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 топлива.
Из предшествующего уровня техники известен наполнитель для контейнера, предотвращающий взрыв и состоящий из фрагментов просеченной и растянутой фольги, свернутой в различные объемные геометрические тела, такие как рулоны и шары (GB 2028129 А, А62С 3/12, 05.03.1980).
Так же известен наполнитель, сформированный из фрагментов сетки, изготовленной из алюминия или алюминиевого сплава (ЕР 0256239 A1, 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, H05F 3/00, 30.12.1988).
2
Также из уровня техники известен наполнитель для взрывоопасного резервуара, состоящий из объемных тел, при этом удельная поверхность наполнителя составляет величину от 0,01 до 40 м (RU 31569 U1, B65D 90/22, 20.08.2003).
пл
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) 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.
Кроме того, из уровня техники известна система для резервуара в виде матрицы, связывающей залитую в резервуар жидкость, предотвращая ее выливание, а также возможность возгорания или взрыва (RU 2125959 С1, B65D 88/12, 02.10.1999). Это изобретение решает задачу предотвращения разлива агрессивных жидкостей при аварийных повреждениях емкостей, но не решает задачу предотвращения взрыва. Адсорбирующая жидкость матрица выполняется из полимерного материала (типа губка), который не способен отводить тепло и препятствовать, таким образом возникновению опасных перегретых зон в жидкости. В результате возникновения таких зон опасность взрыва сохраняется.
Наиболее близким аналогом полезной модели является наполнитель, описанный в патенте США (US 2008/0305299 A1 11.12.2008), который изготовлен из структурированного специальной перфорацией и растянутого листа (полосы или ленты) металлической фольги, в том числе из алюминиевых сплавов. Как и в предшествующих изобретениях, для изготовления указанного наполнителя применяется листовой материал, пластически деформированный в холодном состоянии, то есть в состоянии наклепа, с тем, чтобы за счет упругой отдачи обеспечить плотное прилегание наполнителя к внутренним стенкам емкости, после ее заполнения. При этом декларируется, что наполнитель обладает сопротивлением к сжатию (усадкой) на величину не более 10% начального объема. Это утверждение может быть верно только при нормальной температуре окружающей среды и нормальной температуре наполнителя, без подвергания емкости с наполнителем тряске, вибрациям и тому подобным циклическим воздействиям.
пл
Однако, как, показывает практика, добиться декларируемых авторами патента показателей усадки наполнителя не удается. Во-первых, при загрузке наполнителя в емкость никогда не удается добиться идеальной плотности, поэтому образуются полости свободные от наполнителя. Кроме того, при транспортировке емкости от вибраций или от циклических гидравлических нагрузок при разгонах и торможениях происходит усадка наполнителя за счет более плотной упаковки (аналогично тому, как хаотично засыпанные в емкость геометрические тела (любой формы), после тряски более плотно прилегают друг к другу или как песок уплотняется после полива водой) и полости увеличиваются. А так же под действием указанных циклических нагрузок происходит обламывание частей наклепанного материала наполнителя, что также приводит к его усадке. Во-вторых, материал, полученный холодной прокаткой, подвержен усадке, вызываемой эффектом ползучести при внешних воздействиях, таких как различного рода излучения, в том числе тепловое, поэтому усадка наполнителя может происходить уже при начале горения емкости с горючей жидкостью за счет повышения внешней температуры. В-третьих, известно, чем больше степень деформации металла (наклеп), тем легче и при более низких температурах протекает процесс рекристаллизации (Шмит-Томас К.Г. Металловедение для машиностроения. Справочник, М., Металлургия, 1995 и Лахтин Ю.М. Основы металловедения. М., Металлургия, 1988). Для пластически деформированных и наклепанных металлов температура начала рекристаллизационных процессов не превышает 0,3 температуры плавления (0,3 Т). Температура плавления алюминиевых сплавов лежит в пределах примерно 570…660°С, соответственно температура рекристаллизации составляет порядка 170…200°С. С началом процесса рекристаллизации резко снижаются упругие характеристики и предел текучести металла, облегчая процесс его пластического деформирования (А.П.Смирягин и др. Промышленные цветные металлы и сплавы. Справочник., М., Металлургия, 1974), что приводит к увеличению усадки наполнителя. В соответствии с вышесказанным, температура около 200°С является пограничной для алюминиевых сплавов, свыше которой процессы рекристаллизации в металле резко ускоряются. В результате вышеописанных процессов и усадки в емкости с горючим веществом появляются не заполненные наполнителем полости, размер которых может составлять более 10% от объема емкости, что при возгораниях или других инцидентах приводит к развитию сценария B.L.E.V.E., детонации и взрыву.
Технический результат, получаемый в результате реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении взрывобезопасности емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки жидких и газообразных горючих веществ.
пл
Достижение указанного технического результата обеспечивает 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 выполнен многослойным и может содержать от двух до 200 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.
Слои материала могут отличаться друг от друга значением сопротивления деформации при температуре прокатки на 5%-70%.
Наполнитель может быть выполнен в виде рулона, образованного из отдельных листов или полос, все прорези в которых растянуты в поперечном направлении и являются замкнутыми, то есть не имеют свободных концов.
Наполнитель может быть выполнен в виде шарообразных тел, образованных из отдельных полос или лент, все прорези в которых являются замкнутыми.
Прорези могут быть выполнены вдоль продольной оси листа, полосы или отрезка ленты от одного сплошного концевого участка листа, полосы или отрезка ленты до второго сплошного концевого участка, при этом все прорези являются замкнутыми.
Прорези могут быть расположены рядами со сдвигом одного ряда относительно другого, перпендикулярно прорезям, на расстояние, как минимум 1 мм.
пл
Выполнение наполнителя из указанного материала позволяет получить наполнитель, обладающий высокими упругими характеристиками и сохраняющий эти характеристики до температур порядка 70% от Т, что для алюминиевых сплавов составляет примерно 400-460°С.
пл
При возгорании горючей жидкости в защищаемой емкости, температура после смешивания продуктов горения с воздухом, находящимся при температуре 100°С составляют примерно 490°С (Методика и программа для расчета температуры горения природного газа, Крушневич С.П., Экотехнологии и ресурсосбережение, №4, 2010)., температура горючей жидкости при этом находится вблизи температур кипения. Температура кипения, например, бензина, 20-200°С, температура кипения метана - 161,5°С, этана -88°С, бутана 0,5°С, пентана 36,1°C. Однако, для газов, находящихся под давлением эта температура будет равна температуре окружающей среды (-50…+50°С). Легкие нефти кипят при 50-100°С, тяжелые - при температуре более 100°С. Температура наполнителя, таким образом, даже в условиях неполного заполнения емкости горючей жидкостью, будет находиться в пределах между температурой кипения (или температурой среды) и температурой продуктов горения. Таким образом, при сдвинутом температурном режиме начала рекристаллизации материала наполнителя до температур порядка 0,5…0,7 Т, усадки наполнителя происходить не будет, все полости емкости останутся заполненными, что обеспечит надежную защиту емкости от взрыва и соответственно повысит ее взрывобезопасность.
Кроме того, наполнитель выполнен в виде рулонов или шарообразных тел, образованных из отдельных листов, полос или лент (далее - листов), все прорези в которых являются замкнутыми, то есть для получения объемных тел листы не выкраивают из большего листа материала с прорезями (в этом случае образуются консольные концы), поэтому на краях растянутого листа отсутствуют консольные концы, которые могли бы обламываться при циклических нагрузках. Поскольку материал наполнителя (фольгу) получают методом горячей прокатки, отсутствие в нем наклепа также будет гарантировать от обламывания концов наполнителя и наличия его обломков в топливе.
При сегодняшнем уровне развития техники, оптимальная толщина материала (фольги) может быть рекомендована в пределах от 10 до 90 мкм. Естественно, чем тоньше фольга, тем меньше вес наполнителя из нее при одинаковой площади поверхности, однако, фольга толщиной менее 10 мкм может, не успевая отводить тепло, за счет местного перегрева сгорать или терять свои упругие свойства, а фольга толщиной более 90 мкм значительно повышает вес наполнителя и снижает полезный объем защищаемой емкости.
Сущность полезной модели поясняется далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
Фиг.1 - поперечный срез материала наполнителя, на котором показана его структура.
Фиг.2 - наполнитель в виде листа с прорезями, расположенными рядами
Фиг.3 - наполнитель по фиг.1, прорези растянуты в поперечном направлении.
Фиг.4 - наполнитель с продольными прорезями, проходящими от одного сплошного концевого участка до другого сплошного концевого участка.
Фиг.5 - наполнитель, выполненный в виде рулона.
Фиг.6 - наполнитель, выполненный в виде шаров.
Фиг. - 7 - наполнитель по фиг.4, принявший произвольную форму.
Фиг.8 - емкость, заполненная наполнителем в виде шаров.
Наполнитель включает листы 1 (полосы или отрезки ленты), выполненные из материала на основе алюминия методом горячей прокатки и имеющие прорези 2. Листы 1 выполнены из алюминиевого многослойного материала, температура начала рекристаллизации которого составляет не менее половины температуры его плавления. Структура материала показана на фиг.1. Слои 3 материала отличаются друг от друга составом легирующих компонентов, а толщина каждого слоя составляет не менее 45-50 нм и не более 50-100 мкм. Материал может содержать от 2 до 200 слоев, при этом количество слоев 3 определяется общей толщиной листа наполнителя, чем выше толщина, тем больше слоев. Например, для емкостей относительно малого объема (порядка до 200 л), может применяться более тонкий лист с минимальным количеством слоев, а для емкостей в десятки, сотни кубометров и выше - более толстый лист, с большим количеством слоев. В качестве указанного материала может быть использован материал по патенту RU 2380234, МПК В23В 15/00, 27.01.2010. Наполнитель может быть сформован из листов в виде рулона 4 (фиг.5) или в виде шарообразных тел 5 (фиг.6), прорези 2 в которых растянуты в поперечном направлении и являются замкнутыми. Прорези 2 расположены рядами со сдвигом одного ряда относительно другого, перпендикулярно прорезям, на расстояние, как минимум 1 мм (фиг.2).
Прорези 6 (фиг.4) могут быть выполнены вдоль продольной оси листа 1 от одного сплошного концевого участка 7 листа его до второго сплошного концевого участка 8, при этом все прорези 6 являются замкнутыми. В этом случае при помещении наполнителя в виде листа в емкость он принимает произвольную форму, показанную на фиг.7.
Наполнитель используют следующим образом.
Наполнитель в виде рулона 4 помещают в емкость цилиндрической формы, так, чтобы он полностью заполнял внутреннее пространство емкости. Для емкостей сложной пространственной формы, например, канистр или бензобаков 9 (рис.8) автомобилей, применяются наполнители в виде шаров 5 или листа с прорезями, принимающего произвольную форму и добавляемого в емкость до полного заполнения внутреннего пространства емкости, как показано на фиг.7. Емкость после заполнения наполнителем может подвергаться вибрационному уплотнению для более плотного и равномерного распределения наполнителя во внутреннем ее пространстве. В случае необходимости, то есть первичной усадки, наполнитель добавляют в емкость, после чего она полностью взрывобезопасна и готова к эксплуатации.
Например, в стандартный газовый баллон емкостью 25 литров, засыпался шарообразный наполнитель, далее производилась виброобработка баллона с наполнителем, усадки наполнителя не отмечено. Баллон заправлялся пропаном и в течение одного месяца находился в кузове автомобиля, где подвергался тряске, вибрациям и ударам. По истечении месяца, на полигоне, этот баллон помещался в открытую емкость с бензином, который поджигался. Спустя 10-20 минут горения, баллон терял герметичность, выходящий из баллона газ воспламенялся и полностью выгорал без взрыва. Тот же эксперимент с баллоном без наполнителя или с наполнителем из наклепанного листа, после аналогичных перевозок, приводил к неизбежному взрыву.
Из вышесказанного следует, что наполнитель, выполненный согласно настоящей полезной модели, обеспечивает взрывобезопасность емкостей с горючими веществами.