RU2049955C1 - High-pressure bottle and method of its manufacture - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: bottle consists of inner envelope with circular weld seam which has bottoms and pipe union provided in one of them; bottle is also provided with outer reinforcing braiding of varying thickness which is achieves due to making the inner envelope of two half-bottles with equal geometrical parameters made in form of sleeves with bottles; cylindrical portion of sleeves is thin-walled relative to bottoms being thinned towards axis of bottle; welded edges of sleeves are thickened inside bottle and their outer diameter is less than outer diameter of thin-walled cylindrical portion. Such construction of bottle is obtained through moulding the half-bottles with bottoms of one standard size by plastic deformation, for example, by die forging or sheet forming followed by forming the thin-walled cylindrical portion with welded edges thickened inside the bottle by welding, heat treatment and fitting the outer reinforcing braiding. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для хранения жидкостей и газов, в том числе газовых баллонов для автомобильного транспорта, баллонов с воздушно-кислородными дыхательными смесями для индивидуальных средств защиты и др. The invention relates to mechanical engineering and can be used in the manufacture of high-pressure cylinders for storing liquids and gases, including gas cylinders for automobile transport, cylinders with air-oxygen breathing mixtures for personal protective equipment, etc.

Известны облегченные баллоны, позволяющие снизить массу баллонов за счет использования более высокопрочных материалов и повысить несущую способность [1] состоящие из тонкостенной внутренней обечайки баллона, днищ с вваренными штуцерами, а также армирующей оплетки по наружной поверхности из высокопрочной стальной проволоки, стекловолокна или полимерных материалов. Недостатком таких баллонов является сложность обеспечения надежности сварных соединений. Lightweight cylinders are known that make it possible to reduce the mass of cylinders through the use of higher-strength materials and increase the bearing capacity [1] consisting of a thin-walled inner shell of the cylinder, bottoms with welded fittings, as well as a reinforcing braid on the outer surface of high-strength steel wire, fiberglass, or polymeric materials. The disadvantage of such cylinders is the difficulty of ensuring the reliability of welded joints.

В качестве прототипа выбран баллон [2] корпус которого состоит из верхней и нижней чашек, которые плотно прижаты одна к другой и соединены сплошным сварным швом. As a prototype, a cylinder [2] was selected, the casing of which consists of an upper and lower cup, which are tightly pressed against one another and are connected by a continuous weld.

Общим недостатком всех известных конструкций баллонов является невозможность выполнения наружной армирующей оплетки с утолщением в зоне кольцевого сварного шва при обеспечении постоянного наружного диаметра корпуса. Кроме того, недостатком аналогов прототипа является низкая технологичность изготовления, связанная с формированием полубаллонов (чашек) различных геометрических параметров. A common disadvantage of all known designs of cylinders is the inability to perform an external reinforcing braid with a thickening in the area of the annular weld while maintaining a constant outer diameter of the body. In addition, the disadvantage of analogues of the prototype is the low manufacturability associated with the formation of half balloons (cups) of various geometric parameters.

Известен выбранный в качестве прототипа способ изготовления многослойных баллонов из листового металла [3] из двух полубаллонов путем сварки по обжатым к оси с целью сохранения натяга между слоями полубаллонов, кромками. Known as a prototype is known a method of manufacturing multilayer cylinders of sheet metal [3] from two half cylinders by welding along the compressed to the axis in order to preserve the interference between the layers of half cylinders, edges.

Недостатком данного способа изготовления является невозможность достижения равнопрочности сварного шва с материалом корпуса баллона. The disadvantage of this manufacturing method is the inability to achieve equal strength of the weld with the material of the cylinder body.

Целью изобретения является разработка конструкции и способа изготовления баллона, обеспечивающих возможность использования в качестве материалов внутренней оболочки высокопрочные конструкционные стали и сплавы с получением равнопрочного им сварного шва с повышенной надежностью, а также возможность нанесения армирующей оплетки перемещенной толщины с получением постоянного значения наружного диаметра корпуса. The aim of the invention is to develop a design and a method of manufacturing a cylinder, providing the possibility of using high-strength structural steels and alloys as materials of the inner shell to produce a weld with the same strength with increased reliability, as well as the possibility of applying a reinforcing braid of displaced thickness to obtain a constant value of the outer diameter of the body.

Изобретение не имеет недостатков аналогов и прототипа и позволяет упростить конструкцию за счет выполнения внутренней оболочки из двух полубаллонов с равными геометрическими параметрами в виде стаканов с днищами;
повысить надежность сварного баллона, что достигается формой внутренней оболочки, тонкостенной относительно днищ с утонением в направлении оси баллона и с утолщением кромок под сварку обжатым внутри баллона таким образом, что их наружный диаметр по крайней мере меньше наружного диаметра тонкостенной цилиндрической части (выполнение внутренней оболочки указанной формы обеспечивает установку наружной армирующей оплетки переменной толщины при обеспечении постоянного наружного диаметра корпуса);
упростить технологию, повысить коэффициент использования металла и снизить трудоемкость, для чего оба полубаллона внутренней оболочки изготавливаются по единой технологии из заготовок одного типоразмера, который получают пластической деформацией, например методом обратного выдавливания или листовой штамповки, формирование тонкостенной цилиндрической части и утолщенных внутрь полубаллона свариваемых кромок проводят ротационной вытяжкой, а затем производят обжатие утолщенных свариваемых кромок внутрь полубаллона.The invention has no drawbacks of analogues and prototype and allows to simplify the design by performing an inner shell of two half-cylinders with equal geometric parameters in the form of glasses with bottoms;
to increase the reliability of the welded cylinder, which is achieved by the shape of the inner shell thin-walled relative to the bottoms with thinning in the direction of the axis of the cylinder and with a thickening of the edges for welding compressed inside the cylinder so that their outer diameter is at least less than the outer diameter of the thin-walled cylindrical part (the execution of the inner shell specified the shape provides the installation of an external reinforcing braid of variable thickness while ensuring a constant outer diameter of the body)
to simplify the technology, increase the metal utilization rate and reduce the complexity, for which both half-cylinders of the inner shell are made using the same technology from blanks of the same size, which are obtained by plastic deformation, for example, by the method of back extrusion or sheet stamping, the formation of a thin-walled cylindrical part and welded edges thickened inside the half-ball are carried out rotational hood, and then compress the thickened welded edges into the half balloon.

На фиг. 1 показана конструкция баллона высокого давления с упрочняющей оплеткой переменной толщины с дополнительным бандажированием сварного шва; на фиг. 2-9 схемы технологического процесса изготовления баллона высокого давления. In FIG. 1 shows the design of a high-pressure cylinder with a reinforcing braid of variable thickness with additional banding of the weld; in FIG. 2-9 diagrams of the technological process of manufacturing a high pressure cylinder.

Баллон высокого давления (фиг. 1) включает нижний полубаллон 1 с глухим дном и верхний полубаллон 2 с резьбовым штуцером, сварной кольцевой шов 3, соединяющий полубаллоны 1 и 2 по утолщенным внутрь баллона кромкам и наружную армирующую оплетку 4 из высокопрочных материалов. Бобышка штуцера 5 и бобышка 6 полубаллона имеют одинаковые размеры и служат для крепления баллонов в устройстве при транспортировке и хранении. Наружная армирующая оплетка 4 имеет переменную толщину, образуя дополнительный утолщенный бандажный пояс 7 в зоне сварного шва 3. The high-pressure cylinder (Fig. 1) includes a lower half-cylinder 1 with a blind bottom and an upper half-cylinder 2 with a threaded fitting, a welded annular seam 3 connecting half-cylinders 1 and 2 along the edges thickened inside the cylinder and an outer reinforcing braid 4 of high-strength materials. The boss of the nozzle 5 and the boss 6 of the half-cylinder are of the same size and are used to fasten the cylinders in the device during transportation and storage. The outer reinforcing braid 4 has a variable thickness, forming an additional thickened retaining band 7 in the zone of the weld 3.

Баллон может иметь второй резьбовой штуцер в нижней бобышке 6, а при необходимости бобышка 6 может быть удалена (см. фиг. 1). The cylinder may have a second threaded fitting in the lower boss 6, and if necessary, the boss 6 can be removed (see Fig. 1).

Баллон высокого давления работает следующим образом. The high pressure cylinder operates as follows.

В баллон через резьбовой штуцер 5 закачивают газ повышенного давления (Р), под воздействием которого в стенках баллона возникает сложное напряженное состояние с максимальными значениями в стенке цилиндрического участка емкости, равными:
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{м}}{\text{р}}$ _асч

[кгс/мм²] (1) (1) где σ_расч ^м- расчетные тангенциальные напряжения, возникающие в стенке цилиндрического участка внутренней металлической оболочки баллона, кгс/мм²;
Р давление газа в баллоне, кгс/см²;
D_нар ^м наружный диаметр внутренней металлической оболочки, мм;
δ_pасч ^м расчетная толщина стенки внутренней металлической оболочки, мм.An increased pressure gas (P) is pumped into the cylinder through the threaded fitting 5, under the influence of which a complex stress state arises in the walls of the cylinder with maximum values in the wall of the cylindrical section of the tank equal to:
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{m}}{\text{R}}$ _asch

[kgf / mm ^2] (1) (1) where σ _calc ^m - calculated tangential stresses developed in the wall of the inner cylinder of the cylindrical portion of the metal shell, kgf / mm ^2;
P gas pressure in the cylinder, kgf / cm ² ;
D _nar ^{m the} outer diameter of the inner metal shell, mm;
δ _pasch ^m calculated wall thickness of the inner metal shell mm.

Учитывая, что предел прочности сварного соединения (σ_в ^cв ) кольцевого шва 3, соединяющего полубаллоны 1 и 2, имеет более низкий уровень предела по сравнению с основным металлом стенки баллона ( σ_в ^осн), толщину свариваемых кромок (δ_св.ш ^м ) увеличивают на величину K≥

, обеспечивающую сварному шву гарантированную равнопрочность с основным металлом, т.е.Given that the tensile strength of the welded joint (σ _in ^cb ) of the annular seam 3 connecting half cylinders 1 and 2 has a lower level of limit in comparison with the base metal of the cylinder wall (σ _{in the} ^main ), the thickness of the welded edges (δ _St. ^m ) increase by the value of K≥

providing the weld with guaranteed equal strength with the base metal, i.e.

δ_св.ш ^м≥δ_расч ^м˙K, мм (2) где δ_св.ш ^м толщина утолщенных кромок под сварку, мм;
δ_в ^осн предел прочности основного металла, кгс/мм²;
σ_в ^св предел прочности сварного соединения, кгс/см².δ _{St. W} ^m ≥ δ _calculation ^m мK, mm (2) where δ _{St. W} ^{m the} thickness of the thickened edges for welding, mm;
δ _{in the} ^main ultimate strength of the base metal, kgf / mm ² ;
σ _in ^sv ultimate strength of the welded joint, kgf / cm ² .

Для обеспечения безопасности при эксплуатации за счет исключения разлета осколков при хрупком разрушении цилиндрическая часть баллона защищена наружной оплеткой (4) из высокопрочной проволоки, стекловолокна или полимерных материалов. Дальнейший эффект повышения надежности при эксплуатации и несущей способности баллона достигается увеличением толщины оплетки (S₂ ^опл) в зоне кольцевого сварного шва, т.е. дополнительное усилие сварного шва 3 бандажированием его поясом 7 толщиной ( ΔS).To ensure operational safety due to the exclusion of fragments from fragments during brittle fracture, the cylindrical part of the cylinder is protected by an external braid (4) made of high-strength wire, fiberglass or polymeric materials. A further effect of increasing the reliability during operation and the bearing capacity of the balloon is achieved by increasing the thickness of the braid (S ₂ ^opt ) in the zone of the annular weld, i.e. additional force of the weld 3 by banding it with a belt 7 of a thickness (ΔS).

Способ изготовления баллонов высокого давления представлен схемой, приведенной на фиг. 2-9. A method of manufacturing high pressure cylinders is represented by the circuit shown in FIG. 2-9.

Исходную заготовку 8 нагревают в печи и производят штамповку стакана 9 с глухим дном и бобышкой для штуцера, затем осуществляют термическую обработку, чистовое точение заготовки 10 и ротационную вытяжку полубаллона 11, а после обжима полубаллона 12 в штампе с передачей утолщений свариваемых кромок внутрь баллона осуществляют механическую обработку стыкуемых кромок полубаллонов, сварку баллона кольцевым швом по утолщенным кромкам (13), термическую обработку и оплетку баллона слоем армирующего материала расчетной толщины (14). Исходной заготовкой может служить лист, тогда производят листовую штамповку и отбортовку горловины штуцера. The initial billet 8 is heated in the furnace and the glass 9 is stamped with a blank bottom and a boss for the fitting, then heat treatment is carried out, the semi-cylinder 11 is rotary drawn and the half cylinder is rotationally drawn, and after the half cylinder is crimped in the stamp, mechanical thickenings of the welded edges are transferred inside the cylinder processing of abutting edges of half-cylinders, welding of a cylinder with an annular seam along thickened edges (13), heat treatment and braiding of a cylinder with a layer of reinforcing material of a calculated thickness (14). The sheet can serve as the initial blank, then sheet stamping and flanging of the nozzle neck are performed.

Предлагаемый способ опробован при изготовлении автомобильных газовых баллонов высокого давления типа БА 140-740 емкостью 9,7 л из высокопрочного титанового сплава ТС6 (пример 1) и баллона типа БА 300-890 емкостью 52,8 л из высокопрочной стали СП28 (пример 2). The proposed method was tested in the manufacture of automotive high-pressure gas cylinders of type BA 140-740 with a capacity of 9.7 L from high-strength titanium alloy TC6 (Example 1) and a cylinder of type BA 300-890 with a capacity of 52.8 L from high-strength steel SP28 (Example 2).

П р и м е р 1. Способ изготовления баллона типа БА 140-740 из высокопрочного титанового сплава ТС6 включает следующие операции:
точение заготовки диаметром 140 х 150 мм;
пескоочистку; обмазку стеклоэмалью ЭВТ-24;
нагрев заготовки при 1050^оС в течение 1,5 ч;
штамповку стакана диаметром 140/диаметром 128 х 185 мм;
термическую обработку по режиму: нагрев 870^оС, выдержка 1 ч, охлаждение в воде;
точение заготовки диаметром 145/диаметром 133,5 х 180 мм под ротационную вытяжку;
ротационную вытяжку в холодном состоянии заготовки полубаллона с утонением стенки 5,75-1,7 мм;
редуцирование по наружному диаметру с диаметром 145 мм на диаметр 135 мм утолщенной части свариваемых кромок полубаллонов;
упрочняющую термическую обработку по режиму: нагрев 425^оС, выдержка 3 ч, охлаждение в воде;
подрезку торца полубаллона под сварку;
сварку кольцевого шва;
оплетку баллона внешним армирующим слоем толщиной 1,4 мм (стеклопластик на основе ровинга РВМН 10-1260-80 со связующим ЭХД-МК);
контроль.PRI me R 1. A method of manufacturing a cylinder type BA 140-740 of high-strength titanium alloy TC6 includes the following operations:
turning of a workpiece with a diameter of 140 x 150 mm;
sand cleaning; coating with glass enamel EVT-24;
heating the preform at 1050 ^{° C} for 1.5 hours;
stamping a glass with a diameter of 140 / diameter of 128 x 185 mm;
heat treatment according to the mode: heating of 870 ^о С, holding for 1 h, cooling in water;
turning a workpiece with a diameter of 145 / diameter of 133.5 x 180 mm for a rotary hood;
cold-drawn rotational hood with half-cylinder blanks with wall thinning of 5.75-1.7 mm;
reduction of the outer diameter with a diameter of 145 mm to a diameter of 135 mm of the thickened part of the welded edges of half tanks;
hardening heat treatment under the regime: heating ^to 425 C, holding for 3 hours, cooling in water;
trimming the butt of a half balloon for welding;
welding of an annular seam;
sheathing of the cylinder with an external reinforcing layer 1.4 mm thick (fiberglass based on rovings RVMN 10-1260-80 with a binder ЭХД-МК);
control.

П р и м е р 2. Способ изготовления баллона типа БА 140-740 из высокопрочной стали марки СП28 включает следующие операции:
точение заготовки диаметром 280 х 250 мм;
нагрев заготовки при 1180^оС в течение 2,5 ч;
штамповку стакана диаметром 320/диаметром 270 х 420 мм;
термическую обработку по режиму: нагрев 680^оС, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе;
точение полубаллона диаметром 310/диаметром 286 х 370 мм с утолщенными внутрь кромками под сварку;
сварку кольцевого шва;
упрочняющую термическую обработку по режиму: нагрев 950^оС, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе + отпуск 300^оС;
выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе;
пескоочистку;
оплетку баллона внешним армирующим слоем толщиной 3,1 мм (стеклопластик на основе ровинга РВМН 10-1260-80 со связующим ЭХД-МК);
контроль.PRI me R 2. A method of manufacturing a cylinder type BA 140-740 of high strength steel grade SP28 includes the following operations:
turning of a workpiece with a diameter of 280 x 250 mm;
heating the preform at 1180 ^{° C} for 2.5 hours;
stamping a glass with a diameter of 320 / diameter of 270 x 420 mm;
thermal treatment under the regime: heating ^to 680 C, holding 2 hours, cooling in air;
turning half balloon with a diameter of 310 / diameter of 286 x 370 mm with welded edges thickened inward;
welding of an annular seam;
hardening heat treatment under the regime: heating ^to 950 C, holding 1 hour, air cooling + tempering 300 ^{° C;}
exposure 2 hours, cooling in air;
sand cleaning;
sheathing of the balloon with an external reinforcing layer 3.1 mm thick (fiberglass based on the roving РВМН 10-1260-80 with a binder ЭХД-МК);
control.

Таким образом, изобретение позволяет
упростить устройство баллона;
повысить надежность работы за счет усиления (разгрузки) сварного соединения;
улучшить технологичность баллона, позволяющую изготавливать его из труднодеформируемых высокопрочных, в том числе коррозионно-стойких сталей и титановых сплавов;
снизить трудоемкость изготовления с одновременным повышением КИМ;
снизить массу баллона (уменьшение отношения массы к полезному объему m/v.Thus, the invention allows
to simplify the device of the cylinder;
to increase the reliability of work due to the strengthening (unloading) of the welded joint;
to improve the manufacturability of the cylinder, which allows it to be made from hard-to-deform high-strength, including corrosion-resistant steels and titanium alloys;
reduce the complexity of manufacturing while increasing CMM;
reduce the mass of the cylinder (decrease in the ratio of mass to usable volume m / v.

При эксплуатации автомобильного транспорта на газовом топливе с использованием баллонов высокого давления из высокопрочной стали марки СП28 (баллон типа БА 300-890, масса 28,6 кг, вместимость 52,8 л) взамен серийных баллонов из углеродистой стали по ГОСТ 949-73 (масса 93 кг, вместить 50 л) за счет снижения массы на 257 кг) при установке на автомобиле 4 баллонов) и при пробеге автомобиля 100 тыс. кг обеспечивается повышение коммерческой загрузки при перевозках грузов на 25700 т/км. When operating gas-fueled vehicles using high-pressure cylinders made of high-strength steel, grade SP28 (cylinder type BA 300-890, weight 28.6 kg, capacity 52.8 l) instead of standard carbon steel cylinders according to GOST 949-73 (weight 93 kg, to accommodate 50 l) by reducing the weight by 257 kg) when installing 4 cylinders on a car) and when the vehicle is running 100 thousand kg, an increase in the commercial load when transporting goods by 25,700 t / km is provided.

Таким образом, изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает достижение положительного эффекта и обладает критерием "положительный" эффект. Thus, the invention compared with the prototype provides a positive effect and has the criterion of "positive" effect.

Использование изобретения не требует дополнительного переоборудования предприятий. The use of the invention does not require additional re-equipment of enterprises.

Claims (2)

1. Баллон высокого давления, состоящий из внутренней с кольцевым сварным швом оболочки с днищами, штуцера по крайней мере в одном днище и наружной армирующей оплетки переменной толщины, отличающийся тем, что внутренняя оболочка выполнена из двух полубаллонов с равными геометрическими параметрами в виде стаканов с днищами, при этом цилиндрическая часть стаканов выполнена тонкостенной относительно днищ с утонением в направлении оси баллона, а свариваемые кромки стаканов утолщены внутрь баллона так, что их наружный диаметр по крайней мере меньше наружного диаметра тонкостенной цилиндрической части. 1. High-pressure cylinder, consisting of an inner with an annular weld seam of the shell with bottoms, a fitting in at least one bottom and an outer reinforcing braid of variable thickness, characterized in that the inner shell is made of two half-cylinders with equal geometric parameters in the form of glasses with bottoms while the cylindrical part of the glasses is thin-walled relative to the bottoms with thinning in the direction of the axis of the cylinder, and the welded edges of the glasses are thickened inside the cylinder so that their outer diameter is at least smaller than the outer diameter of the thin-walled cylindrical part. 2. Способ изготовления баллона высокого давления, включающий формирование полубаллонов с днищами, сварку, термическую обработку и установку наружной армирующей оплетки переменной толщины, отличающийся тем, что оба полубаллона изготавливают из заготовок одного типоразмера пластической деформацией, например объемной или листовой штамповкой, затем осуществляют формирование тонкостенной цилиндрической части с утолщенными внутрь баллона свариваемыми кромками. 2. A method of manufacturing a high-pressure balloon, including the formation of half-cylinders with bottoms, welding, heat treatment and installation of an external reinforcing braid of variable thickness, characterized in that both half-cylinders are made from blanks of the same size by plastic deformation, for example, by volumetric or sheet stamping, and then thin-walled are formed cylindrical part with welded edges thickened inside the cylinder.

Images