МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE CYLINDER MADE OF METAL COMPOSITE

Изобретение относится к общему машиностроению, а именно к производству металлокомпозитных баллонов высокого давления, предназначенных для использования в качестве расходных емкостей установок гидроабразивной резки и имеющих увеличенные размеры горловины для размещения в баллоне необходимой оснастки.
Известен сосуд давления, имеющий сферическую форму и состоящий из алюминиевого лайнера с двумя толстостенными горловинами для размещения арматуры или заглушек (см. US 2009/0200319 A1 (описание изобретения с фиг.1), МПК7 F17C 1/06, 13.08.2009 г.).
Известный сосуд давления не обеспечивает высокую надежность и безопасность, обусловленные повышенным износом материала лейнера под действием гидроабразивной смеси.
Известен металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (вариант 1), содержащий внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из кольцевых и спиральных слоев, и лейнер, включающий верхнее днище с горловиной, нижнее днище и среднюю цилиндрическую часть (см. RU 99100 U1, МПК7 F17C 1/06, F17J 12/00, 10.11.2010 г.).
Известный металлокомпозитный баллон имеет ограниченные функциональные возможности, его нельзя использовать для размещения в нем необходимой оснастки из-за малого размера внутреннего диаметра горловины и износа алюминиевого лейнера из-за контакта с гидроабразивной смесью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (вариант 2), содержащий внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из кольцевых и спиральных слоев, и лейнер, включающий верхнее днище с горловиной, нижнее днище и среднюю цилиндрическую часть (см. RU 99100 U1, МПК7 F17C 1/06, F17J 12/00, 10.11.2010 г.).
Данный композитный баллон высокого давления имеет ограниченные функциональные возможности, его нельзя использовать для размещения в нем необходимой оснастки из-за малого размера внутреннего диаметра горловины и износа алюминиевого лейнера из-за контакта с гидроабразивной смесью.
Задачей предлагаемого изобретения является создание металлокомпозитного баллона высокого давления с повышенным уровнем безопасности, имеющим значительный диаметр горловины для размещения в баллоне необходимой оснастки и лейнер, стойкий против воздействия гидроабразивной смеси.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей баллона при обеспечении повышенного уровня безопасности.
Указанный технический результат достигается тем, что в металлокомпозитном баллоне высокого давления, содержащем внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из кольцевых и спиральных слоев, и лейнер, включающий верхнее днище с горловиной, нижнее днище и среднюю цилиндрическую часть, лейнер снабжен элементом для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона, расположенным на наружной поверхности нижнего днища, при этом внутренний диаметр горловины верхнего днища составляет не менее половины внутреннего диаметра средней цилиндрической части лейнера, а размеры наружных поверхностей горловины верхнего днища и элемента для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона равны.
Кроме того, лейнер выполнен из нержавеющей мартенситостареющей стали в закаленном и состаренном состоянии; элемент для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона выполнен в виде горловины с несквозным отверстием; в элементе для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона в нижней части выполнены пазы; форма сечения внутренней поверхности лейнера в вертикальной плоскости представляет собой прямоугольник со скругленными углами.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен лейнер металлокомпозитного баллона высокого давления, общий вид;
на фиг.2 изображен металлокомпозитный баллон высокого давления со встроенной оснасткой, общий вид.
Металлокомпозитный баллон высокого давления состоит из лейнера 1 и внешней силовой композиционной оболочки 2, состоящей из нескольких спиральных слоев 3 и нескольких кольцевых слоев (на чертеже не показаны).
Лейнер 1 выполнен бесшовным и имеет верхнее днище 4 с удлиненной горловиной 5, среднюю цилиндрическую часть 6 и нижнее днище 7 с элементом 8 для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона, при этом диаметры d наружных поверхностей горловины 5 верхнего днища 4 и элемента 8 для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона и высоты h равны, причем наружные диаметры d горловины 5 верхнего днища 4 и элемента 8 для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона составляют не менее половины наружного диаметра средней цилиндрической части 6 лейнера 1, это позволяет при армировании на обоих днищах 4, 7 баллона уложить симметричные слои и тем самым получить равнопрочными оба днища баллона и обеспечить заданную прочность (разрушающее давление свыше 2000 бар) при минимальной толщине лейнера 1, выполненного из нержавеющей мартенситостареющей стали в закаленном и состаренном состоянии.
Выполнение лейнера 1 из нержавеющей мартенситостареющей стали обеспечивает требуемую стойкость баллона при контакте с гидроабразивной смесью. Кроме того, поскольку лейнер изготовлен из нержавеющей мартенситостареющей стали в закаленном и состаренном состоянии, снижается вероятность коррозионного поражения и износа его поверхностей под действием движущейся гидроабразивной суспензии.
1
2
Внутренний диаметр d удлиненной горловины 5 имеет увеличенный размер, равный не менее половины внутреннего диаметра d средней цилиндрической части 6 лейнера 1, что позволяет размещать в нем необходимую оснастку 9 и заглушку 10, герметизирующую через прокладки 11 полость лейнера 1.
3
1
Элемент 8 для обеспечения симметричной укладки спиральных слоев при армировании баллона выполнен в виде горловины с несквозным отверстием 12, причем диаметр d отверстия 12 равен внутреннему диаметру d горловины 5, следовательно, по геометрическим размерам элемент 8 идентичен горловине 5 верхнего днища 4.
На торцах элемента 8 в нижней части выполнены пазы 13 для крепления лейнера 1 и приведения его во вращении на намоточном станке при армировании (на чертеже не показан).
Форма сечения внутренней поверхности лейнера 1 в вертикальной плоскости представляет собой прямоугольник со скругленными углами, что позволяет получить такую конфигурацию обоих днищ 4, 7, которая обеспечивает требуемую несущую нагрузку баллона.
Внешняя силовая композиционная оболочка 2 выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев - для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев 3 для усиления баллона в осевом направлении.
Внешняя силовая композиционная оболочка 2 выполнена с использованием углеволокна, что позволило снизить массу баллонов в несколько раз, обеспечить устойчивость к воздействию агрессивных сред, пожаро- и взрывобезопасность и гарантировать безосколочность разрушения.
Металлокомпозитный баллон высокого давления соответствует современным требованиям Ростехнадзора и «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ПБ-03-576-03. Изготовлена партия баллонов, баллоны прошли прочностные, циклические испытания и испытания на герметичность.
Металлокомпозитный баллон высокого давления работает следующим образом.
В металлокомпозитном баллоне полости лейнера 1 устанавливают оснастку 9 и заглушку 10.
Заполняют металлокомпозитный баллон гидроабразивной суспензией, подавая в него через оснастку 9 воду, и создают в нем необходимое рабочее давление, например 700 атм, затем подают гидроабразивную суспензию на установку гидроабразивной резки. При этом находящаяся в баллоне под давлением суспензия действует на днища и стенки лейнера 1, изготовленного из нержавеющей мартенситостареющей стали и выполненного бесшовным, что позволяет при армировании баллона получить равнопрочными оба днища баллона и обеспечить заданную прочность.