Газовий балон

1. Газовий балон, що має виготовлені з однієї сталевої заготовки плавно сполучені горловину, циліндричну обичайку і сфероїдальне днище, який 40179 портних засобів у цілому не тільки при аваріях, але й в умовах звичайної експлуатації. З урахуванням сказаного газові балони повинні мати таку конструкцію, що: по-перше, допускала б їх виготовлення простими і високопродуктивними способами з загальнодоступних матеріалів; подруге, характеризувалася коефіцієнтом запасу міцності не нижче 2,6; і, по-третє, забезпечувала б: якомога меншу питому масу, що обчислюють як відношення власної маси порожнього балона в кілограмах до його робочого об'єму в літрах; і, якомога більші надійність, що оцінюють по кількості розривів у розрахунку на 106 (один мільйон) використовуваних балонів за один рік, і ресурс, що оцінюють по гранично припустимій кількості циклів "заряджання-випорожнення". Виконання цих вимог окремо або в деяких комбінаціях нині не представляє істотних труднощів. Дійсно, багатьом здається, що варто лише знизити кількість металу в конструкції балона, як відразу ж удасться зменшити питому масу балонів і витрати на їх експлуатацію. Так, з SU 912527 А1 відомий один з перших газових балонів, що виготовлений із складеної внутрішньої тонколистової "технологічної" металевої оболонки, "силового" шару у вигляді обмотки з склопластика і зовнішнього шару, що герметизує. Такий балон має горловину, що стикується з основною частиною, і зона цього стику виявляється найненадійнішою в конструкції. Далі, з SU 1838714 A3 відомий удосконалений газовий балон такого типу, у конструкції якого з метою досягнення рівноміцності було регламентоване співвідношення ниток подовжнього і поперечного армування в "силовому" шарі. Комбінуванням металу і склопластика досягалося зниження питомої маси приблизно на 50% у порівнянні з металевими балонами тієї ж місткості, що виготовлені з низьколегованої сталі. Однак цей ефект не окупався через надмірне ускладнення конструкції і технології виготовлення комбінованих газових балонів. Також відомі газові балони, що виготовлені з композиційних полімерних матеріалів, зокрема, епоксидних склопластиків, і оснащені поліетиленовою гільзою і вкладишем із високоміцного алюмінієвого сплаву (рекламна вставка "Газовый облегчённый стеклопластиковый баллон высокого давления" у журналі "Газовая промышленность" № 9, 1991 р.). Ці балони містять єдину металеву деталь і тому мають істотно (приблизно вдвічі) меншу питому металоємність, ніж металеві балони тієї ж місткості, що виготовлені з низьколегованої сталі. Конструкція і технологія виготовлення таких балонів залишаються складними, а їх ресурс при Pmax=25 МПа рідко перевищує 1000 циклів "заряджання-випорожнення". Дійсно, стики днища і горловини з циліндричною обичайкою у таких по суті пластмасових балонах тим більше вразливі для випадкових ударів, чим більше термін експлуатації балона і, відповідно, старіння епоксидного зв'язуючого. Зниження Рmах до 20 Мпа, як це зараз загальноприйнятно (див., наприклад, рекламний проспект "Автомобильные облегчённые металлоплас тиковые баллоны высокого давления для сжатого природного газа" Орского машиностроительного завода, Россия), дозволяє підвищити ресурс до 30000 циклів "заряджання-випорожнення", але не виключає аварійні розриви внаслідок зазначеного старіння зв'язуючого. З сказаного ясно, чому конструктори звертають пильну увагу на метал як основний і єдиний матеріал для виготовлення газових балонів. При цьому основна увага приділяється пошуку таких форм і відносних геометричних параметрів оболонок, що повинні якомога повніше забезпечувати рівноміцність стінок і мінімальну питому масу при фіксованому об'ємі. Прикладами можуть служити тороїдальні (оснащені жорсткими шпангоутами) і тороциліндричні балони згідно з RU Patent 2013683. Форма оболонок для таких балонів задана дуже складними рівняннями і дуже незручна з погляду споживачів, а для її промислового відтворення потрібна складна і дорога технологічна оснастка. Тому згадані балони не знайшли помітного практичного застосування. Набагато більш зручні у виготовленні й експлуатації складові металеві балони, відомі, наприклад, з RU Patent 2022201. Ці балони мають дві суцільноштамповані циліндричні на більшій частині довжини оболонки, що щільно з'єднані одна з іншою по всій поверхні контакту, тобто: зовнішню охоплюючу оболонку, що оснащена горловиною, і внутрішню охоплювану оболонку, що оснащена днищем. Незважаючи на те, що площа контакту між оболонками достатня для забезпечення герметичності, технологія їх з'єднання досить складна, у зв'язку з чим можуть виникати небезпечні дефекти, які виявляються при експлуатації. Тому як для виробників, так і для споживачів кращі такі газові балони, що виготовлені із суцільних металевих заготовок і не мають конструктивних стиків між горловиною, циліндричною обичайкою і днищем. З них до даного по технічній суті найближчий суцільнометалевий балон італійської фірми FABER Industries S.p.a. (див.: 1 проспект "CNG cylinders for automotive use" і, особливо, 2 інформаційну брошуру "Faber cylinders: steel safety"). Такий балон має виготовлені переважно холодною деформацією з однієї плоскої сталевої заготовки і плавно сполучені горловину, корпус у вигляді циліндричної обичайки і сфероїдальне днище зі стінкою практично постійної товщини у всіх частинах. Такі балони зручні в монтажі й експлуатації як на засобах транспорту, особливо, на автомобілях, так у стаціонарних касетах при заправці довільними газами і, по опублікованим даним, досить надійні. Однак, холодна деформація плоских заготовок - досить повільний (через незначну текучість), пов'язаний з втратами металу під час штампування круглих заготовок з листа і енергоємний (через високу міцність стали) технологічний процес. Він можливий лише при використанні високопластичних сталей, але й у цьому випадку не виключені розриви окремих заготовок при витяжці днища і, особливо, циліндричної обичайки, а для розкатування 2 40179 горловини потрібне деяке нагрівання металу для підвищення пластичності. Крім того, внаслідок застосування низьколегованих сталей питома маса відомих балонів є досить великою (0,9-1,0 кг/л). В основу винаходу покладена задача удосконаленням співвідношень розмірів створити такий "безстиковий" газовий балон з меншою питомою масою, який можна було б з підвищеною продуктивністю і меншими витратами метала і енергії виготовляти з безшовних трубчастих заготовок з високоміцної сталі. Поставлена задача вирішена тим, що в газовому балоні, що має виготовлені з однієї сталевої заготовки плавно сполучені горловину, циліндричну обичайку і сфероїдальне днище, відповідно до винаходу, зазначені частини виготовлені з однієї трубчастої заготовки з ковальською заваркою днища, причому: відношення зовнішнього діаметра D до товщини Sс стінки циліндричної обичайки задовольняє нерівності 45£D/Sc£55; і, відношення вимірюваної уздовж геометричної осі балона максимальної товщини Sд днища до зазначеної товщини Sc задовольняє нерівності 2,2£Sд/Sc£3,5. Такий балон із коефіцієнтом запасу міцності ³2,6 і питомою масою не більш 0,8 кг/л може бути з високою продуктивністю, меншими витратами метала і енергії і практично повним виключенням виробничого браку виготовлений з високоміцних високолегованих переважно хромонікелевих сталей з тимчасовим опором розриву більш 130 кгс/мм2. Дійсно: задане співвідношення зовнішнього діаметра і товщини стінки циліндричної обичайки цілком достатнє для виключення поводок трубчастої заготовки при її частковому нагріванні для закатування горловини і днища до його ковальської заварки і виключення викривлень форми поперечного перетину балона; а, задане співвідношення максимальної товщини днища і товщини стінки циліндричної обичайки для більшості типорозмірів газових балонів цілком достатнє для надійної герметизації днища зазначеною ковальською заваркою. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що відношення зазначеної товщини Sд до зазначеної товщини Sc задовольняє нерівності 2,2£Sд/Sc£2,4. При такому співвідношенні досить надійна герметизація днища ковальською заваркою сполучається з мінімізацією питомої маси газових балонів. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що центральна частина сфероїдального днища з зовнішнього боку додатково проварена на глибину Sг=(1,0-1,5)Sc. Тим самим практично цілком виключається поява наскрізних дефектів у донних частинах балонів при кількості циклів "заряджаннявипорожнення" більш 30000. Зрозуміло, що при виборі конкретних співвідношень зазначених розмірів можливі довільні комбінації зазначених додаткових відмінностей з основним винахідницьким задумом і, що описані нижче кращі приклади його втілення ніяким чином не обмежують обсяг винаходу. Далі суть винаходу пояснюється докладним описом конструкції газового балона, технології його виготовлення і його роботи з посиланнями на креслення, що додається (фіг.), на якому даний балон зображений у подовжньому розрізі діаметральною площиною. Найкращі варіанти реалізації винахідницького задуму Газовий балон (див. креслення) у будь-якій з конкретних форм здійснення винахідницького задуму має плавно сполучені горловину 1, циліндричну обичайку 2 і сфероїдальне днище 3 з ковальською заваркою. Кожний такий балон виготовлений з однієї трубчастої переважно безшовної заготовки з жорсткої високолегованої і, відповідно, високоміцної переважно хромонікелевованадійової сталі марки 20ХН4ФА з тимчасовим опором розриву звичайно більш 130 кгс/мм2. Кожний готовий балон характеризується тим, що: відношення зовнішнього діаметра D до товщини Sc стінки циліндричної обичайки 2 задовольняє нерівності 45£D/Sc£55; і, відношення вимірюваної уздовж геометричної осі балона максимальної товщини Sд днища 3 до зазначеної товщини Sc задовольняє нерівності 2,2£Sд/Sc£3,5, переважно 2,2£Sд/Sс£2,4. Для виключення появи наскрізних дефектів у донних частинах балонів при тривалій експлуатації бажано, щоб центральна частина сфероїдального днища 3 з зовнішнього боку була додатково проварена на глибину Sг=(1,0-1,5)Sc. На горловині 1 кожного балона, що поставлений споживачу, може бути закріплена придатна запірна або запірно-регулююча арматура, а переважно - будь-який придатний дросельний вентиль, що може бути легко обраний фахівцями з числа доступних на ринку. Газові балони відповідно до винаходу виготовляють у такий спосіб. Беруть мірні переважно безшовні окремі або відрізані від труби порожні циліндричні заготовки з високоміцної сталі, наприклад, хромонікелеванадійової сталі марки 20ХН4ФА, що мають довжину і зовнішній діаметр, які відповідають обраному типорозміру готового балона, і товщину стінки, що обрана в зазначених вище межах. Кожну таку заготовку з боку, на якому повинна бути сформована обрана фасонна частина (горловина 1 або днище 3) встановлюють у патроні придатного шпинделя, нагрівають до температури, що достатня для пластичної деформації, на довжину, що приблизно дорівнює її діаметру, і приводять в обертання. Сфероїдальне днище 3 формують закатуванням стінки циліндричної обичайки 2 плоским з робочого боку інструментом, що звичайно має форму прямокутного паралелепіпеда (бруска). Цей брусок із вихідного положення "паралельно стінці" і в постійному контакті з нею поступово повертають на кут 90°. Для герметичної ковальської заварки днища 3 метал у міру закатування стінки, що деформується, звичайно додатково підігрівають. Для попередження появи наскрізних дефектів протягом експлуатації балона в центральній частині сфероїдального днища 3 з зовнішнього боку роблять (звичайно свердлом) виїмку на глибину Sг=(1,0-1,5)Sc з кутом, що переважно обраний в інтервалі 120-140°, і потім додатково проварюють з використанням електродів переважно з близької за складом сталі. 3 40179 Горловину 1, аналогічно описаному, формують каліброваним під необхідний типорозмір балона інструментом. Кожний готовий балон оснащують, як згадано вище, дросельним вентилем або іншою запірною арматурою і відомим фахівцям способом випробовують під тиском, що на 25% перевищує максимальний робочий тиск Рmах. Експлуатація таких балонів включає загальновідомі операції заправки стиснутим газом і дозова не в залежності від потреб споживача випорожнення. Винахід є промислово придатним, тому що незалежно від типорозмірів усі балони, що відповідають винахідницькому задуму: можуть бути виготовлені промисловими шляхом із жорстких високоміцних сталей з використанням високопродуктивного устаткування; мають високу надійність навіть в аварійних ситуаціях; і, мають дуже низьку питому масу на рівні не більш 0,8 кг/л. Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4