RU162803U1

RU162803U1 - COMPOSITION HEAT PROTECTIVE SCREEN WITH INTERNAL CAVITY

Info

Publication number: RU162803U1
Application number: RU2015150407/05U
Authority: RU
Inventors: Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Сергей Петрович Писарев; Дмитрий Владимирович Проничев; Вячеслав Федорович Казак; Роман Евгеньевич Новиков; Виталий Павлович Кулевич
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2016-06-27

Abstract

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей внутренний медный слой, а также слой из титана, отличающийся тем, что он выполнен трёхслойным с чередованием слоёв: титан (наружный слой) - ниобий - медь, причём толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, внутреннего медного - 3-5 мм.Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing an inner copper layer, as well as a layer of titanium, characterized in that it is made of three layers with alternating layers: titanium (outer layer) - niobium - copper, and the thickness of the outer titanium layer - 3-4 mm, niobium - 0.8-1.2 mm, inner copper - 3-5 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 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 В32В 15/20, В23К 101/14, опубл. 20.08.2009).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 one is made of aluminum, and the heat-insulating layers located between the copper and aluminum layers is known from aluminum-copper intermetallic compounds with a thickness of 15- 20 μm (0.015-0.02 mm), all the metal layers of the heat shield are interconnected on all surfaces of their contact by explosion welding with the subsequent formation of heat-protective intermetallic layers heat treatment. (Utility Model Patent No. 85856, IPC В32В 15/20, В23К 101/14, publ. 08/20/2009).

Недостатком данной конструкции является невысокое термическое сопротивление поперек слоев из-за малой суммарной толщины теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь, не превышающая 0,04 мм, малая прочность при поперечных сжимающих нагрузках, низкая коррозионная стойкость наружной поверхности, склонность к расслаиванию в условиях динамических нагрузок и при термоциклировании, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.The disadvantage of this design is the low thermal resistance across the layers due to the small total thickness of the heat-insulating layers of intermetallic compounds of the aluminum-copper system, not exceeding 0.04 mm, low strength under transverse compressive loads, low corrosion resistance of the outer surface, the tendency to delamination under dynamic conditions loads and during thermal cycling, which 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 цельносварной многослойной трубы, содержащей внутренний медный слой и два интерметаллидных слоя, выполненная четырехслойной с чередованием слоев: интерметаллид (наружный слой) - титан - интерметаллид - медь (внутренний слой), причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди, толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у расположенного между титановым и медным слоями интерметаллидного слоя - 0,1-0,2 мм, толщина внутреннего медного слоя не менее 2 мм (Патент на полезную модель №154490, МПК В32В 15/01, В32В 15/20, В23К 101/04, В23К 20/08, опубл. 27.08.2015 - 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 an all-welded multilayer pipe containing an inner copper layer and two intermetallic layers, made of four layers with alternating layers: intermetallic (outer layer) - titanium - intermetallic - copper (inner layer), and the intermetallic layers are composed of titanium and copper, the thickness of the outer intermetallic layer is 0.02-0.03 mm, located between the titanium and copper layers the intermetallic layer is 0.1-0.2 mm, the thickness of the inner copper layer is at least 2 mm (Utility Model Patent No. 154490, IPC V32V 15/01, V32V 15/20, V23K 101/04, V23K 20/08, publ. 08/27/2015 - prototype).

Недостатком данной конструкции является склонность к расслаиванию по хрупким интерметаллидным слоям в условиях динамических нагрузок и при термоциклировании, а также низкая коррозионная стойкость его наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.The disadvantage of this design is the tendency to delamination into brittle intermetallic layers under dynamic loads and during thermal cycling, as well as the low corrosion resistance of its outer surface in aggressive environments, for example, in chlorides.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трехслойной трубы из титана, ниобия и меди, стойкой к расслаиванию в условиях повышенных динамических нагрузок и при термоциклировании в интервале температур 20-500°С, с более высокой коррозионной стойкостью его наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах, с обеспечением при этом у него высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.The task in developing this utility model is to create a new design of a composite heat shield in the form of an all-welded three-layer pipe made of titanium, niobium and copper, resistant to delamination under conditions of high dynamic loads and during thermal cycling in the temperature range of 20-500 ° C, with higher corrosion resistance its outer surface in aggressive environments, for example, in chlorides, while providing it with high strength under transverse compressive loads and high thermal resistance the appearance of its wall in the direction of heat transfer across the layers.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - существенное повышение, в сравнении с прототипом, стойкости изделия к расслаиванию в условиях повышенных динамических нагрузок и при термоциклировании в интервале температур 20-500°С, повышение коррозионной стойкости его наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, с обеспечением при этом у него высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.The technical result that is achieved by the implementation of this utility model is a significant increase, in comparison with the prototype, of the product resistance to delamination under conditions of increased dynamic loads and during thermal cycling in the temperature range of 20-500 ° C, increased corrosion resistance of its outer surface in aggressive environments , for example, in chlorides, while ensuring that it has high strength under transverse compressive loads and high thermal resistance of its wall when the heat transfer direction cottages across the layers.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей внутренний медный слой, а также слой из титана, выполнен трехслойным с чередованием слоев: титан (наружный слой) - ниобий - медь, причем толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, внутреннего медного - 3-5 мм.The specified technical result is achieved in that the composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing an inner copper layer, as well as a titanium layer, is made three-layer with alternating layers: titanium (outer layer) - niobium - copper, and the thickness the outer titanium layer is 3-4 mm, the niobium layer is 0.8-1.2 mm, the inner copper layer is 3-5 mm.

В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен трехслойным с чередованием слоев: титан (наружный слой) - ниобий - медь, что обеспечивает ему повышение, в сравнении с прототипом, стойкости изделия к расслаиванию в условиях повышенных динамических нагрузок и при термоциклировании в интервале температур 20-500°С, более высокую коррозионную стойкость его наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.In contrast to the prototype, the composite heat shield with an internal cavity is made three-layer with alternating layers: titanium (outer layer) - niobium - copper, which provides it with an increase, in comparison with the prototype, of the product resistance to delamination under conditions of increased dynamic loads and during thermal cycling in the interval temperatures of 20-500 ° C, higher corrosion resistance of its outer surface in aggressive environments, such as chlorides, while ensuring high strength under transverse compressive loads High thermal resistance of the heat transfer wall in its direction transverse to the layers.

Наружный слой из титана, смежный с ниобиевым слоем, обеспечивает, совместно с остальными металлическими слоями, высокую прочность изделия и, благодаря низкой теплопроводности титана, высокие теплозащитные свойства, а также повышенную коррозионную стойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, облегчает соединение теплозащитного экрана, с помощью сварки или иными способами с трубопроводами или иными деталями химических и энергетических установок. Кроме того, низкая плотность титана способствует существенному снижению массы получаемого изделия. Предложено выполнять этот слой толщиной, равной 3-4 мм, поскольку толщина этого слоя менее 3 мм не обеспечивает у теплозащитного экрана необходимого уровня термического сопротивления, а также высоких прочностных свойств при поперечных сжимающих нагрузках, а толщина этого слоя более 4 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу титана в расчете на одно изделие.The outer layer of titanium adjacent to the niobium layer provides, together with the other metal layers, high product strength and, due to the low thermal conductivity of titanium, high heat-shielding properties, as well as increased corrosion resistance of the outer surface of the heat-shielding screen in aggressive environments, such as chlorides, facilitates the connection of the heat shield by welding or by other means with pipelines or other parts of chemical and power plants. In addition, the low density of titanium contributes to a significant reduction in the mass of the resulting product. It is proposed to perform this layer with a thickness of 3-4 mm, since the thickness of this layer less than 3 mm does not provide the heat shield with the required level of thermal resistance, as well as high strength properties with transverse compressive loads, and the thickness of this layer is more than 4 mm, since this leads to an unreasonably large consumption of titanium per one product.

Ниобиевый слой, располагаемый между слоями из титана и меди, предложено выполнять толщиной, равной 0,8-1,2 мм. Этот слой, в первую очередь, выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним и титановым медным слоями, препятствует образованию при сварке взрывом между титаном и медью хрупкого интерметаллидного слоя, который мог бы, в случае его появления при отсутствии ниобиевого слоя, снизить долговечность изделия в условиях динамических нагрузок и при термоциклировании в интервале температур 20-500°С. Кроме того, слой из ниобия, совместно с титановым и медным слоями, способствует формированию высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина ниобиевого слоя менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а его толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие.It is proposed that the niobium layer located between the layers of titanium and copper be made with a thickness of 0.8-1.2 mm. This layer, first of all, serves as an auxiliary intermediate layer between adjacent to it and titanium copper layers, prevents the formation of a brittle intermetallic layer during explosion welding between titanium and copper, which could, if it appeared in the absence of a niobium layer, reduce the durability of the product under dynamic loads and during thermal cycling in the temperature range of 20-500 ° C. In addition, the niobium layer, together with the titanium and copper layers, contributes to the formation of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers, as well as high strength of the product under compressive loads. The thickness of the niobium layer of less than 0.8 mm makes it difficult to obtain high-quality products without uncontrolled deformation during explosion welding, and its thickness of more than 1.2 mm is excessive, since this leads to an unjustifiably high consumption of expensive niobium per one product.

Медный слой предложено выполнять толщиной, равной 3-5 мм. Этот слой способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию, высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. При толщине этого слоя менее 3 мм затруднено получение качественных сварных соединений при соединении данного теплозащитного экрана с трубопроводами или иными деталями химических и энергетических, а толщина этого слоя более 5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу меди в расчете на одно изделие.The copper layer is proposed to perform a thickness of 3-5 mm. This layer helps to stabilize the temperature of the inner surface along the length of the product when exposed to concentrated heat sources from the outside of the heat shield. Together with other metal layers, this layer contributes to the formation of high strength products under compressive loads. With a thickness of this layer less than 3 mm, it is difficult to obtain high-quality welded joints when connecting this heat shield to pipelines or other chemical and energy parts, and the thickness of this layer more than 5 mm is excessive, since this leads to an unjustifiably large consumption of copper per one product.

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: наружного титанового 1, ниобиевого 2 и внутреннего медного 3.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 indicating the location of the layers: outer titanium 1, niobium 2 and inner copper 3.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной трехслойной трубы с чередованием слоев: титан (наружный слой) - ниобий - медь (внутренний слой), причем толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм. внутреннего медного - 3-5 мм.Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded three-layer pipe with alternating layers: titanium (outer layer) - niobium - copper (inner layer), and the thickness of the outer titanium layer is 3-4 mm, niobium is 0.8-1, 2 mm. internal copper - 3-5 mm.

Наружный титановый слой 1 обеспечивает, совместно с остальными металлическими слоями, высокую прочность изделия и его высокие теплозащитные свойства, а также повышенную коррозионную стойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, облегчает соединение теплозащитного экрана, с помощью сварки или иными способами с трубопроводами или иными узлами химических и энергетических установок.The outer titanium layer 1 provides, together with the remaining metal layers, high strength of the product and its high heat-shielding properties, as well as increased corrosion resistance of the outer surface of the heat shielding in aggressive environments, such as chlorides, facilitates the connection of the heat-shielding, by welding or by other means with pipelines or other nodes of chemical and power plants.

Слой из ниобия 2 выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним титановым 1 и медным 3 слоями, препятствует возникновению при сварке взрывом в зоне их соединения хрупких интерметаллидных фаз, снижающих служебные свойства изделия в условиях динамических и циклических нагрузок, а также при термоциклировании в интервале температур 20-500°С. Кроме того, слой из ниобия, совместно с другими металлическими слоями, способствует формированию высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках.The niobium 2 layer acts as an auxiliary intermediate layer between the titanium 1 and copper 3 layers adjacent to it, prevents the formation of brittle intermetallic phases during explosion welding in the zone of their connection, which reduce the service properties of the product under dynamic and cyclic loads, as well as during thermal cycling in the interval temperatures of 20-500 ° C. In addition, the niobium layer, together with other metal layers, contributes to the formation of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers, as well as high strength of the product with transverse compressive loads.

Медный слой 3 способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней или с внутренней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию, высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках, кроме того, облегчает соединение теплозащитного экрана, с помощью сварки или иными способами с трубопроводами или иными узлами химических и энергетических установок.The copper layer 3 helps to stabilize the temperature of the inner surface along the length of the product when exposed to external or internal heat shield of concentrated heat sources. Together with other metal layers, this layer contributes to the formation of high strength products with transverse compressive loads, in addition, facilitates the connection of the heat shield by welding or by other means with pipelines or other components of chemical and power plants.

Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется, например, следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают к наружному титановому, либо к внутреннему медному слою, например, аргонодуговой сваркой металлические трубопроводы или иные устройства для пропускания через внутреннюю полость жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через трехслойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением, повышенной прочностью при сжимающих нагрузках, высокой стойкостью к расслаиванию в условиях динамических нагрузок, а также при термоциклировании в интервале температур 20-500°С. Наружный титановый слой обеспечивает высокую коррозионную стойкость его наружной поверхности, например, в хлоридах, а внутренний медный слой, благодаря его высокой теплопроводности, способствует ускорению выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.The operation of the composite heat shield with an internal cavity is carried out, for example, as follows. From two end sides of the product, metal pipelines or other devices for passing liquids or coolant gases through the internal cavity are welded to the outer titanium or to the inner copper layer, for example, by argon-arc welding. Limited heat transfer of these substances with the environment is carried out through a three-layer wall of the heat shield, which has increased thermal resistance, increased strength under compressive loads, high resistance to delamination under dynamic loads, and also during thermal cycling in the temperature range of 20-500 ° C. The outer titanium layer provides high corrosion resistance of its outer surface, for example, in chlorides, and the inner copper layer, due to its high thermal conductivity, helps to accelerate the temperature equalization of the inner surface of the heat shield when concentrated heat sources are exposed to its outer surface.

Пример исполнения 1.Execution example 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ1-00, ниобий марки ВН2 и медь марки M1. Данный экран изготовлен в виде цельносварной пятислойной трубы длиной 250 мм, ее наружный диаметр D_н=93,6 мм, внутренний - D_в=80 мм. Толщина наружного титанового слоя - 3 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 0,8 мм, смежного с ним внутреннего медного - 3 мм.As starting materials for the manufacture of a composite heat shield with an internal cavity, titanium of the VT1-00 grade, niobium of the BH2 grade and copper of the M1 grade were used. This screen is made in the form of a five-layer welded pipe, its outer diameter of 250 mm _n D = 93.6 mm, inner - D _{e =} 80 mm. The thickness of the outer titanium layer is 3 mm, the adjacent niobium layer is 0.8 mm, the adjacent inner copper layer is 3 mm.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в отличие от прототипа, благодаря отсутствию у него хрупких слоев, не расслаивается в условиях динамических нагрузок, а также при термоциклировании в интервале температур 20-500°С, обладает более высокой коррозионной стойкостью его наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, его прочность при поперечных сжимающих нагрузках в 4,3-5,2 раза выше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу. Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R_э 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=20,1·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,7-2,6 раза больше, чем у изделий по прототипу, описанных в примерах 1-3.The resulting composite heat shield with an internal cavity, unlike the prototype, due to the absence of brittle layers, does not delaminate under dynamic loads, and also when thermocycling in the temperature range of 20-500 ° C, has a higher corrosion resistance of its outer surface under aggressive environments, for example in chlorides, its strength under transverse compressive loads is 4.3-5.2 times higher than in the examples 1-3 of the prototype. The thermal resistance of the wall of the composite heat shield R _e 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 = 20.1 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 1.7-2.6 times more than the products of the prototype described in examples 1-3.

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=107 мм, внутренний - D_в=90 мм. Толщина наружного титанового слоя - 3,5 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 1 мм, смежного с ним медного - 4 мм. Прочность предлагаемого композиционного теплозащитного экрана при поперечных сжимающих нагрузках в 5,8-6,9 раз выше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу. Термическое сопротивление его стенки R_э=23,8·10^-5 К/(Вт/м²), что в 2-3 раза больше, чем в приведенных примерах 1-3 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 = 107 mm, inner - D _in = 90 mm. The thickness of the outer titanium layer is 3.5 mm, the adjacent niobium layer is 1 mm, the adjacent copper layer is 4 mm. The strength of the proposed composite heat shield with transverse compressive loads is 5.8-6.9 times higher than in the examples 1-3 of the prototype. The thermal resistance of its wall R _e = 23.8 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 2-3 times more than in the above examples 1-3 according to the prototype.

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=120,4 мм, внутренний - D_в=100 мм.The same as in example 1, but the following changes. The outer diameter of the composite heat shield with an internal cavity D _n = 120.4 mm, inner - D _in = 100 mm.

Прочность предлагаемого композиционного теплозащитного экрана при поперечных сжимающих нагрузках в 7,3-8,7 раз выше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу. Термическое сопротивление его стенки R_э=26,4·10^-5 К/(Вт/м²), что в 2,3-3,4 раза больше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу.The strength of the proposed composite heat shield with transverse compressive loads is 7.3-8.7 times higher than in the examples 1-3 of the prototype. The thermal resistance of its wall R _e = 26.4 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 2.3-3.4 times more than in the above examples 1-3 of the prototype.

Claims

Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing an inner copper layer, as well as a layer of titanium, characterized in that it is made of three layers with alternating layers: titanium (outer layer) - niobium - copper, and the thickness of the outer titanium layer - 3-4 mm, niobium - 0.8-1.2 mm, inner copper - 3-5 mm.