RU2715072C1

RU2715072C1 - Method of producing metal-plastic bottles

Info

Publication number: RU2715072C1
Application number: RU2019116074A
Authority: RU
Inventors: Олег Станиславович Клюнин
Original assignee: Олег Станиславович Клюнин
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2020-02-25

Abstract

FIELD: gas industry.SUBSTANCE: invention relates to gas industry, particularly, to production of high-pressure metal-plastic bottles. Method of producing a high-pressure metal plastic bottle involves making an inner metal shell and an external power plastic shell. Strengthening of material of inner metal shell includes plastic deformation of metal material of inner shell by loading of metal-plastic bottle with preset internal pressure. Plastic deformation of metal material of the inner shell is performed after cooling of the inner metal shell to the specified negative temperature by filling of the metal-plastic HP bottle with the cryogenic liquid.EFFECT: technical result consists in hardening material of inner shell of metal-plastic bottle.9 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть использовано в газовой, авиационной, судостроительной, автомобильной и смежных с ними отраслях промышленности, где применяются металлопластиковые/металлокомпозитные баллоны высокого давления (ВД), предназначенные для хранения и транспортирования сжатого или сжиженного газа. Преимущественно, предлагаемое изобретение может быть использовано для металлопластиковых/металлокомпозитных баллонов больших размеров (от 0,02 м³ и более) с толстостенными металлическими лейнерами, несущими часть нагрузки (тип 3 по ГОСТ 51753-2001, ИСО 11119-2 и т.п.).The invention relates to the field of gas equipment and can be used in the gas, aviation, shipbuilding, automotive and related industries, which use metal-plastic / metal composite high-pressure cylinders (HP), designed for storage and transportation of compressed or liquefied gas. Advantageously, the present invention can be used for large-size metal-plastic / metal-composite cylinders (from 0.02 m ³ or more) with thick-walled metal liners carrying part of the load (type 3 according to GOST 51753-2001, ISO 11119-2, etc. )

Известны, широко используемые в настоящее время, баллоны высокого давления (ВД), содержащие внутреннюю, как правило, герметичную металлическую оболочку (лейнер), состоящую, как правило, из цилиндрической части и двух куполообразных днищ с горловинами (или одной горловиной), и внешнюю силовую пластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута/ровинга из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, базальтоволокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим веществом. Для обозначения описанных баллонов высокого давления с внутренней герметичной металлической оболочкой (которая также называется "лейнер") и внешней силовой пластиковой оболочкой в настоящее время широко используются такие термины, как металлопластиковые баллоны ВД или металлокомпозитные баллоны ВД. Любой из указанных терминов характеризует баллон высокого давления с внешней силовой пластиковой оболочкой, покрывающей поверхность внутренней металлической оболочки (лейнера). Далее в описании, как равнозначные, могут быть использованы как термин металлопластиковый баллон ВД, так и термин металлокомпозитный баллон ВД.Known, currently widely used, high-pressure cylinders (VD), containing an internal, as a rule, sealed metal shell (liner), consisting, as a rule, of a cylindrical part and two domed bottoms with necks (or one neck), and an external a power plastic sheath formed by winding on the surface of the liner of a tow / roving of high modulus fiber (for example, fiberglass, basalt fiber, carbon fiber, organic fiber) impregnated with a binder. To refer to the described high-pressure cylinders with an internal sealed metal shell (also called a "liner") and an external power plastic shell, terms such as VL metal-plastic cylinders or VD metal-composite cylinders are currently widely used. Any of these terms characterizes a high-pressure cylinder with an external power plastic shell covering the surface of the inner metal shell (liner). Further in the description, as equivalent, both the term metal-plastic cylinder VD and the term metal-composite cylinder VD can be used.

Среди требований, предъявляемых к металлопластиковым баллонам ВД, приоритетными являются: минимизация удельной материалоемкости (d) баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему (вместимости), при обеспечении высокого ресурса по числу циклов нагружения (заправок) при безопасной эксплуатации баллонов ВД.Among the requirements for VL metal-plastic cylinders, the priority ones are: minimization of the specific material consumption (d) of the cylinder, determined by the ratio of the mass of the cylinder to its volume (capacity), while ensuring a high resource in the number of loading cycles (refueling) for the safe operation of the VD cylinders.

Одним из основных показателей, влияющих на минимизацию удельной материалоемкости баллонов ВД, является прочность материала, в частности металла и/или металлического сплава (далее по тексту используется также термин «металлический материал», характеризующий как металлы, так и металлические сплавы), из которого выполнена герметичная оболочка (далее по тексту "оболочка" или "лейнер") баллона ВД. Чем выше характеристики прочности металлического материала оболочки баллона ВД, тем более тонкие стенки и массу может иметь эта оболочка.One of the main indicators affecting the minimization of the specific material consumption of HP cylinders is the strength of the material, in particular metal and / or metal alloy (hereinafter, the term “metal material” is used, which characterizes both metals and metal alloys), from which hermetic casing (hereinafter referred to as "casing" or "liner") of the cylinder VD. The higher the strength characteristics of the metal material of the VD cylinder shell material, the thinner the walls and mass of this shell may be.

Одним из известных способов упрочнения металлических материалов является способ криогенного упрочнения, который позволяет существенно повысить их прочность.One of the known methods for hardening metallic materials is the cryogenic hardening method, which can significantly increase their strength.

Из уровня техники известно, что в результате криогенного охлаждения прочностные характеристики существенно повышаются у широкого спектра металлов и металлических сплавов. При 77 К (температура кипения жидкого азота) предел прочности и предел текучести большинства металлов в 2-3 раза больше, чем при комнатной температуре (А.Г. Подольский, Л.З. Лубяный, Н.Е. Оверко. Свойства веществ при низких температурах. Справочное пособие. Харьков НТУ «ХПИ», 2003), прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла - в 12 раз. При 4,2 К (температура кипения жидкого гелия) предел прочности меди в 2 раза больше, чем при комнатной температуре, а прессованного алюминия в 6 раз, сталей в 2,5-3 раза (Клименко А.П, Новиков Н.В., Смоленский Б.Л., Могильный В.И., Климентьев В.И., Рохленко М.А. Изменение свойств конструкционных материалов при охлаждении. http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_8_2005_Machine_building.htm). Прочность сплава АМг5 при температуре (Т) минус 196°С увеличивается в среднем на 40% по сравнению с прочностью при Т +20°С, а титанового сплава ВТ-6 – на 60% при сохранении их пластичности (Гудков С.И. Механические свойства промышленных цветных металлов при низких температурах. Москва 1971. Издательство Металлургия).From the prior art it is known that as a result of cryogenic cooling, the strength characteristics significantly increase in a wide range of metals and metal alloys. At 77 K (the boiling point of liquid nitrogen), the tensile strength and yield strength of most metals is 2-3 times greater than at room temperature (A.G. Podolsky, L.Z. Lubyany, N.E. Overko. Properties of substances at low temperatures. Reference book. Kharkov NTU "KhPI", 2003), the strength of some plastics increases by 8 times, glass - 12 times. At 4.2 K (the boiling point of liquid helium), the tensile strength of copper is 2 times greater than at room temperature, and of pressed aluminum 6 times, of steels 2.5-3 times (Klimenko A.P., Novikov N.V. , Smolensky B.L., Mogilny V.I., Klimentyev V.I., Rokhlenko M.A. Change in the properties of structural materials during cooling.http: //www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_8_2005_Machine_building.htm). The strength of the AMg5 alloy at a temperature of (T) minus 196 ° C increases on average by 40% compared with the strength at T + 20 ° C, and that of the VT-6 titanium alloy by 60% while maintaining their ductility (Gudkov S.I. Mechanical Properties of Industrial Non-Ferrous Metals at Low Temperatures, Moscow 1971. Metallurgy Publishing House).

Однако, известно, что эффект криогенного упрочнения металлического материала, как правило, сопровождается динамическим возвратом или рекристаллизацией при отогреве обработанного материала до более высоких температур, в том числе комнатной температуры и выше, что не позволяет сохранить полученные высокие прочностные характеристики после возврата изделия из данного материала к обычным температурам эксплуатации (например, от минус 50 до + 50 градусов С).However, it is known that the effect of cryogenic hardening of a metal material is usually accompanied by dynamic return or recrystallization when the treated material is heated to higher temperatures, including room temperature and above, which does not allow maintaining the obtained high strength characteristics after the product is returned from this material to normal operating temperatures (for example, from minus 50 to + 50 degrees C).

Кроме того, в общем случае, увеличение прочности материалов при низкотемпературном упрочнении может быть нейтрализовано их охрупчиванием.In addition, in the General case, an increase in the strength of materials during low-temperature hardening can be neutralized by their embrittlement.

Известны также криогенно - деформационные способы обработки материалов, обеспечивающие повышение прочности и эксплуатационной надежности материалов, в том числе металлических материалов, включающие пластическую деформацию (интенсивную пластическую деформацию материала – ИПД) изделия в жидком азоте (патенты RU №№ 2049126, 2365633, 2394922), а также способы «ударного» охлаждения, сопровождающиеся пластическими деформациями сжатия (А.А. Морев, Лабораторная установка для криогенной обработки породоразрушающего инструмента. УДК 622.24. 2014).Also known are cryogenic - deformation methods of processing materials, providing increased strength and operational reliability of materials, including metal materials, including plastic deformation (intense plastic deformation of the material - IPD) of the product in liquid nitrogen (patents RU No. 2049126, 2365633, 2394922), as well as methods of “shock” cooling, accompanied by plastic compression deformations (A.A. Morev, Laboratory installation for cryogenic processing of rock cutting tools. UDC 622.24. 2014).

Такая обработка позволяет более эффективно измельчить зёренную структуру обрабатываемого материала, обеспечивает существенное повышение его прочностных характеристик, не сопровождается динамическим возвратом или рекристаллизацией и, в основном, позволяет сохранить полученные высокие прочностные характеристики при отогреве до комнатной температуры и выше. При этом, повышение прочности материала обрабатываемого изделия достигается при меньших деформационных усилиях по сравнению с традиционными методами интенсивной пластической деформации. (М.А. Васильев, С.М. Волошко, Л.Ф. Яценко. Микроструктура и механические свойства металлов и сплавов, деформированных в жидком азоте (обзор). Успехи физ.мет., т.13, с. 303-343. 2012 ИМФ).This treatment allows you to more effectively grind the grain structure of the processed material, provides a significant increase in its strength characteristics, is not accompanied by dynamic return or recrystallization and, basically, allows you to maintain the obtained high strength characteristics when heated to room temperature and above. At the same time, an increase in the strength of the material of the workpiece is achieved with lower deformation forces in comparison with traditional methods of intensive plastic deformation. (M.A. Vasiliev, S.M. Voloshko, L.F. Yatsenko. Microstructure and mechanical properties of metals and alloys deformed in liquid nitrogen (review). Success in physical sciences, vol. 13, p. 303-343 . 2012 IMF).

Известные криогенные и криогенно - деформационные способы обработки материалов, позволяют получить материалы, в том числе металлические материалы, с достаточно высокими показателями прочности.Known cryogenic and cryogenic - deformation methods of processing materials allow to obtain materials, including metallic materials, with sufficiently high strength indicators.

Однако известно, что использование на стадии изготовления оболочки баллона ВД более прочного, но менее пластичного металлического материала приводит к более сложной технологии изготовления оболочки баллона, в том числе на стадии обработки днищ с горловинами требуются большие усилия при закатке или обжиме. Кроме того, такие способы обработки днищ и горловин проводятся при повышенной температуре – от 200 до 450°С, что может привести к рекристаллизации металлов и сплавов и потере эффекта криоупрочнения.However, it is known that the use of a stronger, but less ductile metal material at the stage of manufacturing the cylinder liner of the VD leads to a more complex technology for the manufacture of the shell of the cylinder, including the stage of processing bottoms with necks requiring great efforts when rolling or crimping. In addition, such methods of processing bottoms and necks are carried out at elevated temperatures - from 200 to 450 ° C, which can lead to recrystallization of metals and alloys and the loss of the effect of cryogenic hardening.

Известные способы криогенного и криогенно - деформационного упрочнения металлических материалов, как правило, осуществляют путем погружения изделий в среду криогенной жидкости с низкой отрицательной температурой (от минус 150 до минус 269°С), например, в жидкий азот, и выдержкой в ней, в частности, с помощью заполненных жидким азотом специальных установок или сосудов Дьюара с большим проходным отверстием в горловине (Н.А.Кокорин, Термическая обработка при криогенных температурах. РИТМ машиностроения, №2, 2018. www.ritm-magazine.ru).Known methods of cryogenic and cryogenic - strain hardening of metallic materials, as a rule, are carried out by immersing products in a cryogenic liquid medium with a low negative temperature (from minus 150 to minus 269 ° C), for example, in liquid nitrogen, and holding in it, in particular , using special installations filled with liquid nitrogen or Dewar vessels with a large bore in the neck (N.A. Kokorin, Heat treatment at cryogenic temperatures. RITM engineering, No. 2, 2018. www.ritm-magazine.ru).

Однако, упрочнение металлического материала оболочки металлопластиковых баллонов ВД с погружением изготовленного баллона в специальное устройство, заполненное жидким азотом или другой криогенной жидкостью, приведет к существенному осложнению технологии изготовления металлопластиковых баллонов ВД, поскольку такое упрочнение является дополнительной трудоемкой операцией, требующей достаточно громоздкого дополнительного оборудования, большого расхода криогенной жидкости и дополнительного времени. Кроме того, как правило, пластиковая композитная оболочка обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, что будет препятствовать эффективному захолаживанию металлической оболочки металлопластикового баллона.However, the hardening of the metal material of the shell of the metal-plastic cylinders of the VD with the immersion of the manufactured cylinder in a special device filled with liquid nitrogen or other cryogenic liquid will lead to a significant complication of the manufacturing technology of metal-plastic cylinders of the VD, since such hardening is an additional laborious operation requiring rather cumbersome additional equipment, large cryogenic fluid flow rate and extra time. In addition, as a rule, a plastic composite shell has good thermal insulation properties, which will impede the effective cooling of the metal shell of a metal-plastic container.

При этом невозможно осуществить деформационное воздействие на оболочку, погруженную в емкость с криогенной жидкостью. Как правило, такие температурные воздействия на оболочку приводят к потере устойчивости самой оболочки (возникновение погибей, волн, изменение геометрических параметров и т.п.).In this case, it is impossible to carry out a deformation effect on a shell immersed in a container with a cryogenic liquid. As a rule, such temperature effects on the shell lead to a loss of stability of the shell itself (the occurrence of dying, waves, changes in geometric parameters, etc.).

В настоящее время широкое распространение получили технологии изготовления как металлических баллонов ВД (включающих только герметичную металлическую оболочку без внешней пластиковой оболочки), так и металлопластиковых баллонов ВД, в которых упрочнение материала (металла или сплава) оболочки осуществляют в процессе изготовления баллона ВД.Currently, manufacturing technologies of both metal VD cylinders (including only a sealed metal shell without an external plastic shell) and metal-plastic VD cylinders in which the material (metal or alloy) shell is strengthened are carried out during the manufacture of a VD cylinder.

Известны способы повышения прочности (несущей способности) материала металлических криогенных баллонов ВД захолаживанием металлического материала баллона до криогенных температур путем заполнения баллона ВД криогенной жидкостью (УДК 621.7-216. Сосуды давления для космических аппаратов. Исследования наукограда № 2(4) апрель-июнь 2013).Known methods for increasing the strength (bearing capacity) of the material of metal cryogenic cylinders of the VD by cooling the metal material of the cylinder to cryogenic temperatures by filling the cylinder of the VD with cryogenic liquid (UDC 621.7-216. Pressure vessels for spacecraft. Research of science city No. 2 (4) April-June 2013) .

Проведенные на Омском авиационном заводе испытания толстостенных баллонов с рабочим давлением 200 кгс/см² вместимостью 60 л из сплава АМг6 для оценки их конструктивной прочности при температурах 20°С и минус 196°С показали, что среднее значение разрушающего давления при 20°С равно 376 кг/см², а при минус 196°С – 457 кгс/см² (УДК 621.7-216. Сосуды давления для космических аппаратов. Исследования наукограда № 2(4) апрель-июнь 2013).Tests of thick-walled cylinders with an operating pressure of 200 kgf / cm ² with a capacity of 60 l from an AMg6 alloy conducted at the Omsk Aviation Plant to assess their structural strength at temperatures of 20 ° C and minus 196 ° C showed that the average value of the breaking pressure at 20 ° C is 376 kg / cm ² , and at minus 196 ° С - 457 kgf / cm ² (UDC 621.7-216. Pressure vessels for spacecraft. Research of science city No. 2 (4) April-June 2013).

Криогенная обработка позволяет производить объемное упрочнение материалов на значительную глубину, является простой, не требует капитальных затрат.Cryogenic processing allows volumetric hardening of materials to a considerable depth, is simple, does not require capital costs.

Однако известно, что полученное таким способом упрочнение металлических материалов существенно теряется после отогрева, т.е. повышения температуры до обычных температур эксплуатации большинства изделий, которые не относятся к криогенным изделиям, криогенным баллонам ВД (как правило, от минус 50 до плюс 65 °С), например металлопластиковых баллонов ВД, используемых в газовой, авиационной, судостроительной, автомобильной и смежных с ними отраслях промышленности (ОСТ 26-04-2585-80 «Техника криогенная и криогенновакуумная. Сосуды и камеры Нормы и методы расчета на прочность, устойчивость и долговечность сварных конструкций», введенным в действие в 1981 г.).However, it is known that the hardening of metal materials obtained in this way is substantially lost after heating, i.e. raising the temperature to the normal operating temperatures of most products that are not related to cryogenic products, cryogenic cylinders of VD (as a rule, from minus 50 to plus 65 ° С), for example, metal-plastic cylinders of VD used in gas, aviation, shipbuilding, automotive and related industries (OST 26-04-2585-80 “Cryogenic and cryogenic vacuum technology. Vessels and chambers Norms and methods for calculating the strength, stability and durability of welded structures”, put into effect in 1981).

Кроме того, данный способ используется только для металлических баллонов ВД.In addition, this method is used only for metal cylinders VD.

Известны способы изготовления металлических и металлопластиковых баллонов ВД, в которых упрочнение материала (металла или сплава) оболочки баллона осуществляют в процессе изготовления баллона путем термической обработки готовой оболочки (закалка и отжиг) после деформационной обработки закаткой (обкаткой или обжимом).Known methods for the manufacture of metal and metal-plastic cylinders VD, in which the hardening of the material (metal or alloy) of the shell of the balloon is carried out in the process of manufacturing the balloon by heat treatment of the finished shell (hardening and annealing) after deformation processing by rolling (rolling or crimping).

Известны, например, металлопластиковые баллоны ВД с алюминиевыми оболочками и способы их изготовления по патентам RU №№2136425, 2263001, №2175088.Known, for example, metal-plastic cylinders VD with aluminum shells and methods for their manufacture according to patents RU No. 2136425, 2263001, No. 2175088.

В частности, в патенте RU №2136425, как и в других известных решениях, внутренняя герметичная оболочка выполнена из термически упрочняемого алюминиевого сплава, например, АД 31 и АД 33 (западные аналоги 6061 и 6066). Металлические и металлопластиковые баллоны ВД с алюминиевой оболочкой из термически упрочняемых алюминиевых сплавов после изготовления оболочки подвергают термической обработке (закалка и искусственное старение) с целью обеспечения требуемого уровня прочности материала.In particular, in patent RU No. 2136425, as in other known solutions, the inner sealed shell is made of a heat-hardenable aluminum alloy, for example, AD 31 and AD 33 (western analogues 6061 and 6066). Metal and metal-plastic VD cylinders with an aluminum shell made of thermally hardenable aluminum alloys are subjected to heat treatment after hardening (hardening and artificial aging) in order to ensure the required level of material strength.

Однако такая термическая обработка металлических оболочек связана со значительными трудовыми и материальными затратами, что осложняет и повышает стоимость изготовления таких баллонов. Особые трудности возникают при термообработке крупногабаритных оболочек при изготовлении металлических или металлопластиковых баллонов больших размеров с диаметрами более 350 миллиметров и длиной более 4-5 метров.However, such heat treatment of metal shells is associated with significant labor and material costs, which complicates and increases the cost of manufacturing such cylinders. Particular difficulties arise in the heat treatment of large-sized shells in the manufacture of large-sized metal or metal-plastic cylinders with diameters of more than 350 millimeters and a length of more than 4-5 meters.

При термической обработке крупногабаритное изделие изменяет свои геометрические размеры и форму (коробится, прогибается на подставках в печи, становится некруглым и т.п.). Кроме того, затруднено поддержание требуемой равномерной температуры по всему пространству печи и оболочки, что делает процедуру термообработки очень дорогой.During heat treatment, a large-sized product changes its geometric dimensions and shape (warps, bends on supports in the furnace, becomes non-circular, etc.). In addition, it is difficult to maintain the required uniform temperature throughout the space of the furnace and shell, which makes the heat treatment procedure very expensive.

Кроме того, такое термическое упрочнение оболочек из алюминиевых сплавов во многих случаях не позволяет получить достаточную прочность материала с целью оптимизации удельной материалоемкости баллона.In addition, such thermal hardening of the shells of aluminum alloys in many cases does not allow to obtain sufficient material strength in order to optimize the specific material consumption of the container.

При этом, данный способ имеет существенные ограничения по виду используемого материала для изготовления оболочек металлопластиковых баллонов ВД, поскольку могут быть использованы только термически упрочняемые алюминиевые сплавы.Moreover, this method has significant limitations on the type of material used for the manufacture of shells of metal-plastic cylinders VD, since only thermally hardened aluminum alloys can be used.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известный способ изготовления металлопластиковых баллонов ВД, включающий упрочнение материала металлической оболочки, содержащий изготовление внутренней оболочки баллона из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава, выбранного из группы: АМг2, АМг2,5, АМг3, АМг3,5, АМг4, АМг4,5, АМг5, АМг6 или их аналогов, и упрочнение данного сплава путем пластического деформирования при нагружении баллона технологическим пробным давлением, как правило более высоким, чем стандартное давление при испытании баллонов на прочность (патент RU № 2382919). Closest to the proposed technical solution is a known method for the manufacture of metal-plastic cylinders VD, including hardening the material of the metal shell, comprising making the inner shell of the cylinder from a thermally unstrengthened aluminum-magnesium alloy selected from the group: AMg2, AMg2.5, AMg3, AMg3.5, AMg4 , AMg4.5, AMg5, AMg6 or their analogs, and hardening of this alloy by plastic deformation when loading the cylinder with technological test pressure, which is usually higher than the standard th test pressure cylinders strength (patent RU № 2382919).

Использование термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава (магналий) для производства металлических внутренних оболочек (лейнеров) металлопластиковых баллонов ВД, позволяет исключить дополнительную операцию упрочнения материала оболочки, а именно, термическое упрочнение материала оболочки (закалка и искусственное старение) и тем самым упростить и удешевить технологию изготовления баллонов ВД, особенно баллонов, имеющих большие габариты, и, соответственно, упростить и удешевить технологию изготовления металлопластиковых баллонов ВД.The use of thermally unstrengthened aluminum-magnesium alloy (magnalium) for the production of metal inner shells (liners) of VD metal-plastic cylinders eliminates the additional operation of hardening the shell material, namely, thermal hardening of the shell material (hardening and artificial aging) and thereby simplify and reduce the cost of technology manufacturing cylinders VD, especially cylinders having large dimensions, and, accordingly, to simplify and reduce the cost of manufacturing technology of metal-plastic HP cylinders.

Однако такое упрочнение материала оболочек из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава во многих случаях не позволяет получить достаточную прочность материала с целью оптимизации удельной материалоемкости металлопластикового баллона.However, such hardening of the material of shells made of thermally unstrengthened aluminum-magnesium alloy in many cases does not allow obtaining sufficient material strength in order to optimize the specific material consumption of the metal-plastic balloon.

Кроме того, данный способ также имеет существенные ограничения по виду используемого материала для изготовления оболочек металлопластиковых баллонов ВД, поскольку могут быть использованы только термически неупрочняемые алюминиево-магниевые сплавы.In addition, this method also has significant limitations on the type of material used for the manufacture of shells of metal-plastic cylinders VD, since only thermally unstrengthened aluminum-magnesium alloys can be used.

При этом известно, что общепринятыми материалами для изготовления металлических оболочек металлопластиковых баллонов ВД являются стальные и алюминиевые сплавы, например, термически упрочняемые сплавы алюминия АД 31 (западный аналог - 6061) и АД 33 (западный аналог - 6066) (Материалы "Прибрежной Технологической Конференции", 1997, Хьюстон, Техас, 5-8 мая 1997, статья "Разработка и аттестация улучшенных металлокомпозитов для морских применений", стандарты HSE-AL-FW2 (Великобритания) и NGV 2 - 1998 (США) и т.п.It is known that the generally accepted materials for the manufacture of metal shells for VD metal-plastic cylinders are steel and aluminum alloys, for example, thermally hardened aluminum alloys AD 31 (western analogue - 6061) and AD 33 (western analogue - 6066) (Materials of the "Coastal Technological Conference" , 1997, Houston, Texas, May 5-8, 1997, article “Development and Certification of Improved Metal Composites for Marine Applications”, HSE-AL-FW2 (UK) and NGV 2 - 1998 (USA) standards, etc.

В основу настоящего изобретения положена задача создать способ изготовления металлопластиковых баллонов ВД, включающий такой процесс упрочнения материала внутренней металлической оболочки баллона ВД, который позволит обеспечить высокие показатели прочности широкого класса металлических материалов внутренней металлической оболочки и тем самым создать металлопластиковый баллон ВД с более тонкими стенками металлической оболочки по сравнению с традиционными металлопластиковыми баллонами ВД при одинаковом показателе (уровне) их несущей способности, при этом упростить и удешевить способ изготовления металлопластиковых баллонов ВД.The basis of the present invention is to create a method of manufacturing a metal-plastic cylinder VD, including such a process of hardening the material of the inner metal shell of the cylinder VD, which will provide high strength values of a wide class of metal materials of the inner metal shell and thereby create a metal-plastic cylinder VD with thinner walls of the metal shell in comparison with traditional metal-plastic balloons VD with the same indicator (level) they carried inflict ability, while simplifying and cheapening the method of manufacturing metal-plastic cylinders VD.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления металлопластикового баллона высокого давления, содержащем изготовление внутренней металлической оболочки и внешней силовой пластиковой оболочки баллона, упрочнение материала металлической оболочки, включающее пластическую деформацию металлического материала оболочки, путем нагружения металлопластикового баллона высокого давления внутренним давлением заданной величины, согласно предлагаемому изобретению, пластическую деформацию материала металлической оболочки баллона осуществляют после захолаживании внутренней металлической оболочки до заданной отрицательной температуры путем заполнения металлопластикового баллона ВД криогенной жидкостью.The problem is solved in that in a method of manufacturing a metal-plastic high-pressure cylinder, comprising the manufacture of an inner metal shell and an external power plastic shell of a cylinder, hardening the material of the metal shell, including plastic deformation of the metal material of the shell, by loading the metal-plastic high-pressure cylinder with an internal pressure of a predetermined value, according to the present invention, the plastic deformation of the material of the metal shell of the ball it is performed after the inner metallic sheath of cooling to a predetermined temperature by filling the negative metal-HP cylinder of cryogenic liquid.

Захолаживание внутренней металлической оболочки и, соответственно, ее металлического материала, происходит в результате заполнения полости металлопластикового баллона ВД, а именно, внутренней металлической оболочки, криогенной жидкостью. Следствием охлаждения металлической оболочки до заданной отрицательной температуры является криогенное упрочнение (криогенная обработка) материала металлической оболочки металлопластикового баллона ВД в результате измельчения структуры материала и, в основном, для металлических материалов, еще и в результате возникающих остаточных напряжений сжатия и, соответственно, повышения твердости и ударной вязкости (прочности).Cooling of the inner metal shell and, accordingly, its metal material occurs as a result of filling the cavity of the metal-plastic cylinder of the VD, namely, the inner metal shell, cryogenic liquid. The consequence of cooling the metal shell to a predetermined negative temperature is the cryogenic hardening (cryogenic treatment) of the metal shell material of the VD metal-plastic cylinder as a result of grinding the material structure and, mainly, for metallic materials, also as a result of the resulting residual compression stresses and, accordingly, increase in hardness and impact strength (strength).

Под действием внутреннего давления определенной величины в металлопластиковом баллоне ВД, и, соответственно, во внутренней металлической оболочке, происходит объемная деформация металлической оболочки и пластическая деформация металлического материала оболочки металлопластикового баллона ВД. В результате пластической деформации металлического материала внутренней оболочки, охлажденной криогенной жидкостью до отрицательных температур, эффект упрочнения металлического материала этой оболочки существенно возрастает.Under the action of internal pressure of a certain value in the VD metal-plastic cylinder, and, accordingly, in the inner metal shell, there is a volumetric deformation of the metal shell and plastic deformation of the metal material of the shell of the VD metal-plastic cylinder. As a result of plastic deformation of the metallic material of the inner shell cooled by a cryogenic liquid to negative temperatures, the effect of hardening of the metallic material of this shell increases significantly.

Пластическая деформация материала металлической оболочки, охлажденной до необходимой отрицательной температуры, обеспечивает существенное повышение прочностных характеристик металлического материала оболочки в металлопластиковом баллоне ВД, которое не сопровождается динамическим возвратом или рекристаллизацией, что позволяет в значительной степени сохранить полученные высокие прочностные характеристики металлического материала оболочки при ее отогреве до комнатной температуры и выше, то есть до температур эксплуатации широкого ассортимента металлопластиковых баллонов ВД.Plastic deformation of the material of the metal shell, cooled to the required negative temperature, provides a significant increase in the strength characteristics of the metal material of the shell in the VD metal-plastic cylinder, which is not accompanied by dynamic return or recrystallization, which can significantly save the obtained high strength characteristics of the metal material of the shell when it is heated to room temperature and above, that is, up to operating temperatures wide the second assortment of metal-plastic cylinders VD.

Процесс упрочнения материала металлической оболочки осуществляют без дополнительного крупногабаритного оборудования и дополнительных трудоемких операций, что обеспечивает простую и достаточно дешевую технологию изготовления металлопластиковых баллонов ВД в широком классе металлических материалов внутренней оболочки баллона ВД.The process of hardening the material of the metal shell is carried out without additional bulky equipment and additional time-consuming operations, which provides a simple and fairly cheap technology for the manufacture of metal-plastic cylinders VD in a wide class of metal materials of the inner shell of the VD cylinder.

Целесообразно металлопластиковый баллон ВД устанавливать вертикально и криогенную жидкость заливать в полость металлопластикового баллона ВД, а именно, в металлическую оболочку, через нижнюю горловину металлопластикового баллона ВД, при этом холодную газовую фазу отводить через верхнюю горловину.It is advisable to install a metal-plastic cylinder VD vertically and pour cryogenic liquid into the cavity of a metal-plastic cylinder VD, namely, in a metal shell, through the lower neck of a metal-plastic cylinder VD, while releasing the cold gas phase through the upper neck.

Заполнение криогенной жидкостью металлической оболочки вертикально установленного металлопластикового баллона ВД через его нижнюю горловину может осуществляться переливом или с помощью криогенного насоса высокого давления.Filling a metal casing with a cryogenic liquid of a vertically installed metal-plastic cylinder VD through its lower neck can be done by overflow or using a high pressure cryogenic pump.

При этом, в процессе заливки в металлическую оболочку криогенной жидкости происходит ее кипение и интенсивное перемешивание, что повышает скорость захолаживания металлической оболочки и, как следствие, повышает эффективность упрочнения ее материала.Moreover, in the process of pouring cryogenic liquid into the metal shell, it boils and intensively mixes, which increases the cooling rate of the metal shell and, as a result, increases the hardening efficiency of its material.

Целесообразно осуществлять высокоскоростное захолаживание металлической оболочки путем заполнения металлопластикового баллона ВД криогенной жидкостью с помощью криогенного насоса.It is advisable to carry out high-speed cooling of the metal shell by filling the metal-plastic cylinder VD with a cryogenic liquid using a cryogenic pump.

Высокоскоростное захолаживание металлической оболочки металлопластикового баллона ВД включает в себя максимально быстрое охлаждение материала, из которого она изготовлена, до необходимой отрицательной температуры и представляет собой способ «ударного» охлаждения, которое сопровождается пластическими деформациями сжатия (А.А. Морев, Лабораторная установка для криогенной обработки породоразрушающего инструмента. УДК 622.24. 2014). Высокоскоростное захолаживание позволяет более эффективно измельчить зёренную структуру обрабатываемого материала и тем самым обеспечивает более эффективное повышение прочностных характеристик материала, не сопровождается динамическим возвратом или рекристаллизацией.The high-speed cooling of the metal shell of a metal-plastic cylinder VD includes the most rapid cooling of the material from which it is made to the required negative temperature and is a method of “shock” cooling, which is accompanied by plastic compression deformations (A.A. Morev, Laboratory installation for cryogenic processing rock cutting tool. UDC 622.24. 2014). High-speed cooling allows for more efficient grinding of the grain structure of the processed material and thereby provides a more efficient increase in the strength characteristics of the material, is not accompanied by dynamic return or recrystallization.

Заполнение внутренней полости металлопластикового баллона ВД, а именно, внутренней металлической оболочки криогенной жидкостью с помощью криогенного насоса обеспечивает более интенсивное перемешивание и кипение криогенной жидкости, что значительно повышает скорость захолаживания металлической оболочки и обеспечивает высокоскоростное захолаживание металлической оболочки металлопластикового баллона ВД.Filling the inner cavity of the metal-plastic cylinder of the VD, namely, the inner metal shell of the cryogenic liquid using a cryogenic pump provides more intensive mixing and boiling of the cryogenic liquid, which significantly increases the cooling rate of the metal shell and provides high-speed cooling of the metal shell of the metal-plastic cylinder of the VD.

В соответствии с одним вариантом, целесообразно осуществлять следующую последовательность действий для реализации способа: в полость металлопластикового баллона ВД заливают криогенным насосом высокого давления криогенную жидкость до достижения металлопластиковой оболочкой заданной температуры, герметизируют металлопластиковый баллон ВД, создают в нем заданное внутреннее давление, заливая в полость металлопластикового баллона криогенную жидкость криогенным насосом высокого давления, и далее сливают из металлопластикового баллона криогенную жидкость.In accordance with one embodiment, it is advisable to carry out the following sequence of actions for implementing the method: a cryogenic liquid is poured into the cavity of the metal-plastic cylinder of the VD until the cryogenic high-pressure pump reaches the specified temperature, the metal-plastic cylinder of the VD is sealed, and the specified internal pressure is created in it, pouring into the cavity of the metal-plastic cylinder cryogenic liquid cryogenic high-pressure pump, and then drained from a plastic ball she is a cryogenic fluid.

Указанная последовательность действий позволяет захолаживать металлическую оболочку до требуемой отрицательной температуры с одновременной пластической деформацией металлического материала оболочки, тем самым обеспечить необходимое упрочнение материала металлической оболочки с минимальными потерями криогенной жидкости.The specified sequence of actions allows you to cool the metal shell to the desired negative temperature with simultaneous plastic deformation of the metal material of the shell, thereby ensuring the necessary hardening of the material of the metal shell with minimal loss of cryogenic liquid.

Использование криогенного насоса высокого давления позволяет поднять давление в металлопластиковом баллоне ВД достаточно быстро – в течение нескольких минут. При этом, как указывалось выше, использование криогенного насоса высокого давления для заполнения металлопластикового баллона криогенной жидкостью обеспечивает более интенсивное перемешивание и кипение криогенной жидкости, что значительно повышает скорость захолаживания металлической оболочки.Using a cryogenic high-pressure pump allows you to increase the pressure in the metal-plastic cylinder VD quite quickly - in a few minutes. Moreover, as mentioned above, the use of a cryogenic high-pressure pump to fill a metal-plastic cylinder with a cryogenic liquid provides more intensive mixing and boiling of the cryogenic liquid, which significantly increases the cooling rate of the metal shell.

Заданная масса заливаемой в металлическую оболочку криогенной жидкости и заданное внутреннее давление, которое создают насосом высокого давления в металлопластиковом баллоне ВД, зависят от конструкционных особенностей металлопластикового баллона высокого давления, в том числе, материала металлической оболочки, массы металлической оболочки и ее теплофизических свойств.The given mass of the cryogenic liquid poured into the metal shell and the given internal pressure, which is created by the high pressure pump in the VD metal-plastic cylinder, depend on the structural features of the high-pressure metal-plastic cylinder, including the material of the metal shell, the mass of the metal shell and its thermophysical properties.

В другом варианте реализации способа, целесообразно осуществлять следующую последовательность действий: в полость металлопластикового баллона ВД заливают криогенную жидкость в заданном количестве по массе, необходимом для его захолаживания до нужной температуры и создания заданного внутреннего давления в результате испарения криогенной жидкости, герметизируют металлопластиковый баллон ВД, и выдерживают его до создания в нем заданного внутреннего давления в результате испарения криогенной жидкости и выпускают из металлопластикового баллона газовую фазу испарившейся криогенной жидкости.In another embodiment of the method, it is advisable to carry out the following sequence of actions: a cryogenic liquid is poured into the cavity of the metal-plastic cylinder of the VD in a predetermined amount by weight necessary to cool it to the desired temperature and to create the desired internal pressure as a result of the evaporation of the cryogenic liquid, the metal-plastic cylinder of the VD is sealed, and withstand it until the specified internal pressure is created in it as a result of evaporation of the cryogenic liquid and is released from metal plastics th cylinder gas phase of the evaporated cryogenic liquid.

Как и в вышеописанном варианте реализации способа, указанная последовательность действий позволяет захолаживать металлическую оболочку до требуемой отрицательной температуры с одновременной пластической деформацией металлического материала оболочки, тем самым обеспечить необходимое упрочнение материала металлической оболочки с минимальными потерями криогенной жидкости.As in the above-described embodiment of the method, the indicated sequence of steps allows cooling the metal shell to the required negative temperature with simultaneous plastic deformation of the metal shell material, thereby ensuring the necessary hardening of the metal shell material with minimal loss of cryogenic liquid.

Заданная масса заливаемой в металлическую оболочку криогенной жидкости и заданное внутреннее давление, при котором выдерживают металлопластиковый баллон ВД, зависят от конструкционных особенностей металлопластикового баллона высокого давления, в том числе, материала металлической оболочки, массы металлической оболочки и ее теплофизических свойств.The predetermined mass of the cryogenic liquid poured into the metal shell and the predetermined internal pressure at which the VD metal-plastic cylinder is maintained depend on the structural features of the high-pressure metal-plastic cylinder, including the material of the metal shell, the mass of the metal shell and its thermophysical properties.

Такой способ создания заданного внутреннего давления в металлопластиковом баллоне ВД позволяет исключить использование дорогостоящего криогенного насоса высокого давления. В данном случае, для заливки криогенной жидкости можно использовать стандартные и недорогие криогенные насосы низкого давления и нужной производительности.This method of creating a given internal pressure in the metal-plastic cylinder VD eliminates the use of an expensive cryogenic high-pressure pump. In this case, to fill the cryogenic liquid, you can use standard and inexpensive cryogenic pumps of low pressure and the desired performance.

Однако в данном случае требуется достаточно продолжительное время, чтобы давление в баллоне ВД поднялось до нужного значения в результате испарения жидкой фазы, т.к. теплопроводность пластиковой оболочки незначительная и теплоприток из вне небольшой.However, in this case, a sufficiently long time is required for the pressure in the HP cylinder to rise to the desired value as a result of evaporation of the liquid phase, since the thermal conductivity of the plastic shell is negligible and the heat gain from outside is small.

Целесообразно, заданное количество по массе криогенной жидкости, заливаемой в металлопластиковый баллон ВД (во внутреннюю полость металлической оболочки) при нормальных условиях эксплуатации металлопластикового баллона ВД, определять из расчета захолаживания материала внешней силовой оболочки до температуры кипения заливаемой криогенной жидкости.It is advisable that the predetermined amount by weight of the cryogenic liquid poured into the VD metal-plastic cylinder (into the inner cavity of the metal shell) under normal conditions of operation of the VD metal-plastic cylinder, be determined from the calculation of cooling the material of the external power shell to the boiling temperature of the cryogenic liquid being poured.

Поскольку упрочнение материала внутренней металлической оболочки осуществляют после изготовления внешней пластиковой оболочки на поверхности металлической оболочки, то контроль температуры внутренней металлической оболочки в процессе захолаживания осуществить значительно сложнее, чем контроль температуры внешней пластиковой оболочки. При этом захолаживание внешней силовой оболочки до заданной криогенной температуры гарантирует захолаживание внутренней металлической оболочки до той же температуры.Since the hardening of the material of the inner metal shell is carried out after the manufacture of the outer plastic shell on the surface of the metal shell, it is much more difficult to control the temperature of the inner metal shell during the cooling process than controlling the temperature of the outer plastic shell. In this case, cooling the external power shell to a predetermined cryogenic temperature guarantees cooling of the inner metal shell to the same temperature.

Кроме того, также известно, что пластиковые материалы, традиционно используемые для изготовления внешних силовых оболочек металлопластиковых баллонов, также упрочняются при захолаживании (Высокопрочные ориентированные стеклопластики. Г.А. Андреевская, АНСССР, институт химической физики, Издательство «Наука», М.1966, стр.305). При криогенных температурах прочность стеклопластиков возрастает в 2-3 раза с одновременным возрастанием ударной вязкости на 30-40%. Стеклопластики как теплоизоляционный материал обладают наивысшими показателями эффективности (https://studfiles.net/preview/1076727/page:6/).In addition, it is also known that plastic materials traditionally used for the manufacture of external power shells of metal-plastic cylinders are also hardened during cooling (High-strength oriented fiberglass. G.A. Andreevskaya, ANSSSR, Institute of Chemical Physics, Nauka Publishing House, M.1966, p. 305). At cryogenic temperatures, the strength of fiberglass increases by 2-3 times with a simultaneous increase in impact strength by 30-40%. Fiberglass materials as a heat-insulating material have the highest performance indicators (https://studfiles.net/preview/1076727/page:6/).

Увеличение прочностных характеристик внешней пластиковой оболочки позволяет выполнить металлопластиковый баллон ВД с более тонкой внешней пластиковой оболочкой либо с более тонкой металлической оболочкой (лейнером).Increasing the strength characteristics of the outer plastic shell allows you to perform a metal-plastic cylinder VD with a thinner outer plastic shell or with a thinner metal shell (liner).

Однако поскольку пластиковая оболочка является теплоизолятором (УДК 536.2. Теплоемкость и теплопроводность стеклоэпоксидов при криогенных температурах. А.Б. Круглов, В.С. Харитонов. МИФИ), то для захолаживания пластика по всей толщине может потребоваться большая масса криогенной жидкости и более длительная выдержка по времени, чем для захолаживания внутренней металлической оболочки.However, since the plastic shell is a heat insulator (UDC 536.2. Heat capacity and thermal conductivity of glass epoxides at cryogenic temperatures. A.B. Kruglov, VS Kharitonov. MEPhI), for cooling the plastic over its entire thickness, a large mass of cryogenic liquid and a longer exposure time may be required in time than for cooling the inner metal shell.

Целесообразно, металлопластиковый баллон ВД нагружать максимально допустимым внутренним давлением, исключающим пластическое деформирование материала металлической оболочки при сбросе внутреннего давления в металлопластиковом баллоне ВД с заданного значения до нуля.It is advisable to load the VL metal-plastic cylinder with the maximum allowable internal pressure, which excludes plastic deformation of the metal sheath material when the internal pressure in the VD metal-plastic cylinder is relieved from the set value to zero.

Известно, что степень упрочнения металлического материала повышается с увеличением степени его пластической деформации. Под действием внутреннего давления внутренняя металлическая оболочка расширяется вместе с внешней силовой оболочкой. При росте внутреннего давления выше определенного уровня материал внутренней металлической оболочки начинает пластически деформироваться – т.е. изменять безвозвратно свои геометрические размеры. При опорожнении металлопластикового баллона, давление во внутренней металлической оболочке начинает падать. При этом металлическая оболочка не может вернуться к прежним размерам, так как была пластически (безвозвратно) деформирована и начинает обжиматься внешней пластиковой упругой оболочкой (пластик упруго деформируется вплоть до разрушения). При усилиях сжатия (обжатия) металлической оболочки выше максимально допустимых, металлическая оболочка начнет деформироваться пластически, т.е. изменять форму. Однако, при обжатии конструкция пластически не деформируется, а стремится потерять свою форму (возникают погиби, складки и т.п.), что не допускается для металлических оболочек металлопластиковых баллонов ВД, поскольку в местах этих складок и погибей быстро прорастают сквозные трещины при следующих циклах нагрузки-разгрузки металлопластикового баллона ВД (заправки-выдаче газа).It is known that the degree of hardening of a metal material increases with an increase in the degree of its plastic deformation. Under the influence of internal pressure, the inner metal shell expands along with the external power shell. With an increase in internal pressure above a certain level, the material of the inner metal shell begins to plastically deform - i.e. permanently change their geometric dimensions. When emptying a metal-plastic cylinder, the pressure in the inner metal shell begins to drop. In this case, the metal shell cannot return to its previous dimensions, since it was plastically (irrevocably) deformed and begins to be crimped by an external plastic elastic shell (the plastic is elastically deformed until it breaks). When the compression (compression) forces of the metal shell are higher than the maximum allowable, the metal shell will begin to deform plastically, i.e. change shape. However, during crimping, the structure does not plastically deform, but tends to lose its shape (dies, folds, etc. occur), which is not allowed for metal shells of metal-plastic VD cylinders, since through cracks quickly grow in the places of these folds and dies during the following cycles load-unloading metal-plastic cylinder VD (gas station-gas supply).

Соответственно, для достижения максимальной степени упрочнения металлического материала внутренней оболочки требуется создать максимально допустимое для каждого конкретного типа металлопластикового баллона ВД внутреннее давление, которое, после его полного снятия, не вызовет потерю устойчивости внутренней металлической оболочки таких баллонов из-за ее обжатия внешней упругой пластиковой (композитной) оболочкой.Accordingly, in order to achieve the maximum degree of hardening of the metal material of the inner shell, it is necessary to create the maximum internal pressure for each specific type of metal-plastic VD cylinder, which, after its complete removal, will not cause a loss of stability of the inner metal shell of such cylinders due to its compression of the external elastic plastic ( composite) shell.

Указанное максимально допустимое внутреннее давление в металлопластиковом баллоне можно определить расчетами по известным методикам (Дмитриенко Р. И. Упругопластическое деформирование тонкостенного, укрепленного в кольцевом направлении стального баллона, при нагружении его внутренним давлением // Рабочая записка: RZ DRI - 090117. URL: http://www.dri1.cc.ua/RZ/RZ-DRI-090117.pdf (дата обращения: 17.12.2017).The indicated maximum allowable internal pressure in a metal-plastic container can be determined by calculations according to well-known methods (Dmitrienko R.I. Elastoplastic deformation of a thin-walled steel cylinder reinforced in the annular direction when loading it with internal pressure // Working note: RZ DRI - 090117. URL: http: //www.dri1.cc.ua/RZ/RZ-DRI-090117.pdf (accessed: 12/17/2017).

Целесообразно, в качестве криогенной жидкости использовать жидкий азот. It is advisable to use liquid nitrogen as a cryogenic liquid.

Жидкий азот является достаточно дешевым и широко распространенным средством, при этом его температура (минус 195,8 °С) достаточна для криогенного упрочнения широкого спектра металлов и их сплавов.Liquid nitrogen is a fairly cheap and widespread tool, while its temperature (minus 195.8 ° C) is sufficient for cryogenic hardening of a wide range of metals and their alloys.

Целесообразно, для изготовления металлической оболочки металлопластиковых баллонов ВД использовать материалы, пригодные для изготовления баллонов и сосудов, работающих под давлением, не склонные к охрупчиванию при криогенных температурах.It is advisable to use materials suitable for the manufacture of pressure-sensitive cylinders and vessels that are not prone to embrittlement at cryogenic temperatures for the manufacture of the metal shell of metal-plastic VD cylinders.

Данному условию удовлетворяет достаточно широкий класс металлических материалов. Перечни металлических материалов для криогенных температур широко описаны в литературе, например, - http://www.vxi.ru/material/metally-kriogenika/.This condition is satisfied by a fairly wide class of metallic materials. The lists of metallic materials for cryogenic temperatures are widely described in the literature, for example, http://www.vxi.ru/material/metally-kriogenika/.

Основную опасность при низкотемпературном деформировании изделий представляет их хрупкое разрушение без предварительной пластической деформации. Возможность хрупкого разрушения определяется составом и структурой металла, особенностями нагружения и местной концентрацией напряжений, наличием трещин, раковин, надрезов и царапин. Хрупкое разрушение происходит внезапно при напряжениях, которые могут быть меньше предела текучести; поэтому предпочтительно, чтобы, кроме удовлетворительных прочностных свойств, материалы имели удовлетворительную пластичность.The main danger in low-temperature deformation of products is their brittle fracture without preliminary plastic deformation. The possibility of brittle fracture is determined by the composition and structure of the metal, the features of loading and local stress concentration, the presence of cracks, shells, cuts and scratches. Brittle failure occurs suddenly at stresses that may be less than the yield strength; therefore, it is preferable that, in addition to satisfactory strength properties, the materials have satisfactory ductility.

Целесообразно, для изготовления металлической оболочки использовать материалы, выбранные из группы: аустенитные нержавеющие стали, титановые сплавы (ВТ6 и его аналоги), деформируемые термически неупрочняемые алюминиевые сплавы АД1, АМц, АМг5 – АМг6 и их аналоги.It is advisable to use materials selected from the group for the manufacture of a metal shell: austenitic stainless steels, titanium alloys (VT6 and its analogues), thermally unstable wrought aluminum alloys AD1, AMts, AMg5 - AMg6 and their analogues.

Данная группа материалов включает достаточно широкий класс металлических материалов, которые относятся к широко распространенным металлическим материалам, используемым для изготовления металлических оболочек металлопластиковых баллонов БД, которые при этом не склонны к охрупчиванию при криогенных температурах.This group of materials includes a fairly wide class of metal materials, which are widespread metal materials used for the manufacture of metal shells of metal-plastic cylinders of the database, which are not prone to embrittlement at cryogenic temperatures.

Экспериментально авторами обнаружено, что прочность, например, алюминиевого (сплав АМг6М) бесшовного баллона после его захолаживания увеличивается на 10-15%, что совпадает с экспериментальными данными других исследователей (УДК 621.7-216. Сосуды давления для космических аппаратов. Исследования наукограда № 2(4) апрель-июнь 2013).The authors experimentally found that the strength of, for example, aluminum (AMg6M alloy) seamless balloon after cooling it increases by 10-15%, which coincides with the experimental data of other researchers (UDC 621.7-216. Pressure vessels for spacecraft. Studies of science city No. 2 ( 4) April-June 2013).

В дальнейшем, предлагаемое изобретение будет более подробно раскрыто на конкретных примерах их выполнения со ссылками на рисунки, на которых изображены:In the future, the invention will be disclosed in more detail on specific examples of their implementation with reference to the drawings, which depict:

Фиг. 1 - металлопластиковый баллон высокого давления, продольный разрез;FIG. 1 - metal-plastic high-pressure balloon, longitudinal section;

Фиг. 2 - устройство для упрочнения металлопластикового баллона ВД с установленным металлопластиковым баллоном.FIG. 2 - a device for hardening a metal-plastic cylinder VD with an installed metal-plastic cylinder.

На Фиг. 1 показан металлопластиковый баллон 1 высокого давления (ВД), включающий внутреннюю герметичную металлическую оболочку (лейнер) 11, внешнюю силовую оболочку 12, полностью покрывающую внутреннюю герметичную металлическую оболочку (лейнер) 11, например, путем армирования волокнами по окружности и в направлении оси баллона, и две горловины 13. Далее по тексту внутренняя герметичная металлическая оболочка 11 металлопластикового баллона 1 ВД может быть также обозначена, как лейнер 11.In FIG. 1 shows a metal-plastic high pressure (VD) cylinder 1, including an internal sealed metal shell (liner) 11, an external power shell 12 that completely covers the internal sealed metal shell (liner) 11, for example, by fiber reinforcement around the circumference and in the direction of the cylinder axis, and two necks 13. Hereinafter, the inner sealed metal shell 11 of the metal-plastic cylinder 1 of the VD can also be designated as the liner 11.

Предлагаемый способ изготовления металлопластиковых баллонов ВД может быть использован преимущественно, для изготовления крупногабаритных металлопластиковых баллонов ВД с толстостенными металлическими лейнерами (отношение толщины стенки лейнера (внутренней оболочки) к его наружному диаметру более 2%).The proposed method for the manufacture of metal-plastic cylinders VD can be used mainly for the manufacture of large-sized metal-plastic cylinders VD with thick-walled metal liners (the ratio of the wall thickness of the liner (inner shell) to its outer diameter is more than 2%).

Особенностью металлопластиковых баллонов ВД данной конструкции является возможность пластического деформирования металлического материала лейнера 11 в процессе гидравлического нагружения металлопластикового баллона 1 ВД внутренним давлением при изготовлении (автофреттирование) или при техническом освидетельствовании (заводских испытаниях баллонов на прочность).A feature of the metal-plastic VD cylinders of this design is the possibility of plastic deformation of the metal material of liner 11 during the hydraulic loading of the metal-plastic cylinder 1 of the VD with internal pressure during manufacture (autofretting) or during technical inspection (factory testing of cylinder strength).

Показанный на Фиг. 1 лейнер 11, содержит цилиндрическую часть 111 и два куполообразных днища 112.Shown in FIG. 1 liner 11, contains a cylindrical portion 111 and two domed bottoms 112.

Согласно предлагаемому способу, изготовление внутренней металлической оболочки (лейнера) 11 и внешней пластиковой оболочки 12 может быть осуществлено любым известным способом изготовления металлопластиковых баллонов ВД, как, например, описано в патенте № 2382919.According to the proposed method, the manufacture of the inner metal shell (liner) 11 and the outer plastic shell 12 can be carried out by any known method of manufacturing metal-plastic cylinders VD, as, for example, described in patent No. 2382919.

При этом выбор металлических материалов для изготовления лейнера 11 существенно более широкий.Moreover, the choice of metallic materials for the manufacture of the liner 11 is significantly wider.

В предпочтительном варианте, лейнер 11 может быть выполнен из аустенитной нержавеющей стали (12Х18Н10Т), которая может применяться для создания оборудования, работающего под давлением при гелиевых температурах или деформируемых алюминиевых сплавов АД1, АМц, АМг5, АМг6 и их аналогов, титановых сплавов а также любых других известных металлических материалов, пригодных для изготовления лейнеров и не склонных к охрупчиванию при криогенных температурах.In a preferred embodiment, the liner 11 can be made of austenitic stainless steel (12X18H10T), which can be used to create equipment operating under pressure at helium temperatures or wrought aluminum alloys AD1, AMts, AMg5, AMg6 and their analogues, titanium alloys, as well as any other known metallic materials suitable for the manufacture of liners and not prone to embrittlement at cryogenic temperatures.

Использование таких материалов исключает вероятность хрупкого разрушения металлического лейнера 11 в результате пластической деформации его металлического материала при криогенных температурах.The use of such materials eliminates the possibility of brittle fracture of the metal liner 11 as a result of plastic deformation of its metal material at cryogenic temperatures.

Выбор конкретного металлического материала для изготовления лейнера 11 из указанного диапазона материалов зависит, как от конструкции и назначения металлопластикового баллона ВД, так и от свойств самого металлического материла.The choice of a specific metal material for the manufacture of the liner 11 from the specified range of materials depends both on the design and purpose of the metal-plastic cylinder VD, and on the properties of the metal material itself.

Внешняя силовая оболочка 12 может быть образована намоткой на поверхность лейнера 11 прочного полимерного или минерального волокна, пропитанного смолой (связующим составом). Внешняя силовая пластиковая оболочка 12 может быть выполнена из любого известного полимерного или минерального материала, применяемого с этой целью, например, из органических жгутов Армос, Руслан и т.п., ровингов стеклянных, базальтовых или углеродных волокон.The outer sheath 12 may be formed by winding onto the surface of the liner 11 a strong polymer or mineral fiber impregnated with a resin (binder). The outer plastic power shell 12 can be made of any known polymer or mineral material used for this purpose, for example, from organic harnesses Armos, Ruslan, etc., rovings of glass, basalt or carbon fibers.

Следующим этапом технологического процесса изготовления металлопластикового баллона 1 ВД является упрочнение металлического материала внутренней герметичной металлической оболочки (лейнера) 11. The next step in the manufacturing process of a metal-plastic cylinder 1 VD is the hardening of the metal material of the inner sealed metal shell (liner) 11.

Процесс упрочнения металлического материала лейнера 11 включает захолаживание металлического лейнера 11 до заданной отрицательной температуры путем его заполнения криогенной жидкостью.The process of hardening the metal material of the liner 11 involves cooling the metal liner 11 to a predetermined negative temperature by filling it with a cryogenic liquid.

Захолаживание металлического лейнера 11 включает в себя объемное охлаждение металлического материала, из которого он изготовлен, до необходимой отрицательной температуры. Наиболее технологично металлический лейнер захолаживать до температуры кипения заливаемой в него криогенной жидкости.Cooling a metal liner 11 includes volumetric cooling of the metal material from which it is made to the required negative temperature. The most technologically advanced metal liner should be cooled down to the boiling temperature of the cryogenic liquid poured into it.

Поскольку упрочнение материала металлического лейнера 11 осуществляют после изготовления внешней пластиковой оболочки 12 на его поверхности, то контроль температуры металлического лейнера 11 осуществить значительно сложнее, чем контроль температуры внешней силовой пластиковой оболочки 12. При этом захолаживание внешней силовой пластиковой оболочки 12 до заданной криогенной температуры гарантирует требуемое объемное захолаживание металлического материала лейнера 11.Since the hardening of the material of the metal liner 11 is carried out after the manufacture of the outer plastic shell 12 on its surface, it is much more difficult to control the temperature of the metal liner 11 than to control the temperature of the outer plastic shell 12. The cooling of the outer plastic shell 12 to a predetermined cryogenic temperature guarantees the required volumetric cooling of the metal material of the liner 11.

Соответственно, в предпочтительном варианте, для обеспечения гарантированного объемного захолаживания материала металлического лейнера 11 до заданной отрицательной температуры и упрощения контроля температуры его захолаживания, охлаждение лейнера 11 заливаемой в него криогенной жидкостью осуществляют до тех пор, пока температура внешней силовой пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона 1 ВД не достигнет определенного значения, обеспечивающего захолаживание лейнера 11 до нужной криогенной температуры. Контроль температуры захолаживания можно осуществлять на поверхности внешней силовой пластиковой оболочки 12.Accordingly, in a preferred embodiment, in order to ensure a guaranteed volume cooling of the material of the metal liner 11 to a predetermined negative temperature and to simplify the control of the temperature of its cooling, the liner 11 is cooled by the cryogenic liquid poured into it until the temperature of the outer plastic power shell 12 of the metal-plastic cylinder 1 VD will not reach a certain value, providing cooling of the liner 11 to the desired cryogenic temperature. The cooling temperature control can be carried out on the surface of the external power plastic shell 12.

При этом известно, что пластиковый материала также упрочняется при захолаживании, что позволяет выполнить металлопластиковый баллон с более тонкой внешней пластиковой оболочкой либо с более тонкой металлической оболочкой (лейнером) (УДК 620.22:539.3/4. Прочность и пластичность металлических и неметаллических композитов криогенного и аэрокосмического назначения В. А. Лотоцкая, Ю. А. Похил, А. И. Телегон, С. М. Дергун). Обычно выбирают уменьшение толщины (массы) более дорогого материала, если требуется сделать изделие более дешевым, либо уменьшают толщину более тяжелого материала (с большим удельным весом, удельной массой), если требуется уменьшить общую массу баллона.It is also known that the plastic material is also hardened during cooling, which makes it possible to make a metal-plastic cylinder with a thinner outer plastic shell or with a thinner metal shell (liner) (UDC 620.22: 539.3 / 4. Strength and ductility of metallic and nonmetallic cryogenic and aerospace composites appointments V.A. Lototskaya, Yu.A. Pohil, A.I. Telegon, S.M. Dergun). Usually choose to reduce the thickness (mass) of the more expensive material, if you want to make the product cheaper, or reduce the thickness of the heavier material (with a higher specific gravity, specific gravity), if you want to reduce the total mass of the container.

В предпочтительном варианте в качестве криогенной жидкости используют жидкий азот, который имеет сравнительно невысокую стоимость и отрицательную температуру, достаточную для упрочнения широкого спектра материалов, используемых для изготовления металлопластиковых баллонов ВД и пригодных для работы при криогенных температурах. Также могут быть использованы другие криогенные жидкости, например, жидкий гелий, который имеет более низкую температуру, чем жидкий азот, но более высокую стоимость. Известно, что для многих материалов, используемых для изготовления металлопластиковых баллонов ВД, эффект упрочнения материала повышается при захолаживании до более низких температур. Например, для Х18Н9Т предел прочности при Т +20°С составляет 6600 кгс/см², при Т минус 196°С – 15500 кгс/см², а при Т минус 253°С – 17900 кгс/см², а для дюралюминия – 4200, 5000 и 7100 кгс/см² (УДК 541.12:531.787. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. Изд.4-е, М., «Химия», 1976 г., стр.21). Соответственно, выбор криогенной жидкости для упрочнения материала металлического лейнера зависит от многих факторов, в том числе назначения металлопластикового баллона ВД.In a preferred embodiment, liquid nitrogen is used as a cryogenic liquid, which has a relatively low cost and negative temperature, sufficient to harden a wide range of materials used for the manufacture of metal-plastic cylinders VD and suitable for operation at cryogenic temperatures. Other cryogenic liquids can also be used, for example, liquid helium, which has a lower temperature than liquid nitrogen, but a higher cost. It is known that for many materials used for the manufacture of metal-plastic cylinders VD, the effect of hardening of the material increases with cooling to lower temperatures. For example, for X18H9T, the tensile strength at T + 20 ° C is 6600 kgf / cm ² , at T minus 196 ° C - 15500 kgf / cm ² , and at T minus 253 ° C - 17900 kgf / cm ² , and for duralumin - 4200, 5000 and 7100 kgf / cm ² (UDC 541.12: 531.787. DS Tsiklis. Technique of physicochemical studies at high and ultrahigh pressures. Ed. 4-е, M., “Chemistry”, 1976, p. 21). Accordingly, the choice of cryogenic liquid for hardening the material of the metal liner depends on many factors, including the purpose of the metal-plastic cylinder VD.

Примерное количество по массе криогенной жидкости, необходимое для объемного захолаживания материала металлического лейнера 11 и внешней пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона 1 ВД до заданной максимальной отрицательной температуры, можно определить расчетным путем по известным методикам, исходя из массы и теплофизических свойств металлического материала лейнера 11 и внешней пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона 1 ВД. («О.А. Юранев. Исследование различных способов захолаживания криогенных топливных баков изделий ракетно-космической техники, Вестник МГТУ им. Баумана, Сер. Машиностроение, 2018, № 3»). Модель захолаживания металлических оболочек, основанная на длительности этапа охлаждения и количестве криогенной жидкости для этого, подробна изложена в работе «С.П.Горбачев, В.П.Попов, М.В.Славин. Определение времени захолаживания криогенного бака. Известия вузов. Машиностроение, 2006, № 5».The approximate amount by weight of cryogenic liquid required for volume cooling of the material of the metal liner 11 and the outer plastic shell 12 of the metal-plastic cylinder 1 of the VD to the specified maximum negative temperature can be determined by calculation using known methods, based on the mass and thermophysical properties of the metal material of the liner 11 and the external plastic shell 12 metal-plastic cylinder 1 VD. ("OA Yuranev. Research on various methods of cooling cryogenic fuel tanks of rocket and space technology products, Bulletin of MSTU named after Bauman, Ser. Engineering, 2018, No. 3"). The model of cooling metal shells, based on the duration of the cooling stage and the amount of cryogenic liquid for this, is described in detail in the work “S.P. Gorbachev, V.P. Popov, M.V. Slavin. Determination of the cooling time of a cryogenic tank. University News. Engineering, 2006, No. 5 ”.

Предварительный расчет необходимого количества криогенной жидкости желателен для создания оптимального запаса криогенной жидкости, поскольку, как правило, криогенная жидкость не может долго храниться в криогенных (транспортных) емкостях.A preliminary calculation of the required amount of cryogenic liquid is desirable to create an optimal supply of cryogenic liquid, since, as a rule, a cryogenic liquid cannot be stored for a long time in cryogenic (transport) containers.

При этом авторами установлено, что, то количество по массе криогенной жидкости (например, жидкий азот), которое соответствует полному заполнению металлического лейнера 11 металлопластикового баллона ВД, является достаточным для создания любого нужного давления в металлопластиковом баллоне ВД после полной газификации этой криогенной жидкости в лейнере 11 при нормальной температуре окружающей среды – вплоть до разрушения.At the same time, the authors found that the amount by weight of the cryogenic liquid (for example, liquid nitrogen), which corresponds to the full filling of the metal liner 11 of the VD metal-plastic cylinder, is sufficient to create any desired pressure in the VD metal-plastic cylinder after the gasification of this cryogenic liquid in the liner is complete 11 at normal ambient temperature - up to destruction.

Например, для определения количества жидкого азота, необходимого для захолаживания металлического лейнера 11 и внешней пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона ВД, можно использовать следующие соотношения:For example, to determine the amount of liquid nitrogen required for cooling the metal liner 11 and the outer plastic shell 12 of the metal-plastic cylinder VD, you can use the following ratios:

Азот жидкий:Liquid nitrogen:

1л жидкого азота (минус196°С) =0,8086 кг = 691л газообразного азота при 15°С и атмосферном давлении. 1 кг жидкого азота = 855 л газообразного азота при 15°С и атмосферном давлении. Индивидуальная газовая постоянная 296,8 Дж/(кг·К), плотность при нормальных физ. условиях – 1,251 кг/м³, молекулярная масса – 28 кг/кмоль.1 liter of liquid nitrogen (minus196 ° C) = 0.8086 kg = 691 liters of gaseous nitrogen at 15 ° C and atmospheric pressure. 1 kg of liquid nitrogen = 855 l of gaseous nitrogen at 15 ° C and atmospheric pressure. Individual gas constant 296.8 J / (kg · K), density under normal physical. conditions - 1.251 kg / m ³ ; molecular weight - 28 kg / kmol.

2. Металлы и сплавы:2. Metals and alloys:

Удельная теплоемкость алюминиевого сплава с = 0,87 кДж/(кг • К). Нержавеющая сталь, удельная теплоемкость с = 0,47 кДж/(кг • К).The specific heat of the aluminum alloy is c = 0.87 kJ / (kg • K). Stainless steel, specific heat with = 0.47 kJ / (kg • K).

3. Пластики:3. Plastics:

Удельная теплоемкость эпоксидного стеклопластика (Е-стекло) 1,1 кДж/(кг • К) – (Теплоемкость и теплопроводность стеклоэпоксидов при криогенных температурах. А.Б.Круглов, В.С.Харитонов. МИФИ. УДК 536.2).The specific heat capacity of epoxy fiberglass (E-glass) 1.1 kJ / (kg • K) - (Heat capacity and thermal conductivity of glass epoxides at cryogenic temperatures. A.B. Kruglov, V. S. Kharitonov. MEPhI. UDC 536.2).

Захолаживание лейнера 11 и внешней пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона ВД 1 включает в себя эффективное объемное охлаждение материала, из которого они изготовлены, до необходимой температуры.Cooling of the liner 11 and the outer plastic shell 12 of the metal-plastic cylinder VD 1 includes effective volumetric cooling of the material from which they are made to the required temperature.

В первую очередь определяют, какое количество теплоты Qt необходимо удалить из материала металлического лейнера 11 металлопластикового баллона ВД. Например, при весе лейнера из аустенитной стали -100 кг, разность температур Т1, = 20°С (окружающая температура), Т2 = минус 196°С (температура жидкого азота), ∆T = 216°С - http://topuch.ru/perevozka-sjijennih-gazov/index34.html:First of all, determine how much heat Qt must be removed from the material of the metal liner 11 of the metal-plastic cylinder VD. For example, when the weight of the austenitic steel liner is -100 kg, the temperature difference is T1, = 20 ° C (ambient temperature), T2 = minus 196 ° C (liquid nitrogen temperature), ΔT = 216 ° C - http: // topuch. com / perevozka-sjijennih-gazov / index34.html:

Qt = m • с • ∆T = 100 × 0,47 × 216 = 10152 кДж.Qt = m • s • ∆T = 100 × 0.47 × 216 = 10152 kJ.

При окончательном расчете теплоты, которую нужно удалить для захолаживания металлического лейнера 11 металлопластикового баллона ВД необходимо учесть теплоприток из окружающей атмосферы, который зависит от площади поверхности лейнера, времени и способа его захолаживания, а также теплоизоляционных свойств пластиковой оболочки (обычно определяется экспериментальным путем).In the final calculation of the heat that needs to be removed to cool the metal liner 11 of the metal-plastic cylinder VD, it is necessary to take into account the heat gain from the surrounding atmosphere, which depends on the surface area of the liner, the time and method of cooling it, as well as the thermal insulation properties of the plastic shell (usually determined experimentally).

Количество теплоты, которое нужно удалить из внешней пластиковой оболочки, например, массой 50 кг при тех же условиях:The amount of heat that needs to be removed from the outer plastic shell, for example, weighing 50 kg under the same conditions:

Qi = m_пл • с_пл • ∆T = 50 × 1,1 × 216 = 11880 кДж.Qi = m _pl • s _pl • ∆T = 50 × 1.1 × 216 = 11880 kJ.

Общее количество теплоты, которое необходимо удалить,The total amount of heat that needs to be removed,

Q = Qt + Qi +QBH = 10152 + 11880 + QBH = 22032 кДж + QBH.Q = Qt + Qi + QBH = 10152 + 11880 + QBH = 22032 kJ + QBH.

Qt – удаляемое количество теплоты для металлического лейнера баллона ВД;Qt - the removed amount of heat for the metal liner of the cylinder VD;

Qi - удаляемой количество теплоты для внешней пластиковой оболочки;Qi is the removed amount of heat for the outer plastic shell;

QBH – теплоприток из окружающей среды определяется экспериментально и зависит от многих факторов (Аэрокосмические бортовые криогенные системы охлаждения [Электронный ресурс]: / А. И. Довгялло, С. О. Некрасова, Д. В. Сармин, А. А. Шиманов, А. Б. Цапкова, Д. А. Угланов; М-во образования и науки РФ, Самара, гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т)., стр.74.).QBH - heat gain from the environment is determined experimentally and depends on many factors (Aerospace on-board cryogenic cooling systems [Electronic resource]: / A. I. Dovgyallo, S. O. Nekrasova, D. V. Sarmin, A. A. Shimanov, A B. Tsapkova, D. A. Uglanov; Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Samara, State Aerospace University named after S.P. Korolev (National Research University), p. 74. )

Для простоты расчетов рекомендуется рассматривать поведение криогенной жидкости в металлическом лейнере 11 при отсутствии внешних теплопритоков к внешней пластиковой оболочке 12 (изолированный баллон). При необходимости более точных данных, теплоприток можно определить экспериментально-расчетным методом, как предложено в патенте RU 2332647, измеряя температуру установившегося потока газообразного азота, выходящего из запорного клапана или штуцера для подсоединения отводящего трубопровода, установленного на верхней горловине баллона при газификации жидкого азота и температуру окружающей среды.For simplicity of calculations, it is recommended to consider the behavior of cryogenic liquid in a metal liner 11 in the absence of external heat influx to the outer plastic shell 12 (insulated balloon). If more accurate data are needed, heat gain can be determined by an experimental calculation method, as proposed in patent RU 2332647, by measuring the temperature of a steady stream of nitrogen gas leaving a shut-off valve or fitting for connecting a discharge pipe installed on the upper neck of a cylinder during gas nitrogen gasification and temperature the environment.

Зная удельную теплоту парообразования жидкого азота r = 197,6 кДж/кг., можно определить его количество, необходимое для захолаживания (отвода теплоты за счет испарения) внешней пластиковой оболочки металлопластикового баллона:Knowing the specific heat of vaporization of liquid nitrogen r = 197.6 kJ / kg., You can determine its amount necessary for cooling (heat removal due to evaporation) of the outer plastic shell of a metal-plastic container:

т_мп = Q/r = 22032 :197,6 = 111, 5 кг (137 литров),t _mp = Q / r = 22032: 197.6 = 111, 5 kg (137 liters),

без учета теплопритока из окружающей среды.excluding heat gain from the environment.

Массу криогенной жидкости, заливаемой в металлопластиковый баллон 1 ВД (соответственно в лейнер 11), можно контролировать по показаниям весов. Для контроля массы криогенной жидкости можно использовать известные конструкции весов, применяемых для крупногабаритных предметов, например, платформенного типа с необходимой шкалой измерения и точностью.The mass of cryogenic liquid poured into a metal cylinder 1 VD (respectively, in the liner 11), can be controlled by the readings of the scales. To control the mass of cryogenic fluid, you can use the known design of the scales used for large items, for example, platform type with the necessary scale of measurement and accuracy.

В предпочтительном варианте криогенную жидкость заливают в лейнер 1 через нижнюю горловину 13 металлопластикового баллона 1, установленного вертикально.In a preferred embodiment, the cryogenic liquid is poured into the liner 1 through the lower neck 13 of a metal-plastic cylinder 1 mounted vertically.

При этом в процессе заливки криогенной жидкости в металлопластиковый баллон 1 ВД происходит ее интенсивное перемешивание в полости лейнера 11, что повышает скорость захолаживания металлического материала лейнера 11 и, как следствие, повышает эффективность упрочнения металлического материала лейнера 11.Moreover, in the process of pouring cryogenic liquid into the metal-plastic cylinder 1 VD, it is intensively mixed in the cavity of the liner 11, which increases the cooling rate of the metallic material of the liner 11 and, as a result, increases the hardening efficiency of the metallic material of the liner 11.

В предпочтительном варианте, целесообразно заливать криогенную жидкость в металлопластиковый баллон 1 ВД с максимально возможной скоростью, чтобы обеспечить эффект «термического удара» или «ударного охлаждения». При достаточно низкой теплопроводности материала пластиковой оболочки 12 выравнивание температуры материала лейнера 11 с температурой криогенной среды происходит очень быстро. Следовательно, в металле лейнера 11 за короткий промежуток времени совершается значительный объем работы. Генерируемая в процессе такого термического удара энергия затрачивается на изменение объема и структурных показателей металла лейнера 11, приводящих к изменению механических свойств, в частности к повышению прочностных характеристик металлического материала лейнера 11.In a preferred embodiment, it is advisable to fill the cryogenic liquid in the metal-plastic cylinder 1 VD with the highest possible speed to provide the effect of "thermal shock" or "shock cooling". With a sufficiently low thermal conductivity of the material of the plastic shell 12, the alignment of the temperature of the material of the liner 11 with the temperature of the cryogenic medium occurs very quickly. Therefore, in the metal of the liner 11 for a short period of time a significant amount of work is done. The energy generated during such a thermal shock is expended in changing the volume and structural parameters of the metal of the liner 11, leading to a change in the mechanical properties, in particular, to increase the strength characteristics of the metal material of the liner 11.

Максимальную скорость заливки криогенной жидкости в металлопластиковый баллон 1ВД и, соответственно, лейнер 11, в предпочтительном варианте обеспечивают с помощью криогенного насоса высокого давления. В качестве криогенного насоса высокого давления может быть использован любой известный криогенный насос высокого давления.The maximum speed of pouring cryogenic liquid into the metal-plastic cylinder 1VD and, accordingly, liner 11, in the preferred embodiment, is achieved using a cryogenic high-pressure pump. As a cryogenic high pressure pump, any known high pressure cryogenic pump can be used.

Однако даже при невысокой начальной скорости заполнения лейнера 11 криогенной жидкостью, например, методом перелива, скорость его захолаживания остается достаточно высокой, в том числе благодаря перемешиванию и кипению криогенной жидкости внутри лейнера в процессе заливки.However, even at a low initial speed of filling the liner 11 with cryogenic liquid, for example, by the overflow method, its cooling rate remains quite high, including due to the mixing and boiling of the cryogenic liquid inside the liner during the filling process.

Если после полного заполнения лейнера 11 криогенной жидкостью не удается достигнуть требуемой отрицательной температуры (это зависит от окружающей температуры, массы и размеров металлопластикового баллона ВД ), то криогенную жидкость доливают через нижнюю горловину 13 металлопластикового баллона 1 ВД после частичного ее испарения и вывода газообразной фазы из металлопластикового баллона 1 ВД через его верхнюю горловину 13.If, after the liner 11 is completely filled with cryogenic liquid, it is not possible to achieve the required negative temperature (this depends on the ambient temperature, mass and size of the VD metal-plastic cylinder), then the cryogenic liquid is added through the lower neck 13 of the VD metal-plastic cylinder after partially evaporating it and removing the gaseous phase from metal-plastic cylinder 1 VD through its upper neck 13.

Заливку криогенной жидкости и отвод газообразной фазы продолжают пока температура металлопластикового баллона 1 ВД, а именно, внешней поверхности пластиковой оболочки 12 не понизится до требуемой отрицательной температуры, например до температуры кипения используемой криогенной жидкости.Filling of the cryogenic liquid and removal of the gaseous phase continues until the temperature of the metal-plastic cylinder 1 VD, namely, the outer surface of the plastic shell 12 does not drop to the required negative temperature, for example, to the boiling point of the cryogenic liquid used.

Контролируют температуру охлаждения лейнера 11 известными способами на внешней поверхности металлопластикового баллона 1, а именно, на внешней поверхности пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона 1 ВД в нескольких точках, например, вверху и внизу баллона, стоящего вертикально. Контроль температуры металлопластикового баллона 1 в нескольких точках требуется для обеспечения объемного охлаждения и, соответственно, эффективного упрочнения материала лейнера 11.The cooling temperature of the liner 11 is controlled by known methods on the outer surface of the metal-plastic cylinder 1, namely, on the outer surface of the plastic shell 12 of the metal-plastic cylinder 1 VD at several points, for example, at the top and bottom of the cylinder, standing upright. The temperature control of the metal-plastic cylinder 1 at several points is required to provide volumetric cooling and, accordingly, effective hardening of the liner material 11.

Для контроля температуры металлопластикового баллона 1 могут быть использованы известные датчики температур, например реостатные или сопротивления (терморезисторы), термопары и т.п., изолированные от теплопритоков из окружающей среды.To control the temperature of the metal-plastic container 1, known temperature sensors can be used, for example rheostatic or resistance (thermistors), thermocouples, etc., isolated from heat influx from the environment.

Когда температура металлопластикового баллона 1 на внешней поверхности, в контролируемых точках достигнет заданной, например, температуры кипения заливаемой в лейнер 11 криогенной жидкости, металлопластиковый баллон ВД герметизируют и создают в нем заданное внутреннее давление.When the temperature of the metal-plastic cylinder 1 on the external surface, at controlled points, reaches a predetermined, for example, the boiling point of the cryogenic liquid poured into the liner 11, the metal-plastic cylinder VD is sealed and a predetermined internal pressure is created in it.

Заданное внутреннее давление в металлопластиковом баллоне 1 ВД (и в лейнере 11), которое создают в захоложенном металлопластиковом баллоне 1, во многом зависит от конструкции металлопластикового баллона, материала, из которого изготовлены лейнер и пластиковая оболочка и пр. факторов.The predetermined internal pressure in the VD metal-plastic cylinder 1 (and in the liner 11), which is created in the refrigerated metal-plastic cylinder 1, largely depends on the design of the metal-plastic cylinder, the material from which the liner and plastic shell are made, and other factors.

Для металлопластиковых баллонов ВД указанное внутреннее давление (V₂) выбирают из условия максимально допустимого давления в металлопластиковом баллоне 1 и, соответственно, в лейнере 11, вызывающего, с одной стороны, максимально возможные пластические деформации в материале лейнера 11 при нагружении этим внутренним давлением, а с другой стороны, исключающем пластическое деформирование металлического лейнера 11 в результате обжима его пластиковой оболочкой 12 при сбросе давления до нуля. Известно, что материалы силовой пластиковой оболочки 12 могут деформироваться упруго вплоть до разрушения. В металлопластиковых баллонах ВД, под действием внутреннего давления происходит объемное расширение баллона ВД (лейнера 11 и пластиковой оболочки 12), которое сопровождается упругой деформацией пластиковой оболочки 12 (как правило до 2-3% при разрушении и 1-1,5% при пробном давлении испытания на прочность) и пластической деформацией металлического материала лейнера 11, предел упругих деформаций которого составляет всего лишь 0,18-0,20%.For VD metal-plastic cylinders, the indicated internal pressure (V ₂ ) is selected from the condition of the maximum allowable pressure in the metal-plastic cylinder 1 and, accordingly, in the liner 11, causing, on the one hand, the maximum possible plastic deformation in the material of the liner 11 when loaded with this internal pressure, and on the other hand, excluding plastic deformation of the metal liner 11 as a result of crimping it with a plastic shell 12 when the pressure is released to zero. It is known that the materials of the power plastic shell 12 can be deformed elastically until fracture. In metal-plastic cylinders of VD, under the influence of internal pressure, a volume expansion of the cylinder of VD (liner 11 and plastic shell 12) occurs, which is accompanied by elastic deformation of the plastic shell 12 (usually up to 2-3% at failure and 1-1.5% at trial pressure strength tests) and plastic deformation of the metal material of the liner 11, the elastic deformation limit of which is only 0.18-0.20%.

Согласно одному варианту реализации способа, заданное внутреннее давление в металлопластиковом баллоне ВД создают криогенным насосом высокого давления, путем заливки в баллон дополнительной криогенной жидкости (если потребуется). При этом, осуществляют контроль по манометрам за давлением в металлопластиковом баллоне. Когда заданное внутреннее давление в металлопластиковом баллоне будет достигнуто, прекращают подачу криогенной жидкости криогенным насосом высокого давления и сливают из металлопластикового баллона криогенную жидкость.According to one embodiment of the method, a predetermined internal pressure in the VD metal-plastic cylinder is created by a high pressure cryogenic pump by pouring additional cryogenic liquid into the cylinder (if necessary). At the same time, they monitor the pressure gauges in the metal-plastic container. When the predetermined internal pressure in the metal-plastic container is reached, the cryogenic liquid supply is stopped by the high-pressure cryogenic pump and the cryogenic liquid is drained from the metal-plastic container.

Согласно другому варианту реализации способа, заданное внутреннее давление в металлопластиковом баллоне достигают в результате испарения криогенной жидкости с созданием внутреннего давления.According to another embodiment of the method, a predetermined internal pressure in a metal-plastic container is achieved by evaporation of a cryogenic liquid with the creation of internal pressure.

В этом случае, металлопластиковый баллон 1 герметизируют и прекращают подачу криогенной жидкости. Подача криогенной жидкости может быть отключена, например, с помощью перекрытия криогенного вентиля высокого давления в трубопроводе подачи жидкой фазы в металлопластиковый баллон 1. При этом, при необходимости, массу криогенной жидкости в лейнере 11 металлопластикового баллоне 1 ВД можно контролировать по весам.In this case, the metal-plastic cylinder 1 is sealed and the supply of cryogenic liquid is stopped. The cryogenic fluid supply can be turned off, for example, by shutting off the high-pressure cryogenic valve in the pipeline for supplying the liquid phase to the metal-plastic cylinder 1. Moreover, if necessary, the mass of cryogenic liquid in the liner 11 of the metal-plastic cylinder 1 of the VD can be controlled by weight.

Расчет количества (объема) криогенной жидкости для создания требуемого (заданного) давления в металлопластиковом баллоне 1 после его захолаживания можно провести по формуле, приведенной в патенте РФ http://bd.patent.su/2163000-2163999/pat/servl/servletca76.htmlThe calculation of the amount (volume) of cryogenic liquid to create the required (predetermined) pressure in the metal-plastic cylinder 1 after cooling it can be carried out according to the formula given in the patent of the Russian Federation http://bd.patent.su/2163000-2163999/pat/servl/servletca76. html

V_в

P_max

V_б /

_ж

R

T_max,V _in

P _max

V _b /

_well

R

T _max

где Where

V_в- объем внутреннего сосуда (в нашем случае, количество жидкого азота в лейнере); V _in - the volume of the inner vessel (in our case, the amount of liquid nitrogen in the liner);

V_б- общий суммарный объем полостей баллона (в нашем случае – вместимость); V _b - the total total volume of the cavities of the cylinder (in our case - capacity);

P_max - максимально допустимое давление в баллоне;P _max - the maximum allowable pressure in the cylinder;

_ж - плотность криогенной жидкости;

_g is the density of the cryogenic liquid;

R - газовая постоянная рабочего тела;R is the gas constant of the working fluid;

T_max - максимально допустимая температура баллона.T _max - maximum allowable cylinder temperature.

Преобразуем формулу и определим давление, возникающее в металлической оболочке баллона ВД, например, вместимостью 100 литров.We transform the formula and determine the pressure that arises in the metal shell of the cylinder VD, for example, with a capacity of 100 liters.

P_max= V_в×

_ж× R × T_max/V_б P _max = V _in ×

_W × R × T _max / V _b

Либо воспользуемся известным уравнением Менделеева-Клайперона:Or we will use the well-known Mendeleev-Klaiperon equation:

P*V = (m/M)*R*TP * V = (m / M) * R * T

M(N₂) = 28 г/моль,M (N ₂ ) = 28 g / mol,

и определим, какое количество (граммы), например жидкого азота, нужно иметь в 100 литровом баллоне (0,1 м³) после его захолаживания, чтобы в нем после полной газификации создалось давление 40 МПа (40 × 10⁶Па) при температуре окружающей среды +15°С (288К) после окончания термостатирования:and determine how much (grams), for example, liquid nitrogen, you need to have in a 100 liter cylinder (0.1 m ³ ) after cooling it, so that after full gasification a pressure of 40 MPa (40 × 10 ⁶ Pa) is created at ambient temperature environment + 15 ° С (288К) after termination of temperature control:

m(N₂) = P*V*M / R*Tm (N ₂ ) = P * V * M / R * T

m = 40 × 10⁶ × 0.1× 28 / 8.31 × 288 = 46798г (57,88 литра).m = 40 × 10 ⁶ × 0.1 × 28 / 8.31 × 288 = 46798 g (57.88 liters).

Как показывают расчеты, количество криогенной жидкости, необходимое для захолаживания лейнера 11 и пластиковой оболочки 12 металлопластикового баллона 1 ВД до температуры кипения используемой криогенной жидкости, например жидкого азота, как правило, больше, чем количество этой криогенной жидкости (в частности, жидкого азота), необходимое для создания внутреннего давления, требуемого для максимально возможной пластической деформации материала лейнера 11.As the calculations show, the amount of cryogenic liquid needed to cool the liner 11 and plastic shell 12 of the VD metal-plastic cylinder to the boiling point of the cryogenic liquid used, for example liquid nitrogen, is usually greater than the amount of this cryogenic liquid (in particular liquid nitrogen), necessary to create the internal pressure required for the maximum possible plastic deformation of the material of the liner 11.

В лейнере 11, после его захолаживания и герметизации, за счет теплопритока из окружающей среды, будет идти процесс испарения (кипения) криогенной жидкости с созданием заданного внутреннего давления. Металлопластиковый баллон 1 ВД герметизируют с возможностью стравливания из его полости (а именно, полости лейнера 11) заданного количества газовой фазы испарившейся криогенной жидкости после создания в лейнере 11 заданного внутреннего давления.In liner 11, after cooling and sealing, due to heat influx from the environment, the process of evaporation (boiling) of the cryogenic liquid will take place with the creation of a given internal pressure. The metal-plastic cylinder 1 of the VD is sealed with the possibility of bleeding from its cavity (namely, the cavity of the liner 11) a predetermined amount of the gas phase of the evaporated cryogenic liquid after creating a predetermined internal pressure in the liner 11.

Для отвода газовой фазы после создания в металлопластиковом баллоне 1 заданного давления открывают дренажный вентиль и стравливают газовую фазу в атмосферу или потребителю, либо сжижают ее для дальнейшего использования в процессе захолаживания следующих баллонов ВД. Для исключения превышения заданного давления в системе, на трубопроводе отвода газовой фазы перед дренажным вентилем трубопровода может быть установлен предохранительный пружинный клапан, который сбрасывает излишнее давление и поддерживает необходимый уровень заданного давления при закрытом дренажном вентиле трубопровода, отводящего газовую фазу из лейнера 11.To drain the gas phase after creating a predetermined pressure in the metal-plastic cylinder 1, open the drain valve and bleed the gas phase into the atmosphere or the consumer, or liquefy it for further use in the process of cooling the following cylinders of the VD. To avoid exceeding a predetermined pressure in the system, a safety spring valve can be installed in front of the pipeline drainage valve on the gas phase discharge pipe, which relieves excess pressure and maintains the required level of the given pressure when the drainage valve of the pipeline, which removes the gas phase from the liner 11, is closed.

В качестве дренажного вентиля и предохранительного пружинного клапана могут быть использованы известные вентили и клапаны, выпускаемые промышленностью и выдерживающие нужные температуры и давления.As a drain valve and a safety spring valve, well-known valves and valves manufactured by the industry that can withstand the required temperature and pressure can be used.

При достижении заданного внутреннего давления в металлопластиковом баллоне 1 газовую фазу испарившейся криогенной жидкости выпускают из лейнера 11, открыв дренажный вентиль.Upon reaching the specified internal pressure in the metal-plastic cylinder 1, the gas phase of the evaporated cryogenic liquid is discharged from the liner 11, opening the drain valve.

Далее, пустой металлопластиковый баллон ВД подвергают обычным испытаниям на прочность и герметичность в соответствии правилами безопасности.Further, an empty metal-plastic cylinder VD is subjected to the usual tests for strength and tightness in accordance with safety rules.

Авторами установлено, что в результате пластической деформации металлического материала лейнера 11, охлажденного криогенной жидкостью до заданной отрицательной температуры, эффект упрочнения материала лейнера 11 существенно возрастает, при этом достигнутые прочностные характеристики и структура металлического материала лейнера 11 не сопровождаются динамическим возвратом или рекристаллизацией, что позволяет в значительной степени сохранить полученные высокие прочностные характеристики материала лейнера при его отогреве до комнатной температуры и выше, то есть до температур эксплуатации широкого ассортимента металлопластиковых баллонов ВД.The authors found that as a result of plastic deformation of the metal material of the liner 11 cooled by a cryogenic liquid to a predetermined negative temperature, the hardening effect of the material of the liner 11 increases significantly, while the strength characteristics and structure of the metal material of the liner 11 are not accompanied by dynamic return or recrystallization, which allows To a large extent, maintain the obtained high strength characteristics of the liner material when it is heated to room temperature temperature and above, that is, to the operating temperatures of a wide range of metal-plastic cylinders VD.

В частности, экспериментально авторами установлено, что при заполнении жидким азотом металлопластикового баллона ВД состоящего из лейнера 11 толщиной 15 мм из алюминиевого сплава АМг6М, обмотанного стеклопластиковой силовой оболочкой 12 толщиной 8,4 мм, металлический материал лейнера 11 (алюминиевый сплав АМг6М) упрочняется после «отогрева» до нормальной температуры на 10-15%. Такое упрочнение материала лейнера позволяет изготовить металлопластиковый баллон ВД, в котором, например, как в описанном примере, лейнер несет около 40% разрушающей нагрузки при давлении 979 кгс/см² или около 60% при рабочем давлении 408 кгс/см², со стенками лейнера на 3-5% процентов тоньше, если захолаживание не сопровождалось пластическим деформированием материала лейнера (без создания внутреннего давления в баллоне). В том случае, если в баллоне при этом создавалось внутреннее давление за счет частичной газификации жидкого азота путем перекрытия заправочного и дренажного вентилей на баллоне, равное 60% от давления разрушения баллона ВД, вызывающее пластическое деформирование материала лейнера до 1,7-2,5%, упрочнение материала лейнера после отогрева превышало 20%, что позволяет уменьшить толщину стенки на 8-10 % при сохранении нужного уровня прочности самого баллона.In particular, the authors experimentally established that when liquid metal is filled with a VD metal liquid plastic cylinder consisting of a liner 11 with a thickness of 15 mm from an aluminum alloy AMg6M wrapped in a fiberglass plastic sheath 12 with a thickness of 8.4 mm, the metal material of the liner 11 (aluminum alloy AMg6M) is hardened after warming ”to normal temperature by 10-15%. Such hardening of the liner material makes it possible to produce a metal-plastic cylinder VD, in which, for example, as in the described example, the liner carries about 40% of the breaking load at a pressure of 979 kgf / cm ² or about 60% at an operating pressure of 408 kgf / cm ² , with the walls of the liner 3-5% percent thinner if the cooling was not accompanied by plastic deformation of the liner material (without creating internal pressure in the cylinder). In the event that the internal pressure was created in the cylinder due to the partial gasification of liquid nitrogen by blocking the filling and drain valves on the cylinder, equal to 60% of the pressure of destruction of the cylinder VD, causing plastic deformation of the liner material to 1.7-2.5% , hardening of the liner material after heating exceeded 20%, which allows to reduce the wall thickness by 8-10% while maintaining the desired level of strength of the container itself.

Для реализации процесса упрочнения металлического материала лейнера 11 в предпочтительном варианте используют специальную установку 2, показанную на Фиг. 2.To implement the process of hardening the metal material of the liner 11, a special installation 2, shown in FIG. 2.

На Фиг. 2 установка 2 показана с установленным в ней металлопластиковым баллоном 1 ВД. Установка 2 для упрочнения металлического материала лейнера металлопластикового баллона 1 ВД содержит стойку 21 с хомутами 22 для фиксации в вертикальном положении металлопластикового баллона 1 ВД на стойке 21. Стойка 21 соединена с платформенными весами 23. Весы 23 соединены с помощью электрического кабеля 24 с показывающим измерительным устройством 25. В качестве такого устройства могут быть использованы известные приборы с дистанционным табло (дисплеем) или выносным индикатором.In FIG. 2, installation 2 is shown with a metal-plastic cylinder 1 VD installed in it. Installation 2 for hardening the metal material of the liner of the metal-plastic cylinder 1 VD contains a rack 21 with clamps 22 for fixing in an upright position the metal-plastic cylinder 1 VD on the rack 21. The rack 21 is connected to the platform scales 23. The scales 23 are connected using an electric cable 24 to a measuring device 25. As such a device, known devices with a remote display (display) or a remote indicator can be used.

Установка содержит криогенную емкость 26 и криогенный насос 27 высокого давления, соединенные через криогенный вентиль 28 низкого давления. В качестве такого вентиля могут быть использованы известные любые стандартные криогенные вентили, используемые в низкотемпературных и криогенных системах с номинальным диаметром от 25 до 32 мм. Установка содержит нагнетательный криогенный трубопровод 29, соединяемый с одного конца через криогенный трехходовой вентиль 30 высокого давления с криогенным насосом 27 высокого давления, с другого конца, через первый криогенный вентиль 31 высокого давления, с нижней горловиной 13 металлопластикового баллона 1 высокого давления.The installation comprises a cryogenic tank 26 and a high pressure cryogenic pump 27 connected through a low pressure cryogenic valve 28. As such a valve, any standard cryogenic valves used in low-temperature and cryogenic systems with a nominal diameter of 25 to 32 mm can be used. The installation comprises an injection cryogenic pipeline 29 connected at one end via a high pressure cryogenic three-way valve 30 to a high pressure cryogenic pump 27, and at the other end, through a first high pressure cryogenic valve 31, with a lower neck 13 of a high pressure metal-plastic cylinder 1.

В качестве трехходового вентиля 30 могут быть использован известные игольчатые трехходовые вентили с двумя входами под давлением фирмы Autoclave Engineers типа LT с криогенным покрытием и тефлоновым уплотнением, работающие при температурах до минус 252°С с номинальным диаметром 25 мм и рабочим давлением до 1000 бар или аналоги, производимые другими изготовителями, а в качестве криогенного вентиля 31 (2) высокого давления - известные клапаны сильфонные, предназначенные для установки в качестве запорных устройств на трубопроводах криогенных систем.As a three-way valve 30, well-known needle-type three-way valves with two pressure inlets of the Autoclave Engineers type LT with cryogenic coating and Teflon seal, operating at temperatures up to minus 252 ° С with a nominal diameter of 25 mm and a working pressure of up to 1000 bar, or analogues can be used produced by other manufacturers, and as a cryogenic valve 31 (2) high pressure - well-known bellows valves, designed for installation as shut-off devices on pipelines of cryogenic systems.

Трехходовой вентиль 30 может подключать нагнетательный криогенный трубопровод 29 либо к криогенному насосу 27, либо к дренажной магистрали через дренажный вентиль 32. В качестве такого дренажного вентиля могут быть использованы известные вентили серии Т соответствующего давления и проходного сечения.The three-way valve 30 can connect the discharge cryogenic pipe 29 to either the cryogenic pump 27 or to the drain line through the drain valve 32. As such a drain valve, known T-series valves of the corresponding pressure and passage section can be used.

Установка 2 также содержит трубопровод 33 высокого давления отвода газообразной фазы, соединяемый с одного конца через второй криогенный вентиль 31 высокого давления с верхней горловиной 13 металлопластикового баллона 1. С другого конца трубопровод 33 высокого давления отвода газообразной фазы соединен через предохранительный пружинный клапан 34 и дренажный вентиль 35 с атмосферой или магистралью (не показана) потребителя. На трубопроводе 33 высокого давления отвода газообразной фазы установлены два манометра 36 для измерения внутреннего давления в металлопластиковом баллоне 1 ВД. Кроме того, установка 2 содержит, по крайней мере, три датчика 37 температуры, распределенных по высоте стойки 21. Датчики температуры 37 соединены электрическими проводами 38 с показывающим прибором 25.Installation 2 also contains a high-pressure pipe 33 of the gaseous phase outlet connected at one end through a second cryogenic high-pressure valve 31 to the upper neck 13 of the plastic plastic bottle 1. At the other end, a high-pressure pipe 33 of the gas phase outlet is connected through a safety spring valve 34 and a drain valve 35 with the atmosphere or line (not shown) of the consumer. Two pressure gauges 36 are installed on the high-pressure pipeline 33 of the gaseous phase for measuring the internal pressure in the metal-plastic cylinder 1 VD. In addition, the installation 2 contains at least three temperature sensors 37 distributed over the height of the rack 21. The temperature sensors 37 are connected by electrical wires 38 to the indicating device 25.

Упрочнение металлического материала металлопластикового баллона 1 на установке 2 осуществляется следующим образом.The hardening of the metal material of the metal-plastic container 1 in the installation 2 is as follows.

Вновь изготовленный металлопластиковый баллон 1 ВД закрепляют в вертикальном положении на стойке 21, фиксируют его на стойке с помощью хомутов 22 и устанавливают на платформенные весы 23, соединенные с помощью электрического кабеля 24 с показывающим прибором 25. Криогенную емкость 26 заполняют заданным количеством криогенной жидкости, например, жидким азотом.The newly manufactured metal-plastic cylinder 1 VD is fixed in a vertical position on the rack 21, fixed on the rack using clamps 22 and mounted on the platform scales 23 connected by an electric cable 24 to the indicating device 25. The cryogenic container 26 is filled with a predetermined amount of cryogenic liquid, for example liquid nitrogen.

Нижнюю горловину 13 металлопластикового баллона 1 соединяют с помощью криогенного вентиля 31 высокого давления, нагнетательного криогенного трубопровода 29 и криогенного трехходового вентиля 30 с криогенным насосом 27 высокого давления, который через криогенный вентиль 28 низкого давления соединен со стандартной криогенной емкостью 26. Трехходовой вентиль 30 может подключать нагнетательный криогенный трубопровод 29 либо к криогенному насосу 27 либо к дренажной магистрали через дренажный вентиль 32. Затем к металлопластиковому баллону 1 ВД через криогенный вентиль 31 высокого давления, установленный в верхней горловине баллона 13, и трубопровод высокого давления 33 отвода газообразной фазы подсоединяют два манометра 36 для измерения внутреннего давления в металлопластиковом баллоне 1, предохранительный клапан 34 и дренажный вентиль 35 для выдачи газообразной фазы в атмосферу или потребителю. С помощью электрических проводов 38 к металлопластиковому баллону 1 подключают датчики 37 температуры с показывающим прибором 25. Открывают криогенный вентиль 31 в верхней горловине 13 металлопластикового баллона 1 и дренажный вентиль 35. Открывают криогенный вентиль 31 в нижней горловине 13 металлопластикового баллона 1. Трехходовым вентилем 30 соединяют нагнетательный криогенный трубопровод 29 с криогенным насосом 27. Проверяют работоспособность датчиков 37 температуры и фиксируют температуру металлопластикового баллона 1 и окружающей среды. Открывают вентиль 28 криогенной емкости 26. Включают криогенный насос 27 и заполняют криогенной жидкостью полость металлопластикового баллона 1, контролируя температуру на поверхности металлопластикового баллона 1 по показаниям датчиков 37 температур. Когда показания датчиков 37 температур достигнут заданной отрицательной температуры, перекрывают дренажный вентиль 35 выхода газообразной фазы. Продолжают подачу криогенной жидкости в металлопластиковый баллон 1 криогенным насосом 27 высокого давления, контролируя величину давления в металлопластиковом баллоне 1 по манометрам 36. После создания криогенным насосом 27 нужного давления в металлопластиковом баллоне 1 криогенный насос 27 выключают и отсоединяют его от нагнетательного криогенного трубопровода 29 трехходовым вентилем 30, вентиль 28 криогенной емкости 26 закрывают. Открывают дренажный вентиль 35 для выдачи газообразной фазы в атмосферу или потребителю и стравливают давление в баллоне до давления, достаточного для перекачки криогенной жидкости из баллона в стандартную криогенную емкость (как правило, от 6 до 16 кгс/см²), после чего дренажный вентиль 35 закрывают. Открывают дренажный вентиль 32 и сливают из металлопластикового баллона 1 криогенную жидкость через нижнюю горловину металлопластикового баллона 1, нагнетательный криогенный трубопровод 19, дренажный вентиль 35 и криогенный трубопровод (на Рис.2 не показан) низкого давления, соединенный с заправочным клапаном (на Рис.2 не показан) стандартной криогенной емкости 26. Окончание слива контролируют с помощью весов 23 (по массе пустого баллона) либо взвешиванием стандартной криогенной емкости 26. Закрывают заправочный клапан стандартной криогенной емкости. Открывают дренажный вентиль 32 и полностью опорожняют систему от газовой фазы до ноля. Металлопластиковый баллон 1 отсоединяют от трубопровода 33 высокого давления отвода газообразной фазы и от нагнетательного криогенного трубопровода 29. Расстегивают хомуты 22, открепляют металлопластиковый баллон 1 от стойки 21.The lower neck 13 of the metal-plastic container 1 is connected using a high pressure cryogenic valve 31, a cryogenic discharge pipe 29 and a three-way cryogenic valve 30 with a high-pressure cryogenic pump 27, which is connected to a standard cryogenic tank 26 through a low-pressure cryogenic valve 28. Three-way valve 30 can connect discharge cryogenic pipe 29 either to the cryogenic pump 27 or to the drainage line through the drainage valve 32. Then to the metal-plastic cylinder 1 VD through With a cryogenic high-pressure valve 31 installed in the upper neck of the cylinder 13, and a high-pressure pipe 33 for venting the gaseous phase, two pressure gauges 36 for measuring the internal pressure in the metal-plastic cylinder 1, a safety valve 34 and a drain valve 35 for supplying the gaseous phase to the atmosphere or to the consumer are connected . Using electrical wires 38, temperature sensors 37 are connected to the metal-plastic container 1 with a indicating device 25. The cryogenic valve 31 in the upper neck 13 of the metal-plastic cylinder 1 and the drain valve 35 are opened. The cryogenic valve 31 is opened in the lower neck 13 of the metal-plastic cylinder 1. A three-way valve 30 is connected discharge cryogenic pipeline 29 with a cryogenic pump 27. Check the operability of the temperature sensors 37 and record the temperature of the metal-plastic cylinder 1 and the environment. The valve 28 of the cryogenic container 26 is opened. The cryogenic pump 27 is turned on and the cavity of the metal-plastic container 1 is filled with cryogenic liquid, controlling the temperature on the surface of the metal-plastic container 1 according to the readings of the temperature sensors 37. When the readings of the temperature sensors 37 have reached a predetermined negative temperature, the drain valve 35 for the exit of the gaseous phase is closed. The cryogenic liquid is continued to be supplied to the metal-plastic cylinder 1 by the high-pressure cryogenic pump 27, controlling the pressure in the metal-plastic cylinder 1 by manometers 36. After the cryogenic pump 27 creates the required pressure in the metal-plastic cylinder 1, the cryogenic pump 27 is turned off and disconnected from the discharge cryogenic pipeline 29 by a three-way valve 30, the valve 28 of the cryogenic tank 26 is closed. Open the drain valve 35 to dispense the gaseous phase into the atmosphere or the consumer and release the pressure in the cylinder to a pressure sufficient to pump the cryogenic liquid from the cylinder into a standard cryogenic tank (usually from 6 to 16 kgf / cm ² ), after which the drain valve 35 close. Open the drain valve 32 and drain the cryogenic liquid from the metal-plastic cylinder 1 through the lower neck of the metal-plastic cylinder 1, the cryogenic discharge pipe 19, the drain valve 35 and the low pressure cryogenic pipe (not shown in Figure 2) connected to the filling valve (in Figure 2 not shown) of a standard cryogenic tank 26. The end of the drain is controlled using weights 23 (by weight of an empty cylinder) or by weighing a standard cryogenic tank 26. Close the filling valve of a standard cryogenic mkosti. Open the drain valve 32 and completely empty the system from the gas phase to zero. The metal-plastic cylinder 1 is disconnected from the high-pressure pipeline 33 of the removal of the gaseous phase and from the discharge cryogenic pipeline 29. Clamps 22 are unfastened, the metal-plastic cylinder 1 is unfastened from the rack 21.

Приведенная установка может быть использована и при создании заданного внутреннего давления в металлопластиковом баллоне в результате испарения криогенной жидкости. В данном случае, вместо криогенного насоса высокого давления 27 можно применять стандартные криогенные насосы низкого давления. Для контроля массы криогенной жидкости для создания требуемого (заданного) давления в металлопластиковом баллоне 1 используют весы 23 взвешивая пустой металлопластиковый баллон 1 и заполненный.The above installation can be used to create a given internal pressure in a metal-plastic cylinder as a result of evaporation of a cryogenic liquid. In this case, instead of the cryogenic high pressure pump 27, standard low pressure cryogenic pumps can be used. To control the mass of cryogenic liquid to create the required (predetermined) pressure in the metal-plastic cylinder 1, weights 23 are used, weighing an empty metal-plastic cylinder 1 and filled.

Если давление в металлопластиковом баллоне 1 при выдержке (термостатировании) превысит заданное, то избыток давления газовой фазы стравливают через предохранительный клапан 34. При окончании выдержки металлопластикового баллона 1 и достижении заданного давления в металлопластиковом баллоне 1 открывают дренажный вентиль 35 и газовую фазу из металлопластикового баллона 1 выпускают либо в атмосферу, либо выдают потребителю. Возможно сжижение газовой фазы с помощью дросселирования, а также оставление газообразной фазы в металлопластиковом баллоне 1 под рабочим давлением путем перекрытия вентилей 31 (2) металлопластикового баллона 1. После полного стравливания газовой фазы из металлопластикового баллона 1 либо оставления газообразной фазы под рабочим давлением в металлопластиковом баллоне, вентили 31 перекрываются, а сам металлопластиковый баллон 1 отсоединяют от трубопровода 33 высокого давления отвода газообразной фазы и от нагнетательного криогенного трубопровода 29. Расстегивают хомуты 22, открепляют металлопластиковый баллон 1 от стойки 21. Если в металлопластиковом баллоне 1 остается рабочее давление газообразной фазы, то после перекрытия вентилей 31 металлопластикового баллона, необходимо сбросить давление в нагнетательном криогенном трубопроводе 29 путем соединения его через трехходовой вентиль 30 и открытия дренажного вентиля 35. Предпочтительно, полностью стравливать газообразную фазу из баллона и подвергнуть его техническому освидетельствованию (стандартным испытаниям на прочность и герметичность) в соответствии с правилами безопасности.If the pressure in the metal-plastic cylinder 1 during holding (thermostating) exceeds the set, then the excess pressure of the gas phase is vented through the safety valve 34. When the soaking of the metal-plastic cylinder 1 is completed and the set pressure in the metal-plastic cylinder 1 is reached, the drain valve 35 and the gas phase from the metal-plastic cylinder 1 are opened either released into the atmosphere or delivered to the consumer. It is possible to liquefy the gas phase by throttling, as well as to leave the gaseous phase in the metal-plastic cylinder 1 under working pressure by shutting off the valves 31 (2) of the metal-plastic cylinder 1. After the gas phase is completely drained from the metal-plastic cylinder 1 or the gaseous phase is left under the working pressure in the metal-plastic cylinder the valves 31 are closed, and the metal-plastic cylinder 1 itself is disconnected from the high-pressure pipe 33 of the removal of the gaseous phase and from the discharge cryogenic pipe 29. Unfasten the clamps 22, unfasten the metal-plastic cylinder 1 from the rack 21. If the working pressure of the gaseous phase remains in the metal-plastic cylinder 1, then after closing the valves 31 of the metal-plastic cylinder, it is necessary to relieve the pressure in the discharge cryogenic pipeline 29 by connecting it through a three-way valve 30 and opening the drain valve 35. It is preferable to completely bleed the gaseous phase from the cylinder and subject it to technical inspection (standard strength tests b and tightness) in accordance with safety rules.

Данная установка облегчает процесс заливки криогенной жидкости в металлопластиковый баллон 1 ВД, контроль массы заливаемой в лейнер криогенной жидкости, контроль температуры и внутреннего давления в процессе упрочнения металлического материала металлопластикового баллона 1. Тем самым описанная установка обеспечивает технологичность процесса упрочнения металлического материала лейнера и изготовления металлопластикового баллона высокого давления.This installation facilitates the process of pouring cryogenic liquid into a plastic cylinder 1 VD, controlling the mass of cryogenic liquid filled into the liner, controlling temperature and internal pressure during the hardening of the metal material of the metal-plastic cylinder 1. Thus, the described installation ensures the manufacturability of the process of hardening the metal material of the liner and manufacturing a metal-plastic cylinder high pressure.

Claims

1. A method of manufacturing a metal-plastic high-pressure cylinder, comprising manufacturing an inner metal shell and an external power plastic shell, hardening the material of the inner metal shell, comprising plastic deformation of the metal material of the inner shell by loading the metal-plastic cylinder with a predetermined internal pressure, characterized in that the plastic deformation of the metal material is internal the shell is carried out after cooling the internal metal shell to a predetermined negative temperature by filling the metal-plastic cylinder VD cryogenic liquid.

2. The method according to p. 1, characterized in that the metal-plastic cylinder VD is installed vertically and a cryogenic liquid is poured into its cavity through the lower neck of the metal-plastic cylinder VD, while the cold gas phase is diverted through its upper neck.

3. The method according to p. 1, characterized in that a high-speed cooling of the inner metal shell is carried out by filling a metal-plastic cylinder VD with a cryogenic liquid using a cryogenic pump.

4. The method according to p. 1, characterized in that a cryogenic liquid is poured into the cavity of the metal-plastic cylinder of the VD until the cryogenic pump reaches the set temperature, the metal-plastic cylinder of the VD is sealed, the specified internal pressure is created in the metal-plastic cylinder by filling the cryogenic cylinder into the cavity of the metal-plastic cylinder liquid with a high pressure cryogenic pump, and then cryogenic liquid is drained from the metal-plastic cylinder.

5. The method according to p. 1, characterized in that the cryogenic liquid is poured into the cavity of the metal-plastic cylinder of the VD in a predetermined amount by weight necessary for cooling it to the desired temperature and the creation of a predetermined internal pressure as a result of evaporation of the cryogenic liquid, the metal-plastic cylinder of the VD is sealed, withstand it is created before it has a predetermined internal pressure as a result of evaporation of the cryogenic liquid and the gas phase of the evaporated cryogenic liquid is released from the metal-plastic cylinder.

6. The method according to p. 1, characterized in that a predetermined amount by weight of the cryogenic liquid poured into the metal-plastic cylinder VD is determined from the calculation of cooling the material of the inner metal shell and the outer power shell to the boiling point of the poured cryogenic liquid.

7. The method according to p. 1, characterized in that the high pressure metal-plastic cylinder is loaded with the maximum allowable internal pressure, which is determined from the condition that there is no plastic deformation of the metal shell when the pressure is released to zero.

8. The method according to p. 1, characterized in that liquid nitrogen is used as the cryogenic liquid.

9. The method according to p. 1, characterized in that for the manufacture of the metal shell using materials selected from the group: austenitic stainless steel, deformable thermally unstrengthened aluminum alloys AD1, AMTS, AMg5 and their analogues, titanium alloys.