RU162806U1 - Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью - Google Patents

Abstract

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей титановый и медный слои, а также слой из аустенитной коррозионностойкой стали, отличающийся тем, что он выполнен четырехслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем толщина стального слоя - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового 3-4 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 В32В 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 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 многослойной трубы, у которой наружный слой выполнен из четырехслойного композиционного материала (СКМ) с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь, внутренний - из биметалла медь - аустенитная коррозионностойкая сталь, причем толщина интерметаллидных слоев равна 0,1-0,2 мм, у стального слоя в биметалле - не менее 2 мм. (Патент на полезную модель №154492, 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. Кроме того, в данной конструкции слой из аустенитной коррозионностойкой стали, защищающий внутреннюю поверхность от воздействия агрессивных сред, не обладает необходимой стойкостью в хлоридах, в тоже время, когда наружная поверхность изделия в процессе эксплуатации контактирует с менее агрессивными средами, то повышенная коррозионная стойкость наружного слоя из титана является избыточной. Все это ограничивает применение таких изделий в ряде химических и энергетических установок.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой четырехслойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы из аустенитной коррозионностойкой стали, меди, ниобия и титана, 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, а также высокой коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например, наружной поверхности - в азотной кислоте, а внутренней - 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 высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках, высокого термического сопротивления стенки поперек слоев, а также высокой коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например, наружной поверхности - в азотной кислоте, а внутренней - в хлоридах.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей титановый и медный слои, а также слой из аустенитной коррозионностойкой стали, выполнен четырехслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем толщина стального слоя - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового 3-4 мм.

В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен четырехслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь - ниобий - титан (внутренний слой), что обеспечивает ему повышение, в сравнении с прототипом, стойкости к расслаиванию в условиях повышенных динамических нагрузок и при термоциклировании в интервале температур 20-500°C, высокую прочность при поперечных сжимающих нагрузках, высокое термическое сопротивление его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев с обеспечением при этом высокой коррозионной стойкости его внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, а его наружной поверхности, например, в азотной кислоте.

Наружный слой из аустенитной коррозионностойкой стали обеспечивает, совместно с остальными металлическими слоями, высокую прочность изделия и, благодаря низкой теплопроводности этой стали, высокие теплозащитные свойства, а также повышенную коррозионную стойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте, облегчает соединение теплозащитного экрана, с помощью сварки или иными способами с трубопроводами или иными деталями химических и энергетических установок. Предложено выполнять его толщиной, равной 4-5 мм, поскольку 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 стали в расчете на одно изделие.

Смежный со стальным слоем 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 стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию, высокой прочности изделия при 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.

Смежный с медным слоем слой из ниобия предложено выполнять толщиной, равной 0,8-1,2 мм. Этот слой, в первую очередь, выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним медным и титановым слоями, препятствует образованию между медью и титаном хрупкого интерметаллидного слоя при сварке взрывом, который мог бы, в случае его появления при отсутствии ниобиевого слоя, снизить долговечность изделия в условиях динамических и циклических нагрузок, а также 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 сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие.

Смежный с ниобиевым слоем внутренний титановый слой обеспечивает высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Этот слой, благодаря низкой теплопроводности титана, способствует существенному повышению термического сопротивления стенки композиционного теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с медным, ниобиевым и стальным слоями, повышению его прочности при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность титана способствует существенному снижению массы получаемого изделия. Предложено выполнять внутренний титановый слой толщиной равной 3-4 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 3 мм не обеспечивает у теплозащитного экрана необходимого уровня термического сопротивления, а также прочностных свойств при сжимающих нагрузках, а толщина этого слоя более 4 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 стального 1, медного 2, ниобиевого 3 и внутреннего титанового 4.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной четырехслойной трубы с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем толщина стального слоя - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового 3-4 мм.

Наружный слой из аустенитной коррозионностойкой стали 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 азотной кислоте, облегчает соединение теплозащитного экрана, с помощью сварки или иными способами с трубопроводами или иными узлами химических и энергетических установок.

Смежный со стальным слоем медный слой 2 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 поперечных сжимающих нагрузках.

Смежный с медным слоем слой из ниобия 3 выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним медным и титановым слоями, препятствует возникновению при сварке взрывом в зонах соединения хрупких интерметаллидных фаз, снижающих служебные свойства изделия в условиях динамических и циклических нагрузок, а также 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.

Внутренний титановый слой 4 обеспечивает высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Этот слой, благодаря низкой теплопроводности титана, способствует существенному повышению термического сопротивления стенки композиционного теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с остальными слоями, повышению его прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность титана 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 стальному слою, либо к внутреннему титановому, например, аргонодуговой сваркой металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через четырехслойную 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°C. Наружный стальной слой обеспечивает высокую коррозионную стойкость его наружной поверхности, например, в азотной кислоте, внутренний титановый - его внутренней поверхности, например, в хлоридах.

Пример исполнения 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали сталь марки 12Х18Н10Т, медь марки M1, ниобий марки ВН2 и титан марки ВТ1-00. Данный экран изготовлен в виде цельносварной четырехслойной трубы длиной 250 мм, ее наружный диаметр D_н=98,6 мм, внутренний - D_в=80 мм. Толщина наружного стального слоя - 4 мм, смежного с ним медного - 1,5 мм, смежного с ним - ниобиевого - 0,8 мм, смежного с ниобиевым внутреннего титанового - 3 мм.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в отличие от прототипа, благодаря отсутствию у него хрупких слоев, не расслаивается в условиях динамических и циклических нагрузок, а также при термоциклировании в интервале температур 20-500°C, его прочность при поперечных сжимающих нагрузках в 1,7-2,7 раза выше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу, как и у изделий по прототипу, обеспечивается высокая коррозионная стойкость наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например, его наружной поверхности - в азотной кислоте, а внутренней - в хлоридах.

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=45,4·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,2-1,25 раза больше, чем у изделий по прототипу, описанных в примерах 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=112 мм, внутренний - D_в=90 мм. Толщина наружного стального слоя - 4,5 мм, смежного с ним медного слоя - 2 мм, смежного с медным ниобиевого слоя - 1 мм, смежного с ниобиевым внутреннего титанового слоя - 3,5 мм.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 2,1-3,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках, при этом термическое сопротивление его стенки R_э=50,2·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,3-1,4 раза больше, чем у изделий по прототипу, описанных в примерах 1-3.

Пример исполнения 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=125,4 мм, внутренний - D_в=100 мм. Толщина наружного стального слоя - 5 мм, смежного с ним медного слоя - 2,5 мм, смежного с медным ниобиевого слоя - 1,2 мм, смежного с ниобиевым внутреннего титанового слоя - 4 мм.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 2,5-4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках, при этом термическое сопротивление его стенки R_э=60·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,6-1,7 раза больше, чем у изделий по прототипу, описанных в примерах 1-3.

Claims (1)

1. Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей титановый и медный слои, а также слой из аустенитной коррозионностойкой стали, отличающийся тем, что он выполнен четырехслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем толщина стального слоя - 4-5 мм, медного - 1,5-2,5 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового 3-4 мм.

   

Images