СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЫ ИЗ СТЕКЛОМЕТАЛЛОКОМПОЗИТА
METHOD OF MAKING TUBES FROM GLASS-METAL COMPOSITE

Изобретение относится к области соединения изделий из стекла с изделиями из другого неорганического материала, в частности из металла, и может быть использовано для изготовления труб из стеклометаллокомпозита для химической, нефтяной и иных отраслей промышленности.
Известен способ покрытия внутренней поверхности металлической трубы стеклом с помощью центробежного литья, который состоит в размещении внутри стальной трубы стеклянной трубчатой заготовки, нагрева трубы с заготовкой в нагревательной печи до температуры размягчения стекла, создания внутри заготовки повышенного давления воздуха с целью ее раздувания до плотного прилегания и соединения с внутренней поверхностью трубы и последующего охлаждения трубы с внутренним покрытием (Бакулин Б.И., Скакунов М.Г., Слонимер Б.М. Проектирование и монтаж стеклянных трубопроводов. - М.: Стройиздат, 1981. - С.36-38).
Основным недостатком известного способа является то, что в слое стекла на внутренней поверхности металлической трубы в процессе охлаждения образуются микротрещины. Это снижает природную прочность стеклянного слоя, следовательно, его ударную стойкость, а также стойкость к агрессивным средам.
Известен также способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающий формирование цилиндрической оболочки из стеклянного слоя, облицованного металлическим покрытием в виде внешнего, внутреннего и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла (Патент РФ №2337036, С1 МПК В63В 3/13, B22D 13/00, опубл. 27.10.2008, бюл. №30 - прототип). В известном способе формирование цилиндрической оболочки из стекла производится центробежным методом путем подачи расплава стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки, и после понижения температуры стеклянного слоя до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, подают расплав металла и посредством центрифуги формируют требуемой толщины внутреннюю металлическую облицовку. Затем цилиндрическую оболочку отжигают до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя, после чего понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.
К основному преимуществу известного способа следует отнести исключение возможности образования в стеклянном слое поверхностных микротрещин при формировании плотного стеклянного слоя. Вследствие этого ударная стойкость стекломатериала повышается в десятки раз, металлические же облицовки используются только для предохранения стеклянного слоя от повреждений, и как следствие этого, отпадает необходимость в использовании прочных металлических материалов для изготовления металлических оболочек.
Основной недостаток известного способа применительно к способам изготовления труб из стеклометаллокомпозита заключается в том, что ее внутренняя поверхность оказывается покрытой металлической оболочкой. Тем самым, сохраняется главный недостаток металлической трубы, связанный с коррозией металла в агрессивных средах.
Задачей, на решение которой направлено техническое решение, является формирование плотного стеклянного слоя и исключение образования микротрещин на поверхности этого стеклянного слоя при изготовлении труб из стеклометаллокомпозита без внутренней металлической облицовки на внутренней поверхности стеклянного слоя.
Решение этой задачи позволит реализовать известные закономерности для резкого повышения прочности и ударной стойкости стекла в производстве труб из стеклометаллокомпозита.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления трубы из стеклометаллокомпозита, включающем формирование цилиндрической оболочки из стеклянного слоя и внешней металлической облицовки, имеющей коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла, при котором внешнюю металлическую оболочку устанавливают в разъемную форму и помещают в центрифугу, включают ее и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки и посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклянный слой на внутренней поверхности внешней металлической оболочки, понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования стеклянного слоя и выключают центрифугу, отжигают цилиндрическую оболочку до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя, понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из разъемной формы, при установке внешней металлической облицовки в разъемную форму в ее торец без зазора помещают торцевую теплоизоляционную заглушку, диаметр которой равен наружному диаметру внешней металлической облицовки, затем разъемную форму помещают в центрифугу и включают ее, а после окончания формирования стеклянного слоя на внутренней поверхности внешней металлической оболочки при работающей центрифуге понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры, обеспечивающей сохранение равномерного стеклянного слоя на внутренней поверхности внешней металлической облицовки при временной остановке центрифуги, останавливают центрифугу и непосредственно в разъемной форме на свободный торец цилиндрической оболочки также устанавливают торцевую теплоизоляционную заглушку, аналогичную первой, и включают центрифугу.
В заявляемом способе изготовления трубы из стеклометаллокомпозита общими существенными признаками для него и прототипа являются:
- цилиндрическую оболочку формируют из стеклянного слоя и внешней металлической облицовки, имеющей коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла;
- внешнюю металлическую оболочку устанавливают в разъемную форму и помещают в центрифугу;
- включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки;
- посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклянный слой на внутренней поверхности внешней металлической оболочки;
- понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования стеклянного слоя и выключают центрифугу;
- отжигают цилиндрическую оболочку до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя;
- понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из разъемной формы.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа изготовления трубы из стеклометаллокомпозита и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:
- при установке внешней металлической облицовки в разъемную форму в ее торец без зазора помещают торцевую теплоизоляционную заглушку, диаметр которой равен наружному диаметру внешней металлической облицовки;
- разъемную форму помещают в центрифугу и включают ее;
- после окончания формирования стеклянного слоя на внутренней поверхности внешней металлической оболочки при работающей центрифуге понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры, обеспечивающей сохранение равномерного стеклянного слоя на внутренней поверхности внешней металлической облицовки при временной остановке центрифуги;
- останавливают центрифугу и непосредственно в разъемной форме на свободный торец цилиндрической оболочки также устанавливают торцевую теплоизоляционную заглушку, аналогичную первой, и включают центрифугу.
Совокупность существенных признаков заявленного способа позволила:
- устранить появление на поверхности стеклянного слоя цилиндрической оболочки поверхностных микротрещин;
- обеспечить формирование равномерного и плотного стеклянного слоя требуемой толщины;
- не формировать внутреннюю металлическую облицовку на стеклянном слое цилиндрической оболочки.
Таким образом, высокие показатели прочности и ударной стойкости трубы из стеклометаллокомпозита достигаются в основном за счет исключения в стеклянном слое поверхностных микротрещин. Существенное значение при этом имеет также равномерно плотное формирование стеклянного слоя. Механизмы исключения образования поверхностных микротрещин на внешней и внутренней поверхностях цилиндрической оболочки из стеклянного слоя отличаются друг от друга и состоят в следующем.
При остывании стеклянного слоя температура внешней металлической облицовки всегда будет ниже температуры прилегающей поверхности стеклянного слоя. Поэтому металлическая облицовка, имеющая более высокий коэффициент температурного расширения, стремится сократить свои размеры в большей мере, чем прилегающая к нему поверхность стеклянного слоя. Однако они встречают сопротивление со стороны приваренного стеклянного слоя. Вследствие этого металлическая облицовка растягивается и стягивает прилегающую поверхность стеклянного слоя. Тем самым создается механическое препятствие к растрескиванию ее внешней поверхности. В результате формируется равномерно плотная внешняя поверхность трубы без поверхностных микротрещин.
Установленные на внешней металлической облицовке торцевые теплоизоляционные заглушки направляют поток тепла в радиальном направлении через металлическую облицовку. Поэтому температура внутренней поверхности трубы при ее остывании будет всегда выше температуры внутренних слоев стеклянного слоя, и внутренняя поверхность будет стремиться сократить свои размеры в меньшей мере, чем прилегающие слои стеклянной трубы. Но последние препятствуют этому стремлению. Тем самым внутренняя поверхность трубы стягивается, что исключает возможность ее растрескивания. В результате формируется равномерно плотная внутренняя поверхность трубы без поверхностных микротрещин.
Прочность и ударная стойкость трубы из стеклометаллокомпозита предлагаемым способом повышаются настолько, что отпадает необходимость в использовании прочностных свойств металлической облицовки. Поэтому металлическая облицовка используется для обеспечения необходимого технологического приема и для предохранения цилиндрической оболочки из стеклянного слоя от внешних повреждений.
На основании изложенного можно заключить, что существенные признаки заявленного изобретения имеют причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данным существенным признакам изобретения стало возможным решить поставленную задачу. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для использования.
Предлагаемый способ изготовления трубы из стеклометаллокомпозита поясняется чертежом, на котором в схематическом виде приведена труба, сформированная на центрифуге. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - цилиндрическая оболочка из стеклянного слоя; 2 - внешняя металлическая облицовка; 3 - теплоизоляционная заглушка; 4 - теплоизоляционная заглушка; 5 - разъемная форма; 6 - центрифуга.
Способ изготовления трубы из стеклометаллокомпозита осуществляется следующим образом.
Внешнюю металлическую облицовку 2 предварительно подготавливают для диффузионной сварки со стеклянным слоем 1 и одновременно в торец внешней металлической облицовки 2 устанавливают без зазора теплоизоляционную заглушку 3, диаметр которой равен наружному диаметру внешней металлической облицовки 2, и помещают в разъемную форму 5. После чего разъемную форму 5 помещают в центрифугу 6. Затем включают центрифугу 6 и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость металлической облицовки 2 и посредством центрифуги 6 формируют требуемой толщины стеклянный слой 1 на внутренней поверхности металлической облицовки 2. Частоту и время вращения центрифуги 6 определяют расчетно-экспериментальным методом в зависимости от размеров трубы исходя из равномерно плотного нанесения стекломассы на внутреннюю поверхность внешней металлической облицовки 2 и сохранения толщины стеклянного слоя 1 цилиндрической оболочки при остывании до температуры стеклования. При этом стекломассу можно наносить послойно и использовать различные рецептуры стекла для каждого промежуточного слоя. После чего температуру стеклянного слоя 1 понижают до температуры, обеспечивающей сохранение его размеров при временной остановке центрифуги 6. Останавливают центрифугу 6 и непосредственно в разъемной форме 5 на свободный торец цилиндрической оболочки 1 также устанавливают торцевую теплоизоляционную заглушку 4, аналогичную первой, и включают центрифугу 6. При достижении в стеклянном слое 1 температуры стеклования центрифугу 6 отключают и производят отжиг стеклянного слоя 1 при температуре стеклования до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя 1 цилиндрической оболочки. Затем понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме 5 до температуры внешней среды и извлекают из разъемной формы 5.
Технический результат изобретения заключается в создании бездефектной трубы из стеклометаллокомпозита, у которой устранены поверхностные микротрещины и произведено равномерное уплотнение стеклянного слоя. Вследствие этого прочность и ударная стойкость стекломатериала повышается в десятки раз. Металлическая облицовка трубы создает дополнительный технический эффект, исключая непосредственный контакт с окружающей средой и создавая дополнительные барьеры, препятствующие разрушению стеклянного слоя. Многократное повышение прочности и ударной стойкости трубы из стеклометаллокомпозита позволяет отказаться от использования прочностных свойств металлической оболочки, используя ее лишь в технологических целях и для предохранения стеклянного слоя от местных повреждений. Тем самым появляется возможность в существенном уменьшении массы металла и использовании металлов с малой массой и низкой стоимостью. Это позволит получить существенный экономический эффект, так как сырье, используемое для изготовления стекла, очень дешевое, его запасы практически неограниченные, а затраты на изготовление трубы из стеклометаллокомпозита значительно ниже энергозатрат, которые требуются для изготовления труб большой толщины из конструкционных металлов.