Результат интеллектуальной деятельности: БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к комбинированным баллонам высокого давления из композитных материалов и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов.

Известен комбинированный баллон высокого давления (патент РФ №2118745, F17C 1/06, F17C 1/06, F16J 12/00, опубл. 10.09.1998), состоящий из соединенных между собой обечайки из композиционного материала и металлических днищ с помощью ленточной резьбы, выполненной на внутренней поверхности цилиндрической части днищ и наружной поверхности обечайки. На торцах днищ со стороны обечайки в зоне окончания резьбы выполнены кольцевые канавки, в которых защемлены торцы обечайки и установлены уплотнительные кольца из эластичного материала. При этом обеспечивается герметизация узла соединения и повышение его прочности. Однако выполнение днищ баллона металлическими приводит к утяжелению баллона, а резьбовые соединения днищ с обечайкой усложняют технологию изготовления и не позволяют использовать баллон на высокое давление.

Известен баллон (патент РФ №2180948, F17C 1/06, опубл. 27.03.2002), состоящий из герметичного лейнера, на котором выполнена силовая оболочка из армированного композиционного материала с использованием связующего. При формировании силовой оболочки предварительно изготовленный армирующий плетеный каркас надевают на лейнер, края каркаса закрепляют на фланцах лейнера, пропитывают каркас полимерным связующим и устанавливают на фланцы лейнера прижимные гайки. К недостаткам изобретения относятся сложность и достаточная трудоемкость при изготовлении баллона, при этом баллон рассчитан на сравнительно низкие давления.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является металлопластиковый баллон высокого давления (патент РФ №2310120, F17C 1/00, F17C 1/02, F17C 1/10, опубл. 10.11.207), который содержит металлический лейнер, имеющий цилиндрическую часть и днища, при этом цилиндрическая часть в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения. На цилиндрическую поверхность лейнера наносят антикоррозионное покрытие и создают упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала, выполненную из ленты, пропитанной связующим и намотанной с натяжением и перекрытием каждого витка ленты. К недостаткам изобретения относятся выполнение днищ утолщенными, что приводит к увеличению веса баллона, а также сложная технология изготовления за счет применения ротационной холодной вытяжки и последующей термообработки и высокая себестоимость.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении технологии изготовления баллона высокого давления, обеспечении высокой прочности и надежности баллона при циклических нагрузках, уменьшении его массы и снижении себестоимости.

Поставленная задача решается за счет того, что в баллоне высокого давления, содержащем лейнер, включающий днища и обечайку, выполненную с антикоррозионным покрытием и охваченную наружной оболочкой в виде спиральных витков ленты армирующего материала, намотанных с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием связующего, согласно изобретению лейнер выполнен из композитного материала толщиной, выдерживающей в продольном направлении по меньшей мере расчетное рабочее давление баллона, а наружная оболочка выполнена из стальной ленты с обеспечением в окружном направлении лейнера усилий, по меньшей мере равных половине расчетного рабочего давления баллона. Кроме того, витки армирующей ленты расположены в шахматном порядке.

Баллон высокого давления содержит лейнер, выполненный из композитного материала по существующей технологии, обечайка которого охвачена наружной оболочкой в виде спиральных витков стальной ленты армирующего материала. Витки стальной ленты намотаны с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием связующего. Композитный материал, из которого выполнен лейнер, имеет высокие механические свойства, например до 2000 МПа на разрыв и низкий удельный вес - до 2000 кГ/т, что уменьшает массу лейнера в 3÷4 раза по сравнению с металлическим лейнером при сохранении необходимой прочности. При этом лейнер выполнен толщиной, выдерживающей в продольном направлении по меньшей мере расчетное рабочее давление баллона. Выполнение наружной оболочки из стальной ленты с механическими свойствами, в частности до 1500 МПа на разрыв, обеспечивает в окружном направлении лейнера усилия, по меньшей мере равные половине расчетного рабочего давления баллона. Предлагаемая конструкция баллона обеспечивает высокую прочность и надежность баллона при циклических нагрузках, снижение массы баллона и его безосколочное разрушение. Применение в качестве армирующего материала стальной ленты позволяет снизить трудоемкость намотки и себестоимость, т.к. стальная лента намного дешевле композитного материала. Расположение витков стальной ленты в шахматном порядке позволяет увеличить силы сопротивления в продольном направлении лейнера и за счет этого уменьшить толщину стенки композитного лейнера на 8÷10%.

Изобретение иллюстрируется рисунком, на котором показан заявляемый баллон в разрезе, содержащий лейнер 1, наружную оболочку 2 и закладную горловину 3. Лейнер 1 выполнен герметичным из композитного материала по любой существующей технологии, обечайка лейнера выполнена с антикоррозионным покрытием и охвачена наружной оболочкой 2 в виде спиральных витков стальной ленты армирующего материала, намотанных с натяжением и перекрытием каждого витка, при этом намотка стальной ленты осуществлена с использованием связующего.

Пример выполнения. При выполнении баллона предлагаемой конструкции диаметром 219 мм лейнер был изготовлен из композитного материала, например из стекловолокна, по любой существующей технологии. Обечайка лейнера охвачена наружной оболочкой, выполненной путем мокрой намотки по спирали вдоль оси баллона стальной ленты шириной 15 мм и толщиной 0,1 мм с высокими механическими свойствами, например пределом прочности 2000 МПа. Витки стальной ленты намотаны с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием антикоррозионного и связующего материалов, в частности полиэпоксидных смол. Для баллона диаметром 219 мм толщина стенки лейнера из композитного материала составляла 3,5 мм, стальную лену намотали в 10 слоев, и конец стальной ленты закрепили, например, точечной сваркой. После сушки антикоррозионного и связующего материалов провели циклические испытания баллона и испытания на разрушение. Циклические испытания баллон выдержал, а разрушение баллона произошло в соответствии с требованиями нормативных документов. В процессе испытаний был определен вес предлагаемого баллона, который составил 28,5 кг, а вес стального баллона такой же вместимости - 56 кг, что обеспечило снижение веса в 1,9 раза.

Использование предлагаемой конструкции баллона высокого давления позволит упростить технологию изготовления баллона, снизить массу баллона, себестоимость изготовления за счет применения намотки из стальной ленты и обеспечить безопасную эксплуатацию.