RU193002U1 - COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER - Google Patents
COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER Download PDFInfo
- Publication number
- RU193002U1 RU193002U1 RU2019118648U RU2019118648U RU193002U1 RU 193002 U1 RU193002 U1 RU 193002U1 RU 2019118648 U RU2019118648 U RU 2019118648U RU 2019118648 U RU2019118648 U RU 2019118648U RU 193002 U1 RU193002 U1 RU 193002U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liner
- shell
- bottoms
- ratio
- reinforcing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
- F17C1/02—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge involving reinforcing arrangements
- F17C1/04—Protecting sheathings
- F17C1/06—Protecting sheathings built-up from wound-on bands or filamentary material, e.g. wires
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области газовой аппаратуры и может быть применена к баллонам давления, используемым, в частности, в автомобильной технике и других приложениях. Техническим результатом является обеспечение относительно однородной структуры и толщин материала свариваемых частей оболочки лейнера и исключение их влияния на деформативность сварного шва и на работоспособность конструкции баллона в целом; исключение ориентированных микротрещин и остаточных напряжений в материале полуфабрикатов днищ лейнера при их изготовлении; выполнение при нагружении условия совместимости деформаций материалов в локальной зоне сварных швов; обеспечение жесткости композитной оболочки в зоне сварного шва лейнера с целью ее оптимизации с учетом полного исключения нагружения сварного шва рабочем давлении. Технический результат устройства достигается тем, что металлокомпозитный баллон высокого давления для хранения сжатого натурального газа, содержащий равнотолщинный сваренный тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей стали в виде пустотелой обечайки с профильными днищами, контактирующими и приваренными по крайней мере в одном из днищ по периметру проходного отверстия полюсными штуцерами, и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией семейств слоев высокомодульных и высокопрочных нитей разнородных армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, при этом материал профильных днищ лейнера по всему объему днища имеет аустенитную микроструктуру, содержащую, по меньшей мере, не более 18 об. % смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе, а срединная часть обечайки лейнера выполнена как единое целое в виде двух слабоконических оболочек с уклоном не более 3° (%) в сторону днищ, и ее материал имеет по всему объему аустенитную микроструктуру и отношение его предельного удлинения к предельному удлинению материала лейнера на днищах составляет 1.5-2, при этом силовая композитная оболочка выполнена как минимум из трех разнородных семейств армирующих нитей образующих днища и семейства армирующих нитей кольцевого армирования на срединной части, удовлетворяющих условиям, что отношение мембранной жесткости металлической обечайки к суммарной мембранной жесткости силовой оболочки в осевом направлении составляет 0.03-0.32, а аналогичное отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.14-0.15, при этом мощность армирования высокомодульных нитей армирующего материала в первом семействе спирального направления соответствует условию, что отношение его мембранной жесткости в осевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.5-0.51, а соответствующее отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.016-0.017, и аналогичные соотношения для мощностей армирования второго и третьего семейств составляют 0.42, 0.033-0.034 и 0.08, 0.078 соответственно, а для семейства нитей кольцевого армирования отношение его мембранной жесткости в кольцевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.870-0.872. 1 ил.The utility model relates to the field of gas equipment and can be applied to pressure cylinders used, in particular, in automotive engineering and other applications. The technical result is the provision of a relatively uniform structure and thickness of the material of the welded parts of the liner shell and the exclusion of their influence on the deformability of the weld and on the operability of the cylinder structure as a whole; the exception of oriented microcracks and residual stresses in the material of the semi-finished products of the bottoms of the liner during their manufacture; compliance with loading conditions for compatibility of deformations of materials in the local zone of welds; ensuring the rigidity of the composite shell in the zone of the weld seam of the liner in order to optimize it, taking into account the complete exclusion of the loading of the weld seam working pressure. The technical result of the device is achieved in that a metal composite high-pressure cylinder for storing compressed natural gas containing an equal-thickness welded thin-walled sealing liner made of stainless steel in the form of a hollow shell with profile bottoms contacting and welded in at least one of the bottoms along the perimeter of the passage opening with pole fittings , and an outer sheath made of a composite material formed by a combination of families of layers of high modulus and high strength filaments homogeneity reinforcing materials, oriented in a spiral and circumferential directions, wherein the core material of the bottoms of the liner over the entire volume of the bottom has an austenitic microstructure comprising, at least, not more than 18 vol. % of a mixture of fine-grained lower bainite and fine-grained mesh martensite when viewed in a transverse section, and the middle part of the liner shell is made as a unit in the form of two weakly conical shells with a slope of no more than 3 ° (%) towards the bottoms, and its material has an austenitic volume throughout the microstructure and the ratio of its maximum elongation to the maximum elongation of the liner material on the bottoms is 1.5-2, while the power composite shell is made of at least three heterogeneous families of reinforcing threads forming bottoms and families of reinforcing rings of circular reinforcement on the middle part, satisfying the conditions that the ratio of the membrane stiffness of the metal shell to the total membrane stiffness of the power shell in the axial direction is 0.03-0.32, and the similar ratio of membrane stiffness in the ring direction is 0.14-0.15, while the reinforcement power of high-modulus threads of reinforcing material in the first family of spiral directions corresponds to the condition that the ratio of its membrane stiffness in the axial direction to the sum membrane stiffness of the composite shell in the same direction is 0.5-0.51, and the corresponding ratio of membrane stiffnesses in the ring direction is 0.016-0.017, and the corresponding ratios for the reinforcing capacities of the second and third families are 0.42, 0.033-0.034 and 0.08, 0.078, respectively, and for of a family of filaments of circular reinforcement, the ratio of its membrane stiffness in the annular direction to the total membrane stiffness of the composite shell in the same direction is 0.870-0.872. 1 ill.
Description
Полезная модель относится к области газовой аппаратуры, а именно к композитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в системах газообеспечения автомобильной промышленности и других отраслях.The utility model relates to the field of gas equipment, namely to composite high-pressure cylinders used, in particular, in gas supply systems of the automotive industry and other industries.
Выпускаемые в настоящее время металлокомпозитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера жгутов высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного связующим.Currently produced metal composite high-pressure cylinders contain an internal thin-walled metal hermetic shell - a liner and an external power shell of composite material formed by winding on the surface of the liner bundles of high-modulus fibers (for example, carbon fiber) impregnated with a binder.
Известны многочисленные примеры создания баллонов и емкостей давления из композиционного материала с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см. патенты: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567).Numerous examples are known of creating cylinders and pressure vessels from a composite material using a metal liner from various alloys (see patents: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567).
Известны также многочисленные примеры создания композитных сосудов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см. патенты US 3066822, US 3446385, US 5292 027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695. RU 2077682. RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1161846, EP 0497687, US 5287988).Numerous examples are also known of creating composite pressure vessels using thin-walled metal liners from various alloys (see US patents 3066822, US 3446385, US 5292 027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695. RU 2077682. RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1161846, EP 0497687, US 5287988).
Практическая привлекательность сосудов или емкостей с корпусом из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом, легко транспортируются и способны выдерживать значительное давление при многократной цикличности нагружения.The practical attractiveness of vessels or containers with a housing made of composite material lies in the fact that they have a sufficiently low weight, are easily transported and are able to withstand significant pressure with multiple loading cycles.
Способом изготовления таких конструкций, как правило, является метод намотки нитью, который достаточно подробно рассмотрен в ряде патентной и технической литературы. (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология аэрокосмических конструкций из композиционных материалов, М, Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998, 516 с.; Композиционные материалы, Справочник, Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского - М, Машиностроение, 1990-512 с.; Композиционные материалы, Т 1-7, (пер. с англ.) Под ред. Л Браутмана, Р Крока, М. Машиностроение, 1978; Справочник по композиционным материалам (пер. с англ.)/ Под ред. Дж. Любина. М. Машиностроение, 1988; Балакирев B.C. и др. Автоматизированные производства изделий из композиционных материалов. - М.: Химия, 1990; Образцов И.О., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционного материала. Москва, Машиностроение, 1977).A method of manufacturing such structures, as a rule, is the method of winding with thread, which is discussed in sufficient detail in a number of patent and technical literature. (Bulanov I.M., Vorobey V.V. Technology of aerospace structures from composite materials, M, Publishing House of MSTU named after N.E.Bauman, 1998, 516 p .; Composite materials, Reference, Edited by V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky - M, Mechanical Engineering, 1990-512 pp .; Composite materials, T 1-7, (translated from English) Edited by L. Brautman, R Kroka, M. Mechanical Engineering, 1978; Reference composite materials (translated from English) / Edited by J. Lubin. M. Mechanical Engineering, 1988; Balakirev BC et al. Automated Production of Products from Composite Materials. - M.: Chemistry, 1990; Samples I.O., Vasiliev V.V., Bunakov V.A. Optimal reinforcement of shells of revolution made of composite material (Moscow, Mashinostroenie, 1977).
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам высокого давления, приоритетными являются: снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона в любых условиях эксплуатации. Также приоритетным являются снижение его производственной цены.Among the requirements for high-pressure gas cylinders, the priority ones are: reducing the specific material consumption of the cylinder, determined by the ratio of the mass of the cylinder to its volume, and ensuring a high resource in the number of loading cycles for safe operation of the cylinder in any operating conditions. Another priority is to reduce its production price.
Однако, решения по конструкции баллонов, предлагаемые в вышеуказанных патентах, не полностью обеспечивают выполнение главных задач: обеспечение надежности при большой цикличности нагружения его высоким давлением при минимально возможном весе и стоимости изготовления соизмеримой или ниже, чем у цельнометаллических баллонов.However, the design decisions for the cylinders proposed in the above patents do not fully ensure the fulfillment of the main tasks: ensuring reliability with high cyclic loading by its high pressure at the lowest possible weight and manufacturing cost comparable or lower than that of all-metal cylinders.
Первому из указанных выше требований, в частности, не отвечают известные металлопластиковые баллоны со сварными и штампованно-сварными стальными лейнерами, содержащими среднюю цилиндрическую часть и приваренные к ней два днища, по крайней мере, одно из которых снабжено штуцером, соединенным с днищем сварным швом.The first of the above requirements, in particular, does not meet the well-known metal-plastic cylinders with welded and stamped-welded steel liners containing the middle cylindrical part and two bottoms welded to it, at least one of which is equipped with a fitting connected to the bottom by a weld.
Для повышения надежности такого рода баллонов, предлагаются конструктивные решения исполнения, представленные в патентах RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, RU 2001115743, RU 2000131724, RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, ЕР 0497687.To increase the reliability of such cylinders, structural solutions are proposed, which are presented in the patents RU 2077682, RU 2255829, RU 2140602, RU 2001115743, RU 2000131724, RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, GB 1161846, EP 0497687.
В данном случае в конструкциях рассматривается то, что лейнер выполнен из стали с толщиной стенок 0,5-0,9 мм, при этом он выполнен сварным и содержит среднюю цилиндрическую часть и две донные части, соединенные со средней посредством подкладных колец.In this case, the designs consider that the liner is made of steel with a wall thickness of 0.5-0.9 mm, while it is welded and contains a middle cylindrical part and two bottom parts connected to the middle by means of washer rings.
Практически аналогичные решения предлагаются в заявках и патентах WO 200522026,WO 2005075880, US 34463 85, WO 2005106894.Almost similar solutions are proposed in applications and patents WO 200522026, WO 2005075880, US 34463 85, WO 2005106894.
В конструкции баллона по заявке RU 2001115743 для металлопластикового баллона высокого давления, содержащего композитную оболочку и тонкостенный металлический лейнер, поставленная задача решается тем, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2%) и деформации упругости металла (0.2%), вес конструкции и ее стоимость имеют очень высокие значения, что делает баллон данной конструкции практически не конкурентоспособным с металлическими аналогами.In the design of the container according to the application RU 2001115743 for a high-pressure metal-plastic container containing a composite shell and a thin-walled metal liner, the problem is solved in that the liner wall thickness and the thickness of the composite shell are selected from the condition that the main supporting element of the cylinder is a composite shell and the material is metallic the liner at operating pressure is in the field of elastic deformation. The disadvantage of this solution is that due to the large difference in the values of the ultimate strain of fracture of the composite (up to 2%) and the strain of elasticity of the metal (0.2%), the weight of the structure and its cost are very high, which makes the cylinder of this design almost uncompetitive with metal counterparts.
Практически аналогичное решение предлагается по заявке RU 2000131724.Almost a similar solution is proposed by application RU 2000131724.
В конструкциях баллонов по заявкам и патентам RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, RU 2094695, GB 1161846, ЕР 0497687 предлагается использование металлического лейнера, выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер. Кроме того, лейнер может быть снабжен дополнительными кольцами и кольцевыми ребрами жесткости, установленными в кольцевых гофрах с наружной стороны и возможностью перемещения их по кольцу.In the design of cylinders according to applications and patents RU 2094695, RU 2000123739, RU 2187746, RU 2094695, GB 1161846, EP 0497687 the use of a metal liner made with longitudinal and ring corrugations is proposed. In this case, the outer cavities of the longitudinal corrugations can be filled with elastic material. As an elastic material, an elastomer is used. In addition, the liner can be equipped with additional rings and ring stiffeners installed in the ring corrugations from the outside and the ability to move them around the ring.
Наличие металлического лейнера в конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, т.е. выбора оптимального соотношения толщины стенки лейнера и толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днищ лейнера.The presence of a metal liner in the design of the cylinder requires solving the problem of optimal design of the combined structure, i.e. choosing the optimal ratio of the liner wall thickness to the thickness of the composite, choosing the appropriate composite reinforcement scheme and choosing the appropriate profile shape of the liner bottoms.
Известный, принятый за прототип, металлопластиковый баллон высокого давления по патенту RU 2353851 С1, 27.04.2009, содержит штампованно-сварной герметичный стальной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала. Лейнер содержит среднюю цилиндрическую часть, два днища и имеет толщину стенок, равную (0.5-0.9) мм. Днища соединены со средней частью посредством сварки с обеспечением гладкой внешней поверхности лейнера в месте сварного шва.The well-known, adopted as a prototype, high pressure metal-plastic cylinder according to patent RU 2353851 C1, 04/27/2009, contains a stamped-welded sealed steel liner and an external power shell made of composite material. The liner contains the middle cylindrical part, two bottoms and has a wall thickness equal to (0.5-0.9) mm. The bottoms are connected to the middle part by welding to ensure a smooth outer surface of the liner in place of the weld.
Для изготовления лейнера используют стальную заготовку из тонкого листового проката. Цилиндрическую часть лейнера получают из листовой стальной заготовки, свернутой в цилиндр и сваренной встык, например, электронно-лучевой сваркой. Днища выполняют известным методом холодной вытяжки из того же листового проката. При этом, поскольку глубина днищ незначительна, как правило, не более 0.32 наружного диаметра, то деформации вытяжки незначительны.For the manufacture of the liner using a steel billet of thin sheet metal. The cylindrical part of the liner is obtained from sheet steel billets rolled into a cylinder and butt welded, for example, by electron beam welding. The bottoms are performed by the known method of cold drawing from the same sheet metal. Moreover, since the depth of the bottoms is insignificant, as a rule, no more than 0.32 of the outer diameter, the deformation of the hood is insignificant.
В подавляющем большинстве случаев аварийного выхода из строя баллонов с такого рода конструкцией являются сочетания неблагоприятных условий, связанных с технологией изготовления отдельных элементов лейнера.In the vast majority of cases of emergency failure of cylinders with this kind of design are combinations of adverse conditions associated with the manufacturing technology of individual elements of the liner.
В процессе изготовления составляющих конструкции лейнера (днища, трубка), как правило, используются технологические операции, связанные с пластическим деформированием (вытяжка, штамповка, прокатка и др.) их материала.In the manufacturing process of the components of the liner structure (bottom, tube), as a rule, technological operations associated with plastic deformation (drawing, stamping, rolling, etc.) of their material are used.
Общеизвестно, что пластическая деформация материала влияет и на изменение его физических и некоторых химических свойств. Известно, что при вытяжке (штамповке) с ростом степени деформации материалов их условный предел текучести σ 0,2 и предел прочности σ возрастают, а показатели пластичности (относительные удлинение δ и сужение ψ) снижаются тем значительней, чем ниже энергия дефектов упаковки материала. Наиболее интенсивное упрочнение характерно для металлов и сплавов аустенитных сталей, никеля. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (предел прочности увеличивается в 1,5…3 раза, а предел текучести - в 3…7 раз). У сильноупрочненных металлов иссякает запас пластичности. Такое состояние является предельным, и при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Упрочнение повышает химическую активность металлов, они легче растворяются в кислотах и склонны к коррозионному растрескиванию.It is well known that plastic deformation of a material also affects the change in its physical and certain chemical properties. It is known that during drawing (stamping) with an increase in the degree of deformation of materials, their conditional yield strength σ 0.2 and tensile strength σ increase, and the ductility indexes (relative elongation δ and narrowing ψ) decrease the more, the lower the energy of packing defects of the material. The most intense hardening is characteristic of metals and alloys of austenitic steels, nickel. With an increase in the degree of deformation, the yield strength increases faster than the tensile strength (tensile strength increases by 1.5 ... 3 times, and the yield strength by 3 ... 7 times). In highly hardened metals, the supply of plasticity is running out. This state is extreme, and when you try to continue the deformation, the metal is destroyed. Hardening increases the chemical activity of metals, they dissolve more easily in acids and are prone to corrosion cracking.
Степень изменения свойств материалов при пластическом деформировании можно косвенно оценивать по изменению их фазовой структуры. На первых этапах вытяжки заготовок из стали аустенитного класса (деформации не превышает 4%) в микроструктуре материала присутствие α' мартенсита практически не наблюдается. При увеличении деформации от 4% до 8% можно наблюдать зарождение мартенсита на границах аустенитных зерен. На более высоких уровнях деформаций глубокой вытяжки, (деформации более 28%) объемная доля деформационного мартенсита α' близка к 60%, что приводит к замедленному трещинообразованию в перерабатываемых аустенитных нержавеющих сталях. Например, при вытяжке заготовок днищ в зоне большего диаметра металл практически становится мартенситной структуры и теряет на 50-90% пластичность. Деформационный мартенсит α', возникающий в материале, приводит к повышению механической прочности и снижению пластичности материала и в конечном итоге к существенному снижению его малоцикловой усталости. Следует отметить, что изменение характеристик (прочности, упругости, мартенситной структуры) материла не равномерно по длине образующей поверхности получаемой детали.The degree of change in the properties of materials during plastic deformation can be indirectly estimated by a change in their phase structure. At the first stages of the extraction of billets from austenitic steel (deformation does not exceed 4%), the presence of α 'martensite is practically not observed in the microstructure of the material. With an increase in deformation from 4% to 8%, martensite nucleation can be observed at the boundaries of austenitic grains. At higher levels of deep drawing deformations (deformations of more than 28%), the volume fraction of deformation martensite α 'is close to 60%, which leads to delayed crack formation in the processed austenitic stainless steels. For example, when the bottom blanks are drawn in a zone of a larger diameter, the metal practically becomes a martensitic structure and loses plasticity by 50-90%. The deformation martensite α 'arising in the material leads to an increase in mechanical strength and a decrease in the ductility of the material and, ultimately, to a substantial decrease in its low-cycle fatigue. It should be noted that the change in the characteristics (strength, elasticity, martensitic structure) of the material is not uniform along the length of the forming surface of the resulting part.
Упрочненный металл запасает 5…10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование структурных дефектов и на упругие искажения решетки. Деформация в поликристаллических материалах развивается неоднородно, так как отдельные зерна имеют различную ориентировку и не находятся при деформировании в поле одноосной системы напряжений. Деформация неравномерно распределяется не только в объеме материала между зернами, но и внутри зерен и отдельных дефектов. Из-за неоднородности деформации в металлах возникают различного уровня внутренние остаточные напряжения.Hardened
Как уже отмечалось, особенностью конструкции такого рода баллонов является то, что при нагружении их внутренним давлением в материале лейнера и материалах композитной оболочки могут возникать деформации различного уровня. При этом, если в окружном направлении выполняется совместность (равенство) деформаций в материале лейнера и композитной оболочки, то в осевом направлении это условие не всегда выполнимо в силу возможности проскальзывания лейнера относительно композитной оболочки. Как правило, данные проскальзывания происходят по цилиндрической части и приводят к их локализации в зоне сварного соединения, что так же приводит к существенному снижению усталостной прочности баллона.As already noted, the design feature of these types of cylinders is that, when they are loaded with internal pressure, strains of various levels can occur in the liner material and composite shell materials. Moreover, if in the circumferential direction the compatibility (equality) of deformations in the material of the liner and the composite shell is fulfilled, then in the axial direction this condition is not always feasible due to the possibility of slipping of the liner relative to the composite shell. As a rule, these slippage occur along the cylindrical part and lead to their localization in the weld zone, which also leads to a significant decrease in the fatigue strength of the cylinder.
Базируясь на данном анализе в основу настоящего технического решения, как устройства, положена задача создать металлопластиковый баллон высокого давления, позволяющий максимально исключить отмеченные недостатки при его изготовлении и тем самым повысить ресурс баллона по числу циклов нагружения при сохранении невысокой удельной материалоемкости и трудоемкости изготовления баллона.Based on this analysis, the basis of this technical solution, as a device, is the task of creating a high-pressure metal-plastic cylinder, which allows us to maximally eliminate the noted drawbacks in its manufacture and thereby increase the resource of the cylinder by the number of loading cycles while maintaining a low specific material consumption and laboriousness of manufacturing the balloon.
Техническим результатом предлагаемого устройства является обеспечение относительно однородной структуры и толщин материала свариваемых частей оболочки лейнера.The technical result of the proposed device is to provide a relatively uniform structure and thickness of the material of the welded parts of the liner shell.
Это позволяет обеспечить:This allows you to provide:
- исключение влияния на деформативность сварного шва и на работоспособность конструкции баллона в целом;- the exclusion of the effect on the deformability of the weld and on the performance of the design of the container as a whole;
- исключение ориентированных микротрещин и остаточных напряжений в материале полуфабрикатов днищ лейнера при их изготовлении;- the exclusion of oriented microcracks and residual stresses in the material of the semi-finished products of the bottoms of the liner during their manufacture;
- выполнение при нагружении условия совместимости деформаций материалов в локальной зоне сварных швов;- compliance with loading conditions for compatibility of deformations of materials in the local zone of welds;
- обеспечение жесткости композитной оболочки в зоне сварного шва лейнера с целью ее оптимизации с учетом полного исключения нагружения сварного шва рабочем давлении.- ensuring the rigidity of the composite shell in the zone of the weld of the liner in order to optimize it, taking into account the complete exclusion of the loading of the weld with working pressure.
Технический результат достигается тем, что металлокомпозитный баллон высокого давления для хранения сжатого натурального газа, содержащий равнотолщинный сваренный тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей стали в виде пустотелой обечайки с профильными днищами, контактирующими и приваренными, по крайней мере, в одном из днищ по периметру проходного отверстия полюсными штуцерами, и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией семейств слоев высокомодульных и высокопрочных нитей разнородных армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях. Материал профильных днищ лейнера по всему объему днища имеет аустенитную микроструктуру, содержащую, по меньшей мере, не более 18 объемных % смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе, а срединная часть обечайки лейнера выполнена как единое целое в виде двух слабоконических оболочек с уклоном не более 3° (%) в сторону днищ, и ее материал имеет по всему объему аустенитную микроструктуру и отношение его предельного удлинения к предельному удлинению материала лейнера на днищах составляет 1.5-2, при этом силовая композитная оболочка выполнена как минимум из трех разнородных семейств армирующих нитей образующих днища и семейства армирующих нитей кольцевого армирования на срединной части, удовлетворяющих условиям, что отношение мембранной жесткости металлической обечайки к суммарной мембранной жесткости силовой оболочки в осевом направлении составляет 0.03-0.32, а аналогичное отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.14-0.15, при этом мощность армирования высокомодульных нитей армирующего материала в первом семействе спирального направления соответствует условию, что отношение его мембранной жесткости в осевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.5-0.51, а соответствующее отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.016-0.017, и аналогичные соотношения для мощностей армирования второго и третьего семейств составляют 0.42, 0.033-0.034 и 0.08, 0.078 соответственно, а для семейства нитей кольцевого армирования отношение его мембранной жесткости в кольцевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.870-0.872.The technical result is achieved in that a metal composite high-pressure cylinder for storing compressed natural gas, containing an equal-thickness welded thin-walled sealing liner made of stainless steel in the form of a hollow shell with profile bottoms in contact and welded in at least one of the bottoms around the nipples, and an outer sheath made of composite material, formed by a combination of families of layers of high-modulus and high-strength heterogeneous threads rmiruyuschih materials oriented in the spiral and circumferential directions. The material of the profile bottoms of the liner over the entire volume of the bottom has an austenitic microstructure containing at least no more than 18% by volume of a mixture of fine-grained lower bainite and fine-grained mesh martensite when viewed in cross section, and the middle part of the shell of the liner is made as a whole in the form of two weakly conical shells with a slope of not more than 3 ° (%) towards the bottoms, and its material has an austenitic microstructure throughout the volume and the ratio of its maximum elongation to the maximum elongation of the liner material at the bottom the search is 1.5–2, and the composite composite shell is made up of at least three heterogeneous families of reinforcing threads forming the bottom and a family of reinforcing rings of circular reinforcement on the middle part, satisfying the conditions that the ratio of the membrane stiffness of the metal shell to the total membrane stiffness of the power shell in the axial direction is 0.03-0.32, and the similar ratio of membrane stiffnesses in the annular direction is 0.14-0.15, while the power of reinforcing high-modulus threads of the reinforcing material Ala in the first family of the spiral direction corresponds to the condition that the ratio of its membrane stiffness in the axial direction to the total membrane stiffness of the composite shell in the same direction is 0.5-0.51, and the corresponding ratio of membrane stiffness in the ring direction is 0.016-0.017, and similar ratios for reinforcement powers the second and third families are 0.42, 0.033-0.034 and 0.08, 0.078, respectively, and for a family of filaments of ring reinforcement, the ratio of its membrane stiffness in the ring direction to the total membrane stiffness of the composite shell in the same direction is 0.870-0.872.
Технический результат достигается тем, что геометрия, микроструктура и градиент изменения структурно-фазового состояния нержавеющей стали на днищах лейнера сформированы посредством пластического деформирования из микроструктуры нержавеющей стали аустенитного класса.The technical result is achieved by the fact that the geometry, microstructure and the gradient of the structural-phase state of stainless steel on the bottoms of the liner are formed by plastic deformation of the microstructure of stainless steel austenitic class.
Полезная модель поясняется далее подробно описанием примера выполнения со ссылкой на чертежи.The utility model is further explained in detail with a description of an example implementation with reference to the drawings.
На фиг. 1 показана схема исполнения конструкции баллона.In FIG. 1 shows a design diagram of a cylinder structure.
На фиг. 2 показан вид АIn FIG. 2 shows view A
Баллон содержит лейнер 1 из нержавеющей стали с приваренным в одной из горловин штуцером 3, композитную оболочку 2 состоящую как минимум из четырех слоев 4, 5, 6, 7 разнородных композиционных материалов, состоящих из групп (семейств) однонаправленных нитей разнородных материалов (например, стекловолокна и углеволокна) пропитанных полимерным связующим. При этом три группы 4, 5, 6 (семейства) однонаправленных нитей образуют композитную оболочку с днищами, а четвертая группа 7 усиливает данную композитную оболочку по срединной части. При этом материал днищ лейнера 1 имеет градиент изменения фазовой структуры (наличие количества мартенсита и бейнита в его структуре увеличивается с ростом диаметра и наибольшее его количество находится в части зоны сварки).The cylinder contains a
В виду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление газа при проектировании и выборе геометрии баллона (профиля днищ и структура распределения армирующих нитей по толщине и по слоям) в качестве критерия, обеспечивающего оптимальность конструкции, следует потребовать обеспечение в каждой точке поверхности равенства деформаций в материалах лейнера и силовой оболочки в окружном и меридиональном направлениях при действии данного вида нагрузки, т.е.In view of the fact that the main load during the operation of the cylinder is the internal gas pressure during the design and selection of the cylinder geometry (the profile of the bottoms and the distribution structure of the reinforcing filaments by thickness and layer) as a criterion for optimizing the design, it should be required to ensure equality at each point on the surface deformations in the materials of the liner and the power shell in the circumferential and meridional directions under the action of this type of load, i.e.
где εmα, εmβ - деформации металла лейнера вдоль и поперек меридиана оболочкиwhere ε mα , ε mβ are the strains of the liner metal along and across the meridian of the shell
εα - меридиональная деформация днищаε α - meridional deformation of the bottom
εβ - тангенциальная деформация днищаε β - tangential deformation of the bottom
εν - деформация вдоль армирующих волокон композита.ε ν - deformation along the reinforcing fibers of the composite.
В силу неоднородности фазового состава материала лейнера на днищах, для обеспечения данного критерия необходимо учитывать или устанавливать дополнительное ограничение в виде задания градиента изменения свойств материала лейнера. Данное дополнительное ограничение возможно представить и в виде ограничения на наличия объемных % смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе в материале аустенитной микроструктуру профильных днищ лейнера.Due to the heterogeneity of the phase composition of the liner material on the bottoms, to ensure this criterion, it is necessary to take into account or establish an additional restriction in the form of a gradient of the change in the properties of the liner material. This additional restriction can also be represented as a restriction on the presence of a volume% mixture of fine-grained lower bainite and fine-grained mesh martensite when viewed in a transverse section in the austenitic material of the microstructure of the profile bottoms of the liner.
Исходя из проведенного анализа по изменению количества бейнита и мартенсита возникающих при деформациях технологической вытяжки днищ, в качестве такого ограничения целесообразно установить, что на наличие смеси мелкозернистого нижнего бейнита и мелкозернистого сетчатого мартенсита при рассмотрении в поперечном шлифе в материале аустенитной микроструктуру профильных днищ лейнера должен составлять не более 18%. Данная величина устанавливается из следующих соображений:Based on the analysis on the change in the amount of bainite and martensite resulting from deformations of the technological drawing of the bottoms, it is advisable to establish as such a restriction that the presence of a mixture of fine-grained lower bainite and fine-grained mesh martensite when viewed in a transverse section in the material of the austenitic microstructure of the profile bottoms of the liner should not be more than 18%. This value is set for the following reasons:
- упрочнение основного материала (чисто аустенитной микроструктуры) и падение предельной его деформативности составит не более 10-15%,- hardening of the base material (pure austenitic microstructure) and a decrease in its ultimate deformability will be no more than 10-15%,
- не приводит к значительным изменениям в технологическом процессе вытяжки заготовок рассматриваемых конструкций днищ.- does not lead to significant changes in the technological process of drawing the blanks of the considered designs of the bottoms.
Получаемая при таком подходе проектирования геометрическая форма днищ лейнера (баллона), как правило, относится к классу изотенсоидов (ранонапряженные оболочки) и позволяет обеспечивать заданные уровни циклической прочности баллона в целом.Obtained with this design approach, the geometric shape of the bottoms of the liner (balloon), as a rule, belongs to the class of isotensoids (wound shells) and allows you to provide specified levels of cyclic strength of the balloon as a whole.
Сущность работы лейнера с такого рода оптимальной формой поверхности заключается в следующем: при возникновении давления в полости баллона обечайка лейнера (как и силовая оболочка) равномерно деформируется только за счет мембранных деформаций растяжения и в предельном состоянии достигает деформаций текучести одновременно по всей ее поверхности.The essence of the operation of a liner with this kind of optimal surface shape is as follows: when pressure arises in the cylinder cavity, the liner shell (like the force shell) is uniformly deformed only due to membrane tensile strains and in the ultimate state reaches yield stresses simultaneously over its entire surface.
При этом, в силу отсутствия существенных градиентов изменения свойств материала днищ в них не возникает никаких концентраций напряжений или локальных деформаций, приводящих к зарождению трещин при циклическом нагружении. Таким образом, рассматриваемая часть лейнера является равнонапряженной (равнодеформируемой с заданным уровнем интенсивности деформации) конструкцией.At the same time, due to the absence of significant gradients of changes in the properties of the material of the bottoms, no stress concentrations or local deformations arise in them, leading to crack nucleation under cyclic loading. Thus, the considered part of the liner is an equally stressed (uniformly deformable with a given level of strain intensity) structure.
Для исключения проскальзывания силовой оболочки относительно лейнера в предлагаемом решении срединная часть обечайки лейнера выполняется как единое целое в виде двух слабоконических оболочек с уклоном не более 3° (%) в сторону днищ. Такое решение позволяет исключить локализацию деформации в зоне сварного шва и тем самим также повысить заданные уровни циклической прочности баллона в целом.To exclude slippage of the power shell relative to the liner in the proposed solution, the middle part of the liner shell is made as a single unit in the form of two weakly conical shells with a slope of no more than 3 ° (%) towards the bottoms. This solution eliminates the localization of deformation in the weld zone and thereby also increases the specified levels of cyclic strength of the container as a whole.
Для исключения возможных негативных эффектов, возникающих в днищах, на цилиндрической части и зоне сварных швов в материале ленера, силовую композитную оболочку предлагается в данном решении выполнять из трех разнородных семейств армирующих нитей, образующих днища с разными углами и мощностями армирования и дополнительного кольцевого семейства армирующих нитей на срединной части лейнера. При этом для обеспечения выбранного ранее критерия равнодеформативости конструкции должны выполняться условия, что отношение мембранной жесткости металлической лейнера к суммарной мембранной жесткости силовой композитной оболочки в осевом направлении составляет 0.03-0.32, а аналогичное отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.14-0.15. Здесь под мембранной жесткостью понимается произведение модуля упругости материала на толщину стенки рассматриваемой конструкции. Здесь под мембранной жесткостью многослойной конструкции понимается сумма произведений модулей упругости материала слоев на их толщину рассматриваемой конструкции. Мембранные жесткости конструкции по существу определяют конструктивную схему исполнения. В конкретном исполнения предлагаемой конструкции дополнительно предлагается, что мощность армирования высокомодульных нитей армирующего материала в первом семействе спирального направления соответствует условию, что отношение его мембранной жесткости в осевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.5-0.51, а соответствующее отношение мембранных жесткостей в кольцевом направлении 0.016-0.017, и аналогичные соотношения для мощностей армирования второго и третьего семейств составляют 0.41-0.42, 0.033-0.034 и 0.08, 0.078 соответственно, а для семейства нитей кольцевого армирования отношение его мембранной жесткости в кольцевом направлении к суммарной мембранной жесткости композитной оболочки в том же направлении составляет 0.870-0.872. Таким образом, данные соотношения жесткостей определяют конструктивную схему исполнения баллона вне зависимости от используемых армирующих материалов, и позволяет оптимизировать полную структуру композитной оболочки баллона и в том числе его вес.To eliminate possible negative effects that occur in the bottoms, on the cylindrical part and in the weld zone in the Lener material, the composite composite sheath is proposed in this solution to be made of three heterogeneous families of reinforcing threads forming bottoms with different angles and powers of reinforcement and an additional annular family of reinforcing threads on the middle of the liner. In order to ensure the criterion of equal deformability of the design selected earlier, the conditions must be satisfied that the ratio of the membrane stiffness of the metal liner to the total membrane stiffness of the power composite shell in the axial direction is 0.03-0.32, and the similar ratio of membrane stiffness in the annular direction is 0.14-0.15. Here, membrane stiffness refers to the product of the modulus of elasticity of a material by the wall thickness of the structure in question. Here, membrane stiffness of a multilayer structure is understood as the sum of the products of the elastic moduli of the material of the layers by their thickness of the structure under consideration. Membrane structural stiffness essentially determines the structural design. In a specific embodiment of the proposed design, it is further proposed that the reinforcing power of the high-modulus threads of the reinforcing material in the first family of spiral directions corresponds to the condition that the ratio of its membrane stiffness in the axial direction to the total membrane stiffness of the composite shell in the same direction is 0.5-0.51, and the corresponding ratio of membrane stiffnesses in the annular direction 0.016-0.017, and similar ratios for the reinforcing capacities of the second and third families yayut 0.41-0.42, 0.033-0.034, and 0.08, 0.078, respectively, and for the yarns of the family of the annular reinforcement ratio of its membrane rigidity in the circumferential direction to the total membrane stiffness composite shell in the same direction is 0.870-0.872. Thus, these stiffness ratios determine the structural design of the container, regardless of the reinforcing materials used, and allows you to optimize the overall structure of the composite shell of the container, including its weight.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность изготавливать высокоэффективные как по циклической живучести, так и по ценовым показателям, конструкции баллонов высокого давления из композиционных материалов с использованием сварной тонкостенной металлической внутренней оболочки - лейнера. Изготовление и испытание баллонов высокого давления с предложенным лейнером для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность.With the creation of the proposed device, there was a real opportunity to produce high-performance, both in cyclic survivability and in price indicators, designs of high-pressure cylinders from composite materials using a welded thin-walled metal inner shell - liner. The manufacture and testing of high-pressure cylinders with the proposed liner for their sealing confirmed their high reliability and efficiency.
Настоящее изобретение может быть эффективно использовано для создания конструкций различного рода баллонов для хранения сжатого природного газа, в том числе и в автомобильной технике.The present invention can be effectively used to create designs of various kinds of cylinders for storing compressed natural gas, including in automotive vehicles.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118648U RU193002U1 (en) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118648U RU193002U1 (en) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU193002U1 true RU193002U1 (en) | 2019-10-09 |
Family
ID=68162653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019118648U RU193002U1 (en) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU193002U1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005075880A1 (en) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Showa Denko K.K. | Liner for pressure vessel and process for fabricating same |
| RU2353851C1 (en) * | 2007-07-30 | 2009-04-27 | Закрытое акционерное общество "Системы армированных фильтров и трубопроводов" | High-pressure cylinder lining tube |
| RU2358187C2 (en) * | 2007-02-26 | 2009-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП "НИИМаш") | High-pressure all-composite cylinder |
| EP3099970B1 (en) * | 2014-01-31 | 2018-03-28 | C.N.G.V. d.o.o | Improved method to produce high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method |
-
2019
- 2019-06-17 RU RU2019118648U patent/RU193002U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005075880A1 (en) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Showa Denko K.K. | Liner for pressure vessel and process for fabricating same |
| RU2358187C2 (en) * | 2007-02-26 | 2009-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП "НИИМаш") | High-pressure all-composite cylinder |
| RU2353851C1 (en) * | 2007-07-30 | 2009-04-27 | Закрытое акционерное общество "Системы армированных фильтров и трубопроводов" | High-pressure cylinder lining tube |
| EP3099970B1 (en) * | 2014-01-31 | 2018-03-28 | C.N.G.V. d.o.o | Improved method to produce high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kabir | Finite element analysis of composite pressure vessels with a load sharing metallic liner | |
| US7867589B2 (en) | Hybrid cryogenic tank construction and method of manufacture therefor | |
| WO2004051138A1 (en) | Pressure container and method of manufacturing the pressure container | |
| US4073400A (en) | Gas containers | |
| CN103148340A (en) | High-pressure gas cylinder with steel wire winding structure | |
| RU2675173C2 (en) | Improved method for producing high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method | |
| EP2532930B1 (en) | Metal composite pressure cylinder | |
| RU193002U1 (en) | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER | |
| Davidson et al. | The design of pressure vessels for very high pressure operation | |
| Sinha et al. | Design and burst pressures analysis of CFRP composite pressure vessel for various fiber orientations angles | |
| CN203273275U (en) | Steel wire winding structure high-pressure gas cylinder | |
| RU2439425C2 (en) | Metal composite pressure cylinder | |
| Wang et al. | Strength Analysis and Influence Factors Research of Carbon-Fiber Wound Composite Gas Cylinder with Aluminum Liner | |
| US10518312B1 (en) | Products manufactured by autofrettage | |
| Otte et al. | High Pressure Lightweight Hydraulic Fully Composite Piston Accumulators | |
| Razin | The Problem of Optimum Design of Composite Housings of Solid Propellant Rocket Engines | |
| Ashok et al. | Design and analysis of CFRP composite multilayer high pressure vessels and burst pressure analysis for various fiber orientation angles | |
| CN115076591B (en) | Stainless steel II-type gas cylinder and manufacturing method thereof | |
| RU2754572C1 (en) | High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks | |
| ES2967870T3 (en) | Tubular structure and procedure for producing said tubular structure | |
| Zehsaz et al. | Bifurcation buckling of pressurized conical vessels | |
| RU2757315C1 (en) | High pressure metal composite cylinder | |
| Zhao et al. | Development Technique of Large Composite Tank for Aerospace Vehicle | |
| KR20230084262A (en) | Container for high-pressure gas and manufacturing method thereof | |
| Soundarya et al. | Analysis of a Composite Overwrapped Pressure Vessel by Analytical and Finite Elemental Approach. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20191002 |