БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F17C1/00 F16J12/00 

Изобретение относится к конструкции сосудов, работающих под высоким давлением, в частности к баллонам высокого давления (от 100 кгс/см² и выше), предназначенным для хранения, транспортирования и использования сжатых газов (воздуха, кислорода, азота и др. ). Баллоны для сжатых газов под высоким давлением являются устройствами, используемыми в различных областях народного хозяйства и техники и, в частности, могут найти применение в дыхательных аппаратах и аквалангах.

Основными требованиями, предъявляемыми к таким газовым баллонам, являются: обеспечение их высокой конструктивной прочности при минимальном разбросе их функциональных характеристик и эксплуатационной надежности при минимальных значениях весовых характеристик, а также низкой материалоемкости и длительного срока службы.

Конструкция отечественных баллонов определяется стандартами (например, ГОСТ 949-73 и др. ) и представляет собой заготовку из горячекатанной трубы с закатанными на горяче и загерметизированным сваркой днищем с одной стороны и днищем с горловиной с другой стороны. При этом толщина стенки к центру днищ плавно увеличивается до 3-4 толщин стенки трубы (заготовки). Баллоны данной конструкции (принятые за аналог) выпускаются, например, Мариупольским металлургическим комбинатом и Первоуральским металлургическим заводом.

Однако существующие отечественные конструкции газовых баллонов высокого давления не обеспечивают достаточной эксплуатационной надежности (прочности) и длительного срока службы, что связано с их определенными конструктивными особенностями. Наименее надежными точками конструкции таких баллонов (по ГОСТ 949-73) являются:
зона перехода цилиндрической части баллона в сферу (зона краевого эффекта);
зона герметизации дна сваркой.

При увеличении рабочего давления в последнем указанные недостатки возрастают пропорционально.

Зона герметизации дна сваркой характеризуется наличием сварочных дефектов, подвержена значительной коррозии и снижает срок службы баллонов.

Наиболее опасной зоной, снижающей эксплуатационную надежность и срок службы баллона, является зона краевого эффекта. Суть явления заключается в том, что в зоне перехода цилиндрической части баллона в сферическую возникает скачок напряжений, превышающих напряжения в цилиндрической части баллона на 40% .

На фиг. 1 показана эпюра напряжений в баллоне от рабочего давления без учета краевого эффекта; на фиг. 2 - эпюра напряжений с учетом краевого эффекта.

Влияние краевого эффекта вызывает появление в данной зоне (в металле) увеличенного количества дислокаций и вызывает усиленную коррозию металла (точечную или в виде коверн), что снижает эксплуатационную надежность и срок службы баллона.

Таким образом, задачей данного технического решения являлось обеспечение потребности общества в баллонах без предъявления к ним требований по эксплуатационной надежности.

Общими признаками с предлагаемым баллоном являются цилиндрический корпус со сферическим днищем и сферическим днищем с горловиной.

Поэтому наиболее оптимальной конструкцией, удовлетворяющей повышенным требованиям, являлась бы конструкция баллона, состоящая из корпуса со сплошным днищем и закатанным на горячем днище с горловиной. Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому эффекту является баллон для сжатого воздуха фирмы "Faber" (Италия), принятый за прототип (Григорьев Е. Г. и др. "Газобаллоновые автомобили", М. Машиностроение, 1989, стр. 100-102).

Баллон представляет собой штампованный из листа цилиндрический корпус со сплошным днищем и закатанным на горяче днищем с горловиной. Толщина стенки корпуса и сплошного днища одинакова. Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось повышение его эксплуатационной надежности. Общими признаками с предлагаемым авторами баллоном является наличие корпуса, выполненного в виде цилиндрической обечайки, переходящей с одной стороны в сплошное сферическое дно, а с другой стороны в сферическое дно с горловиной. Такая конструкция по прототипу имеет преимущества перед аналогом (отсутствие влияния герметизации дна сваркой), но и имеет недостатки, связанные с наличием зоны краевого эффекта.

В отличие от прототипа в предлагаемом баллоне сферическое дно и сферическое дно с горловиной выполнены утолщенными, а цилиндрическая обечайка выполнена меньшей толщины, в зоне перехода утолщенных сферического дна и сферического дна с горловиной в обечайку выполнены конические утолщения со следующим соотношением
T/t = 1,4: 2, l/t = 2-5, где l - длина конического переходного участка днищ в цилиндрическую обечайку;
t - толщина цилиндрической обечайки корпуса баллона;
Т - толщина сферических днищ.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемыми техническими результатами.

Указанные признаки, отличительные от прототипа, и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции баллона, обеспечивающего повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока службы в 1,5-2 раза за счет исключения влияния краевого эффекта в зоне соединения сферических днищ с цилиндрической частью корпуса баллона.

Выполнение сферических днищ утолщенными в 1,4 раза по сравнению с толщиной стенки корпуса и переходного конического участка в зоне соединения сферических днищ с корпусом приводит к снижению в данной в зоне в 1,4 раза напряжений, возникающих от влияния краевого эффекта.

Сущность изобретения заключается в том, что баллон высокого давления, содержащий корпус, выполненный в виде цилиндрической обечайки, переходящей в сферическое дно с горловиной и сферическое дно, в отличии от прототипа (согласно изобретению) сферическое дно и сферическое дно с горловиной выполнены утолщенными, а цилиндрическая обечайка выполнена меньшей толщины, при этом в зоне перехода утолщенных сферического дна и сферического дна с горловиной в цилиндрическую обечайку выполнены конические участки со следующим соотношением
T/t = 1,4-2, l/t = 2-5, где l - длина конического переходного участка сферических днищ в цилиндрическую обечайку;
Т - толщина сферических днищ,
t - толщина цилиндрической обечайки корпуса баллона.

На фиг. 1 изображен баллон высокого давления; на фиг. 2 - участок перехода сферических днищ в цилиндрическую обечайку.

Баллон высокого давления включает корпус 1, состоящий из цилиндрической обечайки 2, сферического дна 3 и сферического дна с горловиной 4. Толщины сферического дна 3 и сферического дна с горловиной 4 (в зоне соединения с корпусом) выполнены больше толщины цилиндрической обечайки 2, а в зоне перехода сферических днищ 3 и 4 они выполнены коническими, при этом выполняются соотношения
T/t = 1,4-2, l/t = 2-5.

Исследования и расчеты показали, что толщина днищ должна быть не менее 1,4 толщины цилиндрической обечайки для ликвидации влияния краевого эффекта и не более 2 толщин цилиндрической обечайки, так как дальнейшее увеличение толщин приводит к увеличению массы баллона. Наиболее оптимальным данное соотношение должно быть равно 1,5. Длина конической переходной зоны вычисляется по формуле
l = , где l - длина конической переходной зоны от сферического дна к цилиндрической обечайке;
t - толщина цилиндрической обечайки;
R - внутренний радиус сферического дна.

В результате расчетов выявлено, что длина участка переходной зоны от сферических днищ в цилиндрическую обечайку должна составлять 2-5t. Причем, в зоне l< 2t резко возрастает влияние краевого эффекта, а в зоне l > 5t влияние краевого эффекта исчезает.

Влияние краевого эффекта в зоне l = = 2-5t не превышает 5% от максимального напряжения.

По предлагаемому изобретению была разработана конструкторская документация БГ-7-300.010, по которой была изготовлена опытная партия баллонов в размер 100 шт. объемом 7,3 л на давление 300 кгс/см² и испытана.

Испытания подтвердили высокие эксплуатационные характеристики баллонов (акт предварительных испытаний N 19/46 от 28.01.92 г. ). Как показал анализ результатов испытаний, в баллонах по предлагаемому изобретению из-за устранения краевого эффекта на его прочностные характеристики в 1,3-1,4 раза снижены напряжения, возникающие в зонах перехода (участки перехода днищ в цилиндрическую обечайку). Это позволило снизить в 1,2-1,5 раза массу баллона по сравнению с известными при сохранении эксплуатационных характеристик и увеличить почти вдвое гарантийный срок их эксплуатации.

По результатам испытаний предлагаемая конструкция баллонов высокого давления признана перспективной и рекомендована в серийное производство. (56) Григорьев Е. Г. и др. Газобаллонные автомобили. М. , Машиностроение, 1989, стр. 100-102.

Использование: баллоны высокого давления (от 100кгс/cм² и выше) для хранения и транспортировки сжатых газов (воздуха, кислорода, азота и др), преимущественно дыхательные аппараты спасателей и акваланги. Сущность изобретения: баллон содержит корпус в виде цилиндрической обечайки, переходящей с одной стороны в сферическое дно с горловиной, а с другой стороны в сферическое дно, последние выполнены утолщенными, а цилиндрическая обечайка выполнена меньшей толщины, при этом в зонах перехода утолщенных сферического днища и сферического дна с горловиной в обечайку выполнены конические участки со следующими отношениями T/t = 1,4 - 2, l/t = 2 - 5, где l - участок перехода днища в цилиндрическую обечайку, t - толщина цилиндрической обечайки, T - толщина сферического дна (толщина исходного материала). Конструкция баллона устраняет краевые эффекты, увеличивая тем самым прочностные характеристики. 2 ил.

БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус, выполненный в виде цилиндрической обечайки, переходящей с одной стороны в сферическое днище, а с другой стороны - в сферическое дно с горловиной, отличающийся тем, что сферическое днище и сферическое дно с горловиной его выполнены утолщенными, а цилиндрическая обечайка - меньшей толщины, при этом в зоне перехода утолщенных сферического днища и сферического дна с горловиной в обечайку выполнены конические участки со следующими соотношениями;
T/t = 1,4 - 2;
l/t = 2 - 5,
где l - длина конического переходного участка сферических днищ в обечайку,
T - толщина сферических днищ,
t - толщина цилиндрической обечайки корпуса баллона.