Fixarea prin explozie se realizează prin explozia unui cartuş ce se introduce în ţeava ce urmează a fi fixată în placa tubulară. Domeniul de aplicare al acestui procedeu este acelaşi ca la fixarea hidrodinamică, prezentând avantajul că nu se lucrează cu tensiuni înalte. Prin acest procedeu pot fi fixate dintr-o dată 200..300 de ţevi, utilajul fiind simplu şi ieftin, dar presupune respectarea unor norme speciale de lucru.

4.1.1 Mandrinarea mecanică

Procesul mandrinării mecanice implică două etape distincte, principale, care se succed fără întrerupere, şi anume:

- premandrinarea- mandrinarea propriu-zisă.

Premandrinarea este deformarea elastică sau elastoplastică a ţevii, până când aceasta vine în contact cu peretele orificiului din placa tubulară.

Mandrinarea propriu-zisă este evazarea suplimentară, remanentă, reziduală a ţevii, concomitent cu lărgirea preponderent elastică, reversibilă a orificiilor din placa tubulară. După îndepărtarea mandrinei, revenirea elastică a peretelui orificiului din placa tubulară este împiedicată de deformarea (evazarea) elastoplastică a ţevii ceea ce se soldează cu exercitarea unei apăsări (presiuni) radiale, deci realizarea unei strângeri a ţevii în orificiul din placa tubulară.

Cei mai importanţi parametrii tehnologici ai mandrinării mecanice sunt următorii:- calitatea suprafeţelor de contact;- viteza de mandrinare;- jocul de montaj;- duritatea materialelor (ţeavă şi placa tubulară);- adâncimea (lungimea) de mandrinare;- câmpul dimensiunilor şi variaţia acestora în timpul mandrinării, respectiv

creşterea diametrului interior al ţevii, subţierea peretelui ţevii, etc.

4.1.2 Calitatea suprafeţelor de contact

Rugozitatea iniţială a suprafeţelor de contact a capetelor ţevilor şi a orificiilor din placa tubulară influenţează determinant valoarea presiunii corespunzătoare de contact şi din punctul de vedere al strângerii optime constituie un factor principal care condiţionează etanşeitatea îmbinării prin mandrinare.

Un grad de finisare foarte ridicat al suprafeţelor de contact măreşte rezistenta la etanşeitate, însă rezistenta la smulgere este minimă.

Se recomandă următoarele grade de finisare: Ra = 1,6 μm, pentru orificiile din placa tubulară, realizabil prin alezare, şi Ra = 1,6..3,2 μm,obţinut prin lustruire.

4.1.3 Viteza de mandrinare

Astăzi se ştie că un anumit grad de evazare şi, deci, de mandrinare mecanică se poate realiza, intr-un timp mai lung sau mai scurt, prin corelarea experimentală corespunzătoare a deplasării axiale, respectiv avansului longitudinal şi frecvenţei de rotaţie a dornului.

În schimb o diminuare exagerată a avansului longitudinal al dornului se poate solda cu o scădere ireversibilă a indicatorilor calitativi ai îmbinărilor prin mandrinare, deoarece:

- un avans prea mic poate însemna o apăsare radială aşa de redusă, încât transmiterea ei

3

prin intermediul grosimii de perete este neglijabilă, şi deci aderenţa suprafeţelor de contact dintre ţeavă şi placa tubulară, care asigură etanşeitatea îmbinării, devine precară;

- deformarea remanentă a ţevilor, pe seama nerealizării deformării corespunzătoare a plăcii tubulare, atrage după sine micşorarea rezistenţei mecanice (la smulgerea prin tragere, împingere sau încovoiere, la răsucire) a îmbinării prin mandrinare.

Mandrinarea mecanică rapidă conduce la rezultate calitative net superioare, faţă de cea materializată cu viteze de mandrinare mici, şi anume: rezistenţă la smulgere sporită, etanşeitate mai bună, un câmp de deformaţii mai favorabil, atât pentru ţevi cât şi pentru placa tubulară.

4.1.4 Jocul de montaj

Un joc mare de montaj implică o deformare exagerată a ţevii cu ecruisarea peretelui ţevii şi creşterea durităţii ţevii, cu diminuarea aderenţei acesteia la peretele orificiului din placa tubulară. În plus, atunci când jocul este mare, apar dificultăţi privind centrarea corectă a ţevilor în orificiul din placa tubulară, rezultând dezaxări şi, deci, mandrinări incomplete.

Jocul de montaj trebuie să fie minim şi valoarea sa corespunzătoare trebuie să fie determinată de condiţia introducerii libere a ţevilor în orificiile din elementul sau structura de tip placă tubulară. Evident, este de preferat ca alegerea ţevilor din punct de vedere dimensional să fie făcută după orificiu, prin măsurări geometrice adecvate de selecţie şi corelare.

Valorile recomandate ale dimensiunilor găurilor în placa tubulară, şi respectiv a jocului de montaj sunt date în tabelul 4.1

Tabel 4.1 Dimensiunile gaurilor si a jocurilor de montaj:

Diam. exterior ţeavă

Diametrul găurii (D), conformSR 8566:1998

Diametrul exterior al găurii (D),conform STAS 9377-90

Jocul maxim de

montaj nominal Minim Maxim nominal minim maxim25 25.30 25.25 25.40 25 24.90 25.15 0.50

4.1.5 Duritatea materialelor

Calitatea execuţiei şi rezistenţa mecanică a îmbinărilor prin mandrinare depind mult de duritatea elementelor tubulare mandrinate.

Se recomandă ca duritatea ţevii să fie cu 15-30 HB mai mica decât a plăcii tubulare, deoarece în acest caz renurile din placa tubulară sunt umplute cu materialul ţevii şi astfel creşte mult rezistenţa la smulgere şi etanşeitatea îmbinărilor.

După cum se ştie, pentru temperaturi mai ridicate, peste 250 oC, limita tehnică de curgere a materialului elementului tubular σ02t şi cea a plăcii tubulare σ02p scade din ce în ce mai mult, iar indicatorul σ02p/σ02t trebuie astfel ales (cuplul de materiale placă tubulară - ţeavă) încât la temperatura dată îndeplinirea condiţiei fundamentale de mandrinare să fie asigurată astfel: σ02t < σ02p respectiv Ht < Hp (duritatea elementului tubular < duritatea plăcii tubulare).

Se recomandă satisfacerea următoarei condiţii:

4

4.1.6 Adâncimea de mandrinare

Deocamdată, acest parametru este studiat extrem de puţin şi aproape numai din punct de vedere constructiv.

Valoarea maximă a adâncimilor de mandrinare se situează in jurul valorii de 60 mm, deoarece o valoare excesiv de mare a adâncimii de mandriare conduce la îmbinări prin mandrinare inutil de scumpe şi cu fiabilitate îndoielnică, datorită dificultăţilor de execuţie şi riscurilor de desprindere dintre ţevi şi placa tubulară.

4.1.7 Petrecerea şi bordurarea capetelor ţevilor

S-a constat că în urma unor considerabile deformaţii atât ale ţevilor, cât şi a plăcii tubulare este facilitată o impingere a marginilor orificiilor in peretele ţevilor, obligându-le astfel să lucreze, în condiţii de smulgere, la forfecare.

Influenţa petrecerii capetelor ţevilor este sensibil favorabilă dacă ele sunt bordurate, rezistenţa şi etanşeitatea îmbinărilor prin mandrinare crescând mult în aceste condiţii. Petrecerea este mult mai avantajoasă dacă este bordurată (răsfrântă) chiar la marginea orificiului din placa tubulară. Dacă bordurarea nu se execută corect, rezistenţa la smulgere corespunzătoare petrecerii nu se mai însumează cu cea datorită mandrinării ţevilor, şi se va manifesta ca atare numai după deteriorarea îmbinării prin mandrinare, când datorită smulgerii, ţeava işi va începe deplasarea axială.

O petrecere bordurată, executată corect, înlocuieşte, cu deplin succes, renurile, dacă îmbinarea prin mandrinare nu este solicitată la compresiune axială.

4.1.8 Practicarea renurilor

În condiţiile solicitării îmbinărilor prin mandrinare la compresiune axială sau la compresiune din încovoiere, răsfrângerile capetelor nu pot prelua sarcinile corespunzătoare, existând ca singur avantaj practicarea de renuri în găurile din placa tubulară.

În cazul unor presiuni de serviciu înalte, utilizarea mandrinării lisă fiind limitată, datorită diminuării aderenţei dintre ţevi şi placa tubulară, asigurarea rezistenţei la smulgere a îmbinărilor corespunzătoare prin mandrinare mecanică se realizează cu un spor de 100% prin renurarea orificiilor din placa tubulară.

4.1.9 Momentul cuplului de mandrinare

Momentul cuplului de mandrinare, respectiv momentul cuplului motor, aplicat la dornul mandrinei are următoarea expresie clasică de calcul:

[1.4.1.9]

unde: c = 9740 N = puterea totală consumată pentru mandrinarea mecanică [kW] n = turaţia dornului [rot/min]

[2.4.1.9]

unde: Np = putere de premandrinare Nm = puterea de mandrinare propriu-zisă

Se stabileşte un moment optim de mandrinare în funcţie de:

5

- materialul ţevilor şi al plăcii tubulare- dimensiunile ţevilor.

Folosind maşini de mandrinare cu cuplu reglabil, se fixează pe maşină valoarea cuplului şi maşina se opreşte din mandrinat la valoarea cuplului optim, evitând astfel efectuarea unor îmbinări submandrinate sau supramandrinate.

4.1.10 Gradul de mandrinare

Aprecierea calităţilor îmbinărilor prin mandrinare, atât din punct de vedere al etanşeităţii cât şi din cel al rezistenţei s-a făcut prin intermediul gradului de mandrinare, considerat multă vreme un indicator calitativ unic al mandrinării mecanice.

În mod practic, gradul de mandrinare se apreciează cantitativ prin deformaţia reziduală totală a ţevilor şi locaşului din placa tubulară, respectiv prin subţierea reversibilă a peretelui ţevii şi creşterea diametrului orificiului din placa tubulară, măsurate din momentul care marchează sfârşitul premandrinării şi, deci, începutul mandrinării propriu-zise.

Gradul de mandrinare se exprimă în procente şi se calculează cu formula:

[1.4.1.10]

unde: d’1 = diametrul interior al ţevii, după mandrinare

d1 = diametrul interior al ţevii, înainte de mandrinare d0 = diametrul găurii în placa tubulară, înainte de mandrinare d2 = diametrul exterior al ţevii, înainte de mandrinareÎmbunătăţirea calităţii îmbinărilor prin mandrinare depinde determinant de perfecţiunea şi

obiectivitatea mijloacelor de control utilizate pentru supravegherea procesului de mandrinare mecanică. Evident, pentru efectuarea continuă a măsurărilor, dispozitivele obişnuite universale (şublerul, compasul de interior, etc.) şi cele speciale (calibrele, şabloanele) nu pot fi luate în consideraţie, datorită riscurilor tehnologice pe care le implică şi diminuării productivităţii, ele fiind utilizabile numai pentru controlul interoperaţional.

4.2 INDICATORII CALITATIVI AI MANDRINĂRII 4.2.1 Criteriile de apreciere calitativă

Controlul calitativ şi examinările corespunzătoare, referitoare la mandrinarea mecanică a elementelor tubulare în structurile sau elementele de tip placă tubulară, este necesar să fie efectuate atît pe parcursul desfăşurării procesului tehnologic de mandrinare, în ambele sale etape (premandrinare şi mandrinare propriu-zisă), cît şi la finele acestuia. Evident, controlul desfăşurării procesului vizează parametrii regimurilor tehnologice de mandrinare mecanică, iar examinările şi încercările nedistructive finale privesc calitatea îmbinărilor prin mandrinare obţinute.

Calitatea îmbinărilor prin mandrinare se poate verifica numai prin evaluări geometrice concludente, corelate cu încercări şi examinări nedistructive corespunzătoare (în special de etanşeitate).

Mandrinarea mecanică este un procedeu de îmbinare semidemontabilă prin strîngere, este firesc ca drept criterii principale şi primordiale de apreciere calitativă, să fie consideraţi, în primul rând, parametrii geometrici, mecanici sau energetici prin intermediul cărora se poate caracteriza strîngerea.

6

Calitatea mandrinării mecanice şi cea a îmbinărilor prin mandrinare, respectiv rezistenţa mecanică şi etanşeitatea acestora din urmă, se apreciază prin intermediul următorilor indicatori calitativi: gradul de mandrinare H şi momentul cuplului de mandrinare Mm.

Valorile acestora din urmă pentru care se obţine cea mai bună calitate a mandrinării şi cele mai înalte performanţe de rezistenţă mecanică şi etanşeitate ale îmbinărilor prin mandrinare se numesc optime, ele corespunzînd indicatorilor calitativi optimi Hopt şi Mmopt.

4.2.1.1 Criteriul gradului de mandrinare

În activitatea practică, gradul de mandrinare se determină de regulă cu formula:

Fig.4.1. Schema de calcul pentru gradul de mandrinare

1 – elementul tubular înainte de mandrinarea mecanică, 2 – elementul tubular evazat după mandrinarea mecanică, 3 – conturul locaşului din elementul de tip PT înainte de mandrinarea

mecanică, 4 – conturul locaşului din elementul de tip PT după mandrinarea mecanică

În schema de calcul redată în fig.4.1 termenii au următoarea semnificaţie:- (d1

’ – d1) = Δd1 reprezintă creşterea remanentă, corespunzătoare ambelor etape ale procesului de mandrinare mecanică, a diametrului interior d, al ţevilor;- (d0– d2) = δ0 se identifică chiar cu jocul diametral de montaj dintre ţevi şi placa tubulară.

Evident, diferenţa [(d1’ – d1) - (d0– d2)] = Δd1 - δ0 = Δdrem, redă tocmai creşterea reziduală a

diametrului d1 în condiţiile evazării comune a elementelor îmbinate ţevi şi placa tubulară, adică în etapa mandrinării propriu-zise.

Deci, gradul de mandrinare va fi determinat de formula:

[1.4.2.1.1]

ţinându-se cont de faptul că în practică interesează în mod deosebit valorile optime ale gradului de mandrinare.

7

4.2.1.2 Valorile optime ale gradului de mandrinare

Practic, valorile optime ale gradului de mandrinare Hopt, se pun în evidenţă prin încercări experimentale, efectuate în condiţii de laborator (pe modele) sau la scară industrială, construindu-se grafice de tipul celor , exemplificate în fig. 4.1. Evident, se vor considera ca fiind optime acele valori H → Hopt, pentru care rezistenţa mecanică a îmbinărilor prin mandrinare este maximă.

Fig 4.2. Dependenţa îmbinărilor mecanice a îmbinărilor prin mandrinare de gradul de mandrinare

a) exemplificare ilustrată după Hoewert, b) exemplificare ilustrată după Antikain

4.2.1.3 Critica gradului de mandrinare

Din cele expuse anterior rezultă următoarele:1. gradul de mandrinare nu dă nici un fel de indicaţie asupra modului cum trebuie

desfăşurat şi condus procesul de mandrinare mecanică 2. gradul de mandrinare nu exprimă dependenţa calităţii mandrinării mecanice, respectiv

a îmbinărilor prin mandrinare, de caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor ţevilor şi plăcii tubulare şi nu poate sesiza existenţa unor abateri ale caracteristicilor constructive şi de rezistenţă mecanică.

În concluzie, rezultă că gradul de mandrinare poate servi numai ca un criteriu de verificare care îngăduie o apreciere relativă a calităţii mandrinării mecanice şi a îmbinărilor prin mandrinare şi nicidecum nu poate fi considerat ca indicator unic calitativ al mandrinării mecanice.

8

Fig.4.3. Legea generală a dependenţei calităţii mandrinării mecanice şi a calităţii îmbinărilor prin mandrinare de gradul de mandrinare.

Pentru a realiza o mandrinare mecanică de bună calitate este necesar ca gradul de mandrinare să se încadreze într-un anumit interval al valorilor optime şi aceasta se poate obţine numai printr-un control calitativ permanent, continuu, al tuturor operaţiilor de mandrinare.

4.2.1.4 Criteriul momentului cuplului de mandrinare

Avându-se în vedere că, în procesul mandrinării mecanice, măsurarea parametrilor geometrici (diametrul interior, alungiri, subţieri) nu poate fi făcută continuu şi automat, se consideră a fi raţional controlul calitativ al mandrinării, folosind criteriul momentului cuplului de mandrinare.

Fig.4.4 Dependenţa momentului cuplului de mandrinare de avansul dornului mandrinei

a) d2 x s = 38 x 3mm, b) d2 x s = 44,5 x 3,5 mm, mandrinare cu renură, 3-mandrinare lisă

9

După cum rezultă din fig 4.4 momentul cuplului de mandrinare Mm creşte simultan cu avansul Δld al dornului mandrinei (şi, la un anumit stadiu, corespunzător sfarşitului procesului de mandrinare mecanică, caracterul dependenţei Mm = Mm(Δld) se modifică brusc, după care curba dată se prăbuşeşte către valoarea Mm = 0.

În fig. 4.5 sunt reprezentate graficele indicand dependenţa forţei de smulgere Q, adică a rezistenţei mecanice a îmbinărilor prin mandrinare, de valoarea momentului cuplului de mandrinare Mm, curbele trasate corespunzând anumitor valori, date, ale caracteristicilor mecanice ale materialului plăcii tubulare şi al ţevilor. Dependenţa experimentală a momentului cuplului de mandrinare Mm de gradul de mandrinare H este redată în fig. 4.6.

Graficele din ultimele figuri pun în evidenţă foarte clar valorile optime Mmopt ale momentului cuplului de mandrinare, valori pentru care rezistenţa mecanică a îmbinărilor prin mandrinare este maximă (fig. 4.7) şi, deci, calitatea mandrinării mecanice este superioară. Din fig. 4.5 se constată, de asemenea, că, odată cu scăderea rezistenţei de rupere σrp a materialului plăcii tubulare, valorile optime Mmopt se micşorează, totodată ele deplasîndu-se spre stânga graficelor.

Fig 4.5 Dependenţa rezistenţei îmbinărilor prin mandrinare de momentul cuplului de mandrinare

a) d2 x s = 38 x 3mm, b) d2 x s = 44,5 x 3,5 mm, mandrinare cu renură, 3-mandrinare lisă

10

Fig 4.6. Corelarea momentului cuplului de mandrinare cu gradul de mandrinare

1-presiune de mandrinare mare şi frecvenţă de rotaţie a dornului mică, 2-presiune de mandrinare mică şi frecvenţă de rotaţie a dornului mare

Fig 4.7. Legea generală a dependenţei calităţii mandrinării mecanice şi a rezistenţei îmbinărilor prin mandrinare de momentul cuplului de mandrinare.

Fig. 4.8. Graficul de calcul pentru momentul cuplului de mandrinare optim.

Calculul momentului cuplului de mandrinare se poate face cu ajutorul graficului din fig 4.8. pentru o valoare dată a rezistenţei de rupere a materialului plăcii tubulare în următoarele condiţii:

- adâncimea de mandrinare este egală cu grosimea ţevilor;- indicatorul σrp / σrt are o anumită valoare.

11

Dacă condiţiile nu sunt îndeplinite cele două restricţii menţionate, momentul cuplului de răsucire optim trebuie să fie corectat şi calculat cu formula următoare :

Mgrafic – momentul cuplului de răsucire optim;kr - factorul de corecţie depinzând de nivelul indicatorului σrp / σrt , kr = 0.95..1.05;

kb = b/sp - factorul de corecţie depinzând de raportul dintre adîncimea de mandrinare b şi grosimea de mandrinare, sp.

4.2.3 Concluzii şi recomandări privind momentul cuplului de mandrinare

Prin aplicarea unui cuplu motor controlat la antrenorul dornului mandrinei se obţin îmbinări prin mandrinare mecanică de calitate înaltă şi rezistenţă uniformă .Variaţiile momentului cuplului de mandrinare (de ordinul a circa f ±8%), datorate abaterilor caracteristicilor constructive şi de rezistenţă mecanică ale ţevilor şi plăcii tubulare, nu pot duce la submandrinări sau supramandrinări.

Aprecierea calităţii mandrinării mecanice şi a îmbinărilor astfel obţinute, prin intermediul cuplului motor consumat pentru antrenarea dornului mandrinei, este mai riguroasă decît cea bazată pe gradul de mandrinare.

4.2.4 Cedările îmbinărilor mandrinate

Din punctul de vedere al modalitaţilor de execuţie practică, mandrinarea poate fi mecanică, hidraulică sau prin explozie controlată. Indiferent de modalitatea de execuţie, se impune asigurarea, după mandrinare, a rezistenţei mecanice şi etanşeităţii, corespunzătoare încercărilor de presiune hidraulică la rece.Îmbinările prin mandrinare ale fasciculelor tubulare ale schimbătoarelor de căldură, cum ar fi :

calitatea proastă a îmbinărilor prin mandrinare ; insuficienta compensare a deformaţiilor termice ale ţevilor ; grosimea insuficientă şi ancorarea proastă a plăcilor tubulare ; fragilizarea materialului ţevilor şi deformarea plăcilor tubulare, datorită unor mari

diferenţe de temperatură .Deteriorarea îmbinărilor prin mandrinare este accentuată de vibrarea, coroziunea şi

eroziunea ţevilor, precum şi de şocurile hidraulice inerente sau de starea de eforturi unitare uneori exagerat de mari.

Tabel 4.2

12

Factorii care afectează calitatea mandrinării mecanice

Nr.crt.

Factorii Modalităţile de combatere

1 2 3

1. Cuplul de materie al îmbinărilor ET-PT este necorespunzător stabilit;

Alegerea de materiale, privind elementele îmbinării prin mandrinare, pentru care rezultă:HBp-HBt≥15;

2.

Dimensiunile şi toleranţele ţevilor (ET), orificiilor (din PT) şi punţilor (m) nu se încadrează în intervalele prescrise prin standarde şi/sau prin documentaţia de execuţie;

Verificarea dimensională se impune pe faze de operaţii. Sortarea şi marcarea elementelor care nu corespund dimensional. Sesizarea proiectantului şi a tehnologului (pentru stabilirea soluţiei)

3.

Capetele ţevilor şi suprafaţa orificiilor din PT nu sunt curate (prezintă ţundăr,impurităţi, oxizi, urme de unsoare etc.) sau au defecte nepermise (rizuri longitudinale, fisuri, exfolieri, rupturi etc.);

Înainte de formarea fasciculului tubular şi deci, de introducerea ţevilor în plăcile tubulare, elementele (ET şi orificiile din PT) ale îmbinării trebuie pregătite şi curăţate în conformitate cu documentaţia tehnologică, iar cele care nu corespund trebuie remediate sau rebutate;

4. Grupul de acţionare al agregatului de mandrinare are putere (cuplu) necorespunzătoar (r);

Alegerea si utilizarea altui grup de acţionare, eventual altui agregat de mandrinare;

5. Mandrinarea este necorespunzătoare, fata de prevederile listei de SDV-uri;

Se consultă, cu atenţie, lista SDV-urilor si se solicită mandrina indicată conform documentaţiei;

6.

Execuţia elementelor componente ale mandrinei este necorespunzătoare, şi anume: a) rolele prezintă abateri la conicitate si la razele de racordare de la capete, au aşezare inversata (întoarsă) în locaşurile casetei, au materialul si tratamentul termic necorespunzător; b) dornul prezintă abateri la conicitate sau are rugozitate necorespunzătoare; c) caseta are abateri dimensionale privind diametrul său şi locaşurile rolelor;

Dimensional, se verifică toate elementele pe fiecare reper, din faza de execuţie pâna în starea asamblată şi se confruntă cu dimensiunile şi toleranţele din desene. Mandrinarea cu role inversate (întoarse) se soldează cu conicităţi peste cele admise (0,15...0,20 mm), remedierea fiind exclusă, iar înlocuirea ţevilor respective-inevitabilă;

7.

Depozitarea, întreţinerea şi exploatarea mandrinei sunt necorespunzătoare. Apariţia pe role, casetă sau dorn a unor corpuri străine care, prin antrenare în timpul mandrinării mecanice, produc rizuri sau rosturi la interiorul ţevilor şi chiar deteriorarea mandrinei ;

Mandrina se curăţă cu peria sau prin suflare cu aer, atât înainte de începerea lucrului cât şi în timpul mandrinării proprizise. Mandrinele şi elementele de mandrinare defecte sau deteriorate se inlocuiesc. Ţevile la care s-au format rizuri sau au survenit rupturi innaceptabile, faţa de prescripţiile standardelor şi documentaţiei de execuţie, de asemenea se înlocuiesc;

8. Prima valoare a momentului cuplului de mandrinare, aleasă iniţial, adică înainte de

Tatonările privind stabilirea momentului cuplului de mandrinare

13

stabilirea momentului optim Mm opt, este prea mare si conduce la o evazare exagerată a ţevii, subţiind peretele ET în afara limitelor intervalului valorile admise Δs;

optim Mm opt se reiau pentru o valoare iniţială Mm mai mică. Tevile a căror evazare diametrală la interior Δdi

0

depaşesc valorile maxime admise se înlocuiesc, mai ales dacă parametrii funcţionali ai aparatului termic nu îngăduie utilizarea lor ca atare;

9.

Introducerea casetei mandrinei la capătul de ţeavă supus mandrinării s-a făcut numai pe adâncimea reprezentând mai puţin de jumătate din lungimea activă a rolelor de mandrinare.În aceste condiţii, suprafaţa de contact la mandrinare fiind mică, rezultă un cuplu de mandrinare cu moment disponibil Mm >Mm opt,ceea ce conduce la evazarea exagerată a zonei frontale a ţevii mandrinate, respectiv a îmbinării prin mandrinare obţinute;

Caseta mandrinei trebuie introdusă în ţeava supusă mandrinării astfel încât cel puţin 65% din lungimea activă a rolelor de mandrinare să se afle în contact direct cu suprafaţa interioară a capătului ET din zona frontală a plăcii tubulare. Tentativa de redresare printr-o mandrinare mecanică la a doua trecere eşuează,rezultând configuraţii tronconice care nu corespund limitelor admise (0,15...0,20mm) şi impunându-se,deci, înlocuirea ţevilor;

10.

Introducerea şi poziţionarea ţevii în orificiul din placa tubulară sunt necores-punzătoare, petrecerea fiind prea mare (a>10...15mm). Evident, în această situaţie, contactul rolelor de mandrinare cu ţeava, în zona plăcii tubulare, se va realiza pe o adâncime mai mică repre-zentând 65% din lungimea activă a rolelor, ceea ce se soldează cu evazarea exagerată la interior sau chiar cu fisurarea ţevii;

Ţeava se va introduce şi poziţiona în orificiul din placa tubulară corect şi astfel încât să rezulte a≤10...15mm. Ţevile la care a survenit evazarea Δdi

0peste cea admisă şi care, după o eventuală nouă mandrinare, nu corespund prescripţiilor privind conicitatea permisă, precum şi cele fisurate, se înlocuiesc;

11.

Extinderea zonei de mandrinare dincolo de posteriorul plăcii tubulare, fără ca aceasta să fie indicată prin proiectul de execuţie;

Mandrinarea mecanică se va regla în mod corespunzător, prin serii de măsurări prealabile. În cazul unor mandrinări extinse dincolo de posteriorul plăcii tubulare (b>0,9sp) se va solicita avizul proiectantului. Dacă parametrii funcţionali ai aparatului termic nu permit defectele de execuţie citate, atunci ţevile încriminate se înlocuiesc.

12. Mandrinarea mecanică în mai multe treceri, necesitată de asigurarea adâncimii de mandrinare b impuse prin documen-taţie în condiţiile plăcilor tubulare groase,este neuniformă, prezentând conicitate sau discontinuitate longitudinală;

Acelaşi cuplu de mandrinare, cu moment prestabilit Mm →Mm opt, se va respecta şi aplica pentru toate trecerile. Evazările exagerate nu se pot remedia, impunându-se înlocuirea ţevilor în discuţie. Discontinuitatea longitudinală poate fi evitată dacă zona mandrinată într-o etapă precedentă se suprapune cu cel puţin 8mm peste zona care urmează a fi mandrinată într-o nouă etapă.

14

Discontinuitatea respectivă, dacă apare, se poate remedia printr-o mandrinare nouă, adică printr-o remandrinare;

13.

Uzura mandrinei, care poate favoriza deteriorarea suprafeţei interioare a ţevii mandrinate, mai ales în condiţiile mandrinării mecanice uscate;

Ungerea cu lubrifiant se asigură în mod permanent. Starea elementelor mandrinei se supraveghează continuu şi se verifică sistematic, înlocuindu-se elementele deteriorate sau chiar mandrina uzată;

14. Mandrinarea mecanică neconformă, executată de personal neinstruit şi/sau neexperimentat.

Tot personalul care este integrat în procesele mandrinării mecanice trebuie să cunoască bine documentaţia normativăspecifică, fiind corespunzător instruit din punctul de vedere al protecţiei muncii. Personalul fără experienţă în domeniu va fi instruit în mod special.

Notaţii: ET-elementele tubulare, respectiv ţevile; PT-elementele de tipul plăcilor tubulare; HBp,HBt – duritatea Brinell corespunzătoare materialelor plăcii tubulare şi ţevilor; sp – grosimea elementelor de tip PT; b – adâncimea de mandrinare.

4.2.5 ÎMBINAREA PRIN SUDARE

Construcţia schimbătoarelor de căldură pentru industria chimică şi energetică cere asamblarea unui mare număr de ţevi între ele cât şi asamblarea ţevilor cu plăcile tubulare.

Principalele tipuri de îmbinare prin sudare sunt următoarele:a) După poziţia plăcii tubulare sunt:

- îmbinări orizontale- îmbinări verticale

b) După procedeul de sudare:- manuală cu electrozi înveliţi- manual WIG cu material de adaos- automat WIG cu material de adaos

Regula de bază pentru ca îmbinarea să se poată realiza în condiţii bune este ca atât materialul plăcii tubulare, cât şi cel al ţevii să fie sudabile şi să fie cât mai apropiate în ceea ce priveşte compoziţia chimică, structura şi caracteristicile mecanice.

Sudarea ţevilor în placa tubulară se execută ţinând cont de tehnologiile stabilite la omologarea procedeului de sudare, în conformitate cu prescripţiile ISCIR.

Metoda principală de asamblare în astfel de instalaţii este sudarea manuală cu arc, deoarece este necesară executarea de suduri aproape de flanşe sau curbe, de cele mai multe ori în poziţii incomode. Îmbunătăţiri calitative ale acestor procedee s-au adus atât prin folosirea unor electrozi cu caracteristici superioare care să poată fi folosiţi în toate poziţiile de sudare, prin soluţii constructive de proiectare în scopul asigurării unui acces mai uşor pentru sudor (respectiv pentru electrod) cât şi prin adoptarea unor metode mai severe de control nedistructiv. În ultimul timp s-a impus tot mai mult sudarea automată care asigură îmbinări de înaltă calitate în toate cazurile şi un beneficiu economic fată de sudarea manuală.

15

Asamblarea ţevilor cu placa tubulară se poate face la faţa plăcii sau în spatele plăcii. Majoritatea îmbinărilor sunt la faţa plăcii. Această metodă are totuşi două dezavantaje: în primul rând, în spaţiul dintre ţeava şi placa tubulară poate creşte concentraţia chimică a mediului de lucru, producând coroziunea sudurii şi a ZIT; în al doilea rând, diametrul găurii din placa tubulară trebuie să permită trecerea ţevii (deci trebuie să fie egal cu diametrul exterior al ţevii), ceea ce reduce numărul de ţevi care se pot amplasa în placa tubulară faţă de cazul în care diametrul găurii din placă este egal cu diametrul interior al ţevii.

Forma rostului în cazul sudării ţevilor în placa tubulară este determinată de:- caracteristicile mecanice cerute îmbinării, funcţie de mărimea solicitărilor;- rezistenţă la coroziune;- posibilităţile tehnice de execuţie.

În cele ce urmează se vor analiza cazurile cele mai utilizate în îmbinarea ţevilor cu placa tubulară.

În fig.4.9 s-a reprezentat cea mai simplă îmbinare folosită în cazul unor solicitări obişnuite şi a unor medii de lucru neagresive. Sudura se realizează cu afectarea capului ţevii. Dacă a >0,7s, sudura este de rezistenţă şi etanşare. Sudura se poate realiza printr-o singură trecere.

Avantajele acestui tip de îmbinare sunt:- pregătirea foarte simplă şi ieftină;- montarea şi asamblarea simplă.

Această îmbinare are şi unele dezavantaje:- există pericolul de a topi în mod excesiv peretele ţevii, ceea ce duce la micşorarea

suprafeţei de trecere;- există pericol de fisurare, datorită lipsei de topire la rădăcină;- rămâne spaţiu între placă şi ţeava, favorizând procesul de coroziune;- apare pericolul de includere a zgurii în baie, ca urmare a schimbării rapide a

poziţiei electrodului în timpul sudării.

Fig.4.9. Îmbinare între ţeavă şi placă tubulară

Fig.4.10 reprezintă o îmbinare utilizată în cazul unor presiuni şi temperaturi mai ridicate. În acest caz este necesară executarea sudurii în cel puţin două straturi. Rezultă o sudură de rezistenţă şi etanşare.

Avantajele sunt asemănătoare cu cele de la tipul prezentat în fig.4.9. Dezavantajele pe care le are această metodă sunt următoarele:- din cauza rostului nu se poate executa o bună pătrundere la rădăcină, formându-se astfel

incluziuni de zgură;- din cauza proastei pătrunderi există pericolul de fisurare la cald.

16

În cazul când după sudare se execută operaţia de mandrinare, se vor respecta următoarele reguli:

- proba de etanşeitate se efectuează înainte de mandrinare- tratamentul termic, acolo unde este cazul, se execută înainte de mandrinare

Fig 4.10 Îmbinare între ţeavă şi placă în cazul unor solicitări mari

Fig 4.11 prezintă o îmbinare care se utilizează în condiţii de funcţionare asemănătoare celor prezentate la cazul anterior. Avantajele acestui procedeu sunt următoarele:

- sudura este uşor de executat;- se micşorează riscul de a obtura ţeava. Ca dezavantaje putem menţiona:- o pregătire costisitoare;- joc între ţeava şi placă tubulară.

Fig 4.11 Îmbinarea între ţeavă şi placă tubulară cu prelucrarea marginilor găurilor

Îmbinarea între ţeavă şi placa tubulară de tip adâncă, fig 4.12, este o îmbinare ce se utilizează în condiţiile unor solicitări obişnuite.

Distanţa "h" poate să fie mai mare, în aşa fel încât sudura sa fie aproape de partea din spate a plăcii, rezultând astfel o aşa numită sudură adâncă. Prin acest procedeu scade pericolul de fisurare. La dezavantaje, pe lângă pregătirea costisitoare şi jocul dintre ţeavă şi placa tubulară, se adaugă şi operaţia dificilă de ajustare precisă a capetelor şi de frezare a feţelor frontale ale ţevilor, în scopul păstrării constante a distanţei "e".

17

Fig 4.12 Îmbinarea între ţeavă şi placa tubulară de tip adâncă

Fig.4.13 reprezintă o îmbinare ce se utilizează în cazul funcţionării la temperaturi ridicate. Dacă peretele ţevii este mai mic de 5 mm nu se face prelucrarea plăcii şi a ţevilor, sudându-se fără aport de metal. Este o soluţie avantajoasă din punct de vedere al procesului de sudare întrucât asigură tensiuni minime în placa tubulară. Dezavantajele acestei îmbinări sunt:

- costul ridicat al pregătirii;- interstitiul care rezultă între ţeava si placa tubulară;- apariţia şanţului care diminuează suprafaţa de utilizare a plăcii tubulare prin

micşorarea pasului dintre ţevi.

Fig 4.13 Îmbinarea între ţeavă şi placa tubulară caracteristică temperaturilor ridicate

Asamblarea ţeava - placă este o asamblare între elemente cu grosime diferită. Masa relativ mare a plăcii tubulare favorizează pierderea de căldură în timpul sudării, din această cauză o piesă se răceşte mai repede decât cealaltă, introducându-se astfel tensiuni care favorizează apariţia fisurilor.

Atunci când partea tubulară se execută din materiale rezistente la coroziune, sudura trebuie să se execute cu un electrod mai puternic aliat decât cel corespunzător sudării celor două materiale aliate, în acest fel compensându-se contribuţia oţelului carbon care este materialul de bază al plăcii tubulare.

4.2.6 Cedările îmbinarilor sudate

Una dintre principalele cauze ale deteriorării îmbinărilor sudate o constituie execuţia de calitate proastă a schimbătoarelor de căldură [4].

Defectele îmbinărilor sudate pot fi grupate astfel :a) Abateri dimensionale ale cordonului de sudura ( lăţime neuniformă, supraînalţare,

concavitate, deformarea pieselor sudate şi a marginilor lor) ;

18

b) Defecte exterioare ale cordonului de sudura (porozităţi, şanţuri marginale, fisuri sau crăpături, cratere neadmise, cavităţi superficiale),fig. 4.14 – 4.17.;

c) Defecte interioare ale cordonului de sudura (incluziuni de gaze, incluziuni de zgură, lipsă de topire, lipsă de pătrundere), fig. 4.18, 4.19.

Defecte exterioare ale cordonului de sudura

Fig.4.14.Pori superficiali Fig. 4.15.Santuri marginale Fig.4.16.Cavitati superficiale

Defecte interioare ale cordonului de sudura

Fig. 4.17.Aspect solzos Fig. 4.18.Incluziuni de gaze Fig. 4.19.Fisuri

Pe baza cercetărilor elaborate, privind influenţa diferitelor defecte ale îmbinărilor sudate asupra rezistenţei lor sub sarcină se pot formula următoarele concluzii:

Majoritatea studiilor au ajuns la concluzia că, în cazul oţelurilor cu conţinut redus de carbon,micsorarea ariei sectiunii transversale a îmbinării sudate nu influenţează rezistenta mecanică a îmbinării; în cazul solicitărilor variabile, prezenţa defectelor influenţează capacitatea portantă a îmbinării sudate;

Aria totală de răspândire a defectelor şi zonarea lor, în secţiunea transversală, cauzează diminuarea rezistenţei la oboseală a acestor îmbinări;

Supraînalţarea cusăturii reprezintă un concentrator principal, care poate reduce rezistenţa la oboseală a acestor îmbinări cu până la 50%.

4.3 ANALIZA COMPARATIVĂ A ÎMBINĂRILOR PRIN MANDRINARE, SUDARE, SUDARE ŞI MANDRINARE

Principalele tipuri de îmbinare prin mandrinare, sudare, mandrinare şi sudare sunt prezentate în tabelul 4.3.

19

I. îmbinările prin mandrinareS

imbo

lul

Denumirea îmbinării

Schiţa exemplificativă

Precizări

Sim

bolu

l

Denumirea îmbinării

Schiţa exemplificativă

Precizări

1 2 3 4 5 6 7 8

AMandrinare lisă Solicitări mici

DMandrinare lisă, cu răsfrângere (berclu)

Solicitări miciForţe axiale medii

B Mandrinare cu renură Solicitări medii E

Mandrinare cu renură şi răsfrîngere (berclu)

Solicitări medii cu forţe axiale

C Mandrinare cu două renuri

Solicitări mari, diferenţe de temperatură mari F

Mandrinare cu două renuri, cu răsfrînge- re (berclu)

Solicitări mari cu forţe axiale mari

II. Îmbinările prin sudareS

imbo

lul

Denumirea îmbinării

Schiţa exemplificativă

Precizări

Sim

bolu

l

Denumirea îmbinării

Schiţa exemplificativă

Precizări

1 2 3 4 5 6 7 8

A Sudură în colţ aparentă

Solicitări mici D Ţeavă cu sudură frontală

Solicitări mici, viteze mai în ţevi

B Sudră în colţ ascunsă Solicitări medii E

Ţeavă fără petrecere cu sudură

Solicitări mici ţevi cu diametrul

mic

C Sudură în colţ adâncă

Solicitări mari, defecte de

temperaturi mari F

Ţeavă fără petrecere, cu sudură frontală şi şanţ inelar de descărcare

Solicitări cu diferite mărimi de temperatură

Condiţiile de solicitare a schimbătorului de căldură proiectat sunt:- presiunea maximă 1.1 MPa;- temperatura maximă 200 oC;- temperatura maximă 20 oC;- mediul de lucru: distilat de vid şi ţiţei, slab coroziv.

Comparând condiţiile de solicitare a schimbătorului de căldură proiectat, cu datele din tabelele, rezulă că tipurile de îmbinare ţeavă-placă tubulară pot fi:

- mandrinare cu două renuri;- sudură în colţ adâncă.

4.4 ANALIZA DIN PUNCT DE VEDERE ECONOMIC A SOLUŢIEI OPTIME DE ÎMBINARE A ŢEVILOR ÎN PLACA TUBULARĂ

Operaţiile care fac diferenţa preţului de cost la realizarea îmbinării ţeavă-placă tubulară sunt:

- execuţia plăcilor tubulare;- realizarea îmbinării ţeavă-placă tubulară.

Calculul preţului de cost şi cheltuielile cu manopera s-au efectuat pe baza tabelelor din anexa, ele fiind sintetizate în tabelul urmator.

Tabel 4.4 Calculul pretului de cost:

Nr.crt Articol de calculaţie Mandrinare Sudare

1.) Manopera, nr.ore x 8lei/ora 6640.8 7132.82.) CAS 20.35% 1351.4 1451.52

CASS 7% 464.85 499.29Accidente, boli profesionale

1.495%99.27 106.63

Şomaj 2% 132.81 142.65Fond de 16.60 17.83

Coeficient manopera,k = 30.95% x 1.)

1998.55 2146.61

3.) TOTAL I 8639.35 9279.414.) Cheltuieli secţie150% 12959.025 13919.1245.) TOTAL II 21598.375 23198.53

6.)Cheltuieli generale societate

15%3239.756 3479.78

7.) TOTAL III 24838.131 26678.38.) Profit 8% 1987.5 2134.269.) Preţ de vânzare fără TVA 26825.631 28812.26

Tabel 4.5 Calculul timpului si pretului de cost:

Nr crt

Operaţii Metoda de îmbinare, ţeavă-placa tubulară Mandrinare Sudare

Timp / ore lei Timp / ore lei

1Execuţie placă tubulară fixă

120.5 3893.35 109.05 3523.4

2Execuţie

şicane, tiranţi220 7108.2 220 7108.2

3 Execuţie placă tubulară mobilă

118.8 3838.42 107.4 3470.09

4 Pregătire ţevi 182.2 5886.88 182.2 5886.88

5 Execuţie şi control - mandrinare

188.6 6098.78

6 Execuţie şi control - sudare

272.5 8823.69

TOTAL 830.1 26825.631

891.6 28812.26