ЛЕЙНЕР БАЛЛОНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE CYLINDER LINING TUBE

Настоящее изобретение относится к сосудам высокого давления, прочный корпус которых содержит помещенную внутри герметичную оболочку - лейнер.
Эти сосуды предназначены для хранения и транспортировки текучей среды (жидкости или газа), находящейся под давлением, и их силовой корпус изготовлен из композиционного материала с содержанием внутри герметичной оболочки - лейнера, которая в зависимости от вида и характера текучей среды, заполняющей сосуд, выполняется из алюминия, стали или термопласта.
Такие сосуды, как правило, подвержены многократным циклическим нагрузкам высокого давления. В баллонах подобного типа, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности, особое значение придается материалу герметизирующей оболочки - лейнера.
Известны примеры создания композитных баллонов давления с использованием термопластов в качестве основного материала лейнера (см., например, патенты GB 1023011 А, 16.03.66, F17C 1/16, EP 0300931 A1, F17C 1/16, WO 99/27293, WO 99/13263, US 4925044, RU 2150634).
Однако в этом случае задача обеспечения надежной герметизации баллона полностью не решается в силу того, что общим недостатком данных решений конструкции и известных ранее решений конструкций баллона является то, что используемые в качестве материала оболочки - лейнера термопласты имеет высокую вязкоупругую деформативность, низкие по сравнению с металлами коэффициенты газопроницаемости практически по всем техническим газам и при высоких давлениях обладают главными недостатками - потеря прочности при декомпрессии и трещинообразование при длительном нагружении.
Известны многочисленные примеры создания баллонов давления с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см., например, патенты: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567).
Однако данные конструкции не полностью обеспечивают решение главных задач в конструкции баллона: обеспечение надежности при большой цикличности нагружения его высоким давлением при минимально возможном весе и стоимости изготовления, соизмеримой или ниже, чем у цельнометаллических баллонов.
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см., например, патенты US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695, RU 2077682, RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB1161846, EP 0497687, US 5287988), реализация которых позволяет частично решить задачу обеспечения большей цикличности нагружения его высоким давлением при весе ниже, чем у цельнометаллических баллонов.
Ближайшими аналогами предлагаемого конструктивного решения исполнения металлокомпозитного баллона с тонкостенным лейнером являются решения по патентам RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, RU 2001115743, RU 2000131724, RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, EP 0497687.
В конструкцях по патентам RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602 лейнер выполнен из стали с толщиной стенок 0,5-0,9 мм, при этом он выполнен сварным и содержит среднюю цилиндрическую часть и две донные части, соединенные со средней посредством подкладных колец.
Практически аналогичные решения предлагаются в заявках и патентах WO 2005220268, WO 2005075880, US 3446385, WO 2005106894.
В конструкции баллона по заявке RU 2001115743 для металлопластикового баллона высокого давления, содержащего композитную оболочку и тонкостенный металлический лейнер, поставленная задача решается тем, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2%) и деформации упругости металла (0,2%) вес конструкции и ее стоимость имеют очень высокие значения, что делает баллон данной конструкции практически не конкурентоспособным с металлическими аналогами.
Практически аналогичное решение предлагается по заявке RU 2000131724.
В конструкцях баллонов по заявкам и патенту RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, EP 0497687 предлагается использование металлического лейнера, выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер. Кроме того, лейнер может быть снабжен дополнительными кольцами и кольцевыми ребрами жесткости, установленными в кольцевых гофрах с наружной стороны и возможностью перемещения их по кольцу.
К отмеченным решениям следует отнести и решение по патенту RU 93049863, где предлагается использовать металлический сварной лейнер, причем в зонах сварного шва в нем выполнена полость, открытая со стороны силовой оболочки и заполненная эластичным материалом без зазоров между эластичным материалом, лейнером и внешней силовой оболочкой.
Общим недостатком отмеченных решений является, то что набор продольных и кольцевых гофр поднимает общую изгибную жесткость лейнера, но не обеспечивает выполнения условий совместности деформаций в материале лейнера и материале композитной оболочки. В кольцевых гофрах возникают пластические деформации при кольцевом растяжении, а в осевых при осевом растяжении лейнера в процессе нагружения баллона внутренним давлением. Введение различных упругих прослоек и дополнительных жестких колец в полости гофр практически не приводит к решению поставленной задачи создания высокоэффективного баллона давления.
В решениях по патентам US 6145692, WO 02/30613 и US 6547092 предлагается использовать тонкостенный металлический лейнер с одним набором гофр продольных или кольцевых, а укладку армирующих волокон в композитной оболочке производить таким способом, чтобы деформации композитной оболочки соответствовали деформациям металлического лейнера. Причем в гофры лейнера также заполняются упругим материалом, а сам лейнер отделен от композитной оболочки прослойкой, выполненной также из упругого материала.
Недостатками решений по данным аналогам является то, что при действии высоких давлений, происходит деформация композитной оболочки в заданном направлении, сжатие и перераспределение материала упругой прослойки и материала находящегося в гофрах. В силу того, что гофрированная поверхность лейнера не является изометричной цилиндрической поверхности композитной оболочки или поверхности концентричной ей, гофры тонкостенного лейнера деформируются произвольно и в них возникают пластические деформации, которые при многократном циклическом нагружении приводят к разрушению лейнера.
Ближайшими прототипами предлагаемого решения являются решения по заявкам и патентам WO 2005096712, WO 2004096459, US 2005006393, US 2003111473, US 5287988, US 5292027, US 5535912.
Наличие металлического лейнера в конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, т.е. выбора оптимального соотношения толщины стенки лейнера и толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днищ лейнера.
В приведенных патентах частично решаются две первые задачи, т.е. рассматриваются только решения, связанные с выбором конструкции срединной части лейнера, и, практически, нигде не указываются решения по выполнению донных частей и соединения выходного штуцера, что является общим недостатком отмеченных патентов.
Задача изобретения заключается в том, чтобы создать такую конструкцию лейнера баллона, которая бы обеспечивала высокоэффективную работоспособность на любой уровень циклического нагружения высоким давлением при минимальном весе и стоимости ее изготовления.
Поставленная задача решена и технический результат достигнут за счет того, что внутренний герметизирующий тонкостенный лейнер из нержавеющей Ti-содержащей стали для баллона высокого давления содержит цилиндрическую обечайку и приваренные к ней цельноформованные профильные днища, по крайней мере, в одном из которых выполнено проходное отверстие и в нем размещен полюсный металлический штуцер, приваренный к днищу по периметру отверстия, при этом новым является то, что днища имеют форму части сжатого эллипсоида вращения, у которого часть длинны малой оси составляет 0,32-0,4 радиуса цилиндрической части обечайки, и содержат, до зоны сварного соединения, цилиндрические участки длиной 0,15-0,2 диаметра цилиндрической части обечайки, плавно сопряженные с частью сжатого эллипсоида вращения, а литая зона сварного шва в месте сварки на цилиндрической обечайке имеет ширину, превышающую 2-4 толщин стенок свариваемых частей, и выполнена в инертной среде с сохранением содержания Cr, Ni, Ti в пределах 92-99% по отношению к составу материала вне свариваемой зоны, причем полюсный металлический штуцер выполнен с внутренней профильной полостью со стороны днища с образованием бандажирующего пояса кольцевого сварного шва по периметру проходного отверстия, толщина стенки которого в зоне сварного шва равна толщине материала днища, а его максимальный диаметр равен диаметру проходного отверстия плюс 8-10 толщин материала привариваемой оболочки.
Изобретение поясняется далее подробно описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи, где:
- на фиг.1 показан общий вид лейнера сосуда высокого давления;
- на фиг.2 показан общий вид конструкции узла соединения штуцера;
- на фиг.3 показан общий вид возможных форм профиля днища лейнера;
- на фиг.4 показан вид возможных форм концентрации напряжений в зоне соединения днища и обечайки лейнера;
- на фиг.5 показаны картины изменения напряжений в зоне соединения днища и штуцера лейнера.
Как показано на фиг.1, лейнер сосуда высокого давления содержит цилиндрическую обечайку 1, приваренные к ней днища 2 и штуцер 3, также приваренный к одному из днищ 2.
Ввиду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление среды, при выборе формы профиля днища 2 следует потребовать равнонапряженности как для материала лейнера, так и композита. Такое условие эквивалентно выполнению требования постоянства деформаций элементов конструкции баллона, т.е.
m
α
β
ν
ε=ε=ε=ε,
m
где ε - деформация металла лейнера;
α
ε - меридиональная деформация днища;
β
ε - тангенциальная деформация днища;
ν
ε - деформация вдоль армирующих волокон композита.
В частном случае исполнения конструкции баллона с тонким металлическим лейнером и укладкой армирующих нитей композита по геодезическим траекториям, форма профиля днища для него может быть определена из решения дифференциального уравнения следующего вида
,
получаемого при рассмотрении геометрических, статических и физических условий поведения конструкции комбинированной металлокомпозитной оболочки.
Здесь приняты следующие обозначения:
r, y - текущие координаты профиля, определяющего форму оболочки
y′, y" - первый и второй дифференциал (производная) координаты y
R - радиус цилиндрической части оболочки (максимальный радиус)
0
r - радиус полюсного отверстия в композитной оболочке
- параметр, учитывающий отношение прочностных характеристик используемого металла и материала армирующих волокон.
m
Где: σ - предел текучести используемого материала лейнера
m
δ - толщина используемого материала лейнера
ν
σ - предел прочности используемого композита
R
δ - толщина используемого композиционного материала на цилиндре.
Решение приведенного уравнения позволяет определить требуемую форму профиля днища лейнера с учетом используемого материала лейнера и материала композита. Типичные формы профилей днищ, получаемые при решении данного уравнения, приведены на фиг.3. Анализ полученных форм профилей тонкостенных лейнеров показывает, что для широкого класса используемых материалов лейнера и композита глубина профиля составляет 0.32-0.4 радиуса цилиндрической части.
Как правило, при изготовлении лейнера используется конструкция постоянной толщины и имеются локальные изменения кривизны различных участков. В таком лейнере при его деформировании наблюдаются локальные зоны концентрации напряжений. Типичные картины проявления зон концентрации напряжений для широкого класса используемых толщин стенки лейнера представлены на фиг.3. Анализ приведенных на фиг.4 диаграмм показывает, что затухание концентрации напряжений происходит на длине в интервале 0.15-0.2 диаметра цилиндрической части. В силу отмеченного и того, что днища лейнера привариваются к цилиндрической части, целесообразно зоны сварных швов определить вне зон проявления концентрации напряжений, то есть на длине, превышающей 0.15-0.2 диаметра цилиндрической части, от точки соприкосновения профиля днища и образующей цилиндра.
m
Сущность работы лейнера в таком исполнении заключается в следующем: при возникновении давления в полости лейнера баллона обечайка лейнера 1 равномерно деформируется только за счет мембранных деформаций растяжения и в предельном состоянии достигает деформаций текучести σодновременно по всей ее поверхности. В силу выбранной формы днища 2 также деформируются равномерно по всей поверхности и одновременно с обечайкой 1 достигают текучести. При этом в зонах сварных швов не возникает никаких концентраций напряжений, приводящих к их разрушению. Таким образом, лейнер является равнонапряженной конструкцией. Это позволяет значительно снизить его вес и стоимость его изготовления.
Как уже отмечалось, днища лейнера 2 имеют полюсные отверстия для размещения в них штуцера 3. В силу того, что штуцер 3 и днище 2 имеют различные жесткости, при их деформировании в зоне соединения возникает локальная концентрация напряжений, приводящая к преждевременному разрушению материала днища 2. Анализ зависимостей концентрации напряжений показывает, что при соблюдении условия равной толщины материала свариваемых элементов по диаметру проходного отверстия и ширины привариваемого пояса в штуцере, составляющего 8-10 толщин материала днища 2, практически полностью исключается локализация концентрации напряжений в материале днища 2. Таким образом, создавая в штуцере внутреннюю профильную полость со стороны днища с образованием бандажирующего пояса кольцевого сварного шва по периметру проходного отверстия, толщина стенки которого в зоне сварного шва равна толщине материала днища 2, а его максимальный диаметр равен диаметру проходного отверстия плюс 8-10 толщин материала привариваемой оболочки, также обеспечивают практически полностью равнонапряженную конструкцию лейнера.
Как правило, при сварке в результате нагревания в околошовной зоне изменяются структура и свойства материла. На фиг.5 приведена схема характерных участков металла в зоне свариваемых частей. В прилегающей непосредственно к шву зоне 4 образуется крупнозернистая видманшеттовая структура, участок 5 соответствует полной рекристаллизации металла и отличается дисперсной структурой. Зоны 6-7 последовательно характеризуются ослаблением температурного фактора и структурных превращений при сварке.
Наличие неоднородности свойств материала в сварном соединении приводит к появлению остаточных растягивающих напряжений. Несмотря на структурную неоднородность металла околошовной зоны, считается, что ее механические свойства в сравнении с основным материалом улучшаются, что в определенной мере позволяет снижать вероятное снижение выносливости соединения, обусловленное остаточными растягивающими напряжениями и концентрацией напряжений.
Используя технологический прием образования сжимающих напряжений, можно снизить вероятное снижение выносливости соединения. Опытным путем установлено, что для соединения тонкостенных пластин ширина литой зоны должна превышать 3-4 толщины свариваемых пластин. В этом случае, в зоне сварного соединения значительно расширяются участки 4 и 5, что приводит к снижению концентрация остаточных напряжений в данных зонах и соединении в целом. Таким образом, выполняя соединение днищ 2 лейнера с обечайкой 1 с образованием литой зоны сварного соединения составляющей более 3-4 толщин соединяемых частей, обеспечивается практически полностью однородная структура оболочки лейнера.
Функционирование баллона высокого давления заключается в наполнении его текучей средой (жидкостью или газом) до требуемого уровня давления, хранении, транспортировании, опорожнении, последующем новом наполнении, расходовании текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократным циклическим нагружением. Работа устройства по изобретению была приведена при описании вариантов выполнения его конструкции и не требует в данном случае дальнейшего специального пояснения.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать сосуды высокого давления из разных материалов с использованием тонкостенной металлической внутренней оболочки - лейнера.
Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным лейнером для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность.
Изобретение не ограничивается вышеописанными формами выполнения, которые даны только для иллюстрации изобретения, и может иметь изменения в рамках формулы изобретения.