RU162805U1 - Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью - Google Patents

Abstract

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный и внутренний слои из титана, а также средний медный слой, отличающийся тем, что он выполнен с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - ниобий - титан, причем толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, внутреннего - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, каждого ниобиевого слоя - 0,8-1,2 мм.

Description

Полезная модель относится к изделиям трубчатой формы, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в химических, энергетических установках и т.п.

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 B32B 15/20, В23К 101/14, опубл. 20.08.2009).

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 и внутренней поверхности, склонность к расслаиванию в условиях ударных нагрузок и при термоциклировании, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.

Наиболее близкой по технической сущности является цельносварная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненная в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, у которой наружный и внутренний слои выполнены из титана, средний слой - из меди, а расположенные между медным слоем и слоями из титана теплозащитные слои - из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм, толщина внутреннего титанового слоя не менее 2 мм (Патент на полезную модель №154493, МПК В32В 15/01, В32В 15/20, В23К 101/04, В23К 20/08, опубл. 27.08.2015 - прототип).

Недостатком данной конструкции является склонность к расслаиванию по хрупким интерметаллидным слоям в условиях динамических нагрузок и при термоциклировании, что весьма ограничивает применение таких изделий в условиях повышенных динамических нагрузок и частых теплосмен.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой четырехслойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной пятислойной трубы из титана, ниобия и меди, стойкой к расслаиванию в условиях повышенных динамических нагрузок и при термоциклировании в интервале температур 20-500°C, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках, высокого термического сопротивления его стенки поперек слоев, с обеспечением также одинаково высокой коррозионной стойкости его наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.

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°C, с обеспечением при этом у него высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках, высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, с обеспечением также высокой коррозионной стойкости его наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный и внутренний слои из титана, а также средний медный слой, выполнен с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - ниобий - титан, причем толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, внутреннего - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, каждого ниобиевого слоя - 0,8-1,2 мм.

В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен пятислойным с чередованием слоев: с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - ниобий - титан, что обеспечивает ему повышение, в сравнении с прототипом, стойкости изделия к расслаиванию в условиях повышенных динамических нагрузок и при термоциклировании, высокую прочность при поперечных сжимающих нагрузках, высокое термическое сопротивление его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, с обеспечением при этом высокой коррозионной стойкости его наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.

Наружный слой из титана, смежный с одним из ниобиевых слоев, 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 его толщиной, равной 3-4 мм, поскольку толщина этого слоя менее 3 мм не обеспечивает у теплозащитного экрана необходимого уровня термического сопротивления, а также 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.

Средний медный слой предложено выполнять толщиной, равной 1,5-2,5 мм. Этот слой способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней или внутренней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 1,5 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 2,5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу меди в расчете на одно изделие.

Каждый ниобиевый слой, располагаемый между слоями из титана и меди, предложено выполнять толщиной, равной 0,8-1,2 мм. Эти слои, в первую очередь, выполняют функции вспомогательных промежуточных прослоек между смежными с ними медным и титановыми слоями, препятствуют образованию при сварке взрывом между медью и титаном хрупких интерметаллидных слоев, которые могли бы, в случае их появления при отсутствии ниобиевых слоев, снизить долговечность изделия в условиях динамических нагрузок, а также при термоциклировании. Кроме того, слои из ниобия, совместно с другими металлическими слоями, способствуют формированию высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина каждого ниобиевого слоя менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а их толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие.

Смежный с другим ниобиевым слоем внутренний титановый слой обеспечивает высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Этот слой, как и наружный, способствует существенному повышению термического сопротивления стенки композиционного теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с остальными слоями, повышению его прочности при поперечных сжимающих нагрузках, способствует существенному снижению массы получаемого изделия.

Предложено выполнять внутренний титановый слой толщиной, равной 4-5 мм, что обеспечивает получение у композиционного теплозащитного экрана необходимого высокого термического сопротивления, а также высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, такая толщина этого слоя позволяет надежно соединять теплозащитный экран, например, с помощью сварки, с трубопроводами или иными узлами химических и энергетических установок. Толщина этого слоя менее 4 мм не обеспечивает у теплозащитного экрана необходимого уровня термического сопротивления, а также прочностных свойств при поперечных сжимающих нагрузках, а толщина этого слоя более 5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего титана в расчете на одно изделие.

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, медного 3, ниобиевого 4 и внутреннего титанового 5.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной пятислойной трубы с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - ниобий - титан, причем толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, внутреннего - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, каждого ниобиевого слоя - 0,8-1,2 мм.

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.

Слой из ниобия 2 выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним наружным 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 нагрузок и при термоциклировании. 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.

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.

Другой слой из ниобия 4, выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним медным слоем 3 и внутренним титановым 5, как и слой 2 он препятствует возникновению при сварке взрывом в зоне их соединения хрупких интерметаллидных фаз, 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.

Внутренний титановый слой 5 обеспечивает высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Этот слой, как и слой 1, способствует существенному повышению термического сопротивления стенки композиционного теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с другими слоями, повышению его прочности при поперечных сжимающих нагрузках, способствует существенному снижению массы получаемого изделия.

Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется, например, следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают к наружному, либо к внутреннему титановому 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 пятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую высокой стойкостью к расслаиванию в условиях динамических нагрузок и при термоциклировании, высоким термическим сопротивлением его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев и высокой прочностью при поперечных сжимающих нагрузках. Наружный и внутренний титановые слои обеспечивают высокую коррозионную стойкость его наружной и внутренней поверхности, например в хлоридах.

Пример исполнения 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=100,2 мм, внутренний - D_в=80 мм. Толщина наружного титанового слоя - 3 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 0,8 мм, смежного с ним медного - 1,5 мм, смежного с ним ниобиевого - 0,8 мм, смежного с ним внутреннего титанового слоя - 4 мм.

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°C, с обеспечением при этом, высокой коррозионной стойкости его наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, его прочность при поперечных сжимающих нагрузках в 4-5,4 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=45,1·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,6-2,1 раза больше, чем у изделия по прототипу, изготовленного по примерам 1-3.

Пример исполнения 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=114 мм, внутренний - D_в=90 мм. Толщина наружного титанового слоя - 3,5 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 1 мм, смежного с ним медного - 2 мм, смежного с ним ниобиевого - 1 мм, смежного с ним внутреннего титанового слоя - 4,5 мм.

Прочность предлагаемого композиционного теплозащитного экрана при поперечных сжимающих нагрузках в 5-6,9 раза выше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу. Термическое сопротивление его стенки R_э=52·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,8-2,5 раза больше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу.

Пример исполнения 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=127,8 мм, внутренний - D_в=100 мм.

Прочность предлагаемого композиционного теплозащитного экрана при поперечных сжимающих нагрузках в 6,1-8,4 раза выше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу. Термическое сопротивление его стенки R_э=58,8·10^-5 К/(Вт/м²), что в 2-2,8 раза больше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу.

Claims (1)

1. Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный и внутренний слои из титана, а также средний медный слой, отличающийся тем, что он выполнен с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - ниобий - титан, причем толщина наружного титанового слоя - 3-4 мм, внутреннего - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, каждого ниобиевого слоя - 0,8-1,2 мм.

   

Images