Баллон высокого давления


 


Владельцы патента RU 2538150:

Открытое акционерное общество "Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности" (ОАО "РосНИТИ") (RU)

Изобретение относится к конструкциям комбинированных баллонов высокого давления и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов. Баллон содержит металлический лейнер, включающий обечайку, в которой созданы напряжения сжатия, охваченную наружной оболочкой в виде спиральных витков армирующего стального материала прочностью не менее прочности обечайки и сферические или эллиптические днища. Витки наружной оболочки выполнены с натяжением путем создания в баллоне давления, обеспечивающего напряжения в окружном направлении лейнера, по меньшей мере, равные величине предела текучести металла лейнера и одинаковые продольные напряжения в каждом витке оболочки. Обечайка лейнера и наружная оболочка могут быть выполнены с покрытием из адгезионного и антикоррозионного материалов, а армирующий материал для наружной оболочки имеет разный профиль поперечного сечения. Изобретение позволяет снизить массу баллона, обеспечить безосколочное разрушение и повысить срок службы баллонов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям комбинированных баллонов высокого давления и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов.

Известен стальной баллон, выполненный из бесшовной трубы, включающий цилиндрическую и донные части («Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на давление 19,6 МПа (200 кгс/см2), ГОСТ 949-73»). Однако трудности производства тонкостенных труб из высокопрочных марок сталей обуславливают неравномерную толщину стенки цилиндрической части баллона. Донные части баллонов, выполненные закаткой, с конструктивной точки зрения значительно утолщены, что увеличивает массу баллонов.

Известен металлопластиковый баллон высокого давления (патент РФ №2310120, F17C 1/00, F17C 1/02, F17C 1/10, опубл. 10.11.2007), который содержит металлический лейнер, имеющий цилиндрическую часть и днища. Цилиндрическая часть лейнера в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения. На цилиндрическую поверхность лейнера наносят антикоррозионное покрытие и создают упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала, выполненную из ленты, пропитанной связующим и намотанной с натяжением и перекрытием каждого витка ленты.

Недостатком баллона является то, что его днища выполнены утолщенными, что приводит к увеличению массы баллона.

Известен баллон (патент РФ №2169880, F17C 1/00, F17C 1/06, B21D 51/24, опубл. 27.06.2011), принятый за прототип, который содержит металлическую обечайку, соединенную со сферическими или эллиптическими днищами сваркой встык без усиления швов и охваченную наружной оболочкой. Оболочка выполнена толщиной, не превышающей 1,5 толщины обечайки, в виде кольцевых витков стальной проволоки прочностью не менее прочности обечайки, при этом прочность проволоки составляет 1,1-15,0 прочности обечайки и в обечайке созданы напряжения сжатия, не превышающие 0,5 расчетного напряжения от рабочего давления баллона.

Недостатком патента является то, что выполнение сварного лейнера и оболочки толщиной до 1,5 толщины обечайки значительно (до 20%) утяжеляют баллон по сравнению с бесшовным баллоном.

Задачей изобретения является усовершенствование баллона за счет оптимизации толщины стенки обечайки и наружной оболочки, применение в качестве наружной оболочки материалов, имеющих в поперечном сечении разные профили, упрощение технологии изготовления и снижение стоимости.

Технический результат заключается в снижении массы баллона при заданной вместимости, обеспечении безосколочного разрушения баллона и увеличении срока службы.

Поставленная задача решается за счет того, что в баллоне высокого давления, содержащем металлический лейнер, включающий обечайку, в которой созданы напряжения сжатия, охваченную наружной оболочкой в виде витков армирующего стального материала прочностью не менее прочности обечайки, и сферические или эллиптические днища, согласно изобретению наружная оболочка выполнена в виде спиральных витков с натяжением, обеспечивающим напряжения в окружном направлении лейнера, по меньшей мере, равные величине предела текучести металла лейнера и одинаковые продольные напряжения в каждом витке оболочки, при этом обечайка лейнера и наружная оболочка выполнены с покрытием. Кроме того, натяжение витков наружной оболочки выполнено путем создания в баллоне давления, покрытие обечайки и наружной оболочки выполнено из адгезионного и антикоррозионного материалов, а армирующий материал для наружной оболочки имеет разный профиль поперечного сечения.

Выполнение наружной оболочки в виде спиральных витков с натяжением, обеспечивающим напряжения в окружном направлении лейнера, по меньшей мере, равные величине предела текучести металла лейнера и одинаковые продольные напряжения в каждом витке оболочки, позволяет при рабочем давлении в баллоне одновременно нагружать лейнер и наружную оболочку, а также уменьшить толщину стенки лейнера и снизить массу баллона. Натяжение витков наружной оболочки может быть выполнено, например, путем создания в баллоне давления. Выполнение наружной оболочки спиральной намоткой стального профиля с нанесением адгезионного материала, т.е. мокрой намоткой армирующего материала, позволяет обеспечить безосколочное разрушение баллонов. Для увеличения срока службы баллонов обечайка лейнера и наружная оболочка выполнены с покрытием из антикоррозионного материала.

Витки оболочки баллонов могут быть выполнены из армирующего стального материала, имеющего в поперечном сечении разный профиль в зависимости от конструкции баллона и требований эксплуатации, что позволяет оптимизировать толщину стенок обечайки и оболочки. Стальной профиль в поперечном сечении может быть, в частности, квадратным, прямоугольным, треугольным, круглым, змейкой. В последнем случае при выполнении наружной оболочки осуществляют намотку армирующего материала с перекрытием витков ленты, что дает возможность увеличить силы сопротивления в стенке обечайки лейнера в продольном направлении и уменьшить ее толщину. Для изготовления лейнера могут быть использованы, например, высокопрочные стали с пределом прочности 1200-1500 МПа. Высокая прочность лейнера позволяет уменьшить толщину стенки лейнера и снизить массу баллона. Кроме того, в зависимости от содержащегося в баллоне газа лейнер может быть выполнен, в частности, из нержавеющей стали, алюминия или его сплавов и других металлов. Для уменьшения массы баллона механические свойства материала оболочки должны быть в несколько раз выше, чем материала лейнера, что позволяет уменьшить толщину наружной оболочки (количество намотанных слоев) пропорционально ее прочности.

Изобретение иллюстрируется рисунком, на котором показан предложенный баллон в разрезе, содержащий металлический лейнер 1, включающий обечайку 2 и днища 3, и наружную оболочку 4. Баллон состоит из металлического лейнера 1, выполненного герметичным по любой технологии, обечайка 2 которого охвачена наружной оболочкой 4 в виде спиральных витков армирующего стального материала. При выполнении днищ 3, например, сферическими толщина стенок обечайки 2 и днищ одинаковая. При этом минимальная толщина стенок обечайки и днищ должна быть рассчитана по продольным напряжениям, возникающим в баллоне, которые по теории прочности в два раза меньше окружных напряжений. Значит толщина стенки обечайки и сферических днищ может быть выполнена в два раза меньше. Эллиптические днища выполняют с более толстой стенкой, чем у обечайки. Толщина стенки эллиптических днищ зависит от радиуса округления днища, и чем больше радиус скругления, тем толще стенка днища.

При напряжениях, когда продольные напряжения равны половине окружных напряжений, обечайка 2 лейнера 1 будет выдерживать внутреннее расчетное рабочее давление в баллоне в продольном направлении, а для обеспечения прочности обечайки в окружном направлении лейнера осуществляют выполнение наружной оболочки 4 спиральной намоткой армирующего материала из стального профиля, которая будет выдерживать, по меньшей мере, вторую половину расчетного рабочего давления баллона.

Для обеспечения снижения массы баллона, в частности, до 25% толщина витков наружной оболочки 4 должна быть не более половины толщины стенки лейнера 1, что достигается выполнением наружной оболочки в виде спиральных витков из стального профиля с натяжением, обеспечивающим напряжения в окружном направлении лейнера, по меньшей мере, равные величине предела текучести металла лейнера. Натяжение витков наружной оболочки выполнено, например, путем создания в баллоне давления. При таком состоянии металла лейнера натяжение в витках наружной оболочки 4 выравнивается, создаются одинаковые продольные напряжения в каждом витке оболочки, т.е. витки оболочки при рабочем давлении в баллоне нагружены одинаково. После выравнивания натяжения в витках оболочки стального профиля возможно проведение термической обработки баллона с нагревом его до температуры 100-150°C для полимеризации адгезионного и высыхания антикоррозионного материалов.

Изобретение было опробовано при изготовлении баллона из стали 30ХМА с временным сопротивлением 1000 МПа и наружной оболочкой из армирующего стального материала с временным сопротивлением 2000 МПа. Диаметр баллона - 322 мм, толщина стенок обечайки и сферических днищ - 4 мм, толщина оболочки - 2 мм. В качестве адгезионного материала был использован, в частности, клей на основе полиэфирных смол, а в качестве антикоррозионного - например, быстросохнущий эпоксидный грунт. Баллон выдержал все испытания, при этом масса баллона снизилась на 26% по сравнению с бесшовным баллоном без наружной оболочки при одинаковой вместимости баллонов. При проведении испытаний на разрушение баллона произошло безосколочное разрушение. Срок службы баллонов, предназначенных для природного газа и эксплуатируемых на транспортных средствах, ограничен требованиями ГОСТ и составляет не более 20 лет. Технические характеристики предлагаемого баллона позволяют эксплуатировать такие баллоны до 30 лет.

Использование предлагаемой конструкции баллона высокого давления позволит снизить массу баллона до 25% за счет уменьшения толщины наружной оболочки, обеспечить безосколочное разрушение и повысить срок службы баллонов.

1. Баллон высокого давления, содержащий металлический лейнер, включающий обечайку, в которой созданы напряжения сжатия, охваченную наружной оболочкой в виде витков армирующего стального материала прочностью не менее прочности обечайки, и сферические или эллиптические днища, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена в виде спиральных витков с натяжением, обеспечивающим напряжения в окружном направлении лейнера, по меньшей мере, равные величине предела текучести металла лейнера и одинаковые продольные напряжения в каждом витке оболочки, при этом обечайка лейнера и наружная оболочка выполнены с покрытием.

2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что натяжение витков наружной оболочки выполнено путем создания в баллоне давления.

3. Баллон по п.1 или 2, отличающийся тем, что покрытие обечайки и наружной оболочки выполнено из адгезионного и антикоррозионного материалов.

4. Баллон по п.1 или 2, отличающийся тем, что армирующий материал для наружной оболочки имеет разный профиль поперечного сечения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к замкнутым оболочкам высокого давления. В оболочке из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, содержащей цилиндрическую часть 1 и выпуклые днища, образованной комбинацией слоев кольцевых 4, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных лент 5, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ.

Оболочка может быть использована в конструкциях аккумуляторов и всех подобных емкостей. Оболочка выполнена в виде двух секций 1 и 2 с цилиндрическими участками 3 и 4 и торцевыми выпуклыми днищами 5 и 6 с образованием на цилиндрической части каждой кольцевого торца 13, 14, у которых с наружной поверхности цилиндрической части расположены уступами со стороны днищ дополнительные слои из пропитанного связующим тканого материала 15, 16, 17, 18 с образованием конических поверхностей 19, 20, все тканые слои разделены по меньшей мере на две группы 15, 16 и 17, 18, каждая из которых охвачена, как минимум, одним слоем материала силового каркаса 23, 24 и 25, 26, на торце у внутренней поверхности одной секции выполнен выступ 27 с центрирующей поверхностью 29, а на второй - ответное выступу углубление 28 с поверхностью 30, эквидистантной центрирующей поверхности выступа, торцевые поверхности выступа и углубления 31, 32 разнесены между собой с образованием кольцевого паза 33, в котором расположен герметизирующий элемент.

Баллон предназначен для использования в установках гидроабразивной резки. Баллон состоит из лейнера (1) и внешней силовой композиционной оболочки (2).

Изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть использовано в процессе изготовления и эксплуатации металлопластиковых баллонов. .

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении корпусов, контейнеров, емкостей, баллонов давления (далее емкости) из композиционного материала (КМ).

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.

Изобретение относится к комбинированным баллонам высокого давления из композитных материалов и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов.

Изобретение относится к транспортному судостроению, средствам морской транспортировки и хранения сжиженного природного газа (СПГ) и касается конструкции мембранной грузовой емкости для его транспортировки и хранения.

Изобретение относится к способу изготовления сварных сосудов высокого давления. Обечайку изготавливают путем свертки листовой заготовки со стыковкой кромок в сборочно-сварочных приспособлениях, прихватки кромок по краям с использованием технологических пластин, автоматической сварки с последующей калибровкой по внутреннему диаметру обечайки и рентгенотелевизионного контроля качества сварного шва.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к изготовлению тонкостенных сосудов высокого давления. .

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения, автомобильной промышленности и других отраслях.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении сосудов высокого давления. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении тонкостенных оболочек большого диаметра, имеющих периодический профиль.
Изобретение относится к производству облегченных бесшовных баллонов высокого давления и может быть использовано при изготовлении баллонов из бесшовной трубной заготовки, в том числе и при изготовлении баллонов с наружной оболочкой из композитного материала. Способ изготовления баллона включает порезку трубы на заготовки, механическую обработку наружной поверхности одного конца заготовки путем обтачивания до необходимых размеров, горячее формирование днища, абразивную очистку поверхностей, обработку наружной поверхности цилиндрической части заготовки с утонением стенки до необходимых размеров, горячее формирование горловины, предварительную механическую обработку горловины, термическую обработку баллона, а затем - чистовую механическую обработку горловины баллона. Использование изобретения обеспечивает снижение веса баллона и расхода режущего инструмента, а также трудоемкости его изготовления.
Наверх