МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE METAL COMPOSITE CYLINDER

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в кислородных дыхательных системах, в качестве аккумуляторов энергии сжатого газа в различных пневматических системах, в том числе летательных аппаратов, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, в системах газообеспечения и других отраслях, где необходимо обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия при минимальной массе.
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 по различным траекториям жгутов высокопрочного или высокомодульного волокна, пропитанного полимерным связующим.
Такая конструкция дает возможность, путем выбора различных сочетаний материалов оболочек и технологий их изготовления, удовлетворить комплексу требований по герметичности, прочности и ресурсу баллона, работающего в условиях циклического изменения давления (5000 циклов и более), при минимальной массе баллона. Для оптимизации характеристик баллона могут применяться расчетные методы, учитывающие с той или иной степенью точности напряжения и деформации, возникающие в оболочках.
Как правило, наилучшим соотношением характеристик по герметичности и надежности при минимальной массе обладают сосуды с лейнером из стали или алюминия, оплетенным высокопрочным или высокомодульным композиционным материалом (КМ).
Основным ограничивающим фактором оптимизации характеристик таких баллонов является стойкость к циклическому изменению давления, обусловленная усталостным разрушением металла лейнера от знакопеременной нагрузки.
Известен металлокомпозитный баллон давления по патенту №2439425 от 01.02.2010 г., содержащий металлический цилиндрический лейнер с профильными днищами и горловинным штуцером.
Недостатком баллона является наличие пластических деформаций в металле лейнера, поскольку в процессе эксплуатации в конструкции лейнера накапливаются усталостные повреждения.
Известны металлокомпозитные баллоны по ОСТ 1 03607-72 и ОСТ 1 03749-74, состоящие из металлической оболочки и композиционной оболочки из стеклопластика.
Недостатком конструкции этих баллонов является высокая масса из-за наличия толстой металлической оболочки и применения стеклопластика, имеющего высокую плотность и низкие упругие характеристики по сравнению с угле- и органопластиками.
Известен металлокомпозитный баллон по патенту №13498 от 17.12.1999 г., содержащий внутренний металлический лейнер и намотанную на него силовую оболочку из высокопрочного волокнистого полимерного материала, при этом, при рабочем давлении лейнер находится в области упругопластического деформирования.
Недостатком данной конструкции является то, что в лейнере допускаются пластические деформации, что снижает ресурс баллона и усложняет процесс определения его предотказного состояния.
Известен композитный баллон высокого давления по патенту №2358187 от 26.02.2007 г., принятый за прототип, содержащий лейнер в виде цилиндрической обечайки и приваренных к ней двух днищ, с использованием подкладных колец в зоне сварного шва, а также внешнюю силовую оболочку из композиционного материала.
В прототипе толщину спирального и кольцевого силовых слоев принимают не менее
сп
к
где δ, δ - толщины спирального и кольцевого слоев соответственно;
Л
Е - модуль упругости материала лейнера;
О
Е - модуль упругости композиционного материала вдоль нити;
mах
Р - максимальное рабочее давление;
R - средний радиус силовой оболочки на цилиндрической части лейнера;
Л
δ - толщина стенки лейнера;
Т.Л
σ - предел текучести материала лейнера.
Основными недостатками прототипа являются следующие.
1. Наличие подкладных колец, что увеличивает площадь сечения стенок лейнера в местах сварки на толщину подкладных колец и приводит к появлению изгибающих моментов в конструкции лейнера и, как следствие, снижению его циклической стойкости.
2. В прототипе учитываются только напряжения, возникающие в сосуде от максимального рабочего давления, в то время как в результате опрессовки или автофреттирования, которому подвергаются все баллоны в процессе изготовления, возникают дополнительные напряжения, влияющие на возможность снижения расчетного количества композиционного материала.
3. Не учитываются углы укладки ленты спирального слоя, которые могут меняться в зависимости от соотношения максимального диаметра баллона и диаметра его горловины, что снижает точность расчета слоя КМ.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа при обеспечении минимальной массы баллона и сохранении заданных эксплуатационных характеристик сосуда высокого давления с учетом требований нормативной документации к данным изделиям.
Поставленная задача решается разработкой металлокомпозитного баллона высокого давления, содержащего внутренний герметизирующий металлический лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, выполненную путем непрерывной намотки жгутов композиционного материала, пропитанных связующим составом, в виде комбинации слоев - спиральных и кольцевых, при проектировании которого учитываются деформации, возникающие в процессе автофреттирования или опрессовки, что позволяет определить минимальное количество намотки, при которой лейнер будет находиться в области упругих деформаций во время нагружения сосуда рабочим давлением. Это позволяет повысить ресурс (количество циклов нагружений), не повышая материалоемкость изготовления баллона.
В общем виде расчет заявляемого баллона сводится к определению толщины композиционных слоев в меридиональном и кольцевом направлении, которые рассчитываются по двум критериям:
- расчет по прочности (1) и (2);
- расчет по деформациям (7) и (8), позволяющий определить минимальную толщину композиционного слоя для обеспечения высокой циклической стойкости.
Выбор результата расчета определяется по наиболее жесткому критерию.
ϕ
где h - толщина спирального слоя композиционного материала;
Р - рабочее давление;
R - максимальный радиус баллона;
k - коэффициент запаса прочности;
T
σ - предел текучести материала лейнера или напряжение текучести с учетом упрочнения;
s - минимальная толщина стенки лейнера;
- реализуемая прочность композиционного материала, определенная экспериментальным путем;
ϕ - угол укладки спирального слоя КМ на цилиндрическом участке - определяется из условия укладки ленты на днище по геодезической траектории, согласно теореме Клеро;
90
h - толщина кольцевого слоя композиционного материала.
Давление опрессовки или автофреттирования баллона составляет 1,5 Рраб. (Рраб. - рабочее давление, согласно приказу Ростехнадзора №116 от 25.03.2014 г.), в результате чего изменяется напряженно-деформированное состояние лейнера и композиционной оболочки, и в них возникают технологические напряжения.
Рассматривая равновесное напряженное состояние между металлом и композитом, путем последовательных итераций можно определить технологические напряжения в баллоне по зависимостям (3) и (4) при условии выполнения равенства (5).
Окружные напряжения на цилиндрической части баллона от влияния композиционной оболочки в процессе опрессовки (автофреттирования) составляют:
меридиональные напряжения составляют:
θ
m
где σ, σ - соответственно окружные и меридиональные сжимающие напряжения лейнера, создаваемые композиционным материалом;
10
σ - технологические напряжения, возникающие в композите в процессе опрессовки;
,  - толщины спирального и кольцевого слоев КМ при расчете по допустимым деформациям;
ϕ - угол укладки спирального слоя КМ на цилиндрическом участке - определяется из условия укладки ленты на днище по геодезической траектории, согласно теореме Клеро;
s - минимальная толщина стенки лейнера.
Из компонентов напряжений определяется интенсивность напряжений в лейнере:
m
θ
где σ, σ - соответственно меридиональные и окружные
сжимающие напряжения лейнера, создаваемые композиционным материалом.
За условие равновесия принимается равенство интенсивности возникающих в металле напряжений его напряжению текучести:
Для высокопластичных металлов с низким пределом текучести рекомендуется принимать напряжения текучести с учетом упрочнения материала.
Расчет толщины композиционных слоев по допустимым деформациям выполняется по следующим зависимостям:
где ,  - толщины кольцевого и спирального слоев КМ при расчете по допустимым деформациям;
Р - рабочее давление;
R - максимальный радиус баллона;
r
σ - предел текучести материала лейнера или напряжение текучести с учетом упрочнения;
s - минимальная толщина стенки лейнера;
м
Е - модуль упругости металла;
пц
σ - предел пропорциональности металла;
μ - коэффициент Пуассона;
к
Е - модуль упругости композита;
10
σ - технологические напряжения, возникающие в композите в процессе опрессовки;
ϕ - угол укладки спирального слоя КМ на цилиндрическом участке - определяется из условия укладки ленты на днище по геодезической траектории, согласно теореме Клеро.
В соответствии с предлагаемым расчетом возможно изготовить различные варианты конструкций комбинированных сосудов, которые будут максимально легкими, и при этом сосуд будет удовлетворять требованиям высокой циклической стойкости и заданной прочности.
Таким образом, то, что в расчете заявляемого металлокомпозитного баллона высокого давления учитываются углы намотки композиционных слоев (в кольцевом направлении считается, что композит полностью реализует свои свойства (ϕ=90), расчет углов намотки ленты для спирального слоя выполняется по геодезическим линиям согласно теореме Клеро) позволяет более точно определить количество композита, учитывая влияния геометрических параметров лейнера (диаметра горловины и цилиндрической части лейнера). Это позволяет получить конструкцию баллона, обладающую минимально возможной массой, необходимой прочностью и высокой циклической стойкостью.