Огневзрывобезопасный металлокомпозитный баллон давления
EXPLOSION-PROOF METAL COMPOSITE PRESSURE CYLINDER

Область техники
Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в автомобильной технике, в корпусах фильтров для очистки воды, в портативных аппаратах спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, в системах газообеспечения и других приложениях.
Уровень техники
Выпускаемые в настоящее время металлокомпозитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера жгутов высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного связующим.
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам высокого давления, приоритетными являются: снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона в любых условиях эксплуатации.
В соответствии с действующей нормативной документации, помимо указанных выше требований, в качестве основного требования является также требование сохранения целостности баллона при попадании в очаг пожара, или потеря работоспособности баллона в очаге пожара не должна сопровождаться его взрывом с отделением осколков или элементов конструкции.
Известны примеры создания композитных баллонов давления с использованием термопластов в качестве основного материала лейнера (см., например, патенты GB 1023011, ЕР 0300931, WO 9927293, WO 9913263, US 4925044, RU 2150634).
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см., например, патенты US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5822838, US 5918759, WO 03029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695. RU 2077682, RU 2210697, RU 2187746, RU 2140602, RU 2187746, RU 2065544, RU 2208728, RU 2263061, RU 2215216, GB 1161846, ЕР 0497687, US 5287988). Данные конструкции баллонов содержат композитную силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами, причем цилиндрическая часть силовой оболочки содержит спиральные и кольцевые слои композиционного материала, а днища сосуда только спиральные слои. Соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев в таких конструкциях выбирается для того, чтобы обеспечить технический результат - равнопрочность баллона давления. Это позволяет значительно снизить массу металлокомпозитного сосуда по сравнению с металлическими аналогами.
В то время как конструкции баллонов с использованием термопластов в качестве основного материала лейнера частично позволяют решить задачу сохранения целостности баллона при попадании в очаг пожара, конструкции баллонов с металлическими лейнерами не обеспечивают решение данной задачи.
В настоящее время для решения поставленной задачи, как правило, используются специальные конструкции вентилей, содержащие предохранительные клапаны. Однако в ряде конструкций использование таких вентилей не предусматривается, а в некоторых случаях даже запрещено (баллоны с химически ядовитыми газами).
Известно решение по патенту США US 4602652, в котором баллон высокого давления снабжен клапаном безопасности в виде полой камеры, которая чувствительна к деформациям баллона, и стравливание давления в баллоне происходит за счет разрушения специальной мягкой диафрагмы клапана.
Недостатком решения является то, что оно ненадежно в исполнении в части установки диафрагмы и очень трудоемко, что приводит к резкому удорожанию баллона.
Известно устройство выпуска давления из баллона по патенту РФ RU 2099622. Это устройство (клапан), характеризуется следующими признаками: трубчатая часть клапана, установлена в металлический элемент, работающий совместно с оболочкой сосуда, а часть в виде головки под ключ снаружи оболочки; в деле клапана устроен Т-образный канал такой, что продольная часть расположена в трубчатой части и связана с внутренностью сосуда, а поперечная часть в поперечном сечении головки и связана с атмосферой на противоположных ее сторонах; канал заполнен легкоплавким материалом, который имеет точку плавления ниже температуры разрушения сосуда и выше рабочей температуры эксплуатации сосуда.
Основным недостатком данного устройства является невозможность разгерметизации баллонов из композиционных материалов, герметизированных внутренней полимерной или металлической оболочкой. Причина, препятствующая получению требуемого результата, заключается в том, что композиционный материал силовой оболочки сосуда, в частности стеклопластик, изолирует внутреннюю полимерную оболочку от повышенной температуры окружающей баллон среды, а материал этой оболочки, сохраняя свои герметизирующие свойства, перекрывает канал выпуска давления. В результате газ остается в баллоне, а стеклопластиковая силовая оболочка начинает разрушаться при достижении температурой определенного уровня (температуры разрушения), и затем баллон взрывается.
За прототип предлагаемого решения используется решение по патенту РФ RU 2084738. Технический результат в данном решении достигается тем, что баллон давления, состоящий из внутренней герметичной полимерной оболочки и внешней силовой оболочки из композиционного материала, дополнительно снабжен клапаном безопасности, который содержит кожух с двумя отверстиями, через одно из которых пропущена трубчатая часть клапана, а другое выполнено с заостренными кромками и перекрыто полимерной оболочкой сосуда, при этом полость кожуха, отделенная оболочкой от внутреннего объема сосуда, заполнена легкоплавким материалом и сообщена с продольным каналом трубчатой части клапана, торец которой, обращенный в сторону сосуда, выполнен в виде половины конуса, отделенной плоскостью, проходящей через его вершину.
Недостатком таких клапанов является то, что их нельзя устанавливать на применяемых в последнее время сосудах давления из композиционных материалов, так как содержимое такого сосуда не прогревается достаточно для открытия клапана по превышению давления из-за плохой теплопроводности материала силовой оболочки при ее тепловом нагружении (например, в пожаре). В то же время материал оболочки разрушается (выгорает) и может произойти взрыв баллона.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания металлокомпозитного баллона давления, конструкция которого обеспечивает его работоспособность при заданных уровнях эксплуатационных воздействий и позволяет сохранить его целостность при нахождении в очаге пожара под рабочим давлением. Это позволит резко расширить области применения легких композитных баллонов давления. Преимущество предлагаемого изобретения заключается в простоте его технологической реализации и потребительской привлекательности, так как у потребителя появляется возможность не опасаться разрушения баллона высокого давления при попадании его в очаг пожара. Это расширяет возможности использования баллона особенно в бытовых условиях и на транспортных средствах, где используются сжатые и сжиженные газы.
d
d
i
i
Технический результат при реализации заявляемого решения достигается за счет того, что огневзрывобезопасный металлокомпозитный баллон давления содержит герметизирующий тонкостенный лейнер, силовую оболочку из композиционного слоистого материала с передним и задним фланцами, расположенными между лейнером и силовой композиционой оболочкой. При этом в контактирующем с лейнером заднем фланце со стороны поверхности контакта выполнена лунка-ямка, диаметр которой более 1.25δσ/р, где δ - толщина, σ - предел упругости материала стенки лейнера в зоне контакта, р - давление деструкции вставки. Лунка-ямка содержит на поверхности, как минимум, две остроконечные грани-резца и изолирована по всему свободному пространству от материала лейнера легкоплавкой при повышенной температуре вставкой. Силовая композитная оболочка состоит, как минимум, из трех перевязанных между собой слоев-оболочек из групп нитей армирующего материала, ориентированных по поверхности лейнера с разными углами и мощностями армирования (под мощностью армирования понимается количество армирующих нитей в рассматриваемых сечениях жгутов), удовлетворяющих условию , где γ - угол между осью вращения и нормалью к поверхности оболочки в рассматриваемом сечении, Т - усилия разрыва армирующих нитей в i-ом слое-оболочке, ϕ - мощность армирования (число нитей) в i-ом слое-оболочке, ϕ - углы армирования в рассматриваемом сечении, r - радиус рассматриваемого сечения, р - давление в баллоне, к - число слоев-оболочек. В качестве полимерного связующего, являющегося составной частью композитного материала оболочки, использована эпоксидная смола с добавками пластифицирующих антипиренов.
Для функционирования конструкции баллона важно, чтобы остроконечные профильные грани-резцы располагались в ямке-лунке заднего фланца с зазором между лейнером, величина зазора превышает , где Р - давление разрушения (разгерметизации) баллона,  - высота вставки, Е - модуль упругости материала легкоплавкой вставки. Для функционирования конструкции также важно, чтобы в стенках заднего фланца были выполнены отверстия-каналы, соединяющие пространство ямки-лунки, заполненное легкоплавкой вставкой, с наружной поверхностью баллона. При этом грани-резцы имеют преимущественно форму остроконечной криволинейной пирамиды с заостренными гранями.
Функционирование заявленной конструкции наиболее эффективно, когда силовая композитная оболочка баллона выполнена комбинацией, как минимум, трех чередующихся слоев-оболочек из групп лент, ориентированных на поверхности лейнера по геодезическим направлениям поверхности оболочки с разными углами и линейными плотностями соответственно расположенных в них нитей армирующего материала, позволяющих в неполимеризованном состоянии выдержать без разрушения давление более 2Р, где Р - испытательное давление баллона. При этом также и прочность на сжатие материала легкоплавкой вставки должна быть минимум в 2 раза выше испытательного давления баллона.
В качестве антипиренов в эпоксидной смоле могут быть использованы хлорпарафины или галогенсодержащие фосфаты; в качестве пластифицирующего антипирена может быть использован бисульфат графита.
Изобретение поясняется далее подробно описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи.
Перечень фигур
На фиг. 1 изображен общий вид слоистого баллона.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства баллона в зоне заднего фланца.
На фиг. 3 представлена схема чередования слоев из армирующих нитей, уложенных по разным траекториям армирования.
На фиг. 4, 5 представлены различные участки заднего фланца с отображением важных для изобретения элементов заднего фланца.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1 (один из примеров выполнения), баллон высокого давления содержит прочную (оболочку) корпуса 1, например, из композиционного материала в виде многослойного каркаса, слои которого получены намоткой перекрещивающихся однонаправленных нитей из стекловолокна или угольного волокна с пропиткой полимерным связующим. В этот корпус 1 в процессе его изготовления вмотан тонкостенный металлический лейнер 2, в горловине которого вмонтирован фланец 3, а со стороны глухого днища задний фланец 4.
i
В целом, проектирование композитной оболочки такого баллона ведется как проектирование оболочки вращения, образованной намоткой системы лент (жгутов) композиционного материала, уложенных под углами ϕ к образующей, и нагруженной внутренним давлением.
i
Очевидно, что при длительном нахождении баллона в очаге пожара давление газа в баллоне увеличивается с ростом температуры его прогрева или времени нахождения в очаге пожара. Простейший анализ показывает, что давление в баллоне, находящемся при температуре 1000°С, увеличивается примерно в 4 раза. Очевидно также и то, что полимеризованное связующее композитной оболочки баллона, находящегося в огне, деструктирует, карбонизуется и уносится пламенем огня. Таким образом, для обеспечения сохранности и работоспособности до заданного уровня давления (например, до уровня, равного трем рабочим двалениям) находящегося в огне баллона, количество армирующего материала (армирующих нитей-жгутов) силовой оболочки должно выбираться из условия прочности сухих (непропитанных связующим) жгутов. В то же время при наличии сухих жгутов только с одним семейством армирования может происходить их локальное смещение с образованием локальных зон возможного разрушения лейнера. Для исключения данного явления целесообразно формировать силовую композитную оболочку в виде нескольких слоев из разносемейных систем армирующих нитей. Наиболее простой схемой армирования в данном случае является схема из трех слоев - оболочек с разными углами укладки армрующих нитей. В данном случае мощность армирования днищ силовой оболочки должна выбираться из условия , где γ - угол между осью вращения и нормалью к поверхности в рассматриваемом сечении, Т - усилия разрыва армирующих нитей, n - мощность армирования (число нитей) в i-ом слое оболочки, ϕ - угол армирования в рассматриваемом сечении, r - радиус рассматриваемого сечения, р - давление в баллоне, к -число вложенных слоев-оболочек.
Для исключения деструкции (взрыва) баллона, находящегося в огне, и при возникающем в нем давлении выше заданного уровня целесообразно использовать специальную конструкцию заднего фланца 4. Как показано на фиг. 2, в данной конструкции заднего фланца 4 образована ямка-лунка 5 некоторого обьема. На боковой поверности ямки-лунки выполнены специальные остроконечные грани-резцы 6. Все свободное пространство ямки-лунки 5 при этом заполнено вставкой 7 из легкоплавкого материала, например стеклонаполненного полиамида. Для исключения срабатывания данного устройства при давлении Р в баллоне ниже заданного уровня важно, чтобы остроконечные грани-резцы находились в ямке-лунке заднего фланца с зазором между лейнером, величина зазора превышает , где  - высота вставки, Е - модуль упругости материала вставки.
Очевидно, что при деформации баллона, находящего в обычных условиях эксплуатации, деформируется и материал вставки 7. Для обеспечения гарантированной сохранности лейнера при давлении в баллоне не выше испытательного важно, что прочность на сжатие материала легкоплавкой вставки должна быть минимум в два раза выше испытательного давления баллона. В данном случае при таком уровне нагружения баллона давлением Р не происходит прямого контакта остроконечных граней-резцов 6 с лейнером 2, а условие ограничения установки остроконечных граней-резцов в ямке-лунке 5 заднего фланца 4 с зазором Δ между лейнером позволяет регулировать контакт граней-резцов и лейнера при заданных уровнях давления в баллоне.
Для функционирования конструкции важно, чтобы в стенках заднего фланца 4 были выполнены отверстия-каналы 8, соединяющие пространство ямки-лунки 5, заполненное вставкой, с наружной поверхностью баллона.
При наличии огня и высокой температуры происходит деструкция (расплавление) материала вставки 7, который через отверстия 8 вытекает из пространства ямки-лунки 5. В данном случае при росте давления происходит деформация лейнера по пространству ямки-лунки 5 в заднем фланце 4 и возникает контакт лейнера 2 и остроконечных граней-резцов 6, в конечном итоге приводящее к прокалывание днища лейнера 2. Тем самым обеспечивается выпуск газа через отверстия-каналы 8 в заднем фланце 4 и снижение давления, возникшего в баллоне при его нагревании. При появлении в лейнере отверстий, проколотых гранями-резцами 6, истечение газа происходит не только через отверстия-каналы 8, но и через негерметичную силовую композитную оболочку 1. Совокупность истечения газа через отверстия-каналы 8 и оболочку 1 в конечном итоге приводит к исключению взрыва баллона.
Для обеспечения гарантированного прокалывания лейнера остроконечными гранями-резцами 6 необходимо, чтобы диаметр и высота лунки составляли минимум 1.25 δσ/р, где δ - толщина, σ - предел текучести материала стенки лейнера в зоне контакта, р - давление деструкции вставки. При нагружении баллона давлением выше испытательного, такое соотношение толщины стенки лейнера и диаметра ямки-лунки 5 обеспечивает возникновение пластических деформаций в материале лейнера и гарантированное прокалывание лейнера в зоне контакта с гранями-резцами 6. Для улучшения прокалывания лейнера целесообразно выполнять грани-резцы 6 в форме остроконечной криволинейной пирамиды с заостренными гранями.
Для обеспечения локального повышения прочности композитной оболочки целесообразно использовать эпоксидную смолу с добавками антипиренов. В частности наиболее эффективно использовать добавки хлорпарафинов, галогенсодержащие фосфаты, бисульфата графита. В данном случае уменьшается вероятность разрушения силовой композитной оболочки баллона при длительном нахождении его в огне.
Выполнение конструкции баллона по приведенной схеме обеспечивает гарантированную защиту от взрыва баллона, находящегося в огне, и в то же время обеспечивается работоспособность конструкции баллона при обычных условиях эксплуатации. Таким образом, новая совокупность существенных признаков конструкции баллона позволяет значительно повысить безопасность баллона, так как при этом баллон не разрушается, а лишь теряет герметичность, постепенно снижая давление рабочего газа.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать баллоны высокого давления из разных материалов с использованием тонкостенной металлической или полимерной внутренней оболочки - лейнера.
Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным лейнером подтвердили их высокую надежность и эффективность.
Технический результат изобретения достигается путем подбора параметров и соотношений размеров, полученных экспериментальным путем для конкретных изделий.
В настоящий момент по данной схеме разработан ряд конструкций баллонов, для использования в различных областях и для различных газов.