БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области конструкций баллонов, работающих под давлением, предназначенных для транспортировки хранения, и использования различных сжатых и сжиженных газов, и изготавливаемых из сталей, обладающих высокими пластическими характеристиками.
Известные баллоны высокого давления состоят из цилиндрической обечайки, являющейся наиболее нагруженной частью баллона, с днищами, по меньшей мере, одно из которых имеет резьбовую горловину.
Днища могут быть изготовлены как из материала обечайки, (в частности, закаткой трубной заготовки), так и с использованием дополнительных деталей и элементов - горловин, закладных доньев и т.п. различной конструкции.
Пластичность баллонной стали - необходимое условие для того, чтобы за счет запаса пластичности избежать возможности хрупкого осколочного разрушения баллона.
Высокая пластичность стали - характеристика, определяемая механическими свойствами стали. Ее можно охарактеризовать двумя параметрами:
Т
В
1. Отношение σ/σ (предел текучести к временному сопротивлению) - не более 75%.
2. Относительное удлинение δ - не менее 14%
В
При расчетах на прочность баллонов, работающих под давлением, как правило, принимается, что моментом исчерпания несущей способности (разрушения) баллона считается момент, когда максимальное напряжение в металле стенки баллона при заданном давлении в баллоне достигает значения напряжения, называемого временным сопротивлением σ (справочная величина).
max
р
расч
В
Отсюда, расчет на прочность - вычисление такой минимальной толщины стенки баллона h, чтобы при максимальном давлении в баллоне p (рабочее давление р, умноженное на величину нормативного запаса прочности по разрушению n - указано в "Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением"), расчетное максимальное напряжение в стенке баллона σ не превосходило бы значения напряжения временного сопротивления σ.
Известна формула для определения максимального напряжения в цилиндрической стенке баллона при действии заданного внутреннего давления (См. "Справочник машиностроителя" под ред. Академика АН УССР С.В.Серенсена; изд.3, исправл. и дополн.; "Машгиз", Москва; 1963 г.; в 6-ти томах; т.3; стр.180; Табл.1; формула (19)), на основании которой можно определить толщину стенки цилиндрической обечайки любого сосуда, работающего под давлением, при заданной величине максимального напряжения в его стенке:
где R - диаметр цилиндрической части,
Р - внутреннее давление,
h - толщина стенки цилиндрической части,
max
σ- напряжение в материале цилиндрической части.
Однако эта формула не учитывает пластических свойств металла, и, при ее использовании для определения потребной толщины стенки баллона, полученные значения толщины будут завышены, что приведет к
неоправданному увеличению расхода металла при изготовлении баллонов, особенно, при использовании сталей с высокой пластичностью.
Процесс деформирования металла стенки баллона можно охарактеризовать графиком «деформация-напряжение».
В качестве ближайшего аналога к заявляемой полезной модели является конструкция баллона, определяемая ГОСТ 949.
Действующий ГОСТ 949 с.2, с.3 Табл.1, с.6 Табл.3 устанавливает величины минимальных толщин стенок цилиндрической части баллона (см. ГОСТ), которые (толщины стенок) практически соответствуют (или, по крайней мере, не меньше) значениям, получаемым по формуле (1).
Недостатком прототипа является излишний вес конструкции, порождающий избыточную материалоемкость, так как не учитывается запас прочности, имеющийся в пластическом деформировании материала и конструкции. Данное обстоятельство подтверждается испытаниями, которые фиксируют разрушение баллона при значениях в среднем на 15-20% больших, чем вытекающих из формулы (1).
Задачей и техническим результатом данной полезной модели является устранение данного недостатка, облегчение конструкции и экономия материала.
Данный результат достигается применением в расчете минимальной толщины стенки цилиндрической обечайки следующей формулы:
где h - толщина стенки цилиндрической части,
Рр - рабочее давление,
n - нормативный запас прочности,
R - наружный радиус цилиндрической обечайки,
В
σ - временное сопротивление используемой стали,
а значение числа Δ составляет от 0,17 до 0,2 по линейной интерполяции в зависимости от относительного удлинения δ примененной стали, находящегося в пределах от 14% до 25%.
Таким образом, заявленный технический результат достигается следующим образом.
Т
В
Баллон, работающий под давлением, включающий цилиндрическую обечайку и днища, выполненный из стали с соотношением предела текучести σ к временному сопротивлению σ не более 75%, с относительным удлинением стали δ не менее 14%, с соотношением толщины стенки обечайки к радиусу наружной поверхности цилиндрической обечайки в пределах от 4% до 13%, стенка цилиндрической обечайки выполнена с минимальной толщиной без прибавки на коррозию h, равной
В
h=Рр*n*R*(1-Δ)/σ, где
Рр - рабочее давление,
n - нормативный запас прочности,
R - минимальный внутренний радиус цилиндрической обечайки,
В
σ - временное сопротивление используемой стали,
а значение числа Δ составляет от 0,17 до 0,2 по линейной интерполяции в зависимости от относительного удлинения δ примененной стали, находящегося в пределах от 14% до 25%. Кроме того, сопряжение цилиндрической обечайки с днищами и/или их элементами может быть выполнено плавным с радиусом сопряжения не менее r=0,1*R, где R - наружный радиус цилиндрической обечайки баллона.
Кроме того, по меньшей мере, одно днище может быть выполнено плоским, или эллиптическим, или полусферическим, или торосферическим, или коническим.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображен баллон, работающий под давлением, включающий цилиндрическую обечайку 1 с наружным диаметром D=2R и с минимальной толщиной без прибавки на коррозию h, которая имеет радиус сопряжения с днищем r=0,1R, днище 2, горловину 3.
На фиг.2 изображены два графика "деформация - напряжение", известные из справочников. Одни из графиков выполнен по модели упругого деформирования металла, другой - по модели деформирования с учетом пластических свойств металла.
Площадь под графиком характеризует энергию деформации до разрушения или энергию несущей способности материала. Из графиков очевидно, что реальная несущая способность баллона, вследствие наличия пластических свойств у металла, выше, чем несущая способность определяемая без учета пластичности (при одинаковой толщине стенки в наиболее нагруженной - цилиндрической части).
Отсюда, потребная толщина стенки баллона, рассчитываемая с учетом пластических свойств металла, меньше, чем потребная толщина стенки, рассчитанная по упругой модели, представленной формулой (1), что позволяет добиться облегчения конструкции и экономии материала.
Минимальная толщина стенки цилиндрической обечайки без прибавки на коррозию в заявленной конструкции выполнена в размере, вычисленном по формуле (2), что влечет за собой облегчение конструкции и экономию материала.