СТАЛЬНОЙ БАЛЛОН ДЛЯ ГАЗА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к серийному и массовому производству баллонов высокого давления (до 19,6 МПа), используемых в различных отраслях народного хозяйства для хранения и транспортировки сжатых и сжиженных газов, хладонов в системах пожаротушения, в том числе для углекислотных огнетушителей.
2
Основные параметры, технические требования и методы испытаний регламентируются на территории РФ действующим ГОСТ 949 «Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Рр<19,6 МПа (200 кгс/см).
В соответствии с ГОСТ 949 баллоны делятся на баллоны малого объема (до 12 л) и среднего объема (от 20 до 50 л),
2
В современной промышленности нашли применения стальные баллоны для газов вместимостью от 0,4 до 50 литров, работающие под давлением до 200 кгс/см, изготовленные из бесшовных горячедеформированных труб. Также следует учитывать, что для хранения и транспортировки сжатых или сжиженных газов должны использоваться баллоны разной вместимости, рассчитываемой по нормам ПБ 03-576-03, (Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, утвержденные Постановлением №91 Госгортехнадзора РФ от 11 июня 2003 г.).
В соответствии с ПБ 03-576-03 для хранения и транспортировки различных газов массой 1 кг требуется баллоны разной вместимости, так например, для пропана баллон должен быть объемом 2,35 л, для этилена - 3,5 л, и т.д.
Известен «Баллон, работающий под давлением от 100 до 200 кгс/см2 (патент РФ №104875 МПК В21D 51/24, опублик. 27.05.2011 г.).
В данном патенте описан баллон, работающий под давлением от 100 до 200 кгс/см2 и вместительностью от 7 л до 30 л, содержащий корпус из бесшовной горячедеформированной трубной заготовки из углеродистой стали, сформированный с глухим днищем и горловиной или с днищами, имеющими горловину, методом закатки разогретых концов упомянутой заготовки, отличающийся тем, что корпус выполнен из упомянутой заготовки с номинальным наружным диаметром 159 мм и толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, а отношение длины корпуса к его диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5.
К недостаткам, препятствующим использованию известного патента относится ограничение по производству баллонов только одним типоразмером диаметра трубной заготовки, а именно - 159 мм.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является патент РФ №104875, который выбран в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение линейки типоразмеров диаметров трубной заготовки, используемой для изготовления стальных баллонов малого и среднего диаметров.
Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является возможность использования трубной заготовки диаметром 127 мм, 133 мм и 162 мм для изготовления стальных баллонов малого и среднего объема для газов, работающих под давлением до 19,6 МПа (200 кгс/см2), при сохранении на регламентируемом уровне физико-механических показателей.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что стальной баллон для газа высокого давления, содержащий корпус из бесшовной горячедеформированной трубной заготовки, сформованный с глухим днищем и горловиной методом закатки разогретых концов заготовки, отличающийся тем, что корпус баллона малого объема выполнен из заготовок с номинальным наружным диаметром 127 мм или 133 мм и толщиной стенок 4-5 мм, а корпус баллона малого или среднего объема выполнен из заготовки с номинальным наружным диаметром 162 мм и толщиной стенки 5-6 мм.
Оптимальные прочностные показатели баллонов могут быть обеспечены при отношении длины корпуса к его диаметру в пределах от 12. до 11 Д.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 представлен общий вид, где
1 - стенка трубной заготовки
2 - корпус баллона
3 - горловина
4 - днище плоское
4 - днище выпуклое
D и S это номинальные диаметр и стенка трубы, соответственно.
D1 и S1 это номинальные диметр и стенка трубы для баллонов малого объема (D1=127 мм или 133 мм, S1=4-5 мм)
D2 и S2 это номинальный диаметр и стенка трубы для баллонов среднего объема (D2=162 мм S2=5-6 мм).
Изготовление стальных баллонов для газа высокого давления производится следующим образом.
Производят отрезку трубной заготовки (1) из бесшовной горячедеформированной трубы с номинальным диаметром D и толщиной стенки S. Конец трубной заготовки(1) вращая вокруг ее оси, нагревают до необходимой температуры (+1000-+1300°С). Затем закрепляют трубную заготовку (1) в приспособлении, которое обеспечивает ее вращение, и подводят к нагретому концу корпуса (2) инструмент, формируют выпуклое днище (4). В зависимости от конструкции баллона для формирования плоского (глухого) днища (4), его поджимают при помощи придавки. После этого производят нагрев второго конца трубной заготовки и формирование горловины (3) баллона.
После операции формирования днища (4) и горловины (3) баллон поступает на участок механической обработки, где производится рассверливание и зенкеровка горловины, а также нарезка резьбы для присоединения запорной арматуры.
Баллоны с плоским днищем используются, например, для переносных огнетушителей, а баллоны с выпуклым днищем используются, например, для передвижных огнетушителей.
Для производства баллонов по выше описанной технологии обкатки применяются трубы различного номинального диаметра. При этом группа баллонов одного диаметра, но различной вместимости образует определенный диапазон вместимостей. Например, баллоны, изготовленные из трубы с толщиной стенок 4-5 мм диаметром 127 мм или 133 мм закрывают диапазон малой вместимости (от 3 л до 12 л). Следующая группа баллонов, изготовленных из труб с толщиной стенок 5-6 мм большего номинального диаметра (162 мм) закрывает малый и средний диапазоны вместимости (от 7 л до 30 л), причем эти диапазоны перекрываются. Изготовление баллонов при соотношении длина/диаметр в пределах от 2,2 до 11,1 обеспечивает оптимальную геометрическую форму максимально удобную как для пользователя, так и для транспортировки. Следует учитывать, что для хранения и транспортировки сжатых или сжиженных газов должны использоваться баллоны вместимости, рассчитываемой по нормам ПБ 03-576-03.
У изготовленных баллонов измеряют массу и вместимость.
Вместимость баллона определяли измерением объема воды, необходимого для его заполнения. Измерение производить с помощью мерной посуды по ГОСТ 1770 (предел измерений 0…15 литров, погрешность измерения 0,01 л). Допускается определять объем корпуса другими способами, обеспечивающими необходимую точность.
Гидравлические испытания баллонов проводили на гидравлическом стенде, аттестованном в установленном порядке, нагруженным пробным давлением, равным 1,5 Рраб., контролируемом двумя манометрами (один контрольный), установленными на нагнетательном магистральным трубопроводе. Скорость нарастания давления должна быть не более 1,0 МПа/с. После выдержки при пробном давлении в течении 1 мин. Давление сбрасывали до рабочего и производили осмотр корпусов. Течи, потения и деформации корпусов не допускается.
Испытания на герметичность баллонов проводили после гидравлических испытаний пробным давлением на пневматическом стенде, аттестованным в установленным порядке. Баллон погружали в ванну с водой таким образом, чтобы над ним был столб воды не менее 20 мм, и нагружали пневматическим давлением Рраб. Время выдержки баллонов под давлением не менее 1 минуты. Баллон считается выдержавшим испытания, если не обнаружено выделения пузырьков на его поверхности.
Гидравлические испытания до разрушения баллона с определением запаса прочности по давлению разрушения для начальной стадии эксплуатации производили на гидравлическом стенде с защитной камерой, аттестованном в установленном порядке, повышением давления до 2,4 Рраб. Если при достижении этого давления разрушения не произошло, продолжали повышение давления до разрушения корпуса. Скорость нарастания давления должна быть не более 1,5 МПа/с. Характер разрушения - продольная трещина на цилиндрической части баллона. В случае, когда характер разрушения не соответствует указанному или разрушение произошло при давлении менее 2,4 Рраб., баллон считается не выдержавшим испытания.
Испытания механических свойств металла на растяжение и на ударный изгиб выполняли в соответствии с требованиями ПБ 03-576-03, ГОСТ 949-73, ГОСТ10006-80, ГОСТ 1497-73, ГОСТ 9454-78.
В таблице 1 представлены сравнительные параметры, изготовленных по ГОСТ 949-73, баллонов для газов: по прототипу (диаметр 159 мм) и предлагаемые (диаметр 127 мм, 133 мм и 162 мм).
После определения массы и вместимости по три баллона каждого типа размера были испытаны на герметичность и проведены гидравлические испытания до разрушения баллона. Учитывался средний результат по трем испытаниям.
Результаты испытаний предлагаемых баллонов для газов различной вместимости и баллона по прототипу представлены в Таблице 2.
Предлагаемый баллон может быть изготовлен объемом начиная с 3-х литров, а баллон по прототипу - только с 7-ми литров.
Анализ полученных результатов подтверждает обеспечение расширения линейки типоразмеров диаметров трубной заготовки, используемой для изготовления стальных баллонов малого и среднего объемов. При этом наблюдается сохранение прочностных свойств баллонов о чем свидетельствует, в частности, высокий коэффициент запаса прочности предлагаемого семейства баллонов: находится в пределах 2,5 до 2,6, что выше регламентируемого - 2,4 по ПБ 03-576-03.
Результаты испытаний подтверждают, что предлагаемая полезная модель направлена на решение поставленной задачи и при использовании обеспечивает достижение указанного технического результата.
Таким образом, предлагаемое устройство соответствует всем критериям охраноспособности по действующему законодательству.
Таблица 1
Наружный диаметр, мм
Толщина стенки, не менее, мм
Вместимость баллона, л
Отношение длины баллона к диаметру
Удельная масса, кг/л
ГОСТ 949
108
3,4
2,0-3,0
3,1-4,3
1,9-1,7
140
4,4
3,0-12,0
2,3-7,3
2,0-1,5
219
6,8
20,0-50,0
3,4-7,7
1,6-1,4
Баллон по патенту №104875
159
4,5-6,5
7,0-30,0
3,2-11,5
1,5-1,2
Предлагаемые баллоны
127
4,0-5,0
3,0-12,0
2,6-9,1
1,5-1,2
133
4,0-5,0
3,0-12,0
2,2-8,0
1,5-1,2
162
5,0-6,0
7,0-30,0
3,1-11,8
1,5-1,2
Таблица 2
Вместимость, л
Диаметр баллона, мм
Толщина стенки баллона, мм
Высота баллона, мм
Масса баллона, кг
Отношение высоты к диаметру
Удельная масса, кг/л
Рабочее давление в баллоне, кгс/см2
Давление разрыва, кгс/см2
Характер разрыва
2,9
127
4
360
4,6
2,8
1,6
150
390
Трещина на цилиндрической части баллона
2,9
133
4
290
4,4
2,2
1,5
150
385
4,3
127
4
460
6,1
3,6
1,4
150
380
4,3
127
5
480
7,9
3,7
1,8
150
490
4,3
133
4
405
5,7
3,0
1,2
150
390
4,3
133
5
440
7,4
3,3
1,7
200
490
7,2
127
4
750
9,3
5,9
1,3
150
380
7,2
127
5
750
11,9
5,9
1,6
200
-
7,2
133
4
630
8,7
4,7
1,2
150
390
7,2
133
5
685
11,2
5,2
1,6
200
490
10,2
159*
5
700
13,8
4,4
1,4
150
360
10,2
162
5
680
13,5
4,2
1,3
150
370
10,2
162
6
700
16,5
4,3
1,6
200
-
-
30,0
162
5
1795
35,3
11,1
1,2
150
-
-
Примечание: Пример, отмеченный * (159*) - баллон по прототипу.