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 листовая конструкция теплозащитного элемента со сквозным внутренним каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П. Трыков, В.Г. Шморгун, Д.В. Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство. №6, 2000 г., С. 40-43).
Недостатком данной конструкции является то, что теплозащитный интерметаллидный слой не является сплошным и образован лишь на межканальных (плоских) участках изделия, а на металлах, примыкающих к внутреннему каналу, теплозащитный слой отсутствует, внутренний канал окружен разнородными материалами, поэтому теплообмен с окружающей средой неодинаков на разных участках изделия. Кроме того, эти изделия обладают повышенной склонностью к расслоению при динамических нагрузках, а это 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 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, B23K 101/14, опубл. 20.08.2009 - прототип).
Недостатком данной конструкции является малая суммарная толщина теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь, не превышающая 0,04 мм, поэтому эти изделия имеют невысокое термическое сопротивление поперек слоев. Кроме того, такие изделия имеют малую прочность при сжимающих нагрузках и низкую коррозионную стойкость в контакте с хлоридами и многими другими агрессивными средами, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой пятислойной конструкции композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью в виде цельносварной трубы, содержащей медный слой, два интерметаллидных и два титановых слоя, с более высоким в сравнении с прототипом термическим сопротивлением его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, с более высокой коррозионной стойкостью его наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, а также с более высокой прочностью при сжимающих нагрузках.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 20-35 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 4,6-8 раз прочности при сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.
Указанный технический результат достигается тем, что у композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненного в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, 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.
В отличие от прототипа наружный и внутренний слои композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполнены из титана, что обеспечивает предлагаемой конструкции в сравнении с прототипом значительно более высокую прочность при сжимающих нагрузках, а также коррозионную стойкость наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах. Кроме того, благодаря низкой теплопроводности титана, титановые слои способствуют существенному повышению теплозащитных свойств предлагаемого изделия. Средний медный слой способствуют стабилизации температуры внутренней поверхности изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, снижает склонность смежных с ним интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при резких перепадах давления как во внутренней полости, так и снаружи изделия. При получении данного теплозащитного экрана для формирования интерметаллидных слоев используют слои из титана и меди, поскольку интерметаллидные слои состава титан-медь обладают значительно более высокими теплозащитными свойствами, чем интерметаллидные слои состава медь - алюминий в изделиях по прототипу.
Предложено интерметаллидные слои выполнять с толщиной, равной 0,1-0,2 мм, что обеспечивает у них необходимое высокое термическое сопротивление. Их толщина менее 0,1 мм является недостаточной для обеспечения необходимых теплозащитных свойств, а их толщина более 0,2 мм является избыточной, поскольку при этом у них повышается вероятность хрупкого разрушения при циклических нагрузках в процессе эксплуатации изделий.
Предложено внутренний титановый слой теплозащитного экрана выполнять с толщиной не менее 2 мм, поскольку при толщине этого слоя менее 2 мм затрудняется получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций в процессе сварки взрывом. Кроме того, толщина этого слоя не менее 2 мм необходима для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью сварки, с трубопроводами химических и энергетических установок.
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.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен с использованием сварки взрывом в виде цельносварной пятислойной трубы, состоящей из наружного 1 и внутреннего 2 слоев из титана, среднего слоя 3 - из меди с расположенными между медным слоем и слоями из титана теплозащитными слоями 4, 5 из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм. Оба интерметаллидных слоя из титана и меди сформированы в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом многослойной трубчатой заготовки. Титановые слои обеспечивают предлагаемой конструкции, в сравнении с прототипом, более высокую прочность при сжимающих нагрузках и коррозионную стойкость наружной и внутренней поверхности в агрессивных средах, способствуют формированию у изделия высоких теплозащитных свойств. Медный слой, благодаря его высокой теплопроводности, способствует ускорению выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла, а также снижает склонность к хрупкому разрушению смежных с ним интерметаллидных слоев при циклических нагрузках, совместно с титановыми слоями обеспечивает повышенную прочность изделия при сжимающих нагрузках.
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 изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через пятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и высокой прочностью при сжимающих нагрузках. Наружный и внутренний титановые слои обеспечивают повышенную коррозионную стойкость его наружной и внутренней поверхности в условиях агрессивных сред.
Пример исполнения 1.
н
в
э
э
-5
2
-5
2
В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ 1-00 и медь марки M1. Данный экран изготовлен в виде цельносварной пятислойной трубы длиной 200 мм, ее наружный диаметр D=88,5 мм, внутренний - D=80 мм. Толщина наружного титанового слоя - 0,96 мм, каждого интерметаллидного слоя - 0,1 мм, среднего медного слоя - 1,08 мм, внутреннего титанового слоя - 2 мм. 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=20,8·10 К/(Вт/м), что в 20-25 раз больше, чем у изделий полученных по прототипу, у которых термическое сопротивление стенки не превышает (0,82-1,02)·10 К/(Вт/м).
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в сравнении с прототипом обладает, в 4,6-6,3 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.
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=99,6 мм, внутренний - D=90 мм. Толщина наружного титанового слоя - 1,14 мм, каждого интерметаллидного слоя - 0,15 мм, среднего медного слоя - 1,22 мм, внутреннего титанового слоя - 2,14 мм. Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R=24·10 К/(Вт/м), что в 23-29 раз больше, чем у изделий полученных по прототипу.
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в сравнении с прототипом обладает, в 5-7 раз большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.
Пример исполнения 3.
н
в
э
-5
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D=111 мм, внутренний - D=100 мм. Толщина наружного титанового слоя - 1,32 мм, каждого интерметаллидного слоя - 0,2 мм, среднего медного слоя - 1,36 мм, внутреннего титанового слоя - 2,42 мм. Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R=28,8·10 К/(Вт/м), что в 27-35 раз больше, чем у изделий полученных по прототипу.
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в сравнении с прототипом обладает, в 5,8-8 раз большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.