БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PRESSURE VESSEL (VERSIONS) AND METHOD OF ITS MANUFACTURING (VERSIONS)

3
Изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть использовано в газовой, авиационной, судостроительной, автомобильной и смежных с ними отраслях промышленности, где применяются композитные и металлические баллоны высокого давления (ВД), наполненные сжатым или сжиженным газом. Преимущественно предлагаемое изобретение может быть использовано для композитных и металлических баллонов больших размеров (от 0,3 м и более).
Известные металлические баллоны ВД содержат герметичную оболочку, которой является сам металлический баллон, состоящий из цилиндрической части и двух куполообразных днищ с горловинами (или одной горловиной) (патент RU №2292251, 2296643).
Известны, широко используемые в настоящее время, баллоны ВД, содержащие внутреннюю металлическую герметичную оболочку (лейнер), состоящую из цилиндрической части и двух куполообразных днищ с горловинами (или одной горловиной), и внешнюю силовую пластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим. Для обозначения баллонов высокого давления с внешней силовой пластиковой оболочкой в настоящее время широко используются также термины: композитные баллоны ВД или металлопластиковые баллоны ВД.
Среди требований, предъявляемых к баллонам ВД, приоритетными являются: минимизация удельной материалоемкости (d) баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, при обеспечении высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации композитного баллона.
В наибольшей степени указанным условиям отвечают композитные баллоны ВД с цельными, бесшовными металлическими лейнерами, которые обеспечивают значительно более высокий ресурс по числу циклов нагружения (более 50 000), чем сварные или штампованно-сварные металлические лейнеры.
Известны конструкции металлических баллонов ВД и композитных баллонов ВД и способы их изготовления, в которых металлическая оболочка (металлический баллон ВД и лейнер в композитном баллоне ВД) выполнена цельной из трубной заготовки методом закатки.
Общепринятыми материалами для изготовления металлических баллонов ВД и лейнеров композитных баллонов ВД являются сталь и алюминий, а именно термически упрочняемые сплавы алюминия АД 31 (западный аналог - 6061) и АД 33 (западный аналог - 6066) (Материалы "Прибрежной Технологической Конференции", 1997, Хьюстон, Техас, 5-8 мая 1997, статья "Разработка и аттестация улучшенных композитов для морских применений", стандарты HSE-AL-FW2 (Великобритания) и NGV 2 - 1998 (США). Кроме того, в соответствии с международными стандартами, регламентирующими конструктивное исполнение металлических и композитных металлопластиковых баллонов ВД, алюминиевые баллоны ВД и алюминиевые лейнеры композитных баллонов ВД должны изготавливаться из термически упрочняемых сплавов 6061 и 6066 (аналоги АД 31 и АД 33 (например, стандарт ИСО 11119-3).
Известны металлические и композитные баллоны ВД, содержащие стальные оболочки, и способы их изготовления методом закатки трубной заготовки по патентам RU №№2292251, 2296643, 1712029.
Баллоны со стальным оболочками характеризуются невысокой стоимостью производства, однако вследствие повышенного веса стали стальные баллоны ВД и композитные баллоны со стальными лейнерами не в полной мере отвечают условию минимизации удельной материалоемкости (d) баллона.
Сравнительно низкую удельную материалоемкость (d) баллона ВД позволяют обеспечить металлические оболочки (металлические баллоны и лейнеры композитных баллонов ВД) из алюминиевых сплавов, благодаря такому их качеству, как относительно малая плотность при высокой прочности.
Известны композитные баллоны ВД с алюминиевыми лейнерами и способы их изготовления по патентам №№2136425, 2263001, №2175088.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является известный композитный баллон ВД и способ его изготовления по патенту №2175088.
Известный композитный баллон ВД имеет сферическую или цилиндрическую форму со сферическими днищами и состоит из внутренней металлической герметичной оболочки (лейнера) цилиндрической формы с двумя днищами с горловинами или сферической формы с горловинами и внешней силовой оболочки из композиционного материала. Внутренняя герметичная оболочка (лейнер) выполнена цельнометаллической из алюминиевого сплава без использования сварных или иных соединений ее частей с образованием двух толстостенных горловин с внутренней резьбой в районе полюсных отверстий, в одной из которых расположен стальной штуцер для размещения расходно-заправочной арматуры, а другая горловина герметично заглушена стальной пробкой. Внешняя силовая оболочка выполнена из стеклопластика на основе эпоксидного связующего.
Изготовление шарового/цилиндрического композитного баллона производят последовательно с изготовления внутренней герметичной тонкостенной оболочки (лейнера) с последующей намоткой на нее силовой оболочки из композиционного материала.
Для изготовления внутренней герметичной оболочки (лейнера) используют заготовку в виде толстостенной трубы из алюминиевого сплава определенной марки с расчетными геометрическими размерами (длина, толщина, диаметр).
Формирование днищ лейнера с горловинами (внутренней герметичной алюминиевой оболочки) производят на специальном обкатном станке с программным управлением. Трубную заготовку закрепляют в зажимах станка, а выступающую часть прогревают до необходимой температуры и поддерживают ее во все время обкатки с точностью ±2°С. Заготовку приводят во вращение и обкатным роликом с заданным усилием N производят программированное деформирование материала трубы по заданному контуру с формированием днища с горловиной заданной конфигурации. Постепенный многопроходной процесс закатки завершается приданием заготовке необходимой конфигурации. По завершении операции формирования одного днища трубную заготовку переустанавливают для формирования второго днища. Полученную заготовку лейнера закрепляют на токарном станке, где производят подрезку торцов горловин и нарезку в них внутренней резьбы для последующей установки штуцеров.
После этих операций производят термообработку лейнера с целью снятия внутренних напряжений и наклепа, которые возникают при проведении предыдущих операций.
Далее, для придания заданной формы лейнеру (шаровой или цилиндрической) осуществляют операцию раздувки лейнера до шаровой или цилиндрической формы и заданных размеров. С этой целью заготовку лейнера заполняют инертным наполнителем (например, сухим песком), заглушают одну из горловин пробкой и устанавливают в приспособлении. Через штуцер в другую горловину лейнера подают внутреннее воздушное давление и одновременно нагружают его осевым усилием сжатия. За одно такое нагружение раздувка производится на 20-25 мм по диаметру.
После раздутия лейнер термообрабатывают. При повторении этих двух операций необходимое число раз получают лейнер сферической или цилиндрической формы с заданными параметрами в соответствии с конструкторской документацией.
После проверки лейнера на отсутствие дефектов он поступает на гальванический участок, где на все его поверхности наносят антикоррозионное покрытие.
Далее в горловины днищ устанавливают стальные штуцеры или заглушки, и лейнер поступает на участок намотки. Перед намоткой силовой оболочки внутреннюю полость лейнера заполняют парафином, устанавливают и закрепляют его на намоточном станке (например, СНП-2), устанавливают намоточно-полимеризационную оснастку для поддержания постоянного внутреннего давления при намотке композиционного материала. Намотку силовой оболочки производят "мокрым" способом жгутом Армос, пропитанным эпоксидным связующим, которое содержит 5-18% полиуретанового пластификатора. При этом контролируют укладку заданного расчетного количества слоев по геодезическим линиям с заданным углом наклона жгута Армос в каждой зоне намотки (3-5 зон).
По окончании намотки силовой оболочки сферический баллон помещают в нагревательную печь, где по известному режиму проводят процесс ее полимеризации.
Известный композитный баллон ВД и способ его изготовления позволяют получить тонкостенные цельные алюминиевые лейнеры и, соответственно, минимизировать удельную материалоемкость (d) баллона.
При этом описанные устройство и способ изготовления алюминиевой оболочки (лейнера) в композитном баллоне ВД практически полностью может быть использованы для изготовления алюминиевого баллона ВД.
Однако производство описанных металлических оболочек (лейнеров) композитных баллонов ВД, как и других известных алюминиевых лейнеров или металлических баллонов ВД из термически упрочняемых сплавов АД 31 и АД 33 (западные аналоги 6061 и 6066), связано со значительными трудовыми и материальными затратами на термическую обработку металлических оболочек (баллонов или лейнеров). Это объясняется свойствами алюминиевых сплавов АД 31 и АД 33, которые относятся к термически упрочняемым сплавам и используются в металлических баллонах и лейнерах в термообработанном состоянии.
Алюминиевые баллоны ВД и алюминиевые лейнеры композитных баллонов ВД из термически упрочняемых алюминиевых сплавов после изготовления (закатки) подвергают термической обработке (закалка и искусственное старение) с целью обеспечения требуемого уровня прочности. Особые трудности возникают при термообработке крупногабаритных оболочек при изготовлении металлических или композитных баллонов больших размеров с диаметрами более 350 миллиметров и длиной более 4-5 метров.
При термической обработке крупногабаритное изделие изменяет свои геометрические размеры и форму (коробится, прогибается на подставках в печи, становится некруглым и т.п.). Кроме того, затруднено поддержание требуемой равномерной температуры по всему пространству печи и оболочки, что делает процедуру термообработки очень дорогой.
В основу настоящего изобретения положена задача создать баллон ВД с алюминиевой оболочкой (алюминиевый баллон или композитный баллон с алюминиевым лейнером) и способ его изготовления, которые позволили бы исключить при изготовлении баллона ВД термическую обработку алюминиевой оболочки, чтобы упростить и удешевить технологию изготовления баллонов ВД, имеющих низкую удельную материалоемкость, при сохранении требуемого уровня прочности.
Поставленная задача решается тем, что в баллоне высокого давления, содержащем металлическую оболочку из алюминиевого сплава, согласно предлагаемому изобретению металлическая оболочка выполнена из термически не упрочняемого алюминиево-магниевого сплава.
Поставленная задача решается также тем, что в баллоне высокого давления, содержащем внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и металлическую внутреннюю оболочку (лейнер) из алюминиевого сплава, согласно предлагаемому изобретению металлическая внутренняя оболочка (лейнер) выполнена из термически не упрочняемого алюминиево-магниевого сплава.
Здесь и далее по тексту термин «металлическая оболочка» используется для обозначения как непосредственно металлического баллона в металлическом баллоне ВД, так и металлической внутренней оболочки (которая также по тексту обозначается как «лейнер») композитного баллона ВД.
Использование термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава (магналий) для производства металлических оболочек баллонов ВД, а именно металлических баллонов или металлических внутренних оболочек (лейнеров) композитных баллонов ВД, позволяет исключить операцию термического упрочнения материала оболочки (закалка и искусственное старение) и тем самым упростить и удешевить технологию изготовления баллонов ВД (металлических или композитных), особенно баллонов, имеющих большие габариты, и, соответственно, упростить и удешевить технологию изготовления баллонов ВД.
Возможность использования алюминиево-магниевых сплавов для изготовления оболочек баллонов ВД, а именно металлических баллонов и лейнеров вместо термически упрочняемых сплавов АД 31 и АД 33, выявлена авторами на основе анализа свойств этих сплавов интенсивно упрочняться при небольшой пластической деформации и процессами, возникающими в металлических оболочках баллонов ВД при их изготовления и эксплуатации. Для термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий) характерна повышенная пластичность, сравнительно низкая (или средняя) прочность, высокая коррозионная стойкость и хорошая свариваемость. По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Благодаря такому свойству, использование алюминиево-магниевых сплавов (магналий) оказывает положительное воздействие на коррозионную стойкость баллонов ВД.
Возможно использование разных марок термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий), например АМг2, АМг2,5, АМг3, АМг3,5, АМг4, АМг4,5, АМг5, АМг6 и пр. Между собой эти сплавы отличаются механическими свойствами.
Термически неупрочняемые алюминиево-магниевые сплавы (магналии) - сплавы А1 (основа) с Mg (0,5-6,8%) и др. элементами. Прочность этих сплавов возрастает с увеличением количества магния в сплаве: например, сплав АМг6 (аналога нет) содержит 5,8-6,8% магния и его предел текучести в горячепрессованном состоянии 170…190 МПа, сплав АМг4,5 (обозначение по ИСО - 5083) содержит 4,0-4,9% магния и предел текучести сплава в горячепрессованном состоянии 140…160 МПа. Самая высокая прочность - у АМг6 (западных аналогов нет).
Выбор марки термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий) зависит в том числе от характеристик сплава, конструкции баллона ВД и его эксплуатационных характеристик.
В частности, выбор марки термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий) зависит от уровня напряжений, которые возникают в резьбе горловины оболочки и в месте перехода днища оболочки в горловину. В композитных баллонах ВД в этом месте заканчивается силовая оболочка и внутреннее давление в баллоне создает напряжения в материале лейнера (выдавливает горловину).
Величина напряжений зависит от конструктивного исполнения горловины оболочки (диаметр резьбы горловины, тип резьбы, толщина оболочки в месте перехода днища в горловину и др.) и величины давления в баллоне. Соответственно, чем больше величина напряжений, тем выше требования к прочности материала оболочки.
С другой стороны, чем более прочный сплав, тем сложнее обработка днищ с горловинами: требуются большие усилия при закатке.
Целесообразно, чтобы в качестве термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава преимущественно использовать алюминиево-магниевый сплав АМг6 (западных аналогов нет), содержащий 5,8-6,8% магния, или АМг4,5 (аналог - 5083), содержащий 4,0-4,9%.
Прочностные характеристики сплавов должны обеспечивать прочность горловины оболочки и резьбы на горловине. Сплав АМг6, характеризующийся самой высокой прочностью, является преимущественным для выполнения баллонов с большим уровнем эксплуатационных нагрузок (напряжения в горловине и в резьбе горловины).
В частности, сплав АМг6 (западных аналогов нет) является преимущественным для металлических баллонов ВД и композитных баллонов ВД с силовыми лейнерами, воспринимающим значительную часть нагрузки.
Для баллонов с меньшим уровнем эксплуатационных нагрузок на горловину и резьбу горловины следует изготавливать оболочки из менее прочных сплавов АМг4, АМг4,5, АМг5, которые легче обрабатывать.
В соответствии с международными стандартами, регламентирующими конструктивное исполнение композитных металлопластиковых баллонов ВД, например стандарт ИСО 11119-3, баллоны ВД могут выполняться с лейнером, который воспринимает не более 10% нагрузки, либо практически не воспринимает нагрузку (менее 5%). Лейнеры для таких баллонов ВД следует изготавливать из менее прочных сплавов, например АМг3,5, АМг4, АМг4,5.
Прочностные характеристики сплавов должны в этом случае обеспечивать прочность резьбы на горловине баллона.
Преимущественным является использование сплава АМг4,5, обладающего оптимальными характеристиками для лейнеров, который практически не воспринимает нагрузки или воспринимает незначительные нагрузки.
Известные и широко применяемые технологии изготовления баллонов ВД (металлических баллонов ВД и композитных баллонов с металлическими лейнерами) включают в себя два этапа: первый этап - непосредственное изготовление баллона ВД и второй этап - испытание готового баллона ВД перед началом эксплуатации в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением ПБ 03-576-03 (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 11.06.03 №91, зарегистрированным Министерством юстиции РФ 19.06.03, регистрационный №4776. Правила изданы: СПб., издательство ДЕАН, 2004. - 208 с.), которое включает нагружение баллона ВД пробным давлением, величина которого составляет 1,5 величины рабочего давления.
В частности, первый этап для композитных баллонов ВД включает изготовление металлической внутренней герметичной оболочки (лейнера) из алюминиевого сплава и внешней силовой оболочки из композиционного материала, а для металлического баллона ВД - изготовление самого металлического баллона.
Авторами выявлено, что на первом этапе, при изготовлении баллонов ВД одинаковых размеров, в частности композитных баллонов ВД с металлическими лейнерами из АД33 и из алюминиево-магниевых сплавов АМг4, АМг4,5, АМг5 и АМг6, прочностные свойства лейнера из алюминиево-магниевых сплавов уступают свойствам термообработанного сплава АД 33.
Однако при нагружении композитного баллона ВД пробным давлением напряжения в лейнере из алюминиево-магниевых сплавов превышают предел текучести материала сплавов, что приводит к пластической деформации и упрочнению сплава металлической оболочки (лейнера). Кроме того, в процессе эксплуатации композитного баллона ВД, при рабочем давлении, в лейнере также возникают напряжения, превышающие предел текучести алюминиево-магниевых сплавов. В результате, в процессе эксплуатации композитного баллона ВД, происходят пластическая деформация и дополнительное упрочнение алюминиево-магниевых сплавов.
Обычно, при пробном давлении, пластическая деформация лейнера составляет около 1% и при дальнейших нагружениях рабочим давлением суммарная деформация лейнера достигает 4%. А при уровне суммарной пластической деформации около 4%, как известно, прочностные свойства сплавов АМг5 и АМг6 сравняются с прочностными свойствами термообработанного сплава АД 33, а прочностные свойства сплавов АМг4 и АМг4,5 будут отличаться от свойств термообработанного сплава АД 33 не более чем на 10% (Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1974, 432 с.2; Промышленные алюминиевые сплавы: Справочное руководство / Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др., М.: Металлургия, 1984, 538 с.).
Аналогичные процессы происходят в металлических баллонах ВД из алюминиево-магниевых сплавов.
При этом пластичность термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий) остается на достаточно высоком уровне, что гарантирует их работоспособность в композитном баллоне ВД.
Сопоставление прочностных характеристик сплавов АД 33 и АМг 6 при температурах 20°С и 100°С приведено в таблице (Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1974, 432, с.2; Промышленные алюминиевые сплавы: Справочное руководство / Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др., М.: Металлургия, 1984, 538 с.).
Характеристикой прочности материала является условный предел текучести σ 0.2. Приведенные в таблице данные показывают, что использование сплава АМг6 в горячедеформированном или отожженном состоянии возможно при тех же условиях эксплуатации (уровень рабочих напряжений), что и сплава АД 33 после закалки и старения.
Исключение операции термической обработки (закалки и старения) металлической оболочки баллона ВД существенно упрощает и удешевляет процесс изготовления баллонов ВД, особенно крупногабаритных баллонов ВД.
Кроме того, благодаря высокой коррозионной стойкости алюминиево-магниевых сплавов обеспечивается достаточно высокая коррозионная стойкость баллонов ВД с оболочками из этих сплавов.
Целесообразно металлическую оболочку баллона ВД выполнять цельной из трубной заготовки.
Баллоны ВД с цельными оболочками (металлические баллоны или лейнеры композитных баллонов ВД) имеют более высокий ресурс по числу циклов нагружения рабочим давлением, чем баллоны ВД со сварными и штампованно-сварными металлическими оболочками. При этом достаточно высокая пластичность алюминиево-магниевых сплавов позволяет изготавливать оболочки с тонкими стенками и тем самым обеспечить достаточно низкую удельную материалоемкость баллона ВД, что особенно важно при изготовлении лейнеров композитных баллонов ВД.
Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления баллона высокого давления, включающем изготовление металлической оболочки из алюминиевого сплава, согласно предлагаемому техническому решению алюминиевую оболочку изготавливают из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава.
Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления баллона высокого давления, включающем изготовление металлической внутренней оболочки из алюминиевого сплава (лейнера) и внешней силовой оболочки из композиционного материала, согласно предлагаемому техническому решению металлическую внутреннюю оболочку изготавливают из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава.
Как указывалось выше, использование в производстве металлических баллонов ВД и внутренних оболочек (лейнеров) композитных баллонов ВД термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий) позволяет исключить операцию термического упрочнения материала оболочки и тем самым упростить и удешевить технологию изготовления баллона ВД, особенно баллонов, имеющих большие габариты.
Целесообразно при изготовлении баллона высокого давления, содержащего металлическую оболочку из алюминиевого сплава, включающую куполообразные днища, по крайней мере, одно из которых с горловиной, указанную металлическую оболочку изготавливать цельной из трубной заготовки, при этом формование днища с горловиной осуществлять методом горячей деформации закаткой концевого участка трубной заготовки.
Указанная технология позволяет создать цельную конструкцию металлической оболочки без швов, что обеспечивает высокий ресурс по числу циклов нагружения рабочим давлением.
Целесообразно в процессе закатки концевого участка трубной заготовки инструментом в области контакта трубной заготовки с инструментом (в очаге деформации) поддерживать температуру сплава в диапазоне 350-400°С.
3
2
Указанный диапазон температур обусловлен требованием получения равномерной структуры алюминиево-магниевого сплава, которая обеспечивается термомеханическим режимом деформации. Равномерная структура сплава формируется при температуре деформирования 320-430°С. При деформировании сплава в этом диапазоне температур деформация имеет преимущественно внутризеренный характер. При температуре деформации выше 450°С преобладает межзеренный механизм деформации, что приводит к выделению по границам зерен крупных коагулянтов интерметаллидной β фазы AlMg. В результате снижается прочность сплава и возрастает склонность к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии. Деформирование при температуре ниже 300°С (и особенно ниже 200°С) также приводит к выпадению β фазы по границам зерен и, соответственно, к резкому снижению сопротивления коррозии.
Быстрый и неравномерный нагрев сплава, как это известно специалистам, может приводить к оплавлению эвтектики и ее выделению, что приводит к снижению прочности и пластичности (явление пережога) сплава.
Целесообразно, после изготовления баллона ВД, до испытания баллона ВД, произвести многократное повторение цикла, включающего нагружение баллона ВД внутренним давлением, преимущественно равным 1.5 рабочего давления (пробное давление), снятие нагрузки и определение изменения вместимости композитного баллона до нагружения и после снятия нагрузки, при этом цикл повторяют до тех пор, пока величина изменения вместимости баллона ВД не будет менее 5% от ее величины при нагружении в первом цикле.
При каждом цикле (нагружение пробным внутренним давлением и разгрузка) происходит пластическая деформация металла оболочки и его соответствующее упрочнение. При первом цикле деформация металла оболочки максимальная (до 1.5%). С каждым циклом величина пластической деформации уменьшается за счет увеличения прочности металла (наклеп). Величину пластической деформации характеризует остаточное изменение вместимости баллона ВД. Если остаточное изменение близко к нулю, это значит, что металлическая оболочка испытывает только упругие деформации и металл оболочки упрочнился до нужной величины.
Как указывалось ранее, упрочнение материала оболочки из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава до заданной величины может быть достигнуто в процессе испытаний баллона ВД, при котором баллон однократно нагружают пробным давлением (1,5 рабочего давления), и его последующей эксплуатации. Однако при этом, в начальный период эксплуатации, будет наблюдаться небольшое изменение вместимости баллона ВД, вызванное пластической деформацией металлической оболочки.
Как было описано выше, в зависимости от конструкции и эксплуатационных характеристик баллона ВД, целесообразно, в качестве термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава для металлической оболочки использовать алюминиево-магниевый сплав АМг6 или АМг4,5 (5083).
В дальнейшем предполагаемое изобретение будет более подробно раскрыто на конкретном примере его выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображены:
Фиг.1 - металлический баллон высокого давления, продольный разрез;
Фиг.2 - композитный баллон высокого давления, продольный разрез.
На Фиг.1 показан металлический баллон высокого давления (ВД), содержащий металлическую герметичную оболочку - непосредственно металлический баллон 1. Металлический баллон 1 содержит цилиндрическую часть 2 и два куполообразных днища 3 с горловинами 4. Возможно выполнение металлического баллона 1 с одной горловиной - на одном днище. Металлический баллон 1 выполнен из термически неупрочняемого алюминиево-магниевый сплава (магналия). Преимущественным для изготовления металлического баллона 1 является наиболее прочный алюминиево-магниевый сплав АМг6 (западных аналогов нет), содержащий 5,8-6,8% магния. Возможно использование и другого алюминиево-магниевого сплава, например сплава АМг5.
Металлический баллон 1 из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава, в частности сплава АМг6, выполнен цельным из трубной заготовки методом горячей деформации концевого участка трубной заготовки, например закаткой. Закаткой формируют днища 3 баллона 1 и горловины 4.
Далее, предпочтительное осуществление изобретения будет преимущественно показано на примере композитного баллона ВД и способа его изготовления. Конструкция и технология изготовления металлических оболочек металлических баллонов ВД отличаются от конструкции и технологии изготовления металлических оболочек (лейнеров) композитных баллонов ВД, в основном, толщиной стенок и, соответственно, числом проходов при закатке днищ с горловинами, т.к. для металлических баллонов применяются трубы с большей толщиной стенки.
На Фиг.2 показан композитный баллон высокого давления (ВД), содержащий внешнюю силовую оболочку 5 из композиционного материала и герметичную металлическую внутреннюю оболочку - лейнер 6. Внешняя силовая оболочка 5 образована намоткой на поверхность лейнера 6 прочного полимерного волокна, пропитанного смолой. Внешняя силовая пластиковая оболочка 5 может быть выполнена из любого известного полимерного материала, применяемого с этой целью, например из жгута Армос.
Лейнер 6 содержит цилиндрическую часть 7 и два куполообразных днища 8 с горловинами 9. Возможно выполнение лейнера с одной горловиной - на одном днище. Для минимизации удельной материалоемкости толщина стенки лейнера 6 в средней, цилиндрической части 7 и в днищах 8 предпочтительно определяется из условия, при котором отношение толщины стенки лейнера к его диаметру находится в диапазоне 0.02-0.08.
Лейнер 6 выполнен из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава (магналия).
Термически неупрочняемые алюминиево-магниевые сплавы (магналии) - сплавы Аl (основа) с Mg (0,5-6.8%) и др. элементами - обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью, высокой пластичностью. При этом данные сплавы имеют невысокую прочность в горячедеформированном или отожженном состоянии.
Возможно использование разных марок указанных сплавов, например АМг2, АМг3, АМг4, АМг4,5, АМг5, АМг6 и пр. Между собой эти сплавы отличаются по механическим свойствам.
Выбор конкретной марки термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава (магналии) зависит как от свойств сплава, так и от конструкции и назначения баллона ВД.
В частности, наиболее прочный сплав АМг6, содержащий 5,8-6,8% магния (западных аналогов нет), является преимущественным для металлических баллонов ВД и композитных баллонов ВД с силовыми лейнерами 6, воспринимающим значительную часть нагрузки.
Для баллонов с меньшим уровнем эксплуатационных нагрузок на горловину и резьбу горловины следует изготавливать оболочки из менее прочных сплавов АМг4, АМг4,5, АМг5, которые легче обрабатывать. Прочностные характеристики сплавов должны в этом случае обеспечивать прочность резьбы на горловине баллона.
Например, для композитных баллонов ВД, в которых лейнер 6 практически не воспринимает нагрузки или воспринимают незначительные нагрузки, преимущественным является сплав АМг4,5 (западный аналог - 5083), содержащий 5,8-6,8% магния.
Авторами установлено, что пластическая деформация, возникающая в металлической оболочке (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава при нагружении баллона ВД пробным давлением (1.5 рабочего давления), которое осуществляют при испытаниях готовых баллонов ВД, и, далее, в процессе эксплуатации, при рабочем давлении, достаточна для упрочнения алюминиево-магниевого сплава (например, АМг6) металлической оболочки (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) до величины, сопоставимой с прочностными характеристиками баллонов ВД из алюминиевого сплава АД 33 после закалки и искусственного старения.
При этом пластичность сплава остается на достаточно высоком уровне, что гарантирует его работоспособность в баллоне ВД. Использование в производстве металлических оболочек (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) баллонов ВД термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов (магналий) позволяет исключить операцию термического упрочнения (закалка и искусственное старение) оболочки (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) и тем самым упростить и удешевить технологический процесс изготовления как металлических, так и композитных баллонов ВД, особенно крупногабаритных баллонов ВД. При этом сохраняются высокие прочностные характеристики металлической оболочки (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) и обеспечивается высокая ее коррозионная стойкость.
Лейнер 6 из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава выполнен цельным из трубной заготовки методом горячей деформации концевого участка трубной заготовки, например закаткой. Закаткой формируют днища 8 лейнера 6 и горловины 9.
Возможно использование сварной и/или штампованно-сварной технологии изготовления оболочек балллонов ВД из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава. Однако сварные и штампованно-сварные оболочки имеют невысокий ресурс по числу циклов нагружения рабочим давлением, который не превышает несколько десятков сотен. Кроме того, использование сварки существенно повышает стоимость технологии.
Возможно также изготовление цельных оболочек (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) баллонов ВД из трубной заготовки из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава обжимом концов трубной заготовки в специально профилированной матрице для формования днищ и горловины лейнера.
Недостаток способа горячего обжима заключается в сложности обработки тонкостенной трубной заготовки большого диаметра (с отношением толщины стенки к радиусу заготовки меньше 7%), вследствие возможной потери устойчивости такой заготовки в зоне передачи усилия - на входе в матрицу, разогретую до температуры наибольшей податливости материала заготовки.
Метод закатки концов трубной заготовки для формирования куполообразных днищ и днищ с горловиной является наиболее технологичным, особенно для термически неупрочняемых алюминиево-магниевого сплавов, которые обладают сравнительно высокими прочностными свойствами.
Изготовление металлической оболочки из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава закаткой осуществляют известным способом на известном оборудовании (не показано), например, как описано в патентах №№2292251, 2296643, 1712029, 2175088.
Для изготовления металлической оболочки (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) используют трубную заготовку (не показана) из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава, например сплава АМг6 или АМг4.5 с заданными геометрическими размерами (длина, толщина, диаметр).
Конец трубной заготовки любым известным способом с помощью любого известного нагревательного устройства (горелки, индуктора, печи) нагревают, вращая заготовку, до температуры 380-400°С.
Длина нагреваемого концевого участка (зона нагрева) - примерно равна наружному радиусу трубы.
К нагретому до заданной температуры концу заготовки, зажатой в приспособлении, обеспечивающем ее вращение, подводят инструмент (валок), которым с заданным усилием производят деформирование материала трубы по заданному контуру с формированием днища и горловины заданной конфигурации.
Процесс закатки конца трубной заготовки до достижения заданной формы осуществляется многократным оборотом инструмента (валка) вокруг трубной заготовки.
Деформирование стенки трубной заготовки происходит на участке контакта стенки с инструментом - валком (очаг деформации - не показан), длина которого, как правило, не более 25° окружности трубы в угловом измерении. Остальная часть окружности находится в свободном состоянии и подогревается горелками.
При этом за один оборот трубной заготовки величину обжатия предпочтительно поддерживать в пределах 10-30%.
Под величиной обжатия за один оборот заготовки в данном случае подразумевается отношение величины, на которую уменьшился диаметр заготовки за один оборот, к величине диаметра заготовки перед началом оборота. Уменьшение обжатия приводит к увеличению времени закатки и, соответственно, к увеличению трудоемкости и энергетических затрат на поддержание необходимой температуры трубной заготовки. Увеличение обжатия повышает температуру заготовки вследствие более интенсивного деформационного разогрева (повышение температуры металла за счет выделения тепла внутри металла при его деформировании).
В области контакта трубной заготовки с инструментом (очаге деформации) поддерживают температуру сплава в диапазоне 350-400°С.
Заданную температуру поддерживают известными методами, а именно температурой предварительного нагрева, величиной обжатия заготовки и пр.
Указанный предел температур определен авторами экспериментально и обосновывается следующим факторами. Известно, что коррозионная стойкость сплава определяется его структурой, которая обеспечивается термомеханическим режимом деформации.
Известно, что равномерная структура алюминиево-магниевого сплава АМг формируется при температуре деформирования 320-430°С. В процессе закатки происходит подъем температуры заготовки за счет деформационного разогрева, поэтому для исключения выхода за ее пределы температуры, при которых обеспечивается равномерная структура сплава, в очаге деформации поддерживают указанный предел температур 350-400°С.
3
2
При деформировании сплава в этом диапазоне температур деформация имеет преимущественно внутризеренный характер. При температуре деформирования выше 430°С преобладает межзеренный механизм деформации, что приводит к выделению по границам зерен крупных коагулянтов интерметаллидной β фазы AlMg. В результате снижается прочность сплава и возрастает склонность к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии. Деформирование при температуре ниже 320°С (и особенно ниже 200°С) также приводит к выпадению β фазы по границам зерен и, соответственно, к резкому снижению сопротивления коррозии. Быстрый и неравномерный нагрев сплава может приводить к оплавлению эвтектики и ее выделению, что приводит к снижению прочности и пластичности (явление пережога), и завершается приданием заготовке необходимой конфигурации.
В частности, для изготовления лейнера 6 закаткой днищ 8 с горловинами 9 из трубы диаметром 490 мм с толщиной стенки 10 мм из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава, например сплава АМГ 6, предлагается следующий температурный режим закатки:
- температура предварительного нагрева заготовки 380-400°С;
- температура, поддерживаемая при закатке 350-400°С.
Предлагаемый режим получен авторами опытным путем из условия обеспечения равномерной структуры сплава, обеспечивающей его высокую коррозионная стойкость.
По завершении операции формирования одного днища заготовку переустанавливают для формирования второго днища и его горловины (если она есть).
Следующей операцией изготовления композитного баллона ВД является выполнение внешней силовой оболочки 5 вокруг лейнера 6, которое осуществляют известным образом, например, как описано в патенте №2175088.
Далее может быть проведен заключительный этап технологического процесса изготовления композитного баллона ВД - гидравлические испытания баллона пробным давлением (1.5 рабочего давления), которые осуществляются известным образом в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением ПБ 03-576-03. При этом, как было показано выше, при гидравлическом нагружении композитного баллона ВД пробным давлением, напряжения в лейнере 6 из термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава превышают предел текучести материала сплава, что приводит к пластической деформации и упрочнению алюминиево-магниевого сплава лейнера 6. Далее, в процессе эксплуатации композитного баллона ВД, при нагружении композитного баллона ВД рабочим давлением, в лейнере 6 также возникают напряжения, превышающие предел текучести неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава. В результате, в процессе эксплуатации композитного баллона ВД, происходит пластическая деформация и дополнительное упрочнение алюминиево-магниевого сплава до необходимых параметров.
Аналогично осуществляется упрочнение термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава металлического баллона 1 (Фиг.1) металлического баллона ВД.
Однако авторами обнаружено, что, до испытаний баллона ВД, целесообразно осуществить многократное повторение цикла, включающего нагружение композитного баллона внутренним давлением цикла, снятие нагрузки и определение изменение вместимости баллона ВД до нагружения и после снятия нагрузки, при этом циклы повторяют до тех пор, пока величина изменения вместимости баллона ВД не будет менее 5% от ее величины при нагружении в первом цикле. В этом случае необходимое упрочнение термически неупрочняемого алюминиево-магниевого сплава будет достигнуто до передачи баллона ВД в эксплуатацию. При этом давление, которым нагружают баллон ВД в циклах, преимущественно равно 1.5. рабочего давления (пробное давление).
Измерение вместимости баллона ВД до нагружения и после снятия нагрузки осуществляется известным образом. Разность этих величин (остаточное изменение вместимости) характеризует величину пластической деформации металлической оболочки. Нагружение баллона ВД давлением цикла повторяют многократно, каждый раз измеряя остаточное изменение вместимости баллона ВД за цикл: разность между вместимостью баллона ВД до нагружения давлением цикла и после снятия нагрузки. Когда величина остаточной вместимости окажется близкой к нулевому значению (менее 5% от ее величины при первом нагружении), циклы по нагружению баллона ВД прекращают. Отсутствие изменения остаточной вместимости баллона ВД - это показатель того, что металлическая оболочка оболочки (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) испытывают только упругие деформации и металл-оболочка оболочки (металлический баллон 1 (Фиг.1) или лейнер 6 (Фиг.2)) упрочнились до нужной величины.
Приведенные выше примеры предпочтительного осуществления изобретения, содержащие указания на отдельные варианты выполнения, не исчерпывают возможных изменений и дополнений, очевидных специалисту в данной области техники, которые не затрагивают существа технического решения, охарактеризованного формулой изобретения.
Таблица
сплав
температура
σ<sub>0.2</sub>
σ<sub>в</sub>
δ
°С
МПа
МПа
%
АД 33, закалка и искусственное старение
20
270-290
320-340
12-14
100
240-260
280-300
13-15
АМг6, горячепрессованное состояние и (или) отжиг
20
170-190
350-370
20-25
100
165-185
330-370
30-34
АМг6, упрочнение пластической деформацией 4%
20
270-290
380-390
16-18
100
265-285
370-380