СТАЛЬНОЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F17C1/00 

Изобретение относится к области производства облегченных стальных баллонов высокого давления, предназначенных для работы под давлением газообразных сред, и может быть реализовано путем изготовления методами горячей и холодной пластической деформации, механической обработки для создания формы и размеров баллона, при этом на поверхности цилиндрической поверхности баллона (в зоне перехода к днищам) формируются упрочняющие пояски, и термической обработки для обеспечения требуемого комплекса механических свойств корпуса стального баллона.

По предлагаемому способу могут быть получены облегченные стальные автомобильные баллоны высокого давления для сжатого природного газа метана различной емкости.

Известны стальные баллоны высокого давления, изготавливаемые без применения сварки, имеющие цилиндрический корпус равной толщины, сопрягаемый с днищами сферической или эллиптической формы (ГОСТ 949-73, ГОСТ 12247-80). При этом баллоны изготавливаются различными способами:

1. из заготовок сортового проката методом горячей объемной штамповки с последующей механической обработкой, вытяжкой цилиндрической части, горячей закаткой днища и формированием горловины баллона;

2. из листа методом формования баллона из листовой заготовки с последующей вытяжкой цилиндрической части, горячей закаткой доньев и формированием горловины баллона;

3. из трубы методом горячей закатки концов трубных заготовок в днища баллонов и формирования горловины баллона.

Недостатком указанных баллонов является то, что их конструкция и способы изготовления не обеспечивают получения оптимального сочетания веса, вместимости баллона и затрат на их изготовление.

Наиболее дешевым и распространенным способом изготовления баллонов является их изготовление из трубных заготовок. Однако из-за значительных предельных отклонений труб по наружному диаметру (до ±1,25%) и толщине стенки (до ±12,5%), ГОСТ 8732-78, изготавливаемые из них баллоны имеют высокий вес на единицу вместимости. Например, для баллонов из легированной стали на рабочее давление 200 МПа, изготовленных из трубы 219×6 мм (ГОСТ 949-73, табл. 1) отношение веса баллона к его вместимости составляет от 1,25 до 1,4. Значительное превышение веса по сравнению с расчетным баллоны имеют из-за превышения толщины цилиндрической части баллона на 15-20% вследствие вышеуказанных предельных отклонений, а так же доньев, толщина которых при закатке может превышает расчетные значения более чем в два раза.

Известен баллон высокого давления, содержащий днища, среднюю цилиндрическую часть, причем днища его выполнены утолщенными, а цилиндрическая часть меньшей толщины (RU 2007658 С1, 15.02.1994).

Недостатком этого баллона является увеличенный вес за счет выполнения его днищ утолщенными по всей их длине, что является нерациональным, так как зона краевого эффекта, т.е. наиболее напряженная часть конструкции баллона расположена именно в зоне перехода цилиндрической части баллона к днищу.

Одним из важных требований к баллонам высокого давления, используемым для компримированного природного газа (КПГ), размещаемых на транспортных средствах, является их массогабаритные характеристики, а именно такое соотношение массы и вместимости баллона, при котором обеспечивается максимально возможная вместимость при минимально возможном весе баллона. При этом должны быть обеспечены требования надежности и безопасной эксплуатации, заключающиеся в обеспечении длительного использования баллонов в условиях циклических нагрузок и обеспечении установленных требований по безосколочному характеру разрушения баллона и появлении течи перед его разрушением.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в изготовлении баллона высокого давления минимально возможного веса при заданном объеме баллона, с обеспечением требований надежной и безопасной эксплуатации при длительном использовании в условиях циклических нагрузок и требований по безосколочному характеру разрушения баллонов.

С целью повышения потребительских качеств баллонов, используемых в качестве топливных емкостей на транспорте, предлагается конструкция и технология изготовления баллона, соответствующая нижеприведенному описанию.

Технический результат, заключающийся в обеспечении оптимальных параметров конструкции и технологии изготовления, достигается в стальном баллоне высокого давления, имеющем сферическое днище с горловиной и эллиптическое глухое днище, среднюю цилиндрическую часть, согласно изобретению баллон выполнен в виде цельного кокона, а цилиндрическая часть с обеих сторон в зонах перехода к днищам имеет утолщения в виде упрочняющих поясков, которые расположены относительно соответствующих им плоскостей сопряжения цилиндрической части баллона и днищ таким образом, что длина от плоскости сопряжения до края утолщения со стороны цилиндрической части (А) отвечает соотношению:

A=(0,1÷0,9)Lп,

где Lп - длина утолщения.

Толщина цилиндрической части баллона (Sц) определяется из соотношения:

Sц=(0,5÷1)Sп,

где Sп - толщина стенки баллона в зоне перехода к днищам, при этом толщину цилиндрической части стенки баллона Sц рассчитывают на прочность из условия коэффициента запаса прочности, равного не менее 2,25, а толщину стенки баллона в зоне перехода к днищам Sп рассчитывают на прочность из условия коэффициента запаса прочности, равного не менее 2,6.

Толщина стенки сферического днища баллона Sд.сф. равна:

Sд.сф.=(0,6÷1,5)Sп.

Толщина стенки эллиптического днища баллона Sд.эл. равна:

Sд.эл.=(1.5÷2)Sп.

Кроме того, указанный технический результат достигается также в способе изготовления баллонов высокого давления, согласно изобретению трубную заготовку подвергают калибровке методом пластической деформации и профилированию методом холодной ротационной вытяжки, обеспечивающему утонение концевых участков трубной заготовки, предназначенных под обжим (закатку) для формирования днищ, при этом длина концевого участка заготовки Lк, предназначенного под закатку днищ, выполняется равной:

Lк=(0,8...1,2)D,

где D - внутренний диаметр баллона;

толщина конца трубной заготовки Sк, предназначенного для закатки днищ, выполняется равной:

Sк=(0,2...1,0)Sц;

а также утонение цилиндрической части баллона с одновременным формированием на концевых участках цилиндра, в зонах перехода к днищам, утолщений в виде поясков, после чего баллон подвергают термической обработке для придания требуемых механических свойств стали во всех сечениях, при этом обеспечивают выполнение расчетного критерия:

α=(2-σ₀₂/σ_B)≥1,16,

где α - коэффициент увеличения прочности;

σ₀₂ - предел текучести, МПа;

σ_B - предел прочности, МПа.

Наиболее опасной зоной, снижающей срок службы баллонов, является зона краевого эффекта, а именно, в зоне перехода цилиндрической части баллона в сферическую возникает скачок напряжений. Наличие упрочняющих поясков определенного размера в зоне сопряжения цилиндрической части с днищами баллона позволяет исключить краевой эффект, тем самым увеличив срок эксплуатации баллона не утяжеляя их.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид баллона в разрезе, фиг.2 - трубная заготовка после операций калибровки и профилирования перед закаткой днищ.

Стальной баллон состоит из цилиндрической части 1, эллиптического днища 2, сферического днища 3 с горловиной 4, утолщений 5 в виде упрочняющих поясков. Длина упрочняющих поясков (Lп) выполняется в пределах от 10 до 150 мм, при этом поясок - утолщенная часть располагается с обеих сторон плоскостей сопряжения 6 цилиндрической части баллона и днищ, так что размер (А) отвечает соотношению:

A=(0,1÷0,9)Lп,

где А - длина утолщения (пояска) от плоскости сопряжения до края утолщения со стороны цилиндрической части баллона (фиг.1).

Толщина сферического днища Sд.сф. при горячей закатке выполняется равной:

Sд.сф.=(0,6÷1,5)Sп,

где Sп - толщина стенки баллона в зоне перехода цилиндрической части к днищам, а толщина эллиптического днища - равной:

Sд.эл.=(1,5÷2)Sп.

Выбранная марка стали и термическая обработка баллонов должны обеспечивать соотношение между пределом текучести и пределом прочности материала баллона таким, чтобы был соблюден расчетный критерий (α):

α=(2-σ₀₂/σ_B)≥1,16,

где α - коэффициент увеличения прочности,

σ₀₂ - предел текучести, МПа,

σ_B - предел прочности, МПа.

На фиг.2 под поз.7 указан профиль для глухого днища, поз.8 - профиль для днища с горловиной.

Относительное удлинение (ГОСТ 10006, ГОСТ 9012), определяемое при испытании на растяжение образцов, вырезанных из корпуса баллона, должно быть не менее 14%.

Баллоны с вышеназванными характеристиками могут быть изготовлены по технологическому процессу, включающему следующие основные технологические операции:

1. резка трубы на заготовки с весовым дозированием;

2. калибровка трубных заготовок, имеющих допуска по толщине стенки до 12,5% и по диаметру до 1,25%, методом пластической деформации до размеров с меньшими предельными отклонениями - по толщине стенки не более 5% и по диаметру не более 0,3%;

3. формирование методом холодной ротационной вытяжки профиля на трубной заготовке (фиг.2), обеспечивающего утонения концевых участков трубы, предназначенных под обжим при закатке, обеспечивающей требуемую толщину днищ, а именно: длина концевого участка заготовки, предназначенного под закатку днищ Lк=(0,8...1,2)D, где D - внутренний диаметр баллона, толщина конца трубы Sк=(0,2...1,0)Sц; а так же необходимое утонение цилиндрической части баллона до размера Sц с одновременным формированием утолщений в зоне сопряжения цилиндрической части и днищ;

4. горячая формовка (закатка) днищ с обеспечением требуемой расчетом на прочность толщины и формы, а так же механическая обработки горловины баллона;

5. выполнение термической обработки баллонов из легированной стали 35ХМА по следующему режиму:

закалка от температуры 810-880°С в воду с последующим отпуском при температуре 500-700°С в течение 2-6 часов.

Применение предлагаемой конструкции баллона и способа его изготовления позволит снизить вес баллона заданной вместимости и при прочих равных условиях на величину до 30%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Стальной баллон имеет форму цельного кокона и имеет кольцевые утолщения (пояски) в зоне перехода цилиндрической части в днища.

Толщина цилиндрической части корпуса баллона (Sц) рассчитывается на прочность при условии соблюдения коэффициента запаса прочности не менее 2,25, а толщина стенки баллона в зоне перехода к днищам (Sп) рассчитывается на прочность при условии соблюдения коэффициента запаса прочности не менее 2,6.

Фактическая толщина цилиндрической стенки баллона (Sц) формируется на трубной заготовке, равной:

Sц=(0,5÷1)Sп,

где Sп - толщина стенки баллона в зоне перехода к днищам (т.е. толщина пояска).

При изготовлении баллона труба по ГОСТ 8732-78 разрезается на заготовки требуемого веса, затем трубная заготовка методом пластической деформации подвергается калибровке для обеспечения предельных отклонений по толщине стенки не более 5% и по диаметру не более 0,3% и профилированию, обеспечивающему утонения концевых участков трубы, предназначенных под обжим при закатке, а так же утонение цилиндрической части баллона с одновременным формированием упрочняющих поясков, после чего выполняется горячая формовка (закатка) днищ с обеспечением требуемой расчетом толщины и формы, а так же механическая обработки горловины баллона; затем выполняется термическая обработка баллонов и нанесение защитного покрытия.

По предложенному способу были изготовлены баллоны из трубы 356×9 мм ГОСТ 8732-78, марки стали 35ХМА ГОСТ 4543. В табл.1 представлены характеристики трубных заготовок перед закаткой днищ баллонов на рабочее давление 20 МПа.

Таблица 1
Характеристики трубных заготовок перед закаткой днищ стальных баллонов на рабочее давление 20 МПа.Тип баллонаПараметры профиля трубной заготовки для трубы 356×9 мм:Вес профилированой заготовки, кгВес исходной трубной заготовки, кгБТ-70-20-356/970Lц=580 мм, Lк=350 мм, Lп=50 мм, Lгор=50 мм, Sп=9 мм, Sц=7,8 мм, Sк=4 мм.83115БТ-80-20-356/1080Lц=750 мм, Lк=350 мм, Lп=50 мм, Lгор=50 мм, Sп=9 мм, Sц=7,8 мм, Sк=4 мм.92130БТ-100-20-356/1300Lц=900 мм, Lк=350 мм, Lп=50 мм, Lгор=50 мм, Sп=9 мм, Sц=7,8 мм, Sк=4 мм.113143

Lц - длина цилиндрической части баллона, Lк - длина концевых участков, предназначенных под закатку днищ, Lп - длина утолщений в виде поясков, Lгор - длина участка заготовки, предназначенного для формирования горловины, Sк - толщина конца трубной заготовки, предназначенного для формирования днищ.

Механические свойства стали 35ХМА после термической обработки указаны в табл.2.

Таблица 2.Наименование показателяВеличина показателяПредел прочности, σ_B, МПа,930-1050Предел текучести σ₀₂, МПа,780-870Коэффициент увеличения прочности α=(2-σ₀₂/σ_B)≥1,16≥1,16Относительное удлинение, 85, %,14-25Ударная вязкость, KCV-50 150/2/2, Дж/см² Среднее значение по трем образцам50Отдельный образец40 (минимум)

Технические характеристики изготовленных стальных баллонов.

Пример 1. Баллон БТ-70-20-356/970.

Рабочее давление - 20 МПа.

Вместимость баллона - 70 литров.

Вес баллона - 78 кг.

Внутренний диаметр - 336 мм.

Длина - 970 мм.

Длина цилиндрической части Lц=580 мм.

Длина утолщенной части цилиндра Lп=50 мм.

Толщина цилиндрической части - 8,3(+0,6) мм.

Толщина утолщенной части цилиндра - 9,0(+0,6) мм.

Пример 2. Баллон БТ-80-20-356/1080.

Рабочее давление - 20 МПа.

Вместимость баллона - 80 литров.

Вес баллона - 87 кг.

Внутренний диаметр - 336 мм.

Длина - 1080 мм.

Длина цилиндрической части Lп=750 мм.

Длина утолщенной части цилиндра Lп=50 мм.

Толщина цилиндрической части - 8,3(+0,6) мм.

Толщина утолщенной части цилиндра - 9,0(+0,6) мм.

Пример 3. Баллон БТ-100-20-356/1300.

Рабочее давление - 20 МПа.

Вместимость баллона - 70 литров.

Вес баллона - 108 кг.

Внутренний диаметр - 336 мм.

Длина - 1300 мм.

Длина цилиндрической части Lц=900 мм.

Длина утолщенной части цилиндра Lп=50 мм.

Толщина цилиндрической части - 8,3(+0,6) мм.

Толщина утолщенной части цилиндра - 9,0(+0,6) мм.

Изготовление баллонов по предложенному способу осуществлено с использованием технологических операций, показанных в табл.3.

Таблица 3№ п/пОсновные технологические операцииТехнологические параметрыГеометрические параметры1Резка трубы на заготовки с
весовым дозированием;Точность весовой дозировки 0,5% 2.Холодная ротационная вытяжка цилиндрической поверхности трубной заготовки с формированием на концевых участках цилиндра утолщений (стан ротационной вытяжки - ППТ 200). Длина утолщенной части цилиндра 40-50 мм. Утолщение цилиндрической части - 7%3.Термическая обработка лейнера из стали марки 35ХМА.Закалка в масло от температуры 850°С, отпуск при температуре 500°С в течение 4-х часовМеханические характеристики стали: Предел прочности 930-1000 МПа, Предел текучести 780-850 МПа, относительное удлинение 14%-25%.4.Закатка полусферических днищ баллонов стан ЭН600/400 Толщина полусферических днищ баллонов 10 мм5.Закатка эллиптических днищ баллонов стан ЭН600/400 Толщина эллиптических днищ баллонов 15 мм

Изготовленные по предложенному способу баллоны прошли квалификационные испытания на соответствие требованиям Правил Гостехнадзора РФ ПБ 03-576-03.

Результаты приемосдаточных испытаний облегченных стальных баллонов БТ-70-20-356/970, БТ-80-20-356/1080, БТ-100-20-356/1300, изготовленных по предлагаемому способу, представлены в таблице 4.

Таблица 4№Виды испытанийЗначение характеристик и результат испытаний1Испытание материала баллона на растяжение, ГОСТ 10006, ГОСТ 9012Предел прочности
>950 МПа
Предел текучести
>785 МПа
Относительное удлинение
>14%
Относительное сужение
>58%2Коэффициент увеличения прочности α=(2-σ₀₂/σ_B)≥1,16>1,172Испытание материала баллона на загиб, ИСО 11439Трещин не обнаружено3Испытание материала баллона на ударный изгиб, ГОСТ 9454KCV - 50°С,
150/2/5>50 Дж/см²4Металлографическое определение толщины обезуглероженного слоя, ГОСТ 1763Толщина обезуглероженного слоя не более 5% от толщины стенки, структура стали -
зернистый сорбит5Ультразвуковая дефектоскопия, ГОСТ 17410Металлургических дефектов (поры, трещины и т.п.) не выявлено6Гидравлические испытания баллонов пробным давлением 30 МПаДеформаций не выявлено7Пневматические испытания баллонов на герметичность давлением 20 МПаТечи не выявлено8Гидравлические испытания до разрушения для подтверждения требуемого запаса прочности менее 2,25. ГОСТ 2405Фактическое давление разрушения 50,7 МПа, характер разрушения безосколочный9Гидравлические циклические испытания давлением от 0,2 МПа до 26 МПа, частота нагружений 10 циклов в минуту, ИСО 11439.После 40000 циклов нагружения течи и разрушений баллона не выявлено.10Гидравлические циклические испытания давлением от 0,2 МПа до 26 МПа, частота нагружений 10 циклов в минуту, ИСО 11439.После 60000 циклов нагружения выявлена течь без разрушения баллона.Результаты испытаний положительные, баллоны соответствую требованиям Правил ПБ 03-576-03 и ИСО 11439.

Стальной баллон высокого давления имеет сферическое с горловиной и эллиптическое глухое днища и среднюю цилиндрическую часть. Баллон выполнен в виде цельного кокона, а цилиндрическая часть с обеих сторон в зонах перехода к днищам имеет утолщения в виде поясков, которые расположены относительно соответствующих им плоскостей сопряжения цилиндрической части баллона и днищ таким образом, что длина от плоскости сопряжения до края утолщения со стороны цилиндрической части отвечает соотношению: A=(0,1÷0,9)Lп, где Lп - длина утолщения. Способ изготовления баллонов высокого давления состоит в том, что трубную заготовку подвергают калибровке методом пластической деформации и профилированию методом холодной ротационной вытяжки, обеспечивающему утонение концевых и цилиндрического участков трубной заготовки, предназначенных под обжим для формирования днищ. Длину концевого участка заготовки, предназначенного под закатку днищ, выполняют равной Lк=(0,8...1,2)D, где D - внутренний диаметр баллона. Толщину конца трубной заготовки выполняют равной Sк=(0,2...1,0)Sц. Баллон подвергают термической обработке, при этом обеспечивают выполнение расчетного критерия: α=(2-σ₀₂/σ_В)≥1,16, где α - коэффициент увеличения прочности; σ₀₂ - предел текучести, МПа; σ_В - предел прочности, МПа. Использование изобретения позволит снизить вес баллона. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

1. Стальной баллон высокого давления, имеющий днища, сферическое с горловиной и эллиптическое глухое, среднюю цилиндрическую часть, отличающийся тем, что баллон выполнен в виде цельного кокона, а цилиндрическая часть с обеих сторон в зонах перехода к днищам имеет утолщения в виде поясков, которые расположены относительно соответствующих им плоскостей сопряжения цилиндрической части баллона и днищ таким образом, что длина от плоскости сопряжения до края утолщения со стороны цилиндрической части (А) отвечает соотношению

А=(0,1÷0,9)Lп,

где Lп - длина утолщения.

Sц=(0,5÷1)Sп,

где Sп - толщина стенки баллона в зоне перехода к днищам, при этом толщину цилиндрической части стенки баллона Sц рассчитывают на прочность из условия коэффициента запаса прочности, равного не менее 2,25, а толщину стенки баллона в зоне перехода к днищам Sп рассчитывают на прочность из условия коэффициента запаса прочности, равного не менее 2,6.

Sд.сф.=(0,6÷1,5)Sп.

Sд.эл.=(1,5÷2)Sп.

Lк=(0,8...1,2)D,

где D - внутренний диаметр баллона;

толщину конца трубной заготовки выполняют равной

Sк=(0,2...1,0)Sц,

а также утонение цилиндрической части баллона с одновременным формированием на концевых участках цилиндра, в зонах перехода к днищам, утолщений в виде поясков, после чего баллон подвергают термической обработке для придания требуемых механических свойств во всех его сечениях, при этом обеспечивают выполнение расчетного критерия

α=(2-σ₀₂/σ_В)≥1,16,

где α - коэффициент увеличения прочности;

σ₀₂ - предел текучести, МПа;

σ_В - предел прочности, МПа.