БАЛЛОН СВАРНОЙ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F17C1/00 

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для транспортировки и хранения жидкостей и газов, в т.ч. газовых баллонов для газосварочной аппаратуры и подвижных автотранспортных средств, баллонов с воздушно-кислородными смесями для индивидуальных средств защиты органов дыхания и др.

Учитывая высокие требования по надежности и безопасности при эксплуатации газовых баллонов в настоящее время их изготавливают преимущественно монолитными без использования сварки или с ограниченным использованием ее только для заварки глухого дна баллона (см. ГОСТ 949-73 "Баллоны стальные малой и средней емкости для газов на Р_р≤20 МПа (200 кгс/см²); Отраслевой каталог МЧМ СССР, "Трубы и трубные изделия. Баллоны малого и среднего размеров" М. , 1985, с. 14 и 27; Патент РФ 1838712, МКИ F 17 C 1/00; B 21 D 22/18 "Баллон"). Монолитные толстостенные баллоны из низкопрочных углеродистых и низколегированных с достаточно высокими пластическими свойствами сталей обладают высокой надежностью, но имеют большую массу и ограничивают возможность эффективного использования тяжелых баллонов в автомобильном транспорте и в переносных средствах газосварочной и медицинской аппаратуры, кислородно-изолирующих противогазах и др.

Облегчение баллонов высокого давления может быть достигнуто за счет использования высокопрочных металлических материалов и изыскания новых конструкторско-технологических решений.

Известен баллон высокого давления (см. а. с. СССР 313024, 1971 г.), состоящий из внутренней цилиндрической оболочки с днищами и штуцером и наружной армирующей оплетки из высокопрочной проволоки. Недостатком такого баллона является технологическая сложность создания оплетки из высокопрочной проволоки, малый эффект в снижении массы и невозможность существенного повышения давления газа, а увеличение его объема может быть реализовано только путем увеличения объема баллона.

Известен другой баллон высокого давления для сжатых и сжиженных газов (см. патент РФ 2022201, 1994 г.), включающий наружную и внутреннюю оболочки с дном, размещенные одна в другой таким образом, что донная часть одной оболочки, преимущественно внутренней, образует дно баллона, донная часть наружной - горловину, при этом сопрягающиеся поверхности оболочек образованы таким образом, что натяг между ними выполнен максимальным в части прилегающей к горловине баллона и последовательно уменьшается в каждом сечении по мере к дну баллона, при этом стенки оболочек выполнены уменьшающимися от дна к краю, а край наружной оболочки огибает придонную часть внутренней оболочки. Конструктивным недостатком такого баллона является сложность изготовления наружной и внутренней оболочек с переменной толщиной стенок, ограниченная возможность использования высокопрочных металлических конструкционных материалов, имеющих пониженную технологическую пластичность, и их упрочняющую термическую обработку, т.к. формирование огибающей придонную часть внутренней оболочки производится на одной из окончательных стадий при сборке баллона. Кроме того, конструкция баллона не герметизирует в должной мере наружную и внутреннюю оболочки между собой.

Известен также баллон сварной высокого давления (заявка ФРГ 2323844, опубл. 1981 г. ), корпус которого состоит из верхней и нижней чашек, которые плотно прижаты одна к другой и соединены сварным швом. Недостатком указанного баллона является более низкая прочность сварного соединения, т.к. сварной шов не имеет достаточного усиления по сечению.

Известен баллон сварной высокого давления (см. Инструкция 1006-72 "Изготовление, термическая и термомеханическая обработка емкостей из титановых сплавов", ВИАМ, 1972 г., с.4-5), содержащий обечайку и два днища, в одном из которых выполнен штуцер, а на торцах обечайки и днищ сформированы утолщенные участки, по которым выполнена сварка, что обеспечивает снижение массы баллона за счет утоненных участков и снижение уровня напряжений в зоне сварных швов по утолщенным кромкам при гидростатическом нагружении внутренним давлением газа или жидкой среды.

Недостатком такого баллона является технологическая сложность формирования утонений на центральной части цилиндрической обечайки методами механической обработки или ротационного выдавливания, требующих предварительного формирования припусков на торцевых частях обечайки для крепления обечайки на оправке при утонении.

В качестве ближайшего прототипа выбран баллон сварной высокого давления (см. патент РФ 2145398, МКИ F 17 C 1/00, опубл. 27.02.2000 г.), содержащий соединенные сварными швами обечайку с расчетной толщиной стенки и утолщенными торцевыми кромками, нижнее и верхнее днища, по крайне мере, одно из которых снабжено заправочно-расходным штуцером, и опорный башмак в донной части.

Прототипу также присущи недостатки аналогов.

Целью настоящего изобретения является разработка конструкции сварного баллона высокого давления, обеспечивающего возможность использования высокопрочных металлических конструкционных материалов при одновременном упрощении технологии и повышении экономичности его производства, удобства эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство сварного баллона высокого давления, содержащего обечайку с утоненной до расчетного сечения толщиной стенки δ_расч центральной части и утолщенными торцевыми кромками δ_r = 1,1-1,5 δ_расч под сварку, нижнее и верхнее днища со штуцером, по крайней мере, в одном из них, и опорный башмак в донной части, при этом роль опорного башмака выполняет нижний утолщенный торец обечайки, на внутренней поверхности которого расположен закрытый паз или открытая проточка, обеспечивающая фиксированное положение при установке внутри обечайки нижнего ввариваемого днища. При этом утолщенный торец обечайки, выполняющий роль опорного башмака, одновременно образует бандажирующий пояс на кольцевом сварном соединении нижнего ввариваемого днища.

Кроме того, конструкторское исполнение верхнего днища воедино со штуцером и цилиндрической частью обечайки обеспечивает дополнительное повышение технологичности и снижение трудоемкости в производстве.

Авторам не известны технические решения с указанными в формуле изобретения признаками, направленными на достижение той же цели, что и в заявляемом в качестве изобретения объекте, поэтому предлагаемое техническое решение отвечает критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и 2), на которых показано устройство баллона высокого давления и его элементов:
Фиг.1. Баллон сварной высокого давления
1 - цилиндрическая обечайка; 2 - верхнее днище; 3 - заправочно-расходный штуцер; 4 - нижнее днище; 5 - сварной шов штуцера с верхним днищем; 6 - сварной шов верхнего днища с обечайкой; 8 - закрытый паз, фиксирующий положение установки нижнего ввариваемого вогнутого днища; 7 - нижний утолщенный торец обечайки - опорный башмак; 9 - сварной шов обечайки с нижнем ввариваемым днищем, установленным в закрытый паз; d_нap - диаметр наружный расчетной части обечайки; δ_расч - толщина стенки расчетная утоненной части обечайки; δ_т - толщина утолщенной стенки обечайки в зоне сварного шва; d_прот - диаметр проточки для установки нижнего днища; D_г - габаритный наружный диаметр; Н_г - габаритная высота.

Фиг. 2. Пример исполнения воедино верхнего днища со штуцером и обечайкой баллона и с установкой нижнего ввариваемого выпукло-вогнутого днища в открытую проточку на внутренней поверхности нижнего утолщенного торца обечайки - опорного башмака.

Баллон высокого давления (фиг.1 и 2) содержит цилиндрическую обечайку (1) с утоненной до расчетной толщины δ_расч стенкой и утолщенными δ_т торцами, верхнее днище (2) с заправочно-расходным штуцером (3) и нижнее днище (4), соединенные сварными швами (5, 6, 9). При этом нижний утолщенный торец обечайки выполняет роль опорного башмака (7) баллона и бандажирующего пояса кольцевого сварного шва (9) нижнего ввариваемого днища с обечайкой.

Баллон сварной высокого давления (фиг.1 и 2) работает следующим образом.

Сжатый газ (или жидкость) под давлением от компрессора поступает через заправочно-расходный штуцер (3) во внутреннюю полость баллона, образованную цилиндрической обечайкой (1) и верхним (2) и нижним (4) днищами.

При этом в соответствии с теорией сопротивления материалов при гидростатическом нагружении оболочки внутренним давлением в его стенках возникает двухосное напряженное состояние с максимальными растягивающими напряжениями в тангенциальном направлении, определяемыми по формуле /1/:

где σ^τ - максимальные тангенциальные напряжения, кгс/см²;
Р - избыточное внутреннее гидростатическое давление, кгс/см²;
d_нар- максимальный наружный диаметр баллона, см;
δ_расч - минимальная толщина стенки баллона, см.

Для обеспечения расчетного уровня прочности и надежности баллона с учетом коэффициента запаса, равного 2,6, толщина стыкуемых под сварку утолщенных торцевых кромок δ_т обечайки (1) и днищ (2) по отношению к расчетной толщине обечайки устанавливается равной δ_т = (1,1-1,5)×δ_расч (т.к. прочность сварных соединений ниже прочности основного металла σ_св≤0,9σ_осн, что исключает возможность возникновения остаточных пластических деформаций на участке утолщенных кромок, примыкающих к сварному шву (6), и в сварном шве (6) при нагружении баллона внутренним давлением до расчетных величин в процессе эксплуатации, при этом нижний утолщенный торец обечайки выполняет роль опорного башмака и бандажирующего пояса кольцевого сварного шва (9) нижнего ввариваемого днища (4), а закрытый паз или открытая проточка (диаметром d_прот), сформированные на его внутренней поверхности, выполняют роль фиксаторов положения установки нижнего ввариваемого днища внутрь обечайки.

Таким образом, предлагаемый баллон сварной высокого давления обеспечивает за счет изменений в конструкции создание облегченных баллонов высокого давления с одновременным упрощением технологии, снижения трудоемкости и повышение экономических показателей производства, а также повышение эффективности при эксплуатации.

На основании вышеизложенного предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает достижение положительного эффекта и обладает критерием "положительный эффект".

Использование предлагаемого технического решения не требует дополнительного переоборудования предприятий.

Первое промышленное опробование предлагаемого технического решения будет проведено на АО "Уральский завод технических газов" (г. Екатеринбург).

Баллон сварной высокого давления содержит обечайку с утоненной до расчетного сечения толщиной стенки центральной части и утолщенными торцами под сварку, нижнее и верхнее днища и опорный башмак в донной части. По крайней мере, одно из днищ снабжено заправочно-расходным штуцером. Опорный башмак выполнен в виде нижнего утолщенного торца обечайки, выполняющего роль бандажирующего пояса кольцевого сварного шва нижнего ввариваемого днища. Нижний торец обечайки снабжен закрытым пазом, сформированным на его внутренней поверхности и выполняющим роль фиксатора положения установки нижнего ввариваемого днища внутрь обечайки. Использование изобретения позволит упростить технологию производства баллона и повысить его прочность и удобство эксплуатации. 1 ил.

Устройство баллона сварного высокого давления, содержащее обечайку с утоненной до расчетного сечения толщиной стенки центральной части и утолщенными торцами под сварку, нижнее и верхнее днища, по крайней мере, одно из которых снабжено заправочно-расходным штуцером, и опорный башмак в донной части, отличающееся тем, что опорный башмак выполнен в виде нижнего утолщенного торца обечайки, выполняющего роль бандажирующего пояса кольцевого сварного шва нижнего ввариваемого днища, а нижний торец обечайки снабжен закрытым пазом, сформированным на его внутренней поверхности и выполняющим роль фиксатора положения установки нижнего ввариваемого днища внутрь обечайки.