БАЛЛОН ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЖАТОГО НАТУРАЛЬНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к области газовой аппаратуры, а именно к композитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в системах газообеспечения автомобильной промышленности и других отраслях.
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.
Известны многочисленные примеры создания баллонов и емкостей давления из композиционного материала с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см. патенты: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567).
Известны также многочисленные примеры создания композитных сосудов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см. патенты US 3066822, US 3446385, US 5292 027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695. RU 2077682. RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1161846, EP 0497687, US 5287988).
Практическая привлекательность сосудов или емкостей с корпусом из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом, легко транспортируются и способны выдерживать значительное давление при многократной цикличности нагружения.
Способом изготовления таких конструкций, как правило, является метод намотки нитью, который достаточно подробно рассмотрен в ряде патентной и технической литературы. (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология аэрокосмических конструкций из композиционных материалов, М, Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998, 516 с.; Композиционные материалы, Справочник, Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского - М, Машиностроение, 1990-512 с.; Композиционные материалы, Т 1-7, (пер. с англ.) Под ред. Л Браутмана, Р Крока, М. Машиностроение, 1978; Справочник по композиционным материалам (пер. с англ.)/ Под ред. Дж. Любина. М. Машиностроение, 1988; Балакирев B.C. и др. Автоматизированные производства изделий из композиционных материалов. - М.: Химия, 1990; Образцов И.О., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционного материала. Москва, Машиностроение, 1977).
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. Также приоритетным являются снижение его производственной цены.
Однако, решения по конструкции баллонов, предлагаемые в вышеуказанных патентах, не полностью обеспечивают выполнение главных задач: обеспечение надежности при большой цикличности нагружения его высоким давлением при минимально возможном весе и стоимости изготовления соизмеримой или ниже, чем у цельнометаллических баллонов.
Первому из указанных выше требований, в частности, не отвечают известные металлопластиковые баллоны со сварными и штампованно-сварными стальными лейнерами, содержащими среднюю цилиндрическую часть и приваренные к ней два днища, по крайней мере, одно из которых снабжено штуцером, соединенным с днищем сварным швом.
Для повышения надежности такого рода баллонов, предлагаются конструктивные решения исполнения, представленные в патентах RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, RU 2001115743, RU 2000131724, RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, ЕР 0497687.
В данном случае в конструкциях рассматривается то, что лейнер выполнен из стали с толщиной стенок 0,5-0,9 мм, при этом он выполнен сварным и содержит среднюю цилиндрическую часть и две донные части, соединенные со средней посредством подкладных колец.
Практически аналогичные решения предлагаются в заявках и патентах WO 200522026,WO 2005075880, US 34463 85, WO 2005106894.
В конструкции баллона по заявке RU 2001115743 для металлопластикового баллона высокого давления, содержащего композитную оболочку и тонкостенный металлический лейнер, поставленная задача решается тем, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2%) и деформации упругости металла (0.2%), вес конструкции и ее стоимость имеют очень высокие значения, что делает баллон данной конструкции практически не конкурентоспособным с металлическими аналогами.
Практически аналогичное решение предлагается по заявке RU 2000131724.
В конструкциях баллонов по заявкам и патентам RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, RU 2094695, GB 1161846, ЕР 0497687 предлагается использование металлического лейнера, выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер. Кроме того, лейнер может быть снабжен дополнительными кольцами и кольцевыми ребрами жесткости, установленными в кольцевых гофрах с наружной стороны и возможностью перемещения их по кольцу.
Наличие металлического лейнера в конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, т.е. выбора оптимального соотношения толщины стенки лейнера и толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днищ лейнера.
Известный, принятый за прототип, металлопластиковый баллон высокого давления по патенту RU 2353851 С1, 27.04.2009, содержит штампованно-сварной герметичный стальной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала. Лейнер содержит среднюю цилиндрическую часть, два днища и имеет толщину стенок, равную (0.5-0.9) мм. Днища соединены со средней частью посредством сварки с обеспечением гладкой внешней поверхности лейнера в месте сварного шва.
Для изготовления лейнера используют стальную заготовку из тонкого листового проката. Цилиндрическую часть лейнера получают из листовой стальной заготовки, свернутой в цилиндр и сваренной встык, например, электронно-лучевой сваркой. Днища выполняют известным методом холодной вытяжки из того же листового проката. При этом, поскольку глубина днищ незначительна, как правило, не более 0.32 наружного диаметра, то деформации вытяжки незначительны.
В подавляющем большинстве случаев аварийного выхода из строя баллонов с такого рода конструкцией являются сочетания неблагоприятных условий, связанных с технологией изготовления отдельных элементов лейнера.
В процессе изготовления составляющих конструкции лейнера (днища, трубка), как правило, используются технологические операции, связанные с пластическим деформированием (вытяжка, штамповка, прокатка и др.) их материала.
Общеизвестно, что пластическая деформация материала влияет и на изменение его физических и некоторых химических свойств. Известно, что при вытяжке (штамповке) с ростом степени деформации материалов их условный предел текучести σ 0,2 и предел прочности σ возрастают, а показатели пластичности (относительные удлинение δ и сужение ψ) снижаются тем значительней, чем ниже энергия дефектов упаковки материала. Наиболее интенсивное упрочнение характерно для металлов и сплавов аустенитных сталей, никеля. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (предел прочности увеличивается в 1,5…3 раза, а предел текучести - в 3…7 раз). У сильноупрочненных металлов иссякает запас пластичности. Такое состояние является предельным, и при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Упрочнение повышает химическую активность металлов, они легче растворяются в кислотах и склонны к коррозионному растрескиванию.
Степень изменения свойств материалов при пластическом деформировании можно косвенно оценивать по изменению их фазовой структуры. На первых этапах вытяжки заготовок из стали аустенитного класса (деформации не превышает 4%) в микроструктуре материала присутствие α' мартенсита практически не наблюдается. При увеличении деформации от 4% до 8% можно наблюдать зарождение мартенсита на границах аустенитных зерен. На более высоких уровнях деформаций глубокой вытяжки, (деформации более 28%) объемная доля деформационного мартенсита α' близка к 60%, что приводит к замедленному трещинообразованию в перерабатываемых аустенитных нержавеющих сталях. Например, при вытяжке заготовок днищ в зоне большего диаметра металл практически становится мартенситной структуры и теряет на 50-90% пластичность. Деформационный мартенсит α', возникающий в материале, приводит к повышению механической прочности и снижению пластичности материала и в конечном итоге к существенному снижению его малоцикловой усталости. Следует отметить, что изменение характеристик (прочности, упругости, мартенситной структуры) материла не равномерно по длине образующей поверхности получаемой детали.
Упрочненный металл запасает 5…10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование структурных дефектов и на упругие искажения решетки. Деформация в поликристаллических материалах развивается неоднородно, так как отдельные зерна имеют различную ориентировку и не находятся при деформировании в поле одноосной системы напряжений. Деформация неравномерно распределяется не только в объеме материала между зернами, но и внутри зерен и отдельных дефектов. Из-за неоднородности деформации в металлах возникают различного уровня внутренние остаточные напряжения.
Как уже отмечалось, особенностью конструкции такого рода баллонов является то, что при нагружении их внутренним давлением в материале лейнера и материалах композитной оболочки могут возникать деформации различного уровня. При этом, если в окружном направлении выполняется совместность (равенство) деформаций в материале лейнера и композитной оболочки, то в осевом направлении это условие не всегда выполнимо в силу возможности проскальзывания лейнера относительно композитной оболочки. Как правило, данные проскальзывания происходят по цилиндрической части и приводят к их локализации в зоне сварного соединения, что так же приводит к существенному снижению усталостной прочности баллона.
Базируясь на данном анализе в основу настоящего технического решения, как устройства, положена задача создать металлопластиковый баллон высокого давления, позволяющий максимально исключить отмеченные недостатки при его изготовлении и тем самым повысить ресурс баллона по числу циклов нагружения при сохранении невысокой удельной материалоемкости и трудоемкости изготовления баллона.
Техническим результатом предлагаемого устройства является обеспечение относительно однородной структуры и толщин материала свариваемых частей оболочки лейнера.
Это позволяет обеспечить:
- исключение влияния на деформативность сварного шва и на работоспособность конструкции баллона в целом;
- исключение ориентированных микротрещин и остаточных напряжений в материале полуфабрикатов днищ лейнера при их изготовлении;
- выполнение при нагружении условия совместимости деформаций материалов в локальной зоне сварных швов;
- обеспечение жесткости композитной оболочки в зоне сварного шва лейнера с целью ее оптимизации с учетом полного исключения нагружения сварного шва рабочем давлении.
Технический результат достигается тем, что металлокомпозитный баллон высокого давления для хранения сжатого натурального газа, содержащий равнотолщинный сваренный тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей стали в виде пустотелой обечайки с профильными днищами, контактирующими и приваренными, по крайней мере, в одном из днищ по периметру проходного отверстия полюсными штуцерами, и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией семейств слоев высокомодульных и высокопрочных нитей разнородных армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях. Материал профильных днищ лейнера по всему объему днища имеет аустенитную микроструктуру, содержащую, по меньшей мере, не более 18 объемных % смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе, а срединная часть обечайки лейнера выполнена как единое целое в виде двух слабоконических оболочек с уклоном не более 3° (%) в сторону днищ, и ее материал имеет по всему объему аустенитную микроструктуру и отношение его предельного удлинения к предельному удлинению материала лейнера на днищах составляет 1.5-2, при этом силовая композитная оболочка выполнена как минимум из трех разнородных семейств армирующих нитей образующих днища и семейства армирующих нитей кольцевого армирования на срединной части, удовлетворяющих условиям, что отношение мембранной жесткости металлической обечайки к суммарной мембранной жесткости силовой оболочки в осевом направлении составляет 0.03-0.32, а аналогичное отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.14-0.15, при этом мощность армирования высокомодульных нитей армирующего материала в первом семействе спирального направления соответствует условию, что отношение его мембранной жесткости в осевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.5-0.51, а соответствующее отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.016-0.017, и аналогичные соотношения для мощностей армирования второго и третьего семейств составляют 0.42, 0.033-0.034 и 0.08, 0.078 соответственно, а для семейства нитей кольцевого армирования отношение его мембранной жесткости в кольцевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.870-0.872.
Технический результат достигается тем, что геометрия, микроструктура и градиент изменения структурно-фазового состояния нержавеющей стали на днищах лейнера сформированы посредством пластического деформирования из микроструктуры нержавеющей стали аустенитного класса.
Полезная модель поясняется далее подробно описанием примера выполнения со ссылкой на чертежи.
На фиг. 1 показана схема исполнения конструкции баллона.
На фиг. 2 показан вид А
Баллон содержит лейнер 1 из нержавеющей стали с приваренным в одной из горловин штуцером 3, композитную оболочку 2 состоящую как минимум из четырех слоев 4, 5, 6, 7 разнородных композиционных материалов, состоящих из групп (семейств) однонаправленных нитей разнородных материалов (например, стекловолокна и углеволокна) пропитанных полимерным связующим. При этом три группы 4, 5, 6 (семейства) однонаправленных нитей образуют композитную оболочку с днищами, а четвертая группа 7 усиливает данную композитную оболочку по срединной части. При этом материал днищ лейнера 1 имеет градиент изменения фазовой структуры (наличие количества мартенсита и бейнита в его структуре увеличивается с ростом диаметра и наибольшее его количество находится в части зоны сварки).
В виду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление газа при проектировании и выборе геометрии баллона (профиля днищ и структура распределения армирующих нитей по толщине и по слоям) в качестве критерия, обеспечивающего оптимальность конструкции, следует потребовать обеспечение в каждой точке поверхности равенства деформаций в материалах лейнера и силовой оболочки в окружном и меридиональном направлениях при действии данного вида нагрузки, т.е.
mα
mβ
где ε, ε - деформации металла лейнера вдоль и поперек меридиана оболочки
α
ε - меридиональная деформация днища
β
ε - тангенциальная деформация днища
ν
ε - деформация вдоль армирующих волокон композита.
В силу неоднородности фазового состава материала лейнера на днищах, для обеспечения данного критерия необходимо учитывать или устанавливать дополнительное ограничение в виде задания градиента изменения свойств материала лейнера. Данное дополнительное ограничение возможно представить и в виде ограничения на наличия объемных % смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе в материале аустенитной микроструктуру профильных днищ лейнера.
Исходя из проведенного анализа по изменению количества бейнита и мартенсита возникающих при деформациях технологической вытяжки днищ, в качестве такого ограничения целесообразно установить, что на наличие смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе в материале аустенитной микроструктуру профильных днищ лейнера должен составлять не более 18%. Данная величина устанавливается из следующих соображений:
- упрочнение основного материала (чисто аустенитной микроструктуры) и падение предельной его деформативности составит не более 10-15%,
- не приводит к значительным изменениям в технологическом процессе вытяжки заготовок рассматриваемых конструкций днищ.
Получаемая при таком подходе проектирования геометрическая форма днищ лейнера (баллона), как правило, относится к классу изотенсоидов (ранонапряженные оболочки) и позволяет обеспечивать заданные уровни циклической прочности баллона в целом.
Сущность работы лейнера с такого рода оптимальной формой поверхности заключается в следующем: при возникновении давления в полости баллона обечайка лейнера (как и силовая оболочка) равномерно деформируется только за счет мембранных деформаций растяжения и в предельном состоянии достигает деформаций текучести одновременно по всей ее поверхности.
При этом, в силу отсутствия существенных градиентов изменения свойств материала днищ в них не возникает никаких концентраций напряжений или локальных деформаций, приводящих к зарождению трещин при циклическом нагружении. Таким образом, рассматриваемая часть лейнера является равнонапряженной (равнодеформируемой с заданным уровнем интенсивности деформации) конструкцией.
Для исключения проскальзывания силовой оболочки относительно лейнера в предлагаемом решении срединная часть обечайки лейнера выполняется как единое целое в виде двух слабоконических оболочек с уклоном не более 3° (%) в сторону днищ. Такое решение позволяет исключить локализацию деформации в зоне сварного шва и тем самим также повысить заданные уровни циклической прочности баллона в целом.
Для исключения возможных негативных эффектов, возникающих в днищах, на цилиндрической части и зоне сварных швов в материале ленера, силовую композитную оболочку предлагается в данном решении выполнять из трех разнородных семейств армирующих нитей, образующих днища с разными углами и мощностями армирования и дополнительного кольцевого семейства армирующих нитей на срединной части лейнера. При этом для обеспечения выбранного ранее критерия равнодеформативости конструкции должны выполняться условия, что отношение мембранной жесткости металлической лейнера к суммарной мембранной жесткости силовой композитной оболочки в осевом направлении составляет 0.03-0.32, а аналогичное отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.14-0.15. Здесь под мембранной жесткостью понимается произведение модуля упругости материала на толщину стенки рассматриваемой конструкции. Здесь под мембранной жесткостью многослойной конструкции понимается сумма произведений модулей упругости материала слоев на их толщину рассматриваемой конструкции. Мембранные жесткости конструкции по существу определяют конструктивную схему исполнения. В конкретном исполнения предлагаемой конструкции дополнительно предлагается, что мощность армирования высокомодульных нитей армирующего материала в первом семействе спирального направления соответствует условию, что отношение его мембранной жесткости в осевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.5-0.51, а соответствующее отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.016-0.017, и аналогичные соотношения для мощностей армирования второго и третьего семейств составляют 0.41-0.42, 0.033-0.034 и 0.08, 0.078 соответственно, а для семейства нитей кольцевого армирования отношение его мембранной жесткости в кольцевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.870-0.872. Таким образом, данные соотношения жесткостей определяют конструктивную схему исполнения баллона вне зависимости от используемых армирующих материалов, и позволяет оптимизировать полную структуру композитной оболочки баллона и в том числе его вес.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность изготавливать высокоэффективные как по циклической живучести, так и по ценовым показателям, конструкции баллонов высокого давления из композиционных материалов с использованием сварной тонкостенной металлической внутренней оболочки - лейнера. Изготовление и испытание баллонов высокого давления с предложенным лейнером для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность.
Настоящее изобретение может быть эффективно использовано для создания конструкций различного рода баллонов для хранения сжатого природного газа, в том числе и в автомобильной технике.