RU154495U1

RU154495U1 - COMPOSITION HEAT PROTECTIVE SCREEN WITH INTERNAL CAVITY

Info

Publication number: RU154495U1
Application number: RU2015113853/05U
Authority: RU
Inventors: Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Сергей Петрович Писарев; Юрий Павлович Трыков; Дмитрий Владимирович Проничев; Олег Викторович Слаутин; Вячеслав Федорович Казак; Дмитрий Анатольевич Евстропов; Михаил Дмитриевич Трунов; Юлия Игоревна Бондаренко
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, отличающийся тем, что его средний и внутренний слои выполнены из титана, а смежные со средним титановым слоем теплозащитные слои - из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя - не менее 2 мм. Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded five-layer pipe containing an outer copper layer and two heat-protective layers of intermetallic compounds, characterized in that its middle and inner layers are made of titanium, and adjacent to the middle titanium layer heat-protective layers are made of intermetallic systems titanium-copper with a thickness of 0.1-0.2 mm, while the thickness of the inner titanium layer is at least 2 mm.

Description

Полезная модель относится к изделиям трубчатой формы, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в химических, энергетических установках и т.п.The invention relates to tubular products made with the help of explosion energy, and is intended for use in chemical, power plants, etc.

Известна листовая конструкция теплозащитного элемента со сквозным внутренним каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П. Трыков, В.Г. Шморгун, Д.В. Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство. №6, 2000 г., С. 40-43).Known sheet design of a heat-shielding element with a through internal channel of complex shape for passing coolant through it (Yu.P. Trykov, V.G. Shmorgun, D.V. Pronichev. Complex technologies for manufacturing composite heat-protective elements / Welding production. No. 6, 2000 ., S. 40-43).

Недостатком данной конструкции является то, что теплозащитный интерметаллидный слой не является сплошным и образован лишь на межканальных (плоских) участках изделия, а на металлах, примыкающих к внутреннему каналу, теплозащитный слой отсутствует, внутренний канал окружен разнородными материалами, поэтому теплообмен с окружающей средой неодинаков на разных участках изделия. Кроме того, эти изделия обладают повышенной склонностью к расслоению при динамических нагрузках, а это весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.The disadvantage of this design is that the heat-protective intermetallic layer is not continuous and is formed only on the inter-channel (flat) sections of the product, and on metals adjacent to the internal channel, the heat-protective layer is absent, the internal channel is surrounded by dissimilar materials, so heat exchange with the environment is not the same different parts of the product. In addition, these products have an increased tendency to delamination under dynamic loads, and this greatly limits the use of such products in chemical and power plants.

Наиболее близкой по технической сущности является цельносварная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненная в виде пятислойной трубы, в которой наружный и внутренний слои выполнены из меди, средний - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм (0,015-0,02 мм), все металлические слои теплозащитного экрана соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой. (Патент на полезную модель №85856, МПК B32B 15/20, B23K 101/14, опубл. 20.08.2009 - прототип).The closest in technical essence is the all-welded construction of a composite heat shield with an internal cavity, made in the form of a five-layer pipe, in which the outer and inner layers are made of copper, the middle is made of aluminum, and the heat-insulating layers located between the layers of copper and aluminum are made of aluminum system intermetallics - copper with a thickness of 15-20 microns (0.015-0.02 mm), all metal layers of the heat shield are interconnected on all surfaces of their contact by explosion welding with subsequent formation thermal protective intermetallic layer by heat treatment. (Utility Model Patent No. 85856, IPC B32B 15/20, B23K 101/14, publ. 08/20/2009 - prototype).

Недостатком данной конструкции является малая суммарная толщина теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь, не превышающая 0,04 мм, поэтому эти изделия имеют невысокое термическое сопротивление поперек слоев. Кроме того, изделия по прототипу имеют малую прочность при сжимающих нагрузках и низкую коррозионную стойкость в агрессивных средах, например, в контакте с хлоридами, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.The disadvantage of this design is the small total thickness of the heat-insulating layers of intermetallic compounds of the aluminum-copper system, not exceeding 0.04 mm, therefore these products have a low thermal resistance across the layers. In addition, the products of the prototype have low strength under compressive loads and low corrosion resistance in aggressive environments, for example, in contact with chlorides, which greatly limits the use of such products in chemical and power plants.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой пятислойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы, содержащей наружный медный слой, а также два титановых и два интерметаллидных слоя с более высоким в сравнении с прототипом термическим сопротивлением его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, с более высокой коррозионной стойкостью его внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, с обеспечением при этом более высокой прочности при сжимающих нагрузках.The task in developing this utility model is to create a new five-layer design of a composite heat-shielding screen in the form of an all-welded pipe containing an outer copper layer, as well as two titanium and two intermetallic layers with higher thermal resistance of its wall compared to the prototype in the direction of heat transfer across the layers, with higher corrosion resistance of its inner surface in aggressive environments, such as chlorides, while providing higher strength at compressive loads.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 20-35 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 2,7-5,9 раза прочности при сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.The technical result that is achieved by the implementation of this utility model is an increase in thermal resistance by 20-35 times in comparison with the prototype in the direction of heat transfer across the layers, 2.7-5.9 times in strength under compressive loads, while providing increased corrosion resistance the inner surface of the product in aggressive environments, such as chlorides.

Указанный технический результат достигается тем, что у композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащего наружный медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, его средний и внутренний слои выполнены из титана, а смежные со средним титановым слоем теплозащитные слои - из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя - не менее 2 мм.The specified technical result is achieved by the fact that a composite heat shield with an internal cavity in the form of an all-welded five-layer pipe containing an outer copper layer and two heat shield layers of intermetallic compounds, its middle and inner layers are made of titanium, and the heat shield layers adjacent to the middle titanium layer are made of intermetallic compounds of the titanium-copper system with a thickness of 0.1-0.2 mm, while the thickness of the inner titanium layer is at least 2 mm.

В отличие от прототипа средний и внутренний слои композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью выполнены из титана, что, благодаря их низкой теплопроводности, способствует существенному повышению термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с медным слоем, повышению его прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, внутренний титановый слой обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Толщина внутреннего титанового слоя должна быть не менее 2 мм, что необходимо для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью сварки, с трубопроводами химических и энергетических установок. Кроме того, при толщине этого слоя менее 2 мм затрудняется получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций в процессе сварки взрывом. Теплозащитные интерметаллидные слои из титана и меди обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем интерметаллидные слои из меди и алюминия в изделиях по прототипу, поэтому способствуют весьма существенному повышению термического сопротивления стенки предлагаемой конструкции.In contrast to the prototype, the middle and inner layers of the composite heat shield with an internal cavity are made of titanium, which, due to their low thermal conductivity, significantly increases the thermal resistance of its wall in the direction of heat transfer across the layers, and, together with the copper layer, increases its strength at compressive loads. In addition, the inner titanium layer also provides high corrosion resistance of the inner surface of the product in aggressive environments, such as chlorides. The thickness of the inner titanium layer must be at least 2 mm, which is necessary for reliable connection of the heat shield, for example by welding, with pipelines of chemical and power plants. In addition, with a thickness of this layer less than 2 mm, it is difficult to obtain high-quality products without uncontrolled deformation during explosion welding. Thermal protective intermetallic layers of titanium and copper have significantly lower thermal conductivity than the intermetallic layers of copper and aluminum in products of the prototype, therefore, contribute to a very significant increase in thermal resistance of the wall of the proposed design.

Предложено каждый интерметаллидный слой выполнять толщиной, равной 0,1-0,2 мм, что обеспечивает у них необходимое высокое термическое сопротивление. Их толщина менее 0,1 мм является недостаточной для обеспечения необходимых теплозащитных свойств изделия, а их толщина более 0,2 мм является избыточной, поскольку при этом у них повышается вероятность хрупкого разрушения при циклических нагрузках в процессе эксплуатации изделия. Наружный медный слой в биметалле способствует стабилизации температуры по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, способствует также повышению прочности предлагаемого изделия при сжимающих нагрузках. Его толщину выбирают с помощью компьютерных технологий исходя из требуемого распределения температуры на внутренней поверхности теплозащитного экрана и его прочностных свойств. Толщину среднего титанового слоя выбирают исходя из требуемой прочности предлагаемого теплозащитного экрана, необходимого термического сопротивления его стенки и экономии материалов на его изготовление.It is proposed that each intermetallic layer be made with a thickness of 0.1-0.2 mm, which provides them with the necessary high thermal resistance. Their thickness less than 0.1 mm is insufficient to provide the necessary heat-shielding properties of the product, and their thickness more than 0.2 mm is excessive, since they increase the likelihood of brittle fracture during cyclic loads during operation of the product. The outer copper layer in bimetal helps to stabilize the temperature along the length of the product when exposed to concentrated heat sources from the outside of the heat shield, and also increases the strength of the proposed product under compressive loads. Its thickness is selected using computer technology based on the required temperature distribution on the inner surface of the heat shield and its strength properties. The thickness of the middle titanium layer is selected based on the required strength of the proposed heat shield, the necessary thermal resistance of its wall and the saving of materials for its manufacture.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен внешний вид композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью с вырезанной для наглядности четвертью, на фиг. 2 - часть продольного разреза стенки трубы с указанием расположения слоев.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where in FIG. 1 shows the appearance of a composite heat shield with an internal cavity with a quarter cut out for clarity, and FIG. 2 - part of a longitudinal section of the pipe wall with an indication of the location of the layers.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный медный слой 1, два интерметаллидных слоя 2, 3, а также два титановых слоя 4, 5. Его средний титановый слой 4 расположен между теплозащитными слоями из интерметаллидов системы титан-медь с толщиной каждого из них 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя 5 - не менее 2 мм. Наружный медный слой 1, благодаря его высокой теплопроводности, способствуют ускорению процесса выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.The composite heat shield with an internal cavity is made in the form of an all-welded five-layer pipe containing an outer copper layer 1, two intermetallic layers 2, 3, and two titanium layers 4, 5. Its middle titanium layer 4 is located between the heat-protective layers of intermetallic compounds of the titanium- copper with a thickness of each of 0.1-0.2 mm, while the thickness of the inner titanium layer 5 is at least 2 mm. The outer copper layer 1, due to its high thermal conductivity, helps to accelerate the process of equalizing the temperature of the inner surface of the heat shield when exposed to concentrated heat sources on its outer surface.

Интерметаллидные слои 2, 3 - теплозащитные, совместно с металлическими слоями они вносят существенный вклад в суммарное термическое сопротивление теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек его слоев. Интерметаллидные слои сформированы в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом пятислойной трубчатой заготовки. Средний титановый слой 4, помимо повышения термического сопротивления теплозащитного экрана, обеспечивает у него еще и высокую прочность при сжимающих нагрузках. Внутренний титановый слой 5, помимо повышения прочности теплозащитного экрана и его термического сопротивления, обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.Intermetallic layers 2, 3 are heat-shielding, together with metal layers they make a significant contribution to the total thermal resistance of the heat shield in the direction of heat transfer across its layers. Intermetallic layers are formed in the process of obtaining the proposed design by special heat treatment of explosion-welded five-layer tubular billet. The middle titanium layer 4, in addition to increasing the thermal resistance of the heat shield, also provides it with high strength under compressive loads. The inner titanium layer 5, in addition to increasing the strength of the heat shield and its thermal resistance, also provides high corrosion resistance of the inner surface of the product in aggressive environments, for example, in chlorides.

Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон теплозащитного экрана приваривают к внутреннему титановому слою, например, аргонодуговой сваркой металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через пятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и высокой прочностью при сжимающих нагрузках. Внутренний титановый слой обеспечивает повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.The operation of the composite heat shield with an internal cavity is as follows. From two end sides of the heat shield, metal pipelines are welded to the inner titanium layer, for example, by argon-arc welding, for passing liquids or coolant gases through the internal cavity of the product. The limited heat exchange of these substances with the environment is carried out through a five-layer wall of the heat shield, which has increased thermal resistance and high strength under compressive loads. The inner titanium layer provides increased corrosion resistance of the inner surface of the heat shield in aggressive environments, for example, in chlorides.

Пример исполнения 1.Execution example 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ 1-00 и медь марки M1. Данный экран изготовлен в виде цельносварной пятислойной трубы длиной 200 мм, ее наружный диаметр D_н=88,9 мм, внутренний - D_в=80 мм. Наружный медный слой имеет толщину 1,14 мм, толщина среднего титанового слоя - 1,11 мм, толщина каждого смежного с ним интерметаллидного слоя -0,1 мм, толщина внутреннего титанового слоя - 2 мм.As starting materials for the manufacture of a composite heat shield with an internal cavity, titanium of grade VT 1-00 and copper of grade M1 were used. This screen is made in the form of a five-layer welded pipe length of 200 mm, its outer diameter D _N = 88.9 mm, inner - D _{e =} 80 mm. The outer copper layer has a thickness of 1.14 mm, the thickness of the middle titanium layer is 1.11 mm, the thickness of each adjacent intermetallic layer is 0.1 mm, and the thickness of the inner titanium layer is 2 mm.

Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R₃ равно сумме термических сопротивлений всех слоев, входящих в его состав, и рассчитывается для каждого слоя как отношение его толщины к коэффициенту теплопроводности. В данном примере R_э=21,6·10^-5 К/(Вт/м²), что в 20-26 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу у которого термическое сопротивление стенки не превышает (0,82-1,02)·10^-5 К/(Вт/м²).The thermal resistance of the wall of the corrosion-resistant heat shield R ₃ is equal to the sum of the thermal resistances of all layers included in its composition, and is calculated for each layer as the ratio of its thickness to the coefficient of thermal conductivity. In this example, R _e = 21.6 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 20-26 times more than the product obtained by the prototype in which the thermal resistance of the wall does not exceed (0.82-1, 02) · 10 ^-5 K / (W / m ² ).

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 2,7-3,7 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.The resulting composite heat shield with an internal cavity, in comparison with the prototype, has 2.7-3.7 times greater strength under transverse compressive loads, while providing increased corrosion resistance of the inner surface of the product in aggressive environments, for example, in chlorides.

Пример исполнения 2.Execution example 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=100,2 мм, внутренний - D_в=90 мм. Наружный медный слой имеет толщину 1,3 мм, толщина среднего титанового слоя - 1,26 мм, толщина каждого смежного с ним теплозащитного интерметаллидного слоя - 0,16 мм, толщина внутреннего титанового слоя - 2,2 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=25·10^-5 К/(Вт/м²), что в 24-30 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.The same as in example 1, but the following changes. The outer diameter of the composite heat shield with an internal cavity D _n = 100.2 mm, inner - D _in = 90 mm. The outer copper layer has a thickness of 1.3 mm, the thickness of the middle titanium layer is 1.26 mm, the thickness of each adjacent heat-protective intermetallic layer is 0.16 mm, the thickness of the inner titanium layer is 2.2 mm. The thermal resistance of the wall of the corrosion-resistant heat shield R _e = 25 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 24-30 times more than that of the product obtained by the prototype.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 3,5-4,8 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.The resulting composite heat shield with an internal cavity, in comparison with the prototype, has a 3.5-4.8 times greater strength under transverse compressive loads.

Пример исполнения 3.Execution example 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=111,4 мм, внутренний - D_в=100 мм. Наружный медный слой имеет толщину 1,48 мм, толщина среднего титанового слоя - 1,42 мм, толщина каждого смежного с ним теплозащитного интерметаллидного слоя - 0,2 мм, толщина внутреннего титанового слоя - 2,4 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=29 10^-5 К/(Вт/м²), что в 28-35 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.The same as in example 1, but the following changes. The outer diameter of the composite heat shield with an internal cavity D _n = 111.4 mm, inner - D _in = 100 mm The outer copper layer has a thickness of 1.48 mm, the thickness of the middle titanium layer is 1.42 mm, the thickness of each adjacent heat-protective intermetallic layer is 0.2 mm, the thickness of the inner titanium layer is 2.4 mm. The thermal resistance of the wall of the corrosion-resistant heat shield R _e = 29 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 28-35 times greater than that of the product obtained by the prototype.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 4,3-5,9 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.The resulting composite heat shield with an internal cavity, in comparison with the prototype, has a 4.3-5.9 times greater strength under transverse compressive loads.

Claims

Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded five-layer pipe containing an outer copper layer and two heat-protective layers of intermetallic compounds, characterized in that its middle and inner layers are made of titanium, and adjacent to the middle titanium layer heat-protective layers are made of intermetallic systems titanium-copper with a thickness of 0.1-0.2 mm, while the thickness of the inner titanium layer is at least 2 mm.