НАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ ЕМКОСТЕЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ

Полезная модель относится к области хранения и транспортировки жидких и газообразных взрывоопасных или потенциально взрывоопасных горючих веществ, например углеводородных топлив.
Из предшествующего уровня техники известен наполнитель для емкостей, предотвращающий взрыв и состоящий из фрагментов просеченной и растянутой фольги, свернутой в различные объемные геометрические тела, такие как рулоны и шары (GB 2028129 А, МПК А62С 3/12, 05.03.1980; US 2008/0305299 A1, МПК В32В 3/10, 16.04.2004;; US 3356256, C1. 220-88, 05.12.1967; US 4149649, МПК B65D, 87/48, 17.04.1979; US 6699563 В, МПК В23М 3/24, 02.03.2004).
Также известен наполнитель, сформированный из фрагментов сетки, изготовленной из алюминия или алюминиевого сплава (ЕР 0256239 A1, МПК F17C 13/12, 10.06.1987).
Кроме того, известен наполнитель для предотвращения детонации резервуаров, наполненных, предпочтительно, бензином, выполненный в виде полых шаров из металла, причем шары выполнены из алюминиевой фольги, имеющей прорези, растянутые в поперечном направлении, при этом края прорезей на поверхности шаров сжаты и образуют гладкую поверхность, а внутри расходятся с образованием шероховатой поверхности (SU 1449031 А, МПК H05F 3/00, 30.12.1988).
пл
В указанных патентах описаны наполнители, выполненные из металлической фольги в виде листов, полос или ленты, имеющей параллельные просечки и растянутой в сетку. Недостатком всех указанных выше технических решений является то, что наполнитель выполнен из алюминиевой фольги, полученной методом холодной прокатки и находящейся в наклепанном состоянии, которая при температурах свыше 0,3 температуры плавления (0,3 Т) алюминиевого сплава теряет свои упругие свойства, вследствие чего материал становиться хрупким (может крошиться), а наполнитель дает усадку (то есть сжимается, теряет первоначальную форму), что приводит к образованию в емкости с горючим веществом полостей, не заполненных наполнителем, и что, в свою очередь приводит к повышению взрывоопасности емкости.
пл
Из уровня техники известны наполнители, выполненные из сетки с различными видами покрытий. В патенте US 3356256, кл. 220-88, 23.09.1965 г. описан наполнитель, выполненный из алюминиевой фольги с анодированием. В данном случае покрытие выполняет исключительно декоративные функции и является рыхлым, то есть не обладает упругими свойствами. Состав покрытия - анодные оксидные пленки. Несмотря на то, что температура плавления таких пленок превышает 2000°С, такое покрытие не может оказывать влияния на механические свойства наполнителя в целом, потому что упругие свойства в таком наполнителе определяются упругими свойствами алюминиевого сплава, который уже при температурах порядка 0,3 Т от температуры плавления, как было сказано выше, не выполняет свои функции.
В описаниях изобретений по патентам US 6699563, US 5001017 МПК А62С 3/02, 19.03.1991 г.; US 5095597 МПК B21D 17.03.1992 г.; US 5097907 МПК А62С 2/00, 24.03.2992 г. и ряде других, также указано, что на основной металл могут наноситься покрытия. Например, металлическая фольга может быть покрыта щелочным бихроматом (порошкообразное вещество), в результате наполнитель действует как ингибитор коррозии, так как бихромат содействует удалению воды из топлива и контейнера. Однако, во-первых, бихроматы относятся к веществам 1-го класса опасности по воздействию на организм человека. Во-вторых, эти вещества не обладают упругими свойствами и, так же как и в случае патента US 3356256 не влияют на механические свойства наполнителя. Что касается покрытий, выполненных олеатами (соли олеиновой кислоты, порошкообразные вещества) или подобными соединениями, описанными в указанных патентах, то они действительно могут повышать возможности пожаротушения, так как олеат испускает плотный пар, покрывающий горящий материал и оказывающий помощь в тушении пламени, тем не менее, они также не обладают упругими свойствами и не влияют на механические свойства основного материала. Кроме того, применение покрытий олеатами может быть эффективно лишь при наличии большого количества наполнителя при сравнительно небольших очагах возгорания и не годится для применения в жидких топливах, как по причине невозможности выделить пар внутри жидкой фазы, так и по причине влияния на химические свойства жидкостей.
Наиболее близким аналогом настоящей полезной модели является наполнитель по патенту РФ на полезную модель №117141, МПК B65D 88/22, 20.06.2012.
пл
В этом патенте представлен наполнитель для емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки жидких и газообразных горючих веществ, включающий листы, полосы или ленты, выполненные из материала на основе алюминия методом прокатки и имеющие прорези, в котором согласно изобретению листы, полосы или ленты выполнены из материала, температура начала рекристаллизации которого составляет не менее половины температуры его плавления (0,5 Т). Указанный материал может содержать от двух до двухсот чередующихся слоев. Указанный многослойный материал может быть получен методом горячей прокатки, при этом смежные слои материала отличаются друг от друга составом легирующих компонентов, например дюраль и сплав, легированный марганцем, а толщина каждого слоя составляет не менее 45-50 нм и не более 50-100 мкм.
Описанный наполнитель сохраняет свои упругие свойства до температур порядка 350-400°С. Это обусловлено тем, что все слои такого материала выполнены на основе алюминия, как базового металла, то есть из одного и того же металла. Однако, как показывает практика, в случаях крупных пожаров, или пожаров, происходящих в специфических условиях, например, при сильном ветре и высоких объемных утечках из емкостей с газами или нефтепродуктами, а также при горении высококалорийных топлив, например, смеси керосина или водорода с кислородом, температура в незаполненных горючим материалом областях в емкости может значительно превышать 400-500°С. При этом температура наполнителя в областях емкости с паровоздушными или парокислородными (при утечках кислорода, используемого в качестве окислителя топлив) смесями, также может неконтролируемо повышаться, вызывая в металле наполнителя рекристаллизационные процессы, приводящие к его усадке, оплавлению и даже выгоранию. Защитные свойства наполнителя при этом теряются, что может привести к последующему взрыву. Важным также является сохранение упругих и теплопроводящих свойств наполнителя при возгорании емкости с горючим веществом в процессе движения, например, на транспортных средствах (судах, самолетах, автотранспорте, железнодорожном транспорте и т.д.), где на материал наполнителя дополнительно воздействует вибрации и гидроудары. Кроме того, учитывая, что теплоемкость алюминия растет почти в два раза с ростом температуры, вплоть до температуры его плавления, то становится ясно, что свойства алюминия по рассеиванию тепла, в целях защиты от взрыва, реализованные в предшествующих изобретениях, используются не более чем наполовину.
Технической задачей настоящей полезной модели является повышение надежности защиты от взрыва емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки жидких и газообразных взрывоопасных веществ, при пожарах с высокими температурами путем сохранения упругих и теплопроводящих свойств наполнителя до температур плавления алюминия.
Поставленная задача решается наполнителем для емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки жидких и газообразных горючих веществ, выполненным из листов, полос или лент с просечками, растянутых в виде сетки и содержащих, по меньшей мере, два слоя, один из которых выполнен из алюминиевого сплава, а второй слой согласно полезной модели выполнен из материала, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, по меньшей мере, в 1,5 раза.
Указанные листы, полосы или ленты могут содержать три слоя, причем внутренний слой может быть выполнен из алюминиевого сплава, а наружные слои - из материала, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, по меньшей мере, в 1,5 раза или наружные слои могут быть выполнены из алюминиевого сплава, а внутренний слой - из материала, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, по меньшей мере, в 1,5 раза.
В первом варианте толщина слоя, выполненного из алюминиевого сплава составляет 10-100 мкм, а толщина второго слоя составляет не менее 0,025 и не более 0,5 от толщины слоя, выполненного из алюминиевого сплава.
Во втором и третьем вариантах толщина слоя, выполненного из алюминиевого сплава, составляет 10-100 мкм, а толщина двух других слоев составляет не менее 0,025 и не более 0,5 от толщины слоя, выполненного из алюминиевого сплава.
пл
пл
Выполнение первого слоя листов, полос или лент (далее фольги) из алюминиевого сплава, а второго слоя из материала, имеющего температуру плавления, по меньшей мере, в 1,5 раза выше, чем температура плавления алюминиевого сплава, позволяет значительно повысить упругие свойства наполнителя в целом. Второй материал, как и первый (алюминиевый сплав) при отсутствии наклепа сохраняет свои упругие свойства до температур порядка 0,4 Т., своей температуры плавления. Если, например второй материал - это металл с температурой плавления в 1,5 раза выше температуры плавления алюминия, (не меньше 975°С), то его упругие свойства будут сохраняться до температур порядка 0,4 Т., что соответствует температурам начала его рекристаллизации. При этом высокая температуропроводность алюминиевого сплава обеспечивает высокие характеристики рассеивания тепловой энергии даже вплоть до температуры плавления алюминиевого сплава за счет более высоких механических свойств второго слоя. Поэтому даже при оплавлении или выгорании части алюминиевого сплава, второй слой сохранит упругие свойства, и вся фольга будет продолжать выполнять свои взрывозащитные функции.
пл
Второй материал может быть неметаллическим, например, твердым сплавом. В этом случае, его температура плавления превышает 2000°С, а упругие свойства сохраняются по крайней мере до температур 0,4-0,5 Т., что даже превышает температуру плавления алюминия.
Сущность полезной модели поясняется далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
Фиг.1 - емкость для транспортировки топлива, в которой размещен наполнитель, общий вид.
Фиг.2 - лист с продольными просечками, вид сверху.
Фиг.3 - лист, преобразованный в сетку путем поперечного растяжения, вид сверху.
Фиг.4 - двухслойный лист, разрез.
Фиг.5 - трехслойный лист, в котором внутренний слой выполнен из алюминиевого сплава, разрез.
Фиг.6 - трехслойный лист, в котором наружные слои выполнены из алюминиевого сплава, разрез.
Фиг.7 - пакет, образованный из листов растянутой сетки.
Фиг.8 - наполнитель, выполненный в виде рулона из растянутой сетки.
Фиг.9 - наполнитель, выполненный в виде шарообразного тела.
Наполнитель 1 размещен в емкости 2, предназначенной для хранения и транспортировки жидких или газообразных горючих веществ, например, сжиженного газа, бензина, авиационного топлива и т.д. Наполнитель 1 выполнен из листов, полос или лент (далее листов) 3 с просечками 4. Листы 3 после выполнения просечек 4 растянуты в сетку 5. Листы 3 могут содержать два или три слоя 6, 7. Слой 6 выполнен из алюминиевого сплава, например марки АМг (температура плавления 640°С), а слой (слои) 7 выполнен из материала, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, по меньшей мере, в 1,5 раза, например из хрома (температура плавления 1890°С).
Если листы выполнены трехслойными, то внутренним слоем может быть слой 6, а наружными слои 7 или внутренним является слой 7, а слои 6 являются наружными. Для защиты относительно небольших емкостей (объемом до единиц кубических метров), целесообразно применять наполнитель, выполненный из листов, в которых слой 7 является внутренним, поскольку нагрузки (гидроудары, вибрации и т.д.) на наполнитель в данном случае относительно невелики и не требуют его высокой жесткости. Для защиты емкостей объемом в десятки кубических метров и более, рекомендуется применять наполнитель, выполненный из листов, в которых слои 7 являются наружными, чтобы обеспечить более высокую жесткость наполнителя для противостояния более высоким нагрузкам.
Толщина слоя 6 составляет от 10 до 200 мкм и выбирается в зависимости от назначения емкости, в которой предполагается использовать наполнитель. Например, для использования наполнителя в наземных хранилищах, имеющих объем порядка десятков и тысяч кубических метров, толщина слоя алюминиевого сплава может достигать 150-200 мкм. Это необходимо для сохранения устойчивой формы геометрических тел наполнителя под весом самого наполнителя. В случаях применения наполнителя для топливных и иных транспортных баков, а также летательных аппаратов, где строго регламентирован вес аппарата, толщина алюминиевого слоя может быть 10-40 мкм.
Толщина слоя 7 составляет не менее 0,025 и не более 0,5 от толщины слоя, выполненного из алюминиевого сплава. Нижняя граница указанного диапазона толщин объясняется тем, что слой 7 должен иметь толщину, обеспечивающую упругие свойства наполнителя вплоть до высоких температур (ограничение снизу), а верхняя граница обусловлена вероятностью растрескивания слоя при упругих деформациях (если слой выполнен из твердого сплава) и ограничена более низкой теплопроводностью слоя 7, которая при больших толщинах может снизить общую теплопроводность наполнителя.
Слой (слои) 7 может быть выполнен в виде сетки, нанесенной на поверхность, листа, полосы или ленты из алюминиевого сплава, при этом сетка может быть выполнена как прямыми линиями, так и криволинейными. Наполнитель может быть сформирован в виде пакета 8, рулона 9 или шарообразных тел 10 из отдельных листов 3, все просечки 4 в которых растянуты в поперечном направлении или из пакета листов 3. Просечки 4 в листах 3 могут быть выполнены вдоль продольной оси листа или перпендикулярно к продольной оси. Просечки 4 могут быть выполнены от одного сплошного концевого участка листа 3 до второго сплошного концевого участка. Просечки 4 могут быть расположены рядами со сдвигом одного ряда относительно другого, перпендикулярно прорезям, на расстояние, как правило, 1…3 мм.
Наполнитель может быть изготовлен следующим способом. Методом прокатки получают листы 3 (фольгу) из алюминиевого сплава, например марки АМг (температура плавления 640°С, температура начала процесса рекристаллизации - примерно 190…240°С, в зависимости от степени наклепа) толщиной 60 мкм. Затем на листы 3 (слой 6), например, гальваническим методом или методом напыления наносят с двух сторон покрытие (слои 7) из металла с более высокой температурой плавления, например, хрома (температура плавления 1890°С, и температура начала процесса рекристаллизации - примерно 750°С) толщиной 0,3 от толщины листа из алюминиевого сплава (18 мкм). Наносимое покрытие (слой 7) может быть также выполнено из нержавеющей стали, нихрома и любых других металлов, а также твердых сплавов, имеющих высокую температуру плавления. Далее в листах 3 выполняют параллельные просечки 4 и растягивают их в сетку 5. Покрытие может наносится и после выполнения просечек и растяжения листов, то есть на готовую сетку. Затем из сетки 5 формируют объемные тела (пакеты 8, рулоны 9 или шарообразные тела 10). Наполнитель, выполненный в виде пакета 8 или рулона 9 более удобен для емкостей простой формы (типа параллелепипед, цилиндр), а наполнитель, выполненный в виде шарообразных тел 10 более удобен для емкостей сложной пространственной формы (типа автомобильного топливного бака).
Цилиндрическую емкость 2 с наполнителем 1, выполненным из листов 3, имеющих два слоя 6, 7 и сформованных в виде рулонов 9, заполнили на 25% бензином марки 92, воспламенили и нагревали до температуры 640°С. При нагреве емкость 2 подвергалась тряске. При нагреве слой 6 наполнителя, не погруженного в жидкость, начинал оплавляться, однако, усадки наполнителя в емкости или потери геометрической формы объемных рулонов наполнителя не происходило. Взрыва не происходило до полного выгорания горючего.
Наполнитель по патенту RU 117141, выполненный целиком из алюминиевого сплава, был испытан при тех же условиях. Деформация и усадка наполнителя начала происходить при более низких температурах (порядка 200°С), что привело к образованию полостей в емкости, не заполненных наполнителем. Наличие полостей создавало реальную угрозу взрыва, поэтому испытания были прекращены при температуре нагрева 240°С.
Из вышесказанного следует, что наполнитель, выполненный согласно настоящей полезной модели, позволяет при пожарах с высокими температурами надежно защитить от взрыва емкости с жидкими или газообразными взрывоопасными веществами.