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. Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в виде цельносварной пятислойной трубы, содержит наружный медный слой 1 и два теплозащитных слоя 2, 3 из интерметаллидов системы титан-медь, его средний 4 и внутренний 5 слои выполнены из титана, смежные со средним титановым слоем теплозащитные слои из интерметаллидов имеют толщину 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя - не менее 2 мм. Интерметаллидные слои сформированы в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом пятислойной трубчатой заготовки. 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 2,7-5,9 раза прочности при сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.

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, изделия по прототипу имеют малую прочность при сжимающих нагрузках и низкую коррозионную стойкость в агрессивных средах, например, в контакте с хлоридами, 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 в виде цельносварной трубы, содержащей наружный медный слой, а также два титановых и два интерметаллидных слоя с более высоким в сравнении с прототипом термическим сопротивлением его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, с более высокой коррозионной стойкостью его внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, с обеспечением при этом более высокой прочности 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 2,7-5,9 раза прочности при сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.

Указанный технический результат достигается тем, что у композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащего наружный медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, его средний и внутренний слои выполнены из титана, а смежные со средним титановым слоем теплозащитные слои - из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя - не менее 2 мм.

В отличие от прототипа средний и внутренний слои композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью выполнены из титана, что, благодаря их низкой теплопроводности, способствует существенному повышению термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с медным слоем, повышению его прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, внутренний титановый слой обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Толщина внутреннего титанового слоя должна быть не менее 2 мм, что необходимо для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью сварки, с трубопроводами химических и энергетических установок. Кроме того, при толщине этого слоя менее 2 мм затрудняется получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций в процессе сварки взрывом. Теплозащитные интерметаллидные слои из титана и меди обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем интерметаллидные слои из меди и алюминия в изделиях по прототипу, поэтому способствуют весьма существенному повышению термического сопротивления стенки предлагаемой конструкции.

Предложено каждый интерметаллидный слой выполнять 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 изделия, а их толщина более 0,2 мм является избыточной, поскольку при этом у них повышается вероятность хрупкого разрушения при циклических нагрузках в процессе эксплуатации изделия. Наружный медный слой в биметалле способствует стабилизации температуры по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, способствует также повышению прочности предлагаемого изделия при сжимающих нагрузках. Его толщину выбирают с помощью компьютерных технологий исходя из требуемого распределения температуры на внутренней поверхности теплозащитного экрана и его прочностных свойств. Толщину среднего титанового слоя выбирают исходя из требуемой прочности предлагаемого теплозащитного экрана, необходимого термического сопротивления его стенки и экономии материалов на его изготовление.

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 в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный медный слой 1, два интерметаллидных слоя 2, 3, а также два титановых слоя 4, 5. Его средний титановый слой 4 расположен между теплозащитными слоями из интерметаллидов системы титан-медь с толщиной каждого из них 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя 5 - не менее 2 мм. Наружный медный слой 1, благодаря его высокой теплопроводности, способствуют ускорению процесса выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.

Интерметаллидные слои 2, 3 - теплозащитные, совместно с металлическими слоями они вносят существенный вклад в суммарное термическое сопротивление теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек его слоев. Интерметаллидные слои сформированы в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом пятислойной трубчатой заготовки. Средний титановый слой 4, помимо повышения термического сопротивления теплозащитного экрана, обеспечивает у него еще и высокую прочность при сжимающих нагрузках. Внутренний титановый слой 5, помимо повышения прочности теплозащитного экрана и его термического сопротивления, обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.

Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон теплозащитного экрана 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. Внутренний титановый слой обеспечивает повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.

Пример исполнения 1.

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_н=88,9 мм, внутренний - D_в=80 мм. Наружный медный слой имеет толщину 1,14 мм, толщина среднего титанового слоя - 1,11 мм, толщина каждого смежного с ним интерметаллидного слоя -0,1 мм, толщина внутреннего титанового слоя - 2 мм.

Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R₃ 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_э=21,6·10^-5 К/(Вт/м² ), что в 20-26 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу у которого термическое сопротивление стенки не превышает (0,82-1,02)·10 ^-5 К/(Вт/м²).

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 2,7-3,7 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в хлоридах.

Пример исполнения 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=100,2 мм, внутренний - D_в=90 мм. Наружный медный слой имеет толщину 1,3 мм, толщина среднего титанового слоя - 1,26 мм, толщина каждого смежного с ним теплозащитного интерметаллидного слоя - 0,16 мм, толщина внутреннего титанового слоя - 2,2 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=25·10^-5 К/(Вт/м ²), что в 24-30 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 3,5-4,8 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.

Пример исполнения 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=111,4 мм, внутренний - D_в=100 мм. Наружный медный слой имеет толщину 1,48 мм, толщина среднего титанового слоя - 1,42 мм, толщина каждого смежного с ним теплозащитного интерметаллидного слоя - 0,2 мм, толщина внутреннего титанового слоя - 2,4 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=29 10^-5 К/(Вт/м²), что в 28-35 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 4,3-5,9 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, отличающийся тем, что его средний и внутренний слои выполнены из титана, а смежные со средним титановым слоем теплозащитные слои - из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм, при этом толщина внутреннего титанового слоя - не менее 2 мм.