Устройство соединения изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода

Авторы патента:

B23P11 - Соединение или разъединение металлических изделий или их частей способами металлообработки, не отнесенными к другим рубрикам (соединение листового металла, металлических труб, прутков или сортового профиля B21D 39/00; клепка B21J; пайка, распайка, сварка B23K; ручные инструменты для соединения проволоки или лент B25B 25/00; соединение металлов склеиванием F16B 11/00)

Настоящая полезная модель относится к области устройства соединения разнородных металлов и/или сплавов металлов с различными физико-химическими характеристиками, в частности, соединения металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью в них водорода, и может быть использована, например, в водородной энергетике для выделения водорода из газовых смесей, удаления примесей из водорода для получения особо чистого водорода и для решения ряда других задач в устройствах, работающих в газовой атмосфере, содержащей водород.

Достигаемым результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности соединения изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода, работающих в газовой атмосфере, содержащей водород, на основе механического разъемного соединения.

Достижение указанного технического результата в устройстве соединения изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода на основе механического разъемного соединения обеспечивается тем, что между металлами и/или сплавами металлов с разной растворимостью водорода устанавливают уплотнительную прокладку, выполненную из материала, не пропускающего и не растворяющего водород и обладающего низким коэффициентом поверхностного трения, таким образом, чтобы обеспечить возможность перемещения соединяемых деталей друг относительно друга без потери герметичности соединения.

Полезная модель относится к области устройства соединения разнородных металлов и/или сплавов металлов с различными физико-химическими характеристиками, в частности, соединения металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью в них водорода, и может быть использована, например, в водородной энергетике для выделения водорода из газовых смесей, удаления примесей из водорода для получения особо чистого водорода и для решения ряда других задач в устройствах, работающих в газовой атмосфере, содержащей водород.

Обеспечение надежности и герметичности соединений разнородных материалов, обладающих различными физико-химическими свойствами, в частности, разной растворимостью в них водорода, представляет собой серьезную конструктивную проблему при разработке устройств самого различного типа, поскольку в реальных условиях работы эти различия приводят к нарушению целостности соединения и выходу из строя всего устройства в целом. На практике эта задача решается индивидуально для каждого конкретного случая. В частности, один из подходов в решении этой проблемы заключается в создании неразборного перехода (переходного слоя) между соединяемыми металлами/материалами, который позволяет демпфировать возникающие напряжения.

Известен «Способ соединения металлических и/или метало-керамических изделий и паста для его осуществления» (см. [1] патент РФ 2131798, М. кл. B23K 11/16, B23K 20/16, B23K 35/24, B23K 103:02, B23K 103:16, опубл. 20.06.1999 г.), реализующий такой подход. При этом устройства соединения поверхности металлических и/или металлокерамических изделий из никеля, кобальта, железа сначала очищают, наносят на них пасту, состоящую из смеси порошков соединяемого металла и его оксида, а также из фосфатного связующего, после чего изделие просушивают, прокаливают на воздухе при 250-350°C, а затем восстанавливают при 500-700°C и диффузионно сваривают при 800-900°C, при этом две последние операции осуществляют в потоке водорода и каждую в течение часа. Полученное изделие, состоит, таким образом, из соединяемых деталей, между которыми образован неразъемный переход, сформированный из пасты указанного выше состава и прошедший упомянутую выше обработку. Изобретение относится к области химического машиностроения и может быть использовано для диффузионной сварки деталей из никеля, железа и кобальта при температурах гораздо ниже температур плавления указанных металлов.

Известное техническое решение охватывает соединение узкого круга металлов (никеля, железа и кобальта) и не может быть использовано для соединения конструкционных (нержавеющие стали) и гидридообразующих металлов и/или сплавов, растворяющих водород.

Известен также «Способ получения металлостеклянных и метало-керамических соединений и соединений металл-металл» (см. [2] патент РФ 2366040, М. кл. H01M 8/02, C04B 37/02, опубл. 27.08.2009 г.), обеспечивающий соединение граничащих фаз с образованием прочной связи между ними независимо от состава металлического сплава и образования в процессе использования защитной оксидной пленки, отличающийся тем, что указанные соединения изготавливают с желаемой толщиной слоя, получаемого из смеси порошков матричного стекла и оксида металла, причем получение соединения проводят при повышенной температуре в контролируемых условиях, а состав порошка оксида металла выбирают в зависимости от свойств соединяемых изделий. Изделие, получаемое таким способом, содержит расположенный между соединяемыми деталями неразъемный переходной слой, состоящий из смеси порошков матричного стекла и оксида металла и прошедший указанную выше обработку.

Известное изобретение может быть использовано в производстве твердооксидных топливных элементов и соответствующих электрохимических устройств. Однако оно не предназначено для соединений металлов и/или сплавов металлов, растворяющих водород и работающих в газовой атмосфере, содержащей водород. Наряду с этим необходимо отметить трудоемкость практической реализации известного технического решения, а также то, что образованное с его помощью соединение является неразборным и не обеспечивает простой замены вышедших из строя деталей.

Известно механическое разъемное соединение двух деталей (см. [3] А. Рот «Вакуумные уплотнения», «Энергия», М., 1971 г., стр.167 и далее), при котором между соединяемыми деталями устанавливается уплотняющая прокладка, а герметичное уплотнение соединения осуществляется путем сдавливания указанной прокладки соединяемыми деталями с помощью различного типа конструкций.

В результате соединяемые детали в образованном таким образом соединении оказываются жестко закреплены друг относительно друга. При этом известное техническое решение обеспечивает герметичность соединения, а также возможность его разборки при выходе из строя, но не позволяет соединять детали из металлов и/или сплавов металлов, растворяющих водород и работающих в газовой атмосфере, содержащей водород, поскольку не обеспечивает необходимого для этого демпфирования возникающих при растворении водорода напряжений.

За прототип выбран способ, описанный в [3].

Достижение указанного технического результата приведенными выше отличиями заключается в следующем. При работе металлов и сплавов металлов в газовой атмосфере, содержащей водород, происходит растворение в них водорода, приводящее к расширению их кристаллической решетки, к так называемой водородной дилатации, величина которой зависит от конкретных физико-химических свойств металлов и их сплавов. В результате при работе в газовой атмосфере, содержащей водород, соединения двух металлов или сплавов металлов с разной растворимостью водорода, последние расширяются по-разному, что вызывает в случае их жесткого соединения локальные механические напряжения в месте соединения, приводящие к разрушению соединения. Согласно предлагаемому техническому решению, между соединяемыми изделиями, выполненными из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода, устанавливают уплотнительную прокладку, выполненную из материала, не пропускающего и не растворяющего водород и обладающего низким коэффициентом поверхностного трения, а конструкцию разъемного соединения изготавливают таким образом, чтобы обеспечить возможность перемещения соединяемых деталей друг относительно друга. Благодаря этому, между поверхностями соединяемых деталей отсутствует непосредственный контакт и при различном расширении соединяемых деталей, вызванном работой в атмосфере водорода, их поверхности плавно скользят по поверхности уплотнительной прокладки, не вызывая сколь либо заметных механических напряжений.

В качестве примера реализации предлагаемого устройства на чертеже приведено соединение двух деталей: детали 1 из гидридообразующего металла, например, ванадия, с высокой растворимостью водорода, выполненной в виде трубки, один конец которой оканчивается плоским кольцом, герметично приваренным к концу трубки, и детали 2 из конструкционной стали с низкой растворимостью водорода, выполненной в виде трубки, оканчивающейся толстостенным кольцом с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру трубки и наружным диаметром равным внутреннему диаметру детали 1.

Между плоским кольцом детали 1 и толстостенным кольцом детали 2 установлена графитовая армированная уплотнительная прокладка 3, например, марки SRETOGRAF серии GUS 30, которая не пропускает и не растворяет водород и обладает низким коэффициентом поверхностного трения. Герметичное уплотнение прокладки может быть осуществлено, например, с помощью переходной шайбы 4 и уплотняющей гайки 5.

Конструкция соединения выбрана таким образом, что при работе соединения в газовой атмосфере, содержащей водород, и, соответственно, при его растворении в детали 1, вызывающем ее расширение, деталь 1 плавно скользит по поверхности уплотняющей прокладки 3 в направлении стрелки, как это представлено на чертеже, при сохранении герметичности соединения.

Устройство герметичного соединения изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода, выполненное в виде установленной между соединяемыми деталями изделий уплотнительной прокладки из материала, не пропускающего и не растворяющего водород и обладающего низким коэффициентом поверхностного трения для обеспечения возможности перемещения соединяемых деталей без потери герметичности.