Способ изготовления биметаллического цилиндрического изделия (варианты) Российский патент 2021 года по МПК B23K101/06 B23K20/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Группа изобретений предназначена для изготовления биметаллических цилиндрических изделий (например труб, обечаек), в том числе тонкостенных, работающих в условиях воздействия агрессивной среды с большим содержанием сероводорода, кислот, углекислого газа и т.п.

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления биметаллических цилиндрических изделий (труб, обечаек) с использованием энергии взрыва заряда взрывчатого вещества и процесса пайки с повышенными требованиями к прочности соединения коррозионностойкого слоя в виде трубы (обечайки) с плакируемым по всей их поверхности.

Уровень техники

Известен способ изготовления биметаллических труб с использованием энергии взрыва («Обработка металлов взрывом» А.В. Крупин, В.Я. Соловьёв, ГС. Попов, М.Р. Кръстев. - М.: Металлургия, 1991. - 496 с.). Сущность его заключается в том, что в плакируемую трубу устанавливают с зазором плакирующую трубу, по центру которой устанавливают заряд взрывчатого вещества и наполняют внутреннюю полость трубы передающей средой (жидкость, песок и т.п.). После подрыва заряда плакирующая труба метается на внутреннюю поверхность плакируемой и образуется соединение. Опыт показал, что для обеспечения качественной сварки слоев необходимо плакирующей трубе придать скорость порядка 500 м/с, что приводит к разрушению плакируемой трубы. В связи с этим используют массивные матрицы, которые разрушаются за несколько подрывов. При относительно небольшом заряде, при котором не происходит разрушения плакируемой трубы, происходит только распрессовка плакирующей трубы без образования соединения слоев, по этим причинам такой метод не нашел широкого практического применения.

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в получении более качественного и прочного соединения цилиндрических изделий по всей длине между собой полученного (каждым заявленным способом) биметаллического цилиндрического изделия, в том числе длинномерных труб и обечаек, при сохранении свойств исходных материалов плакирующего полого цилиндрического изделия (например, трубы, обечайки) и плакируемого полого цилиндрического изделия (например трубы, обечайки). Как следствие основного результата обеспечивается таким образом длительная работа при эксплуатации в условиях агрессивных сред (содержащих высокую концентрацию сероводорода, углекислот и т.д.) полученного биметаллического цилиндрического изделия. Дополнительно решается задача снижения трудоемкости способа и повышения технологичности процесса изготовления таких изделий, как насосно-компрессорные трубы, обечайки сосудов высокого давления, трубчатые переходные элементы для соединения труб из не свариваемых материалов и т.п.

Результат достигается заявленным способом изготовления биметаллического цилиндрического изделия по первому варианту, включающим сборку плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием, установку по центру плакирующего полого цилиндрического изделия заряда взрывчатого вещества и заполнение его передающей средой, причем на внешнюю поверхность плакирующего полого цилиндрического изделия предварительно наносится промежуточный слой, имеющий температуру плавления ниже плакируемого полого цилиндрического изделия и плакирующего полого цилиндрического изделия, затем производится сборка плакируемого полого цилиндрического изделия внутрь которого устанавливается плакирующее полое цилиндрическое изделие с обеспечением между ними зазора, зарядом взрывчатого вещества, передающей средой, после производится подрыв заряда взрывчатого вещества, под действием которого обеспечивается контакт плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием по всей внешней поверхности плакирующего полого цилиндрического изделия и внутренней поверхности плакируемого полого цилиндрического изделия, далее проводится нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование соединения полых цилиндрических изделий между собой посредством процессов пайки.

Согласно заявленному способу по первому варианту каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде трубы.

Согласно заявленному способу по первому варианту каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде обечайки.

Результат достигается заявленным способом изготовления биметаллического цилиндрического изделия по второму варианту включающим сборку плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием, установку по центру плакирующего полого цилиндрического изделия заряда взрывчатого вещества и заполнение его передающей средой, причем на внутреннюю поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия предварительно наносится промежуточный слой, имеющий температуру плавления ниже плакируемого полого цилиндрического изделия и плакирующего полого цилиндрического изделия, затем производится сборка плакируемого полого цилиндрического изделия внутрь которого устанавливается плакирующее полое цилиндрическое изделие с обеспечением между ними зазора, зарядом взрывчатого вещества, передающей средой, после производится подрыв заряда взрывчатого вещества, под действием которого обеспечивается контакт плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием по всей внешней поверхности плакирующего полого цилиндрического изделия и внутренней поверхности плакируемого полого цилиндрического изделия, далее проводится нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование соединения полых цилиндрических изделий между собой посредством процессов пайки.

Согласно заявленному способу по второму варианту каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде трубы.

Согласно заявленному способу по второму варианту каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде обечайки.

Осуществление изобретения

Биметаллические цилиндрические изделия (трубы, обечайки), предназначены для изготовления сосудов и трубопроводов, работающих при одновременном воздействии давления, температуры, вакуума и агрессивной среды в нефтехимическом, атомном и судостроительном машиностроении. Двухслойные трубы предназначены для нефтедобычи на месторождениях с высоким содержанием серы, сероводорода и т.п. В процессе изготовления биметаллических цилиндрических изделий по каждому заявленному способу не изменяются исходные свойства плакирующих и плакируемых материалов.

Далее более подробно о заявленных способах изготовления биметаллического цилиндрического изделия (труб, обечаек).

Заряд взрывчатого вещества подбирается так, чтобы обеспечить при распрессовке плотный контакт слоев и отсутствие деформаций плакируемого полого цилиндрического изделия (например трубы, обечайки). Тем самым обеспечиваются заданные размеры (диаметр, длина, толщина, овальность, кривизна и т.п.) биметаллического изделия. Сплошность соединения слоев контролируется ультразвуковой дефектоскопией.

Передающая среда может быть выполнена в виде жидкости, песка, геля, мелкодисперсного порошка, соли и т.д.

В качестве взрывчатого вещества можно использовать детонирующий шнур марки ДШЭ-12. В зависимости от толщины плакирующего полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) можно использовать от одного до нескольких шнуров. Длина отрезков шнуров равна длине плакирующей трубы или несколько длиннее, чтобы прикрепить электродетонатор.

Внутрь плакируемого полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) на всю длину устанавливают плакирующее полое цилиндрическое изделие (например, трубу, обечайку) из коррозионностойкого материала на наружную поверхность которой предварительно нанесен промежуточный слой по первому варианту, или на внутреннюю поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия предварительно нанесен промежуточный слой по второму варианту, причем в обоих вариантах осуществления промежуточный слой имеет температуру плавления ниже плакируемого и плакирующего полого цилиндрического изделия. Внутрь по центру плакирующего полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) устанавливается заряд взрывчатого вещества, и он заполняется передающей средой (жидкость, песок и т.п.). После подрыва заряда взрывчатого вещества происходит увеличение диаметра плакирующего полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки), что обеспечивает плотный контакт промежуточного слоя с плакируемым полым цилиндрическим изделием (трубой, обечайкой) и плакирующим полым цилиндрическим изделием (трубой, обечайкой) по всей поверхности. Соединение цилиндрических изделий происходит за счет расплавления промежуточного слоя при нагреве до температуры выше его плавления, то есть происходит соединение цилиндрических изделий пайкой. Таким образом, каждый заявленный способ обеспечивает получение биметаллического цилиндрического изделия, имеющего необходимые конструкторские и эксплуатационные свойства для надежной работы в условиях агрессивной среды в длительный период времени.

В частном варианте осуществления каждого способа промежуточный слой предварительно наносится как на наружную поверхность плакирующего полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) так и на внутреннюю поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки). Что дополнительно будет влиять на достижение заявленного технического результата заключающегося в получении более качественного и прочного соединения цилиндрических изделий по всей длине между собой.

В частном варианте осуществления заявленного способа на наружную поверхность плакирующего полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) по первому варианту или на внутреннюю поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия по второму варианту предварительно наносится: промежуточный слой меди электролитическим способом или напылением; промежуточный слой цинка электролитическим способом; промежуточный слой припоя на основе олова, меди, серебра, никеля и т.п. любым методом.

Каждый предлагаемый способ в производственных условиях осуществляется следующим образом:

- зачищается до металлического блеска и обезжиривается внутренняя поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия (металлической трубы, обечайки);

- в качестве плакирующего полого цилиндрического изделия используется металлическая труба или из листа изготавливается обечайка наружным диаметром меньше плакируемого полого цилиндрического изделия (трубы или обечайки), наружная поверхность плакирующего полого цилиндрического изделия зачищается до металлического блеска и обезжиривается;

- на наружную поверхность по первому варианту плакирующего полого цилиндрического изделия наносится любым методом (электролитическим, напылением, облуживанием, намоткой фольги, металлизацией и т.п.) промежуточный слой толщиной 5-100 мкм, имеющий температуру плавления ниже плакируемого и плакирующего слоя цилиндрических изделий, либо на внутреннюю поверхность по второму варианту плакируемого полого цилиндрического изделия наносится любым методом (электролитическим, напылением, облуживанием, намоткой фольги, металлизацией и т.п.) промежуточный слой толщиной 5-100 мкм, имеющий температуру плавления ниже плакируемого и плакирующего слоя цилиндрических изделий;

- внутрь плакируемого полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) устанавливается плакирующее полое цилиндрическое изделие (трубы, обечайки), зазор между ними при необходимости герметизируется;

-по центру плакирующего полого цилиндрического изделия (трубы, обечайки) устанавливается заряд взрывчатого вещества и его внутренняя полость заполняется передающей средой (водой, гелем, песком, солью, мелкодисперсным порошком и т.п.);

- производится подрыв заряда взрывчатого вещества, в результате плакирующее полое цилиндрическое изделие плотно запрессовывается в плакируемое полое цилиндрическое изделие по всей поверхности и образуется многослойная (или биметаллическая) цилиндрическая заготовка;

- затем проводится ее кратковременный нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование прочного соединения слоев за счет процессов пайки;

- полученное биметаллическое цилиндрической изделие (труба, обечайка) подвергается визуально-измерительному и ультразвуковому контролю сплошности соединения слоев.

Пример исполнения 1

Внутренняя поверхность плакируемой трубы диаметром 57 мм и толщиной стенки 6 мм из стали 20 обработана до металлического блеска, очищена от грязи и окислов. На наружную поверхность плакирующей трубы из стали 08Х18Н10Т диаметром 42 мм с толщиной стенки 2 мм методом гальванического осаждения из кислого электролита наносился слой меди толщиной 80 мкм. Затем устанавливается в плакируемую трубу плакирующая, в которую по центру устанавливается заряд взрывчатого вещества, полость заполнялась водой и производился подрыв. В результате воздействия расширяющихся продуктов детонации взрывчатого вещества плакирующая труба плотно запрессовывается в плакируемую по всей поверхности, затем проводится кратковременный нагрев до температуры 1080-1100°С (плавление промежуточного слоя).

Пример исполнения 2

На наружную поверхность плакирующей трубы наносился слой фольги из меди Ml толщиной 120 мкм. Остальные материалы и операции как в примере 1.

Пример исполнения 3

На наружную поверхность плакирующей трубы наносился слой фольги припоя ВПр4 толщиной 150 мкм. Остальные материалы и операции как в примере 1.

Пример исполнения 4

На наружную поверхность плакирующей трубы наносился напылением припой ВПр50. Кратковременный нагрев до температуры 1160°С проводился после запрессовки плакирующей трубы взрывом. Остальные материалы и операции как в примере 1.

Пример исполнения 5

На наружную поверхность плакирующей трубы и внутреннюю поверхность плакируемой трубы наносится припой ВПр50 клеевым методом, в качестве клея используется невысыхающий клей на основе сополимера акриловой смолы БМК-5. Кратковременный нагрев до температуры 1160°С проводился после запрессовки плакирующей трубы взрывом. Остальные материалы и операции как в примере 1.

Пример исполнения 6

На наружную поверхность плакирующей трубы и внутреннюю поверхность плакируемой трубы наносится олово 01 методом облуживания. Кратковременный нагрев до температуры 270-350°С проводился после запрессовки плакирующей трубы взрывом. Остальные материалы и операции как в примере 1.

Пример исполнения 7

На наружную поверхность плакирующей трубы из стали 08Х18Н10Т диаметром 42 мм с толщиной стенки 2 мм и внутреннюю поверхность плакируемой трубы методом гальванического осаждения из кислого электролита наносится слой меди толщиной 30 мкм. Остальные материалы и операции как в примере 1.

Пример исполнения 8

Внутренняя поверхность плакируемой трубы диаметром 42 мм и толщиной стенки 2 мм из стали 08Х18Н10Т обработана до металлического блеска, очищена от грязи и окислов. На наружную поверхность плакирующей трубы из титана ВТ 1-0 диаметром 35 мм с толщиной стенки 2 мм наносится слой фольги из меди Ml толщиной 120 мкм методом намотки. Затем устанавливается в плакируемую трубу плакирующая, в которую по центру устанавливается заряд взрывчатого вещества, полость заполнялась водой, и производился подрыв. В результате воздействия расширяющихся продуктов детонации взрывчатого вещества плакирующая труба плотно запрессовывается в плакируемую по всей поверхности, затем проводится кратковременный нагрев до температуры 1020-1100°С плавления промежуточного слоя.

Пример исполнения 9

На внутреннюю поверхность плакируемой трубы наносится медь Ml методом гальванического осаждения из кислого электролита. Плакирующая труба не покрывалась. Остальные материалы и операции как в примере 8.

Пример исполнения 10

На наружную поверхность плакирующей трубы наносится припой ВПр16 клеевым методом. Кратковременный нагрев до температуры 930°С проводился после запрессовки плакирующей трубы взрывом. Плакируемая труба не покрывалась. Остальные материалы и операции как в примере 8.

Пример исполнения 11

На внутреннюю поверхность плакируемой трубы методом гальванического осаждения из кислого электролита наносится слой меди толщиной 30 мкм. Гальваническое нанесение меди производилось при температуре 21°С при плотности тока 3А/дм² в течение 30 мин. На наружную поверхность плакирующей трубы наносился припой ВПр16 клеевым методом. Остальные материалы и операции как в примере 8.

Визуально-измерительный контроль всех опытных образцов показал, что размеры плакируемой трубы по длине и наружному диаметру не изменились. Ультразвуковой контроль не выявил дефектов сплошности. Структура соединения типичная для пайки. При испытаниях на сплющивание по ГОСТ 22786-77 расслоений не выявлено.

На заводе или предприятии имеется все необходимое оборудование для изготовления или производства заявленными способами биметаллического цилиндрического изделия.

Биметаллическое цилиндрическое изделие изготовленное по каждому заявленному способу выполнено в виде единой конструкции, а именно отдельные компоненты (или составные части) произведенного биметаллического цилиндрического изделия соединены между собой на одном предприятии-изготовителе (или заводе-изготовителе).

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления биметаллических цилиндрических изделий - труб, обечаек - с использованием энергии взрыва заряда взрывчатого вещества. При изготовлении биметаллического цилиндрического изделия производят сборку плакирующего и плакируемого полых цилиндрических изделий. Осуществляют установку по центру плакирующего полого цилиндрического изделия заряда взрывчатого вещества и заполнение его передающей средой. По первому варианту на внешнюю поверхность плакирующего полого цилиндрического изделия предварительно наносят промежуточный слой, имеющий температуру плавления ниже плакируемого полого цилиндрического изделия и плакирующего полого цилиндрического изделия. Производят сборку плакируемого полого цилиндрического изделия, внутрь которого устанавливают плакирующее полое цилиндрическое изделие с обеспечением между ними зазора с зарядом взрывчатого вещества, передающей средой. Производят подрыв заряда взрывчатого вещества, под действием которого обеспечивается контакт плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием по всей внешней поверхности плакирующего полого цилиндрического изделия и внутренней поверхности плакируемого полого цилиндрического изделия. Проводят нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование соединения полых цилиндрических изделий между собой посредством процессов пайки. По второму варианту на внутреннюю поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия предварительно наносят промежуточный слой, имеющий температуру плавления ниже плакируемого полого цилиндрического изделия и плакирующего полого цилиндрического изделия. Производят сборку плакируемого полого цилиндрического изделия, внутрь которого устанавливают плакирующее полое цилиндрическое изделие с обеспечением между ними зазора с зарядом взрывчатого вещества, передающей средой. Производят подрыв заряда взрывчатого вещества, под действием которого обеспечивается контакт плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием по всей внешней поверхности плакирующего полого цилиндрического изделия и внутренней поверхности плакируемого полого цилиндрического изделия. Проводят нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование соединения полых цилиндрических изделий между собой посредством процессов пайки. Обеспечивается повышение прочности соединения цилиндрических изделий между собой при изготовлении биметаллического цилиндрического изделия. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления биметаллического цилиндрического изделия, включающий сборку плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием, установку по центру плакирующего полого цилиндрического изделия заряда взрывчатого вещества и заполнение его передающей средой, отличающийся тем, что на внешнюю поверхность плакирующего полого цилиндрического изделия предварительно наносят промежуточный слой, имеющий температуру плавления ниже плакируемого полого цилиндрического изделия и плакирующего полого цилиндрического изделия, затем производят сборку плакируемого полого цилиндрического изделия, внутрь которого устанавливают плакирующее полое цилиндрическое изделие с обеспечением между ними зазора с зарядом взрывчатого вещества, передающей средой, после производят подрыв заряда взрывчатого вещества, под действием которого обеспечивается контакт плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием по всей внешней поверхности плакирующего полого цилиндрического изделия и внутренней поверхности плакируемого полого цилиндрического изделия, далее проводят нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование соединения полых цилиндрических изделий между собой посредством процессов пайки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде трубы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде обечайки.

4. Способ изготовления биметаллического цилиндрического изделия, включающий сборку плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием, установку по центру плакирующего полого цилиндрического изделия заряда взрывчатого вещества и заполнение его передающей средой, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность плакируемого полого цилиндрического изделия предварительно наносят промежуточный слой, имеющий температуру плавления ниже плакируемого полого цилиндрического изделия и плакирующего полого цилиндрического изделия, затем производят сборку плакируемого полого цилиндрического изделия, внутрь которого устанавливают плакирующее полое цилиндрическое изделие с обеспечением между ними зазора с зарядом взрывчатого вещества, передающей средой, после производят подрыв заряда взрывчатого вещества, под действием которого обеспечивается контакт плакирующего полого цилиндрического изделия с плакируемым полым цилиндрическим изделием по всей внешней поверхности плакирующего полого цилиндрического изделия и внутренней поверхности плакируемого полого цилиндрического изделия, далее проводят нагрев до температуры плавления промежуточного слоя и образование соединения полых цилиндрических изделий между собой посредством процессов пайки.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде трубы.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что каждое полое цилиндрическое изделие выполнено в виде обечайки.