МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к сосудам высокого давления и предназначена для эксплуатации в арктических условиях, в температурном диапазоне от минус 60 С° до плюс 65 С° при рабочем давлении 200 атм. Заявленная конструкция может использоваться в качестве газовых баллонов для хранения и транспортировки сжатого газа, используемого в качестве моторного топлива, а также для систем пожаротушения.
До настоящего времени все специализированные производители баллонов высокого давления для компримированного природного газа, используемого в качестве моторного топлива, следуют своду предписаний международного стандарта: «Правила Единой Экономической Комиссии ООН №110».
Данный стандарт регламентирует температурный диапазон эксплуатации таких баллонов от +50 С° до -40 С°.
С учетом особых климатических условий арктической зоны, необходимо обеспечить безопасную эксплуатацию баллонов высокого давления при экстремально низких температурах до -60 С°.
Известен композитный баллон высокого давления, содержащий внутренний лейнер, выполненный бесшовным из алюминиевого сплава и силовую оболочку представляющую собой сетчато-ячеистую структуру с ячейками между перекрещивающими перемычками, расположенными в кольцевом - на цилиндрической части лейнера и диагональном с переходом от одной горловины к другой направлениях. Силовая оболочка выполнена из композиционного материала, например, базальтового волокна, пропитанного смолой. Конструкция аналога обеспечивает работоспособность баллона в течение 15 лет и 15000 циклов заправок. / Патент РФ на полезную модель №46834, МПК F17C 1/00; 1/06, опубл. 27.07.2005 г./.
Недостаток аналога в том, что не обеспечиваются требуемые прочностные и эксплуатационные характеристики баллона при его использовании в арктических условиях в температурном диапазоне от минус 60 С° до плюс 65 С° при рабочем давлении 200 атм.
Известен стеклопластиковый баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, выполненную путем намотки заготовки из стеклопластикового материала, представляющего собой стеклоленту пропитанного полимерным связующим, и внутреннюю оболочку из алюминия, полученную путем намотки алюминиевой ленты с адгезионным веществом. / Патент РФ №2144644, МПК F16С 1/00; B21D 51/24, опубликовано 20.01.2000 г./.
Недостатки аналога - сложность технологического процесса изготовления баллона, а также меньше его прочность, надежность и долговечность в арктических условиях.
Наиболее близким аналогом - прототипом заявленной полезной модели является металлокомпозитный баллон высокого давления, содержащий внутреннюю облегченную бесшовную оболочку, выполненную из коррозионно-стойкого алюминиевого сплава и внешнюю силовую композитную оболочку из стеклоровинга - высокопрочной стеклянной крученой комплексной нити типа ВМПС. /патент РФ на полезную модель №81552 МПК F17С 1/00, опубликовано 20.03.2009/.
Недостатком прототипа является высокая стоимость, обусловленная технологией изготовления герметичной оболочки, и низкая надежность при эксплуатации в условиях высокого давления, поскольку из-за выполнения внутренней оболочки из алюминия, а внешней - из стеклоленты при высоком давлении баллон деформируется и разрушается. В результате ограничивается область его использования. Кроме того, данная конструкция предназначена для работы со сжатыми газами при давлении 50-60 кг/см. кв.
Техническая задача, стоящая перед авторами - создать композитный баллон высокого давления для эксплуатации в арктических условиях при температурном диапазоне от плюс 65 С° до минус 60 С° при минимальной стоимости их затрат.
Технический результат достигается тем, что в композитном баллоне высокого давления, содержащим внутренний бесшовный лейнер из алюминиевого сплава АД 33 (или его аналога- сплава АА 6061) с двумя горловинами и внешнюю силовую оболочку, выполненную намоткой из композитного материала, новым является то, что композитный материал внешней силовой оболочки выполнен из. базальтопластика, который представляет собой соединение базальторовинга BCF13-1200-KV12EXT при площади поперечного сечения 0,42 мм и эпоксидной смолы ЭТАЛ-245Б.
На чертеже (Фиг.) изображен заявляемый баллон в разрезе.
Баллон содержит внутренний герметизирующий бесшовный лейнер 1, выполненный из алюминиевого сплава АД33 (или его аналога- сплава АА 6061) с двумя горловинами 2,3, внешнюю силовую оболочку 4, выполненную намоткой типа «кокон» из базальтопластика, который представляет собой соединение базальторовинга BCF13-1200-KV12EXT при площади поперечного сечения 0,42 мм и эпоксидной смолы ЭТАЛ-245Б.
Баллон работает следующим образом. Газ, хранящийся в баллоне под давлением, действует на стенки сосуда. Благодаря тому, что лейнер выполнен бесшовным, снижаются количество и типы концентраторов напряжения, способствующих появлению трещин в материале лейнера, которые прорастают в процессе нагружений и могут привести к разгерметизации. Выполнение лейнера из алюминиевого сплава АД33 повышает прочностные свойства при понижении температуры среды его использования. Выполнение композиционного материала внешней силовой оболочки из базальтопластика при площади поперечного сечения 0,42 мм обеспечивает надежность работы баллона в условиях температурного диапазона от минус 60°С до плюс 65°С при рабочем давлении 200 атм.
Проведены испытания материалов внешней силовой оболочки конструкции заявленного баллона, в температурном диапазоне от минус 60°С до плюс 65°С при рабочем давлении 200 атмосфер на циклическое нагружение. После циклирования образцы были испытаны на растяжение до разрушения со снятием диаграммы растяжения. Количество циклов нагружения составляло 7500, продолжительность каждого эксперимента превышала 8 часов.
Результаты испытаний на разрушающую нагрузку при растяжении материалов силовой оболочки представлены в / Приложении 1/.
Для сплава АД 33 (ГОСТ 4784-97) из которого изготовлен лейнер, как и для других алюминиевых сплавов, не существует резкого перехода из вязкого в хрупкое состояние при низких температурах («порога хладноломкости»), характерного для сплавов на основе железа, а пределы текучести и прочности при низких температурах выше, чем при комнатной. Кроме того, у большинства алюминиевых сплавов пластичность повышается с понижением температуры или остается на уровне значений при комнатной температуре. /Справочник «Авиационные материалы», т. 4 «Алюминиевые и дюраллиевые сплавы», ч. 1, М.ОНТИ-1982/.
Таким образом, новая совокупность существенных признаков, а именно, сочетание в качестве материала лейнера алюминиевого сплава АД33, который обладает свойством повышения прочностных свойств при понижении температуры среды его использования, совместно с базальтопластиком, который также улучшает прочностные свойства с понижением температуры при минимальной стоимости их затрат позволило решить задачу, поставленную перед авторами - создание конструкции баллона для эксплуатации в арктических условиях в температурном диапазоне от плюс 65 С° до минус 60 С° при минимальной стоимости их затрат.