Спосіб виготовлення композитної посудини

Реферат: Спосіб виготовлення композитної посудини включає формування і зварювання у стик сталевих опуклих днищ і циліндричної обичайки, у тому числі із труби, зокрема зварної, термічне оброблення звареного корпуса та намотування на його циліндричну частину високоміцних волокон, просочених смолою з наступним її полімеризуванням. Для покращення механічних властивостей зварних з'єднань і звареного корпуса термічне оброблення звареного корпуса здійснюють аустенітизувальним нагріванням не вище Ас 3+150 °C з наступним охолодженням на повітрі. UA 110539 C2 (12) UA 110539 C2 UA 110539 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до виробництва зварних посудин тиску і може бути використано при виготовленні посудин для транспортування стиснутих газів, балонів для автомобілів тощо. Відомий спосіб виготовлення посудин тиску із листової холоднокатаної корозійностійкої нетермообробленої сталі, який включає згинання сталі у трубчату заготовку, зварювання поздовжнього шва неплавким електродом у середовищі інертних газів, підгинання у нагрітому стані кінців труби у вигляді сферичних днищ та їх зварювання неплавким електродом зі сферичними днищами та заправною горловиною (патент США № 5152452, 10.03.92-06.10.92, В23К 31/02). Різновидом посудини є балон. Відомий спосіб виготовлення композитного балона високого тиску, згідно з яким з неіржавіючої сталі виготовляють циліндричну обичайку з товщиною стінки 0,3-1,0 мм і два днища, в одному днищі виконують центральний отвір, в який вставляють кільцевий виступ фланця штуцера, приварюючи до нього краї отвору, на краї обичайки і днищ напресовують із зовнішньої та внутрішньої сторін кільця з неіржавіючої сталі товщиною, порівняльною з товщиною стінки обичайки, оплавляють торці країв обичайки і днищ разом з напресованими на них кільцями, з'єднують днища з обичайкою у стик аргонодуговим або електронопроменевим зварюванням та здійснюють намотування на металеву оболонку ниток армувального композитного матеріалу, просочених смолою, та наступне полімеризування композитного матеріалу в термокамері (патент РФ № 2140602, Бюл. № 30, 1999). Відомий спосіб виготовлення композитного балона, який включає вальцювання і штампування із листової середньовуглецевої хромкремніймарганцевої сталі циліндричної обичайки і двох опуклих днищ з центральним отвором в одному з них, аргонодугове зварювання вольфрамовим електродом у стик поздовжнього потовщеного шва обичайки з наступним її пічним відпусканням при температурі, не нижчій за 580 °C, і куванням та кільцевих швів штуцера з днищем і двох днищ з обичайкою, зміцнювальне термічне оброблення (загартування і високе відпускання) звареного корпуса та намотування на його циліндричну частину просочених смолою армувальних ниток композитного матеріалу з наступним полімеризуванням у термокамері (патент України № 83095, F17C 1/00, B21D 51/16, Бюл. № 11, 2008). Спосіб призначено для виготовлення балонів діаметром до 360 мм. Відомий також спосіб виготовлення композитної посудини, що включає формування і багатопрохідне зварювання під флюсом кільцевими швами у стик опуклих днищ та циліндричної обичайки із низьколегованої, з низьким вмістом вуглецю, сталі підвищеної міцності, використовуючи як заготовку циліндричної обичайки трубу, зокрема зварну, термічне оброблення у вигляді відпускання, переважно високого, звареного корпуса та намотування на його циліндричну частину ниток високоміцних волокон, просочених смолою з наступним її полімеризуванням (патент України №100273, F17C 1/00, F17C 1/06, B21D 51/24, Бюл. № 23, 2012). Його прийнято як найближчий за суттю та ознаками аналог. Недоліком відомого з найближчого аналога способу є зниження міцності металу при високому відпусканні звареного корпуса з ділянками перегрівання і знеміцнення від термічної дії при зварюванні. Це зумовлює зниження експлуатаційних характеристик композитної посудини. В основу винаходу поставлено задачу покращити механічні властивості металу зварних з'єднань і звареного корпуса удосконаленням термічного оброблення з урахуванням намотування високоміцних волокон для поліпшення експлуатаційних характеристик композитної посудини. Суть винаходу полягає в тому, що у способі виготовлення композитної посудини, що включає формування і зварювання у стик сталевих опуклих днищ і циліндричної обичайки, у тому числі із труби, зокрема зварної, термічне оброблення звареного корпуса та намотування на його циліндричну частину високоміцних волокон, просочених смолою з наступним її полімеризуванням, згідно з винаходом, термічне оброблення звареного корпуса здійснюють аустенітизувальним нагріванням не вище Ас3+150 °C з наступним охолодженням на повітрі. Перед аустенітизувальним нагріванням звареного корпуса здійснюють відпускання зварних з'єднань при температурі не нижче 450 °C, а після аустенітизування і охолодження на повітрі відпускання звареного корпуса при температурі не вище 350 °C. Смолу між намотаними високоміцними волокнами на термічно обробленому корпусі полімеризують при температурі, яка не перевищує температуру його відпускання. Відпускання термічно оброблюваного корпуса і полімеризування смоли між намотаними високоміцними волокнами суміщують. Відмінність запропонованого способу від відомого способу виготовлення композитної посудини полягає: у аустенітизувальному нагріванні не вище Ас3+150 °C з наступним охолодженням на повітрі звареного корпуса; відпусканні при температурі не нижче 450 °C зварних з'єднань перед аустенітизувальним нагріванням звареного корпуса; відпусканні при температурі не вище 350 °C звареного корпуса після аустенітизувального нагрівання і 1 UA 110539 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 охолодження на повітрі; полімеризуванні смоли між високоміцними волокнами, намотаними на термічно оброблений корпус при температурі не вище його відпускання, суміщенні відпускання при продовженні термічного оброблення корпуса і полімеризування смоли між намотаними на ньому високоміцними волокнами. В результаті аустенітизувального нагрівання звареного корпуса відбувається подрібнення аустенітного зерна, утворення дрібнокристалічної структури та покращання механічних властивостей металу, в першу чергу зварних з'єднань з крупним вихідним зерном шва і ділянок перегрівання. Найдрібніше аустенітне зерно незагартованого металу зварних з'єднань утворюється безпосередньо вище Ас3; з подальшим підвищенням температури воно зростає у прийнятних межах при перегріванні над Ас3 до 50-70 °C. Але при цьому зберігається крупнозернистість загартованого під час зварювання металу, яку виправляють перегріванням на 80-150 °C в залежності від типу та співвідношення гартівних складових вихідної структури металу. Подрібненню структури аустенітизувальним нагріванням загартованого під час зварювання металу сприяє попереднє високе відпускання зварних з'єднань при температурі не нижче 450 °C з отриманням невпорядкованої структури ферито-карбідної суміші. Подальше підвищення температури аустенітизувального нагрівання малодоцільне через надмірне збільшення аустенітного зерна, відтворення крупнокристалічної структури, неприйнятне окиснювання поверхні, схильність до втрати форми звареного корпуса тощо. Аустенітизувальним нагріванням у сполученні з наступним рівномірним охолодженням на повітрі усувають залишкові напруження, викликані пластичним деформуванням при формуванні та зварюванні складових корпуса, покращають однорідність і рівномірність його структури та властивостей. Зниження і усунення мікронапружень без суттєвого змінення мікроструктури і механічних властивостей металу звареного корпуса забезпечує низьке відпускання при температурі до 330-350 °C. Намотуванням на циліндричну частину звареного корпуса високоміцних волокон, просочених смолою з наступним її полімеризуванням, формують зовнішню композиційну оболонку для зменшення кільцевих напружень від робочого тиску у сталевому корпусі композитної посудини. Дотриманням температури полімеризування смоли не вище температури низького відпускання термічно обробленого корпуса запобігають знеміцненню його циліндричної частини. При співпаданні найвищої температури полімеризування з температурою низького відпускання ці операції суміщують. Прикладом запропонованого способу є виготовлення 4-х композитних посудин для газу тиском до 20 МПа. Із прямошовної труби для магістральних трубопроводів діаметром 558 мм і товщиною стінки 13,5 мм із сталі 10Г2ФБ вирізають заготовку циліндричної обичайки, а з листової сталі 30ХГСА товщиною 6 мм вальцюють три циліндричні обичайки діаметром 360 мм; для кожної обичайки штампують по два напівсферичних днища з центральним отвором, принаймні в одному в кожній парі, з відповідних листових сталей. Скошені кромки прямошовної труби та днищ зі сталі 10Г2ФБ зістиковують і зварюють у середовищі вуглекислого газу дротом Св-08ХГ2С. Поздовжні та кільцеві шви трьох звальцьованих обичайок і шести днищ із сталі 30ХГСА зварюють у стик вольфрамовим електродом у середовищі аргону. Зварні з'єднання сталі 30ХГСА, загартовані при зварюванні, піддають місцевому високому відпусканню електронагрівальними стрічками при температурі 620-650°. Зварені корпуси аустенітизують пічним нагріванням і охолоджують на повітрі. Температура аустенітизувального нагрівання корпуса із сталі 10Г2ФБ з Ас 3=860 °C становить 900 °C (Ас3+40 °C), одного і ще двох корпусів із сталі 30ХГСА з Ас 3=830-840 °C 880 °C (Ас3+40…50 °C) і 940 °C (Ас3+100…110 °C). Один із аустенітизованих при 940 °C корпусів піддають низькому пічному відпусканню при температурі 250 °C. На циліндричну частину корпусів намотують просочені епоксидною смолою пасма склоровінгу. Епоксидну смолу у пасмах склоровінгу на корпусах, аустенітизованих при температурах 900 °C та 880 °C (після місцевого відпускання зварних з'єднань), полімеризують під час інфрачервоного обігрівання у охоплювальній циліндричну частину корпуса термокамері. Полімеризування смоли у намотаних пасмах склоровінгу на корпусах, аустенітизованих при температурі 940 °C, здійснюють у печі при температурах 120-200 °C після пічного відпускання корпуса при температурі 250 °C або з суміщенням з відпусканням при цих температурах 120-200 °C. Наведені варіанти виготовлення композитних посудин відповідають пп. 1-5 формули запропонованого винаходу. На технологічних пробах встановлено, що після високого відпускання при температурі 650 °C, аустенітизування при температурі 940 °C та охолодження на повітрі міцність плоских зразків зварних з'єднань сталі 30ХГСА становить σ02=780 МПа і σв=1056 МПа і суттєво не змінюються після наступних відпускань при температурі 170, 250 і 330 °C (σ02=750, 880 та 840 МПа і σв=933, 1029 і 952 Мпа). Отримані значення σв є близькими, σ02 - трохи меншими, а 2 UA 110539 C2 5 пластичність основного металу - значно більшою, ніж після термічного поліпшення (загартовання у воді та високого відпускання). Малоциклова довговічність розтягуваних до σн=550 МПа зварних зразків, які перед аустенітизуванням та відпусканням при наведених температурах та перед аустенітизуванням при 880 °C з відпусканням при температурі 250 °C піддавались відпусканню при температурі 450 °C, становить 27,6; 63,1; 47,8-59,6; 33,7 та 67,0 тис. циклів, відповідно. Вона перевищує довговічність 24,0 тис. заправок композитного балона зі зварним термічно поліпшеним корпусом цієї сталі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 1. Спосіб виготовлення композитної посудини, що включає формування і зварювання у стик сталевих опуклих днищ і циліндричної обичайки, у тому числі із труби, зокрема зварної, термічне оброблення звареного корпуса та намотування на його циліндричну частину високоміцних волокон, просочених смолою з наступним її полімеризуванням, який відрізняється тим, що термічне оброблення звареного корпуса здійснюють аустенітизувальним нагріванням не вище Ас3+150 °C з наступним охолодженням на повітрі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перед аустенітизувальним нагріванням звареного корпуса здійснюють відпускання його зварних з'єднань при температурі не нижче 450 °C. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що після аустенітизувального нагрівання і охолодження на повітрі корпус піддають відпусканню при температурі не вище 350 °C. 4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що смолу між високоміцними волокнами, намотаними на термічно оброблений корпус, полімеризують при температурі, що не перевищує температуру його відпускання. 5. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що відпускання оброблюваного корпуса і полімеризування смоли між намотаними на ньому високоміцними волокнами суміщують. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3