Способ изготовления сосудов высокого давления
Владельцы патента RU 2288063:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное научно-производственное предприятие "Темп" (RU)
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к производству сосудов высокого давления из утилизированных боеприпасов. Способ включает получение заготовок, их горячую пластическую деформацию, горячее формование горловин сосудов, механическую обработку горловин сосудов, а также термическую обработку полученных изделий для обеспечения требуемой конструктивной прочности сосудов высокого давления. В качестве заготовок используют корпусы утилизированных артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов со снятым пояском, каждый из которых разрезают в зоне сопряжения оживальной и цилиндрической части с получением двух заготовок - конусной со сквозным отверстием и стакановидной с дном. Термическую обработку осуществляют по определенному режиму. Уменьшаются затраты и повышается коэффициент использования металла за счет использования утилизированных корпусов артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов, повышается качество за счет использования снарядных сталей. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.
Изобретение относится к области изготовления сосудов высокого давления из утилизируемых боеприпасов, подлежащих уничтожению, в частности из утилизированных корпусов артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов путем их прямого передела в сосуды высокого давления, в частности бесшовные газовые баллоны высокого давления, и может быть реализовано путем использования расснаряженного корпуса снаряда без ведущего пояска (из сталей марок С60, С55, 45Х1, - ТУ ГАУ 01644, ГОСТ 10230)) в качестве заготовок под горячую пластическую деформацию для создания формы и размеров сосудов с последующей термической обработкой для обеспечения требуемой конструктивной прочности и механической обработкой для формирования резьбы и других элементов, предназначенных для закрепления на сосуде высокого давления запорной арматуры и других деталей. В зависимости от калибра снаряда по предлагаемому способу могут быть получены баллоны различной емкости по ГОСТ 949.
Известно, что корпусы артиллерийских снарядов с удаленной оживальной частью утилизируют путем их передела в трубные заготовки методом горячей пластической деформации с последующим изготовлением из них различных деталей для машин и механизмов, при этом корпусы снарядов трансформируется во вторичную заготовку, а не в изделие, а оживальная часть корпуса отправляется на металлолом.
Известен способ утилизации корпусов артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов, подлежащих уничтожению из-за истечения срока их хранения, в корпуса артиллерийских снарядов новых, перспективных конструкций (RU 2088393 С1, 27/08/1997). В известном способе изготовления корпусов снарядов новых конструкций в качестве заготовки используют утилизированный корпус снаряда, у которого отрезают от оживальной части переменного диаметра 20-40% длины корпуса, стакановидную разнотолщинную часть корпуса снаряда нагревают в индукторе в вертикальном положении дном вверх до равномерной температуры, задают донным концом в валки на профильной отправке и осуществляют винтовую деформацию тремя валками на стане поперечно-винтовой прокатки.
Данный способ утилизации корпусов снарядов, подлежащих уничтожению, имеет ограниченное применение, т.к. во-первых, в силу конструктивных особенностей ограничены возможности трансформации старых корпусов снарядов в корпусы снарядов новых конструкций, во-вторых, в настоящее время в России нет производств снарядов в прежних масштабах, что ограничивает возможности использования известного способа.
Кроме того, в этом способе оживальная часть корпуса снаряда также не используется в качестве заготовки для изготовления изделий, а направляется в металлолом.
Как правило, корпусы артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов, подлежащие уничтожению, перерабатываются как металлолом и идут на переплав. При этом способе утилизации корпусов снарядов полностью утрачивается ранее вложенный труд на получение металла и формы изделия типа "стакан".
Известен способ изготовления баллонов высокого давления, включающий получение заготовок, их горячую пластическую деформацию, горячее формование горловин сосудов, механическую обработку горловин сосудов, а также термическую обработку полученных изделий для обеспечения требуемой конструктивной прочности сосудов высокого давления (SU 1750817 А1, 30.07.1992).
Недостатком данного способа является необходимость предварительного получения заготовки для баллона, в результате чего увеличивается трудоемкость способа из-за наличия дополнительных операций - резки трубы на заготовки, закатки днища и горловины и т.д., а следовательно, резко возрастает себестоимость такого способа.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в обеспечении наиболее рационального способа изготовления сосудов высокого давления. из утилизированных корпусов артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов калибром от 37 до 203 мм, предназначенных для уничтожения, путем их прямого передела в сосуды давления, в частности газовые баллоны высокого давления, по наикратчайшей, ресурсосберегающей технологической схеме, что позволит:
- выпускать продукцию гражданского назначения, в частности баллоны, востребованную в массовых количествах, с меньшими затратами по сравнению с традиционными технологиями, когда в качестве заготовок для изготовления баллонов применяются: лист, сортовой прокат или труба;
- использовать в изделиях гражданского применения качественный металл снарядных сталей марок С60, С55, 45Х1 и др., изготовленный 20 и более лет назад под жестким контролем военной приемки по ТУ ГАУ 01644 и ГОСТ 10230;
- использовать корпуса снарядов, подлежащих уничтожению, в качестве исходной заготовки для изготовления сосудов давления, в частности бесшовных баллонов высокого давления, по ресурсосберегающей технологии;
- использовать практически полностью корпус снаряда в качестве заготовок для прямого передела в изделия гражданского назначения - сосуды высокого давления, коэффициент использования металла (КИМ) ≥85%.
Указанный технический результат достигается в способе изготовления сосудов высокого давления, включающий получение заготовок, их горячую пластическую деформацию, горячее формование горловин сосудов, механическую обработку горловин сосудов, а также термическую обработку полученных изделий для обеспечения требуемой конструктивной прочности сосудов высокого давления, в котором в качестве заготовок используют корпуса утилизированных артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов со снятым пояском, каждый из которых разрезают в зоне сопряжения оживальной и цилиндрической части с получением двух заготовок - конусной со сквозным отверстием и стакановидной с дном, термическую обработку осуществляют по следующему режиму:
- закалка от температуры 820-850°С с охлаждением в воду,
- отпуск при температуре 580-680°С с выдержкой в течение 2-6 часов с охлаждением в воде.
Горячая пластическая деформация стакановидной заготовки заключается в формировании корпуса первого сосуда с дном и горловиной.
Горячая пластическая деформация конусной заготовки заключается в формировании корпуса второго сосуда с двумя горловинами.
При изготовлении сосуда высокого давления из стакановидной заготовки дополнительно осуществляют механическую обработку внешнего контура дна сосуда.
При разрезании корпуса расснаряженного снаряда получают детали: 1) цилиндрическая часть корпуса с дном и 2) оживальная часть корпуса, которые используют в качестве заготовок для изготовления двух сосудов высокого давления. В предлагаемом способе заготовку в виде цилиндрической части корпуса с дном (стакановидная заготовка) подвергают горячей пластической деформации для формирования стенок и дна сосуда, горячему формованию горловины сосуда, механической обработке горловины и внешнего контура дна, а также термической обработке изделия для обеспечения требуемой конструктивной прочности сосуда высокого давления; коническую заготовку из оживальной части корпуса подвергают горячей пластической деформации для формирования корпуса сосуда, горячему формованию горловин сосуда, механической обработке горловин сосуда, а также термической обработке изделия для обеспечения требуемой конструктивной прочности сосуда высокого давления.
По предлагаемому способу из одного корпуса снаряда получают два баллона: из цилиндрической части корпуса снаряда с дном изготавливают баллон с одной горловиной и глухим дном, а из оживальной части корпуса снаряда изготавливают второй баллон с двумя горловинами. При этом коэффициент использования металла корпуса снаряда перерабатываемого в два изделия достигает 85%.
Горячую пластическую деформацию по данному способу осуществляют в диапазоне температур от 950°С до 1100°С любым известным способом, например методом поперечно-винтовой прокатки на двухвалковом стане или методом горячей объемной штамповки на прессе.
Горячее формование горловины сосуда высокого давления осуществляют на закатных станках методом закатки специальными роликами.
По предлагаемому способу, благодаря высокой точности размеров корпуса снаряда, разделенного на две заготовки и технологии горячей пластической деформации, например, поперечно-винтовая прокатка с раздачей, обеспечиваются требуемая форма и высокая точность размеров изделий, что позволяет минимизировать затраты на механическую обработку.
Механическая обработка выполняется на токарных станках и заключается в оформлении контура горловин баллонов с резьбой и внешнего контура дна одного изделия. Вместе с этим прокатка благодаря непрерывности процесса, обеспечивает высокую производительность изготовления изделий. Для реализации способа выбран двухвалковый стан поперечно-винтовой прокатки, который позволяет получать заготовки более высокой точности и с большими степенями раздачи за один проход, чем трехвалковый стан.
После операций формообразования сосудов выполняется операция термической обработки: закалки с высоким отпуском по режимам, соответствующим марке стали. При этом обеспечиваются механические свойства, требуемые "Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением" (ПБ 03-576-03), утвержденным Госгортехнадзором РФ.
Термическую обработку осуществляют по следующему режиму:
- закалка от температуры 820-850°С с охлаждением в воду;
- отпуск при температуре 580-680°С с выдержкой от 2 до 6 часов, с охлаждением в воде.
Обе полученные из одного корпуса снаряда заготовки могут быть переработаны в баллоны на одном и том же оборудовании.
На чертежах представлены баллоны высокого давления, где на фиг.1 - внешний вид баллона с горловиной, полученного из стакановидной заготовки, на фиг.2 - баллон с двумя горловинами из конической заготовки.
Сущность способа состоит в следующем.
Утилизированный корпус снаряда без ведущего пояска, представляющий собой деталь типа "стакан" с глухим дном, цилиндрической и оживальной частью, разрезают на две заготовки для изготовления двух бесшовных сосудов высокого давления.
Со стороны оживальной части корпуса снаряда отрезают 10-50% его длины и полученные заготовки - заготовка с дном и заготовка конической формы со сквозным отверстием - используют для горячей пластической деформации.
Заготовку с дном нагревают до температуры прокатки 950-1100°С и задают открытым концом на профильную оправку двухвалкового стана поперечно-винтовой прокатки. В процессе горячей пластической деформации обеспечивается раздача корпуса, вытяжка с утонением стенок и формирование профиля дна. Затем методом горячей пластической деформации на прессе выполняется операция калибровки с обеспечением требуемой точности и качества поверхности без применения механической обработки (обточки, расточки).
Открытый конец полученной заготовки в форме стакана подвергают горячей закатке для формирования горловины баллона.
Механическую обработку горловины и, при необходимости, дна баллона осуществляют на токарных станках. Механическая обработка горловины и дна баллона заключается в оформлении контура горловины с резьбой и внешнего контура дна изделия.
Заготовку конической формы со сквозным отверстием нагревают до температуры прокатки 950-1100°С и задают стороной большего диаметра на профильную оправку двухвалкового стана поперечно-винтовой прокатки. В процессе горячей пластической деформации обеспечивается формование заготовки в виде трубы с вытяжкой и утонением стенок. Затем методом горячей пластической деформации на прессе выполняется операция калибровки с обеспечением требуемой точности и качества поверхности без применения механической обработки (обточки, расточки).
Оба конца полученной трубной заготовки подвергают горячей закатке для формирования горловин баллона.
Механическую обработку для оформления контура горловин с резьбой выполняют на токарных станках.
Полученные корпуса баллонов подвергают термической обработке закалке с высоким отпуском для обеспечения комплекса механических свойств стали, требуемых правилами ПБ 03-576-03, IS011439. ГОСТ 949.
Для баллонов из снарядной стали марки С60 термическая обработка выполняется по следующему режиму:
- закалка от температуры 820-850°С с охлаждением в воду;
- отпуск при температуре 580-680°С с выдержкой от 2 до 6 часов, с охлаждением в воде.
Ниже представлен пример изготовления двух баллонов высокого давления из одного утилизированного расснаряженного корпуса артиллерийского осколочно-фугасного снаряда 53 ОФ-412 калибром 100 мм, без медного ведущего пояска, длиной 430 мм, весом 13,1 кг.
Пример. 1.
Первый баллон с дном вместимостью 4 литра на рабочее давление 20 МПа изготовлен изложенным ниже способом.
Технологическая схема изготовления баллона с дном (табл. 1):
Со стороны оживальной части указанного корпуса на ленточнопильном станке отрезана оживальная часть корпуса длиной 130 мм. В качестве заготовки для изготовления баллона использована часть корпуса с дном длиной 300 мм и весом 10, 6 кг.
Результаты приемосдаточных испытаний одногорловых сосудов на рабочее давление 20 МПа, изготовленных из корпусов снарядов 53 ОФ-412 калибром 100 мм по предлагаемому способу.
| Таблица 2 | ||
| № | Виды испытаний | Значение характеристик и результаты испытаний |
| 1 | Испытание материала сосуда на | Предел прочности >730 МПа |
| растяжение, ГОСТ 10006. ГОСТ 9012 | Предел текучести >581 МПа | |
| Относительное удлинение >19% | ||
| Относительное сужение >58% | ||
| 2 | Испытание материала сосуда на загиб, ИСО 11439 | Трещин не обнаружено |
| 3 | Испытание материала сосуда на ударный изгиб, ГОСТ 9454 | KCU-50°C, 150/2/5>56 Дж/см2 |
| 4 | Металлографическое определение толщины обезуглероженного слоя, ГОСТ 1763 | Толщина обезуглероженного слоя не более 5% от толщины стенки, структура стали-зернистый сорбент |
| 5 | Ультразвуковая дефектоскопия, ГОСТ 17410 | Металлургических дефектов (поры, трещины и т.п.) не выявлено |
| 6 | Гидравлические испытания сосудов пробным давлением 30 МПа | Деформаций не выявлено |
| 7 | Пневматические испытания сосудов на герметичность давлением 20 МПа | Течи не выявлено |
| 8 | Гидравлические испытания до разрушения для подтверждения требуемого запаса прочности менее 2,6. ГОСТ 2405 | Фактическое давление разрушения 62.7 МПа, характер разрушения безосколочный |
| 9 | Гидравлические циклические испытания давлением от 0,2 МПа до 25 МПа, частота нагружений 10 циклов в минуту, ИСО 11439, | После 40 000 циклов нагружения течи и разрушений сосуда не выявлено |
| Результаты испытаний положительные, сосуды соответствуют требованиям Правил ПБ 03-576-03, ГОСТ 949 |
Второй сосуд высокого давления с двумя горловинами вместимостью 0,7 литр на рабочее давление 20 МПа изготовлен по технологической схеме, представленной ниже в табл.4.
Технологическая схема изготовления баллона с двумя горловинами:
Со стороны оживальной части корпуса снаряда на ленточнопильном станке отрезана оживальная часть корпуса длиной 130 мм и весом 2,6 кг, которая используется в качестве заготовки для изготовления сосуда.
| Таблица 3. | ||
| № | Основные технологические операции и технологические параметры | Режим обработки |
| 1 | Горячая пластическая деформация заготовки из корпуса снаряда на двухвалковом стане поперечно-винтовой прокатки за один проход с обеспечением: | Температура нагрева 950-1100°С |
| - формования заготовки конической формы в заготовку цилиндрической формы, | ||
| - вытяжки заготовки на оправке диаметром 65 мм от 130 мм до 350 мм, | ||
| - утонения толщины стенки от 17,5 мм до 3 мм с обеспечением разностенности цилиндрической и донной части в пределах 0,3 мм. | ||
| 2 | Торцовка и горячая калибровка трубной заготовки на прессе | |
| 3 | Горячая закатка горловин сосуда на механизированном станке закатки роликом | Индукционный нагрев открытого торца заготовки до 950-1100°С |
| 4 | Механическая обработка горловин баллона на токарном станке для формирования контура горловин с резьбой. | |
| 5 | Термическая обработка баллона из стали С60 для обеспечения требуемых механических свойств стали и необходимой при эксплуатации конструктивной прочности баллонов: | |
| См. п.5 в табл.1 | См. п.5 в табл.1 | |
| 6 | Основные параметры второго двухгорлового сосуда высокого давления для сжатых газов, полученного прямым переделом из корпуса снаряда 530Ф-412 калибром 100 мм: | |
| Рабочее давление - 20 МПа | ||
| Вместимость - 0,7 л | ||
| Вес - 1,8 кг | ||
| Длина - 500 мм | ||
| Диаметр наружный - 70 мм | ||
| Толщина дна - 3 мм | ||
| 7 | Изготовление двух сосудов указанных выше из одного корпуса 53 ОФ412 калибром 100 мм обеспечивает коэффициент использования металла исходного корпуса на 85%. | |
| 8 | В соответствии с правилами ПБ 03-576-03 сосуды были подвергнуты приемосдаточным испытаниям. |
Результаты приемосдаточных испытаний двухгорловьгх сосудов на рабочее давление 20 МПа, изготовленных из корпусов снарядов 53 ОФ-412 калибром 100 мм по предлагаемому способу.
| Таблица 4. | ||
| № | Виды испытаний | Значение характеристик и результаты испытаний |
| 1 | Испытание материала сосуда на растяжение, ГОСТ 10006, ГОСТ 9012 | Предел прочности >650 МПа |
| Предел текучести >471 МПа | ||
| Относительное удлинение >30% | ||
| Относительное сужение >60% | ||
| 2 | Испытание материала сосуда на загиб, ИСО 11439 | Трещин не обнаружено |
| 3 | Испытание материала сосуда на ударный изгиб, ГОСТ 9454 | KCV-50°C, 150/2/5>68 Дж/см2 |
| 4 | Металлографическое определение толщины обезуглероженного слоя, ГОСТ 1763 | Толщина обезуглероженного слоя не более 5% от толщины стенки, структура стали-зернистый сорбент |
| 5 | Ультразвуковая дефектоскопия, ГОСТ 17410 | Металлургических дефектов (поры, трещины и т.п.) не выявлено |
| 6 | Гидравлические испытания сосудов пробным давлением 30 МПа | Деформаций не выявлено |
| 7 | Пневматические испытания сосудов на герметичность давлением 20 МПа | Течи не выявлено |
| 8 | Гидравлические испытания до разрушения для подтверждения требуемого запаса прочности менее 2,6. ГОСТ 2405 | Фактическое давление разрушения 58,0 МПа, характер разрушения безосколочный |
| 9 | Гидравлические циклические испытания давлением от 0,2 МПа до 25 МПа, частота нагружений 10 циклов в минуту, ИСО 11439. | После 40 000 циклов нагружения течи и разрушений сосуда не выявлено |
| Результаты испытаний положительные, сосуды соответствуют требованиям Правил ПБ 03-576-03, ГОСТ 949 |
Пример 2. Утилизация расснаряженного корпуса артиллерийского осколочно-фугасного снаряда 530Ф-412 калибром 100 мм, без медного ведущего пояска, длиной 430 мм, весом 13,1 кг осуществлена путем передела в баллон высокого давления на рабочее давление 20 МПа, вместимостью 4 л, изложенным ниже способом.
| Таблица 5 | ||
| № | Основные технологические операции и технологические параметры | Режим обработки |
| 1 | Со стороны оживальной части корпуса на ленточнопильном станке отрезана часть корпуса длиной 130 мм. В качестве заготовки для изготовления баллона использована часть корпуса с дном длиной 300 мм и весом 10,6 кг. | |
| 2 | Горячая пластическая деформация заготовки из корпуса снаряда на 630-тонном гидравлическом прессе с обеспечением за первый переход: | Температура нагрева 950-1100°С |
| -раздачи внутреннего диаметра корпуса от 64 мм до 129 мм (на 100%), | ||
| - за второй переход - вытяжка заготовки от 300 мм до 480 мм, | ||
| - утонения толщины стенки за два перехода от 17,5 мм до 5,5 мм с обеспечением разностенности цилиндрической и донной части в пределах 0,3 мм, | ||
| - формирования дна толщиной до 6 мм. | ||
| 3 | Горячая закатка горловины сосуда на механизированном станке закатки роликом | Индукционный нагрев открытого торца заготовки до 950-1100°С |
| 4 | Механическая обработка горловины и дна баллона на токарном станке для формирования контура горловины с резьбой и внешнего контура дна изделия | |
| 5 | Термическая обработка баллона из стали С60 для обеспечения требуемых механических свойств стали и необходимой при эксплуатации конструктивной | |
| прочности баллонов. | См. п.5 табл.1 | |
| См. п.5 табл.1 | ||
| 6 | Основные параметры сосуда высокого давления с одной горловиной для сжатых газов, полученного прямым переделом из корпуса снаряда 530Ф-412 калибром 100 мм по варианту штамповки на 630-тонном прессе: | |
| Рабочее давление - 20 МПа | ||
| Вместимость - 4 л | ||
| Вес - 9,6 кг | ||
| Длина - 415 мм | ||
| Диаметр наружный -140 мм | ||
| Толщина стенки - 5,5 мм | ||
| Толщина дна - 6 мм | ||
| 7 | В соответствии с правилами ПБ 03-576-03 сосуды были подвергнуты приемосдаточным испытаниям. |
1. Способ изготовления сосудов высокого давления, включающий получение заготовок, их горячую пластическую деформацию, горячее формование горловин сосудов, механическую обработку горловин сосудов, а также термическую обработку полученных изделий для обеспечения требуемой конструктивной прочности сосудов высокого давления, отличающийся тем, что в качестве заготовок используют корпусы утилизированных артиллерийских осколочных и осколочно-фугасных снарядов со снятым пояском, каждый из которых разрезают в зоне сопряжения оживальной и цилиндрической частей с получением двух заготовок - конусной со сквозным отверстием и стакановидной с дном, горячую пластическую деформацию, горячее формование горловин сосудов, механическую обработку горловин сосудов, а также термическую обработку полученных заготовок осуществляют в отдельности, при этом термическую обработку проводят по следующему режиму: закалка от температуры 820-850°С с охлаждением в воду, отпуск при температуре 580-680°С с выдержкой в течение 2-6 ч с охлаждением в воде.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что из стакановидной заготовки формируют корпус первого сосуда с дном и горловиной.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из конусной заготовки формируют корпус второго сосуда с двумя горловинами.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении сосуда высокого давления из стакановидной заготовки дополнительно осуществляют механическую обработку внешнего контура дна сосуда.
