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 многослойной трубы выполнен четырехслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь 1 (наружный слой), медный слой 2, теплозащитный интерметаллидный слой 3 и внутренний титановый слой 4, причем интерметаллидный слой состоит из титана и меди и имеет толщину 0,1-0,2 мм, а титановый - не менее 2 мм. Интерметаллидный слой сформирован в процессе получения предлагаемой конструкции путем специальной термической обработки сваренной взрывом четырехслойной трубчатой заготовки. Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 25-39 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 13,4-22,4 раза 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, а также 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 четырехслойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы, содержащей стальной, медный, интерметаллидный и титановый слои, 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 азотной кислоте, а внутренней - 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 25-39 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 13,4-22,4 раза 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 азотной кислот, а внутренней - в хлоридах.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей медный и интерметаллидный слои, выполнен четырехслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь -интерметаллид - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из титана и меди и имеет толщину 0,1-0,2 мм, а титановый - не менее 2 мм.

В отличие от прототипа наружный слой композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали, что, помимо повышения прочности и термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, обеспечивает еще и высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте, а также прочность при сжимающих нагрузках. Толщину стального слоя выбирают исходя из требуемой прочности предлагаемого теплозащитного экрана, необходимого термического сопротивления его стенки и экономии материалов на его изготовление. 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. Его толщину выбирают с помощью компьютерной технологии, исходя из требуемого распределения температуры на внутренней поверхности теплозащитного экрана и требуемой прочности. Интерметаллидный слой из титана и меди обладает значительно меньшей теплопроводностью, чем интерметаллидные слои из меди и алюминия в изделиях по прототипу, поэтому способствует существенному повышению термического сопротивления стенки предлагаемой конструкции. Предложено интерметаллидный слой выполнять толщиной, равной 0,1-0,2 мм, что обеспечивает у него необходимое высокое термическое сопротивление. Его толщина менее 0,1 мм является недостаточной для обеспечения необходимых теплозащитных свойств, а его толщина более 0,2 мм является избыточной, поскольку при этом у него повышается вероятность хрупкого разрушения при циклических нагрузках в процессе эксплуатации изделия.

Предложено внутренний слой теплозащитного экрана выполнять из титана толщиной не менее 2 мм, что обеспечивает совместно со стальным и медным слоями повышенную прочность предлагаемой конструкции при сжимающих нагрузках. Благодаря низкой теплопроводности титана, этот слой вносит существенный вклад в суммарное термическое сопротивление стенки теплозащитного экрана. Кроме того, титановый слой, благодаря его высокой коррозионной стойкости, обеспечивает стойкость внутренней поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например - в хлоридах. Толщина титанового слоя должна быть не менее 2 мм, что необходимо для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью аргонодуговой 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 слоев: стального 1, медного 2, интерметаллидного 3 и титанового слоя 4.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен в виде цельносварной четырехслойной трубы с чередованием слоев: аустенитная коррозионностойкая сталь (наружный слой) - медь -интерметаллид - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из титана и меди и имеет толщину 0,1-0,2 мм, а титановый - не менее 2 мм.

Наружный слой стальной слой 1 из аустенитной коррозионностойкой стали обеспечивает повышенную коррозионную стойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте. Совместно с медным и титановым слоями этот слой способствует повышению прочности предлагаемого изделия при сжимающих нагрузках, а также повышению термического сопротивления теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев.

Медный слой 2, благодаря его высокой теплопроводности, способствуют ускорению процесса выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.

Интерметаллидный слой 3 - теплозащитный, совместно со стальным и титановым слоями он вносит существенный вклад в суммарное термическое сопротивление теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев.

Внутренний титановый слой 4, 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 изделия приваривают к титановому слою, например, аргонодуговой сваркой металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через четырехслойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и повышенной прочностью при сжимающих нагрузках. Наружный стальной слой обеспечивает повышенную коррозионную стойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях агрессивных сред, например в азотной кислоте, а внутренний титановый слой - его внутренней поверхности, например, в хлоридах.

Пример исполнения 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ1-00, медь марки M1 и аустенитная коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т. Данный экран изготовлен в виде цельносварной четырехслойной трубы длиной 200 мм, ее наружный диаметр D _н=90,1 мм, внутренний - D_в=80 мм. Наружный стальной слой имеет толщину 1,8 мм, толщина смежного с ним медного слоя - 1,14 мм, смежного с медным интерметаллидного слоя - 0,1 мм, внутреннего титанового слоя - 2 мм.

Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э 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=26·10^-5 К/(Вт/м² ), что в 25-30 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 13,5-18,5 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 азотной кислоте, а внутренней - 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=101,2 мм, внутренний - D_в=90 мм. Наружный стальной слой имеет толщину 2 мм, медный слой - 1,3 мм, интерметаллидный - 0,16 мм, титановый - 2,14 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=28,5·10 ^-5 К/(Вт/м²), что в 27-34 раза больше, чем у изделия полученного по прототипу.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в сравнении с прототипом обладает, в 14,9-20,5 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=112,4 мм, внутренний - D_в=100 мм. Наружный стальной слой имеет толщину 2,2 мм, медный слой - 1,48 мм, интерметаллидный - 0,2 мм, титановый - 2,32 мм. Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R_э=32·10 ^-5 К/(Вт/м²), что в 31-39 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью в сравнении с прототипом обладает, в 13,4-22,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей медный и интерметаллидный слои, отличающийся тем, что он выполнен четырёхслойным с чередованием слоев: аустенитная коррозионно-стойкая сталь (наружный слой) - медь - интерметаллид - титан (внутренний слой), причём интерметаллидный слой состоит из титана и меди и имеет толщину 0,1-0,2 мм, а титановый - не менее 2 мм.