Способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали

 

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано в других областях техники, где требуются сильфоны, работающие в условиях широкого диапазона температур и давления. Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик. Трубные заготовки получают из предварительно нарезанных листов заданных размеров и сваривают электродуговой импульсной сваркой в среде защитных газов. Собранный многослойный пакет заваривают с двух сторон по торцам и подвергают термообработке путем нагрева его в защитной среде при температуре 1000 - 1130^oC с выдержкой при этой температуре в течение 20-45 мин и последующим охлаждением. 4 з.п.ф-лы.

Область техники Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали, предназначенных под сварку с арматурой и работающих в экстремальных условиях.

Предшествующий уровень техники Многослойные тонкостенные сильфоны широко используются в различных областях техники, например в авиастроении, двигателестроении, нефтяной промышленности там, где требуется обеспечить подвижное соединение трубопроводов для компенсации их относительного перемещения.

Наиболее приемлемым материалом для производства таких сильфонов является нержавеющая сталь, поскольку обеспечивает их работу в условиях высоких температур и давлений, агрессивных сред и вибрации.

Известен способ производства многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали, включающий изготовление трубных заготовок путем их многократной вытяжки с помощью пуансонов через матрицы с изменением диаметра, сборку труб заданного диаметра в многослойный пакет, гофрирование его в сильфон с последующими операциями поверхностного деформирования и термической обработки - дорекристаллизационного отжига при температуре 680±10^oC (SU, A, 1292870, B 21 D 15/00, 1987).

Операция вытяжки каждой заготовки перед сборкой в пакет позволяет повысить прочность стенок, а термообработка после гофрирования - снять остаточные напряжения в металле. Однако вытяжка заготовок, являясь весьма трудоемкой операцией, резко снижает пластичность стали и ухудшает ее структуру. Это обстоятельство может вызвать появление трещин в сильфоне в процессе гофрирования, а значит и снизить его работоспособность в экстремальных условиях эксплуатации. Кроме того, отсутствие контроля герметичности наружного и внутреннего слоев сильфона после гофрирования может привести к его разрушению в процессе эксплуатации.

Наиболее близким аналогом является известный способ производства многослойных и тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали, который включает в себя изготовление тонких трубных заготовок, свернутых из листов и сваренных внахлестку или встык, гофрирование их на прессе с образованием сильфона и контроль его герметичности методом погружения в воду. (см. К.Н. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны. - Машгиз. 1963, стр. 8-11).

Описанный выше способ менее трудоемок по сравнению с предыдущим и позволяет сохранить в процессе производства химический состав и структуру исходного материала, Однако гофрирование трубных заготовок непосредственно после их изготовления сваркой листов может привести к образованию трещин как в сварных швах, так и в стали из-за низкой их пластичности и прочности. Кроме того, контроль герметичности сильфонов погружением в воду более трудоемок и нетехнологичен.

Раскрытие изобретения Задача изобретения заключается в создании способа производства тонкостенных многослойных сварных сильфонов из нержавеющей стали с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является работа сильфонов, изготовленных по данному способу, без разрушения в экстремальных условиях в течение длительного времени при температуре до 400^oC, а также повышение выхода готовой продукции за счет контроля герметичности внутреннего и наружного слоев сильфонов.

Задача решается за счет того, что в способе изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали, включающем изготовление трубных заготовок сваркой листов, сборку трубных заготовок в многослойный пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и контроль его герметичности, изготовление трубных заготовок осуществляют из предварительно нарезанных листов заданных размеров путем их электродуговой импульсной сварки в среде защитных газов, собранный многослойный пакет заваривают с двух сторон по торцам и подвергают термической обработке путем нагрева его в защитной среде до температуры 1000-1130^oC с выдержкой при этой температуре в течение 20-45 мин и последующим охлаждением. Кроме того, в качестве электродуговой сварки в среде защитных газов используют аргонодуговую импульсную сварку.

Кроме того, в качестве защитной среды при термообработке используется воздушная среда с разрежением 1·10^-2 - 1·10^-3 мм ртутного столба.

Кроме того, контроль герметичности многослойного сильфона осуществляют после термообработки путем прокачки инертного газа высокого давления между слоями и проверки возможной негерметичности со стороны внутренней и наружной поверхностей многослойного сильфона.

Кроме того, в качестве инертного газа используют газообразную смесь, содержащую гелий, а контроль герметичности осуществляют гелиевым течеискателем.

Повышение пластичности материала многослойного пакета достигается за счет осуществления термообработки его перед гофрированием, а обеспечение достаточной прочности - за счет получения при импульсной сварке швов с прочностью, равной прочности основного металла.

Согласно изобретению способ реализуется следующим образом.

Нарезают листы из нержавеющей стали заданных размеров (толщина, ширина, длина). Соединяют их в трубные заготовки с помощью электродуговой импульсной сварки. В качестве такой сварки может быть использована электродуговая импульсная сварка в среде защитных газов.

В зависимости от требуемого диаметра каждой заготовки получают соответствующее количество сварных швов. При использовании аргонодуговой импульсной сварки получают швы с прочностью, равной прочности основного металла.

Изготавливают таким образом семь - двенадцать трубных заготовок для одного сильфона. Количество трубных заготовок для сильфона зависит от давления рабочей среды в процессе его эксплуатации. Изготовленные трубные заготовки собирают в многослойный пакет, заваривают пакет с двух сторон по торцам и помещают в вакуумную печь, в которой проводят термическую обработку. Пакет нагревают в печи до температуры 1000-1130^oC и выдерживают при этой температуре в течение 20-45 мин в зависимости от размеров заготовки и толщины ее стенок. В качестве защитной среды используют воздушную среду с разрежением 1·10^-2 - 1·10^-3 мм рт.ст., однако может быть использован и инертный газ, например аргон. Охлаждение проводят также в печи.

Выбор режимов термообработки обусловлен необходимостью получения при указанной температуре однородной структуры в стали, что позволяет повысить ее пластичность и предотвратить пригорание компонентов стали в процессе выдержки.

Нагрев ниже 1000^oC не обеспечивает получения однородной структуры материала. Нагрев выше 1130^oC приводит к росту зерна и соответственно - к потери пластичности материала.

Время выдержки более 45 мин может способствовать появлению по границам зерен отдельных упрочняющих фаз, что повлияет на снижение пластичности материала. Время выдержки меньше 20 мин не обеспечит в должной мере однородную структуру материала.

После термообработки многослойный пакет подвергают гофрированию на прессе с образованием гофр. Далее осуществляют контроль межслойной герметичности гофр наружного и внутреннего слоев стенок сильфона. Контроль осуществляют опрессовкой путем подачи инертного газа, содержащего гелий, под высоким давлением во внутреннюю полость сильфона. Далее проверяют величину его негерметичности с внешней стороны и со стороны внутренней полости соответственно. Межслойную негерметичность проверяют с помощью гелиевого течеискателя. С помощью гелия фиксируют любой заметный дефект в металле.

Наличие операции контроля герметичности слоев сильфона позволяет предотвратить его разрушение в процессе эксплуатации.

Изготовленный по описанному выше способу сильфон приваривают к арматуре и подвергают его гидроиспытаниям на прочность.

Ниже приведены примеры осуществления заявленного способа.

Примеры реализации Пример 1.

Нарезанные листы из стали марки Х18Н10Т толщиной 0,35 мм соединяли между собой электродуговой импульсной сваркой в атмосфере аргона с образованием трубной заготовки, имеющей один сварной шов. Качество сварного шва контролировали методом цветной дефектоскопии на наличие дефектов. Изготавливали семь заготовок разных диаметров, собирали их в пакет, заваривали с двух сторон по торцам и подвергали термообработке в воздушной среде при разрежении 1·10^-2 мм рт.ст. Пакет нагревали до температуры 1000^oC и выдерживали 20 мин. Охлаждали в печи. Проведение указанной термообработки позволило повысить пластичность стали. Относительное удлинение (δ) увеличилось до 50%. Далее пакет гофрировали на гидравлическом прессе под давлением 145 атм за один проход с образованием сильфона, который затем подвергался контролю на межслойную герметичность гофр путем прокачки инертного газа, содержащего до 40% гелия. Разгерметизации сильфона не было обнаружено.

Изготовленный по описанному выше способу сильфон приваривали к арматуре и подвергали гидроиспытаниям на прочность. Разрушения сильфона не обнаружено. Далее его испытывали в атмосфере кислорода при температуре до 350^oC, вибрации и давлении 120 атм. Испытания показали, что он оказался работоспособным в этих условиях в течение 60 минут.

Пример 2.

Нарезанные листы из той же стали, что и в примере 1, толщиной 0,35 мм соединяли между собой аргонодуговой импульсной сваркой с образованием трубной заготовки. Контролировали качество сварного шва, а также определяли прочность швов и основного металла. Их прочность была идентичной и составляла до 62 кгс/мм². Изготавливали 12 заготовок, собирали их в многослойный пакет, который заваривали с двух сторон по торцам и подвергали термообработке в вакуумной печи при разрежении 1·10^-3 мм рт.ст. Пакет нагревали до 1130^oC и выдерживали 45 мин. Охлаждали так же, как в примере 1. После термообработки относительное удлинение стали составляло до 50%. Процесс гофрирования пакета в сильфон, контроль его герметичности после приварки к арматуре и испытания на прочность проводили так же, как и в примере 1. Разрушения сильфона не обнаружено. Сильфон не разрушился и при испытаниях в экстремальных условиях: атмосфере кислорода, вибрации, температуре 400^oC, давлении 300 атм в течение 60 мин.

Промышленная применимость Предложенный способ получения тонкостенных сильфонов предназначен для использования в ракетном двигателестроении. Он может также использоваться в других областях техники, где требуются изготавливать подвижные уплотнения в условиях повышенных и криогенных температур при наличии химически активных сред, например, в химической промышленности, криогенной технике.

Формула изобретения

1. Способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющих сталей, включающий получение из листов сваркой трубных заготовок, сборку трубных заготовок в многослойный пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и контроль герметичности сильфона, отличающийся тем, что при получении трубных заготовок проводят электродуговую импульсную сварку листов в среде защитных газов, после сборки производят заварку пакета с двух сторон по торцам, а затем осуществляют термическую обработку пакета путем нагрева его в защитной среде до 1000-1130^oС с выдержкой в течение 20-45 мин и последующим охлаждением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении трубных заготовок проводят аргонодуговую импульсную сварку листов.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что термическую обработку проводят в воздушной среде с разрежением 1·10^-2-1·10^-3 мм рт. ст.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль герметичности многослойного сильфона осуществляют путем прокачки инертного газа высокого давления между слоями и ведут проверку возможной негерметичности со стороны внутренней и наружной поверхностей сильфона.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что при прокачке в качестве инертного газа используют газообразную смесь, содержащую гелий, а контроль герметичности осуществляют с помощью гелиевого течеискателя.

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.06.2010

Извещение опубликовано: 27.06.2010        БИ: 18/2010

---