КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН С ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТЬЮ

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, низкие окалиностойкость и коррозионная стойкость наружной и внутренней поверхности, 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, содержащая два медных слоя и интерметаллидные слои, при этом его наружный слой выполнен из слоистого композиционного материала (СКМ), состоящего из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди, толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у остальных (внутренних) интерметаллидных слоев - 0,1-0,2 мм, внутренний слой теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2 мм. (Патент на полезную модель №154491, МПК В32В 15/01, В32В 15/20, В23К 101/04, В23К 20/08, опубл. 27.08.2015 - прототип).
Недостатком данной конструкции является малая жаростойкость наружного интерметаллидного слоя, состоящего из титана и меди, в окислительных газовых средах: рабочая температура ее наружной поверхности в таких средах не превышает 500°C. Внутренний слой такого теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали, которая не обладает достаточной коррозионной стойкостью при пропускании через внутреннюю поверхность теплозащитного экрана агрессивных веществ - хлоридов. Все это весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках, где требуется высокая жаростойкость наружной поверхности и повышенная коррозионная стойкость внутренней поверхности в агрессивных средах, включая хлориды.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой пятислойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы из никеля, меди, ниобия и титана с интерметаллидным слоем на наружной поверхности изделия, с более высокой, в сравнении с прототипом, жаростойкостью наружного интерметаллидного слоя в окислительных газовых средах, а также более высокой коррозионной стойкостью при пропускании через внутреннюю поверхность предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 2 раза рабочей температуры наружной поверхности изделия окислительных газовых средах, повышение коррозионной стойкости при пропускании через внутреннюю полость предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей наружный интерметаллидный слой, а также медный и титановый слои, выполнен пятислойным с чередованием слоев: интерметаллид - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, его толщина 0,05-0,07 мм, толщина никелевого слоя 1,2-1,6 мм, медного - 2-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового - 4-6 мм.
В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен пятислойным с чередованием слоев: интерметаллид - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, что обеспечивает ему повышение, в сравнении с прототипом, в 2 раза рабочей температуры наружного интерметаллидного слоя в окислительных газовых средах, повышение коррозионной стойкости при пропускании через внутреннюю поверхность предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.
Наружный интерметаллидный слой композиционного теплозащитного экрана помимо повышения рабочей температуры его наружной поверхности в окислительных газовых средах, обеспечивает ему еще и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи в поперечном направлении. Предложено этот слой выполнять из алюминия и никеля, поскольку он обладает значительно большей жаростойкостью, чем наружный интерметаллидный слой в изделиях по прототипу. Предложено толщину наружного интерметаллидного слоя выполнять равной 0,05-0,07 мм, что обеспечивает необходимую повышенную жаросостойкость наружной поверхности изделия при длительном воздействии окислительных газовых сред. Кроме того, этот слой, обладая низкой теплопроводностью, способствует формированию, совместно с другими слоями, высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев. Толщина этого слоя менее 0,05 мм не обеспечивает у него необходимого высокого термического сопротивления, а его толщина более 0,07 мм является избыточной, поскольку при этом повышается его склонность к выкрашиванию при локальных ударных нагрузках.
Смежный с интерметаллидным слоем слой из никеля предложено выполнять толщиной, равной 1,2-1,6 мм. Этот слой необходим для формирования наружного жаростойкого интерметаллидного слоя из алюминия и никеля при термической обработке сваренной взрывом многослойной заготовки, содержащей вспомогательный тонкий алюминиевый слой. В зоне соединения никелевого слоя со смежным с ним медным слоем как в процессе получения изделия, так и в процессе последующей его эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Кроме того, этот слой способствует формированию, совместно с другими металлическими слоями, высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 1,2 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а его толщина более 1,6 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.
Смежный с никелевым слоем медный слой предложено выполнять толщиной, равной 2-4 мм. Этот слой способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, снижает склонность наружного интерметаллидного слоя к хрупкому разрушению при резких перепадах давления как во внутренней полости, так и снаружи изделия. Кроме того, в зоне соединения этого слоя со смежными с ним никелевым и ниобиевым слоями как в процессе получения изделия, так и в процессе последующей его эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 2 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 4 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, который мог бы, в случае его появления при отсутствии ниобиевого слоя, снизить долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. 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 со слоем из ниобия внутренний титановый слой обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом, 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 никелевым слоями, повышению его прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность титана способствует существенному снижению массы получаемого изделия. Предложено выполнять титановый слой толщиной равной 4-6 мм, что обеспечивает получение у композиционного теплозащитного экрана необходимого высокого термического сопротивления, а также высокой прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, такая толщина внутреннего слоя необходима для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью сварки, с трубопроводами химических и энергетических установок.
Толщина этого слоя менее 4 мм не обеспечивает у теплозащитного экрана необходимого уровня термического сопротивления, а также прочностных свойств при сжимающих нагрузках, а толщина этого слоя более 6 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 интерметаллидного слоя 1, состоящего из алюминия и никеля, никелевого 2, медного 3, ниобиевого 4 и внутреннего титанового 5.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной пятислойной трубы с чередованием слоев: интерметаллид (наружный слой) - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, его толщина 0,05-0,07 мм, толщина никелевого слоя 1,2-1,6 мм, медного - 2-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового - 4-6 мм.
Жаростойкий наружный интерметаллидный слой 1 из алюминия и никеля помимо повышения в 2 раза, в сравнении с прототипом, рабочей температуры изделия в окислительных газовых средах, обеспечивает ему еще и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи в поперечном направлении.
Смежный с интерметаллидным слоем слой из никеля 2 необходим для формирования наружного жаростойкого интерметаллидного слоя из алюминия и никеля при термической обработке сваренной взрывом многослойной заготовки. При сварке взрывом никеля с медью, а также при последующей эксплуатации изделия не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Кроме того, этот слой способствует формированию, совместно с другими металлическими слоями, высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках.
Смежный с никелевым слоем медный слой 3 способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, снижает склонность наружного интерметаллидного слоя к хрупкому разрушению при резких перепадах давления как во внутренней полости, так и снаружи изделия. Кроме того, в зоне соединения этого слоя со смежными с ним никелевым и ниобиевым слоями как в процессе получения изделия, так и в процессе последующей его эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию, высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках.
Смежный с медным слоем слой из ниобия 4 выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним медным и титановым слоями, препятствует возникновению в зонах соединения хрупких интерметаллидных фаз, снижающих служебные свойства изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. 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.
Смежный со слоем из ниобия внутренний титановый слой 5 обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом, 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 никелевым 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 следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают к внутреннему титановому слою, например, аргонодуговой сваркой металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через пятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и повышенной прочностью при сжимающих нагрузках. Наружный интерметаллидный слой из алюминия и никеля обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом жаростойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях окислительных газовых сред, а внутренний титановый слой - высокую коррозионную стойкость его внутренней поверхности, например, в хлоридах.
Пример исполнения 1.
В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали никель марки НП1, медь марки M1, ниобий марки ВН2, титан марки ВТ1-00. При получении изделия для формирования интерметаллидного слоя использовали также вспомогательный слой из алюминия марки АД1.
н
в
Данный экран изготовлен в виде цельносварной пятислойной трубы длиной 250 мм, ее наружный диаметр D=96,1 мм, внутренний - D=80 мм.
Наружный интерметаллидный слой теплозащитного экрана, состоящий из алюминия и никеля, имеет толщину 0,05 мм, толщина смежного с ним никелевого слоя - 1,2 мм, смежного с никелевым медного слоя - 2 мм, смежного с медным ниобиевого слоя - 0,8 мм, смежного с ним внутреннего титанового слоя - 4 мм.
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2 раза большей рабочей температурой наружного интерметаллидного слоя в окислительных газовых средах (у предлагаемой конструкции - 1000°C, у изделий по прототипу - 500°C), более высокой коррозионной стойкостью при пропускании через внутреннюю полость предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов и в 1,5-2,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.
э
э
-5
2
Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R 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=28·10 К/(Вт/м), что в 1,4 раза больше, чем у изделия по прототипу, описанного в примере 1.
Пример исполнения 2.
н
в
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D=110,9 мм, внутренний - D=90 мм.
Наружный интерметаллидный слой теплозащитного экрана имеет толщину 0,06 мм, толщина никелевого слоя - 1,4 мм, медного - 3 мм, ниобиевого - 1 мм, внутреннего титанового - 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.
э
-5
2
Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R=35·10 К/(Вт/м), что в 1,75 раза больше, чем у изделия по прототипу, описанного в примере 1, и примерно такое же, как в примере 2 у изделия по прототипу.
Пример исполнения 3.
н
в
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D=125,7 мм, внутренний - D=100 мм.
Наружный интерметаллидный слой теплозащитного экрана имеет толщину 0,07 мм, толщина никелевого слоя - 1,6 мм, медного - 4 мм, ниобиевого - 1,2 мм, внутреннего титанового - 6 мм.
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2,8-4,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.
э
-5
2
Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R=42·10 K/(Вт/м), что в 2,1 раза больше, чем у изделия по прототипу (см. пример 1) и примерно такое же, как по примеру 3 у изделия по прототипу.