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 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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
Пример исполнения 1.
н
в
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=93,6 мм, внутренний - D=80 мм. Толщина наружного титанового слоя - 3 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 0,8 мм, смежного с ним внутреннего медного - 3 мм.
э
э
-5
2
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 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=20,1·10 К/(Вт/м), что в 1,7-2,6 раза больше, чем у изделий по прототипу, описанных в примерах 1-3.
Пример исполнения 2.
н
в
э
-5
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D=107 мм, внутренний - D=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=23,8·10 К/(Вт/м), что в 2-3 раза больше, чем в приведенных примерах 1-3 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=120,4 мм, внутренний - D=100 мм.
э
-5
2
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=26,4·10 К/(Вт/м), что в 2,3-3,4 раза больше, чем в приведенных примерах 1-3 по прототипу.