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, выполнен в виде цельносварной многослойной трубы, состоящей из наружного слоя в виде СКМ из слоев 1-8 и внутреннего стального слоя 9. СКМ состоит из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан- интерметаллид - медь, его наружный пакет выполнен из слоев 1, 2, 3, 4, второй (внутренний) пакет - из слоев 5, 6, 7, 8, где слои 1, 3, 5, 7 - интерметаллидные, 2, 6 - титановые, 4, 8 - медные. Все интерметаллидные слои состоят из титана и меди, при этом толщина наружного интерметаллидного слоя 1 равна 0,02-0,03 мм, у остальных (внутренних) интерметаллидных слоев 3, 5, 7 толщина - 0,1-0,2 мм. Внутренний слой 9 теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2 мм. Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 19-50 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 8-20 раз прочности при сжимающих нагрузках, в 3-3,5 раза износостойкости наружной поверхности при воздействии абразивных сред, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в азотной кислоте.

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 невысокую износостойкость наружной поверхности при воздействии абразивных сред, малую прочность при сжимающих нагрузках и низкую коррозионную стойкость в контакте с азотной кислотой и многими другими средами окислительного характера, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой многослойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы, содержащей стальной слой, а также интерметаллидные, титановые и медные слои, 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 азотной кислоте, с более высокой прочностью при сжимающих нагрузках, а также с большей износостойкостью наружной поверхности при воздействии на нее абразивных сред.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 19-50 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 8-20 раз прочности при сжимающих нагрузках, в 3-3,5 раза износостойкости наружной поверхности при воздействии абразивных сред, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в азотной кислоте.

Указанный технический результат достигается тем, что у композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненного в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей два медных слоя и интерметаллидные слои, наружный слой выполнен из слоистого композиционного материала (СКМ), состоящего из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди, толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у остальных (внутренних) интерметаллидных слоев - 0,1-0,2 мм, внутренний слой теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2 мм.

В отличие от прототипа наружный слой композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполнен из восьмислойного СКМ, состоящего из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди, что обеспечивает ему многократное повышение в сравнении с прототипом термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, способствует повышению прочности изделия при сжимающих нагрузках. Наружный интерметаллидный слой СКМ, помимо повышения термического сопротивления, обеспечивает высокую износостойкость наружной поверхности изделия при воздействии абразивных сред. Титановые слои, благодаря их низкой теплопроводности, помимо существенного повышения теплозащитных свойств экрана, способствуют также повышению его прочностных свойств. Медные слои СКМ способствуют стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, снижают склонность интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при резких перепадах давления как во внутренней полости, так и снаружи изделия. При получении СКМ 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 толщину наружного интерметаллидного слоя СКМ выполнять равной 0,02-0,03 мм, что обеспечивает необходимую повышенную износостойкость наружной поверхности изделия при воздействии абразивных сред. Толщина этого слоя менее 0,02 мм не обеспечивает необходимую величину допускаемого износа, а его толщина более 0,03 мм является избыточной, поскольку при этом повышается его склонность к выкрашиванию при локальных ударных нагрузках.

Предложено внутренние интерметаллидные слои СКМ 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, 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 слой теплозащитного экрана выполнять из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2 мм, что, совместно с наружным слоем в виде СКМ, обеспечивает высокую прочность изделия и его высокие теплозащитные свойства, а также повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в азотной кислоте. Толщина внутреннего слоя теплозащитного экрана должна быть 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, такая толщина внутреннего слоя 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 металлических и интерметаллидных слоев.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной многослойной трубы, состоящей из наружного слоя в виде СКМ из слоев 1-8 и внутреннего стального слоя 9. СКМ состоит из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, его наружный пакет выполнен из слоев 1, 2, 3, 4, второй (внутренний) пакет - из слоев 5, 6, 7, 8, где слои 1, 3, 5, 7 - интерметаллидные, 2, 6 - титановые, 4, 8 - медные.

Все интерметаллидные слои состоят из титана и меди, при этом толщина наружного интерметаллидного слоя 1 равна 0,02-0,03 мм, у остальных (внутренних) интерметаллидных слоев 3, 5, 7 толщина - 0,1-0,2 мм. Внутренний слой 9 теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2 мм.

Наружный интерметаллидный слой 1, помимо повышения у экрана теплозащитных свойств, обеспечивает повышенную износостойкость его наружной поверхности при воздействии абразивных сред. Внутренние интерметаллидные слои СКМ 3, 5, 7 - теплозащитные, совместно с титановыми слоями 2, 6 они обеспечивают предлагаемой конструкции необходимое высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Медные слои 4, 8, благодаря их высокой теплопроводности, способствуют ускорению выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла, совместно с остальными металлическими слоями обеспечивают повышенную прочность изделия при сжимающих нагрузках. Их толщину выбирают с помощью компьютерных технологий с учетом требуемых прочностных свойств изделия, а также исходя из требуемого распределения температуры на внутренней поверхности теплозащитного экрана.

Внутренний слой 9 теплозащитного экрана из аустенитной коррозионностойкой стали обеспечивает повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в азотной кислоте, совместно с наружным слоем в виде СКМ обеспечивает высокую прочность изделия и его высокие теплозащитные свойства, а также облегчает соединение теплозащитного экрана с помощью сварки или иными способами с трубопроводами химических и энергетических установок. Все интерметаллидные слои из титана и меди сформированы в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом многослойной трубчатой заготовки.

Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают к стальному слою, например сваркой плавлением, металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через девятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и высокой прочностью при сжимающих нагрузках. Наружный интерметаллидный слой обеспечивает повышенную износостойкость наружной поверхности изделия при воздействии абразивных сред, стальной слой обеспечивает повышенную коррозионную стойкость его внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте.

Пример исполнения 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ 1-00, медь марки M1 и аустенитную коррозионностойкую сталь 12Х18Н10Т. Данный экран изготовлен в виде цельносварной многослойной трубы длиной 200 мм, ее наружный диаметр D_н =92,1 мм, внутренний - D_в=80 мм. Его наружный слой выполнен из СКМ, состоящего из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди. Толщина слоев интерметаллид - титан - интерметаллид - медь наружного пакета СКМ равна: 0,03, 0,95, 0,2 и 0,76 мм, соответственно, а у его второго (внутреннего) пакета - 0,2, 0,84, 0,2 и 0,88 мм, соответственно. Внутренний слой теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т толщиной 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=20·10^-5 K/(Вт/м ²), что в 19-24 раза 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 8-11 раз большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках, в 3-3,5 раза большей износостойкостью наружной поверхности при воздействии абразивных сред, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, в азотной кислоте.

Пример исполнения 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=105,6 мм, внутренний - D_в=90 мм. Толщина слоев интерметаллид - титан - интерметаллид - медь наружного пакета СКМ равна: 0,025, 1,12, 0,15 и 1,32 мм, соответственно, а у его второго (внутреннего) пакета - 0,15, 1,08, 0,15 и 1,41 мм, соответственно. Толщина внутреннего слоя теплозащитного экрана из аустенитной коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т равна 2,5 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=37·10 ^-5 K/(Вт/м²), что в 35-45 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.

Полученный композиционный теплозащитный экран в сравнении с прототипом обладает, в 12-16,7 раз 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=118,8 мм, внутренний - D_в=100 мм. Толщина слоев интерметаллид - титан - интерметаллид - медь наружного пакета СКМ равна: 0,02, 1,34, 0,1 и 1,68 мм, соответственно, а у его второго (внутреннего) пакета - 0,1, 1,32, 0,1 и 1,74 мм, соответственно. Толщина внутреннего слоя теплозащитного экрана из аустенитной коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т равна 3 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=41·10 ^-5 К/(Вт/м²), что в 39-50 раз больше, чем у изделия, полученного по прототипу. Полученный композиционный теплозащитный экран, в сравнении с прототипом, обладает, в 15-20 раз большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей два медных слоя и интерметаллидные слои, отличающийся тем, что его наружный слой выполнен из слоистого композиционного материала (СКМ), состоящего из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, причём интерметаллидные слои состоят из титана и меди, толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у остальных (внутренних) интерметаллидных слоев - 0,1-0,2 мм, внутренний слой теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2мм.

РИСУНКИ