СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ГАЗОВОГО БАЛЛОНА Российский патент 2003 года по МПК F17C1/06 

Предлагаемое изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов, а более конкретно к изготовлению комбинированных баллонов высокого давления для хранения, транспортировки и подачи газообразных сред, применяемых в различных отраслях народного хозяйства: в химической, нефтехимической, автомобильной промышленности и др.

Известны сосуды внутреннего давления и способы их изготовления из композиционно-волокнистых материалов (КВМ), например баллон из КВМ, корпус которого имеет два сферических (или близких к сферической форме) металлических днища, заканчивающиеся шестигранными фитингами с внутренней резьбой. Внутренняя и наружная поверхности днищ обрезинены, причем резиновые слои образуют общий монолитный ус, переходящий (привулканизированный) в цилиндрическую резиновую газонепроницаемую оболочку. Наружная поверхность резиновой оболочки отделена от силовой композиционно-волокнистой стенки корпусной оболочки тонкой фторопластовой пленкой. Наружная композиционно-волокнистая силовая стенка может быть образована слоями продольно-поперечной, спирально-винтовой, комбинированной ориентации в зависимости от принятого метода формования или наличного технологического оборудования (Цыплаков О.Г. Конструирование изделий из композиционно-волокнистых материалов. Л., 1984, с. 134-136).

Известен сосуд для хранения текучего вещества под давлением с безосколочным разбиванием (патент Франции 2694066, 1994 г., МПК F 17 C 13/12, 1/04; РЖ ИСМ 71-03-95). Сосуд содержит внутреннюю стенку в виде тела вращения продольной оси с центральной цилиндрической частью или обечайкой и двумя торцевыми частями. Обруч из прочных волокон, покрытых термопластичным или термозатвердевающим связующим материалом, окружает внутреннюю стенку и имеет на обечайке по меньшей мере один слой расположенных по окружности волокон и по меньшей мере один слой продольных волокон. Сосуд отличается тем, что обечайка имеет также по меньшей мере один слой волокон, расположенных прямо или по винтовой линии с углом намотки от угла расположения продольных волокон до 90^o.

Известен баллон высокого давления для хранения и транспортировки сжатых газов, например кислорода, под давлением (международная заявка 94/15140 РСТ (WO), 1994 г., МПК F 17 C 1/16; РЖ ИСМ 71-09-95). Баллон содержит наружную сверхпрочную цилиндрическую оболочку из композиционного материала, внутреннюю герметичную оболочку из газонепроницаемой пластмассы и патрубок с металлическим фланцем, расположенным между наружной и внутренней оболочками. Кольцевой фланец на внутренней поверхности имеет одну или несколько кольцевых канавок трапециевидного поперечного сечения, а на наружной и внутренней поверхностях - резиновую покрышку, заполняющую трапециевидные канавки.

Известен газовый баллон высокого давления для хранения газа (патент СССР 1838714, МПК F 17 C 1/00, опубл. 30.08.1993, бюл.32). Баллон состоит из внутренней технологической оболочки, выполненной из полимерного композиционного материала, наружного силового слоя, выполненного также из полимерного композиционного материала, и герметизирующего слоя, например, на основе каучука.

Известен также комбинированный баллон для хранения и подачи жидких и газообразных сред высокого давления и способ его изготовления (патент 2094696 Россия, МПК F 17 C 1/00, 1/16, опубл. 27.10.97) прототип. Баллон представляет собой стеклопластиковую емкость, содержащую внутреннюю металлическую оболочку, горловину, силовую оболочку из композиционного материала (стеклопластика), имеющую внутренний герметизирующий слой из резины. Способ изготовления баллона включает намотку на внутреннюю силовую оболочку (каркас) композиционного материала, при этом на внутреннюю оболочку, свободно лежащую на горловине, укладывают резиновый затвор, слой сырой резины и наматывают силовой композиционный материал. Затем указанную сборку всю вместе полимеризуют.

В вышеназванных аналогах и прототипе изобретения указывается материал -"каучук", "резина" только в общем виде. Однако не всякий каучук и не всякая резина может обеспечить необходимую герметичность (низкую газопроницаемость) герметизирующего слоя. Резина герметизирующего слоя должна обладать комплексом свойств: низкой газопроницаемостью природного газа (не более 0,057•10^-8см³см/см²с•атм), высокой прочностью крепления к стеклопластику (не менее 6,0 МПа) и когезионной прочностью, тепло- и морозостойкостью (относительное удлинение при разрыве при температуре -60^oС не менее 9%), стойкостью к взрывной декомпрессии при давлении природного газа 25 МПа и скорости сброса давления 1-2 атм/мин.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа изготовления баллона и состава резины герметизирующего слоя, гарантирующих высокую герметичность (низкую газопроницаемость) этого слоя и удовлетворяющую вышеназванным требованиям.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления комбинированного газового баллона, содержащего стеклопластиковую оболочку, герметизирующий резиновый слой и внутренний тонкий металлический каркас, включающем наложение на металлический каркас герметизирующего слоя из сырой резиновой смеси, намотку поверх него силового слоя из стеклопластика и последующую одновременную полимеризацию стеклопластиковой оболочки и вулканизацию резинового слоя, герметизирующий слой изготавливают из резиновой смеси на основе бутадиен-нитрильного каучука при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Бутадиен-нитрильный каучук - 100
Вулканизующая система - 13,3 - 21,0
Противостаритель - 0,5 - 3,0
Оксид цинка - 3 - 5
Стеариновая кислота - 1 - 3
Технический углерод - 60 - 90
в состав вулканизующей системы которой входят, мас.ч.:
2,5-Бис(трет-Бутилпероксиизопропил) бензол - 2,5 - 4,0
М,М'-метафенилендималеимид - 0,8 - 2,0
Диметакрилат триэтиленгликоля - 10 - 15
Сущность изобретения поясняется при рассмотрении чертежей и таблиц, где:
- на фиг. 1 показана конструкция газового баллона;
- на фиг.2 - выноска элемента торцевой части газового баллона;
- табл.1 - технологические, физико-механические, теплостойкие и адгезионные характеристики резины герметизирующего слоя;
- табл.2 - низкотемпературные свойства резины герметизирующего слоя;
- табл.3 - результаты испытаний баллона на газопроницаемость.

Газовый баллон содержит внутренний тонкий металлический каркас 1 в форме баллона, имеющий в торцевых частях металлические фитинги 2 и 3, а на цилиндрической части - перфорационное отверстие (не показано). На указанный каркас наносят тонкий (2-3 мм) герметизирующий слой 4 из резиновой смеси вышеназванного состава, имеющей свойства, указанные в табл. 1 и 2.

Фитинги 2 и 3 со слоями резины 5 (фиг.2), изготавливаемые заранее отдельно, подстыковывают к каркасу 1 по чистому металлу. Заранее отформованные и свулканизированные уплотнитсльные слои 5 резины на участке а - б крепят с помощью клея ВК-3, а на участке, касающемся каркаса 1, смазывают смазкой К-21 в качестве антиадгезионного средства. Герметизирующий слой 4 накладывают на металлический каркас 1 и резиновые элементы 5 в два слоя толщиной 1 -1,5 мм каждый, внахлест. Поверх герметизирующего слоя 4 наносят силовую оболочку 6 из стеклопластика. Стеклопластиковую оболочку наносят методом намотки до заданных размеров газового баллона. После намотки стеклопластика производят одновременную полимеризацию стеклопластиковой оболочки 6 и вулканизацию резинового герметизирующего слоя 4.

Образцы опытной партии газовых баллонов емкостью 400 л, рассчитанные на рабочее давление газа 25 МПа, и емкостью 350 л - на рабочее давление 20 МПа, были изготовлены предлагаемым способом на предприятии КОКБ "Союз" (г. Казань) с применением резиновой смеси, изготовленной в ОАО НИИРПИ (г. Санкт-Петербург), и испытаны в КОКБ "Союз" (см. табл.3).

По результатам испытаний баллоны, изготовленные предлагаемым способом, были признаны удовлетворяющими предъявляемым к ним требованиям: коэффициент газопроницаемости (0,013•10^-8 0,053•10^-8) см³см/см²с•атм не превышает допустимой величины 0,057•10^-8см³см/см²с•атм; баллоны емкостью 400 л выдерживают давление 250 кгс/см² и более 5500 циклов сброса давления - от 250 до 50 кгс/см²; герметизирующий резиновый слой обладает высокой морозостойкостью (относительное удлинение при разрыве при минус 60^oС составляет 10-25%) и высокой прочностью связи резины со стеклопластиком (7,0-9,0 МПа). Баллоны имеют небольшой вес и пригодны для длительной эксплуатации.

Способ изготовления комбинированного газового баллона включает наложение на металлический каркас герметизирующего слоя из сырой резиновой смеси, намотку поверх него силового слоя из стеклопластика и одновременную вулканизацию резинового слоя и полимеризацию силовой оболочки. При этом герметизирующий слой изготавливают из резиновой смеси на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащей в качестве вулканизующей системы 2,5-бис(трет-бутилпероксиизопропил)бензол, диметакрилат триэтиленгликоля и N,N'-метафенилендималеимид, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: бутадиен-нитрильный каучук - 100; 2,5-бис(трет-бутилпероксиизопропил)бензол - 2,5-4,0; N,N'-метафенилендималеимид - 0,8-2,0; диметакрилат триэтиленгликоля - 10-15; противостаритель - 0,5-3,0; оксид цинка - 3-5; стеариновая кислота - 1-3; технический углерод - 60-90. Использование изобретения позволит обеспечить высокую герметичность, прочность, тепло- и морозостойкость герметизирующего слоя. 2 ил., 3 табл.

Способ изготовления комбинированного газового баллона, содержащего внутренний тонкий металлический каркас, герметизирующий резиновый слой и силовую оболочку из композиционного материала, включающий наложение на металлический каркас герметизирующего слоя из сырой резиновой смеси, намотку поверх него силового слоя из стеклопластика и одновременную вулканизацию резинового слоя и полимеризацию силовой оболочки, отличающийся тем, что герметизирующий слой изготавливают из резиновой смеси на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащей в качестве вулканизующей системы 2,5-бис(трет-бутилпероксиизопропил)бензол, диметакрилат триэтиленгликоля и N,N'-метафенилендималеимид, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Бутадиен-нитрильный каучук - 100
2,5-бис (трет-Бутилпероксиизопропил) бензол - 2,5 - 4,0
N,N'-Метафенилендималеимид - 0,8 - 2,0
Диметакрилат триэтиленгликоля - 10 - 15
Противостаритель - 0,5 - 3,0
Оксид цинка - 3 - 5
Стеариновая кислота - 1 - 3
Технический углерод - 60 - 90л