СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F17C1/00 

Описание патента на изобретение RU2343341C2

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении сосудов, работающих под высоким давлением (от 100 кгс/см2 и выше), например бесшовных металлопластиковых баллонов и лейнеров для них.

В настоящее время используются в основном 2 способа изготовления бесшовных баллонов высокого давления: из бесшовных труб в соответствии с ГОСТ 949-73 и из стальных дисков определенного диаметра и толщины методом глубокой штамповки.

Из бесшовных труб баллон формируется без изменения толщины стенки трубы путем горячей закатки первого конца мерной заготовки в днище с помощью закатной машины, а затем закатки второго конца заготовки в горловину баллона. Сформованный баллон подвергается закалке и отпуску, механической обработке, различным видам испытаний и приемке в соответствии с ГОСТ 949-73.

Схема проста, надежна, экономична, однако характеристика баллонов по отношению массы баллона к его вместимости составляет 1,25...1,85 при использовании углеродистых сталей, и 1,12...1,35 при использовании конструкционной легированной стали 30ХМА, что является существенным недостатком.

Известен способ изготовления итальянской фирмой «Фабер» металлических газовых баллонов высокого давления из легированной хромомолибденовой стали 34СrМо44 с удельной массой 1,0...1,13 кг/л (по Евростандартам) глубокой штамповкой из стальных дисков определенного диаметра и толщины. Бесшовные баллоны на давление 200 атм диаметром 267, 316 и 356 мм и длиной 695...1100 мм изготавливаются путем многократных вытяжек из заготовок-кружков (дисков) с промежуточными химико-термическими операциями, затем высокотемпературной закаткой горловины, упрочняющей и механической обработок.

Такой способ изготовления достаточно технологичен, но не позволяет существенно улучшить весовые характеристики баллонов, т.е. уменьшить их металлоемкость.

Таким образом, задачей данного технического решения являлось повышение технологичности изготовления газовых баллонов.

Общими признаками известного технического решения с предлагаемым авторами способом является изготовление металлических газовых баллонов путем многократных вытяжек из заготовок-кружков (дисков) с промежуточными химико-термическими операциями, высокотемпературной закаткой горловины, упрочняющей и механической обработок.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ изготовления металлических газовых баллонов высокого давления (300 атм) по патенту РФ №2025177, В21D 51/24, опубл. 03.12.94 г., принятый за прототип, по которому из легированной стали типа ВП-30 формируют диаметр корпуса из диска путем многократных вытяжек без утонения стенки с коэффициентами 0,60...0,75, а затем формируют стенку в результате одной или двух операций глубокой вытяжки (последнюю операцию выполняют с изменением толщины стенки от дна до утолщения у края заготовки), причем при закатке горловины сначала формуют опорную ее поверхность и предварительный профиль переходного участка, а затем - окончательные размеры горловины, а термообработку ведут после мехобработки.

В описанном способе (прототипе) применена легированная сталь 30ХСНВФА (ВП-30), которая позволяет после закалки и отпуска обеспечить предел прочности в материале баллона σв=145...165 кгс/мм2, однако при этом происходит охрупчивание материала баллона.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления металлических газовых баллонов высокого давления, принятого за прототип, относится то, что при использовании данного способа, выбранные на максимальную прочность режимы термической обработки стали 30ХСНВФА (ВП-30) способствовали получению неблагоприятного структурного состояния сплава (мартенсит отпуска плюс карбиды) и, как следствие, охрупченного состояния материала баллонов, что недопустимо, так как может привести к образованию осколков при его разрушении. Таким образом, способ изготовления баллонов при использовании данных режимов обработки не обеспечивает требуемую надежность при эксплуатации.

Задачей данного технического решения (прототипа) являлось создание способа изготовления металлических газовых баллонов с обеспечением улучшенных весовых характеристик по удельной массе не более 1,0 кг/литр, но без обеспечения требуемой надежности при многократной цикловой нагрузке.

Общими признаками с предлагаемым авторами способом изготовления металлических сосудов высокого давления являются использование легированной стали, формирование диаметра (штамповка) корпуса из дисковых заготовок путем многократных вытяжек (сверток) с коэф. 0,60...0,75, формирование толщины стенки глубокой вытяжкой, высокотемпературная закатка горловины, механическая обработка и термообработка.

В отличие от прототипа, в предлагаемом способе изготовления металлических сосудов высокого давления окончательное формирование длины и толщины стенок корпуса ведут в одну или две операции ротационной вытяжкой с суммарной степенью деформации 50...80%, используют комплексно-легированную сталь типа 12Х3ГНМФБА, а в материале сосуда формируют мелкодисперсную троститосорбитную структуру с ударной вязкостью KCV не менее 25 Дж/см2 путем закалки с температуры 910...940°С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска при температуре 490...510°С.

Именно сочетание указанных параметров позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

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

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокой конструктивной прочности, эксплуатационной надежности и безопасности сосудов высокого давления при многократной цикловой нагрузке.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления металлических сосудов высокого давления из легированных сталей, включающем формирование диаметра (штамповку) корпуса из диска путем многократных вытяжек (сверток) с коэф. 0,6...0,75, формирование стенки глубокой вытяжкой, термохимическую обработку перед каждой операцией вытяжки, высокотемпературную закатку горловины, мехобработку и термообработку, особенность заключается в том, что окончательное формирование длины и толщины стенок корпуса ведут в одну или две операции ротационной вытяжкой с суммарной степенью деформации 50...80%, используют комплексно-легированную сталь типа 12Х3ГНМФБА, а в материале сосуда формируют мелкодисперсную троститосорбитную структуру с ударной вязкостью KCV не менее 25 Дж/см2 путем закалки с температуры 910...940°С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска при температуре 490...510°С.

Новая совокупность существенных признаков, а также наличие взаимосвязей между ними позволяет, в частности, за счет:

- окончательного формирования длины и толщины стенок корпуса в одну или две операции ротационной вытяжкой с суммарной степенью деформации 50...80%, уменьшить количество прессовых операций и снизить трудоемкость процесса изготовления;

- использования комплексно-легированной стали типа 12Х3ГНМФБА и формирования в материале сосуда мелкодисперсной троститосорбитной структуры с ударной вязкостью KCV не менее 25 Дж/см2 путем закалки с температуры 910...940°С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска при температуре 490...510°С увеличить показатели пластичности по относительному удлинению и сужению, ударной вязкости, вязкости разрушения и циклической долговечности (см. табл.1). Закалку с температуры 910...940°С проводят исходя из принятого перегрева стали на 30...60°С выше точки АСз, а отпуск при температуре 490...510°С - для получения мелкодисперсной троститосорбитной структуры за счет выделения мелкопластинчатых карбидов без существенного их укрупнения коагуляцией, что обеспечивает оптимальное сочетание пластичности и прочности стали 12Х3ГНМФБА, так как ниже температуры 490°С замедляется процесс сфероидизации (коагуляции) карбидов, и наблюдается снижение показателей пластичности стали, а при температуре выше 510°С процесс сфероидизации ускоряется настолько, что укрупнение карбидов становится нежелательным из-за снижения твердости и прочности стали.

Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления металлических сосудов высокого давления из легированных сталей, включающий формирование диаметра (штамповку) корпуса из диска путем многократных вытяжек (сверток) с коэф. 0,6...0,75, формирование стенки глубокой вытяжкой, термохимическую обработку перед каждой операцией вытяжки, высокотемпературную закатку горловины, мехобработку и термообработку, в отличие от прототипа, согласно изобретению, окончательное формирование длины и толщины стенок корпуса ведут в одну или две операции ротационной вытяжкой с суммарной степенью деформации 50...80%, используют комплексно-легированную сталь типа 12Х3ГНМФБА, а в материале сосуда формируют мелкодисперсную троститосорбитную структуру с ударной вязкостью KCV не менее 25 Дж/см2 путем закалки с температуры 910...940°С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска при температуре 490...510°С.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения подтверждается приведенными в таблице 1 данными исследования показателей пластичности материала баллона, изготовленного из двух марок сталей.

Как видно из таблицы 1 применение нового способа изготовления позволило увеличить показатели пластичности по относительному удлинению и сужению в 1,7...2,0 раза, ударной вязкости KCU и KCV в 1,4...2,3 раза, вязкости разрушения в 1,3...1,4 раза, циклической долговечности в 3,3 раза по минимальным значениям.

Заявляемый способ изготовления в сравнении с прототипом, а также отдельные результаты исследования изготовленных сосудов высокого давления представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что при использовании заявляемого способа изготовления показатель пластичности материала сосудов высокого давления - относительное удлинение - увеличился в 1,7 раза, изменился в лучшую сторону характер разрушения, он стал вязким.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлена технологическая схема предлагаемого способа технологического процесса изготовления сосудов высокого давления, где а, б, в, г, д - полуфабрикаты формирования необходимого диаметра лейнера, е - полуфабрикат после глубокой вытяжки с изменением толщины стенки, ж - полуфабрикат после ротационной вытяжки, з - сформированный лейнер после закатки.

Пример. Изготовление лейнера газового баллона на давление 300 атм емкостью 7,0 л.

Из листа толщиной 6,5 мм из стали 12Х3ГНМФ5А, изготовленного по ТУ 14-105-589-95, вырубают кружки диаметром ⊘583+1,75 мм, которые затем обезжиривают и подвергают механической обработке на диаметр ⊘580 мм для удаления зоны рубки. Перед вытяжкой кружки проходят химическую обработку (травление, фосфатирование, омыливание), облегчающую проведение вытяжных операций. Далее каждый полуфабрикат подвергают отжигу и вышеперечисленным химическим операциям. Пятью вытяжными операциями без утонения стенки свертками получают полуфабрикат ⊘150 мм и высотой 590 мм с коэф. вытяжки 0,6...0,75.

Затем полученный полуфабрикат подвергают вытяжке с утонением стенки до 4,6 мм со степенью деформации 29%, и окончательное формирование толщины стенки лейнера осуществляют ротационной вытяжкой до толщины 1,3 мм (степень деформации 72%). При этом на краю полуфабриката формируют также утолщение, необходимое для закатки горловины.

Полученную заготовку после отжига, уменьшающего напряжение, подвергают механической обработке под закатку (подрезка торца), вихретоковому контролю, местному нагреву и закатке горловины, высокому отпуску, механической обработке по горловине и донной части.

Полученный лейнер подвергают упрочняющей термообработке: закалка с температуры 910...940°С с охлаждением на воздухе и отпуск при температуре 490...510°С.

Проведенные гидроиспытания лейнера давлением 102 атм показали отсутствие течи и остаточной деформации. Лейнер использовался для изготовления облегченного (5,5 кг вместо 9,5 кг) баллона со стеклопластиковым усилением на давление 300 атм, которые успешно прошли все испытания.

Изготовленные по данному способу сосуды высокого давления обеспечивают высокую конструктивную прочность, эксплуатационную надежность и безопасность баллона при многократной цикловой нагрузке.

Таблица 1Сравнительные характеристики использования материала прототипа и заявляемого по показателям пластичности (относительное удлинение δ и сужение ψ), ударной вязкости (KCU, KCV, КСТ), вязкости разрушения (K1C) и циклической долговечности.Марка стали
Показатели
30ХГСНВФА (ВП-30)12Х3ГНМФБА
Режим термич. обработкиЗакалка 910°СЗакалка 910°С,Отпуск 350°СОтпуск 500°Сσв, кгс/мм2145...165122...128δ5, %8,2...9,614,1...15,4ψ, %21,5...31,243,9...61,0KCU, Дж/см2+20°С60...65140...160-50°С53...6080...120KCV, Дж/см2+20°С22...2731...43-50°С13...1530...39КСТ, Дж/см2+20°С15...1712...22-50°С5...75,2...9,7K1С, кгс/мм3/2+20°С218...242311...390-50°С143...224191...337Циклическая долговечность при исп. = (0,9-0,45)σв, циклы5800...10600019300...700000

Таблица 2Заявляемый способ изготовления в сравнении с прототипомСпособ изготовления, стальТехнологический регламентСтруктурное состояниеВременное сопротивление σв, кгс/мм2Относит. удлинение δ5, %Характер разрушения1 (прототип) Сталь 30ХГСНВФА (ВП-30)5 вытяжек без утонения стенок (коэф. 0,60...0.75)+2 вытяжки с утонением стенки 6-5-4 мм (степ. деф 17%+20%) + нагрев под закатку + закатка горловины + отпуск высокий + механическая обраб. + закалка с t=910°C + отпуск 340...360°СМартенсит отпуска + карбиды145...1658,3...10,5Хрупкий2 Сталь 12Х3ГНМФБА5 вытяжек без утонения стенок (коэф. 0,60...0,75) + вытяжка с утонением стенки 6,5-4,6 мм (степ. деф. 29%) + ротационная вытяжка 4,6-1,3 мм (степ. деф. 72%) + нагрев под закатку + закатка горловины + отпуск высокий + мехобработка + закалка с t=910...940°C + отпуск 490...510°СТростито-сорбит отпуска + карбиды122...13014,1...15.2Вязкий3 Сталь 12ХЗГНМФБА5 вытяжек без утонения стенок (коэф. 0,60...0,75) + 1 ротационная вытяжка 6,5-3,25 мм (степ. деф. 50%) + II ротационная вытяжка 3,25-1,3 мм (степ.деф. 60%) + нагрев под закатку + закатка горловины + отпуск высокий + мехобработка + закалка с t=910...940°C + отпуск 490...510°СТростито-сорбит отпуска + карбиды123...13214,2...15,3ВязкийПримечание: В технологическом регламенте не указаны промежуточные химико-термические операции.

Похожие патенты RU2343341C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ 1992
  • Бирюков В.В.
  • Арискин А.И.
  • Денежкин Г.А.
  • Проскурин Н.М.
  • Рогов Л.В.
  • Французов Ю.С.
  • Слепцова Л.Н.
RU2025177C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2011
  • Макаровец Николай Александрович
  • Кобылин Рудольф Анатольевич
  • Белов Алексей Евгеньевич
  • Собкалов Владимир Тимофеевич
  • Хитрый Александр Андреевич
  • Лукьянцева Галина Николаевна
  • Анненков Дмитрий Викторович
RU2465090C1
Способ изготовления баллонов высокого давления 2018
  • Лобов Василий Александрович
  • Ремшев Евгений Юрьевич
  • Афимьин Григорий Олегович
  • Затеруха Екатерина Владимировна
RU2699701C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ КОРПУСОВ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 2015
  • Трегубов Виктор Иванович
  • Белов Алексей Евгеньевич
  • Анненков Дмитрий Викторович
  • Собкалов Владимир Тимофеевич
  • Заболотнов Владимир Михайлович
  • Зайцев Виктор Дмитриевич
  • Барычева Тамара Петровна
  • Ерохин Владимир Евгеньевич
  • Тимаков Валерий Николаевич
RU2605877C1
СТАЛЬНОЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2007
  • Свободов Андрей Николаевич
  • Капустин Анатолий Иванович
  • Стеценко Анатолий Иванович
RU2334910C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРПУСОВ 2005
  • Корольков Виктор Алексеевич
  • Белов Евгений Андреевич
  • Куксенко Александр Федорович
  • Кобылин Рудольф Анатольевич
  • Макаровец Николай Александрович
  • Трегубов Виктор Иванович
RU2295416C1
Способ изготовления тонкостенных осесимметричных корпусов сосудов из легированных сталей, работающих под высоким давлением 2018
  • Белов Алексей Евгеньевич
  • Собкалов Владимир Тимофеевич
  • Заболотнов Владимир Михайлович
  • Ерохин Владимир Евгеньевич
  • Борзенков Алексей Сергеевич
  • Медведев Владимир Иванович
  • Тателадзе Гиоргий Манукович
  • Демидова Елена Анатольевна
RU2695095C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 2005
  • Свободов Андрей Николаевич
  • Гаврилин Олег Сергеевич
  • Капустин Анатолий Иванович
  • Макаровец Николай Александрович
  • Кобылин Рудольф Анатольевич
  • Романцев Борис Алексеевич
  • Хапонен Николай Андреевич
  • Четвертаков Геннадий Вячеславович
  • Рыбин Виктор Дмитриевич
RU2288063C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК, РАБОТАЮЩИХ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ 2011
  • Трегубов Виктор Иванович
  • Заболотнов Владимир Михайлович
  • Хабаров Александр Николаевич
  • Ерохин Владимир Евгеньевич
RU2454307C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКИ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ КОМПЛЕКСНОЛЕГИРОВАННОЙ ХОЛОДНОДЕФОРМИРУЕМОЙ СТАЛИ 2014
  • Анненков Дмитрий Викторович
  • Белов Алексей Евгеньевич
  • Собкалов Владимир Тимофеевич
  • Заболотнов Владимир Михайлович
  • Гаевский Валерий Владимирович
RU2566109C1

Реферат патента 2009 года СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении сосудов, работающих под высоким давлением (от 100 кгс/см2 и выше). Способ изготовления металлических сосудов высокого давления из легированных сталей включает формирование диаметра (штамповку) корпуса из диска путем многократных вытяжек (сверток) с коэф. 0,6...0,75, формирование стенки глубокой вытяжкой, термохимическую обработку перед каждой операцией вытяжки, высокотемпературную закатку горловины, мехобработку и термообработку. Окончательное формирование длины и толщины стенок корпуса ведут в одну или две операции ротационной вытяжкой с суммарной степенью деформации 50...80%, используют комплексно-легированную сталь типа 12Х3ГНМФБА, а в материале сосуда формируют мелкодисперсную троститосорбитную структуру с ударной вязкостью KCV не менее 25 Дж/см2 путем закалки с температуры 910...940°С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска при температуре 490...510°С. Использование способа при производстве сосудов высокого давления позволяет получать изделия высокой конструктивной прочности, эксплуатационной надежности и безопасности. 1 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 343 341 C2

Способ изготовления металлических сосудов высокого давления из легированных сталей, включающий формирование диаметра (штамповку) корпуса из диска путем многократных вытяжек (сверток) с коэффициентом 0,6...0,75, формирование стенки глубокой вытяжкой, термохимическую обработку перед каждой операцией вытяжки, высокотемпературную закатку горловины, мехобработку и термообработку, отличающийся тем, что окончательное формирование длины и толщины стенок корпуса ведут в одну или две операции ротационной вытяжкой с суммарной степенью деформации 50...80%, используют комплексно-легированную сталь типа 12Х3ГНМФБА, а в материале сосуда формируют мелкодисперсную троститосорбитную структуру с ударной вязкостью KCV не менее 25 Дж/см2 путем закалки с температуры 910...940°С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска при температуре 490...510°С.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2343341C2

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ 1992
  • Бирюков В.В.
  • Арискин А.И.
  • Денежкин Г.А.
  • Проскурин Н.М.
  • Рогов Л.В.
  • Французов Ю.С.
  • Слепцова Л.Н.
RU2025177C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО БАЛЛОНА 1992
  • Бирюков В.В.
  • Лотош М.М.
  • Лопатин Ю.И.
  • Проскурин Н.М.
  • Татаринов П.И.
  • Свиридов А.Н.
RU2010651C1
Способ комбинированной обработки стальных деталей 1980
  • Оловянишников Виктор Алексеевич
  • Королев Юрий Константинович
  • Зинченко Валентин Митрофанович
  • Гончарова Зинаида Александровна
  • Лушников Станислав Аркадьевич
  • Филиппова Тамара Евгеньевна
SU907074A1
Центрифуга для разделения газовыхСМЕСЕй 1979
  • Чумаков Виталий Леонидович
  • Глонь Ольга Андреевна
SU848069A1
JP 61052946 A, 15.03.1986.

RU 2 343 341 C2

Авторы

Корольков Виктор Алексеевич

Гаевский Валерий Владимирович

Воробьев Владимир Александрович

Травин Вадим Юрьевич

Трегубов Виктор Иванович

Макаровец Николай Александрович

Даты

2009-01-10Публикация

2007-03-05Подача