Баллон для хранения газов и газовых смесей под давлением

p
<
Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно к сосудам для хранения чистых газов и газовых смесей  в сжатом состоянии, и может быть реализована в нефтегазовой, авиационной, судостроительной, автомобильной, металлургической, энергетической, химической и смежных с ними отраслях промышленности, где применяются стальные баллоны малого и среднего объёмов на давление P19,6 МПа.
Известны стальные баллоны высокого давления, изготавливаемые без применения сварки, имеющие цилиндрический корпус равной толщины, сопрягаемый с днищами сферической или эллиптической формы (ГОСТ 949-73, ГОСТ 12247-80), изготавливаемые из  заготовок из горячекатаной трубы с закатанными «на горячее» и загерметизированными днищем с одной стороны и днищем с горловиной с другой стороны.
Известны также металлические баллоны высокого давления, которые содержат герметичную оболочку, которой является сам металлический баллон, состоящий из цилиндрической части и двух куполообразных днищ с горловинами (или одной горловиной) (патенты RU №№ 2292251, 2296643).
2
3
x
2
Недостатки стальных баллонов широко известны - недостаточные сроки эксплуатации баллонов из-за процесса коррозии углеродистых и  легированных высокопрочных сталей в условиях высокого давления.  Прежде всего, это относится к агрессивным газам, которые вызывают  ускоренную коррозию: моноокись углерода (СО), сероводород (HS), аммиак (NH), окислы азота (NO), двуокись серы (SO), меркаптаны.
Наиболее остро эта проблема стоит при хранении поверочных газовых смесей (ПГС), содержащих агрессивные компоненты. К указанным ПГС  предъявляются требования стабильности состава в течение всего срока эксплуатации баллона, поэтому взаимодействие компонентов смеси со стенкой баллона должно быть исключено.
Известен металлопластиковый баллон высокого давления (патент RU №2310120, 2007), который содержит металлический лейнер, имеющий цилиндрическую часть и днища. Цилиндрическая часть в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения.  Цилиндрическая поверхность лейнера снабжена антикоррозионным покрытием  и упрочняющей армирующей оболочкой из композиционного материала, выполненной из ленты, пропитанной связующим и намотанной с натяжением и перекрытием каждого витка ленты.
2
Известен баллон, который  содержит цилиндрическую обечайку, сферические донья и горловину, при этом внутренняя поверхность баллона снабжена защитным покрытием толщиной не менее 10 мкм и пористостью не более 10 микропор на 1 смразмером не более 0,2 мм каждая, причем покрытие выполнено из биологически инертных полимерных материалов, например фторопласта (патент RU 2175738, 2001).
К недостаткам можно отнести сложную технологию изготовления. Кроме того, использование в качестве антикоррозионного покрытия полимерной пленки на полиуретановой или эпоксидной основе или фторопласта может приводить к взаимодействию агрессивных компонентов  при хранении поверочных газовых смесей под давлением.
Наиболее близким является баллон с защитным покрытием, который содержит цилиндрическую обечайку, сферические донья и горловину, при этом стенки баллона выполнены двухслойными: наружный слой - из высокопрочной стали, на внутреннюю поверхность которого нанесён методом плакирования слой вязкой коррозионно-стойкой стали с содержанием хрома не менее 11% и толщиной от 4 до 25% толщины цилиндрической обечайки (патент RU 2230977, 2004).
Известная конструкция баллона в условиях повышенного давления также не обеспечивает количественного сохранения состава поверочной газовой смеси, содержащей агрессивные компоненты, например СО.  Кроме того, поверхность покрытия внутренней части стенок баллона имеет пористую структуру, которая способствует адсорбции хранящихся в баллоне компонентов сжатого газа, что также влияет на стабильность состава газовых смесей.
Техническая проблема - снабжение внутренней поверхности стальных баллонов, работающих под давлением, инертным покрытием, которое не вступает в химическую реакцию с хранящимся в нем сжатым газом и не адсорбирует его на своей поверхности.
Технический результат – снабжение внутренней поверхности баллона, работающего под давлением, инертным покрытием, которое обеспечивает стабильность состава поверочных газов и газовых смесей в процессе их хранения и транспортировки в сжатом состоянии.
Поставленная задача решается тем, что заявляется баллон для хранения газов и газовых смесей под давлением, изготовленный  из  трубной заготовки и представляющий собой цилиндрическую обечайку, сопрягаемую с днищем с одной стороны и с горловиной с другой стороны  с образованием корпуса, при этом стенки трубной заготовки выполнены двухслойными, где наружный слой выполнен из стали, а внутренний слой представлен  силикатно-эмалевым покрытием, корпус выполнен бесшовным.
о
Заявляемый баллон предназначен для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов при температуре от -50 до 60С, т.к. поверхность силикатно-эмалевого покрытия не является пористой, т.е. исключаются процессы адсорбции хранящихся газов, а также указанное покрытие является химически стойким по отношению к большинству газов, за исключением фторсодержащих газов и газовых смесей.
Силикатно-эмалевое покрытие представляет собой легкоплавкое стекло, полученное путем сплавления сырьевых материалов, содержащих оксиды кремния, бора, натрия, калия, алюминия и др. Для эмалирования заявляемых баллонов используют силикатные эмали (фритты) в соответствии с ГОСТ Р 52569 и другой нормативно-технической документацией.
Нанесение внутреннего слоя на внутреннюю поверхность трубной заготовки осуществляют шликерным (мокрым) способом. Эмалевый шликер представляет собой суспензию, дисперсной фазой которой являются частицы эмалевой фритты, песка, глины и других добавок, а дисперсионной средой – вода с растворенными в ней электролитами. Измельчение и смешивание компонентов эмалевого шликера осуществляют, например, в шаровых мельницах периодического действия.
Для формирования силикатно-эмалевого покрытия трубные заготовки с эмалевым  шликером, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндрической обечайки, подвергают сушке с принудительной циркуляцией воздуха и выдержке в печи при заданной температуре.
Силикатно-эмалевое покрытие может состоять из одного или нескольких слоев в зависимости от назначения и условий эксплуатации эмалированных баллонов. Для получения внутреннего покрытия трубной заготовки для изготовления корпуса баллона могут использоваться один или несколько слоев безгрунтового силикатно-эмалевого покрытия, наносимого непосредственно на подготовленную поверхность металлоизделий, а также комбинация силикатно-эмалевых покрытий грунт-покров, т.е. грунтовое покрытие наносят на подготовленную поверхность трубной заготовки, а один или несколько слоев покровного силикатно-эмалевого покрытия наносят поверх грунтового. Грунтовое силикатно-эмалевое покрытие предназначено для создания прочного соединения между металлической поверхностью внутренней части трубной заготовки и покровом. Покровное силикатно-эмалевое покрытие предназначено для защиты металла от коррозии и придания поверхности изделия необходимых эксплуатационных свойств.
Металлические трубные заготовки для изготовления заявляемых баллонов предпочтительно изготавливают из сталей марок 20, 30, 45, 30ХМА и др. марок по соответствующим ГОСТам.
Сравнение предлагаемого баллона для хранения газов и газовых смесей под давлением позволяет сделать вывод о том, что оно является новым, т.к. новым для баллонов указанного назначения является наличие внутреннего слоя, представляющего собой силикатно-эмалевое покрытие внутренней поверхности баллона, которое нанесено на внутреннюю поверхность трубной заготовки.
3
3
3
2
2
В науке и технике известны эмалированные сосуды и аппараты стальные по ОСТ 26.260.01-2001 со стеклоэмалевым или стеклокристаллическим покрытием, которые  предназначены для хранения и(или) переработки органических и неорганических кислот, растворов их солей, щелочей и нейтральных продуктов (за исключением плавиковой, кремнефтористо-водородной кислот и продуктов, содержащих ионы фтора), пищевых продуктов, а также вин, коньяков и других продуктов виноделия в химической, пищевой и других отраслях промышленности.  Известные эмалированные сосуды и аппараты представляют собой сборники стальные номинальным объемом от 0,010 до 50 м; резервуары стальные номинальным объемом от 6,3 до 50 м; аппараты с механическими перемешивающими устройствами стальные номинальным объемом от 0,010 до 50 м; фильтры емкостные стальные с поверхностью фильтрования от 0,2 до 2,0 м; аппараты теплообменные стальные с поверхностью теплообмена от 0,25 до 40 м; аппараты колонные стальные; аппараты выпарные; аппараты сушильные стальные и прочие аналогичные  аппараты.  Известные сосуды и аппараты имеют разъёмные соединения (крышки, фланцы) и не применяются  для хранения поверочных газов и газовых смесей в сжатом состоянии под давлением.
Также известно нанесение стеклоэмали  на отдельные участки стальных трубных заготовок в процессе формования баллонов для  хранения газов (SU № 1750797,1992) с последующим удалением силикатного покрытия, что позволяет получить металлическую поверхность корпуса улучшенного качества. Известные баллоны после их закатки не имеют силикатно-эмалевого покрытия на внутренней поверхности корпуса, т.е. имеют вышеописанные недостатки.
Заявляемый баллон для хранения газов и газовых смесей под давлением  может быть изготовлен по известной технологии с использованием известных материалов, т.е. соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый баллон для хранения газов и газовых смесей под давлением иллюстрируется рисунком, где изображены корпус баллона, имеющий цилиндрическую обечайку 1, сопрягаемую с днищем 2 с одной стороны и с горловиной 3 с другой стороны. Стенки выполнены двухслойными.  Наружный слой 4 стенок корпуса выполнен из стали, а внутренний слой представляет собой  силикатно-эмалевое покрытие 5, корпус выполнен бесшовным.
Заявляемый баллон для хранения газов и газовых смесей под давлением получают следующим образом.
Трубную заготовку, выполненную из стали, подвергают предварительной обработке путем термического обезжиривания для удаления масел, смазок и обезуглероживания поверхности с последующей абразивной очисткой путем дробеструйной или пескоструйной обработки. Готовят суспензию силикатно-эмалевого шликера, подбирая требуемый состав  из фритты по ГОСТ Р 52569-2006 и другой нормативно–технической документации, из песка кварцевого, глины, электролитов (растворов буры, соды, поташа, поваренной соли, хлористого аммония, молибденовокислого аммония, алюмината натрия, нитрита натрия, натриевой селитры и иных известных ингредиентов) и измельчая компоненты в шаровых мельницах в присутствии воды. Состав эмали и рецептуру эмалевого шликера  подбирают таким образом, чтобы температура обжига силикатно-эмалевого покрытия соответствовала температуре нагрева трубной заготовки при формировании днища и горловины баллона.  Полученную суспензию наносят на внутреннюю поверхность стальной трубной заготовки. Трубную заготовку с нанесенным эмалевым шликером подвергают сушке с принудительной циркуляцией воздуха, нагреву и выдержке в печи при заданной температуре. Температурные и временные параметры сушки и обжига нанесенного эмалевого шликера определяются составом и назначением силикатно-эмалевого покрытия.
Затем осуществляют формование корпуса 1 из трубной заготовки путем закатки днища 2 и горловины 3. Закатку осуществляют по стандартной технологии, при которой производится локальный нагрев трубной заготовки и силикатно-эмалевое покрытие переводится в размягченное состояние. В результате силикатно-эмалевое покрытие сохраняет свою сплошность в процессе формования корпуса.
2
о
о
Заявляемые баллона прошли эксплуатационные испытания. Пять баллонов заполняли поверочной газовой смесью CO-N  с концентрацией CO 30 ppm и исследовали на достижение заявленного технического результата по сравнению с двумя баллонами из углеродистой стали без силикатно-эмалевого покрытия, заполненными такой же поверочной газовой смесью. Все баллоны подвергнуты термообработке при температуре 80-85С в течение 15 ч с последующим количественным анализом газовой смеси. Через 2 недели баллоны повторно подвергались термообработке при температуре 80-85С в течение 15 ч с последующим анализом газовой смеси.
2
-1
-1
-1
-1
Анализ газовой смеси CO-Nпроведен на рабочем эталоне 1-го разряда РЭ 154-1-23 в режиме компарирования с гравиметрическим эталоном. В результате испытаний было установлено, что в баллонах с внутренним силикатно-эмалевым покрытием (заявляемые баллоны) в результате проведенных испытаний содержание CO  изменяется в пределах погрешности измерений (исходная концентрация CO - 30,25 млн , после двукратной термообработки 30,38 млн). В баллонах без внутреннего покрытия содержание CO изменилось существенно (исходная концентрация CO - 30,37 млн , после двукратной термообработки 26,63 млн).