RU2310120C1

RU2310120C1 - Method for manufacturing metal-plastic high pressure tank and a metal-plastic tank

Info

Publication number: RU2310120C1
Application number: RU2006109399/06A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Свободов (RU); Андрей Николаевич Свободов; Анатолий Иванович Стеценко (RU); Анатолий Иванович Стеценко; Анатолий Иванович Капустин (RU); Анатолий Иванович Капустин; Александр Григорьевич Рожков (RU); Александр Григорьевич Рожков; С миулла Абдуллович Рахметов (RU); Сямиулла Абдуллович Рахметов; Виктор Владимирович Трабер (RU); Виктор Владимирович Трабер; Тать на Ивановна Денисова (RU); Татьяна Ивановна Денисова
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Техномаш"; Открытое акционерное общество "Орский машиностроительный завод"
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-11-10

Abstract

FIELD: technology for manufacturing lightened metal-plastic high pressure gas tanks, possible realization by manufacturing metallic seamless liner.

SUBSTANCE: in the method, metallic liner of the tank, having cylindrical part and bottoms, is manufactured in form of separate cocoon, cylindrical part of liner is formed up to given dimensions by cold rotation draw-forming method with ensured thickened parameters in zones of transition to bottoms on both sides, after that metallic liner is subjected to thermal processing to ensure required mechanical properties in all of its cross-sections, and then external surface of cylindrical part of liner is covered in anti-corrosion surface, on cylindrical surface of liner with anti-corrosion surface, reinforcing armoring cover is created of composite material in accordance to method of wet circular winding of threads of armoring material, composed in a ribbon and saturated with binding agent, where winding of the ribbon onto cylindrical part of liner is realized with stretching and overlapping of each coil of ribbon. In metal-plastic high pressure tank, cylindrical part of liner in zones of transition to bottoms has thickened parts on both sides, and anti-corrosion cover is present between reinforcing armoring cover and external surface.

EFFECT: increased efficiency.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области производства облегченных металлопластиковых баллонов высокого давления, предназначенных для работы под давлением газообразных сред, и может быть реализовано путем изготовления металлического бесшовного лейнера методами горячей и холодной пластической деформации для создания формы и размеров сосуда с последующей термической обработкой для обеспечения требуемой прочности лейнера, а также механической обработкой для формирования резьбы и других элементов, предназначенных для закрепления на сосуде высокого давления запорной арматуры и других деталей, и последующего формирования на цилиндрической поверхности лейнера упрочняющей армирующей оболочки композиционного материала, получаемого методом мокрой кольцевой намотки нитей армирующего материала, пропитанных связующим, при этом в качестве армирующего материала могут применяться: стекловолокно, органическое волокно, угольное, боровое, базальтовое и др. волокно, а в качестве связующего - эпоксидные, полиэфирные и др. смолы и составы на их основе.The invention relates to the production of lightweight metal-plastic high-pressure cylinders designed to work under pressure of gaseous media, and can be implemented by manufacturing a metal seamless liner using hot and cold plastic deformation methods to create the shape and size of the vessel, followed by heat treatment to ensure the required strength of the liner, as well as machining to form threads and other elements designed to be fixed on the vessel you high pressure of shutoff valves and other details, and the subsequent formation on the cylindrical surface of the liner of a reinforcing reinforcing shell of a composite material obtained by wet ring winding of threads of a reinforcing material impregnated with a binder, while glass fiber, organic fiber, coal, boron can be used as reinforcing material , basalt and other fibers, and as a binder - epoxy, polyester and other resins and compositions based on them.

По предлагаемому способу могут быть получены, например, автомобильные баллоны высокого давления для сжатого природного газа - метана различной емкости, имеющие стальной лейнер и армирующую оболочку из композиционного материала на цилиндрической поверхности.The proposed method can be obtained, for example, automobile high-pressure cylinders for compressed natural gas - methane of various capacities, having a steel liner and a reinforcing shell made of composite material on a cylindrical surface.

Известен Металлопластиковый баллон, содержащий бесшовную металлическую оболочку (лейнер), упрочненную намотанным на цилиндрическую часть полимерным композиционным материалом (патент 2002160 С1, 30.10.1993).Known metal-plastic container containing a seamless metal shell (liner), hardened by a polymer composite material wound on a cylindrical part (patent 2002160 C1, 10.30.1993).

По известному патенту поставленная задача обеспечивается путем намотки стеклопластикового армирующего слоя на гладкую цилиндрическую поверхность лейнера, не содержащего защитного антикоррозионного покрытия на наружной поверхности, при этом намотка жгутов стеклоровинга, сформированных в ленту, осуществляется встык, без перекрытия краев лены, при отсутствии гарантированного натяжения ленты при намотке.According to the well-known patent, the task is achieved by winding a fiberglass reinforcing layer on a smooth cylindrical surface of the liner that does not contain a protective anticorrosive coating on the outer surface, while winding the glass roving bundles formed into a tape is carried out end-to-end, without overlapping edges of the tape, in the absence of guaranteed tape tension at winding.

Данный способ изготовления металлопластикового баллона не обеспечивает защиту от коррозии металла под стеклопластиковой оболочкой, а неоптимальное натяжение ленты стеклоровинга приводит либо к частой обрывности жгутов при намотке (при завышенном натяжении), либо снижению прочности стеклопластикового армирующего слоя (при недостаточном натяжении) и необходимости в этом случае увеличивать количество слоев намотки для обеспечения требуемой прочности баллона, что приводит к увеличению расхода материалов и увеличению себестоимости продукции.This method of manufacturing a metal-plastic container does not provide protection against metal corrosion under the fiberglass jacket, and the non-optimal tension of the glass roving tape either leads to frequent breakage of the bundles during winding (with excessive tension), or a decrease in the strength of the fiberglass reinforcing layer (with insufficient tension) and the need in this case increase the number of winding layers to ensure the required strength of the cylinder, which leads to an increase in material consumption and an increase in cost induction.

Известен металлопластиковый баллон высокого давления, имеющий металлический лейнер, имеющий цилиндрическую часть и днища (DE 3103646, 12.08.1982). На цилиндрическую часть лейнера намотана упрочняющая армирующая оболочка из композиционного материала.Known high pressure metal-plastic cylinder having a metal liner having a cylindrical part and bottoms (DE 3103646, 08/12/1982). A reinforcing reinforcing sheath made of composite material is wound on the cylindrical part of the liner.

Недостатком такого баллона является отсутствие антикоррозионного покрытия на поверхности лейнера, под армирующей оболочкой, а также отсутствие утолщения металла на концевых участках цилиндрической части лейнера, что приводит к необходимости при эксплуатации закреплять баллоны за поверхность пластиковой армирующей оболочки и возможности появления коррозии под армирующим слоем.The disadvantage of such a cylinder is the absence of an anti-corrosion coating on the surface of the liner, under the reinforcing shell, as well as the absence of thickening of the metal at the end sections of the cylindrical part of the liner, which leads to the necessity of fixing the cylinders on the surface of the plastic reinforcing shell and the possibility of corrosion under the reinforcing layer.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в обеспечении оптимальных параметров намотки: угла намотки, натяжения ленты при намотке, перекрытия краев ленты при намотке, применении защитных антикоррозионных покрытий поверхностей баллона и лейнера под армирующей оболочкой, а также выполнении при холодной пластической деформации лейнера методом ротационной вытяжки утолщений цилиндрической части лейнера в зонах перехода к днищам и оптимальном давлении автофреттажа, обеспечивающего сжимающие напряжения в металлической оболочке и растягивающие напряжения в армирующем слое в таком соотношении, что при достижении расчетного давления разрушения при внутреннем давлении металлическая и пластиковая части конструкции корпуса баллона, имеющие различные модули упругости, разрушаются одновременно, полностью реализуя свою прочность. Наличие утолщений на концевых зонах цилиндрической части лейнера позволяет закреплять баллон за металлические цилиндрические поверхности и, таким образом, предохранить армирующую оболочку пластиковую от повреждений при длительной эксплуатации баллонов (до 15-ти лет).The technical result achieved in the claimed invention is to provide optimal winding parameters: the angle of winding, the tension of the tape during winding, overlapping the edges of the tape when winding, the use of protective anticorrosive coatings on the surfaces of the container and the liner under the reinforcing sheath, as well as when performing cold plastic deformation of the liner by the method rotational drawing of thickenings of the cylindrical part of the liner in the areas of transition to the bottoms and optimal pressure of the autofretting, providing compressive stresses in m metal shell and tensile stresses in the reinforcing layer in such a ratio that when the calculated fracture pressure is reached at internal pressure, the metal and plastic parts of the cylinder body structure having different elastic moduli are destroyed simultaneously, fully realizing their strength. The presence of thickenings on the end zones of the cylindrical part of the liner allows the cylinder to be fixed to metal cylindrical surfaces and, thus, to protect the plastic reinforcing shell from damage during long-term operation of the cylinders (up to 15 years).

Применение предлагаемого способа позволит повысить технологичность процесса намотки армирующего слоя, а также потребительские качества баллонов и их эксплуатационные характеристики, в частности повысить стойкость автомобильных баллонов к воздействию внешней среды при эксплуатации: воздействию кислот, масел, морской воды, влаги, абразивных частиц и солнечному излучению, снизить вес баллона почти в два раза за счет уменьшения толщины стенок цилиндрической части металлического лейнера и армирования цилиндрической поверхности баллона пластиковой оболочкой необходимой толщины.The application of the proposed method will improve the manufacturability of the process of winding the reinforcing layer, as well as consumer qualities of the cylinders and their operational characteristics, in particular, to increase the resistance of automobile cylinders to environmental influences during operation: acids, oils, sea water, moisture, abrasive particles and solar radiation, reduce the weight of the cylinder by almost half by reducing the wall thickness of the cylindrical part of the metal liner and reinforcing the cylindrical surface of the cylinder plastic sheath of the required thickness.

Указанный технический результат достигается в металлопластиковом баллоне высокого давления, содержащем металлический лейнер, имеющий днища, среднюю цилиндрическую часть и внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала, согласно изобретению цилиндрическая часть лейнера в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения, а между упрочняющей армирующей оболочкой и наружной поверхностью лейнера имеется антикоррозионное покрытие. Металлический лейнер баллона выполнен цельным любым известным способом без применения сварки.The specified technical result is achieved in a metal-plastic high-pressure cylinder containing a metal liner having bottoms, a middle cylindrical part and an external reinforcing reinforcing shell made of composite material, according to the invention, the cylindrical part of the liner in the transition zones to the bottoms has both thickenings on both sides and between the reinforcing reinforcing shell and the outer surface of the liner has an anti-corrosion coating. The metal cylinder liner is made integral by any known method without the use of welding.

Утолщения на цилиндрической части лейнера выполнены длиной, равной 0,7%÷10% от длины цилиндрической части лейнера, и толщиной, равной 1,1÷2,5 от толщины стенки цилиндрической части лейнера.Thickening on the cylindrical part of the liner is made with a length equal to 0.7% ÷ 10% of the length of the cylindrical part of the liner, and a thickness equal to 1.1 ÷ 2.5 of the wall thickness of the cylindrical part of the liner.

Упрочняющая армирующая оболочка из композиционного материала имеет толщину 0,5÷1,5 от толщины стенки цилиндрической части лейнера и сформирована методом мокрой кольцевой намотки ленты армирующего материала, пропитанной связующим и намотанной на цилиндрическую часть лейнера послойно с натяжением и перекрытием каждого витка ленты.The reinforcing reinforcing sheath made of composite material has a thickness of 0.5 ÷ 1.5 of the wall thickness of the cylindrical part of the liner and is formed by the method of wet ring winding of a tape of reinforcing material, impregnated with a binder and wound on the cylindrical part of the liner in layers with tension and overlap of each turn of the tape.

Антикоррозионное покрытие между упрочняющей армирующей оболочкой и лейнером представляет собой полимерную пленку.The anticorrosion coating between the reinforcing reinforcing sheath and the liner is a polymer film.

Антикоррозионное покрытие между упрочняющей армирующей оболочкой и лейнером имеет полиуретановую или эпоксидную основу.The anticorrosive coating between the reinforcing reinforcing sheath and the liner has a polyurethane or epoxy base.

Толщина стенки лейнера в зоне перехода к днищам (S) выполняется равнойThe liner wall thickness in the transition to the bottoms (S) is equal to

S=(1,1÷2,5)Sл,S = (1,1 ÷ 2,5) Sл,

где S - толщина стенки лейнера в зоне перехода к днищам,where S is the liner wall thickness in the transition zone to the bottoms,

Sл - толщина стенки лейнера под армирующей оболочкой.Sl is the liner wall thickness under the reinforcing shell.

Длина утолщенной цилиндрической части лейнера в зоне перехода к днищам выполняется равнойThe length of the thickened cylindrical part of the liner in the transition zone to the bottoms is equal

L=(0,7%÷10%)Lл,L = (0.7% ÷ 10%) L

где L - длина утолщенной цилиндрической части лейнера в зоне перехода к днищам в зоне перехода к днищам,where L is the length of the thickened cylindrical part of the liner in the transition zone to the bottoms in the transition zone to the bottoms,

Lл - длина цилиндрической части лейнера под армирующей оболочкой.Ll is the length of the cylindrical part of the liner under the reinforcing shell.

Указанный технический результат достигается в предлагаемом способе, в частности при изготовления металлопластиковых баллонов высокого давления для сжатого природного газа метана, в котором металлический лейнер баллона, имеющий цилиндрическую часть и днища, изготавливают в виде цельного кокона, при этом цилиндрическую часть лейнера формируют до заданных размеров методом холодной ротационной вытяжки с обеспечением в зонах перехода к днищам с обеих сторон утолщений, после чего металлический лейнер подвергают термической обработке для обеспечения требуемых механических свойств во всех его сечениях, затем наружную поверхность цилиндрической части лейнера покрывают антикоррозионным покрытием, после чего на цилиндрической поверхности лейнера с антикоррозионным покрытием создают упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки нитей (жгутов) армирующего материала, сформированных в ленту и пропитанных связующим, причем намотку ленты на цилиндрическую часть лейнера осуществляют с натяжением и перекрытием каждого витка ленты.The specified technical result is achieved in the proposed method, in particular in the manufacture of metal-plastic high-pressure cylinders for compressed natural methane gas, in which the metal cylinder liner, having a cylindrical part and bottoms, is made in the form of a solid cocoon, while the cylindrical part of the liner is formed to a predetermined size by the method cold rotary hood with providing in the transition areas to the bottoms on both sides of the thickenings, after which the metal liner is subjected to heat treatment for ensuring the required mechanical properties in all its sections, then the outer surface of the cylindrical part of the liner is coated with an anticorrosive coating, after which a reinforcing reinforcing sheath is made from the composite material on the cylindrical surface of the liner with the anticorrosive method by wet ring winding of threads (bundles) of reinforcing material formed into a tape and impregnated with a binder, and the winding of the tape on the cylindrical part of the liner is carried out with tension and overlap of each turn l ents.

Усилие натяжения ленты при мокрой кольцевой намотке армирующего материала на цилиндрическую часть лейнера составляет 5÷15% от разрывной прочности ленты, намотку ленты на цилиндрическую поверхность лейнера осуществляют под углом, равным ±(2÷10) градусов между направлением движения ленты и нормалью к продольной оси баллона, толщина армирующего слоя составляет 0,5÷1,5 от толщины стенки цилиндрической части лейнера, при намотке обеспечивают перекрытие ленты на величину, равную 1÷10% от ее ширины.The tension force of the tape with wet ring winding of the reinforcing material on the cylindrical part of the liner is 5 ÷ 15% of the tensile strength of the tape, the tape is wound on the cylindrical surface of the liner at an angle equal to ± (2 ÷ 10) degrees between the direction of movement of the tape and the normal to the longitudinal axis cylinder, the thickness of the reinforcing layer is 0.5 ÷ 1.5 of the wall thickness of the cylindrical part of the liner, when winding provide overlap of the tape by an amount equal to 1 ÷ 10% of its width.

Для обеспечения требуемой толщины упрочняющей армирующей оболочки намотку осуществляют послойно, количество жгутов и количество слоев определяются в зависимости от диаметра и толщины цилиндрической части лейнера, механических свойств металла, а также типа армирующих волокон.To ensure the required thickness of the reinforcing reinforcing sheath, winding is carried out in layers, the number of bundles and the number of layers are determined depending on the diameter and thickness of the cylindrical part of the liner, the mechanical properties of the metal, as well as the type of reinforcing fibers.

После сушки и полимеризации упрочняющей армирующей оболочки из композиционного материала баллон подвергается автофреттажу для обеспечения сжимающих напряжений в цилиндрической части металлического лейнера, при этом давление автофреттажа должно быть равно (1,5÷2,0)Р_раб., где Р_раб. - расчетное рабочее давление газа в баллоне.After drying and polymerization of the reinforcing reinforcing shell made of composite material, the cylinder is subjected to autofretting to ensure compressive stresses in the cylindrical part of the metal liner, while the autofretting pressure should be equal to (1.5 ÷ 2.0) Р _slave ., Where Р _slave. - estimated working gas pressure in the cylinder.

Затем на внутреннюю поверхность баллона наносят защитное покрытие, в частности на основе хлорсульфированного полиэтилена. На всю наружную поверхность баллона наносят защитное покрытие, в частности, на основе полиуретана.Then, a protective coating is applied to the inner surface of the container, in particular based on chlorosulfonated polyethylene. A protective coating is applied to the entire outer surface of the container, in particular based on polyurethane.

Проведенный поиск не выявил среди известных способов способа с заявленной совокупностью существенных признаков, позволяющих решить поставленную задачу.The search did not reveal among the known methods of the method with the claimed combination of essential features that allow to solve the problem.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан металлопластиковый баллон высокого давления в разрезе, на фиг.2 - вид А на фиг.1, на фиг.3 - операция намотки упрочняющей армирующей оболочки из композиционного материала.The invention is illustrated in the drawing, in which Fig. 1 shows a metal-plastic high-pressure cylinder in section, in Fig. 2 is a view A in Fig. 1, in Fig. 3 is a winding operation of a reinforcing reinforcing shell made of composite material.

Лейнер - это внутренняя металлическая герметизирующая оболочка баллона, несущая часть нагрузки и предназначаемая для крепления запорной арматуры на баллоне и закрепления баллона при эксплуатации.A liner is an internal metal sealing shell of a cylinder that carries part of the load and is intended for fastening shut-off valves to the cylinder and securing the cylinder during operation.

Автофреттаж - технологическая операция нагружения металлопластикового баллона внутренним давлением вызывающем в металле лейнера остаточные деформации, в результате чего, после снятия давления, в лейнере создаются сжимающие, а в армирующей оболочке из композиционного материала растягивающие напряжения в таком соотношении, что при разрушении металлопластикового баллона металлический лейнер и армирующая оболочка, имеющие различные модули упругости, разрушаются одновременно, полностью реализуя свою прочность.Autofrettage is a technological operation of loading a metal-plastic cylinder with internal pressure causing residual deformations in the liner metal, resulting in, after depressurization, compressing stresses are created in the liner and tensile stresses in the reinforcing shell of the composite material are such that when the metal-plastic cylinder is destroyed, the metal liner and a reinforcing shell having different elastic moduli is destroyed simultaneously, fully realizing its strength.

Металлопластиковый баллон состоит из металлического лейнера 1, имеющего днища и среднюю цилиндрическую часть. Цилиндрическая часть лейнера в зонах перехода к днищам имеет утолщения 2. На поверхность цилиндрической части лейнера наносят антикоррозионное покрытие 3, после чего формируют упрочняющую армирующую оболочку 4 из композиционного материала. На всю наружную поверхность металлопластикового баллона наносят защитное покрытие 5.The metal-plastic cylinder consists of a metal liner 1 having bottoms and a middle cylindrical part. The cylindrical part of the liner in the areas of transition to the bottoms has thickenings 2. An anti-corrosion coating 3 is applied to the surface of the cylindrical part of the liner, after which a reinforcing reinforcing shell 4 is formed from composite material. A protective coating 5 is applied to the entire outer surface of the metal-plastic container.

Сущность способа состоит в следующем.The essence of the method is as follows.

Металлический лейнер 1 цилиндрической формы с днищами изготавливают любым известным способом в виде цельного кокона без применения сварки.A metal liner 1 of a cylindrical shape with bottoms is made by any known method in the form of a solid cocoon without the use of welding.

Цилиндрическую часть лейнера формируют до заданных размеров методом холодной ротационной вытяжки с обеспечением в зонах перехода к днищам с обеих сторон утолщений 2 длиной, равной L=(0,7%÷10%)L_л,The cylindrical part of the liner is formed to a predetermined size by the method of cold rotational drawing, providing in the transition zones to the bottoms on both sides of the bulges 2 with a length equal to L = (0.7% ÷ 10%) L _l ,

где L - длина утолщенной цилиндрической части лейнера,where L is the length of the thickened cylindrical part of the liner,

L_л - длина цилиндрической части лейнера под армирующим слоем, и толщиной S, равной S=(1,1÷2,5)S_л,L _l - the length of the cylindrical part of the liner under the reinforcing layer, and a thickness S equal to S = (1,1 ÷ 2,5) S _l ,

S_л - толщина стенки лейнера под армирующим слоем.S _l - the liner wall thickness under the reinforcing layer.

Металлический лейнер, имеющий заданные геометрические размеры, подвергается термической обработке для обеспечения требуемых механических свойств во всех его сечениях, при этом относительное удлинение при растяжении образцов металла, вырезанных из лейнера, должно быть равно 12÷40%.A metal liner having predetermined geometric dimensions is subjected to heat treatment to ensure the required mechanical properties in all its sections, while the elongation under tension of metal samples cut from the liner should be 12–40%.

Наружная поверхность цилиндрической части лейнера покрывается антикоррозионным покрытием 3, состоящим из 1-2 слоя грунта и 1-2 слоя краски - эпоксидной эмали. Антикоррозионное покрытие 3 может представлять собой полимерную пленку или полиуретановый лак.The outer surface of the cylindrical part of the liner is covered with an anti-corrosion coating 3, consisting of 1-2 layers of soil and 1-2 layers of paint - epoxy enamel. Corrosion-resistant coating 3 may be a polymer film or polyurethane varnish.

На цилиндрической поверхности лейнера с антикоррозионным покрытием создается упрочняющая армирующая оболочка 4 из композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки нитей или ровингов армирующего материала, сформированных в ленту 6 и пропитанных связующим, при этом в качестве армирующего материала могут применяться нити или ровинги стекловолокна, органоволокна, угольного, борового, базальтового и др. волокна, а в качестве связующего - эпоксидные, полиэфирные и др. смолы и составы на их основе.A reinforcing reinforcing shell 4 of composite material is created on the cylindrical surface of the liner with an anticorrosive coating by wet ring winding of threads or rovings of reinforcing material formed into a tape 6 and impregnated with a binder, while fiberglass, organ fiber, carbon, boron, basalt and other fibers, and as a binder - epoxy, polyester and other resins and compositions based on them.

Натяжение ленты 6 при мокрой кольцевой намотке армирующего материала на цилиндрическую поверхность лейнера должно составлять (5÷15)% от разрывной прочности ленты, намотка ленты на цилиндрическую поверхность лейнера осуществляется под углом α, равным ±(2÷10) градусов между направлением движения ленты и нормалью к продольной оси баллона, толщина армирующего слоя составляет 0,5÷1,5 от толщины стенки цилиндрической части лейнера, при намотке обеспечивается перекрытие ленты на величину, равную (1÷10)% от ширины ленты.The tension of the tape 6 with wet ring winding of the reinforcing material on the cylindrical surface of the liner should be (5 ÷ 15)% of the tensile strength of the tape, the tape is wound on the cylindrical surface of the liner at an angle α equal to ± (2 ÷ 10) degrees between the direction of movement of the tape and normal to the longitudinal axis of the container, the thickness of the reinforcing layer is 0.5 ÷ 1.5 of the wall thickness of the cylindrical part of the liner, during winding, the tape overlaps by an amount equal to (1 ÷ 10)% of the tape width.

Для обеспечения требуемой толщины упрочняющей армирующей оболочки намотку осуществляют послойно, количество жгутов и слоев определяется в зависимости от диаметра и толщины цилиндрической части лейнера, механических свойств металла, а также типа армирующих волокон.To ensure the required thickness of the reinforcing reinforcing sheath, winding is carried out in layers, the number of bundles and layers is determined depending on the diameter and thickness of the cylindrical part of the liner, the mechanical properties of the metal, as well as the type of reinforcing fibers.

После сушки и полимеризации упрочняющей армирующей оболочки баллон подвергается автофреттажу, при этом давление автофреттажа должно быть равно (1,5÷2,0)Р_раб. Затем на внутреннюю поверхность баллона наносится защитное покрытие на основе хлорсульфированного полиэтилена. После нанесения на баллон маркировок и надписей на упрочняющую армирующую оболочку наносится защитное антикоррозионное покрытие 5 - полиуретановый лак, толщина покрытия 50-100 мкм.After drying and polymerization of the reinforcing reinforcing shell, the cylinder is subjected to autofretting, while the autofretting pressure should be equal to (1.5 ÷ 2.0) Р _slave . Then, a protective coating based on chlorosulfonated polyethylene is applied to the inner surface of the cylinder. After applying markings and inscriptions to the reinforcing reinforcing shell, a protective anticorrosive coating 5 is applied - polyurethane varnish, coating thickness 50-100 microns.

Технология формирования упрочняющей армирующей оболочки из жгутов стеклоровинга состоит в следующем. Для изготовления армирующей оболочки используются следующие типы ровингов: ВМН ТУ 6-48-70-91, РВМПН ТУ 6-48-05786904-142-94, РБН ГОСТ 17139-79, РБН ТУ 5952-045-05763895-2004.The technology for forming a reinforcing reinforcing shell from glass roving harnesses is as follows. The following types of rovings are used for the manufacture of a reinforcing shell: VMN TU 6-48-70-91, RVMPN TU 6-48-05786904-142-94, RBN GOST 17139-79, RBN TU 5952-045-05763895-2004.

При изготовлении металлопластиковых баллонов формирование упрочняющей армирующей стеклопластиковой оболочки выполняется методом "мокрой" кольцевой намотки. Жгуты стеклоровинга, сформированные в ленту и покрытые связующим, наматываются на цилиндрическую часть лейнера. При этом формирование стеклопластика как конструкционного материала, происходит непосредственно в процессе изготовления изделия; физико-механические и др. характеристики такой оболочки зависят не только от вида стеклоровинга и связующего, но и от параметров технологического процесса ее изготовления. Намотку осуществляют на цилиндрическую часть лейнера, поверхность которой загрунтована и окрашена эпоксидной эмалью. Намотку осуществляют непрерывной, укладкой с перекрытием ленты, сформированной из жгутов ровинга и пропитанной связующим.In the manufacture of metal-plastic cylinders, the formation of a reinforcing reinforcing fiberglass shell is carried out by the method of "wet" ring winding. Glass roving bundles formed into a ribbon and coated with a binder are wound around the cylindrical part of the liner. In this case, the formation of fiberglass as a structural material occurs directly in the manufacturing process of the product; physico-mechanical and other characteristics of such a shell depend not only on the type of glass roving and binder, but also on the parameters of the technological process of its manufacture. Winding is carried out on the cylindrical part of the liner, the surface of which is primed and painted with epoxy enamel. Winding is carried out by continuous laying with overlapping tape formed from roving ropes and impregnated with a binder.

Для ровингов РБН 13-2520-76 и РВМН 10-2400-80 ширина ленты, состоящей из 10-ти жгутов, составляет 46±2 мм, шаг намотки 44±0,5 мм, для ровинга РВМН 10-1260-80 ширина ленты, состоящей из 10-ти жгутов составляет 40±2 мм, шаг намотки 38±0,5 мм.For rovings RBN 13-2520-76 and RVMN 10-2400-80, the width of the tape, consisting of 10 bundles, is 46 ± 2 mm, the winding pitch is 44 ± 0.5 mm, for roving RVMN 10-1260-80 the width of the tape consisting of 10 bundles is 40 ± 2 mm, winding pitch 38 ± 0.5 mm.

Для обеспечения формирования оптимальной структуры стеклопластиковой оболочки намотку необходимо вести с усилием натяжения ленты, равным 10±5% от ее разрывной прочности, указанное усилие натяжения ленты при намотке является достаточным для обеспечения требуемой прочности баллона. Намотка с меньшим натяжением не обеспечивает оптимальное содержание и равномерность распределения нитей стеклоровинга в армирующем слое и приводит к снижению прочности стеклопластиковой оболочки. Превышение рекомендуемой величины усилия натяжения ленты приводит к повышению обрывности волокон, пушению ровингов, вызывающих разориентацию и искривление волокон в армирующем слое, что также приводит к снижению прочности армирующей оболочки и баллона в целом.To ensure the formation of the optimal structure of the fiberglass shell, the winding must be carried out with a tension of the tape equal to 10 ± 5% of its tensile strength, the specified tension of the tape during winding is sufficient to ensure the required strength of the balloon. Winding with less tension does not provide the optimal content and uniform distribution of glass roving threads in the reinforcing layer and leads to a decrease in the strength of the fiberglass shell. Exceeding the recommended value of the tension force of the tape leads to an increase in the breakage of the fibers, the roaming of the rovings causing disorientation and curvature of the fibers in the reinforcing layer, which also leads to a decrease in the strength of the reinforcing shell and the container as a whole.

Оптимальное значение усилия натяжения ленты из 10 жгутов составляет:The optimal value of the belt tension force of 10 bundles is:

Для ровинга маркиFor brand roving РБН-13-2520RBN-13-2520 -- 55-85 кгс55-85 kgf Для ровинга маркиFor brand roving РВМН-10-1260RVMN-10-1260 -- 40-60 кгс.40-60 kgf.

По предложенному способу были изготовлены баллоны с лейнером из стали 35ХМА и армирующим слоем из стеклопластика.According to the proposed method, cylinders with a liner made of steel 35XMA and a reinforcing layer of fiberglass were made.

Лейнеры из стали марки 35ХМА подвергнуты следующей термической обработке: закалка в масле от температуры 850±10°C, отпуск при температуре 490±10°С в течение 4-х часов с охлаждением в воде.Liners made of steel grade 35XMA were subjected to the following heat treatment: quenching in oil from a temperature of 850 ± 10 ° C, tempering at a temperature of 490 ± 10 ° C for 4 hours with cooling in water.

Механические свойства стали 35ХМА после термической обработки указанны в табл.1.The mechanical properties of steel 35XMA after heat treatment are listed in table 1.

Таблица 1Table 1 Наименование показателяName of indicator Величина показателяIndicator value Временное сопротивление, σ_в, МПа,Temporary resistance, σ _in , MPa, 950-1050950-1050 Условный предел текучести σ_0,2, МПа,Conditional yield strength σ _0.2 , MPa, 795-830795-830 Относительное удлинение, δ₅, %,Elongation, δ ₅ ,%, 14-2514-25 Ударная вязкость, KCV-50 150/2/2, Дж/см² Impact strength, KCV-50 150/2/2, J / cm ² Среднее значение по трем образцамThe average of three samples 50fifty Отдельный образецSingle sample 40 (минимум)40 (minimum)

Наружная поверхность лейнеров окрашена. Лакокрасочное покрытие нанесено в следующем порядке:The outer surface of the liners is painted. The paintwork is applied in the following order:

1. Грунтовка ВЛ-02 (1 слой) ГОСТ 12707.1. Primer VL-02 (1 coat) GOST 12707.

2. Грунтовка АК-070 (1 слой) ГОСТ 25718.2. Primer AK-070 (1 coat) GOST 25718.

3. Эмаль ЭП-5287 красная (1 слой) ТУ 6-21-87-97.3. Enamel EP-5287 red (1 layer) TU 6-21-87-97.

Толщина лакокрасочного покрытия 60-70 мкм.The thickness of the coating is 60-70 microns.

Внешний армирующий слой изготовлен из стеклопластика на основе ровинга РБН 13-2520-76 ТУ 6-48-05786904-142-94 и связующего ЭДТ-10 ОСТ 3-4759-80 методом мокрой кольцевой намотки нитей ровинга на цилиндрическую часть лейнера.The outer reinforcing layer is made of fiberglass based on RBN 13-2520-76 TU 6-48-05786904-142-94 roving and EDT-10 OST 3-4759-80 binder by wet ring winding of roving threads onto the cylindrical part of the liner.

Технические характеристики изготовленных металлопластиковых баллонов.Technical characteristics of manufactured metal-plastic cylinders.

Пример 1. Баллон БА-28-20-254/720Example 1. Balloon BA-28-20-254 / 720

Рабочее давление - 20 МПа.Working pressure - 20 MPa.

Вместимость баллона - 28 литров.The capacity of the cylinder is 28 liters.

Вес баллона - 20 кг.Cylinder weight - 20 kg.

Наружный диаметр - 254 мм.The outer diameter is 254 mm.

Внутренний диаметр - 240 мм.The inner diameter is 240 mm.

Длина - 720 мм.Length - 720 mm.

Длина цилиндрической части лейнера - 440 мм.The length of the cylindrical part of the liner is 440 mm.

Длина утолщенной части цилиндра - 10 мм и 30 мм, соответственно равна 2,1% и 8,3%.The length of the thickened part of the cylinder is 10 mm and 30 mm, respectively, equal to 2.1% and 8.3%.

Толщина цилиндрической части лейнера - 3,5 (+0,1, -0,2) мм.The thickness of the cylindrical part of the liner is 3.5 (+0.1, -0.2) mm.

Толщина утолщенной части цилиндра - 5,2 (+0,5, -0,2) мм.The thickness of the thickened part of the cylinder is 5.2 (+0.5, -0.2) mm.

Величина утолщения с учетом допусков составляет 1,38-1,72.The magnitude of the thickening, taking into account the tolerances, is 1.38-1.72.

Пример 2. БА-70-20-254/1660Example 2. BA-70-20-254 / 1660

Рабочее давление - 20 МПа.Working pressure - 20 MPa.

Вместимость баллона - 70 литров.The capacity of the cylinder is 70 liters.

Вес баллона - 44 кг.Cylinder weight - 44 kg.

Наружный диаметр -254 мм.Outside diameter -254 mm.

Внутренний диаметр - 240 мм.The inner diameter is 240 mm.

Длина - 1660 мм.Length - 1660 mm.

Длина цилиндрической части лейнера Lл=1400 мм.The length of the cylindrical part of the liner Ll = 1400 mm.

Длина утолщенной части цилиндра L=10 мм и 40 мм составляет соответственно 0,7% и 2,8%.The length of the thickened part of the cylinder L = 10 mm and 40 mm is respectively 0.7% and 2.8%.

Величина утолщения с учетом допусков равна 1,38-1,72.The magnitude of the thickening, taking into account the tolerances, is 1.38-1.72.

Пример 3. БА-54-20-322/882Example 3. BA-54-20-322 / 882

Рабочее давление - 20 МПа.Working pressure - 20 MPa.

Вместимость баллона - 54 литра.The capacity of the cylinder is 54 liters.

Вес баллона - 41,6 кг.The weight of the cylinder is 41.6 kg.

Наружный диаметр - 322 мм.The outer diameter is 322 mm.

Внутренний диаметр - 304 мм.The inner diameter is 304 mm.

Длина - 882 мм.Length - 882 mm.

Длина цилиндрической части лейнера Lл=589 мм.The length of the cylindrical part of the liner Ll = 589 mm.

Длина утолщений цилиндрической части L=10 мм и 40 мм соответственно равна 1,6% и 6,8%.The length of the bulges of the cylindrical part L = 10 mm and 40 mm, respectively, is 1.6% and 6.8%.

Толщина цилиндрической части лейнера - 4,4 (+0,1, -0,2)мм.The thickness of the cylindrical part of the liner is 4.4 (+0.1, -0.2) mm.

Толщина утолщенной части цилиндра - 7,0 (+0,2, -0,3) мм.The thickness of the thickened part of the cylinder is 7.0 (+0.2, -0.3) mm.

Величина утолщения с учетом допусков равна 1,58-1,83.The magnitude of the thickening, taking into account tolerances, is 1.58-1.83.

Пример 4. БА-97-20-322/1660Example 4. BA-97-20-322 / 1660

Рабочее давление - 20 МПа.Working pressure - 20 MPa.

Вместимость баллона - 97 литров.The capacity of the container is 97 liters.

Вес баллона - 66,4 кг.Cylinder weight - 66.4 kg.

Наружный диаметр - 322 мм.The outer diameter is 322 mm.

Внутренний диаметр - 304 мм.The inner diameter is 304 mm.

Длина - 1470 мм.Length - 1470 mm.

Длина цилиндрической части лейнера Lл=1077 мм.The length of the cylindrical part of the liner Ll = 1077 mm.

Длина утолщенной части цилиндра - 10 мм и 40 мм соответственно равна 0,9% и 3,7%.The length of the thickened part of the cylinder is 10 mm and 40 mm, respectively, equal to 0.9% and 3.7%.

Толщина цилиндрической части лейнера - 4,4 (+0,1, -0,2) мм.The thickness of the cylindrical part of the liner is 4.4 (+0.1, -0.2) mm.

Изготовление металлопластиковых баллонов по предложенному способу осуществлено с использованием следующих технологических операций, показанных в таблице 2.The manufacture of metal-plastic cylinders according to the proposed method is carried out using the following technological operations shown in table 2.

Таблица 2table 2 № п/пNo. p / p Основные технологические операцииBasic technological operations Технологические параметрыTechnological parameters Геометрические параметрыGeometric parameters 1.one. Холодная ротационная вытяжка цилиндрической поверхности заготовки лейнера с формированием на концевых участках цилиндра утолщений (стан ротационной вытяжки - ППТ 200).Cold rotation extraction of the cylindrical surface of the liner blank with the formation of thickenings at the end sections of the cylinder (rotation extraction mill - PPT 200). Длина утолщенной части цилиндра от 0,7 до 8,3%;
Утолщение цилиндрической части равно от 1,38 до 1,83.The length of the thickened part of the cylinder is from 0.7 to 8.3%;
The thickening of the cylindrical part is from 1.38 to 1.83. 22 Термическая обработка лейнера из стали марки 35ХМА.Heat treatment of a liner made of steel grade 35XMA. Закалка в масло от температуры 850°С, отпуск при температуре 490°С в течение 4-х часовQuenching in oil from a temperature of 850 ° C, tempering at a temperature of 490 ° C for 4 hours Механические характеристики стали:
Предел прочности 950-1050 МПа, относительное удлинение 14%-25%.Mechanical characteristics of steel:
Tensile strength 950-1050 MPa, elongation of 14% -25%. 3.3. Нанесение защитного покрытия на наружную поверхность цилиндрической части лейнера.
Лакокрасочное покрытие наносится в следующем порядке:
1 - грунтовка ВЛ-02 один слой (ГОСТ 12707)
2 - грунтовка АК-070 один слой (ГОСТ 25718)
3 - эмаль ЭП-5287 красная один слой (ТУ 6-21-87-97)Drawing a protective coating on the outer surface of the cylindrical part of the liner.
The paintwork is applied in the following order:
1 - primer VL-02 one coat (GOST 12707)
2 - primer AK-070 one coat (GOST 25718)
3 - enamel EP-5287 red single layer (TU 6-21-87-97) Толщина покрытия 60-70 мкмCoating thickness 60-70 microns 4.four. Формирование упрочняющей армирующей оболочки на цилиндрической части лейнера методом мокрой кольцевой намотки осуществляется с использованием стеклоровинга РБН-13-2520-76 (ТУ 5952-045-05763895-2004) и связующего ЭДТ-10 ОСТ 3-4759-80The formation of a reinforcing reinforcing shell on the cylindrical part of the liner by the method of wet ring winding is carried out using glass RBN-13-2520-76 (TU 5952-045-05763895-2004) and a binder EDT-10 OST 3-4759-80 1. Для ровинга РБН 13-2520-76 ширина ленты, состоящей из 10-ти жгутов составляет 46 мм, шаг намотки 44 мм.1. For roving RBN 13-2520-76, the width of the tape consisting of 10 bundles is 46 mm, the winding pitch is 44 mm. Величина перекрытия ленты составляет 1 мм (2% от ширины ленты).The tape overlap is 1 mm (2% of the tape width). 2. При намотке величина натяжения ленты из 10 жгутов для ровинга РБН -13-2520 составляет 55-85 кгс.2. When winding, the tape tension value of 10 bundles for roving RBN-13-2520 is 55-85 kgf. 3. Угол намотки±5 градусов.3. Winding angle ± 5 degrees. 4. Количество слоев при намотке составляет для баллонов диаметром 254 мм - 8 слоев для баллонов диаметром 322 мм - 14 слоев.4. The number of layers during winding is for cylinders with a diameter of 254 mm - 8 layers for cylinders with a diameter of 322 mm - 14 layers. 5.5. На внутреннюю поверхность баллонов, подвергнутую дробеструйной обработке, наносится защитное покрытие марки "Композиция ПСП" по ТУ 5775-001-18709294-00.On the inner surface of the cylinders subjected to bead-blasting, a protective coating of the brand "Composition PSP" according to TU 5775-001-18709294-00 is applied. Толщина покрытия 150 мкм.Coating thickness 150 microns. 6.6. После нанесения армирующего слоя баллоны подвергаются автофреттажу внутренним гидравлическим давлением.After applying the reinforcing layer, the cylinders are subjected to autofretting with internal hydraulic pressure. Фактическая величина давления автофреттажа составляет 1,76-1,91 от рабочего давления.The actual pressure of the autofretage is 1.76-1.91 of the working pressure. 7.7. После нанесения на баллон маркировок и надписей на армирующую оболочку наносится защитное покрытие - полиуретановый лакAfter applying markings and inscriptions to the balloon, a protective coating is applied to the reinforcing shell - polyurethane varnish Толщина покрытия 50-100 мкм.Coating thickness 50-100 microns.

Изготовленные по предложенному способу баллоны прошли квалификационные испытания на соответствие требованиям Правил Госгортехнадзора РФ ПБ03-576-03.The cylinders made according to the proposed method passed qualification tests for compliance with the requirements of the Rules of Gosgortekhnadzor of the Russian Federation PB03-576-03.

Результаты испытаний приведены в таблице №3.The test results are shown in table No. 3.

Результаты приемосдаточных испытаний облегченных металлопластиковых газовых баллонов БА-28-20-254/852, БА-70-20-254/1660, БА-54-20-322/882, БА-97-20-322/1660, изготовленных по предлагаемому способу, представлены в таблице 3.The results of acceptance tests of lightweight metal-plastic gas cylinders BA-28-20-254 / 852, BA-70-20-254 / 1660, BA-54-20-322 / 882, BA-97-20-322 / 1660, manufactured according to the proposed the method are presented in table 3.

Таблица 3Table 3 №No. Виды испытанийTypes of tests Значение характеристик и результат испытанийCharacteristic value and test result 1one Испытание материала баллона на растяжение, ГОСТ 10006, ГОСТ 9012Tensile testing of balloon material, GOST 10006, GOST 9012 Предел прочности >935 МПаTensile strength> 935 MPa Предел текучести >785 МПаYield strength> 785 MPa Относительное удлинение >14%Elongation> 14% Относительное сужение>58%Relative contraction> 58% 22 Испытание материала баллона на загиб, ИСО 11439Bend test for cylinder material, ISO 11439 Трещин не обнаруженоNo cracks found 33 Испытание материала баллона на ударный изгиб, ГОСТ 9454Test of material of the cylinder for impact bending, GOST 9454 KCV - 50°C, 150/2/5>50 Дж/см² KCV - 50 ° C, 150/2/5> 50 J / cm ² 4four Металлографическое определение толщины обезуглероженного слоя, ГОСТ 1763Metallographic determination of decarburized layer thickness, GOST 1763 Толщина обезуглероженного слоя не более 5% от толщины стенки, структура стали - зернистый сорбитThe thickness of the decarburized layer is not more than 5% of the wall thickness, the steel structure is granular sorbitol 55 Ультозвуковая дефектоскопия, ГОСТ 17410Ultrasonic flaw detection, GOST 17410 Металлургических дефектов (поры, трещины и т.п.) не выявленоMetallurgical defects (pores, cracks, etc.) were not detected 66 Гидравлические испытания баллонов пробным давлением 30 МПаHydraulic testing of cylinders with test pressure of 30 MPa Деформаций не выявленоNo deformities detected 77 Пневматические испытания баллонов на герметичность давлением 20 МПаPneumatic pressure testing of cylinders with a pressure of 20 MPa Течи не выявленоNo leak detected 88 Гидравлические испытания до разрушения для подтверждения требуемого запаса прочности менее 2,6. ГОСТ 2405Hydraulic tests to failure to confirm the required margin of safety less than 2.6. GOST 2405 Фактическое давление разрушения не менее 62,7 МПа, характер разрушения безосколочныйThe actual fracture pressure is not less than 62.7 MPa, the fracture pattern is non-fragmentation 99 Гидравлические циклические испытания давлением от 0,2 МПа до 25 МПа, частота нагружений 10 циклов в минуту, ИСО 11439.Hydraulic cyclic pressure tests from 0.2 MPa to 25 MPa, loading frequency 10 cycles per minute, ISO 11439. После 40000 циклов нагружения течи и разрушений баллона не выявлено.After 40,000 loading cycles, leakage and destruction of the balloon were not detected.

Результаты испытаний положительные, баллоны соответствую требованиям Правил ПБ 03-576-03.The test results are positive, the cylinders comply with the requirements of Rules PB 03-576-03.

Claims

1. A method of manufacturing a metal-plastic high-pressure cylinders, characterized in that the metal cylinder liner having a cylindrical part and bottoms is made in the form of a solid cocoon, the cylindrical part of the liner is formed to a predetermined size by cold rotation drawing, providing in the transition zones to the bottoms on both sides thickenings, after which the metal liner is subjected to heat treatment to ensure the required mechanical properties in all its sections, then the outer surface is cylindrical parts of the liner are coated with an anticorrosive coating, on the cylindrical surface of the liner with an anticorrosive coating, a reinforcing reinforcing sheath is made of a composite material by wet ring winding of threads of reinforcing material formed into a tape and impregnated with a binder, and the tape is wound on the cylindrical part of the liner with tension and overlap of each turn of the tape .

2. The method according to claim 1, characterized in that the tension force of the tape with wet ring winding of the reinforcing material on the cylindrical part of the liner is 5 ÷ 15% of the tensile strength of the tape.

3. The method according to claim 1, characterized in that the winding of the tape on the cylindrical surface of the liner is carried out at an angle equal to ± (2 ÷ 10) ° between the direction of movement of the tape and the normal to the longitudinal axis of the container.

4. The method according to claim 1, characterized in that during winding, the tape is overlapped by an amount equal to 1 ÷ 10% of the tape width.

5. The method according to claim 1, characterized in that the winding of the reinforcing reinforcing sheath is carried out in layers.

6. The method according to one of claims 1 to 5, characterized in that after drying and polymerization of the reinforcing reinforcing shell made of composite material, the cylinder is subjected to autofretting to ensure compressive stresses in the cylindrical part of the liner, while the autofretting pressure is 1.5 ÷ 2.0 from the working pressure of the gas in the cylinder.

7. The method according to claim 6, characterized in that a protective coating is applied to the inner surface of the cylinder.

8. The method according to claim 6, characterized in that a protective coating is applied to the entire outer surface of the metal-plastic balloon.

9. A metal-plastic high-pressure cylinder containing a metal liner having bottoms and a middle cylindrical part, and an external reinforcing reinforcing shell made of composite material, characterized in that the cylindrical part of the liner in the transition zones to the bottoms has thickenings on both sides, and between the reinforcing reinforcing shell and the outer surface of the liner has a corrosion-resistant coating, and the balloon is made by the method according to claims 1-8.

10. The metal-plastic cylinder according to claim 9, characterized in that the metal liner of the cylinder is made integral.

11. The metal-plastic cylinder according to claim 9, characterized in that the thickenings on the cylindrical part of the liner are made with a length equal to 0.7 ÷ 10% of the length of the cylindrical part of the liner and a thickness of 1.1 ÷ 2.5 from the wall thickness of the cylindrical part the liner.

12. The metal-plastic cylinder according to claim 9, characterized in that the reinforcing reinforcing shell made of composite material has a thickness of 0.5 ÷ 1.5 of the wall thickness of the cylindrical part of the liner and is formed by wet ring winding of a tape of reinforcing material impregnated with a binder and wound on a cylindrical part of the liner with tension and overlap of each turn of the tape.

13. The metal-plastic cylinder according to claim 9, characterized in that the anticorrosion coating between the reinforcing reinforcing sheath and the liner is a polymer film.

14. The metal-plastic container according to claim 9, characterized in that the anticorrosion coating between the reinforcing reinforcing sheath and the liner has a polyurethane base.

15. The metal-plastic cylinder according to claim 9, characterized in that the anticorrosive coating between the reinforcing reinforcing sheath and the liner has an epoxy base.