[发明专利]一种内表面具有Laval结构的管道及其增材制造方法

说明书

本发明公开了一种内表面具有Laval结构的管道及其增材制造方法，所述管道内表面包含沿周向以一定间距顺序排列的凸台，两相邻的凸台间呈缩放的Laval喷嘴横截面状，凸台采用强化材料制造，周向分布的凸台在管道轴向又以一定距离周期重复出现，构成完整的管道内表面。该管道的内表面具有凸台围成的Laval结构，同时对凸台部分进行特殊设置，配合激光增材制造工艺，沿管道轴向逐层成形，实现复杂结构、多材料一体化制造。该管道可应用于乙烯裂解炉辐射段、燃气轮机过渡段、核电站一回路和二回路等。管道内表面缩放的Laval结构起到剧烈扰动表面流体状态，强化传热等作用；强化材料制造的凸台还可延缓表面老化。

技术领域

本发明涉及一种内表面具有Laval结构的管道及其增材制造方法，属于压力容器与管道技术领域。

背景技术

乙烯裂解炉辐射段、燃气轮机过渡段、核电站一回路和二回路等的管道处于换热状态下且在高温、强介质环境下服役；因此，提高该管道的换热效率、强化管道内表面性能，对改善其服役性能和安全性，延长其服役寿命具有重要作用。目前，在管道表面设计仿生结构、翅片结构、凹凸结构等可起到改变表面流体状态，降低管道温，提高换热效率的作用；在管道表面制备强化材料涂层可延缓表面老化，延长管道服役寿命。但仿生结构、翅片结构、凹凸结构等对表面流体的扰动作用较弱，提高管道换热效率作用有限。采用喷涂、电镀、镀膜等工艺制备的强化材料表面涂层，存在涂层与管道之间难以达到牢固冶金结合的问题，影响其服役性能。而且，表面结构与强化材料涂层的制造是相互分离的，很难实现表面结构与强化材料的一体化制造。

因此，设计一种新的可实现流体剧烈扰动同时又可实现该表面结构的特殊强化材料一体化制造，使得特殊强化材料制备的表面结构与管道达到牢固冶金结合的表面结构，将具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有表面结构和制造技术存在的对表面流体的扰动作用较弱，制造表面结构与在表面制备强化涂层难以一体化，且制备的特殊强化材料涂层很难与管道实现牢固冶金结合问题，提供一种内表面具有Laval结构的管道及其增材制造方法。

为了实现上述目的，所采取的方案为，在该管道内壁上沿管道的轴向设置有多个凸台结构单元，每个凸台结构单元包括多个沿管道内壁环形矩阵排列的凸台，在所述管道的周向方向上，相邻凸台之间的管道内壁呈Laval喷嘴状；所述凸台与管道内壁之间采用过渡件连接，所述过渡件的底面与管道内壁相贴合；所述凸台的材料具有比管道更优异的抗老化性能，所述过渡件中抗老化组分的含量从靠近管道内壁的一端到靠近凸台的一端逐渐递增。

作为上述内表面具有Laval结构的管道进一步的改进：

优选的，所述过渡件中抗老化组分含量的递增方式为梯度递增，且梯度变化路径通过CALPHAD方法获得。

优选的，所述凸台与过渡件之间采用自支撑悬挑结构过渡，悬挑角α2为20°-45°。

优选的，所述凸台在管道内壁上的投影为沿长对角线对称的四边形，四边形的短边夹角α1为30°-150°，长对角线长度L1为5-100mm。

优选的，在同一个凸台结构单元中沿管道周向方向上，相邻凸台的长对角线平行且间距L2为2-20mm；在相邻凸台结构单元中沿管道轴向方向上，两相邻凸台的首端间距L3为10-200mm。

优选的，所述管道的材料为Fe-Cr-Ni基高温合金，所述凸台的材料为含Al或Si的Fe-Cr-Ni基高温合金，Al或Si为抗老化组分；或者，所述管道的材料为Ni-Fe基高温合金，所述凸台的材料为含W的Ni-Fe基高温合金，W为抗老化组分；或者，所述管道的材料为铸造奥氏体不锈钢，所述凸台的材料为含Mo的铸造奥氏体不锈钢，Mo为抗老化组分。

优选的，所述过渡件靠近凸台的一端中的Al或Si或W或Mo含量与凸台相同，靠近管道的一端中的Al或Si或W或Mo含量为零，过渡件中Al或Si或W或Mo含量梯度递减，且梯度变化路径通过CALPHAD方法获得。