Композитный газовый баллон высокого давления

 

Сущность: композитный газовый баллон высокого давления содержит внутренний металлический лейнер и внешнюю органопластиковую оболочку вокруг всей поверхности лейнера. 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. 4 ил.

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, в частности к конструкциям композитных газовых баллонов высокого давления (ВД), используемых в основном в спасательных средствах, а именно в портативных кислородных дыхательных аппаратах, применяемых, например, альпинистами, подводниками, пожарными, медиками и пр.

Одно из основных требований, предъявляемых к газовым баллонам, используемым в кислородных дыхательных портативных аппаратах, заключается в том, чтобы доля веса пустого баллона в весе заряженного была минимальной при заданном рабочем давлении. При этом баллоны должны предотвращать утечку газа и быть достаточно безопасны, то есть возможное разрушение баллонов при превышении рабочего давления должно происходить без образования разлетающихся мелких осколков.

Указанным целям наиболее полно отвечают выпускаемые в настоящее время композитные газовые баллоны ВД, содержащие внутренний металлический герметичный лейнер и внешнюю упрочняющую органопластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, арамида), пропитанного эпоксидными смолами (GB N 2128312, DD N 3821852, IP N 58-38672).

Выпускаемые известные композитные баллоны ВД в основном отвечают требованиям герметичности и безопасности, однако у них доля веса пустого баллона в весе заряженного сравнительно велика.

Наиболее легкими являются композитные баллоны ВД, выпускаемые фирмой SCI, США (копия рекламного проспекта прилагается). Баллоны этой фирмы содержат внутренний цельный металлический лейнер и внешнюю органопластиковую оболочку вокруг всей поверхности лейнера. Лейнер изготавливают методом глубокой вытяжки в основном из алюминия, хотя, как указано в проспекте, он может быть выполнен из стали.

Использование алюминия, более пластичного металла, чем сталь, позволяет изготовить методом глубокой вытяжки цельные лейнеры с достаточно тонкими стенками. Однако повышенная пластичность алюминия вносит значительные ограничения в минимально допустимую толщину стенок лейнера. При толщине алюминиевых стенок меньше 0,9 мм лейнер легко теряет свою форму при намотке из-за натяжения жгута, что усложняет технологию его изготовления, поскольку требуются специальные дополнительные операции и приспособления для поддержания формы лейнера в процессе намотки. При этом выполнение тонкостенных лейнеров из алюминия и особенно из стали методом глубокой вытяжки вообще достаточно трудоемко. Приведенные в рекламном проспекте фирмы SCI композитные баллоны рассчитаны на 8,4 литра, 210 атм и весят в незаряженном состоянии без запорного устройства 4,45 кг. Таким образом, доля веса пустого баллона в весе заряженного составляет 0,65, что меньше, чем в известных баллонах, но еще достаточно много.

В основу настоящего изобретения положена задача создать композитный газовый баллон ВД, лейнер которого был бы выполнен таким образом, чтобы без значительного увеличения трудоемкости его изготовления обеспечить меньшую толщину стенок лейнера и тем самым уменьшить долю веса пустого баллона в весе заряженного при одном и том же рабочем давлении.

Поставленная задача решается тем, что в композитном газовом баллоне высокого давления, содержащем внутренний металлический лейнер и внешнюю органопластиковую оболочку вокруг всей поверхности лейнера, согласно изобретению лейнер выполнен из стали с толщиной стенок 0,5 0,9 мм, при этом он выполнен сварным, содержащим среднюю цилиндрическую часть и две донные, соединенные со средней посредством подкладных колец.

Выполнение лейнера сварным обеспечивает возможность использовать для его изготовления менее пластичный, но более прочный, чем алюминий металл и тем самым уменьшить толщину его стенок по сравнению с известными лейнерами при одном и том же рабочем давлении и без значительного увеличения трудоемкости его изготовления. Это обусловлено тем, что выполнение лейнера из более прочного металла, чем алюминий позволяет сохранить его форму при намотке при более тонких стенках.

Испытания, проведенные авторами, показали, что наличие сварных швов не приводит к снижению прочностных характеристик лейнеров. Это объясняется тем, что при толщине стенок 0,5 0,6 мм лейнер как в прототипе, так и в предлагаемой конструкции баллона служит только герметичной полостью для газа и в основном не воспринимает силовых нагрузок, которые практически полностью приходятся на внешнюю оболочку. Кроме того, наличие сварных швов не приводит к значительному увеличению трудоемкости изготовления лейнера. При этом, как известно, обеспечение герметичности сварных швов не представляет особых трудностей. Наличие протяженной цилиндрической части позволяет использовать для ее изготовления тонкий листовой прокат. Незначительная глубина донных частей позволяет выполнить их методом холодной штамповки из более прочного металла, чем алюминий, но с толщиной стенок, соизмеримой с толщиной листового проката этого же металла. В частности, сталь имеет прочностные характеристики более высокие, чем алюминий, при этом его пластичность достаточна для изготовления холодной штамповкой донных частей с толщиной стенок, практически соизмеримой с толщиной листового проката цилиндрической заготовки. Подкладные кольца обеспечивают гладкую внешнюю поверхность лейнера в месте сварного шва.

Испытания показали, что при толщине стенок стального лейнера меньше 0,5 мм лейнер теряет свою форму при намотке. При толщине стенок более 0,9 мм доля веса пустого баллона в весе заряженного будет соизмерима с указанным параметром в известных конструкциях газовых баллонов ВД.

В дальнейшем изобретение поясняется более подробным описанием примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает композитный газовый баллон ВД, частичный продольный разрез, фиг. 2 лейнер композитного газового баллона ВД, фиг. 3 узел I на фиг. 2, фиг. 4 схему намотки органопластиковой оболочки.

Согласно изобретению композитный газовый баллон ВД содержит внутренний металлический лейнер 1 (фиг. 1) и внешнюю органопластиковую оболочку 2, образованную намоткой на лейнер 1 по всей его поверхности прочного полимерного волокна, пропитанного смолой. Лейнер выполняют из высоколегированной коррозионно-стойкой стали, например, марки 12Х18Н10Т. Лейнер 1 выполнен сварным. Он содержит цилиндрическую часть 3 (фиг. 2), сваренную по образующей 4, и две донные части 5, приваренные по периметру 6 к цилиндрической части 3. В одной из донных частей 5 выполнено отверстие 7 для штуцера 8. Внешняя органопластиковая оболочка 2 может быть выполнена из любого известного полимерного материала, применяемого с этой целью. Наиболее предпочтительно использовать жгут Армос.

Для изготовления лейнера 1 наиболее технологично использовать стальную заготовку из тонкого листового проката. При этом известно, что прокатом может быть изготовлен очень тонкий лист, вплоть до 0,5 0,6 мм. Для предлагаемых баллонов толщина стальной заготовки не должна быть меньше 0,5 0,6 мм. Это обусловлено необходимостью сохранения формы лейнера в процессе намотки. Края стальной заготовки, свернутой в цилиндр, сваривают встык. Наиболее предпочтительно использовать электронно-лучевую сварку. Донные части 5 выполняют известным методом холодной вытяжки. При этом, поскольку и глубина незначительна, как правило, не более 30 мм, достаточно просто обеспечить их толщину, соизмеримую с толщиной цилиндрической заготовки, в частности не меньше 0,5 мм. Донные части 5 по периметру 6 приваривают к цилиндрической части 3 через подкладные кольца 9. При этом используют, например, электронно-лучевую или лазерную сварку. Как показали испытания, наличие сварных швов не ухудшает герметичности лейнера 1.

Для намотки на лейнер 1 жгута Армос используют, как и в известных конструкциях, спиральную радиально-диагональную намотку, которую осуществляют на известном оборудовании, например на станке СНП.

На фиг. 4 приведена схема намотки лейнера 1. Согласно этой схеме на поверхность лейнера сначала наносят слой смолы, например эпоксидной смолы, а затем лейнер 1 обматывает лентой, свитой из 4-х жгутов Армоса. Оплетку наносят поочередно радиальными (_ _ _) и диагональными (_____) рядами соответственно 10 и 11. При этом радиальными рядами 10 обматывают только цилиндрическую часть 3 лейнера 1. Последним наносят радиальный ряд 10 из трех жгутов Армоса. В общем случае количество слоев, толщину внешней оболочки 2, тип используемого материала намотки, конкретную конфигурацию выбирают в зависимости от эксплуатационных характеристик баллона ВД, рабочего давления, объема лейнера, его размеров и пр.

Как показали испытания, стальные лейнеры с толщиной стенок до 0,5 0,6 мм не теряют формы при обычной технологии намотки. При этом испытания также показали, что баллоны, изготовленные по вышеописанной технологии с предлагаемой конструкцией, полностью отвечают принятым прочностным характеристикам, например были изготовлены баллоны ВД со следующими характеристиками: толщина стенок 0,5 0,6 мм, толщина намотки жгута Армос 4 мм, вес 1,78 кг, рабочее давление 300 атм при объеме 3 литра, вес баллона с кислородом 3 кг, доля веса пустого баллона в весе заряженного 0,59.

Таким образом, предлагаемые баллоны имеют меньшую, чем в известных долю веса пустого баллона в весе заряженного, а рабочее давление в предлагаемых баллонах выше, что расширяет эксплуатационные характеристики портативных газовых баллонов ВД. Кроме того, для предлагаемых баллонов характерны высокая технологичность и сравнительно низкая себестоимость изготовления.

Формула изобретения

1 Композитный газовый баллон высокого давления, содержащий внутренний металлический лейнер и внешнюю органопластиковую оболочку вокруг всей поверхности лейнера, отличающийся тем, что лейнер выполнен из стали с толщиной стенок (0,5 0,9) мм, при этом он выполнен сварным, содержащим среднюю цилиндрическую часть и две донные, соединенные со средней посредством подкладных колец.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4