СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЛЛОНОВ И СЕМЕЙСТВО БАЛЛОНОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ОТ 100 ДО 200 кгс/см Российский патент 2013 года по МПК F17C1/00 B21D51/24 

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно к производству баллонов высокого давления, предназначенных для хранения и перевозки сжатых и сжиженных газов для технологических, медицинских или пищевых целей, а также для хранения углекислоты в огнетушителях и хладонов в системах пожаротушения и т.д.

Известны стальные баллоны для газов вместимостью от 0,4 до 50 литров на рабочее давление до 100-200 кгс/см², изготавливаемые из бесшовных горячедеформированных труб. Нормативным документом, регламентирующим основные параметры, технические требования и методы испытаний таких баллонов в РФ, является действующий ГОСТ 949 «Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Р_р≤19,6 МПа (200 кгс/см²). Технические условия».

Согласно ГОСТ 949 баллоны делятся на баллоны малого объема - до 12 л (наиболее распространен для технических газов баллон вместимостью 10 л) и среднего объема - от 20 до 50 л (наиболее распространен для технических газов баллон вместимостью 40 л).

Известна и широко применяется технология массового изготовления таких баллонов методом закатки разогретых участков соответствующей длины на концах заготовки из бесшовной горячедеформированной трубы определенного наружного диаметра с образованием глухого днища на одном конце трубной заготовки и днища с горловиной на другом.

В частности, известен способ изготовления баллонов, применяемый при изготовлении баллонов диаметром 219 мм, включающий закатку днища, закатку герметичной горловины, механическую обработку горловины с образованием в ней отверстия, термообработку баллона и очистку внутренней поверхности днища, цилиндрической части и горловины баллона, причем с целью повышения производительности и качества изделий, первоначально осуществляют закатку горловины, затем производят очистку горловины и цилиндрической части внутренней поверхности баллона, далее закатывают днище, термообрабатывают баллон, после чего выполняют механическую обработку горловины с образованием в ней отверстия и очистку внутренней поверхности днища [Описание изобретения к а.с. СССР №1712029 от 09.11.1989, МПК B21D 22/16, B21D 51/54, опубл. 15.02.1992].

В данной технологии приводятся основные операции по изготовлению баллонов из трубы номинальным диаметром 219 мм с номинальной толщиной стенки 6, 5 мм вместимостью 50 литров (в соответствии с ГОСТ 949).

Изготовление баллонов из труб иного диаметра и толщины потребует учета особенностей размеров трубы, в частности по длине нагреваемых концов трубы, специальной оснастки для нагрева конкретной длины концов трубы до определенной температуры.

Необходимо отметить, что в такой технологии имеется простая возможность изготовления баллонов различной (но только в определенных пределах, например, для вышеупомянутой трубы диаметром 219 - от 20 до 50 литров) вместимости путем изменения длины заготовки, поэтому баллоны из труб конкретного номинального наружного диаметра изготавливаются типоразмерным рядом (далее, семейством) с некоторым определенным диапазоном вместимостей.

Мировой опыт показывает, что широкий потребный ряд вместимостей баллонов, в частности, от 1 до 50 литров не может быть покрыт баллонами, представленными только одним номинальным диаметром трубы.

Для изготовления баллонов вместимостью от 1 до 50 литров по технологии закатки разогретых концов трубной заготовки применяются трубы разного номинального диаметра, таким образом, что семейство баллонов, изготавливаемое закаткой труб конкретного номинального диаметра, покрывает определенный диапазон вместимостей, после чего другое семейство, изготавливаемое из труб другого, например большего, номинального диаметра покрывает свой диапазон вместимостей, причем эти диапазоны, как правило, перекрывают друг друга на своих верхних и нижних границах.

Необходимо отметить, что в рамках каждого семейства, баллоны, имеющие большую величину отношения длины к диаметру (далее по тексту - удлинение, - безразмерная величина), имеют меньшее отношение массы к объему (далее по тексту - удельная масса). Это связано с особенностями технологии изготовления и прежде всего с тем, что толщина закатанных днищ с точки зрения прочности является избыточной и вносит излишний вклад в массу баллона.

Это означает, что при равных вместимостях баллоны с большим удлинением (т.е. меньшего диаметра) легче, экономичнее в изготовлении (для закатки трубы меньшего диаметра требуется меньше затрат энергии на нагрев, меньше усилия и нагрузки на станок и т.д.), и, следовательно - дешевле.

В таблице 1 приведены предложения на рынке баллонов малого и среднего объема для технических газов одного из зарубежных производителей и отечественных баллонов по ГОСТ 949 (для давления 150 кгс/см², как среднего из заявленного диапазона).

По результатам анализа таблицы 1 можно сделать выводы:

1. В ГОСТ 949 имеет место разрыв по вместимости нормируемых баллонов от 12 до 20 литров, обусловленный значительной разницей по номинальным диаметрам используемых труб, а именно: значительным увеличением (примерно на 60%) нормируемого номинального диаметра (со 140 мм до 219 мм).

2. Таких разрывов по вместимостям баллонов разных семейств нет у зарубежных производителей из-за отсутствия столь значительных скачков по значению номинального диаметра. В частности, в номенклатуре баллонов фирмы EVEREST KANTO (Индия) между баллонами номинальным диаметром 140 мм и 232 мм представлены баллоны, изготовленные из трубы номинальным диаметром 165 мм.

3. Баллоны вместимостью от 12 до 20 л отсутствуют в определении ГОСТ 949, хотя, с введением с 2010 года нового ГОСТ 51017 на передвижные углекислотные огнетушители, баллон вместимостью 14-15 литров можно было бы применить для хранения 10 кг CO₂ в передвижном углекислотном огнетушителе.

4. Баллоны вместимостью 20 л по ГОСТ 949 имеются только как первый член семейства диаметром 219 мм, поэтому имеют минимальное удлинение и, соответственно, максимальную удельную массу.

Для решения реальных хозяйственных задач, например, для модулей пожаротушения, компактных передвижных установок для сварки и резки, медицинских газов имеется потребность в баллонах практически непрерывного ряда вместимостей в диапазоне от 1 до 50 литров.

Выбор диапазона вместимостей от 7 до 30 литров обусловлен попыткой создать семейство, которое, во-первых, покрывало бы недостающую часть вместимостей по ГОСТ 949 (от 12 до 20 литров), во-вторых, образовывало бы интервал вместимостей, граничные значения которого лежат примерно посередине интервалов по ГОСТ 949, т.е. интервал, образованный диаметром 140 мм в ГОСТ 949, занимает от 3 до 12 литров (среднее значение - 7,5 литров. Для удобства анализа выбираем 7 л); интервал, образованный диаметром 219 мм - от 20 до 50 литров, среднее значение - 35 литров. Для удобства анализа выбираем 30 л).

Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью номенклатурные ряды баллонов на примере разных производителей, в дополнение к таблице 1, сведены в таблицу 2.

Из таблицы 2 видно, что предлагаемое семейство баллонов имеет самую низкую удельную массу в диапазоне, начиная от 10 и до 25 литров включительно за счет высокого удлинения.

При выборе номинального диаметра горячедеформированной трубы, промежуточной между диаметрами 140 мм и 219 мм для баллонов вместимостью от 7 до 30 литров была проанализирована номенклатура труб, реально выпускаемых трубными заводами России по ГОСТ 8732 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент». Хотя ГОСТ 8732 после диаметра 140 и до диаметра 219 нормирует трубы девяти различных диаметров, трубные заводы России декларируют выпуск трубы восьми из девяти, среди которых, для анализа были выбраны реально выпускаемые и доступные потребителю трубы четырех номинальных диаметров: 159, 168, 180, 194 мм (см. сайты производителей - www.tmkgroup.ru, www.pntz.ru).

Далее анализ проводился для выбора наиболее эффективной трубы по критерию отношения номинального диаметра к минимальной номинальной изготавливаемой толщине стенки. Чем больше это отношение, тем больше можно минимизировать удельную массу баллона, т.е. сделать его более легким для определенной вместимости. Эти значения:

- номинальный диаметр 159 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 4,5 мм)* - 35,333;

- номинальный диаметр 168 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 6 мм)* - 28;

- номинальный диаметр 180 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 6 мм)* - 30;

- номинальный диаметр 194 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 6 мм)* - 32,333,

- по материалам сайта www.pntz.ru.

Таким образом, наибольшие значения это отношение имеет для труб номинальным диаметром 159 мм и 194 мм.

Для дальнейшего анализа труб номинальных диаметров 159 мм и 194 мм была построена таблица 3 сравнительной эффективности баллонов, которые могут быть изготовлены из этих труб в рассматриваемом диапазоне вместимостей, по критерию удельной массы.

Из рассмотрения таблицы 3 можно сделать следующие выводы:

- до вместимости 25 литров включительно баллоны диаметром 159 мм имеют преимущество по удельной массе;

- для баллонов диаметром 194 мм оптимальным будет являться диапазон вместимостей от 15 до 45 литров, однако такой диапазон вместимостей будет перекрывать более, чем половину диапазона вместимостей семейства баллонов диаметром 219 мм по ГОСТ 949, и, одновременно, будет иметь разрыв по вместимости от семейства баллонов номинальным диаметром 140 мм.

Безусловно, можно изготовить баллон конкретной вместимости с минимальной удельной массой за счет подбора оптимального удлинения, а также соотношения между номинальным диаметром трубы и минимальной изготавливаемой толщиной стенки трубы.

Однако, вследствие наличия потребности в широком спектре баллонов по вместимости, индивидуальное изготовление каждого такого оптимального баллона потребует применения труб с индивидуальными параметрами по номинальным диаметрам и толщинам стенки практически для каждого баллона, что технически осуществить для производителя практически невозможно.

В свою очередь, попытка изготавливать из труб с одним и тем же номинальным диаметром семейство баллонов с очень большим диапазоном вместимостей предполагает, что значительная часть этого семейства будет иметь избыточный вес, будет трудоемкой и низкотехнологичной в изготовлении, и их производство будет затратным.

Т.е. существующие способы изготовления баллонов из трубы одного типоразмера не обеспечивают получения оптимального семейства баллонов для различных народнохозяйственных нужд.

Для определенного диапазона вместимостей можно рассчитать некий оптимальный номинальный диаметр трубы и номинальную толщину ее стенки (с учетом возможностей изготовителей труб). При изготовлении из такой трубы целого семейства баллонов, значительное большинство из них будет иметь малую металлоемкость, трудоемкость, низкую удельную массу, т.е. будут являться наиболее предпочтительными для массового производства.

В общем виде известный способ изготовления семейства баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², включает получение заготовки из стальной бесшовной горячедеформированной трубы из углеродистой стали и формовку днищ методом закатки разогретых концов трубной заготовки [см. описание изобретения к а.с. СССР №1712029].

Таким образом, существует техническое противоречие, заключающееся в том, что для баллонов вместимостью в диапазоне от 7 до 30 литров необходим специальный способ изготовления, связанный с выбором специального номинального диаметра и номинальной толщины стенки трубы из углеродистой стали для введения специального семейства (типоразмерного ряда) баллонов для диапазона вышеупомянутых вместимостей. Требуется такое техническое решение способа изготовления семейства легких массовых баллонов, который обеспечит на конечном изделии снижение металлоемкости и удельной массы, снижение трудоемкости изготовления и повышение технологичности.

Задачей, решаемой первым изобретением группы, является внедрение в народное хозяйство дешевых, легких массовых баллонов в диапазоне вместимостей от 7 до 30 литров, работающих под давлением 100-200 кгс/см², изготавливаемых из бесшовных горячедеформированных труб из углеродистой стали методом закатки разогретых концов трубной заготовки.

Техническим результатом является снижение металлоемкости, удельной массы баллонов, трудоемкости изготовления, повышение технологичности изготовления семейство баллонов высокого давления из бесшовных горячедеформированных труб при обеспечении их прочностных свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², включающем получение заготовок из стальной бесшовной горячедеформированной трубы из углеродистой стали и формовку днищ методом закатки разогретых концов трубных заготовок, последние получают из трубы номинальным наружным диаметром 159 мм с номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, а после закатки их разогретых концов получают баллоны вместимостью от 7 до 30 литров, отношение длины которых к диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5.

Кроме этого:

- закатку разогретых концов трубных заготовок осуществляют на длине 80-130 мм для донных частей и 100-160 мм для днищ с горловинами, соответственно;

- закатку осуществляют при нагреве концов трубных заготовок в диапазоне температур от температуры горячей ковки - при начале закатки, до температуры низкого отжига - при окончании закатки;

- горловину каждого баллона снабжают унифицированной внутренней резьбой для присоединения унифицированной запорной арматуры.

Предшествующий уровень техники относится и к конструкции семейства баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см².

Задача, решаемая вторым изобретением группы, и получаемый технический результат аналогичны первому изобретению.

Для достижения заявленного технического результата в семействе баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², баллоны получают по любому из вариантов реализации вышеописанного способа.

Следует отметить, что в тексте описания под термином «семейство баллонов» следует понимать типоразмерный ряд (линейку) из не менее, чем двух баллонов различной вместимости, изготовленных из труб одного номинального диаметра на основе единого конструкторского подхода, используемых материалов и технологий.

Термины «горячая ковка» и «низкий отжиг» известны из книги Краткий технический справочник под общей редакцией В.А.Зиновьева, ч.2. - М. - Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1950, с.414-417.

Под длиной баллона следует понимать габаритный размер баллона от края нижнего днища до торца горловины, а под диаметром баллона - номинальный диаметр трубы, из которой изготовлен баллон (в нашем случае - в соответствии с ГОСТ 8732).

Под унифицированной внутренней (наружной) резьбой следует понимать такую резьбу, параметры которой, например, для условий России соответствуют нормам ГОСТ 9909 «Резьба коническая вентилей и баллонов для газов».

Номинальная толщина стенки трубы номинальным наружным диаметром 159 мм выбирается в пределах от 4,5 до 6,5 мм. Это связано с тем, что потребная толщина стенки баллона зависит от прочностных свойств углеродистой стали, из которой изготовлен баллон. Прочностные свойства углеродистой стали, в частности, предел прочности, зависят от процентного содержания углерода (согласно ГОСТ 1050).

Именно по этой причине, номинальная толщина 4,5 мм стенки трубы номинальным диаметром 159 мм обеспечивает прочность баллона при условии его изготовления из углеродистых сталей с высоким содержанием углерода (марки 35 и выше), а толщина стенки 6,5 мм обеспечивает прочность баллона при условии его изготовления из сталей с низким содержанием углерода (марки 10 или 20). Предпочтительным, с точки зрения удельной массы, является изготовление баллонов из высокоуглеродистых сталей (марки 35 и выше).

В итоге, при реализации изобретений можно исходить из любой толщины стенки трубы, лежащей в пределах от 4,5 до 6,5 мм.

Заявленный способ изготовления баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², реализуется следующим образом.

Вначале производится операция отрезки трубной заготовки из бесшовной горячедеформированной трубы из углеродистой стали номинальным наружным диаметром 159 мм с номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм. Конец трубной заготовки нагревают любым известным способом с помощью любого известного нагревательного устройства (горелки, индуктора, печи), при необходимости вращая заготовку, до температуры, не большей предельной температуры нагрева при ковке. К нагретому концу заготовки, зажатой в приспособлении, обеспечивающем ее вращение, подводят инструмент, обеспечивающий формообразование глухого днища или горловины на длине 80-130 мм для донной части и 100-160 мм для днища с горловиной, соответственно. После этого производят операцию нагрева другого конца заготовки и производят затем формирование другого конца, формируя горловину или глухое днище на длине 80-130 мм для донной части и 100-160 мм для днища с горловиной, соответственно, после чего полученный баллон имеет отношение длины к диаметру в пределах от 3,2 до 11,5.

Конкретная величина длины участка формообразования зависит от геометрии формируемого днища. В частности, глухое днище может быть плоским или иметь форму полусферы (а также эллиптическую форму, как промежуточный вариант), поэтому минимальная длина участка формообразования характерна для плоского днища, а максимальная - для днища в форме полусферы. Аналогичные формы может иметь днище с горловиной, однако, для формирования собственно горловины, как цилиндрического участка на днище, снабженного внутренней резьбой, требуется определенное увеличение длины участка формообразования.

После операций формообразования в горловине нарезают, например, унифицированную для целого ряда баллонов внутреннюю резьбу для присоединения, например, унифицированной запорной арматуры.

Аналогичным образом изготавливают другие типоразмеры баллонов.

Результатом реализации способа изготовления баллонов является возможность получения семейства (номенклатурного ряда) востребованных потребителями баллонов вместимостью от 7 до 30 литров, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², каждый из которых может быть получен вышеупомянутым способом.

При таких параметрах удельная масса баллонов в семействе составит от 1,5 до 1,1 кг/л (для давления 150 кгс/см², как среднего). Более конкретные технические характеристики семейства баллонов представлены в таблицах 1 и 3 под рубрикой «Предлагаемое семейство баллонов». Настоящее семейство также может быть дополнено баллонами другой вместимости в заявленных пределах или сокращено.

В результате использования изобретений существенно повышаются потребительские качества баллонов: снижается удельная масса, металлоемкость, расход энергии при изготовлении, минимизируется цена, повышается удобство в эксплуатации.

Кроме того, при оценке стоимости баллонов для конкретного рабочего давления имеется условный показатель - цена за литр вместимости. Баллоны, заявленные в настоящем изобретении, позволяют минимизировать данный показатель для объявленного семейства.

Таблица 1   Наружный диаметр, мм Вместимость баллона, л Удлинение б/р Удельная масса, кг/л Фирма EVEREST KANTO ** (Индия) 108 2,0-5,0 3,1-6,8 2,3-1,6 140 4,5-15,0 3,1-8,8 1,8-1,4 165 6,8-20,0 2,8-7,2 1,9-1,4 232 22,0-54,0 2,9-6,7 1,3-1,2 ГОСТ 949 108 2,0-3,0 3,1-4,3 1,9-1,7 140 3,0-12,0 2,3-7,3 2,0-1,5 219 20,0-50,0 3,4-7,7 1,6-1,4 Предлагаемое семейство баллонов 159 7-30 3,2-11,5 1,5-1,2 ** - по материалам сайта www.everestkanto.com/productsandservices/industrial_cylinders.htm.

Таблица 3 Диаметр трубы, мм Параметр баллона Вместимость баллона, л 10 15 20 25 30 159 Удлинение 4,4 5,9 7,7 9,7 11,4 Удельная масса, кг/л 1,4 1,3 1,2 1,2 1,2 194 Удлинение 2,5 3,5 4,4 5,4 6,4 Удельная масса, кг/л 1,6 1,4 1,3 1,3 1,2

Таблица 2 Изготовитель Вместимость, л Диаметр, мм Удлинение Удельная масса, кг/л Фирма EVEREST KANTO** (Индия) 10,0 140 6,0 1,5 10,2 165 4,0 1,6 ГОСТ 949 10,0 140 6,0 1,5 Предлагаемое семейство баллонов 10,0 159 4,4 1,4 Фирма EVEREST KANTO** (Индия) 15,0 140 6,0 1,5 165 5,6 1,5 ГОСТ 949 15,0 - - - Предлагаемое семейство баллонов 15,0 159 5,9 1,3 Фирма EVEREST KANTO** (Индия) 20,0 165 7,2 1,4 ГОСТ 949 20,0 219 3,4 1,6 Предлагаемое семейство баллонов 20,0 159 7,7 1,2 Фирма EVEREST KANTO** (Индия) 24,0 232 3,2 1,3 ГОСТ 949 25,0 219 4,1 1,5 Предлагаемое семейство баллонов 25,0 159 9,7 1,2 ** - по материалам сайта www.everestkanto.com/productsandservices/industrial_cylinders.htm.

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно производству баллонов высокого давления, предназначенных для хранения и перевозки сжатых и сжиженных газов для технологических, медицинских или пищевых целей, а также для хранения углекислоты в огнетушителях и хладонов в системах пожаротушения. Способ изготовления баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², включает получение заготовок из стальной бесшовной горячедеформированной трубы из углеродистой стали и формовку днищ методом закатки разогретых концов трубных заготовок. В качестве материала трубной заготовки используют сталь марки 20 или сталь марки 35. Трубные заготовки получают из трубы номинальным наружным диаметром 159 мм с номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, закатку разогретых концов трубных заготовок осуществляют на длине 80-130 мм для донной части и 100-160 мм для днища с горловиной, соответственно, а после закатки получают баллоны вместимостью от 8 до 25 литров, отношение длины которых к диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5. Технический результат - снижение металлоемкости, удельной массы баллонов, трудоемкости изготовления, повышение технологичности изготовления семейства баллонов высокого давления из бесшовных горячедеформированных труб при обеспечении их прочностных свойств. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Баллон, работающий под давлением от 100 до 200 кгс/см², содержащий корпус из бесшовной горячедеформированной трубной заготовки из углеродистой стали, сформованный с глухим днищем и горловиной или с днищами, имеющими горловину, методом закатки разогретых концов заготовки, отличающийся тем, что корпус выполнен вместимостью от 8 до 25 л из заготовки с номинальным наружным диаметром 159 мм и номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, отношение длины корпуса к его диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5, а в качестве углеродистой стали используют сталь марки 20 или сталь марки 35.

2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что горловина выполнена с унифицированной внутренней резьбой для присоединения унифицированной запорной арматуры.

3. Способ изготовления баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², включающий получение заготовок из стальной бесшовной горячедеформированной трубы из углеродистой стали и формовку днищ методом закатки разогретых концов трубных заготовок, отличающийся тем, что в качестве материала трубной заготовки используют сталь марки 20 или сталь марки 35, трубные заготовки получают из трубы номинальным наружным диаметром 159 мм с номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, закатку разогретых концов трубных заготовок осуществляют на длине 80-130 мм для донной части и 100-160 мм для днища с горловиной соответственно, а после закатки получают баллоны вместимостью от 8 до 25 л, отношение длины которых к диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5.