RU13498U1

RU13498U1 - Металлопластиковый баллон высокого давления

Info

Publication number: RU13498U1
Application number: RU99126946/20U
Authority: RU
Inventors: В.С. Екельчик; О.С. Клюнин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК"
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2000-04-20

Abstract

Металлопластиковый баллон высокого давления содержит внутренний металлический газоплотный лайнер 1 и намотанную на лейнер силовую оболочку 2 из высокопрочного волокнистого полимерного материала. При этом толщины стенки лейнера 1 и силовой оболочки 2 выбраны из условия, что основным несущим элементом баллона является силовая оболочка 2, а лейнер 1 при рабочем давлении находится в области уп ругоп л астического деформирования.

РЕФЕРАТ

Description

Металлопластиковый баллон высокого давления

Полезная модель относится к области газовой аппаратуры, а именно, к металлопластиковым баллонам высокого давления (ВД), используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, где существенное значение имеет минимизация удельной материалоемкости (d) баллона, представляющей собой отношение массы (М) баллона к его вместимости (V): d M/V

Известные конструкции металлопластиковых баллонов ВД отвечают требованиям герметичности и безопасности, надежно работают при числе циклов нагружения порядка N 50 000, но, как правило, имеют достаточно высокое значение параметра удельной материалоемкости ВД (GB 2128312, DD 3821852, JP 58-38672)

Наиболее близким к предлагаемому техническому рещению является Металлопластиковый баллон ВД конструкции ИЭС-ИМех, содержащий сварной стальной газоплотный корпус (лейнер) и силовую оболочку, типа кокон, изготовленную путемпродольно-поперечной намотки

стекловолокна, пропитанного эпоксидными связующими. Основные конструктивные элементы металлопластикового баллона ВД типа ИЭСИМех выбраны с таким расчетом, чтобы, стальной корпус выдерживал рабочее давление 1.0 Рраб. (Р раб. - рабочее давление в баллоне), а силовая оболочка - 1.6 Рраб, (Автоматическая сварка, No 9, 1995г.

Мкл.6: F17C 1/06

Б.Е.Патон, М.М. Савицкий и др. Конструкция и технология изготовления облегченных сварных баллонов ВД).

Как и другие известные конструкции металлопластиковый баллон ВД конструкции ИЭС-ИМех, имеет достаточно высокую материалоемкость, а именно, при рабочем давлении 20МПа удельная материалоемкость d 0.95 кг/литр

Повышенная удельная материалоемкость в известных конструкциях металлопластиковых баллонов ВД связана с применяемыми принципами их проектирования.

В соответствии с нормативными документами многих стран, в том числе России, для металлических лейнеров металлопластиковых баллонов ВД пластические деформации не допускаются не только при рабочем давлении Рраб., но и при большей величине пробного давления гидравлических испытаний Рпроб. {1.25 - 1.30) Рраб. (Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением Госгортехнадзора России или Американский национальный стандарт основных требований к автомобильным баллонам для сжатого природного газа). Это ограничение соответствует требованию относительно величины коэффициента запаса по текучести п 1.50, существующему для стальных сварных баллонов ВД. При этом функции основного несущего элемента баллона возлагают на металлический лейнер, а силовой оболочке отводят роль вспомогательного, подкрепляющего элемента, (Автоматическая сварка. No 9, 1995г. Б.Е.Патон, М.М. Савицкий и др. Конструкция и технология изготовления облегченных сварных баллонов ВД).

Реализация этого принципа проектирования металлопластиковых баллонов ВД приводит к тому, что, толидины стенок металлического лейнера и подкрепляющей силовой оболочки практически соизмеримы, поскольку модули упругости волокнистого полимерного материала силовой оболочки заметно ниже, чем у металла. Так как плотность металла значительно выше, чем волокнистого полимерного материала, удельная материалоемкость таких металлопластиковых баллонов оказывается сравнительно большой.

В основу настоящей полезной модели положена задача снижения удельной материалоемкости баллона ВД.

Поставленная задача решается тем, что в металлопластиковом баллоне высокого давления, содержащем внутренний металлический газоплотный лейнер и намотанную на лейнер силовую оболочку из высокопрочного волокнистого полимерного материала, согласно предлагаемому техническому решению, толщины стенки лейнера и силовой оболочки выбраны из условия, что основным несущим элементом баллона является силовая оболочка, а лейнер при рабочем давлении находится в области упругопластического деформирования.

Допущение в металлическом лейнере упругопластической деформации при рабочем давлении позволяет существенно уменьшить толщину стенки лейнера, компенсируя снижение несущей способности лейнера увеличением толщины силовой оболочки, на которую переносят функции основного несущего элемента баллона.

обеспечивает более низкую удельную материалоемкость в предлагаемой конструкции металлопластиковых баллонов ВД, чем у известных баллонов, в частности, баллонов типа ИЭС-ИМех.

При этом металлопластиковые баллоны ВД с металлическим лайнером, деформируемым в упругопластической области при рабочем давлении, имеют меньший ресурс по числу циклов зарядки, чем аналогичные баллоны с металлическим лейнером, работающим в упругой области.

Однако во многих случаях к металлопластиковым баллонам ВД не предъявляются требования по большому числу циклов в процессе эксплуатации и более важным является уменьшение массы баллонов. Например, в портативных кислородных дыхательных аппаратах, применяемых альпинистами и спасателями, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники и т.д.

Если максимальное число N циклов нагружения в процессе эксплуатации баллона не превышает нескольких сотен, целесообразно, толщину стенки лейнера выбирать минимально возможной из условия обеспечения жесткости лейнера при намотке силовой оболочки.

В такой конструкции металлопластикового баллона ВД силовая оболочка воспринимает практически всю нагрузку при рабочем давлении, а металлический лейнер выполняет роль гильзы, обеспечивающей герметичность баллона. При этом достигается максимальное снижение удельной материалоемкости металлопластиковых баллонов ВД .

в дальнейшем предлагаемое техническое решение будет более подробно раскрыто на конкретных примерах его выполнения со ссылками на чертежи, на которых :

Фиг. 1 изображает металлопластиковый баллон ВД, продольный разрез; Фиг.2 - лейнер металлопластикового баллонов ВД;

Фиг.З - схему армирования силовой оболочки из волокнистого полимерного материала.

Металлопластиковый баллон высокого давления (ВД) содержит внутренний металлический газоплотный лейнер 1 (фиг. 1) и покрываюшую всю наружную поверхность лейнера 1 силовую оболочку 2, типа кокон, выполненную из высокопрочного волокнистого полимерного материала. Лейнер 1 может быть выполнен из коррозионно-стойкой стали, например марки 12Х18Н10Т, либо из другого пластичного металла, выбранного с учетом рабочей среды, для которой предназначен баллон. Показанный на фиг.2 лейнер выполнен сварным и состоит из прямошовной сварной обечайки 3, двух днищ 4, приваренных по периметру к обечайке 3, и штуцера 5, приваренного к одному из днищ 4. Лейнер 1 может быть также выполнен и другими методами, например, из цельнотянутой трубы с завальцовкой ее концов, из полученных глубокой вытяжкой заготовок, соединенных кольцевым швом. Для соединения деталей лейнера 1 предпочтительно использовать электронно-лучевую и (или) лазерную автоматическую сварку.

Силовая оболочка 2 изготовлена путем намотки на лейнер 1 высокопрочного волокнистого полимерного материала, пропитанного полимерными связующими, например, эпоксидйЬй смолой. На фиг. 3

показана схема армирования силовой оболочки из волокнистого полимерного материала, включающая чередование спиральных слоев 7 и кольцевых слоев 8, показанных, соответственно, сплошными и пунктирными линиями. При этом кольцевые слои 8 наносят только на цилиндрическую часть поверхности лейнера 1, а спиральные слои 7 - на всю поверхность лейнера 1, за исключением технологических полюсов, служащих для закрепления лейнера 1 в намоточном станке (одним из полюсов является штуцер 5, другим - закладной элемент 6). Возможна и другая структура намотки силовой оболочки, которая выбирается известными методами в зависимости от механических характеристик применяемого полимерного материала и эксплуатационных характеристик баллона ВД: рабочего давления, вместимости и размеров баллона.

В качестве материала силовой оболочки 2 может быть использован любой высокопрочный волокнистый полимерный материал, например жгут Армос, ЖСВМ, Twaron, Kevlar-49. По мнению авторов, с целью минимизации удельной материалоемкости баллонов целесообразно использовать жгут Армос, имеющий наиболее высокие механические характеристики.

Максимальную толщину силовой оболочки 2 определяют по известным методикам из условия, что всю нагрузку при рабочем давлении воспринимает силовая оболочка. Толщину стенки лейнера 1 задают таким образом, чтобы лейнер 1 при рабочем давлении находился в области упругопластического деформирования, выбирая толщину стенки минимально возможной из условия обеспечения жесткости лейнера при намотке силовой оболочки. При этом лейнер 1 деформируется в области

упругопластической деформации, рост которой ограничен упруго работающей силовой оболочкой.

При проектировании металлопластикового баллона ВД с лейнером, деформируемым в упругопластической области, устанавливается зависимость, связывающая число N циклов зарядки баллона в процессе эксплуатации с величиной размаха упругопластической деформации лейнера при циклическом нагружении.

Если максимальное число N зарядки баллона в процессе его эксплуатации не превышает нескольких сотен, толщину стенки лейнера 1 целесообразно выбирать минимально возможной из условия обеспечения жесткости лейнера при намотке силовой оболочки.

В зависимости от заданных эксплуатационных характеристик металлопластикового баллона ВД соотношение толщин стенки металлического лейнера 1 и силовой оболочки 2 может варьироваться в пределах установленных условий: лейнер при рабочем давлении находится в области упругопластического деформирования, а основным несущим элементом баллона является силовая оболочка.

Однако максимальное снижение удельной материалоемкости металлопластиковых баллонов ВД достигается, когда толщину стенки лейнера выбирают минимально возможной из условия обеспечения жесткости лейнера при намотке силовой оболочки.

Как показали расчеты, опыт изготовления и эксплуатации металлопластиковых баллонов ВД предлагаемого типа, часть нагрузки, воспринимаемая лейнером, не превосходит (5 - 7) %, а силовая оболочка берет на себя (93 - 95)% нагрузки.

Ниже приведены примеры конструкций металлопластиковых баллонов ВД предлагаемого типа.

При изготовлении металлопластикового баллона ВД вместимостью 3л, стальной лейнер с внутренним диаметром 100мм, длиной 340мм при толщине стенок 0.5мм не теряет своей формы при намотке на него силовой оболочки из высокопрочного полимерного материала толщиной 5 мм. Баллон имеет рабочее давление 32МПа, массу 1.4 кг и коэффициент удельной материалоемкости d 0.5. При этом лейнер при рабочем давлении воспринимает около 7% нагрузки. Баллон не теряет герметичности при числе заправок N не менее 60.

При изготовлении металлопластикового баллона ВД вместимостью 20л, стальной лейнер с внутренним диаметром 184мм, длиной 780мм при толщине стенок 1мм не теряет своей формы при намотке на него силовой оболочки из высокопрочного полимерного материала толщиной 15мм. Баллон имеет рабочее давление 41МПа, массу 13кг, коэффициент удельной материалоемкости d 0.65. При этом лейнер при рабочем давлении воспринимает около 6% нагрузки. Баллон не теряет герметичности при числе заправок N не менее 200.

В приведенных выще примерах коэффициент материалоемкости для баллонов вместимостью 3л и 20л различный, а именно d 0.5 и d 0.65, соответственно. Это обусловлено разным рабочим давлением в баллонах. При этом в баллоне с большим рабочим давлением силовая оболочка, являющаяся основным несущим элементом, толще и более тяжелая, соответственно, минимально возможная толщина стенки лейнера, выбранная из условия обеспечения жесткости лейнера при намотке

силовой оболочки будет больше и, следовательно, больше вес баллона и его удельная материалоемкость.

Однако, даже при более высоком рабочем давлении, предлагаемая конструкция металлопластиковых баллонов ВД обеспечивает меньшую материалоемкость, чем известные металлопластиковые баллоны ВД, например, типа ИЭС-Имех, для которых при рабочем давлении в баллоне 20МПа коэффициент материалоемкости d 0.95.

Предлагаемая конструкция металлопластиковых баллонов ВД расширяет их эксплуатационные характеристики в тех случаях, когда решающее значение имеет удельная материалоемкость.

Приведенный выше пример предпочтительного осуществления предложенного технического решения, содержащий указания на отдельные варианты выполнения, не исчерпывает возможных изменений и дополнений, очевидных специалисту в данной области техники, которые не затрагивают существа технического решения охарактеризованного формулой полезной модели.

Claims

1. Металлопластиковый баллон высокого давления, содержащий внутренний металлический газоплотный лейнер и намотанную на лейнер силовую оболочку из высокопрочного волокнистого полимерного материала, отличающийся тем, что толщины стенки лейнера и силовой оболочки выбраны из условия, что основным несущим элементом баллона является силовая оболочка, а лейнер при рабочем давлении находится в области упругопластического деформирования.

2. Металлопластиковый баллон высокого давления по п.1, отличающийся тем, что толщина стенки лейнера выбрана минимально возможной из условия обеспечения жесткости лейнера при намотке на него силовой оболочки.

3. Металлопластиковый баллон высокого давления по п.1, отличающийся тем, что толщины стенки лейнера и силовой оболочки выбраны из условия, что часть нагрузки, воспринимаемая лейнером, не превосходит 5-7%, а силовая оболочка берет на себя 93-95% нагрузки.