Балон комбінований

Реферат: Винахід належить до галузі машинобудування, зокрема до посудин для розміщування або зберігання стиснутих газів і може бути застосований при виготовленні балонів для зберігання, транспортування, використання стиснутих газів. Балон комбінований містить металевий корпус у вигляді зварених в стик циліндричної обичайки і опуклих днищ та зовнішню оболонку у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, які охоплюють циліндричну частину корпуса і скріплені з'єднувачем. Оболонка виконана товщиною переважно 1,00…1,10 добутку товщини корпуса на співвідношення модулів пружності матеріалів корпуса і витків та зворотний коефіцієнт заповнення оболонки витками з потоншенням посередині на 4…6%, шириною 6…100 товщин корпуса, зокрема з кільцевими обривами. Порушення суцільності корпуса балона в межах місцевого потоншення зовнішньої оболонки запобігає вибуховому руйнуванню корпуса з утворенням осколків і їхньому розлітанню, що підвищує безпеку експлуатації балона. UA 108770 C2 (12) UA 108770 C2 UA 108770 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до конструкцій балонів тиску і може бути застосовано при виготовленні балонів для зберігання, транспортування, використання стиснутих газів тощо. Відомо балон із безшовної труби, який включає циліндричну і опуклі днищеві частини 2 [Баллоны стальные малого и среднего объемов для газов на Р≤19,6 МПа (200 кГс/см ), ГОСТ 949-73 и баллоны стальные бесшовные большого объема для газов на Р р 32 и 40 МПа (320 и 2 400 кГс/см ), ГОСТ 12247-80]. Вони характеризуються невисоким співвідношенням місткості до маси, що зумовлено великою товщиною днищевих і підвищеною нерівномірністю товщини циліндричної частин балонів. Відомо балони, які містять обичайку і опуклі днища металічного корпуса, зокрема звареного у стик без підсилення (потовщення) або з пластичним деформуванням швів, та зовнішню оболонку у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу (високоміцного дроту, неметалевих волокон тощо), скріплених між собою і корпусом з'єднувачем - патенти України № 18874 Бюл. № 1, 2000 p., № 82000 Бюл. № 21, 2007 p., патент РФ № 2169880, F17C 1/00, 1/06, B21D 51/16, 51/24. Подібним до зовнішньої оболонки балона є бандаж у способі бандажування дефектної ділянки діючого трубопроводу, який полягає у зачищуванні зовнішньої поверхні трубопроводу, нанесенні ґрунтовки і клейової композиції, намотуванні на трубопровід високоміцного композиційного матеріалу, просоченого клейовою композицією - патент РФ № 2121619, F16L55/16. Виготовлення композитного балона високого тиску може включати виготовлення циліндричної обичайки і двох днищ з виконанням в одному центрального отвору, в який вставляють кільцевий виступ фланця штуцера, приварюючи до нього краї отвору, напресування на краї обичайки і днищ кілець товщиною, порівняльною з товщиною стінки обичайки, оплавлення торців країв обичайки і днищ разом з напресованими на них кільцями, з'єднання днищ з обичайкою у стик електродуговим або електронно-променевим зварюванням та намотування на металічну оболонку ниток армувального композитного матеріалу, просочених смолою, та наступне полімеризування композитного матеріалу в термопечі [патент РФ № 2140602, Бюл. 1999 № 30]. Наведені балони є аналогами. Відомо балон комбінований, який містить металічний корпус у вигляді зварених між собою циліндричної обичайки і опуклих днищ, зокрема із листової сталі, та зовнішню оболонку у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, що охоплює циліндричну частину корпуса та прилеглі до неї ділянки опуклостей днищ, де зовнішня оболонка потовщена на 5…50 % - патент України № 44793, Бюл. № 3, 2002 p., F17C 1/00. Цей балон прийнято за прототип як найбільш близький за суттю та ознаками до запропонованого балона. Недоліком відомої конструкції балона є передчасне руйнування циліндричної частини металевого корпуса або небезпека руйнування днища з утворенням і розлітанням навкруги осколків при експлуатації балона. Технічна задача винаходу полягає в створенні балона комбінованого з підвищеною безпекою експлуатації. Суть винаходу полягає в тому, що в балоні комбінованому, який містить металевий рівнотовщинний корпус у вигляді зварених у стик циліндричної обичайки і напівсферичних днищ та зовнішню оболонку, що охоплює циліндричну частину корпуса, у тому числі з потовщеннями на прилеглих до опуклостей днищ ділянках, у вигляді скріплених з'єднувачем витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, зовнішня оболонка виконана товщиною S об переважно 1,00…1,10 добутку товщини корпуса S к на співввідношення модулів пружності матеріалів корпуса Е к і витків Е в та зворотний коефіцієнт заповнення К з оболонки витками S об  1,00 ...1,10   S к  50 Ек 1  з потоншенням посередині на 4…16 %, шириною 6…100 Ев К з товщини корпуса. Товщина оболонки поза потоншенням становить 1,00…1,10 частки від ділення товщини корпуса на коефіцієнт заповнення оболонки витками з однакового з корпусом металу S об  1,00 ...1,10  Sк або 1,00…1,10 добутку товщини корпуса на співвідношення Кз модулів пружності матеріалів корпуса і оболонки, витки якої виконані з неметалевого 1 UA 108770 C2 волокнистого матеріалу, S об  1,00 ...1,10   S к  Ек , де Е об - модуль пружності матеріалу Е об оболонки. При таких переважній товщині оболонки та її потоншенні відповідні кільцеві напруження  к та  n у циліндричній частині корпуса від внутрішнього тиску газу у балоні к  к ,    0,95...100 дн  становлять 0,95…1,00 та 1,01…1,05 від напружень у опуклостях днищ  дн  5 10 15 20 25 та  n к  101...1,05  . Це зумовлює передування утомного руйнування корпуса в місці ,   дн  потоншення оболонки, де виникнення наскрізних несуцільностей забезпечує повільне зниження тиску і напружень у корпусі та поступове припинення руйнування. При цьому менш напружені днища поза зовнішньою оболонкою руйнування, у тому числі осколковому, не піддаються. Тим самим підвищується безпека експлуатації комбінованого балона. Наявність обривів оболонки в місці потоншення полегшує видалення стиснутого газу із балона через утворені наскрізні несуцільності корпуса, що запобігає некероване пошкодження оболонки. Запропонований балон показано на кресленні. Він містить герметичний металевий корпус А, що складається зі зварених у стик циліндричної обичайки 1 і напівсферичних днищ 2, а також штуцера з фланцем 3, зварених у стик поздовжнім 4 і кільцевими 5 швами. Принаймні по всій циліндричній частині (обичайці та відбортовках днищ) корпус охоплено зовнішньою оболонкою Б у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу 6 (металевих дротів, стрічки, скляних, базальтових волокон тощо), скріплених між собою і корпусом з'єднувачем 7. Оболонка в серединній частині має потоншення 8 і обриви, а по краях - потовщення 9. Під дією змінного тиску газу в умовах експлуатації в балоні виникають змінні розтягові напруження, які призводять до втоми і руйнуванню корпуса в місці найбільшого напруження. Утомне руйнування днища при недосягненні межі плинності, часто раптове і крихке на завершальній стадії, може призводити до утворення та розлітання навкруги осколків. Їх утворення при утомному руйнуванні циліндричної частини корпуса запобігається зовнішньою оболонкою. Оболонка сприяє зниженню кільцевих напружень у циліндричній частині корпуса до к  Pd   Е 2 S к  S об в К з    Ек   поза потоншенням оболонки при незмінності напружень у опуклостях напівсферичних днищ  дн  Pd , де P - тиск газу у балоні, d - внутрішній діаметр 4S к металевого корпуса. При виконанні корпуса і витків оболонки з однакового металу, коли Е к  Е в , кільцеві напруження становлять  к  30 35 Pd . При цьому з'єднувач з 2S к  S об К з  модулем пружності в 30…100 разів меншим, ніж у матеріалу витків, практично не впливає на зниження кільцевих напружень, а забезпечує цільність оболонки, запобігає її розпушуванню і сповзанню витків з корпуса при змінному тиску у балоні, захищає витки від безпосереднього негативного зовнішнього впливу (механічного, атмосферного тощо). Витки з неметалевого матеріалу, які, зазвичай, складаються з надтонких неоднаково розтягуваних волокон і добре просочуються з'єднувачем з високою адгезією, утворюють з останнім суцільний неметалевий матеріал оболонки. Його коефіцієнт заповнення волокнами складно визначити. Тому в розрахунковій формулі к  Е об який визначають механічними випробуваннями. 2 Pd  Е 2 S к  S об об  Ек      замінено Е в  К з на UA 108770 C2 При рекомендованій переважній товщині оболонки S об і її потоншенні шириною В=(6…100) S об  Sn об  4...16 % S об S к ( S n - товщина оболонки в потоншенні) кільцеві напруження у об циліндричній частині корпуса від змінного тиску в балоні становлять відповідно 1,00…0,95 і  к  n   0,95...1,00 та к  1,01...1,05  . Це 1,01…1,05 від напружень у опуклостях днищ    дн  дн  5 10 зумовлює передуюче утворення і зосередження утомних наскрізних пошкоджень корпуса в межах потоншення оболонки, довільне зниження тиску і напружень та уникнення руйнування менш напружених неохоплених оболонкою днищ. При відсутності потоншення оболонки рекомендованої переважної товщини утомному руйнуванню з можливим утворенням і розлітанням осколків піддається одне з днищ. Недосягнення або перевищення рекомендованої переважної товщини оболонки при менших за 1,00 або більших за 1,10 значеннях цифрового множника С перед добутками або часткою у формулах визначення S об призводить до перевищення кільцевими напруженнями напружень у опуклостях днищ  к      1,00 або надмірного підсилення корпуса  к  0,95 з      дн   дн  перевитратами матеріалів на оболонку. Потоншення оболонки менше за 4 % може бути 15 , недостатнім для місцевого підвищення кільцевих напружень до  к  101 дн від внутрішнього n тиску у балоні з нівелюванням відмінності опору утомі металу днищ і обичайки, неоднаково оброблених перед зварюванням. Перевищення 16 % потоншення оболонки викликає надмірне  n  к  1,05  і відповідно передчасне утомне руйнування    дн  місцеве перенапруження корпуса  20 25 30 35 40 циліндричної частини корпуса комбінованого балона при змінному тиску. При цьому співвідношення напружень у корпусі та місце його руйнування не залежить від розмірів корпуса і внутрішнього тиску у комбінованому балоні. Збільшення кільцевих напружень у корпусі в результаті потоншення оболонки послаблюється по краях останнього на ширині 2…2,5 товщини корпуса. Тому для належного місцевого перенапруження корпуса ширина потоншення має бути не меншою за 6 товщин його стінки. Ширина потоншення більша за 100 товщин корпуса недоцільна через невиправдане збільшення робіт з можливого відновлення балона. Кількість потоншень оболонки може бути 1 і більше в залежності від довжини корпуса, необхідності і зручності періодичного огляду балона та виконання ремонтних робіт. Для полегшення довільного видалення стиснутого газу з балона при порушенні герметичності корпуса і зменшення пошкодження оболонки в межах її потоншення виконані кільцеві обриви. Прикладом запропонованої конструкції є балони комбіновані внутрішнім діаметром 206 і 881 мм під робочий тиск 19,6 МПа. Корпус балона складено із циліндричної звальцьованої обичайки внутрішнім діаметром 206 і 881 мм з товщиною стінки 3,5 і 16,5 мм і двох штампованих напівсферичних днищ такої самої товщини із листових сталей 30ХГСА і X100 з модулем пружності Ек=200 ГПа, а також штуцера з фланцем. Складові корпуса зварено у стик вольфрамовим електродом у середовищі аргону і під флюсом. Його циліндричну частину (обичайку і відбортовки днищ) охоплено оболонкою у вигляді намотаних витків сталевого і титанового дротів з модулем пружності Ев=200 і 110 ГПа (коефіцієнт заповнення оболонки Кз=0,7) та склоровінгу (джгуту з ниток неперервних скловолокон), просочуваних рідкою епоксидною смолою під час намотування і скріплених після її полімеризації (модуль пружності смоли 2,8…3,2 Гпа). Просоченням і скріпленням епоксидною смолою скляних волокон витків ровінгу утворено склопластикову оболонку з модулем пружності Еоб=60 ГПа. Посередині оболонка має потоншення S об  S n об S об на 4,0…15,9 % шириною B    S  6,0...100,0  у балонах з корпусом товщиною 3,5 мм та В=150 мм   к  45 корпусом товщиною 16,5 мм. 3 В=21…350 мм B    9,1 у балоні з S   к  UA 108770 C2 У таблиці наведено розмірно-напружені характеристики різних варіантів балонів двох типорозмірів. Варіанти 1…6 відповідають запропонованому винаходу, та як при дотриманні цифрових множників С=1,00…1,10 перед добутками S к  Ек Ек 1 S  і Sк  - та часткою к Е об Ев К з Кз при визначенні Еоб та місцевого потоншення оболонки на 4,0…15,9 % шириною 6…100 5 товщини корпуса к / дн  0,95 ...100 , забезпечуються n /  дн  1016 ...105 , , к та від внутрішнього тиску в балоні, чим запобігається осколкове руйнування днищ. Варіанти балонів 7…10 є позамежними за переважною товщиною і потоншенням зовнішньої оболонки. Недосягнення рекомендованих значень переважної товщини оболонки (С=0,97) у варіанті 7 зумовлює загальне і місцеве перенапруження циліндричної частини корпуса відносно днищ 10 , (  к  1016   дн і n  106   дн ) та передчасне утомне руйнування при змінному , к навантаженні комбінованого балона. У варіанті 8 надмірна товщина зовнішньої оболонки (С=1,12) є причиною зниження кільцевих напружень до к  0,94   дн і к  0,97   дн з n 15 виникненням ймовірності осколкового руйнування більш напруженого днища металевого корпуса. Подібний напружений стан корпуса комбінованого балона має місце у варіанті 9, коли потоншення оболонки на 3,2 % менше рекомендованого. Потоншення на 16,4 % зовнішньої оболонки балона у варіанті 10, яке перевищує рекомендоване, зумовлює суттєве невиправдане збільшення місцевих кільцевих напружень у корпусі та передчасне його втомне руйнування. Наведені у таблиці поєднання параметрів комбінованих балонів свідчать про переважну їх , ефективність для підвищення безпеки експлуатації ( к /  дн  101 стосовно варіантів 1…7 і n 20 10), суть винаходу виявляється у варіантах 1…6. Балон комбінований запропонованої конструкції має високу працездатність і безпеку експлуатації при статичному і малоцикловому навантаженнях внутрішнім тиском. Таблиця Корпус Варіант Сталь Зовнішня оболонка Sк , 1 30ХГСА мм 3,5 2 -« -« 3 Х100 16,5 4 5 6 7 8 9 10 30ХГСА -«-«-«-«-«-« 3,5 -«-«-«-«-«-« Матеріал витків Склоровінг Дріт титановий Дріт сталевий Склоровінг -«-«-«-«-«-« С Е в (Е об ) , S об , 1,00 ГПа (60) мм 11,7 1,05 110 1,06 1,07 1,08 1,10 0,97 1,12 1,08 1,05 n S n , S об  S об , % В, об мм мм S об B Sк 11,2 4,2 350 100,0 9,5 8,8 7,4 100 28,6 200 25,0 22,0 12,0 150 9,1 (60) -«-«-«-«-«-« 12,5 12,6 12,8 11,3 13,1 12,6 12,2 11,0 10,6 10,9 10,3 12,3 12,2 10,2 4,0 15,9 14,8 8,8 6,1 3,2 16,4 100 100 21 100 100 350 100 28,6 28,6 6,0 28,6 28,6 100,0 28,6 Таблиця (продовження) Напруження у корпусі при Р=19,6 МПа Варіант  дн , МПа  к , МПа  n , МПа к  к /  дн  n /  дн к 1 2 3 4 5 6 7 8 288,4 -«261,6 288,4 -«-«-«-« 288,0 281,9 253,9 278,4 277,3 274.6 293,0 271,7 294,3 293,0 270,6 296,9 302,2 298,2 306,3 280,8 ≈1,00 0,98 0,97 0,965 0,96 0,95 1,016 0,94 1,02 1,016 1,03 1,03 1,048 1,03 1,06 0,97 4 UA 108770 C2 Таблиця (продовження) 9 -«277,3 281,9 0,96 10 -«281,9 307,7 0,98 С - цифровий множник перед добутками або часткою у формулах визначення Sоб. 0,98 1,07 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Балон комбінований, який містить металевий рівнотовщинний корпус у вигляді зварених у стик циліндричної обичайки і напівсферичних днищ та зовнішню оболонку, що охоплює циліндричну частину корпуса, у тому числі з потовщеннями на прилеглих до опуклостей днищ ділянках, у вигляді скріплених з'єднувачем витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, який відрізняється тим, що зовнішня оболонка виконана товщиною переважно 1,00…1,10 добутку товщини корпуса на співвідношення модулів пружності матеріалів корпуса і витків та зворотний коефіцієнт заповнення оболонки витками з потоншенням посередині на 4…16 %, шириною 6…100 товщин корпуса, зокрема з кільцевими обривами. 2. Балон за п. 1, який відрізняється тим, що переважна товщина оболонки становить 1,00…1,10 частки від ділення товщини корпуса на коефіцієнт заповнення оболонки витками з однакового з корпусом металу. 3. Балон за п. 1, який відрізняється тим, що переважна товщина оболонки становить 1,00…1,10 добутку товщини корпуса на співвідношення модулів пружності матеріалів корпуса і оболонки, витки якої виконані з неметалевого волокнистого матеріалу. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5