БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F17C1/00 

Изобретение относится к области специального машиностроения и касается изготовления баллонов высокого давления из стеклопластика.

Известна конструкция баллона высокого давления из стеклопластика, состоящая из прочной стеклопластиковой оболочки, двух полюсных штуцеров и внутренней герметизирующей оболочки из эластомеров, в частности из резины. (Лукьянов Н.П. и др. Исследование и разработки технологии герметизации стеклопластиковых сосудов для сжатых газов: cб. Состояние и перспективы развития промышленного освоения коррозионностойких стеклопластиковых труб и аппаратов. М. ВНИИСПВ, 1978, с. 79).

Недостатком конструкции баллона с внутренней герметизирующей оболочкой на основе резины является то, что при использовании его для хранения сжатого воздуха при рабочем давлении до 400 кгс/см² под действием кислорода сжатого воздуха и повышенных температур эксплуатации до +60^oC происходит окисление и старение герметизирующей оболочки и баллон при этом теряет герметичность.

Известна также конструкция комбинированного баллона высокого давления, имеющего прочную стеклопластиковую оболочку и внутреннюю герметизирующую оболочку из металла (лейнер), соединенную с полюсными штуцерами с помощью сварки (Серенсен С.В. Зайцев Г.П. Несущая способность тонкостенных конструкций из армированных пластиков с дефектами. Киев, Наукова думка, 1982, с. 261) прототип.

В указанном баллоне герметизирующий лейнер является несущей конструкцией т. е. он принимает участие в восприятии внешней нагрузки от воздействия давления рабочей среды.

При однократном нагружении баллонов внутренним давлением газа или сжатого воздуха металлический герметизирующий лейнер имеет определенные преимущества по сравнению с лейнером из неметаллических материалов, т.к. позволяет добиться минимальной диффузии газа, а его проницаемость можно легко контролировать.

При многократных нагружениях баллона (500-1500 циклов) надежность металлического лейнера значительно снижается из-за резкого различия в модулях нормальной упругости металла и стеклопластика прочной оболочки баллона.

Под воздействием многоцикловых нагрузок металлический лейнер накапливает остаточную деформацию и преждевременно выходит из строя, а баллон высокого давления при этом теряет герметичность.

К недостаткам конструкции баллона- прототипа относится и то, что металлический лейнер являясь несущей конструкцией имеет толщину равную 0,4-0,6 толщины стеклопластиковой оболочки, т. е. толщину соразмерную с толщиной стеклопластиковой оболочки. Следовательно, металлический лейнер имеет значительную массу, а баллон с таким лейнером по массе проигрывает баллону с лейнером из неметаллических материалов.

Оптимальной конструкцией комбинированного баллона является баллон из стеклопластика с тонкостенным герметизирующим металлическим лейнером не несущим внешней нагрузки и способным воспринимать значительные деформации как в продольном, так и в окружном направлении.

Целью изобретения является компенсация деформаций, возникающих в тонкостенном металлическом герметизирующем лейнере баллона высокого давления из стеклопластика при многоцикловом нагружении баллона внутренним давлением.

Поставленная цель достигается тем, что в известной конструкции баллона высокого давления из стеклопластика, включающего прочную стеклопластиковую оболочку, два полюсных металлических штуцера, внутренний герметизирующий тонкостенный металлический лейнер, соединенный с полюсными штуцерами с помощью сварки, введены следующие усовершенствования:
металлический лейнер имеет гофры, расположенные как в продольном, так и в окружном направлении;
полости, образуемые гофрами, расположенными в продольном направлении, на наружной поверхности лейнера, заполнены упругим материалом, например эластомером;
в полостях, образуемых гофрами, расположенными в окружном направлении, на наружной поверхности лейнера, расположены кольцевые ребра жесткости, вставленные в цилиндрическое кольцо и способные перемещаться по внутренней поверхности при деформации лейнера под погрузкой в продольном направлении;
лейнер выполнен многослойным, состоящим из отдельных тонкостенных металлических оболочек вращения, вставленных одна в другую;
лейнер не имеет адгезионной связи с внутренней поверхностью стеклопластиковой оболочки.

Из известного уровня техники не было обнаружено решений, которые бы решали поставленную задачу таким же путем и с таким же результатом.

Наличие у металлического лейнера гофров, расположенных как в продольном, так и в окружном направлении разгружает лейнер от воздействия внутреннего давления и компенсирует деформации, возникающие при многоцикловом нагружении баллона внутренним давлением как в продольном, так и в окружном направлении, тем самым повышается надежность и долговечность лейнера при многоцикловых нагрузках.

Наличие упругого материала в полостях, образуемых продольными гофрами на наружной поверхности лейнера, обеспечивает предотвращение потери устойчивости продольных гофров при нагружении баллона внутренним давлением.

Наличие в полостях, образуемых гофрами, расположенными в окружном направлении, кольцевых ребер жесткости, вставленных в цилиндрическое кольцо и способных перемещаться по его внутренней поверхности при деформации лейнера, в продольном направлении, обеспечивает предотвращение потери устойчивости окружных гофров и исключает деформацию лейнера в этом месте в окружном направлении и не препятствует деформации лейнера в продольном направлении при нагружении баллона внутренним давлением.

Выполнение герметизирующего лейнера многослойным, состоящим из отдельных тонкостенных металлических оболочек вращения, вставленных одна в другую, повышает надежность лейнера при длительной эксплуатации баллона.

Отсутствие адгезионной связи металлического лейнера с внутренней поверхностью стеклопластиковой оболочки снижает напряженно-деформированное состояние лейнера при нагружении баллона внутренним давлением и повышает его надежность и долговечность при длительной эксплуатации баллона.

На фиг. 1, 2 изображена конструкция предложенного баллона.

Баллон содержит прочную стеклопластиковую оболочку 1, два полюсных металлических штуцера 2, внутренний герметизирующий многослойный тонкостенный металлический лейнер 3, состоящий из отдельных тонкостенных металлических оболочек вращения, вставленных одна в другую, и соединенный с полюсными штуцерами с помощью сварки.

Металлический лейнер имеет продольные гофры 4 и гофры в окружном направлении 5, опирающиеся на кольцевые ребра жесткости 6, вставленные в цилиндрическое кольцо 7 и способные перемещаться по его внутренней поверхности при деформации лейнера в продольном направлении при нагружении баллона внутренним давлением.

Полости, образуемые продольными гофрами на наружной поверхности лейнера, заполнены упругим материалом 8.

Технологический процесс изготовления баллона предложенной конструкции заключается в следующем.

Методом гидроформования из тонкостенных листов стали изготавливают две многослойные днищевые секции, две цилиндрические секции и одну секцию с окружными гофрами в сборе с установленными кольцевыми ребрами жесткости 6 и цилиндрическим кольцом 7.

К каждой днищевой секции с одной стороны приваривают полюсный металлический штуцер, а с другой многослойную цилиндрическую секцию.

В соединенных таким образом днищевых и цилиндрических секциях с помощью ролика формируют канавки продольных гофров 4, после чего сваривают их с секцией, имеющей окружные гофры.

Изготовленный таким образом лейнер проверяется на герметичность воздухом или гелием при давлении 0,5 1,0 кгс/см².

Проверенный на герметичность лейнер устанавливают на металлическом валу, полости, образуемые продольными гофрами, заполняют упругим материалом 8, например, эластомером, а на наружную поверхность лейнера наносят разделительный слой, например, методом напыления слой кремнеорганической смазки.

Затем лейнер устанавливают на намоточный станок и производят намотку стеклопластиковой оболочки баллона. После термообработки стеклопластиковой оболочки из готового изделия удаляют вал.

Наличие у металлического лейнера гофров, расположенных как в продольном, так и в окружном направлении, разгружает лейнер от воздействия внутреннего давления и компенсирует деформации, возникающие в лейнере при многоцикловом нагружении баллона внутренним давлением, как в продольном, так и окружном направлении, тем самым повышается надежность и долговечность лейнера при многоцикловых нагрузках.

Наличие упругого материала в полостях, образуемых продольными гофрами на наружной поверхности лейнера, обеспечивает предотвращение потери устойчивости продольных гофров при нагружении баллона внутренним давлением.

Наличие в полостях, образуемых гофрами, расположенными в окружном направлении, кольцевых ребер жесткости, вставленных в цилиндрическое кольцо и способных перемещаться по его внутренней поверхности при деформации лейнера в продольном направлении, обеспечивает предотвращение потери устойчивости окружных гофров и исключает деформацию лейнера в этом месте в окружном направлении и не препятствует деформации лейнера в продольном направлении при нагружении баллона внутренним давлением.

Выполнение герметизирующего лейнера многослойным, состоящим из отдельных тонкостенных металлических оболочек вращения, вставленных одна в другую, повышает надежность лейнера при длительной эксплуатации баллона.

Отсутствие адгезионной связи металлического лейнера с внутренней поверхностью стеклопластиковой оболочки снижает напряженно-деформированное состояние лейнера при нагружении баллона внутренним давлением и повышает его надежность и долговечность при длительной эксплуатации баллона.

При расчете экономического эффекта от использования изобретения в качестве базового объекта принята конструкция комбинированного баллона высокого давления прототипа в соответствии с монографией (Серенсен С.В. Зайцев Г.П. Несущая способность тонкостенных конструкций из армированных пластиков с дефектами. Киев, Наукова думка, 1982, с. 261).

Для сравнения принят цилиндрический баллон диаметром 400 мм емкостью 400 л на рабочее давление 400 кгс/см², имеющий конструкцию баллона-прототипа и предложенную конструкцию.

В предложенном баллоне наличие у герметизирующего металлического лейнера продольных и окружных гофров увеличивает долговечность лейнера с 1500 циклов нагружения до 20000 30000 циклов нагружения, т.е. в 13 20 раз.

С учетом долговечности стеклопластиковой оболочки баллона для сравнения двух вариантов конструкции баллонов долговечность предложенного баллона принимаем 10000 циклов нагружения.

Экономический эффект от использования изобретения при изготовлении баллонов высокого давления из стеклопластика определяем по формуле:
Э=(C₁•α-C₂)A₂
где C₁ и C₂ себестоимость изготовления единицы изделия базового и предложенного варианта, руб.

α - коэффициент качества;
A₂ количество изготовленных единиц изделия предложенного варианта.

Сущность изобретения: баллон высокого давления содержит стеклопластиковую оболочку, два полюсных металлических штуцера, внутренний герметизирующий тонкостенный металлический лейнер, соединенный сваркой с полюсными штуцерами. Лейнер выполнен с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер. Кроме того, лейнер снабжен кольцом и кольцевыми ребрами жесткости, установленными в кольцевых гофрах с наружной стороны и возможностью перемещения их по кольцу. Возможно выполнение лейнера многослойным из концентрических оболочек. Лейнер имеет адгезионные связи с внутренней поверхностью стеклопластиковой оболочки. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Баллон высокого давления, включающий стеклопластиковую оболочку, два полюсных металлических штуцера, внутренний герметизирующий тонкостенный металлический лейнер, соединенный сваркой с полюсными штуцерами, отличающийся тем, что, с целью компенсации деформаций лейнера при многоцикловом нагружении баллона внутренним давлением, лейнер выполнен с продольными и кольцевыми гофрами. 2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что наружные полости продольных гофр лейнера заполнены упругим материалом. 3. Баллон по п.2, отличающийся тем, что в качестве упругого материала используют эластомер. 4. Баллон по п.1, отличающийся тем, что лейнер снабжен кольцом и кольцевыми ребрами жесткости, установленными в кольцевых гофрах с наружной стороны и с возможностью перемещения их по кольцу. 5. Баллон по п.1, отличающийся тем, что лейнер выполнен многослойным из концентрических цилиндрических оболочек. 6. Баллон по п.1, отличающийся тем, что лейнер имеет адгезионные связи с внутренней поверхностью стеклопластиковой оболочки.