專利名稱：耐壓的流體加載的物體的制作方法
耐壓的流體加載的物體
本發(fā)明涉及一種耐壓的流體可加載的或者流體加載的物體，如壓力 管或者壓力容器。
在汽輪機(jī)的工作過程中，效率取決于過程溫度。因此人們力求將過 程溫度設(shè)定得盡可能地高。按照現(xiàn)有技術(shù)對于汽輪機(jī)工作過程必需的耐 壓物體，如壓力管或壓力容器由馬氏體鋼或者高合金鎳基合金制成。用
這些材料可以實(shí)現(xiàn)過程溫度達(dá)65(TC或700°C。當(dāng)然對于馬氏體鋼出于 安全原因通常使溫度不超過620°C 。
所使用的由前面所述鋼制成的物體耐壓至300bar。更高的溫度和壓 力則不可能實(shí)現(xiàn)，由于必要的耐抗材料蠕變性的能力，由于安全性和由 于經(jīng)濟(jì)性而不可能實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的任務(wù)是改進(jìn)一種耐壓的流體可加載的或流體加載的物體， 如壓力管或者壓力容器，從而相比于由鋼制成的物體可以實(shí)現(xiàn)過程溫度 的提高。物體也應(yīng)該可以加壓，該壓力大于以前通常使用的壓力。
為了解決此任務(wù)本發(fā)明總體上建議了 一種耐壓的流體可加載的或 流體加載的物體，如壓力管或者壓力容器，它由鋼制的基體、在在外面 包圍住所述基體的由陶資纖維復(fù)合材料制成的笫 一層以及一層或者多 層布置在第一層上的由纖維增強(qiáng)陶瓷和/或纖維增強(qiáng)塑料制成的層所構(gòu) 成。
按照本發(fā)明的流體可加載的或流體加載的物體，如壓力管或者壓力 容器，可以相比于只是由鋼制成的物體實(shí)現(xiàn)過程溫度的提高。也可以使 加壓大于以前通常的壓力。這按照本發(fā)明，通過功能分離，即鋼管的密 封和緊急情況性能以及纖維復(fù)合材料的耐高溫蠕變性的分離來實(shí)現(xiàn)。
按照本發(fā)明提供了 一種多層物體，它尤其是在汽輪機(jī)工作過程中可 以與以前使用的材料相比提高過程溫度至少大約200°C,因此可以提高
火力發(fā)電廠的熱效率大約7%。 一種相應(yīng)的復(fù)合管在軸向和徑向方向上 具有良好的抗壓和抗拉性能，并且耐溫可達(dá)到900。到100(TC之間的范 圍。由纖維復(fù)合材料制成的第一層在一定程度上有隔熱作用，也就是說 從鋼管至外層產(chǎn)生溫度梯度，因此外層不發(fā)生氧化，也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地制造。
4雖然已知了 陶瓷纖維復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites(CMC))
在高溫時(shí)使用。因此將CMC材料使用于燃?xì)廨啓C(jī)中在熱氣的范圍里， 這就是說渦輪機(jī)燃燒室，靜態(tài)控制燃?xì)饬鞯膶?dǎo)向葉片和本來的渦輪機(jī)葉 片，它們用于驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)。當(dāng)然相應(yīng)的部件只是由CMC材 料制成并且沒有按照本發(fā)明的層狀構(gòu)造。但這種層狀構(gòu)造確保了在直 至IOO(TC的高溫和300bar和更高的壓力時(shí)可以沒有問題地使用，其中 同時(shí)保證了物體的抗蠕變性至少達(dá)3 0年。
耐熱纖維復(fù)合材料的特征在于 一種埋入在陶瓷纖維，尤其是長纖維 之間的陶資基質(zhì)，它通過陶瓷纖維而增強(qiáng)。因此人們提到纖維增強(qiáng)陶瓷、 復(fù)合陶瓷或者也簡單地稱之為纖維陶瓷?；|(zhì)和纖維原理上可以由所有 已知的陶資材料制成，其中按此關(guān)系也將碳作為陶瓷材料來討論。
尤其是規(guī)定了陶瓷復(fù)合材料的纖維是鋁氧化的，莫來石-。碳化硅 -纖維，氧化鋯-纖維、和/或碳-纖維、莫來石由氧化鋁和氧化硅組成的混 合晶體組成。
優(yōu)選地將SiC/SiC,C/C,C/SiC,Al203/Al203和/或莫來石/莫來石使用作 為陶資纖維復(fù)合材料。在分隔線前面的材料表示出纖維種類，分隔線后 面的材料表示了基質(zhì)類型。作為用于陶瓷纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的基質(zhì)系也可以 采用硅氧烷、硅基母體和各種不同的氧化物，例如氧化鋯。
第一層的厚度D!優(yōu)選為lmm《D!《20mm和/或第二層或多層的總 共厚度D2為Omm<D2《50mm。
為了通過所述至少一個(gè)第二層實(shí)現(xiàn)所希望的加固防護(hù)，纖維增強(qiáng)碳 纖維可以是徑向環(huán)繞地和/或交叉地布置在第一層上。第一層的纖維同樣 也可以徑向環(huán)繞地和/或交叉地敷設(shè)在基體上。
基體優(yōu)選地由馬氏體鋼或者高合金的鎳基合金材料組成。壁厚D3 為2mm<D3《50mm,可以^皮認(rèn)為是優(yōu)選值，而并不因此限制住4姿照本 發(fā)明的理論。
第 一層的纖維體積Fv應(yīng)達(dá)到30%《Fv《70%。第 一層的孔隙率優(yōu)選 地達(dá)到5°/。《P《50%。
陶乾纖維復(fù)合材料可以通過CV1 ( Chemical Vapour Infiltration (化 學(xué)氣相滲入))方法、熱解、LP1 (Liquid Polymer infiltration (液相聚 合物滲入))方法或者通過化學(xué)反應(yīng)如LS1 (液相硅滲入)法來制造。
一種硅基母體被優(yōu)選地用作為基質(zhì)材料，用于然后借助于熱解轉(zhuǎn)化為SiC。硅基母體的優(yōu)點(diǎn)在于這種材料可以容易地硬化和熱解，從而 保證順利地制造。
本發(fā)明的最普遍特征也在于 一種耐壓的流體可加載的或流體加載 的物體，如壓力管或者壓力容器，它們由鋼和圍住基體的層組成，這種 層包含有或者由纖維構(gòu)成，這些纖維在溫度T為TC500。C時(shí)沒有或者具 有最小的蠕變伸長。
使用了耐蠕變的纖維，也就是說在蠕變范圍里一在溫度〉550。C的范 圍里 一沒有或者具有最小的隨時(shí)間而增加的殘余變形，也就是蠕變伸 長，因此阻止了位于里面的鋼管的蠕變。纖維在化學(xué)上的特點(diǎn)是高的耐 久強(qiáng)度，從而尤其是在大氣空氣的條件下在高的運(yùn)行溫度下保證了強(qiáng) 度。
作為纖維可以考慮增強(qiáng)纖維，它們屬于以下等級氧化的、碳化的、 氮化的纖維或者C-纖維和SiBCN-纖維。塑料纖維如PAN-纖維或者聚丙 烯腈纖維也可以稱之為加強(qiáng)纖維。
本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)不僅可以見權(quán)利要求，其中所述的 特征(本身和/或組合)，而且也可以見以下對于由附圖可見的優(yōu)點(diǎn)實(shí)施 例所作的說明。附圖所示為


圖1: 一種壓力管的原理圖2: —種容器的原理圖。
圖1中表示了壓力管IO的剖視圖，壓力管尤其是使用在用于汽輪 機(jī)過程的火力發(fā)電廠范圍里。為了使流體在壓力小于300bar或者更高的 情況下，在溫度為80(TC,尤其是85CTC或更高時(shí)流過壓力管10,管子 IO設(shè)計(jì)成復(fù)合管。管子10由鋼制成的基體12組成，在所述基體上涂覆 有至少二個(gè)層14, 16。布置在基體12上的層14稱之為第一層，它由一 種陶資纖維復(fù)合材料構(gòu)成，并且至少一個(gè)蓋住第一層14的第二層16, 該層16由纖維增強(qiáng)的塑料和/或纖維增強(qiáng)的陶瓷構(gòu)成。塑料成分用于提 高變形協(xié)調(diào)性。
第一層14中的陶乾纖維復(fù)合材料可以由已知的陶瓷材料構(gòu)成，其 中優(yōu)選可以列舉出SiC/SiC,八1203/八1203或者莫來石/莫來石。由陶瓷纖 維復(fù)合材料制成的第一層14確保了在基體12和由纖維增強(qiáng)塑料制成 的所述至少一個(gè)第二層之間在圓周里實(shí)現(xiàn)隔熱一其中所述纖維增強(qiáng)塑 料可以是碳纖維增強(qiáng)塑料，或是玻璃纖維增強(qiáng)塑料一由此使得所述至少一個(gè)第二層16不被氧化。因此確保了所述至少一個(gè)第二層16提供了 所希望的加固防護(hù)，從而使復(fù)合管10可以用所希望高的壓力加載。第 二層也用來在壓力管或壓力容器上產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其中預(yù)應(yīng)力隨著使用溫 度提高而升高。
對于預(yù)應(yīng)力必須指出，這種預(yù)應(yīng)力在起動(dòng)時(shí)隨著壓力和溫度的升高 而在纖維包殼里產(chǎn)生，并且隨時(shí)間部分地由于敷設(shè)在里面的鋼管的蠕變 特性而取決于時(shí)間地減小。
第一層14可以使復(fù)合管10能夠被加載到必要的高溫，至少為800 。C-85(TC,必要時(shí)直至100(TC,用來提高效率。
第一層14的纖維可以根據(jù)要求進(jìn)行敷設(shè)。因此纖維可以交叉地和/ 或徑向環(huán)繞地包圍住基體12。對于所述至少一個(gè)第二層16的纖維也是 這樣。
在圖2中純原理上表示出壓力容器18，其同樣也由鋼制的基體20 和布置在基體20上的第一和第二層24、 26構(gòu)成，其中第一層24由一 種陶資纖維復(fù)合材料構(gòu)成，所述至少一個(gè)第二層26由纖維增強(qiáng)塑料和/ 或纖維增強(qiáng)陶資制成。在此可以使用如前面敘述過的制造方法和材料。 由圖2純粹舉例說明，可以見到第一層24的纖維28、 30,這些纖維徑 向環(huán)繞地(長纖維28)或者交叉地(長纖維30)敷設(shè)在基體22上。其 它由現(xiàn)有技術(shù)中已知的纖維分布同樣也是可能的。
在圖1所示的實(shí)施例中基體12例如內(nèi)徑為500mm和壁厚為40mm。 由陶瓷纖維復(fù)合材料制成的第一層14的厚度Di" 10mm,而由纖維增強(qiáng) 塑料組成的第二層16的厚度為D2 10mm。
在按圖2的壓力容器20中，基體22的直徑為300mm,長度為 500mm,壁厚為30mm。第一層24的厚度D！可達(dá)D！ 15mm,第二層 26的厚度D2可達(dá)D2" 10mm，這里純粹是舉例來列出這些數(shù)。
按照本發(fā)明，纖維包殼的厚度D與壓力容器20的壁厚d的比例為 0.4cKD《0.6,尤其是Vd。
相應(yīng)的復(fù)合管10或復(fù)合容器20可以用溫度大約為850。的流體加 載，從而可以在高溫下使用，尤其是在汽輪機(jī)過程中，因而與通常結(jié)構(gòu) 的壓力管或壓力物體相比可以大大提高熱效率。同時(shí)對應(yīng)的復(fù)合體表現(xiàn) 出耐損傷的良好的抗斷裂性和耐蠕變性。可能既在軸向方向又在徑向方 向上有拉載荷和壓載荷，而物體并不損壞。也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地制造。
7如果所述實(shí)施例是借助于基體連同敷設(shè)在基體上的第一和第二層 進(jìn)行說明的，那樣如果在基體上只涂覆了 一層由加強(qiáng)纖維構(gòu)成的層也在
本發(fā)明的范圍內(nèi)，這種纖維在溫度超過550。C的范圍里不會(huì)有或者只有 最小的隨時(shí)間而增大的殘余變形，也就是蠕變伸長，因而阻止了位于里 面的基體的蠕變。相應(yīng)的纖維也具有高的耐久強(qiáng)度，其中尤其是在大氣 壓空氣下在高的運(yùn)行溫度下保證了強(qiáng)度。相應(yīng)的纖維可以分成氧化的、 碳化的、氮化的纖維或者C-纖維或者SiBCN-纖維。塑料纖維如PAN-纖維或者聚丙烯腈纖維也屬于考慮之列。
尤其可以列出以下的纖維C-纖維、Nextel-纖維(陶瓷纖維)，3M-纖維，Hi-Nicalon-纖維(氮化硅纖維)，氧化物纖維，SiCb-纖維，A1203-纖維，SiC-纖維，SiBCN-纖維，PAN-纖維和Si3N4纖維。
對應(yīng)物體的應(yīng)用實(shí)例例如是鍋爐管，它可以由奧氏體或者馬氏體鋼 (9。/。鉻鋼)構(gòu)成。其外徑例如大約為42mm，壁厚為大約6mm。這可 以用以前所說明的厚度范圍在3 m m至4 m m里的增強(qiáng)纖維的層來周圍纏 繞，以便實(shí)現(xiàn)所希望的性能。
權(quán)利要求
1. 耐壓的流體可加載的或流體加載的物體(10，20)，如壓力管或者壓力容器，其由鋼制的基體(12，22)、在外面包圍住上述基體的由陶瓷纖維復(fù)合材料制成的第一層(14，24)以及至少一個(gè)布置在第一層上的由纖維增強(qiáng)塑料和/或纖維增強(qiáng)陶瓷制成的第二層(16，26)所構(gòu)成。
2. 按權(quán)利要求l所述的物體，其特征在于，陶瓷復(fù)合材料的纖維是 氧化鋁-纖維，莫來石-纖維，碳化硅-纖維，氧化鋯-纖維和/或碳纖維。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的物體，其特征在于，陶瓷纖維復(fù)合材料 由SiC/SiC, C/C, C/SiC, A1203/A1203, C/硅氧烷，SiC/硅氧烷和/或莫來石/莫來石構(gòu)成。
4. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，第一層 (14 )的厚度D！為lmm < D,《20mm。
5. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，所述至少 一個(gè)第二層(16, 26)或第二層總共厚度D2為Omm<D2《50mm。
6. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，第一層 (14， 24)的纖維(28, 30 )徑向環(huán)繞地和/或交叉地敷設(shè)在基體(12,22)上。
7. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，所述至少 一個(gè)第二層(16, 26)的纖維相對于基體(12, 22)徑向環(huán)繞地和/或交 叉地布置在第一層上。
8. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，基體(12, 22)由馬氏體鋼組成。
9. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，基體(12, 22)由高合金的鎳基合金構(gòu)成。
10. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，基體(12, 22)的壁厚D為lmm《D《50mm。
11. 耐壓的流體可加載的或流體加載的物體，如壓力管或者壓力容 器，它由鋼制的基體和至少一個(gè)包圍住所述基體的層構(gòu)成，該層由纖維 構(gòu)成或者含有纖維，所述纖維在溫度T為T》50(TC時(shí)沒有或者具有最 小的蠕變伸長。
12. 至少按權(quán)利要求11所述的物體，其特征在于，所述纖維是增強(qiáng) 纖維。
13. 至少按權(quán)利要求11或12所述的物體，其特征在于，所述增強(qiáng) 纖維為氧化的、碳化的、氮化的纖維、C-纖維、SiBCN-纖維、PAN-纖 維和/或聚丙烯腈纖維。
14. 按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的物體，其特征在于，纖維層 的厚度D與容器的材料厚度d之間比例為0.4d《D < 0.6d,優(yōu)選為d/2=D 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐壓的流體加載的物體(10)，如壓力管或者壓力容器，它由鋼制的基體(12)、在外面包圍住所述基體的由陶瓷纖維復(fù)合材料制成的第一層(14)以及至少一個(gè)布置在第一層上的由纖維增強(qiáng)塑料和/或纖維增強(qiáng)陶瓷制成的第二層(16)所構(gòu)成。
文檔編號B32B15/14GK101448636SQ200780016787
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者A·于托維奇, A·勞爾, K·伯雷斯, K·邁勒, M·亨里奇, M·伊伯特, R·維斯, T·沙伊貝 申請人:申克碳化技術(shù)股份有限公司