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, в которой наружный слой выполнен из четырехслойного композиционного материала (СКМ) с чередованием титановых 1, 2 и интерметаллидных 3, 4 слоев системы титан-медь, внутренний - из биметалла, состоящего из медного 5 и стального 6 слоев. Толщина интерметаллидных слоев в СКМ равна 0,1-0,2 мм, стальной слой в биметалле толщиной не менее 2 мм - из аустенитной коррозионностойкой стали. Интерметаллидные слои сформированы в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом многослойной трубчатой заготовки. Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 34-46 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 10,8-18 раз прочности при сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, его наружной поверхности -в хлоридах, а внутренней - 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, малую прочность при сжимающих нагрузках и низкую коррозионную стойкость в контакте с хлоридами, с азотной кислотой, и с 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 с внутренней полостью в виде цельносварной трубы, содержащей титановые, интерметаллидные слои, а также медный и стальной слой, 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, его наружной поверхности - в хлоридах, а внутренней - в азотной кислоте, 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 34-46 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 10,8-18 раз прочности при сжимающих нагрузках, с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например, его наружной поверхности -в хлоридах, а внутренней - в азотной кислоте.
Указанный технический результат достигается тем, что у композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненного в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, наружный слой выполнен из четырехслойного композиционного материала (СКМ) с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь, внутренний - из биметалла медь - аустенитная коррозионностойкая сталь, причем толщина интерметаллидных слоев равна 0,1-0,2 мм, у стального слоя в биметалле - не менее 2 мм.
В отличие от прототипа наружный слой композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью выполнен из четырехслойного СКМ с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь, что обеспечивает ему многократное повышение в сравнении с прототипом термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, способствует повышению прочности изделия при сжимающих нагрузках. Наружный титановый слой СКМ, помимо повышения термического сопротивления, обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.
Предложено интерметаллидные слои СКМ 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 слой композиционного теплозащитного экрана выполнять из биметалла медь - аустенитная коррозионностойкая сталь, что обеспечивает совместно с наружным слоем в виде СКМ высокую прочность изделия при сжимающих нагрузках, его высокие теплозащитные свойства, повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте. Медный слой в биметалле способствует стабилизации температуры по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, совместно с остальными металлическими слоями обеспечивает повышенную прочность изделия при сжимающих нагрузках.
Толщину титановых слоев выбирают исходя из требуемой прочности предлагаемого теплозащитного экрана, необходимых теплозащитных свойств и экономии материалов на его изготовление. Толщину медного слоя выбирают с помощью компьютерной технологии с учетом требуемого распределения температуры на внутренней поверхности при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, а также его прочностных свойств.
Толщина стального слоя в биметалле должна быть не менее 2 мм, что необходимо для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью электродуговой 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.
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 титановых 1, 2, интерметаллидных 3, 4, слоев в СКМ, а также медного 5 и стального слоя 6 в биметалле.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной многослойной трубы, состоящей из наружного слоя, выполненного из четырехслойного СКМ, состоящего из слоев 1, 2, 3. 4, и внутреннего слоя из биметалла медь - аустенитная коррозионностойкая сталь, состоящего из слоев 5, 6. СКМ выполнен с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь. Толщина каждого интерметаллидного слоя равна 0,1-0,2 мм, у стального слоя в биметалле - не менее 2 мм. Оба интерметаллидных слоя в СКМ - теплозащитные, совместно с титановыми слоями они обеспечивают предлагаемой конструкции необходимое высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Медный слой 5, благодаря его высокой теплопроводности, способствуют ускорению выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла. Стальной слой 6 из аустенитной коррозионностойкой стали обеспечивает совместно с наружным слоем в виде СКМ высокую прочность изделия и его высокие теплозащитные свойства, а также повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте, облегчает соединение теплозащитного экрана, с помощью сварки или иными способами с трубопроводами химических и энергетических установок. Наружный титановый слой в СКМ помимо повышения термического сопротивления обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.
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 жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через шестислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и высокой прочностью при сжимающих нагрузках. Наружный титановый слой СКМ обеспечивает повышенную коррозионную стойкость его наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, а стальной слой биметалла - внутренней поверхности теплозащитного экрана, например, в азотной кислоте. Медный слой в биметалле ускоряет процесс выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.
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 Dн =94 мм, внутренний - Dв=80 мм. Его наружный слой выполнен из четырехслойного СКМ с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь внутренний - из биметалла медь - аустенитная коррозионностойкая сталь. Толщина наружного титанового слоя в СКМ равна 1,59 мм, внутреннего - 1,51 мм, толщина каждого интерметаллидного слоя равна 0,2 мм. Толщина медного слоя в биметалле равна 1,48 мм, стального - 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=38·10-5 К/(Вт/м2), что в 36-46 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 10,8-14,8 раз большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости наружной и внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например наружной поверхности - в хлоридах, внутренней - в азотной кислоте.
Пример исполнения 2.
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью Dн=103,4 мм, внутренний - Dв=90 мм. Толщина наружного титанового слоя в СКМ равна 1,32 мм, внутреннего - 1,26 мм, толщина каждого интерметаллидного слоя равна 0,16 мм. Толщина медного слоя в биметалле равна 1,3 мм, стального - 2,5 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана Rэ=37·10-5 К/(Вт/м2 ), что в 35-45 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу. Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 12-16,4 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 Dн=113,1 мм, внутренний - D в=100 мм. Толщина наружного титанового слоя в СКМ равна 1,15 мм, внутреннего - 1,06 мм, толщина каждого интерметаллидного слоя равна 0,1 мм. Толщина медного слоя в биметалле равна 1,14 мм, стального - 3 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана Rэ=3610-5 К/(Вт/м 2), что в 34-44 раза больше, чем у изделия полученного по прототипу. Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 13,2-18 раз большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, отличающийся тем, что его наружный слой выполнен из четырёхслойного композиционного материала СКМ с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь, внутренний - из биметалла медь - аустенитная коррозионностойкая сталь, причём толщина интерметаллидных слоёв равна 0,1-0,2 мм, у стального слоя в биметалле - не менее 2 мм.
РИСУНКИ
