Неразъемное герметичное соединение изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода, работающее в газовой атмосфере, содержащей водород
Полезная модель относится к области устройств с неразъемным герметичным соединением изделий из разнородных металлов и/или сплавов с различными физико-химическими характеристиками, в частности, соединением изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью в них водорода, и может быть использована, например, в водородной энергетике для организации процессов 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, включая энергетические установки с электрохимическими генераторами (водородными топливными элементами).
Технический результат предлагаемого решения заключается в создании надежного герметичного неразъемного соединения изделий из металлов и/или сплавов с разной растворимостью водорода, работающих в газовой атмосфере, содержащей водород.
Указанный технический результат достигается за счет того, что на обе стороны изделия с большей растворимостью водорода, но с низкой стойкостью к окислению, селективно (локально, выборочно) наносят обладающее стойкостью к окислению металлическое покрытие с большой растворимостью водорода.
Полезная модель относится к области устройств с неразъемным герметичным соединением изделий из разнородных металлов и/или сплавов с различными физико-химическими характеристиками, в частности, соединением изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью в них водорода, и может быть использована, например, в водородной энергетике для организации процессов 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, включая энергетические установки с электрохимическими генераторами (водородными топливными элементами).
При работе металлов и сплавов металлов в газовой атмосфере, содержащей водород, происходит растворение в них водорода, приводящее к расширению их кристаллической решетки, так называемая водородная дилатация, величина которой зависит от конкретных физико-химических свойств металлов и сплавов металлов. В результате при работе в газовой атмосфере, содержащей водород, два соединенных изделия из металлов или сплавов с различной растворимостью водорода расширяются по-разному, что вызывает местные механические напряжения в месте их соединения, приводящие к его разрушению и нарушению герметичности.
Обеспечение надежности и герметичности соединений изделий из 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. На практике эта задача решается индивидуально для каждого конкретного случая.
Один из подходов в решении этой проблемы заключается в создании неразборного перехода (переходного слоя) между металлами/материалами соединяемых изделий, который позволяет демпфировать возникающие напряжения. Такой подход реализован в изобретении «Способ соединения металлических и/или металлокерамических изделий и паста для его осуществления» (см. патент РФ 
2131798, МПК B23K 11/16, B23K 20/16, B23R 35/24, B23K 103/02, B23K 103/16, опубл. 20.06.1999 г.). При реализации способа 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 температуре 250-350°C, а затем восстанавливают при температуре 500-700°C и диффузно сваривают при температуре 800-900°C, при этом две последние операции осуществляют в потоке водорода и каждую в течение часа. Этот способ относится к области химического машиностроения и может быть использован для диффузионной сварки изделий из никеля, железа и кобальта при температурах гораздо ниже температур плавления указанных металлов. Недостатком способа является его применимость для соединения узкого круга металлов (никеля, железа и кобальта) и невозможность использования его для соединения конструкционных нержавеющих сталей и гидридо-образующих металлов и/или сплавов, растворяющих водород.
Известен «Способ получения металлостеклянных и металлокерамических соединений и соединений металл-металл» (см. патент РФ 2366040, МПК 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, при этом указанные соединения изготавливаются 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. Данный способ может быть использован в производстве твердооксидных топливных элементов и соответствующих электрохимических устройств, но не предназначен для соединений металлов и сплавов, растворяющих водород и работающих в газовой атмосфере, содержащей водород.
Известен способ, заключающийся в создании перехода между соединяемыми материалами, в котором предлагается технология изготовления спаев стекла с кварцем (см. А. Рот, Вакуумные уплотнения, «Энергия», М., 1971 г., стр.167 и далее), при котором между соединяемыми изделиями устанавливается уплотняющая прокладка, а герметичное уплотнение соединения осуществляется путем сдавливания указанной прокладки соединяемыми изделиями с помощью различного типа устройств. В результате соединяемые изделия в образованном таким способом соединении оказываются жестко закрепленными друг относительно друга. При этом известное техническое решение обеспечивает герметичность соединения, а также возможность его разборки при выходе из строя, но не позволяет соединять изделия из металлов и/или сплавов металлов, растворяющих водород и работающих в газовой атмосфере, содержащей водород, поскольку не обеспечивает необходимого демпфирования возникающих при растворении водорода напряжений.
Известно также техническое решение по патенту на полезную модель «Устройство соединения изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода» (см. патент РФ 122053, МПК B23H 3/14, B23H 3/00, B23P 11/00, C04B 7/02, C04B 37/00, B21D 39/00, опубл. 20.11.2012 г.), обеспечивающее возможность механического разъемного соединения изделий из металлов и/или сплавов металлов с разной растворимостью водорода, работающих в газовой атмосфере, содержащей водород, которая достигается установкой между металлами и/или сплавами металлов с разной растворимостью водорода уплотнительной прокладки, выполненной из материала, не пропускающего и не растворяющего водород и обладающего низким коэффициентом поверхностного трения, чтобы обеспечить возможность перемещения соединяемых изделий друг относительно друга без потери герметичности соединения. Благодаря упомянутой прокладке между поверхностями соединяемых изделий отсутствует непосредственный контакт и при различном расширении соединяемых изделий, вызванном работой в атмосфере водорода, их поверхности плавно скользят по поверхности уплотнительной прокладки, не вызывая заметных механических напряжений. Данная полезная модель может использоваться в устройствах для отделения водорода от других газов и его очистки.
Техническое решение по патенту РФ на полезную модель 122053 выбрано в качестве прототипа, как наиболее близкое по существенным признакам к предлагаемому техническому решению.
Недостатками прототипа являются недолговечность и ненадежность обеспечиваемого соединения, обусловленные износом и старением с течением времени уплотнительной прокладки между соединенными изделиями и, как следствие, нарушением герметичности соединения.
Технический результат предлагаемого решения заключается в создании надежного герметичного неразъемного сварного соединения изделий из металлов и/или сплавов с разной растворимостью водорода, работающих в газовой атмосфере, содержащей водород, в том числе и в энергетических установках с электрохимическими генераторами (водородными топливными элементами).
Указанный технический результат достигается за счет того, что на обе стороны поверхности изделия с большей растворимостью водорода, но с низкой стойкостью к окислению, нанесено металлическое покрытие с большой растворимостью водорода, обладающее стойкостью к окислению, не по всей поверхности, а селективно (локально, выборочно), при этом остальная оксидированная в потоке газовой рабочей среды поверхность без металлического покрытия препятствует растворению водорода в объеме металла. В результате механические напряжения, возникающие по границам покрытия, рассеиваются в объеме изделия и не возникают или минимизируются в месте сварного соединения сопрягаемых изделий, что обеспечивает надежность их соединения, обеспечивая высокий ресурс изделия. Ресурс соединения находится в обратной зависимости от площади покрытия металлом с большой растворимостью водорода со стороны его подвода, при этом, чем выше ресурс, тем меньше проводимость водорода через соединение. Эта зависимость выражается функцией R=f(Sп/S; k), где R - ресурс соединения; Sп - площадь поверхности детали с металлическим покрытием; S - общая площадь поверхности детали; k - коэффициент, учитывающий степень растворимости водорода в конкретной марке материала детали.
В частном случае предлагаемого технического решения на обе стороны поверхности изделия с большей растворимостью водорода, но с низкой стойкостью к окислению, нанесено покрытие с большой растворимостью водорода, обладающее стойкостью к окислению, с одной стороны - не по всей поверхности, то есть селективно (локально, выборочно), а с другой стороны - всплошную, остальная оксидированная в потоке газовой рабочей среды поверхность без металлического покрытия препятствует растворению водорода в объеме металла.
В качестве примеров реализации предлагаемого технического решения приведены два соединения: плоских пластин и цилиндрических изделий.Примеры реализации предлагаемого технического решения поясняются чертежами.
На фиг.1 изображена конструкция с соединением двух плоских изделий: изделия 2 из конструкционной стали с низкой растворимостью водорода и присоединенной к ней сваркой изделия 1 из гидридообразующего материала, например, ванадия. В целях создания герметичного соединения изделий 1 и 2, на изделие 1 нанесен металл 3 с большой растворимостью водорода, например, палладий толщиной 1-2 мкм не полностью, а селективно (локально, выборочно), исключая зону термического влияния сварного шва, остальная поверхность изделия 1 оксидирована потоком рабочей газовой среды и предотвращает растворение в ней водорода. Конструктивная форма покрытия выбрана таким образом, что при работе соединения изделий в газовой атмосфере, содержащей водород (движение потока газа указано стрелкой), водород будет растворяться в изделии 1 только в местах нанесения покрытия 3, где и будет происходить увеличение объема изделия 1 (разбухание) и где, как следствие, будут возникать механические напряжения. Поскольку разбухание происходит не во всем объеме указанного изделия, а в заранее заданных объемах, это позволяет рассеивать возникающие напряжения по всему объему изделия 1, что и обеспечивает надежность соединения изделий с разной растворимостью водорода.
На фиг.2 изображено соединение двух цилиндрических изделий:
изделия 2 из конструкционной стали с низкой растворимостью водорода и присоединенного к ней сваркой заглушенного с торца изделия 1 из гидридообразующего материала, например, ванадия. В целях создания герметичного соединения изделий 1 и 2, на изделие 1 нанесен металл 3 с высокой растворимостью водорода, например, палладий толщиной 1-2 мкм не полностью, а селективно (локально, выборочно), исключая зону термического влияния сварного шва, остальная поверхность изделия 1 оксидирована потоком рабочей газовой среды и предотвращает растворение в ней водорода. Конструктивная форма покрытия выбрана таким образом, что при работе соединения изделий в газовой атмосфере, содержащей водород (движение потока газа показано стрелками), водород будет растворяться в изделии 1 только в местах нанесения покрытия 3, где и будет происходить увеличение объема изделия 1 (разбухание) и где, как следствие, будут возникать механические напряжения. Поскольку разбухание происходит не во всем объеме указанного изделия, а в заранее заданных объемах, это позволяет рассеивать возникающие напряжения по всему объему изделия 1, включая зону Н, непосредственно примыкающую к сварному шву изделий 1 и 2, что и обеспечивает надежность соединения изделий 1 и 2 с разной растворимостью водорода.
Сварная конструкция, работающая в водородосодержащей газовой атмосфере, содержащая соединенные между собой сваркой изделия, выполненные из металлов или сплавов металлов с разными растворимостью водорода и стойкостью к окислению, отличающаяся тем, что изделие из металла с большей растворимостью водорода и с низкой стойкостью к окислению имеет стойкое к окислению покрытие из металла, имеющего большую растворимость водорода, чем металл упомянутого изделия, при этом покрытие нанесено селективно или выполнено сплошным с возможностью обеспечения рассеивания возникающих напряжений в сварном соединении за счет разбухания заданных объемов изделия с покрытием при растворении в них водорода газовой атмосферы.
