Способ изготовления корпуса металлического газового баллона

 

Изобретение относится к технологии изготовления металлических газовых баллонов из малоуглеродистой стали, а именно к способам изготовления герметичных тонкостенных корпусов пневмогазожидкостных баллонов (бытовых, спортивных, автомобильных, авиационных, железнодорожных, корабельных и др. для сжиженных углеводородных газов), и может найти применение в различных областях машиностроения при производстве сосудов давления. Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе изготовления корпуса металлического газового баллона, включающем изготовление колпаков корпуса из мерных заготовок определенной толщины и диаметра путем вытяжек без утонения и промежуточную химико-термическую обработку, оба колпака изготавливают из единой мерной заготовки, причем на одном из колпаков у среда оформляют ротационным обжимом под замок горловину и приваривают к его дну опорный элемент, например башмак, а в другом колпаке оформляют в дне отверстие, например, пробивной на штампе, монтируют в нем сваркой вентильную муфту и закрепляют снаружи его сваркой другие элементы (воротник или ручку), затем полученные днища соединяют по замку в корпус баллона встык сварочным кольцевым швом, а весь полученный корпус баллона подвергают термообработке - нормализации при температуре 850-900^oC и выдержке от 3-х до 20 мин. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления металлических газовых баллонов из малоуглеродистой стали, а именно к способам изготовления герметичных тонкостенных корпусов пневмо-газо-жидкостных баллонов (бытовых, спортивных, автомобильных, авиационных, железнодорожных, корабельных и др. для сжиженных углеводородных газов), и может найти применение в различных областях машиностроения при производстве сосудов давления.

Согласно нормам Госгортехнадзора, технология изготовления баллонов давления должна обеспечивать высокую надежность получаемых конструкций при минимальном разбросе их функциональных характеристик.

При этом, баллоны должны выдерживать большое число циклов нагружения, иметь срок службы в различных климатических условиях не менее 10 лет, разрушение баллонов безосколочное и т.д.

Однако существующие отечественные технологии массового изготовления баллонов не позволяют добиться в полной мере механической надежности при циклических нагрузках.

Известен способ изготовления корпусов металлических газовых баллонов, включающий изготовление днищ из мерных заготовок определенной толщины и диаметра методом горячей или холодной штамповки путем вытяжек без утонения, изготовление обечайки из листа сверткой на вальцах и последующей сваркой продольным швом (см. "Баллон для сжиженных газов. Тип 3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3539-00В", Министерство газовой промышленности. Управление топливно-энергетического хозяйства, 1984 г.). По данной технологии изготавливается в настоящее время большинство баллонов на давление 16 кгс/см² с толщиной стенки корпуса 3,0 мм. Изготовители: Дружковский и Новогрудский заводы газовой аппаратуры, Подольский машиностроительный завод, Тульский завод железнодорожного машиностроения и др.

Задачей известного технического решения являлось обеспечение повышенной надежности и несущей способности баллонов при циклических нагрузках.

Общими признаками с предлагаемым авторами способом является наличие операции изготовления колпаков (днищ) из мерных заготовок определенной толщины и диаметра путем вытяжек без утонения, а также сварки днищ кольцевыми швами.

Такое выполнение технологии известного способа приводит к резкому снижению циклической надежности баллонов в процессе эксплуатации их, что объясняется тем, что днища отжигаются до сварки и в процессе эксплуатации сварные швы остаются нагруженными внутренними напряжениями в дополнение к рабочей нагрузке.

Кроме того, такая технология ведет к высокому разбросу напряжений в корпусе из-за наличия сварных швов с низким допустимым относительным удлинением. Все это вместе ограничивает эксплуатационные возможности, снижает надежность на ресурс и приводит к существенному отставанию по основным показателям таким газовых баллонов давления от мирового уровня.

Известен также способ изготовления корпусов металлических газовых баллонов на давление 16 кгс/см² с толщиной стенки корпуса 2,5 мм типа баллонов фирмы "Фабер", Италия, принятый авторами за прототип (см. книгу "Газобаллонные автомобили", авторы: Григорьев Е.Г. Колубаева Б.Д. и др. Москва, Машиностроение, 1989 г. с. 216).

По данному способу днища изготавливают из мерных заготовок определенной толщины и диаметра глубокой вытяжкой, а цилиндрические участки обечаек изготавливают раскаткой из днищ.

Как видно из этого технического решения, операция раскатки цилиндрических участков обечаек из днищ не обеспечивает снятия внутренних напряжений, а их распределение по толщине стенки происходить нелинейно и неравномерно.

В связи с этим в сварных швах предел прочности металла из-за неравномерного распределения механических характеристик по толщине раскатанной стенки становится равен минимальному значению. Это снижает надежность раскатанного корпуса баллона.

Поэтому этот способ как и аналог ведет к снижению эксплуатационной (циклической) надежности.

Этот способ, кроме того, и малопроизводителен.

Как показал технологический опыт предприятия по применению способов обработки металлов давлением, раскатка приемлема в основном для мелкосерийного производства (скорость раскатки невысока и составляет не более 10 м/час), а применение ее эффективно только при изготовлении деталей больших диаметров из высокопрочных легированных сталей, что выходит за рамки изготовления баллонов массового производства и применения.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось повышение эксплуатационной надежности баллона за счет снятия внутренних напряжений и повышение качества баллонов за счет повышения контроля, являющейся характерным параметром качества конструкции газовых баллонов.

Общими признаками с предлагаемым авторами способом изготовления корпуса металлических газовых баллонов является наличие операций штамповки днищ из мерных заготовок определенной толщины и диаметра путем вытяжек без утонения и операций промежуточной химико-термической обработки.

Такая технология по прототипу хотя и имеет существенные преимущества перед отечественным способом (более низкая удельная металлоемкость баллона) имеет и недостатки, указанные выше.

Кроме того, жесткие требования ГОСТов на баллоны давления приводят к ограничению возможного перечня перспективных и пригодных к использованию при изготовлении металлических газовых баллонов давления, технологий и материалов.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе изготовления корпуса металлического газового баллона оба колпака изготавливают из единой мерной заготовки определенной толщины и диаметра, причем на одном из колпаков у среза оформляют ротационным обжимом под замок горловину и приваривают к его дну опорный элемент (башмак), а в другом колпаке оформляют отверстие в дне, например пробивной на штампе, монтируют в нем сваркой вентильную муфту и прикрепляют снаружи его сваркой другие элементы (воротник или ручку), затем полученные днища соединяют по замку в оболочку встык сварочным кольцевым швом, а весь полученный корпус подвергают термообработке-нормализации при температуре 850-900^oC и выдержке от 3 до 20 мин.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявленного технического решения к достигаемым техническим результатом. Указанные признаки, отличительные от прототипа, и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технологии изготовления корпуса металлического газового баллона, позволяющей получать баллоны с простой и эффективной технологией контроля крепления элементов к нему и нормализованным корпусом, являющейся характерным параметром качества газовых баллонов, выдерживающих большое число циклов нагружения, имеющих высокую надежность и срок службы в различных климатических условиях и обеспечивающих безосколочное разрушение.

В совокупности ставилась задача по созданию технологии изготовления корпусов металлических газовых баллонов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Предлагаемый способ изготовления металлических газовых баллонов давления имеет преимущества перед прототипом. Так применение термообработки-нормализации позволит сформировать более равномерную структуру металла и исключить остаточные внутренние напряжения в корпусе по сравнению с отжигом днищ перед сваркой, а крепление элементов баллона (вентильной муфты, ручки, воротника, башмака) до сварки кольцевого шва обеспечивает простую и эффективную технологию контроля качества баллонов.

Это улучшит эксплуатационные возможности баллонов во всем интервале рабочих температур и типовых нагрузок и практически увеличит срок службы.

Все это в совокупности приведет к повышению стойкости баллонов к циклическим нагрузкам по сравнению с баллонами аналога и прототипа и позволит обеспечить их безосколочное разрушение.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления корпуса металлического газового баллона для сжиженных углеводородных газов, включающем изготовление колпаков корпуса баллона из мерных заготовок определенной толщины и диаметра путем вытяжек без утонения и промежуточную термо-химическую обработку оба колпака изготавливают из единой мерной заготовки, причем на одном из колпаков у среза оформляют ротационным обжимом под замок горловину и приваривают к его дну опорный элемент, например башмак, а в другом колпаке оформляют в дне отверстие, например пробивкой на штампе, монтируют в нем сваркой вентильную муфту и прикрепляют снаружи его сваркой другие элементы (воротник или ручку), затем полученные днища соединяют встык в корпус баллона сварочным кольцевым швом, а полученный весь корпус баллона подвергают термообработке-нормализации при температуре 850-900^oC и выдержке от 3-х до 20 мин.

На фиг. 1 представлена предлагаемая технология изготовления корпусов металлических газовых баллонов, где: 1 мерная единая заготовка определенной толщины и диаметра; 2 равностенный единый колпак (I вытяжка без утонения); 3 равностенный единый колпак (II вытяжка без утонения); 4 нижнее днище с горловиной под замок; 5 верхнее днище с отверстием под вертикальную муфту; 6 верхнее днище с отверстием под вентильную муфту; 7 верхнее днище с вентильной муфтой и ручкой (воротником); 8 корпус баллона после кольцевой сварки и термообработки-нормализации.

На фиг. 2 представлена конструкция корпуса газового баллона, полученная по предлагаемой технологии, где: 9 верхнее днище; 10 нижнее днище; 11 - вентильная муфта; 12 ручка (воротник); 13 башмак.

В настоящее время конструкция корпуса газовых баллонов, которые будут изготавливаться по предлагаемой технологии прошла испытания, технология признана перспективной и принято решение о производстве корпусов баллонов по предлагаемой технологии.

Предлагаемый способ изготовления корпуса металлического газового баллона реализуется следующим образом.

Пример. Изготовление корпусов баллонов верхнего и нижнего колпаков осуществлялось на давление 16 кгс/см² из листовой холоднокатанной высокопластичной малоуглеродистой стали марки 18 ЮА ТУ 14-1-4931-90 с механическими характеристиками: σ_в= 34-46 кгс/мм²,, относительное удлинение не менее 32% Причем оба колпака изготавливались из единой мерной заготовки. Листы размером 2,5х1400х2800 были разрезаны на полосы шириной 465^-4 мм, затем из полосы вырубались кружки диаметром ⊘ 450^-1,55 мм.. Кружки были подвергнуты рекристаллизационному смягчающему отжигу и фосфатированию. Затем из кружка вытяжкой 1 (без утонения) получили равнотолщинный колпак диаметром 300 мм и высотой 133.145 мм. После рекристаллизационного смягчающего отжига и фосфатирования выполнили вытяжку II (без утонения) и получили равнотолщинный колпак диаметром 229 мм и высотой 198 min мм. После чего для снятия внутренних напряжений полученный колпак подвергали отжигу, уменьшающему напряжение. Затем для получения верхнего днища на колпаке осуществляли подрезку торца в размер согласно чертежу и пробивку отверстия в дне на штампе, а для получения нижнего днища подрезку торца в размер согласно чертежу и обжим горловины под замок ротационным обжимом. Затем к нижнему днищу приваривали башмак, который изготавливали из листа марки стали 0,8Ю толщиной 2 мм путем резки последнего на полосы и карты, в которых пробивали пазы и отверстия и гибкой на вальцах с последующей сваркой и формовкой превращали в башмак. К верхнему днищу приваривали вентильную муфту с оформленной резьбой и ручку.

Вентильную муфту изготавливали из кружка диаметром ⊘ 50 мм (сталь 20) механической обработкой. Ручку изготавливали из того же материала, что и колпаки путем резки листа на полосы, вырубкой развертки, клеймением и гибкой. После установки (приварки) на днищах элементов конструкции осуществляли простой и эффективный контроль качества полученных днищ.

Затем верхнее и нижнее днища соединяли между собой по замку в оболочку встык кольцевым сварочным швом, а качество кольцевого шва оценивали рентгеноконтролем.

Полученные корпуса баллонов после этого подвергали термообработке-нормализации при температуре 900^o±15^oC, выдержке не менее 15 мин, а затем их подвергали гидравлическим и пневматическим испытаниям.

По предлагаемому способу была разработана техническая документация инв. Т-2114, И-2092, изготовлена опытная партия газовых баллонов объемом 27,2 л и 12,3 л в количестве 500 штук каждого вида и проведены приемочные испытания.

Как показали результаты испытаний баллоны, полученные по предлагаемой технологии, выдерживают значительное число циклов нагружения (более 12 тыс. циклов нагружения испытательным давлением), а разрушение баллонов - безосколочное.

Полученные результаты и их сравнительный анализ с известными свидетельствует о том, что поставленная задача по повышению эксплуатационных характеристик баллонов при применении предлагаемого авторами способа достигнута.

Полученные характерные показатели металлического газового баллона, изготовленного из малоуглеродистой стали марки 18 ЮА по предлагаемому способу, существенно лучше достигаемых уровней лучших конструкций баллонов аналогичного класса.

В настоящее время разработана в соответствии с предлагаемым способом новая технология ТП 9312, изготовлена партия баллонов (Паспорт N 1 от 13.10.94), которая прошла сертификацию на соответствие требованиям органов надзора Германии и дано разрешение на их производство и поставку в Германию. (Допуск конструкции 02RUS1; 02RUS2).

Формула изобретения

Способ изготовления корпуса металлического газового баллона для сжиженных углеводородных газов, включающий изготовление колпаков корпуса баллона из мерных заготовок определенной толщины и диаметра путем вытяжек без утонения и промежуточную химико-термическую обработку, отличающийся тем, что оба колпака изготавливают из единой мерной заготовки, причем на одном из колпаков у среза оформляют ротационным обжимом под замок горловину и приваривают к его дну опорный элемент, например башмак, а в другом колпаке оформляют в дне отверстие, например, пробивкой на штампе, монтируют в нем посредством сварки вентильную муфту и прикрепляют снаружи его сваркой воротник или ручку, затем полученные днища соединяют встык в корпус баллона сварочным кольцевым швом, а полученный корпус баллона подвергают термообработке-нормализации при температуре 850 950^oС и выдержке 3 20 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2