RU2560125C2

RU2560125C2 - High-pressure cylinder

Info

Publication number: RU2560125C2
Application number: RU2013141673/06A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Губин; Николай Васильевич Кутепов; Владимир Дмитриевич Рымаев
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-08-20
Also published as: RU2013141673A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to combined high-pressure cylinders of composite materials and can be used for production of light cylinders used for transportation of gases. Cylinder composite liner of composite material including bottom and shell ring. Said shell ring has antirust coating and enveloped in helical turns of steel tape wound with tensioning and overlap of every turn with the use of binder. Liner features depth sustaining the cylinder working pressure in at lest lengthwise direction while outer shell is made of steel tape to sustain around liner the pressure that makes at least half the design pressure of the cylinder.

EFFECT: higher strength and reliability at cyclic loads.

1 dwg

Description

Изобретение относится к комбинированным баллонам высокого давления из композитных материалов и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов.The invention relates to combined high-pressure cylinders made of composite materials and can be used in the manufacture of lightweight cylinders used in transport and for transportation of gases.

Известен комбинированный баллон высокого давления (патент РФ №2118745, F17C 1/06, F17C 1/06, F16J 12/00, опубл. 10.09.1998), состоящий из соединенных между собой обечайки из композиционного материала и металлических днищ с помощью ленточной резьбы, выполненной на внутренней поверхности цилиндрической части днищ и наружной поверхности обечайки. На торцах днищ со стороны обечайки в зоне окончания резьбы выполнены кольцевые канавки, в которых защемлены торцы обечайки и установлены уплотнительные кольца из эластичного материала. При этом обеспечивается герметизация узла соединения и повышение его прочности. Однако выполнение днищ баллона металлическими приводит к утяжелению баллона, а резьбовые соединения днищ с обечайкой усложняют технологию изготовления и не позволяют использовать баллон на высокое давление.Known combined high-pressure balloon (RF patent No. 21118745, F17C 1/06, F17C 1/06, F16J 12/00, publ. 09/10/1998), consisting of interconnected shells of composite material and metal bottoms using tape thread, made on the inner surface of the cylindrical part of the bottoms and the outer surface of the shell. At the ends of the bottoms from the side of the shell in the end zone of the thread, annular grooves are made in which the ends of the shell are pinched and the sealing rings of elastic material are installed. This ensures the sealing of the connection node and increase its strength. However, the execution of the bottoms of the cylinder with metal leads to a heavier cylinder, and threaded connections of the bottoms with the shell complicate the manufacturing technology and do not allow the use of the cylinder for high pressure.

Известен баллон (патент РФ №2180948, F17C 1/06, опубл. 27.03.2002), состоящий из герметичного лейнера, на котором выполнена силовая оболочка из армированного композиционного материала с использованием связующего. При формировании силовой оболочки предварительно изготовленный армирующий плетеный каркас надевают на лейнер, края каркаса закрепляют на фланцах лейнера, пропитывают каркас полимерным связующим и устанавливают на фланцы лейнера прижимные гайки. К недостаткам изобретения относятся сложность и достаточная трудоемкость при изготовлении баллона, при этом баллон рассчитан на сравнительно низкие давления.A known balloon (RF patent No. 2180948, F17C 1/06, publ. 03/27/2002), consisting of a sealed liner, on which is made a power shell made of reinforced composite material using a binder. When forming the power shell, the prefabricated reinforcing braided frame is put on the liner, the edges of the frame are fixed on the flanges of the liner, the frame is impregnated with a polymer binder and clamping nuts are installed on the flanges of the liner. The disadvantages of the invention include the complexity and sufficient complexity in the manufacture of the container, while the container is designed for relatively low pressures.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является металлопластиковый баллон высокого давления (патент РФ №2310120, F17C 1/00, F17C 1/02, F17C 1/10, опубл. 10.11.207), который содержит металлический лейнер, имеющий цилиндрическую часть и днища, при этом цилиндрическая часть в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения. На цилиндрическую поверхность лейнера наносят антикоррозионное покрытие и создают упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала, выполненную из ленты, пропитанной связующим и намотанной с натяжением и перекрытием каждого витка ленты. К недостаткам изобретения относятся выполнение днищ утолщенными, что приводит к увеличению веса баллона, а также сложная технология изготовления за счет применения ротационной холодной вытяжки и последующей термообработки и высокая себестоимость.The closest technical solution adopted for the prototype is a high pressure metal-plastic cylinder (RF patent No. 2310120, F17C 1/00, F17C 1/02, F17C 1/10, publ. 10.11.207), which contains a metal liner having a cylindrical part and bottoms, while the cylindrical part in the transition zones to the bottoms on both sides has thickenings. A corrosion-resistant coating is applied to the cylindrical surface of the liner and a reinforcing reinforcing shell of composite material is created, made of a tape impregnated with a binder and wound with tension and overlap of each turn of the tape. The disadvantages of the invention include the implementation of thickened bottoms, which leads to an increase in the weight of the cylinder, as well as a complex manufacturing technology through the use of rotational cold drawing and subsequent heat treatment and high cost.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении технологии изготовления баллона высокого давления, обеспечении высокой прочности и надежности баллона при циклических нагрузках, уменьшении его массы и снижении себестоимости.The technical problem solved by the invention is to simplify the manufacturing technology of the high-pressure cylinder, providing high strength and reliability of the cylinder under cyclic loads, reducing its weight and reducing costs.

Поставленная задача решается за счет того, что в баллоне высокого давления, содержащем лейнер, включающий днища и обечайку, выполненную с антикоррозионным покрытием и охваченную наружной оболочкой в виде спиральных витков ленты армирующего материала, намотанных с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием связующего, согласно изобретению лейнер выполнен из композитного материала толщиной, выдерживающей в продольном направлении по меньшей мере расчетное рабочее давление баллона, а наружная оболочка выполнена из стальной ленты с обеспечением в окружном направлении лейнера усилий, по меньшей мере равных половине расчетного рабочего давления баллона. Кроме того, витки армирующей ленты расположены в шахматном порядке.The problem is solved due to the fact that in the high-pressure tank containing the liner, including the bottom and the shell, made with an anti-corrosion coating and covered by the outer shell in the form of spiral turns of a tape of reinforcing material, wound with tension and overlap of each turn and using a binder, according to According to the invention, the liner is made of a composite material with a thickness that withstands in the longitudinal direction at least the design working pressure of the cylinder, and the outer shell is made of steel th tape secured in the circumferential direction of the liner effort, at least equal to half the rated operating pressure of the balloon. In addition, the turns of the reinforcing tape are staggered.

Баллон высокого давления содержит лейнер, выполненный из композитного материала по существующей технологии, обечайка которого охвачена наружной оболочкой в виде спиральных витков стальной ленты армирующего материала. Витки стальной ленты намотаны с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием связующего. Композитный материал, из которого выполнен лейнер, имеет высокие механические свойства, например до 2000 МПа на разрыв и низкий удельный вес - до 2000 кГ/т, что уменьшает массу лейнера в 3÷4 раза по сравнению с металлическим лейнером при сохранении необходимой прочности. При этом лейнер выполнен толщиной, выдерживающей в продольном направлении по меньшей мере расчетное рабочее давление баллона. Выполнение наружной оболочки из стальной ленты с механическими свойствами, в частности до 1500 МПа на разрыв, обеспечивает в окружном направлении лейнера усилия, по меньшей мере равные половине расчетного рабочего давления баллона. Предлагаемая конструкция баллона обеспечивает высокую прочность и надежность баллона при циклических нагрузках, снижение массы баллона и его безосколочное разрушение. Применение в качестве армирующего материала стальной ленты позволяет снизить трудоемкость намотки и себестоимость, т.к. стальная лента намного дешевле композитного материала. Расположение витков стальной ленты в шахматном порядке позволяет увеличить силы сопротивления в продольном направлении лейнера и за счет этого уменьшить толщину стенки композитного лейнера на 8÷10%.The high-pressure cylinder contains a liner made of a composite material according to the existing technology, the shell of which is covered by the outer shell in the form of spiral turns of a steel tape of a reinforcing material. The turns of the steel tape are wound with tension and overlap of each turn and using a binder. The composite material of which the liner is made has high mechanical properties, for example, up to 2000 MPa at break and low specific gravity up to 2000 kg / t, which reduces the mass of the liner by 3–4 times compared to a metal liner while maintaining the necessary strength. In this case, the liner is made of thickness, withstanding in the longitudinal direction at least the design working pressure of the cylinder. The execution of the outer shell of a steel tape with mechanical properties, in particular up to 1500 MPa at break, provides in the circumferential direction of the liner efforts at least equal to half the rated working pressure of the cylinder. The proposed design of the container provides high strength and reliability of the container under cyclic loads, reducing the weight of the container and its shatterproof destruction. The use of steel tape as a reinforcing material reduces the complexity of winding and cost, because steel tape is much cheaper than composite material. The location of the turns of the steel strip in a checkerboard pattern allows you to increase the resistance forces in the longitudinal direction of the liner and thereby reduce the wall thickness of the composite liner by 8 ÷ 10%.

Изобретение иллюстрируется рисунком, на котором показан заявляемый баллон в разрезе, содержащий лейнер 1, наружную оболочку 2 и закладную горловину 3. Лейнер 1 выполнен герметичным из композитного материала по любой существующей технологии, обечайка лейнера выполнена с антикоррозионным покрытием и охвачена наружной оболочкой 2 в виде спиральных витков стальной ленты армирующего материала, намотанных с натяжением и перекрытием каждого витка, при этом намотка стальной ленты осуществлена с использованием связующего.The invention is illustrated in the figure, which shows the inventive cylinder in the context of containing the liner 1, the outer shell 2 and the neck 3. The liner 1 is made of composite material by any existing technology, the liner shell is made with a corrosion-resistant coating and covered by the outer shell 2 in the form of spiral turns of a steel tape of a reinforcing material wound with tension and overlap of each turn, while the winding of a steel tape is carried out using a binder.

Пример выполнения. При выполнении баллона предлагаемой конструкции диаметром 219 мм лейнер был изготовлен из композитного материала, например из стекловолокна, по любой существующей технологии. Обечайка лейнера охвачена наружной оболочкой, выполненной путем мокрой намотки по спирали вдоль оси баллона стальной ленты шириной 15 мм и толщиной 0,1 мм с высокими механическими свойствами, например пределом прочности 2000 МПа. Витки стальной ленты намотаны с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием антикоррозионного и связующего материалов, в частности полиэпоксидных смол. Для баллона диаметром 219 мм толщина стенки лейнера из композитного материала составляла 3,5 мм, стальную лену намотали в 10 слоев, и конец стальной ленты закрепили, например, точечной сваркой. После сушки антикоррозионного и связующего материалов провели циклические испытания баллона и испытания на разрушение. Циклические испытания баллон выдержал, а разрушение баллона произошло в соответствии с требованиями нормативных документов. В процессе испытаний был определен вес предлагаемого баллона, который составил 28,5 кг, а вес стального баллона такой же вместимости - 56 кг, что обеспечило снижение веса в 1,9 раза.Execution example. When performing the balloon of the proposed design with a diameter of 219 mm, the liner was made of a composite material, for example, fiberglass, using any existing technology. The liner shell is covered by an outer shell made by wet winding in a spiral along the cylinder axis of a steel tape 15 mm wide and 0.1 mm thick with high mechanical properties, for example, tensile strength 2000 MPa. The turns of the steel strip are wound with tension and overlap of each turn and using anti-corrosion and binder materials, in particular polyepoxy resins. For a cylinder with a diameter of 219 mm, the liner wall thickness of the composite material was 3.5 mm, the steel tape was wound in 10 layers, and the end of the steel tape was fixed, for example, by spot welding. After drying the anticorrosion and binder materials, cyclic balloon tests and fracture tests were performed. The cylinder passed the cyclic tests, and the destruction of the cylinder occurred in accordance with the requirements of regulatory documents. During the tests, the weight of the proposed cylinder was determined, which amounted to 28.5 kg, and the weight of the steel cylinder of the same capacity was 56 kg, which ensured a weight reduction of 1.9 times.

Использование предлагаемой конструкции баллона высокого давления позволит упростить технологию изготовления баллона, снизить массу баллона, себестоимость изготовления за счет применения намотки из стальной ленты и обеспечить безопасную эксплуатацию.Using the proposed design of a high-pressure cylinder will simplify the manufacturing technology of the cylinder, reduce the weight of the cylinder, the cost of manufacturing through the use of winding from steel tape and ensure safe operation.

Claims

A high-pressure cylinder containing a liner, including a bottom and a shell, made with a corrosion-resistant coating and covered by the outer shell in the form of spiral turns of a tape of reinforcing material, wound with tension and overlap of each turn and using a binder, characterized in that the liner is made of composite material with a thickness withstanding in the longitudinal direction at least the design working pressure of the cylinder, and an outer shell withstanding in the circumferential direction of the liner at least half at the rated operating pressure of the cylinder is made of steel strip.