RU2432521C2 - Metal composite high pressure vessel - Google Patents
Metal composite high pressure vessel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2432521C2 RU2432521C2 RU2009117817/06A RU2009117817A RU2432521C2 RU 2432521 C2 RU2432521 C2 RU 2432521C2 RU 2009117817/06 A RU2009117817/06 A RU 2009117817/06A RU 2009117817 A RU2009117817 A RU 2009117817A RU 2432521 C2 RU2432521 C2 RU 2432521C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compensator
- liner
- modulus
- cylinder
- threads
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lens Barrels (AREA)
- Lenses (AREA)
- Packaging Frangible Articles (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.The invention relates to the field of gas equipment, namely to metal composite high-pressure cylinders used, in particular, in portable oxygen breathing apparatus for climbers, rescuers, in portable products of cryogenic and fire fighting equipment, gas supply systems and other industries.
Выпускаемые в настоящее время металлокомпозитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную металлическую герметичную оболочку-лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера жгутов высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного связующим.Currently produced metal composite high-pressure cylinders contain an internal thin-walled metal sealed sheath-liner and an external power shell of composite material formed by winding binder impregnated high-modulus fibers (for example, carbon fiber) onto the surface of the liner.
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам высокого давления, приоритетными являются: снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.Among the requirements for high-pressure gas cylinders, priority are: reducing the specific material consumption of the cylinder, determined by the ratio of the mass of the cylinder to its volume, and ensuring a high resource in the number of loading cycles during safe operation of the cylinder.
Известны многочисленные примеры создания баллонов давления с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см., например, патенты US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567).Numerous examples are known of creating pressure cylinders using a metal liner from various alloys (see, for example, US Pat. Nos. 5,494,188, US 5,538,680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US2003111473, US6810567).
Однако данные конструкции не полностью обеспечивают решение главных задач в конструкции баллона: обеспечение надежности при большой цикличности нагружения его высоким давлением при минимально возможном весе и стоимости изготовления соизмеримой или ниже, чем у цельнометаллических баллонов.However, these designs do not fully provide the solution to the main problems in the design of the container: ensuring reliability with high cyclic loading of its high pressure at the lowest possible weight and cost of manufacture is comparable or lower than that of all-metal cylinders.
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см., например, патенты US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695, RU 2077682, RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB1161846, EP 0497687, US 5287988), реализация которых позволяет частично решить задачу обеспечения большей цикличности нагружения его высоким давлением при весе ниже, чем у цельнометаллических баллонов.Numerous examples are known of creating composite pressure cylinders using thin-walled metal liners from various alloys (see, for example, US Pat. Nos. 3,066,822, 3,446,385, 5,292,027, 5,822,838, 5,918,759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO2005022026 , RU 2149126, RU 2094695, RU 2077682, RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB1161846, EP 0497687, US 5287988) to solve the problem of ensuring a greater cyclic loading of its high pressure with a weight lower than that of all-metal cylinders.
Первому из указанных выше требований, в частности, отвечают известные металлопластиковые баллоны со сварными и штампованно-сварными стальными лейнерами, содержащими среднюю цилиндрическую часть и приваренные к ней два днища, по крайней мере, одно из которых снабжено штуцером, соединенным с днищем сварным швом.The first of the above requirements, in particular, is met by well-known metal-plastic cylinders with welded and stamped-welded steel liners containing a middle cylindrical part and two bottoms welded to it, at least one of which is equipped with a fitting connected to the bottom by a welded seam.
Аналогами предлагаемого конструктивного решения исполнения тонкостенного лейнера для металлокомпозитного баллона также являются решения по патентам RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, RU 2001115743, RU 2000131724, RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, EP 0497687.The solutions of patents RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, RU 2001115743, RU 2000131724, RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, EP 0497687 are also analogues of the proposed design solution for the implementation of a thin-walled liner for a metal composite cylinder.
В конструкциях по патентам RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602 лейнер выполнен из стали с толщиной стенок 0,5-0,9 мм, при этом он выполнен сварным и содержит среднюю цилиндрическую часть и две донные части, соединенные со средней посредством подкладных колец.In designs according to patents RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, the liner is made of steel with a wall thickness of 0.5-0.9 mm, while it is welded and contains a middle cylindrical part and two bottom parts connected to the middle by means of washer rings.
Практически аналогичные решения предлагаются в заявках и патентах WO 2005220268, WO 2005075880, US 3446385, WO 2005106894.Almost similar solutions are proposed in applications and patents WO 2005220268, WO 2005075880, US 3446385, WO 2005106894.
В конструкции баллона по заявке RU 2001115743 для металлопластикового баллона высокого давления, содержащего композитную оболочку и тонкостенный металлический лейнер, поставленная задача решается тем, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2%) и деформации упругости металла (0.2%), вес конструкции и ее стоимость имеют очень высокие значения, что делает баллон данной конструкции практически не конкурентоспособным с металлическими аналогами.In the design of the container according to the application RU 2001115743 for a high-pressure metal-plastic container containing a composite shell and a thin-walled metal liner, the problem is solved in that the liner wall thickness and the thickness of the composite shell are selected from the condition that the main supporting element of the cylinder is a composite shell and the material is metallic the liner at operating pressure is in the field of elastic deformation. The disadvantage of this solution is that due to the large difference in the values of the ultimate strain of fracture of the composite (up to 2%) and the strain of elasticity of the metal (0.2%), the weight of the structure and its cost are very high, which makes the cylinder of this design almost uncompetitive with metal counterparts.
В конструкциях баллонов по патентам RU 2094695, RU 2187746, RU 2094695, GB 1161846, ЕР 0497687 предлагается использование металлического лейнера, выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер. Кроме того, лейнер может быть снабжен дополнительными кольцами и кольцевыми ребрами жесткости, установленными в кольцевых гофрах с наружной стороны и возможностью перемещения их по кольцу.In the designs of cylinders according to the patents RU 2094695, RU 2187746, RU 2094695, GB 1161846, EP 0497687, the use of a metal liner made with longitudinal and circular corrugations is proposed. In this case, the outer cavities of the longitudinal corrugations can be filled with elastic material. As an elastic material, an elastomer is used. In addition, the liner can be equipped with additional rings and ring stiffeners installed in the ring corrugations from the outside and the ability to move them around the ring.
Наличие металлического лейнера в конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, т.е. выбора оптимального соотношения толщины стенки лейнера и толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днищ лейнера.The presence of a metal liner in the design of the cylinder requires solving the problem of optimal design of the combined structure, i.e. choosing the optimal ratio of the liner wall thickness to the thickness of the composite, choosing the appropriate composite reinforcement scheme and choosing the appropriate profile shape of the liner bottoms.
Известен металлопластиковый баллон высокого давления, содержащий штампованно-сварной герметичный стальной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала. Лейнер содержит среднюю цилиндрическую часть, два днища и имеет толщину стенок, равную (0.5-0.9) мм. Днища соединены со средней частью посредством сварки через подкладные кольца, обеспечивающие гладкую внешнюю поверхность лейнера в месте сварного шва. По крайней мере, к одному из днищ приварен штуцер (см. RU 2077682 C1, 20.04.1997).Known metal-plastic high-pressure cylinder containing a stamped-welded sealed steel liner and an external power shell made of composite material. The liner contains the middle cylindrical part, two bottoms and has a wall thickness equal to (0.5-0.9) mm. The bottoms are connected to the middle part by welding through washers, providing a smooth outer surface of the liner in place of the weld. At least one fitting is welded to one of the bottoms (see RU 2077682 C1, 04/20/1997).
Для изготовления лейнера используют стальную заготовку из тонкого листового проката. Цилиндрическую часть лейнера получают из листовой стальной заготовки, свернутой в цилиндр и сваренной встык, например, электронно-лучевой сваркой. Днища выполняют известным методом холодной вытяжки из того же листового проката. При этом, поскольку глубина днищ незначительна, как правило, не более 0.32 наружного диаметра, их толщина после вытяжки соизмерима с толщиной цилиндрической заготовки. Днища по периметру приваривают к цилиндрической части через подкладные кольца. При этом используют, например, электронно-лучевую или лазерную сварку. Сварная, штампованно-сварная технологии позволяют изготовить стальные лейнеры с достаточно тонкими стенками, и, тем самым, обеспечить сравнительно невысокую удельную материалоемкость баллона.For the manufacture of the liner using a steel billet of thin sheet metal. The cylindrical part of the liner is obtained from sheet steel billets rolled into a cylinder and butt welded, for example, by electron beam welding. The bottoms are performed by the known method of cold drawing from the same sheet metal. Moreover, since the depth of the bottoms is insignificant, as a rule, no more than 0.32 of the outer diameter, their thickness after drawing is comparable with the thickness of the cylindrical workpiece. Bottoms around the perimeter are welded to the cylindrical part through washers. In this case, for example, electron beam or laser welding is used. Welded, stamped-welded technologies make it possible to manufacture steel liners with rather thin walls, and, thereby, provide a relatively low specific material consumption of the cylinder.
Однако известные конструкции металлопластиковых баллонов со сварными или штампованно-сварными стальными лейнерами имеют сравнительно невысокий ресурс по числу циклов нагружения вследствие возможного разрушения лейнера в области сварного соединения днища.However, the known constructions of metal-plastic cylinders with welded or stamped-welded steel liners have a relatively low resource in the number of loading cycles due to the possible destruction of the liner in the region of the welded bottom joint.
Известен композитный баллон высокого давления, содержащий тонкостенный металлический сварной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях. Баллон снабжен кольцами из нержавеющей стали, установленными с наружной и внутренней стороны лейнера в местах соединения цилиндрической оболочки с днищами (см. RU 2140602 C1, 27.10.1999).A composite high-pressure cylinder is known, comprising a thin-walled metal welded liner and an external power shell made of composite material formed by a combination of groups of layers of high-modulus and low-modulus strands of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions. The cylinder is equipped with stainless steel rings mounted on the outside and inside of the liner at the junction of the cylindrical shell with bottoms (see RU 2140602 C1, 10.27.1999).
Недостатком известной конструкции баллона со сварным стальным лейнером является сравнительно невысокий ресурс по числу циклов нагружения вследствие возможного разрушения лейнера в области сварного соединения днища.A disadvantage of the known design of a cylinder with a welded steel liner is the relatively low resource in the number of loading cycles due to the possible destruction of the liner in the region of the welded bottom joint.
Результаты всесторонних исследований усталостных характеристик кольцевых сварных швов стальных труб показывают, что даже мелкие дефекты в сварном шве могут иметь существенное влияние на его работоспособность. Важной особенностью кольцевых сварных соединений является необходимость их выравнивания (подгонки). Любой перекос в данном случае приведет к возникновению локального вторичного изгиба в случае нагрузки на соединение в поперечном направлении относительно сварного шва и перекос в стыковке деталей является основной причиной сравнительно низких усталостных характеристик сварного шва. Другим существенным моментом сварки кольцевых швов является характер остаточных напряжений сварки. Не существует жестких и установленных правил, определяющих природу остаточных напряжений в сварных кольцевых швах, но практический опыт, основанный на результатах измерений, совместно с анализом, проводимым методом конечных элементов, показывает, что они всегда являются растягивающими в прикорневой зоне кольцевых сварных швов. В этом случае, даже если бы внешнее напряжение циклически изменялось от растяжения до сжатия, фактический диапазон напряжений практически является растягивающим.The results of comprehensive studies of the fatigue characteristics of ring welds of steel pipes show that even small defects in the weld can have a significant impact on its performance. An important feature of ring welded joints is the need for their alignment (adjustment). Any distortion in this case will lead to local secondary bending in the case of a load on the joint in the transverse direction relative to the weld and distortion in the joint of the parts is the main reason for the relatively low fatigue characteristics of the weld. Another significant point in the welding of circumferential joints is the nature of the residual welding stresses. There are no strict and established rules that determine the nature of residual stresses in welded annular seams, but practical experience based on the measurement results, together with the analysis performed by the finite element method, shows that they are always tensile in the root zone of annular welds. In this case, even if the external stress cyclically changed from tension to compression, the actual stress range is practically tensile.
В основу настоящего изобретения положена задача создать металлопластиковый баллон высокого давления, позволяющий исключить нагружение кольцевого сварного соединения цилиндрической части с днищем и тем самым повысить прочность лейнера и ресурс баллона по числу циклов нагружения при сохранении невысокой удельной материалоемкости баллона.The present invention is based on the task of creating a metal-plastic high-pressure cylinder, which allows to exclude loading of the annular welded connection of the cylindrical part with the bottom and thereby increase the strength of the liner and the resource of the cylinder by the number of loading cycles while maintaining a low specific material consumption of the cylinder.
Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:
- выполнение условия совместимости деформаций материалов в локальной зоне сварного шва, при которых изменяют осевую жесткость композитной оболочки и добиваются нулевых растягивающих или сжимающих осевых деформаций в материале лейнера и тем самым полностью исключают осевое нагружение сварного шва;- the fulfillment of the compatibility condition for deformations of materials in the local zone of the weld, in which the axial stiffness of the composite shell is changed and zero tensile or compressive axial deformations in the liner material are achieved and thereby exclude axial loading of the weld;
- полное исключение деформации сварного шва без внесения дополнительных возмущений в деформацию лейнера в окружном направлении;- the complete exclusion of deformation of the weld without introducing additional disturbances in the deformation of the liner in the circumferential direction;
- обеспечение однородной структуры оболочки лейнера и исключение влияния сварного шва на работоспособность конструкции баллона в целом.- ensuring a uniform structure of the liner shell and eliminating the influence of the weld on the operability of the cylinder structure as a whole.
Технический результат достигается за счет того, что металлокомпозитный баллон давления содержит тонкостенный металлический сварной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, при этом в зоне кольцевого сварного шва в обечайке лейнера выполнен кольцевой линзовый компенсатор, а в структуре стенки композитной силовой оболочки баллона над линзовым компенсатором установлен, по меньшей мере, один кольцевой браслет-ограничитель осевых деформаций, жестко скрепленный по всей поверхности с независимыми группами непрерывных армирующих нитей, причем его ширина превышает ширину компенсатора, а количество браслетов-ограничителей определяется из условия ограничения величины осевой деформации компенсатора и упругости используемого материала.The technical result is achieved due to the fact that the metal composite pressure cylinder contains a thin-walled metal welded liner and an external power shell made of composite material formed by a combination of groups of layers of high-modulus and low-modulus threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions, while in the zone of the ring weld in an annular lens compensator is made to the liner shell, and in the structure of the wall of the composite power shell of the cylinder above the lens compensator at least one annular axial deformity bracelet has been renewed, rigidly fastened over the entire surface with independent groups of continuous reinforcing threads, its width exceeding the compensator width, and the number of limiter bracelets is determined from the condition that the axial deformation of the compensator and the elasticity of the material used are limited .
Образующая поверхность линзового компенсатора может быть выполнена в форме поверхности, состоящей из двух нодоидов, соединенных сварным швом.The forming surface of the lens compensator can be made in the form of a surface consisting of two nodoids connected by a weld.
Образующая поверхность линзового компенсатора может быть выполнена в форме поверхности, состоящей из частей торообразных поверхностей с радиусами их сечений, составляющими 5-7 высот линзового компенсатора.The forming surface of the lens compensator can be made in the form of a surface consisting of parts of toroidal surfaces with radii of their cross sections amounting to 5-7 heights of the lens compensator.
Линзовый компенсатор может иметь, по меньшей мере, один окружной гребень, расположенный в сечении сварного шва.The lens compensator may have at least one circumferential ridge located in the section of the weld.
Ширина линзового компенсатора составляет не менее 30-40 толщин оболочки лейнера.The width of the lens compensator is at least 30-40 thicknesses of the liner shell.
Образующая поверхность линзового компенсатора может быть выполнена цилиндрической, при этом компенсатор частично внедрен в браслет-ограничитель осевых деформаций.The forming surface of the lens compensator can be made cylindrical, while the compensator is partially embedded in the bracelet-limiter of axial deformations.
Первый от поверхности лейнера браслет-ограничитель осевых деформаций может иметь меридиональную кривизну, по существу совпадающую с меридиональной кривизной компенсатора, а последующие ограничители располагаются параллельно первому в структуре композиционного материала с перевязкой армирующими нитями композитной оболочки.The first bracelet-limiter of axial deformations from the surface of the liner may have a meridional curvature that substantially coincides with the meridional curvature of the compensator, and subsequent restraints are parallel to the first in the structure of the composite material with ligation by the reinforcing threads of the composite shell.
Кольцевые браслеты-ограничители осевых деформаций могут быть выполнены с различными коэффициентами продольной и поперечной деформации.Ring bracelets-limiters of axial deformation can be made with different coefficients of longitudinal and transverse deformation.
Кольцевые браслеты-ограничители осевых деформаций могут быть выполнены из одностренговой высокомодульной кордной ткани.Axial axial deformation ring bracelets can be made of single-strand high-modulus cord fabric.
Кольцевые браслеты-ограничители осевых деформаций могут быть выполнены из комбинации высокомодульных и низкомодульных групп гибких непрерывных нитей.Axial deformation ring bracelets can be made from a combination of high modulus and low modulus groups of flexible continuous threads.
Группа высокомодульных нитей может быть выполнена из металлических кордных нитей, а группа низкомодульных нитей - из нитей стекловолокна.A group of high-modulus threads can be made of metal cord threads, and a group of low-modulus threads can be made of fiberglass threads.
Группа высокомодульных нитей может быть выполнена из высокомодульных угольных нитей, а группа низкомодульных нитей - из нитей полиамида.A group of high-modulus threads can be made of high-modulus carbon threads, and a group of low-modulus threads can be made of polyamide threads.
- На фиг.1 показан общий вид баллона высокого давления.- Figure 1 shows a General view of a high pressure cylinder.
- На фиг.2 показан общий вид лейнера баллона.- Figure 2 shows a General view of the liner of the cylinder.
- На фиг.3 показан общий вид баллона высокого давления.- Figure 3 shows a General view of the high pressure cylinder.
- На фиг.4 - схема установки браслетов - ограничителей осевой деформации.- Figure 4 - installation diagram of bracelets - limiters of axial deformation.
- На фиг.5 показана картина изменения осевых деформаций в материале композитной оболочки по длине образующей баллона в зоне сварного шва.- Figure 5 shows a picture of changes in axial deformation in the material of the composite shell along the length of the generatrix of the balloon in the weld zone.
- На фиг.6 показана нодоидная форма образующей поверхности компенсатора.- Figure 6 shows the nodoid shape of the generatrix surface of the compensator.
Как показано на фиг.1, баллон высокого давления содержит лейнер 1 и композитную оболочку 2. При этом лейнер состоит из цилиндрической обечайки 3, приваренных к ней днищ 4 и штуцера 5, также приваренного к одному из днищ 4. В зоне сварки цилиндрической обечайки и днища в лейнере выполнен линзовый компенсатор, как показано на фиг.4 и фиг.5.As shown in figure 1, the high-pressure cylinder contains a
Ввиду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление среды, при работе конструкции в материале лейнера и композитной оболочки могут возникать различного уровня деформации. При этом, если в окружном направлении выполняется совместность деформаций в материале лейнера и композитной оболочки, то в осевом направлении это условие не всегда выполнимо, а возможны проскальзывания лейнера относительно композитной оболочки. Данные проскальзывания приводят к повышенным деформациям в материале лейнера и, как правило, локализуются в сварном соединении. Для обеспечения совместности осевых деформаций в локальной зоне сварного шва лейнера выполнен линзовый компенсатор, который за счет изменения геометрии и подпора внутреннего давления и выполняет обеспечение данного условия совместности деформирования материалов, рассматриваемой зоны.Due to the fact that the main load during the operation of the container is the internal pressure of the medium, various levels of deformation can occur in the material of the liner and composite shell during operation of the structure. Moreover, if in the circumferential direction the deformations in the material of the liner and the composite shell are compatible, then in the axial direction this condition is not always satisfactory, and the liner can slip relative to the composite shell. These slippage results in increased deformations in the liner material and, as a rule, are localized in the welded joint. To ensure the compatibility of axial deformations in the local area of the liner weld, a lens compensator is made, which, due to changes in the geometry and back pressure of the internal pressure, provides this condition for the compatibility of the deformation of materials in the zone under consideration.
Очевидно, что на работоспособность кольцевого сварного шва в лейнере определяющее влияние оказывает меридиональная деформация εmα в его материале. При выполнении условия совместности деформаций материалов в локальной зоне сварного шва, локально изменяя осевую жесткость композитной оболочки, можно добиться нулевых растягивающих или, наоборот, сжимающих осевых деформаций в материале лейнера и тем самым полностью исключить нагружение сварного шва (см. фиг.5). Для выполнения данной задачи в структуру композиционного материала целесообразно ввести браслеты-ограничители 6 осевых деформаций. Сущность конструкции такого браслета заключается в том, что его осевая жесткость на растяжение в совокупности с осевой жесткостью композитной оболочки существенно уменьшает деформации в локальной зоне сварного шва и, в то же время, не вносит возмущений в жесткость композитной оболочки в окружном направлении. Такие свойства конструкции браслетов-ограничителей осевых деформаций позволяют полностью выключить деформирование сварного шва без внесения дополнительных возмущений в деформации лейнера в окружном направлении. На фиг.5 показана картина изменения осевых деформаций в материале лейнере при наличии в конструкции баллона браслетов-ограничителей осевых деформаций.It is obvious that the meridional deformation ε mα in its material has a decisive influence on the operability of an annular weld in a liner. When the conditions for compatibility of deformations of materials in the local zone of the weld are met, locally changing the axial stiffness of the composite shell, it is possible to achieve zero tensile or, on the contrary, compressive axial deformations in the liner material and thereby completely eliminate the loading of the weld (see Fig. 5). To accomplish this task, it is advisable to introduce limiter bracelets of 6 axial deformations into the structure of the composite material. The essence of the design of such a bracelet lies in the fact that its axial tensile stiffness, together with the axial stiffness of the composite shell, significantly reduces deformations in the local zone of the weld and, at the same time, does not disturb the stiffness of the composite shell in the circumferential direction. Such design properties of bracelets-limiters of axial deformation can completely turn off the deformation of the weld without introducing additional perturbations in the deformation of the liner in the circumferential direction. Figure 5 shows a picture of changes in axial deformation in the material of the liner in the presence of axial deformation bracelets in the balloon design.
Для получения конструкций браслетов-ограничителей осевых деформаций возможно использование различных конструктивных схем. Например, возможна схема исполнения браслета в виде соединенных в окружном направлении низкомодульным материалом металлических профильных пластин ламелей. Возможна схема исполнения браслета в виде комбинации высокомодульных и низкомодульных нитей, ориентированных в различных направлениях, или схема использования одностренговой высокомодульной кордной ткани. Возможны также различные совместные комбинации предлагаемых схем.To obtain designs of bracelets-limiters of axial deformations, it is possible to use various structural schemes. For example, it is possible to design a bracelet in the form of metal profile plates of lamellas connected in a circumferential direction by a low-modulus material. It is possible to design a bracelet in the form of a combination of high-modulus and low-modulus threads oriented in different directions, or a scheme for using a single-strand high-modulus cord fabric. Various joint combinations of the proposed schemes are also possible.
При нагружении баллона внутренним давлением браслеты-ограничители подвергаются резко выраженным градиентам деформаций, которые приводят к возникновению продольных и поперечных напряжений сдвига между ними и перекрещивающимися слоями композиционного материала. Эти напряжения могут приводить к образованию трещин в композите, оказывая отрицательное воздействие на срок службы баллона. Из механики известно, что, рассматривая картину включения осевой жесткости браслетов-ограничителей и композиционного материала силовой оболочки, минимальное расстояние, необходимое для исключения отмеченного трещинообразования, должно равняться минимум 3-5 толщинам стенки композиционного материала или, соотнося с толщиной стенки лейнера, это отношение должно составлять не менее 15-20. Из этих соображений ширина локального компенсатора в лейнере должна быть не менее 30-40 толщин стенки лейнера.When the cylinder is loaded with internal pressure, the stop bracelets are subjected to pronounced deformation gradients, which lead to the appearance of longitudinal and transverse shear stresses between them and the intersecting layers of the composite material. These stresses can lead to cracking in the composite, adversely affecting the life of the balloon. It is known from mechanics that, considering the inclusion of the axial stiffness of the bracelets-restraints and the composite material of the power shell, the minimum distance necessary to eliminate the noted cracking should be at least 3-5 wall thicknesses of the composite material or, correlating with the wall thickness of the liner, this ratio should be at least 15-20. For these reasons, the width of the local compensator in the liner should be at least 30-40 liner wall thicknesses.
Очевидно, что при выполнении компенсатора необходимо создание специальной формы его поверхности, которая бы исключала влияние моментных деформаций в материале лейнера. К таким поверхностям относятся поверхности, которые в механике называются нодоидными и ундулоидными. Образующие нодоидных и ундулоидных оболочек представлены на фиг.6, описываются в параметрической форме следующим образом:Obviously, when performing the compensator, it is necessary to create a special shape of its surface, which would exclude the influence of moment strains in the liner material. Such surfaces include surfaces, which in mechanics are called nodoid and unduloid. Generators of nodoid and unduloid membranes are presented in Fig.6, are described in parametric form as follows:
где k=(2λ-r1)/r1 - модуль эллиптического интеграла, 
Нодоидные, ундулоидные оболочки при нагружении их внутренним давлением обладают свойством равнопрочности и имеют преимущество по прочности в сравнении эллиптическими и сферическими оболочками, уровень возникающих напряжений в них при данном виде нагружения значительно ниже. Одним из характерных свойств рассматриваемой оболочки, как легко заметить, является и то, что по мере приближения к месту стыка с цилиндром, имеется достаточно плавное сопряжение оболочки с ним и напряжения изгиба в стыке практически отсутствуют, то есть полностью исключается влияние краевых эффектов.Nodoid, unduloid shells when loaded with internal pressure have the property of equal strength and have an advantage in strength compared to elliptical and spherical shells, the level of stresses arising in them with this type of loading is much lower. One of the characteristic properties of the shell under consideration, as it is easy to notice, is that when approaching the junction with the cylinder, there is a fairly smooth conjugation of the shell with it and bending stresses in the joint are practically absent, that is, the influence of edge effects is completely eliminated.
Использование такой формы поверхности компенсатора позволяет исключить появление локальных зон деформаций в лейнере и тем самим значительно повысить его надежность в эксплуатации.The use of such a shape of the surface of the compensator eliminates the appearance of local zones of deformation in the liner and thereby significantly increase its reliability in operation.
Таким образом, выполняя конструкцию баллона по приведенной схеме, обеспечивается практически полностью однородная структура оболочки лейнера и исключается влияние сварного шва на работоспособность конструкции баллона в целом.Thus, performing the design of the container according to the above diagram, an almost completely homogeneous structure of the liner shell is ensured and the influence of the weld on the operability of the container structure as a whole is excluded.
Функционирование баллона высокого давления предлагаемой конструкции заключается в наполнении его текучей средой /жидкостью или газом/ до требуемого уровня давления, хранении, транспортировании, опорожнении, последующем новом наполнении, расходовании текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократными циклическими нагружениями. Работа устройства по изобретению была приведена при описании вариантов выполнения его конструкции и не требует в данном случае дальнейшего специального пояснения.The functioning of the high-pressure cylinder of the proposed design consists in filling it with a fluid / liquid or gas / to the required pressure level, storage, transportation, emptying, subsequent new filling, expenditure of the fluid, i.e. in the repetition of actions and operations with multiple cyclic loads. The operation of the device according to the invention was given in the description of embodiments of its design and does not require further special explanation in this case.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать сосуды высокого давления из разных материалов с использованием сварной тонкостенной металлической внутренней оболочки-лейнера. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным лейнером для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность.With the creation of the proposed device, there was a real opportunity to use pressure vessels of different materials using a welded thin-walled metal inner liner shell. The manufacture and testing of pressure vessels with the proposed liner for their sealing confirmed their high reliability and efficiency.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117817/06A RU2432521C2 (en) | 2009-05-14 | 2009-05-14 | Metal composite high pressure vessel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117817/06A RU2432521C2 (en) | 2009-05-14 | 2009-05-14 | Metal composite high pressure vessel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009117817A RU2009117817A (en) | 2010-11-20 |
| RU2432521C2 true RU2432521C2 (en) | 2011-10-27 |
Family
ID=44058047
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009117817/06A RU2432521C2 (en) | 2009-05-14 | 2009-05-14 | Metal composite high pressure vessel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2432521C2 (en) |
-
2009
- 2009-05-14 RU RU2009117817/06A patent/RU2432521C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009117817A (en) | 2010-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Błachut | Experimental perspective on the buckling of pressure vessel components | |
| Cho et al. | Effect of dome curvature on failure mode of type4 composite pressure vessel | |
| AU2015212419B2 (en) | Improved method to produce high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method | |
| WO2010131990A1 (en) | Metal-to-composite high-pressure cylinder | |
| RU2432521C2 (en) | Metal composite high pressure vessel | |
| WO2011093737A1 (en) | Metal composite pressure cylinder | |
| RU2353851C1 (en) | High-pressure cylinder lining tube | |
| CN1715730A (en) | Multifunction full multilayer high pressure hydrogen storage tank | |
| US7699187B2 (en) | End fitting for pressure vessel | |
| WO2004096649A2 (en) | Composite reservoir for pressurized fluid | |
| RU2187746C2 (en) | Metal liner, high-pressure bottle made form metal-filled plastic (versions) and method of manufacture of high-pressure bottle from metal- filled plastic | |
| RU2439425C2 (en) | Metal composite pressure cylinder | |
| RU2358187C2 (en) | High-pressure all-composite cylinder | |
| EP2716957A1 (en) | High-pressure vessel made of composite materials | |
| RU2757315C1 (en) | High pressure metal composite cylinder | |
| NO315248B1 (en) | Gas bottle device | |
| RU2482380C2 (en) | High pressure bottle from composite materials | |
| RU2268427C2 (en) | High pressure cylinder | |
| Faddoul | Structural considerations in design of lightweight glass-fiber composite pressure vessels | |
| RU193002U1 (en) | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER | |
| RU2754572C1 (en) | High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks | |
| RU13498U1 (en) | HIGH PRESSURE METAL-PLASTIC CYLINDER | |
| Zheng et al. | Stationary flat steel ribbon wound vessels for storage of high pressure hydrogen | |
| Chan et al. | An experimental study of the collapse of horizontal saddle-supported storage vessels | |
| Liu | Tank design |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA94 | Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees) |
Effective date: 20110329 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20110505 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180515 |