2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЛЛОНОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ДО 250 кгс/см
2
METHOD TO MANUFACTURE CYLINDERS OPERATING UNDER PRESSURE UP TO 250 kgf/cm

2
Изобретение относится к области машиностроения, а именно производству баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см, предназначенных для хранения и транспортирования сжатых и сжиженных газов для технологических, медицинских или пищевых целей, а также для хранения углекислоты в огнетушителях и хладонов в системах пожаротушения.
Известны способы изготовления баллонов из отрезков трубы круглого сечения, получаемых из бесшовных горячедеформируемых труб методом закатки разогретых участков соответствующей длины на концах заготовки с образованием глухого днища на одном конце трубной заготовки и днища с горловиной на другом.
В частности, известен способ изготовления баллонов из такой трубной заготовки, применяемый при изготовлении баллонов диаметром 219 мм, включающий закатку днища, закатку герметичной горловины, механическую обработку горловины с образованием в ней отверстия, термообработку баллона и очистку внутренней поверхности днища, цилиндрической части и горловины баллона, причем с целью повышения производительности и качества изделий первоначально осуществляют закатку горловины, затем производят очистку горловины и цилиндрической части внутренней поверхности баллона, далее закатывают днище, термообрабатывают баллон, после чего выполняют механическую обработку горловины с образованием в ней отверстия и очистку внутренней поверхности днища [Описание изобретения к а.с. СССР №1712029 от 09.11.1989, МПК B21D 22/16, B21D 51/54, опубл. 15.02.1992].
Недостатком такого способа изготовления баллонов является то, что в силу особенностей технологического процесса изготовления бесшовной горячедеформированной трубы она имеет значительную разностенность, то есть толщина стенки с одной стороны трубы может превышать номинальную вплоть до значения максимального плюсового допуска (до +12,5% по ГОСТ 8732-78 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент»), а с противоположной стороны - быть меньше номинальной вплоть до максимального значения минусового допуска (до -15% по ГОСТ 8732-78).
Вследствие этого при закатке такой трубы возникают технологические проблемы, связанные с неуравновешенностью масс вращающегося разогретого конца трубной заготовки, что приводит к нестабильности технологического процесса закатки, преждевременному износу и поломкам инструмента и оборудования и, соответственно, к снижению производительности.
Кроме того, в горловине баллона появляется эксцентриситет между ее наружным диаметром и диаметром внутренней резьбовой части, что при вворачивании запорной арматуры с конической резьбой может привести к нарушению целостности горловины (трещине) по тонкой стенке и невозможности герметизации соединения запорной арматуры с баллоном.
Поскольку изготовление таких баллонов производится из трубы, рассчитанной на гарантированное обеспечение прочности при минимальной толщине (на 15% меньше номинала), то баллоны из такой трубы получаются переутяжеленными за счет наличия избыточного металла на стенке с плюсовым допуском, то есть с повышенной металлоемкостью, что требует дополнительных затрат на ресурсы и оборудование по нагреву и закатке концов трубной заготовки.
2
Для решения вышеупомянутых проблем могут быть применены технологические приемы, предназначенные для исправления технологических недостатков бесшовных горячекатаных труб, применяемых для изготовления баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см.
Например, известен способ изготовления облегченных бесшовных баллонов высокого давления из бесшовной трубной заготовки, включающий порезку трубы на мерные заготовки, формирование днища и горячее формирование горловины, абразивную очистку наружной и внутренней поверхностей заготовки, обработку наружной поверхности цилиндрической части заготовки с утонением стенки до заданных размеров, термическую обработку и механическую обработку горловины баллона, при этом наружную поверхность одного конца заготовки подвергают механической обработке путем обтачивания до заданных размеров, затем осуществляют горячее формирование днища, после обработки цилиндрической части заготовки осуществляют горячее формирование горловины и термическую обработку баллона, при этом перед термической обработкой проводят предварительную механическую обработку горловины, а после термической обработки - чистовую механическую обработку. (Описание изобретения к патенту РФ №2558315 от 12.05.2014, МПК B21D 51/24, B21D 51/54, опубл. 27.07.2015).
Недостатком данного способа является применение ряда сложных дополнительных технологических операций с целью минимизировать разностенность заготовки баллона для уменьшения его массы, использование дополнительного инструмента и оборудования, которые усложняют технологический процесс, повышают трудоемкость изготовления баллона, снижают производительность и, снижая массу баллона, не снижают его металлоемкость.
2
Задача, решаемая изобретением, и достигаемый технический результат заключаются в повышении технологичности изготовления баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см, снижении их металлоемкости при сохранении прочностных свойств, снижении расхода закаточного инструмента и снижении расхода электроэнергии на разогрев закатываемых днищ, повышении производительности при закатке днищ за счет увеличения скорости операции закатки вследствие уменьшения биения вследствие минимизации разностенности, повышении надежности баллонов за счет уменьшения влияния технологического эксцентриситета при нарезке присоединительной резьбы на горловине и вворачивании запорной арматуры с конической резьбой, уменьшении массы баллонов, изготовленных из конкретной марки стали, по сравнению с баллонами, изготовленными из бесшовных горячедеформированных труб, снижении трудоемкости изготовления баллонов. Дополнительно, могут быть снижены требования к материалу для заготовок баллонов.
2
Для решения поставленной задачи и получения заявленного технического результата в способе изготовления баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см, трубную  заготовку выполняют в виде отрезка прямошовной трубы круглого сечения  из листового проката стыковой сваркой кромок листа. Осуществляют закатку разогретых концов трубной заготовки на длине 60-160 мм при температуре от температуры горячей ковки - в начале закатки, до температуры низкого отжига - при окончании закатки.
При этом может быть использована прямошовная труба с номинальным наружным диаметром от 80 до 180 мм и с номинальной толщиной стенки от 3 до 8 мм, изготовленная из углеродистой стали с содержанием углерода до 0,3% или из низколегированной стали для сварных конструкций.
После закатки получают баллоны вместимостью от 2 до 30 литров.
Использование сварных труб при производстве различных конструкций известно давно, однако эти конструкции не являлись особо ответственными, к которым относятся баллоны высокого давления.
Современные технологии сварки встык кромок листа позволяют получить равнопрочное сварное соединение, с прочностью шва, равной прочности основного металла. В частности, соответствующие государственные стандарты на прямошовные сварные трубы были приняты более чем на десять лет позже, чем аналогичные стандарты на бесшовные горячедеформированные трубы.
Листовой прокат, в отличие от трубного, в силу особенностей технологии его изготовления характеризуется высокой точностью выполнения размера по толщине, высокой стабильностью толщины по всей площади проката, чистотой и гладкостью поверхности.
Как следствие, баллоны, изготовленные из отрезков трубы круглого сечения, изготовленной из листового проката с применением стыковой сварки, отличаются более высокой технологичностью, более низкой металлоемкостью, более низкими расходами на закаточный инструмент и электроэнергию на разогрев днищ, более высокой производительностью при закатке днищ за счет более высоких скоростей закатки из-за уменьшения биения при низкой разностенности трубы, повышенной надежностью баллонов за счет уменьшения влияния технологического эксцентриситета при нарезке присоединительной резьбы на горловине и вворачивании запорной арматуры с конической резьбой, меньшей массой баллонов, изготовленных из конкретной марки стали по сравнению с баллонами, изготовленными из бесшовных горячедеформированных труб, более низкой трудоемкостью изготовления баллонов.
Сравнивая способы изготовления баллонов из трубной заготовки из бесшовной горячедеформированной трубы и из прямошовной трубы, изготовленной из листового проката в другом аспекте, можно отметить, что изделия массового изготовления, каковыми являются баллоны для огнетушителей, имеет смысл изготавливать из недорогих малоуглеродистых сталей (с содержанием углерода до 0,3%) или низколегированных сталей для сварных конструкций, так как для данных изделий более актуально добиваться снижения себестоимости, которая, в первую очередь, определяется стабильностью технологического процесса изготовления баллонов, скоростью технологических операций, минимизацией технологических издержек (затраты на нагрев, износ инструмента и оборудования), минимизацией металлоемкости.
В таком случае, баллон из прямошовной сварной трубы, изготовленной из листового проката, будет иметь не только меньшую массу, но и более низкую себестоимость за счет высокой производительности технологического процесса при обеспечении требований по прочности, меньшей трудоемкости.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Вначале производят нагрев конца трубной заготовки из трубы круглого сечения, изготовленной из листового проката с применением стыковой сварки, наружным диаметром от 80 до 180 мм с номинальной толщиной стенки от 3 до 8 мм на длине 60-160 мм, до температуры, не большей предельной температуры нагрева при ковке. К нагретому концу заготовки, зажатой в приспособлении, обеспечивающем ее вращение, подводят инструмент, обеспечивающий формообразование глухого днища или днища с горловиной. После этого производят операцию нагрева другого конца заготовки и производят затем формирование другого конца, формируя днище с горловиной или глухое днище. В результате получается баллон, работающий под давлением, с одной или двумя горловинами для установки запорной арматуры.
Пример реализации изобретения
P
2
Наиболее массовым в производстве баллонов высокого давления для сжатых и сжиженных газов, в частности для углекислотных огнетушителей, является баллон с наружным диаметром 140 мм на рабочее давление 14,7 МПа (по ГОСТ 949-73 «Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Р≤19,6 мПа (200 кгс/см). Технические условия»). Применительно к изготовлению такого баллона из стали марки 20 потребную толщину стенки можно определить, например, по формуле, приведенной в патенте на полезную модель №56985 от 18.11.2005.
Согласно формуле минимальная потребная толщина стенки составляет 4,8 мм. С учетом допусков на бесшовную трубу, изготавливаемую из трубного проката, что составляет 15%, номинальная толщина стенки будет составлять 4,8/(1-0,15)=5,65 мм, то есть необходимо выбрать трубу номинальной толщиной 6 мм.
В то же время для прямошовной сварной трубы, изготовленной из листового проката с применением стыковой сварки кромок листа, допуск по ГОСТ 19903-74 «Прокат листовой горячекатаный. Сортамент» составляет ±0,5 мм, что определяет минимальную толщину стенки 4,8+0,5=5,3 мм, то есть номинальная толщина равна 5,5 мм из сортамента трубы.
Таким образом, в качестве материала трубных заготовок следует использовать прямошовную сварную трубу из низкоуглеродистой стали или низколегированной стали для сварных конструкций. Конкретные геометрические размеры трубы выбираются из расчета требуемой вместимости будущих баллонов и их рабочего давления.
Полученные мерные заготовки из упомянутой прямошовной сварной трубы передают на формовку днищ методом типовой технологии (т.е. отработанной) закатки разогретых концов трубной заготовки. Для этого концы трубной заготовки нагревают и закатывают под воздействием формообразующего инструмента в диапазоне температур от температуры горячей ковки (при начале закатки), до температуры низкого отжига (при окончании закатки), в результате чего получаются требуемые глухое днище и днище с горловиной, или два днища, имеющие горловины. В днищах с горловинами полученных заготовок баллонов нарезают резьбу для запорно-присоединительной арматуры.
Преимущества заявленной технологии проявляются на разных стадиях общего цикла изготовления баллонов - от выбора трубы до нарезания резьбы на горловинах.
Таким образом, баллоны, изготовленные из отрезков трубы круглого сечения, изготовленной из листового проката с применением стыковой сварки, отличаются более высокой технологичностью, более низкой металлоемкостью, более низкими расходами на закаточный инструмент и электроэнергию на разогрев днищ, более высокой производительностью при закатке днищ за счет более высоких скоростей закатки из-за уменьшения биения вследствие низкой разностенности трубы, повышенной надежностью баллонов за счет уменьшения влияния технологического эксцентриситета при нарезке присоединительной резьбы на горловине и вворачивании запорной арматуры с конической резьбой, меньшей массой баллонов, изготовленных из конкретной марки стали по сравнению с баллонами, изготовленными из бесшовных горячедеформированных труб, более низкой трудоемкостью изготовления, чем баллоны, изготавливаемые из отрезков трубы, изготовленной из бесшовных горячедеформированных труб.