ТРУБЧАТЫЙ ПЕРЕХОДНИК ТИТАН-СТАЛЬ Российский патент 2003 года по МПК B23K20/14 B23K101/06 

Изобретение относится к области соединения с помощью сварки труб из разнородных материалов, не поддающихся традиционным методам сварки плавлением, а более конкретно - к конструкциям трубчатых переходников титановый сплав-нержавеющая сталь, с помощью которых можно сваривать трубы из титановых сплавов с трубами из нержавеющей стали традиционными методами сварки плавлением однородных металлов.

В современном машиностроении достаточно широко используются трубы из титановых сплавов в сочетании с трубами из нержавеющих сплавов, поэтому постоянно возникает необходимость их надежного соединения с помощью сварки.

Титан и нержавеющая сталь в металлургическом плане практически несовместимы, так как при их сварке плавлением в сварном шве образуется сложный набор из хрупких интерметаллидных соединений и жидких эвтектик.

Поэтому в промышленности основным технологическим направлением при сварке труб из титановых сплавов с трубами из нержавеющей стали стало использование биметаллических трубчатых переходников титан-сталь, предварительно изготавливаемых методами сварки в твердой фазе, когда температура нагрева для сварки не превышает 0,7 температуры плавления наиболее легкоплавкого из свариваемых материалов.

Известны трубчатые переходники из титанового сплава марки ОТ4 и нержавеющей стали марки Х18Н9Т, которые изготавливались сваркой в твердой фазе методом горячего совместного прессования заготовок из титана и нержавеющей стали, помещенных в специальную герметичную стальную оболочку, из которой тщательно удалялся воздух (см. Л.Г. Стрижевская и др. Сварка разнородных металлов с использованием биметаллических переходников, ж. "Сварочное производство" 1969 г., 8, стр.18-19).

Трубчатые переходники, получаемые методом горячего совместного прессования, имеют два основных недостатка: первый из них это крайне высокая стоимость изготовления, особенно переходников диаметром более 75 мм, так как заготовки из титанового сплава и нержавеющей стали для совместного прессования необходимо изготавливать по диаметру в 4-5 раз большие, чем будущий переходник; заготовки помещают в стальной контейнер, потом его закрывают крышкой, тщательно вакуумируют и герметизируют с сохранением в контейнере вакуума; после этого его нагревают до температуры около 900^oС и устанавливают в подогреваемую пресс-форму-матрицу, через очко которой гидравлическим прессом продавливают горячий контейнер. Для горячего прессования вакуумированных контейнеров, предназначенных даже для переходников относительно небольшого диаметра, требуется гидравлический пресс с усилием в несколько тысяч тонн, который не всегда имеется даже на крупных заводах.

Вторым недостатком трубчатых переходников, изготавливаемых из сваренных заготовок, полученных методом совместного горячего прессования, является отсутствие достоверных данных о прочности каждого диффузионного соединения в области нахлестки между титановым сплавом и нержавеющей сталью. Если в контейнере с заготовками из титанового сплава и нержавеющей стали сохраняется вакуум на всех технологических этапах, включая начальный момент прессования, то диффузионное сварное соединение в виде конусной нахлестки получается высокопрочным.

Если же сварные швы на контейнере выполнены с микротечами или же они возникли в процессе нагрева перед прессованием, то диффузионное сварное соединение резко теряет свои прочностные характеристики, а на практике выявить образование микротечи, особенно в процессе нагрева контейнера в печи до 900^oС, практически невозможно.

По этой причине трубчатые переходники, изготовленные из заготовок, сваренных методом горячего совместного прессования, не нашли широкого применения в ответственных трубопроводах, работающих в условиях постоянной вибрации и частых температурных колебаний.

Известны также трубчатые переходники титан-сталь, изготовленные сваркой в твердой фазе методом диффузионной сварки в вакууме с применением промежуточных многослойных прослоек, таких как V+Cu+CTAЛЬ+Ni и V+Cu+Ni, предварительно получаемых горячей прокаткой в вакууме при температурах 800-900^oС (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. - М.: Машиностроение, 1976 г., стр.189).

Трубчатые переходники, диаметром 60-70 мм и длиной до 150 мм изготавливались из титанового сплава ВТ5-1 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т с применением промежуточных многослойных прокладок, устанавливаемых между свариваемыми торцами втулок. Переходники изготавливали диффузионной сваркой в вакууме при нагреве до 1000^oС и сдавливании с усилием 0,5 кгс/мм² при выдержке не менее 15 минут.

Основным недостатком этих трубчатых переходников является трудность оценки как прочности сцепления на отрыв между слоями многослойной прокладки, так и между прокладкой и торцами втулок из титанового сплава и из нержавеющей стали, что также не позволяет использовать эту конструкцию переходников для сварки ответственных трубопроводов из титановых сплавов с трубопроводами из нержавеющей стали, работающих в условиях вибрации и частых смен температур.

Из техники сварки труб хорошо известно, что нахлесточные трубчатые сварные соединения значительно более работоспособны в условиях вибрации трубопровода, чем стыковые, так как плотная телескопическая посадка труб разгружает сварной шов от изгибающих моментов, возникающих при вибрации трубопровода.

Известны две экспериментальные конструкции трубчатых переходников титан-сталь, сваренных диффузионной сваркой внахлестку: в первой конструкции цилиндрическая втулка из титанового сплава располагалась снаружи цилиндрической втулки из нержавеющей стали, а во второй конструкции нахлесточное соединение втулок выполнялось по конусным поверхностям, при этом втулка из нержавеющей стали выполнялась снаружи втулки из титанового сплава (см. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. - М.: Машиностроение, 1976 г., стр. 189-190).

Нахлесточная конструкция переходника титан-сталь, в которой втулка из нержавеющей стали установлена внутри втулки из титанового сплава, не имеет перспективы для промышленного применения, т.к. в процессе охлаждения после диффузионной сварки хрупкая диффузионная прослойка из-за двухкратной разницы в коэффициентах термического расширения между титаном и нержавеющей сталью постоянно работает на растяжение и срез, что в условиях вибрации и температурных колебаний неизбежно приведет к ее разрушению.

Наиболее близкой к заявленной конструкции переходника титан-сталь по совокупности существенных признаков является трубчатый переходник титан-нержавеющая сталь, выполненный в виде втулки из титанового сплава и втулки из нержавеющей стали, сваренных между собой диффузионной сваркой внахлестку по конусным поверхностям с расположением втулки из нержавеющей стали снаружи втулки из титанового сплава и с образованием между ними диффузионной прослойки (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. - М.: Машиностроение, 1976 г., стр.189).

Эта конструкция трубчатого переходника также мало пригодна для сварки ответственных трубопроводов из титановых сплавов и нержавеющей стали, работающих в условиях вибрации и частых смен температур, так как в осевом направлении прочность переходника обеспечивается только за счет прочности диффузионной прослойки, образовавшейся в результате диффузионной сварки, а наличие конусной поверхности в нахлесточном соединении только ослабляет осевую прочность переходника.

Диффузионная прослойка между втулками из титанового сплава и нержавеющей стали, на которой основана прочность и работоспособность переходника титан-сталь, получаемая по известной технологии диффузионной сварки, как правило, имеет крайне неравномерную толщину, как по площади соединения, так и по его длине, что обусловлено свойствами окисных пленок на поверхностях титанового сплава и нержавеющей стали, и, как правило, этот разброс в одном нахлесточном соединении может колеблется от практического отсутствия диффузионной прослойки на отдельных участках до толщин в несколько сотен микрон. При этом на тех участках, где уже началось диффузионное взаимодействие, рост диффузионной прослойки происходит очень интенсивно, а если температура нагрева в этом месте достигает нижней точки образования эвтектики между титаном и нержавеющей сталью, то жидкая эвтектика начинает просто вытекать из нахлесточного соединения.

В связи с этими известными методами диффузионной сварки в этой конструкции переходника практически невозможно получить высокопрочной диффузионной прослойки, толщина которой не будет превышать двух микрон.

При больших толщинах хрупкой диффузионной прослойки в этой конструкции переходника она не выдерживает испытания термоударом при нагреве до 350^oС и опускания в воду, т.к. хрупкая диффузионная прослойка начинает трескаться и через несколько термоударов переходник теряет герметичность.

Это объясняется тем, что в процессе остывания после диффузионной сварки диффузионная прослойка испытывает сжатие в радиальном направлении, а в продольном сдвиговые напряжения, что связано с термическим уменьшением диаметра и длины втулки из нержавеющей стали по отношению ко втулке из титанового сплава.

У такого переходника в рабочих условиях в составе трубопровода кроме напряжений, оставшихся после сварки, будут возникать напряжения в диффузионной прослойке от давления среды в трубопроводе, колебаний ее температуры, от термических расширений трубопровода и его вибраций. И всему этому в этой конструкции переходника противостоит только хрупкая диффузионная прослойка, что никак не подходит для ответственных трубопроводов, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании конструкции трубчатого переходника в виде двух втулок из титанового сплава и нержавеющей стали, собранных внахлестку и сваренных диффузионной сваркой в вакууме с образованием в сварном соединении хрупкой диффузионной прослойки, который был бы работоспособен в ответственных высокотемпературных трубопроводах, работающих в условиях вибрации и колебаний температуры среды в трубопроводе.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в том, что в заявленной конструкции трубчатого переходника хрупкая диффузионная прослойка практически не испытывает сдвиговых напряжений, которые возникают в известных трубчатых переходниках титан-сталь в процессе охлаждения после диффузионной сварки, а также в процессе эксплуатации от воздействия давления среды, протекающей по трубопроводу, а также от вибрации трубопровода и колебаний температуры среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в трубчатом переходнике, титан-нержавеющая сталь, выполненным в виде втулки из титанового сплава и втулки из нержавеющей стали, сваренных между собой диффузионной сваркой внахлестку с расположением втулки из нержавеющей стали снаружи втулки из титанового сплава и с образованием между ними диффузионной прослойки,
- нахлесточное соединение выполнено по цилиндрическим поверхностям с механическим зацеплением между ними в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля, при этом толщина диффузионной прослойки составляет не более 20 микрон;
- кроме того, цилиндрические поверхности втулок в области нахлесточного соединения имеют, по крайней мере, одну цилиндрическую ступеньку;
- кроме того, место утолщения нахлесточного соединения выполнено на наружной стороне переходника;
- кроме того, место утолщения нахлесточного соединения выполнено на внутренней стороне переходника.

Заявленная конструкция трубчатого переходника титан-сталь позволяет методом диффузионной сварки изготавливать высоконадежные сварные трубчатые биметаллические переходники, предназначенные для сварки между собой труб из титановых сплавов с трубами из нержавеющих сталей.

Высокую надежность заявленной конструкции трубчатого переходника титан-сталь обеспечивает нахлесточное соединение, которое выполнено в отличие от прототипа по цилиндрическим поверхностям, на которых в свою очередь выполнено механическое зацепление в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля, которое берет на себя все нагрузки, которым подвергается диффузионная прослойка как в процессе эксплуатации переходника, так и от двухкратной разницы в коэффициентах термического расширения между титаном и нержавеющей сталью. В дополнение к этому механическое зацепление в виде кольцевых выступов и впадин создает в нахлесточном соединении лабиринтное уплотнение, которое может обеспечивать соединению герметичность даже при отсутствии диффузионной прослойки, т.к. в процессе остывания после диффузионной сварки втулка из нержавеющей стали за счет разницы в коэффициентах термического расширения все время плотно обжимает втулку из титанового сплава.

В заявленной конструкции переходника диффузионная прослойка не несет силовых нагрузок, а выполняет лишь роль обеспечения соединению вакуумной плотности, при этом чем она тоньше, то тем выше ее прочностные и коррозионные характеристики, поэтому ее максимальная толщина ограничена в заявленной конструкции переходника всего 20 микронами.

Нахлесточное соединение переходника для сокращения его радиальных габаритов может быть выполнено многоступенчатым, что позволяет снизить наружное усиление толщины стенки в области нахлестки до 0,5-3 мм, а в случае конструктивной необходимости позволяет изготовить переходник без наружного усиления, заменив его внутренним.

Кроме этого, ступенчатое нахлесточное соединение позволяет снизить термические и механические напряжения в хрупкой диффузионной прослойке по краям нахлесточного соединения за счет выполнения концов втулок, образующих нахлесточное соединение, максимально тонкими, так как термические напряжения кроме различия в коэффициентах термического расширения определяются жесткостью одной из сваренных стенок, которая прямо пропорциональна ее толщине.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан трубчатый переходник титан-сталь, предназначенный для сварки труб из титановых сплавов с трубами из нержавеющих сталей, выполненный в виде двух втулок из титанового сплава 1 и нержавеющей стали 2, сваренных между собой диффузионной сваркой внахлестку с механическим зацеплением между ними в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля 3. При этом нахлесточное соединение выполнено по цилиндрической поверхности с расположением места утолщения нахлестки снаружи переходника.

На фиг. 2 показан аналогичный трубчатый переходник титан-сталь, у которого нахлесточное соединение выполнено многоступенчатым с расположением минимального утолщения места нахлестки снаружи переходника.

На фиг. 3 показан аналогичный трубчатый переходник титан-сталь, у которого нахлесточное соединение выполнено многоступенчатым с расположением минимального утолщения места нахлестки внутри переходника.

Изобретение относится к соединению с помощью сварки труб из разнородных материалов, не поддающихся традиционным методам сварки плавлением. Переходник выполнен в виде втулки из титанового сплава и втулки из нержавеющей стали, сваренных между собой диффузионной сваркой внахлестку. Втулка из нержавеющей стали расположена снаружи втулки из титанового сплава. Нахлесточное соединение выполнено по цилиндрическим поверхностям с механическим зацеплением между ними в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля. Толщина диффузионной прослойки составляет не более 20 мкм. Цилиндрические поверхности втулок в области нахлесточного соединения имеют по крайней мере одну цилиндрическую ступеньку. Место утолщения нахлесточного соединения может быть выполнено на наружной или внутренней стороне переходника. Такое выполнение переходника позволяет повысить его работоспособность в ответственных высокотемпературных трубопроводах, работающих в условиях вибрации и колебаний температуры среды в трубопроводе. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Трубчатый переходник титан - нержавеющая сталь, выполненный в виде втулки из титанового сплава и втулки из нержавеющей стали, сваренных между собой диффузионной сваркой внахлестку с расположением втулки из нержавеющей стали снаружи втулки из титанового сплава с образованием между ними диффузионной прослойки, отличающийся тем, что нахлесточное соединение выполнено по цилиндрическим поверхностям с механическим зацеплением между ними в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля, при этом толщина диффузионной прослойки составляет не более 20 мкм. 2. Трубчатый переходник по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические поверхности втулок в области нахлесточного соединения имеют по крайней мере одну цилиндрическую ступеньку. 3. Трубчатый переходник по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что утолщение нахлесточного соединения выполнено на наружной стороне переходника. 4. Трубчатый переходник по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что утолщение нахлесточного соединения выполнено на внутренней стороне переходника.