RU213938U1 - Большеразмерный баллон для компримированного газообразного водорода с полимерно-композитной оболочкой - Google Patents
Большеразмерный баллон для компримированного газообразного водорода с полимерно-композитной оболочкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU213938U1 RU213938U1 RU2022118874U RU2022118874U RU213938U1 RU 213938 U1 RU213938 U1 RU 213938U1 RU 2022118874 U RU2022118874 U RU 2022118874U RU 2022118874 U RU2022118874 U RU 2022118874U RU 213938 U1 RU213938 U1 RU 213938U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shell
- cylinder
- layer
- balloon
- hydrogen
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 37
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 47
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 63
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 43
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 43
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 31
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims abstract description 26
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 claims abstract description 23
- 238000011068 load Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000011528 polyamide (building material) Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims abstract description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 238000000071 blow moulding Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 14
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 claims description 4
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 17
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 abstract description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 14
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 14
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 abstract description 13
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 abstract description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 10
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 51
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 231100000817 safety factor Toxicity 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 108060002032 CNGA4 Proteins 0.000 description 3
- 102100009811 CNGB1 Human genes 0.000 description 3
- 108060002033 CNGB1 Proteins 0.000 description 3
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 102200068707 BEST1 F17C Human genes 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 150000008064 anhydrides Chemical class 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004634 thermosetting polymer Substances 0.000 description 2
- 102100012548 CNGA3 Human genes 0.000 description 1
- 108060002031 CNGA3 Proteins 0.000 description 1
- 229920002292 Nylon 6 Polymers 0.000 description 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 101700014713 cpg-4 Proteins 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000002990 reinforced plastic Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Полезная модель относится к большеразмерным баллонам с компримированным газообразным водородом и/или водородной смесью с содержанием более 2% водорода по объему в сочетании с сухим природным газом, используемым в качестве топлива в наземной транспортной технике. Полезная модель может найти применение в составе конструкций топливных систем хранения, устанавливаемых на автомобильные транспортные средства большой грузоподъемности или установленных в раме, такой как связка или прицеп. Технический результат полезной модели: расширение арсенала технических средств баллонов высокого давления с полимерно-композитной оболочкой, где баллон обладает бóльшими размерами и может использоваться для хранения компримированного газообразного водорода и/или водородной смеси с содержанием более 2% водорода по объему в сочетании с сухим природным газом. Кроме того, баллон согласно полезной модели эффективен в качестве транспортного бака с водородным топливом. Большеразмерный баллон для компримированного газообразного водорода имеет внутреннюю тонкостенную оболочку, которая изготовлена выдувным формованием в виде термопластичного компаунда на базе полиамида, а силовая оболочка изготовлена из двух слоев:
внутренний силовой слой оболочки изготовлен из углепластика на основе углеродного волокна марки T700SC-24k с пределом прочности волокна 4,3 ГПа, модулем упругости 230 ГПа и полимерного эпоксидного связующего, причем спиральные слои с углами наклона относительно осевого направления баллона усилены слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88° относительно осевого направления баллона;
внешний силовой слой оболочки изготовлен из стеклопластика на основе стеклоровинга марки 17М SE1200 2400 TEX и полимерного эпоксидного связующего, со схемой армирования, при которой: спиральный виток выполнен под углом намотки 15° к горизонтальной оси баллона, кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона;
схема армирования силовой оболочки выполнена так, что периферийный слой армирующего волокна (кольцевой слой и спиральный слой с большим углом) и аксиальный слой волокна (спиральный слой с малым углом) намотаны последовательно.
Description
Полезная модель относится к большеразмерным баллонам с компримированным газообразным водородом и/или водородной смесью с содержанием более 2% водорода по объему в сочетании с сухим природным газом, используемым в качестве топлива в наземной транспортной технике. Полезная модель может найти применение в составе конструкций топливных систем хранения, устанавливаемых на автомобильные транспортные средства большой грузоподъемности или установленных в раме, такой как связка или прицеп.
Из уровня техники известны баллоны давления, предназначенные для транспортировки, хранения и использования газообразных и жидких продуктов.
На современном этапе развития техники они, как правило, состоят из внутренней герметизирующей оболочки (лейнера) из металлических, неметаллических или композиционных материалов, и наружной силовой оболочки из армированных композитных материалов и/или пластмасс [Патенты: CN110748785; CN210004138; CN210004139; EP2418412; EP2581638; EP3608580; EP3614034; JP2020016289; JP2020026817; RU2175088; RU22340214; US5757918; US2016084437; WO2018210606; WO2020026811.RU 2673927, RU 180975, RU 2327077, RU 2333417, RU 46834, RU 62205, RU 69610, RU 2175088, RU 2234021, US 08727174, EP 2581638, US 20160084437, EP 2418412, RU 2670289, RU 2673927].
Указанные в патентах аналоги имеют общий недостаток: они неприемлемы для задачи, решаемой настоящим устройством, так как вышеуказанные патенты описывают баллоны типов КПГ-3, КПГ-4 для хранения компримированного природного газа (КПГ), а не компримированного газообразного водорода.
На практике технология хранения компримированного газообразного водорода под давлением в баллонах аналогична технологии хранения компримированного природного газа. По международной классификации такой тип баллона - тип 4.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления силовой оболочки баллона типа КПГ-4 (Патент RU2670289, опубл.: 2018.10.22 МПК F17C 1/06), включающий намотку на внутреннюю газонепроницаемую оболочку баллона армирующего углеволокна в виде ленты, предварительно пропитанной эпоксидным связующим, по следующей схеме армирования:
кольцевой виток под углом намотки 87,81° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 14,2° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 14,1° к горизонтальной оси баллона,
кольцевой виток под углом намотки 87,72° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 20,0° к горизонтальной оси баллона,
кольцевой виток под углом намотки 87,76° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 14,4° к горизонтальной оси баллона,
кольцевой виток под углом намотки 87,79° к горизонтальной оси баллона,
с последующим формированием защитного слоя силовой оболочки, являющегося неотъемлемой частью силовой оболочки, выполненного путем намотки сформированной из стеклоровинга ленты, предварительно пропитанной упомянутым эпоксидным связующим, по следующей схеме армирования:
спиральный виток под углом намотки 13,6° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 30,0° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 40,0° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 65,0° к горизонтальной оси баллона,
спиральный виток под углом намотки 70,0° к горизонтальной оси баллона,
кольцевой виток под углом намотки 88,1° к горизонтальной оси баллона,
и последующую термообработку силовой углестеклопластиковой оболочки.
В прототипе описано техническое решение по изготовлению силовой оболочки полимерно-композитного газового баллона высокого давления типа КПГ-4, предназначенного для хранения на транспортном средстве природного газа как топлива, включающего намотку на внутреннюю газонепроницаемую оболочку баллона армирующего волокна в виде ленты спиральными и кольцевыми витками.
Тип 4 - это конструкция топливной системы хранения водорода и водородной смеси: композитные баллоны с полной обмоткой без металлического лейнера.
Вышеупомянутый в прототипе способ изготовления силовой оболочки полимерно-композитного газового баллона высокого давления типа КПГ-4 (Патент РФ № 2670289 МПК F17C 1/06) имеет следующую техническую проблему: - Полимерно-композитная оболочка газового баллона высокого давления типа КПГ-4, предназначенного для хранения на транспортном средстве природного газа как топлива, выполняется так, что обеспечивает значительное превышение минимальных расчетных значений разрушающего давления и коэффициентов запаса прочности (примерно в 1,5 раза), что отрицательно сказывается на экономической эффективности производства такого баллона типа КПГ-4.
Кроме того, вышеупомянутый прототип имеет проблемы с наружной оболочкой из волокнистого композитного материала со слоями стекловолокна на основе полимерного связующего с составом:
смола марки ARALDITE LY 564 SP,
ангидридный отвердитель марки ARADUR 917,
аминовой ускоритель отверждения марки ACCELERATOR 960,
в части трещиностойкости, что отрицательно сказывается на эффективность развития прочности за счет намотанных слоев углеволокна.
Кроме того, вышеупомянутый прототип выполнен с внутренней герметизирующей тонкостенной оболочкой (менее 5 мм) из марки полиэтилена с плотностью 0,945 г/см3 при 23°С («лейнер»), что, например, может привести к значительным сложностям при хранении водорода из-за водородопроницаемости материала герметизирующей оболочки толщиной стенки менее 5 мм и недостаточной плотности самого материала.
Еще недостатком конструкции прототипа является малый внутренним объем баллона (80 л).
Технический результат полезной модели: расширение арсенала технических средств баллонов высокого давления с полимерно-композитной оболочкой, где баллон обладает бóльшими размерами и может использоваться для хранения компримированного газообразного водорода и/или водородной смеси с содержанием более 2% водорода по объему в сочетании с сухим природным газом. Кроме того, баллон согласно полезной модели эффективен в качестве транспортного бака с водородным топливом.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что заявлен большеразмерный баллон для компримированного газообразного водорода, состоящий из герметичной составной оболочки - лейнера, где внешняя оболочка состоит из слоя, изготовленного спирально-перекрестной намоткой лент комбинированного армированного композиционного материала, со схемой армирования с кольцевыми и спиральными витками под углом намотки к горизонтальной оси баллона, отличающийся тем, что внутренняя тонкостенная оболочка изготовлена выдувным формованием в виде термопластичного компаунда на базе полиамида, а силовая оболочка изготовлена из двух слоев:
внутренний силовой слой оболочки изготовлен из углепластика на основе углеродного волокна марки T700SC-24k с пределом прочности волокна 4,3 ГПа, модулем упругости 230 ГПа и полимерного эпоксидного связующего, причем спиральные слои с углами наклона относительно осевого направления баллона усилены слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88° относительно осевого направления баллона,
внешний силовой слой оболочки изготовлен из стеклопластика на основе стеклоровинга марки 17М SE1200 2400 TEX и полимерного эпоксидного связующего, со схемой армирования, при которой: спиральный виток выполнен под углом намотки 15° к горизонтальной оси баллона, кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона,
схема армирования силовой оболочки выполнена так, что периферийный слой армирующего волокна (кольцевой слой и спиральный слой с большим углом) и аксиальный слой волокна (спиральный слой с малым углом) намотаны последовательно.
Предпочтительно, спиральные слои выполнены с углами наклона от 7 до 79° относительно осевого направления баллона.
Допустимо, что полимерное эпоксидное связующее внутреннего слоя силовой оболочки имеет структуру армирования волокон, при объемной доле волокна 75±5% по весу, с многозонной укладкой с углами наклона к оси баллона.
Допустимо, что полимерное эпоксидное связующее внешнего слоя силовой оболочки имеет структуру армирования стекловолокон при объемной доле стекловолокна 75±5% по весу.
Допустимо, что лента волокон для намотки выполнена из 4 жгутов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема внутреннего устройства баллона согласно полезной модели (вид сбоку в разрезе).
На фиг. 2 изображен эскиз общего вида баллона без одного колпака (вид в объеме и срез части корпуса).
На чертежах 1 - баллон; 2 - закладная втулка с прецизионно обработанной резьбой; 3 - лейнер; 4 - углеволокно с ангидридно-эпоксидным связующим; 5 - защитный колпак (вариант защиты); 6 - стекловолокно с ангидридно-эпоксидным связующим; 7 - этикетка.
Осуществление полезной модели
Большеразмерный баллон 1 для компримированного газообразного водорода, согласно полезной модели, состоит из герметичной составной оболочки - лейнера 3 (см. фиг. 1, фиг. 2), где внешняя оболочка состоит из слоя, изготовленного спирально-перекрестной намоткой лент комбинированного армированного композиционного материала, со схемой армирования с кольцевыми и спиральными витками под углом намотки к горизонтальной оси баллона 1.
Новым является то, что внутренняя тонкостенная оболочка изготовлена выдувным формованием в виде термопластичного компаунда на базе полиамида, а силовая оболочка изготовлена из двух слоев:
внутренний силовой слой 4 оболочки изготовлен из углепластика на основе углеродного волокна марки T700SC-24k с пределом прочности волокна 4,3 ГПа, модулем упругости 230 ГПа и полимерного эпоксидного связующего, причем спиральные слои с углами наклона относительно осевого направления баллона 1 усилены слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88° относительно осевого направления баллона,
внешний силовой слой 6 оболочки изготовлен из стеклопластика на основе стеклоровинга марки 17М SE1200 2400 TEX и полимерного эпоксидного связующего, со схемой армирования, при которой: спиральный виток выполнен под углом намотки 15° к горизонтальной оси баллона, кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона 1,
схема армирования силовой оболочки выполнена так, что периферийный слой армирующего волокна (кольцевой слой и спиральный слой с большим углом) и аксиальный слой волокна (спиральный слой с малым углом) намотаны последовательно.
Силовая оболочка из внутреннего 4 и внешнего 6 слоев служит для обеспечения прочности и жесткости баллона 1.
Лейнер 3 представляет собой тонкостенный герметичный термопластичный сосуд давления и служит для хранения CGH2 (газообразный водород, который компримируется для хранения и использования в качестве автомобильного топлива) или CNG-Н2(смесь водорода и природного газа - смесь природного газа и более двух объемных процентов водорода).
Металлические закладные втулки 2 с прецизионно обработанной резьбой служат для возможности заправки баллона CGH2 или CNG-Н2, предусматривают выход под вентиль.
Закладная втулка 2 рассматривается как часть конструкции и должна соответствовать требованиям к материалам, указанным в ГОСТ ISO 11114-4-, и обеспечивать совместимость с водородом в соответствии с ГОСТ ISO 11114-1-.
Для баллонов под водородное топливо наличие закладной втулки 2 общепринято.
По обе стороны баллона на его концах могут быть установлены защитные колпаки 5. На наружной поверхности баллона может быть расположена этикетка 7.
За счет того, что спиральные слои усилены слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88° относительно осевого направления баллона, удается достичь оптимальной структуры композитной конструкции, обладающей минимальной массой, а именно: превышения в 2 раза прочности при растяжении в окружном направлении относительно осевого направления, в связи с чем разрывы водородного баллона могут возникать в цилиндрической или куполообразной части баллона (как требуется по ГОСТ Р 55891 и др. для баллонов тип 4).
Если угол наклона будет менее 88° относительно осевого направления баллона, то возникают недостатки, связанные с ограничением на прочность стенки композитной оболочки при растяжении в окружном направлении, потребуется увеличение толщины стенки композитной оболочки баллона для обеспечения характерного разрыва водородного баллона.
Эти недостатки были выявлены расчетным путем и подтверждены опытным путем при гидравлических испытаниях давлением на разрушение опытных образцов полимерно-композитных баллонов объемом 320 л.
А если угол наклона будет более 88° относительно осевого направления баллона, то возникают недостатки, связанные с тем, что при максимальных 90° для намотки цилиндра не обеспечивается шаг винтовой линии укладки арматуры, то есть, происходит просто намотка утолщений на одном месте.
Внутренняя тонкостенная оболочка изготовлена выдувным формованием в виде термопластичного компаунда на базе полиамида, поскольку согласно ISO 11114-2 неметаллические материалы должны быть пригодны для предполагаемой эксплуатации. Они подходят, если их совместимость указана как приемлемая или необходимые свойства были подтверждены испытаниями или длительным и безопасным опытом, к удовлетворению компетентного лица. В особых случаях могут использоваться несовместимые материалы, если они соответствующим образом покрыты или защищены.
| Таблица 1 Основные свойства термопластичного компаунда на базе полиамида 6 |
|||
| Технологические и физические свойства | Значение | Единица | Стандарт |
| Показатель текучести расплава | 13 / * | г/10 мин | ISO 1133 |
| Температура | 250 / * | °C | - |
| Нагрузка | 2.16 / * | кг | - |
| Усадка при литье, продольная | 1.9 / * | % | ISO 294-4, 2577 |
| Усадка при литье, поперечная | 1.8 / * | % | ISO 294-4, 2577 |
| Плотность расплава | 869 | кг/м3 | - |
| Теплопроводность расплава | 0.22 | Вт/ (м К) | - |
| Удельная теплоемкость расплава | 2740 | Дж/(кг K) | - |
| Механические свойства | Значение | Единица | Стандарт |
| Модуль упругости при растяжении | 1750 / 530 | МПа | ISO 527 |
| Напряжение в точке текучести | 43 / - | МПа | ISO 527 |
| Удлинение в точке текучести | 4.2 / - | % | ISO 527 |
| Номинальное удлинение при разрыве | >50 / - | % | ISO 527 |
| Ударная вязкость по Шарпи, +23°C | N / N | кДж/м2 | ISO 179/1eU |
| Ударная вязкость по Шарпи, -30°C | N / N | кДж/м2 | ISO 179/1eU |
| Ударная вязкость по Шарпи с надрезом, +23°C | 80 / N | кДж/м2 | ISO 179/1eA |
| Ударная вязкость по Шарпи с надрезом, -30°C | 22 / 20 | кДж/м2 | ISO 179/1eA |
| Прокол - максимальное усилие, +23°C | 3300 / - | Н | ISO 6603-2 |
| Энергия прокола, +23°C | 48 / - | Дж | ISO 6603-2 |
| Теплофизические свойства | Значение | Единица | Стандарт |
| Температура изгиба под нагрузкой, 1.80 МПа | 55 / * | °C | ISO 75-1/-2 |
| Температура изгиба под нагрузкой, 0.45 МПа | 100 / * | °C | ISO 75-1/-2 |
| Температура размягчения по Вика, B | 130 / * | °C | ISO 306 |
| Коэффициент линейного теплового расширения, продольный | 1 / * | E-4/°С | ISO 11359-1/-2 |
| Коэффициент линейного теплового расширения, поперечный | 1,1 / * | E-4/°С | ISO 11359-1/-2 |
| Прочие свойства | Значение | Единица | Стандарт |
| Водопоглощение | 7 / * | % | Sim. to ISO 62 |
| Поглощение влаги | 2.5 / * | % | Sim. to ISO 62 |
| Плотность | 1060 / - | кг/м3 | ISO 1183 |
Согласно таблице 1 видно, что полиамид совместим с водородом, что не имеет расхождения с требованиями ISO 11114-2. Так как плотность предполагаемой марки полиамида значительно выше марки полиэтилена, то технический результат, полученный на полимерно-композитных баллонах 320 л с полиэтиленовым лейнером, можно распространить на баллон с полиамидным лейнером на этапе технического решения.
Последовательная намотка силовой оболочки из двух слоев: угле- и стекловолокна обеспечивает высокую прочность композитного материала.
Прочность углеродных волокон - это основная часть прочности композита (см. ниже расчет коэффициента запаса прочности и фактора безопасности), и углеродное волокно поглощает гораздо более высокие напряжения.
Наличие стеклопластиковой оболочки исключает чувствительность углепластиковой оболочки к внешним воздействиям, стеклопластик так же участвует в восприятии силовых нагрузок (доказанная ударостойкость).
Заявленный большеразмерный баллон может быть изготовлен следующим образом.
Технологическая схема производства такого баллона состоит из следующих процессов:
1. Экструзионный выдув (производство полимерного лейнера).
2. Подготовка лейнера для намотки силовой оболочки, в том числе: отрезание литника и взвешивание; термостабилизация, механическая обработка (фрезеровка, нарезание резьбового соединения), активация механически обработанной поверхности плазмой, вклеивание закладных элементов (расходно-заправочной арматуры), сушка клеевого соединения, установка намоточных валов и проверка лейнера на герметичность, обжиг лейнеров.
3. Намотка в два этапа для создания композитной оболочки баллона, включающая
подкачку воздуха в лейнер до давления 3,5 бар, намотку на лейнер армирующего углеволокна в виде ленты, предварительно пропитанной эпоксидным связующим, с многозонной укладкой с углами наклона к оси лейнера в предпочтительном диапазоне от 7° до 79°, при этом спиральные слои усиливаются слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88°.
формирование защитного слоя силовой оболочки, являющегося неотъемлемой частью силовой оболочки, выполненного путем намотки ленты, сформированной из стеклоровинга и предварительно пропитанной упомянутым эпоксидным связующим, с многозонной укладкой с углами наклона к оси баллона 15°, при этом спиральные слои усилены слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88°.
4. Приклеивание этикетки.
5. Термообработка: в течение 2,0±0,2 ч при температуре 80±3°С, затем повышают температуру до 95±3°С и выдерживают в течение 3,0±0,2 ч.
6. Обработки баллонов после отверждения (гидравлическое испытание на объемное расширение Р=1,5 Рраб, опорожнение и сушка, установка клапанной группы, испытание на герметичность).
7. Испытание гидравлическим давлением на разрушение и другие испытания в составе партии баллонов (проверка температуры размягчения материала лейнера, механические испытания на растяжение лейнера, испытание свойств смолы, испытание на адгезионную прочность покрытия, испытание на кручение закладной горловины, испытание циклическими нагрузками, испытание на герметичность).
8. Упаковка готовых баллонов.
Полимерное эпоксидное связующее (термореактивная полимерная матрица) внутреннего слоя силовой оболочки может иметь структуру армирования углеволокон при объемной доле углеволокна 66±5% (75±5% по весу), с многозонной укладкой.
Полимерное эпоксидное связующее (термореактивная полимерная матрица) внешнего слоя силовой оболочки может иметь структуру армирования стекловолокон при объемной доле стекловолокна 59±5% (75±5% по весу).
При термической полимеризации температура и продолжительность цикла полимеризации полимерной системы должны быть такими, чтобы они не оказывали отрицательного влияния на механические характеристики полимерно-композитной оболочки баллона. Кроме того, должны быть определены допуски на время выдержки и температуру на каждой стадии.
Процесс армирования композитной оболочки внутреннего слоя выполняется так, что периферийный слой армирующего волокна (кольцевой слой и спиральный слой с большим углом) и аксиальный слой волокна (спиральный слой с малым углом) наматывают последовательно, чтобы получить соотношение количества слоев 1:1, а также в определенном соотношении углеродного и стеклянного армирующего волокна, обеспечивающим оптимальные характеристики баллона и необходимую прочность.
При этом номинальные толщины слоев намотки могут быть различными.
Пример намоток показан в таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| № намотки | Значение номинальной толщины слоев намотки (мм) | Вид намотки |
| 1 | 1,597 | кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона |
| 2 | 0,830 | спиральный виток под углом намотки 75° к горизонтальной оси баллона |
| 3 | 0,826 | спиральный виток под углом намотки 79° к горизонтальной оси баллона |
| 4 | 1,175 | спиральный виток под углом намотки 56° к горизонтальной оси баллона |
| 5 | 1,050 | спиральный виток под углом намотки 10° к горизонтальной оси баллона |
| 6 | 0,813 | спиральный виток под углом намотки 9° к горизонтальной оси баллона |
| 7 | 0,898 | спиральный виток под углом намотки 7° к горизонтальной оси баллона |
| 8 | 0,888 | кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона |
| 9 | 1,268 | спиральный виток под углом намотки 15° к горизонтальной оси баллона |
| 10 | 0,557 | спиральный виток под углом намотки 10° к горизонтальной оси баллона |
| 11 | 0,399 | кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона |
Из таблицы 1 примера видно, что спиральные слои могут выполняться с углами наклона от 7° до 79° относительно осевого направления баллона, тогда как кольцевой виток всегда выполнен под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона.
Армирование внешнего слоя силовой оболочки выполняют так, что номинальные толщины слоев составляют, мм:
1,151 мм - спиральный виток под углом намотки 15° к горизонтальной оси баллона,
0,520 мм - кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона.
Полимерное эпоксидное связующее внешнего слоя силовой оболочки выполняют со структурой армирования стекловолокон, при объемной доле стекловолокна 59±5% (75±5% по весу), с многозонной укладкой.
В качестве эпоксидного связующего может быть использованы ангидридно-эпоксидные системы горячего отверждения марок: LITERSTONE 2130E (эпоксидная смола) и LITERSTONE 2142Н (ангидридный отвердитель). Отношение для смешивания связующего по весу 100 (±0,13%) связующего и 106 (±0,13%) отвердителя.
Качественные характеристики используемого эпоксидного связующего, используемого при создании баллона: жизнеспособность при 40°С: 6-8 ч, вязкость при 25°С: прибл. 500 МПа⋅с, температура отверждения: максимум 100°С, температура стеклования (ТG) ±100°С, прочность на сдвиг: минимум 13.8 МПа (в отвержденном виде).
Каждая из упомянутых лент для намотки может быть изготовлена, например, из 4 жгутов. Намотку армирующего угле- стекловолокна в виде ленты осуществляют с натяжением 17+5 Н/жгут, при этом предварительную пропитку армирующего угле-стекловолокна в виде ленты упомянутым связующим осуществляют в ванне с температурой связующего 32-37°С, а отверждение оболочки при последующей термической обработке осуществляют в течение 2,0±0,2) часа при температуре 80±3 °С и в течение 3,0±0,2 ч при температуре 95±3 °С.
Качественные характеристики используемого углеродного волокна марки T700SC-24k представлены в таблице 3.
| Таблица 3 | |||
| Свойства волокна | |||
| Наименование показателей | Значение показателей | ||
| Минимум | Максимум | ||
| Предел прочности на разрыв | 4 900 МПа | - | |
| Модуль упругости при растяжении | 230 Гпа | 240 Гпа | |
| Удлинение при разрыве | 1,9 % | - | |
| Плотность | 1,76 г/см3 | 1,84 г/см3 | |
| Линейная плотность | 1600 г/1000 м | 1650 г/1000 м | |
| Тип и количество замасливателя | 50°С | 0,8 % | 1,6 % |
| Скручивание | Не крученое | ||
| Размеры картонной бобины | Внутренний диаметр катушки: 76,5 (- 0,20) мм Максимальная длина катушки: 280 мм (- 0,20) |
||
| Максимальный вес катушки | до 8 кг | ||
Таким способом была изготовлена полимерно-композитная оболочка заявленного большеразмерного баллона под заполнение компримированным газообразным водородом и/или водородной смесью с содержанием более 2% водорода по объему в сочетании с сухим природным газом. Изготовленный согласно полезной модели баллон имел длину 2103 мм, а по диаметру составлял 517±5 мм.
Конструкция оболочки нового большеразмерного баллона высокого давления, предназначенного для хранения на транспортном средстве водорода как топлива, имеет высокие барьерные свойства в отношении диффузии водорода и обеспечивает оптимальные характеристики нового баллона, в частности высокую весовую эффективностью (0,3 кг/л) и большой объем (320 л).
Согласно прототипу настоящей полезной модели, в нем указан баллон объемом 80 л. Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создавать баллон с бóльшими размерами, нежели прототип, а именно объемом 320 л.
В качестве примера в таблице 4 показаны характеристики полученного баллона объемом 320 л.
| Таблица 4 | ||||||
| Тип изделия | Длина мм | Диаметр, мм | Масса изделия, кг | Эффективность конструкционная, кг/л | Общая масса композитной оболочки, кг |
Рабочее давление, МПа |
| Тип 4 | 2103 | 517 | 0,3 | 0,3 | ~70 | 25,0 |
Требования на компримирование водорода зависят от технологии производства водородного топлива и требований его хранения и доставки, например, производство водорода на базе технологии ГТОА (гидротермальное окисление алюминия) и ТСКВ (металлогидридный термосорбционный компрессор водорода).
Испытания полимерно-композитного баллона 320 л на газопроницаемость проводились в соответствии с ГОСТ ISO 11439, методика А21. При тестировании использовалась газоаналитическая система «Сенсон-СД-7031-СМ». В ходе испытания баллона были применены различные методы инженерного анализа при помощи специального программного обеспечения фирмы "Altair Engineering Inc", чтобы обеспечить максимальную устойчивость в любой точке лейнера и композитной оболочки.
В соответствии с ГОСТ ISO 11439 - «Скорость просачивания должна быть менее 0,25 мл/ч природного газа на 1 л вместимости баллона».
В ходе испытаний рассматривалась скорость просачивания водорода менее 2 см/ч на 1 л вместимости баллона при рабочем давлении 25,0 МПа, а также высокая весовая эффективность баллона тип 4 (не более 0,3 кг/л).
Результат испытаний показали, что в процессе выдержки 22 суток скорость просачивания природного газа менялась от 0,0024 до 0,0039 мл/ч (0,1-0,16%), что соответствует норме.
Учитывая то, что испытание на проницаемость для водородного баллона по ГОСТ Р 55891- аналогично испытанию на проницаемость для баллона по ГОСТ ISO 11439- при большей норме «менее 2,00 см3/ч на 1 л» (менее 2 мл/ч на 1 л), а также то, что целевые полиамиды обладают лучшими барьерными свойствами (более высокой плотностью, чем полиэтилен высокой плотности), при создании баллона в качестве материала внутренней тонкостенной оболочки был выбран термопластичного компаунд на базе полиамида.
В ходе испытаний рассчитывалось распределение нагрузки в композитной оболочке при рабочем, испытательном и разрушающем давлениях. Используемая математическая модель учитывает изотропность и нелинейность применяемых полимерных композиционных материалов.
Так как конструкция силовой оболочки нового баллона комбинированная (углепластик/стеклопластик), то прочность углеродных волокон - это основная часть прочности композита, и углеродное волокно поглощает гораздо более высокие напряжения. Нагрузка на композит ограничена максимальной способностью растяжения в кольцевом направлении более жестких слоев углеродного волокна.
Композит в заявленном баллоне имеет чуть более 60% объемного содержания волокон в углепластике и в стеклопластике.
Фактор безопасности (ФБ) при комбинированной намотке рассчитывался по формуле:
ФБ = Запас прочности стеловолокна/Запас прочности углеволокна [1]
ФБ =3,50/2,25=1,42
Слои из углеродного волокна имеют решающее значение для определения граничных параметров комбинированной обмотки и свойств слоя независимо от содержания углеволокна во всей обмотке.
Деформация углеволокна вычислялась следующим образом:
Δу = 2450 Н/мм2 / 147 000 Н/мм2 = 1,66.
Деформация для стекловолокна:
Δс = 1 260 Н/мм2 / 43 800 Н/мм2 = 2,88.
Граница прочности (ГП) стекловолокна при гибридной обмотке:
ГП = 2,88/1,66 = 1,73.
Тогда коэффициент запаса прочности стекловолокна (Кс):
Кс =1.73⋅2,25=4,152
3,89>3,50,
где 2,25 - нормативный коэффициент запаса прочности углеволокна, 3,50 - нормативный коэффициент запаса прочности стекловолокна.
Запас прочности стекловолокна будет всегда больше требуемого нормативами значения «3,50».
Таким образом, напряжения, возникающие в углеволокне, являются определяющими прочность композита в данной силовой оболочке, соответственно требуемый коэффициент запаса прочности (Кзп) принимается не менее 2,25.
Минимальное давление на разрыв в баллоне равно 56,25 МПа
Кзп = 2,25⋅25 МПа = 56,25 Мпа.
Композит, изготовленный горячим отверждением из углеволокна и стекловолокна, и использованный для изготовления полимерно-композитного баллонов 320 л согласно полезной модели, прошел лабораторное испытание с положительным результатом. А именно, достигнуто 22,8 МПа для среднего значения предела прочности при межслойном сдвиге образца заполимеризованного композита Углеволокно T700SC-24k + эпоксидная система Olin 2142H, 2130E. Также, достигнуто 19,4 МПа для среднего значения предела прочности при межслойном сдвиге образца заполимеризованного композита Стеклоровинг 17M SE1200 2400 TEX + эпоксидная система Olin 2142H, 2130E.
Данное испытание аналогично испытанию В.5 ГОСТ Р 55891, поэтому результат был принят на этапе технического решения как для водородного баллона.
Циклическое испытание давлением при температуре окружающей среды баллонов КПГ-4 в соответствии с ГОСТ ISO 11439, методика А13, также показало положительный результат.
Испытание проводились на двух образцах изготовленных полимерно-композитных баллонах вместимостью 320 л.
Испытания проводились давлением от 2МПа до 1,25Р от рабочего, в количестве 45000 циклов. Затем баллоны были подвергнуты разрушению путем повышения внутреннего гидравлического давления.
Результаты испытаний и характер разрушения:
Баллон (образец № 0044):
в ходе циклических испытаний подтеков не обнаружено на протяжении 45000 циклов;
давление разрушения Рразр.= 62,08 МПа;
характер разрушения: по цилиндрической части баллона.
Баллон (образец № 0051):
в ходе циклических испытаний подтеков не обнаружено на протяжении 45000 циклов;
давление разрушения Рразр.= 58,23 МПа;
характер разрушения: по цилиндрической части баллона.
Данное испытание аналогично испытанию В.7 ГОСТ Р 55891, поэтому результат был принят на этапе технического решения как для водородного баллона.
Баллоны, на которые распространяется действие настоящей полезной модели, должны использоваться в составе конструкций топливных систем хранения, устанавливаемых на автомобильные транспортные средства большой грузоподъемности или установленных в раме, такой как связка или прицеп.
Баллон на заправке должен быть достаточно большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора могут уменьшить скорость заправки (скорость заправки - основная причина, по которой развитие техники идет к замене обычных видов транспортного топлива на водород).
Чем выше давление, при котором хранится водород, тем меньший объем он занимает. Но, поскольку растет давление, необходимо увеличивать толщину стенки баллона, и, следовательно, его вес. Стоимость баллона увеличивается с ростом давления.
Поэтому, баллон 320 л при давлении сжатия до 25 МПа оптимален по весу и объему, и стоимости, и будет содержать примерно 6 кг сжатого водородного топлива (1 кг сжатого водородного топлива на 90 км). Таким образом, данный баллон в 320 л более эффективен в качестве транспортного бака, чем баллон 80 л как в прототипе.
Так, баллон согласно полезной модели имеет весовую эффективностью (0,3 кг/л) и большой объем (320 л), при этом масса составной оболочки может составлять: лейнер 15 кг (±10%), внутренняя силовая оболочка (уголь) 57 кг±4 кг, внешняя силовая оболочка (стекло) 11 кг±3 кг.
Claims (5)
1. Баллон для компримированного газообразного водорода, состоящий из герметичной составной оболочки - лейнера, где внешняя оболочка состоит из слоя, изготовленного спирально-перекрестной намоткой лент комбинированного армированного композиционного материала, со схемой армирования с кольцевыми и спиральными витками под углом намотки к горизонтальной оси баллона, отличающийся тем, что внутренняя тонкостенная оболочка изготовлена выдувным формованием в виде термопластичного компаунда на базе полиамида, а силовая оболочка изготовлена из двух слоев: внутренний силовой слой оболочки изготовлен из углепластика на основе углеродного волокна марки T700SC-24k с пределом прочности волокна 4,3 ГПа, модулем упругости 230 ГПа и полимерного эпоксидного связующего, причем спиральные слои с углами наклона относительно осевого направления баллона усилены слоями с окружным расположением волокон с углом наклона 88° относительно осевого направления баллона, внешний силовой слой оболочки изготовлен из стеклопластика на основе стеклоровинга марки 17М SE1200 2400 TEX и полимерного эпоксидного связующего к горизонтальной оси баллона, кольцевой виток под углом намотки 88° к горизонтальной оси баллона, схема армирования силовой оболочки выполнена так, что периферийный слой армирующего волокна и аксиальный слой волокна намотаны последовательно.
2. Баллон по п. 1, отличающийся тем, что спиральные слои выполнены с углами наклона от 7° до 79° относительно осевого направления баллона.
3. Баллон по п. 1, отличающийся тем, что полимерное эпоксидное связующее внутреннего слоя силовой оболочки имеет структуру армирования волокон, при объемной доле волокна 75±5% по весу, с многозонной укладкой с углами наклона к оси баллона.
4. Баллон по п. 1, отличающийся тем, что полимерное эпоксидное связующее внешнего слоя силовой оболочки имеет структуру армирования стекловолокон при объемной доле стекловолокна 75±5% по весу.
5. Баллон по п. 1, отличающийся тем, что лента волокон для намотки выполнена из 4 жгутов.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU213938U1 true RU213938U1 (ru) | 2022-10-05 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013083662A2 (en) * | 2011-12-05 | 2013-06-13 | Blue Wave Co S.A. | Ultra-high operating pressure vessel |
| CN108368968A (zh) * | 2015-12-22 | 2018-08-03 | 霓达株式会社 | 高压容器和高压容器的制造方法 |
| RU2670289C2 (ru) * | 2017-03-30 | 2018-10-22 | Акционерное общество "Дзержинское производственное объединение "Пластик" | Способ изготовления силовой оболочки полимерно-композитного газового баллона высокого давления |
| DE102019123792A1 (de) * | 2018-10-16 | 2020-04-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Hochdrucktank und Herstellungsverfahren eines Hochdrucktanks |
| US20210262617A1 (en) * | 2020-02-20 | 2021-08-26 | Magna Energy Storage Systems Gesmbh | High-pressure vessel |
| US20210316494A1 (en) * | 2018-08-28 | 2021-10-14 | Alzchem Trostberg Gmbh | Method for producing a compressed-gas container |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013083662A2 (en) * | 2011-12-05 | 2013-06-13 | Blue Wave Co S.A. | Ultra-high operating pressure vessel |
| CN108368968A (zh) * | 2015-12-22 | 2018-08-03 | 霓达株式会社 | 高压容器和高压容器的制造方法 |
| RU2670289C2 (ru) * | 2017-03-30 | 2018-10-22 | Акционерное общество "Дзержинское производственное объединение "Пластик" | Способ изготовления силовой оболочки полимерно-композитного газового баллона высокого давления |
| US20210316494A1 (en) * | 2018-08-28 | 2021-10-14 | Alzchem Trostberg Gmbh | Method for producing a compressed-gas container |
| DE102019123792A1 (de) * | 2018-10-16 | 2020-04-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Hochdrucktank und Herstellungsverfahren eines Hochdrucktanks |
| US20210262617A1 (en) * | 2020-02-20 | 2021-08-26 | Magna Energy Storage Systems Gesmbh | High-pressure vessel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5499739A (en) | Thermoplastic liner for and method of overwrapping high pressure vessels | |
| CN1243194C (zh) | 50升碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢复合气瓶 | |
| US20220275909A1 (en) | Pressure Vessel | |
| US9939108B2 (en) | Wire wrapped pressure vessels | |
| US11421825B2 (en) | Pressure vessel | |
| US8039072B2 (en) | Gas tank and method for producing the same | |
| CN109838682B (zh) | 一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶 | |
| US20220325851A1 (en) | Pressure vessel | |
| US20230194050A1 (en) | Composite pressure vessel with reinforcement element | |
| CN111998220A (zh) | 一种高压复合轻量化储氢瓶 | |
| CN103148340A (zh) | 一种钢丝缠绕结构的高压气瓶 | |
| RU213938U1 (ru) | Большеразмерный баллон для компримированного газообразного водорода с полимерно-композитной оболочкой | |
| JP2012063015A (ja) | ガスタンク及びその製造方法 | |
| JP2022043724A (ja) | 高圧タンク及びその製造方法 | |
| CN215722474U (zh) | 大容量无缝不锈钢内胆碳纤维全缠绕瓶式容器 | |
| CN216896764U (zh) | 能大幅度降低成本的35MPa-40MPa高压气瓶 | |
| CN203273275U (zh) | 一种钢丝缠绕结构的高压气瓶 | |
| Shivamurthy et al. | Design, fabrication, and testing of epoxy/glass-reinforced pressure vessel for high-pressure gas storage | |
| CN217875281U (zh) | 一种碳纤维增强储氢瓶 | |
| US20230235854A1 (en) | Pressure Vessel For Storing Fluid | |
| US11879594B2 (en) | Method for manufacturing high-pressure tanks | |
| RU2256844C2 (ru) | Сосуд высокого давления и способ его изготовления | |
| KR20230137633A (ko) | 에폭시 수지 조성물과 이로부터 제조되는 탄소섬유 복합재료 및 압력용기 | |
| KR20240037330A (ko) | 인발성형된 원통형 엘리먼트를 포함하는 저장소 | |
| CN117957395A (zh) | 具有优化的外部复合结构的压力容器 |