Баллон, работающий под давлением от 100 до 200 кгс/см2

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к производству баллонов высокого давления, предназначенных для хранения и перевозки сжатых и сжиженных газов для технологических, медицинских, пищевых или других целей, а также для хранения углекислоты в огнетушителях и хладонов в системах пожаротушения и т.д. Задача - внедрение в народное хозяйство дешевых, легких массовых баллонов в диапазоне вместимостей от 7 до 30 литров, работающих под давлением 100-200 кгс/см², изготавливаемых из бесшовных горячедеформированных труб из углеродистой стали методом закатки разогретых концов трубной заготовки. Технический результат - снижение металлоемкости, удельной массы баллонов, трудоемкости изготовления, повышение технологичности изготовления семейство баллонов высокого давления из бесшовных горячедеформированных труб при обеспечении их прочностных свойств. Для этого в семействе баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², включающих корпуса из стальной бесшовной горячедеформированной трубы из углеродистой стали и формованные методом закатки разогретых концов трубных заготовок глухие днища и днища с горловинами, или только днища с горловинами, корпуса каждого баллона семейства выполнены из трубы номинальным наружным диаметром 159 мм с номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм с получением баллонов вместимостью от 7 до 30 литров, отношение длины каждого из которых к диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5, а горловины каждого баллона семейства снабжены унифицированной внутренней резьбой для присоединения унифицированной запорной арматуры. 1 н. и 1 з.п. ф-лы; 1 ил.; 3 табл.

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к производству баллонов высокого давления, предназначенных для хранения и перевозки сжатых и сжиженных газов для технологических, медицинских, пищевых или других целей, а также для хранения углекислоты в огнетушителях и хладонов в системах пожаротушения и т.д.

Известны стальные баллоны для газов вместимостью от 0,4 до 50 литров на рабочее давление до 200 кгс/см² , изготавливаемые из бесшовных горячедеформированных труб. Нормативным документом, регламентирующим основные параметры, технические требования и методы испытаний таких баллонов в РФ, является действующий ГОСТ 949 «Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Р_р19,6 МПа (200 кгс/см²). Технические условия».

Согласно ГОСТ 949 баллоны делятся на баллоны малого объема - до 12 л (наиболее распространен для технических газов баллон вместимостью 10 л) и среднего объема - от 20 до 50 л (наиболее распространен для технических газов баллон вместимостью 40 л).

Известна и широко применяется технология массового изготовления баллонов малой и средней вместимости методом закатки разогретых участков соответствующей длины на концах заготовки из бесшовной горячедеформированной трубы определенного наружного диаметра с образованием глухого днища на одном конце трубной заготовки и днища с горловиной на другом.

В частности, известна конструкция баллонов, изготовленных соответствующим способом и включающих корпуса из стальной трубы и формованными методом закатки разогретых концов трубных заготовок днищами [Описание изобретения к А.с. СССР 1712029 от 09.11.1989, МПК B21D 22/16, B21D 51/54, опубл. 15.02.1992].

Полученные настоящим способом баллоны отвечают всем предъявляемым к подобного рода изделиям требованиям. Однако в части получения номенклатурного ряда баллонов высокого давления из бесшовных горячедеформированных труб, отличающихся в целом для ряда пониженной металлоемкостью, удельной массой баллонов и трудоемкостью изготовления при обеспечении их прочностных свойств, настоящее решение требует дальнейших исследований.

Мировой опыт показывает, что широкий потребный ряд вместимостей баллонов, в частности, от 1 до 50 литров не может быть покрыт баллонами, представленными только одним номинальным диаметром трубы.

Для изготовления баллонов вместимостью от 1 до 50 литров по технологии закатки разогретых концов трубной заготовки применяются трубы разного номинального диаметра, таким образом, что семейство баллонов, изготавливаемое закаткой труб конкретного номинального диаметра, покрывает определенный диапазон вместимостей, после чего другое семейство, изготавливаемое из труб другого, например большего, номинального диаметра покрывает свой диапазон вместимостей, причем эти диапазоны, как правило, перекрывают друг друга на своих верхних и нижних границах.

Необходимо отметить, что в рамках каждого семейства, баллоны, имеющие большую величину отношения длины к диаметру (далее по тексту - удлинение, - безразмерная величина), имеют меньшее отношение массы к объему (далее по тексту - удельная масса). Это связано с особенностями технологии изготовления и прежде всего с тем, что толщина закатанных днищ с точки зрения прочности является избыточной и вносит излишний вклад в массу баллона.

Это означает, что при равных вместимостях баллоны с большим удлинением (т.е. меньшего диаметра) легче, экономичнее в изготовлении (для закатки трубы меньшего диаметра требуется меньше затрат энергии на нагрев, меньше усилия и нагрузки на станок и т.д.), и, следовательно - дешевле.

В таблице 1 приведены предложения на рынке баллонов малого и среднего объема для технических газов одного из зарубежных производителей и отечественных баллонов по ГОСТ 949 (для давления 150 кгс/см ², как среднего из заявленного диапазона).

По результатам анализа таблицы 1 можно сделать выводы:

1. В ГОСТ 949 имеет место разрыв по вместимости нормируемых баллонов от 12 до 20 литров, обусловленный значительной разницей по номинальным диаметрам используемых труб, а именно: значительным увеличением (примерно на 60%) нормируемого номинального диаметра (со 140 мм до 219 мм).

2. Таких разрывов по вместимостям баллонов разных семейств нет у зарубежных производителей из-за отсутствия столь значительных скачков по значению номинального диаметра. В частности, в номенклатуре баллонов фирмы EVEREST KANTO (Индия) - www.everestkanto.com, - между баллонами номинальным диаметром 140 мм и 232 мм представлены баллоны, изготовленные из трубы номинальным диаметром 165 мм.

3. Баллоны вместимостью от 12 до 20 л отсутствуют в определении ГОСТ 949, хотя, с введением с 2010 года нового ГОСТ 51017 на передвижные углекислотные огнетушители, баллон вместимостью 14-15 литров можно было бы применить для хранения 10 кг СО₂ в передвижном углекислотном огнетушителе.

4. Баллоны вместимостью 20 л по ГОСТ 949 имеются только как первый член семейства диаметром 219 мм, поэтому имеют минимальное удлинение и, соответственно, максимальную удельную массу.

Для решения реальных хозяйственных задач, например, для модулей пожаротушения, компактных передвижных установок для сварки и резки, медицинских газов имеется потребность в баллонах практически непрерывного ряда вместимостей в диапазоне от 1 до 50 литров.

Выбор диапазона вместимостей от 7 до 30 литров обусловлен попыткой создать семейство, которое, во-первых, покрывало бы недостающую часть вместимостей по ГОСТ 949 (от 12 до 20 литров), во-вторых, образовывало бы интервал вместимостей, граничные значения которого лежат примерно посередине интервалов по ГОСТ 949, т.е. интервал, образованный диаметром 140 мм в ГОСТ 949 занимает от 3 до 12 литров (среднее значение - 7,5 литров. Для удобства анализа выбираем 7 л); интервал, образованный диаметром 219 мм - от 20 до 50 литров, среднее значение - 35 литров. Для удобства анализа выбираем 30 л).

Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью номенклатурные ряды баллонов на примере разных производителей, в дополнение к таблице 1, сведены в таблицу 2.

Из таблицы 2 видно, что предлагаемое семейство баллонов имеет самую низкую удельную массу в диапазоне, начиная от 10 и до 25 литров включительно за счет высокого удлинения.

При выборе номинального диаметра горячедеформированной трубы, промежуточной между диаметрами 140 мм и 219 мм для баллонов вместимостью от 7 до 30 литров была проанализирована номенклатура труб, реально выпускаемых трубными заводами России по ГОСТ 8732 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент». Хотя ГОСТ 8732 после диаметра 140 и до диаметра 219 нормирует трубы девяти различных диаметров, трубные заводы России декларируют выпуск трубы восьми из девяти, среди которых, для анализа были выбраны реально выпускаемые и доступные потребителю трубы четырех номинальных диаметров: 159, 168, 180, 194 мм (см. сайты производителей - www.tmkgroup.ru, www.pntz.ru).

Далее анализ проводился для выбора наиболее эффективной трубы по критерию отношения номинального диаметра к минимальной номинальной изготавливаемой толщине стенки. Чем больше это отношение, тем больше можно минимизировать удельную массу баллона, т.е. сделать его более легким для определенной вместимости. Эти значения:

- номинальный диаметр 159 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 4,5 мм) - 35,333;

- номинальный диаметр 168 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 6 мм) - 28;

- номинальный диаметр 180 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 6 мм) - 30;

- номинальный диаметр 194 мм (минимальная номинальная изготавливаемая толщина стенки - 6 мм) - 32,333,

по материалам сайта www.pntz.ru.

Таким образом, наибольшие значения это отношение имеет для труб номинальным диаметром 159 мм и 194 мм.

Для дальнейшего анализа труб номинальных диаметров 159 мм и 194 мм была построена таблица 3 сравнительной эффективности баллонов, которые могут быть изготовлены из этих труб в рассматриваемом диапазоне вместимостей, по критерию удельной массы.

Из рассмотрения таблицы 3 можно сделать следующие выводы:

- до вместимости 25 литров включительно баллоны диаметром 159 мм имеют преимущество по удельной массе;

- для баллонов диаметром 194 мм оптимальным будет являться диапазон вместимостей от 15 до 45 литров, однако такой диапазон вместимостей будет перекрывать более чем половину диапазона вместимостей семейства баллонов диаметром 219 мм по ГОСТ 949, и, одновременно, будет иметь разрыв по вместимости от семейства баллонов номинальным диаметром 140 мм.

Безусловно, можно изготовить баллон конкретной вместимости с минимальной удельной массой за счет подбора оптимального удлинения, а также соотношения между номинальным диаметром трубы и минимальной изготавливаемой толщиной стенки трубы.

Однако, вследствие наличия потребности в широком спектре баллонов по вместимости, индивидуальное изготовление каждого такого оптимального баллона потребует применения труб с индивидуальными параметрами по номинальным диаметрам и толщинам стенки практически для каждого баллона, что технически осуществить для производителя практически невозможно.

В свою очередь, попытка изготавливать из труб с одним и тем же номинальным диаметром семейство баллонов с очень большим диапазоном вместимостей предполагает, что значительная часть этого семейства будет иметь избыточный вес, будет трудоемким и низкотехнологичным в изготовлении, и их производство будет затратным.

Иными словами, изготовление баллонов из трубы одного типоразмера не обеспечивают получения оптимального семейства баллонов для различных народнохозяйственных нужд.

Для определенного диапазона вместимостей можно рассчитать некий оптимальный номинальный диаметр трубы и номинальную толщину ее стенки (с учетом возможностей изготовителей труб). При изготовлении из такой трубы целого семейства баллонов, значительное большинство из них будет иметь малую металлоемкость, трудоемкость, низкую удельную массу, т.е. будут являться наиболее предпочтительными для массового производства.

В общем виде семейство баллонов высокого давления включает единичные баллоны [см. описание изобретения к А.с. СССР 1712029] с корпусами из стальной трубы и формованными методом закатки разогретых концов трубных заготовок днищами

Таким образом, существует техническое противоречие, заключающееся в том, что для составления номенклатурного ряда (семейства) массовых баллонов вместимостью в диапазоне от 7 до 30 литров необходим унифицированный способ изготовления, связанный с выбором специального номинального диаметра и номинальной толщины стенки трубы из углеродистой стали, что позволит обеспечить на семействе конечных изделий снижение металлоемкости и удельной массы, снижение трудоемкости изготовления и повышение технологичности.

Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является внедрение в народное хозяйство дешевых, легких массовых баллонов в диапазоне вместимостей от 7 до 30 литров, работающих под давлением 100-200 кгс/см ², изготавливаемых из бесшовных горячедеформированных труб из углеродистой стали методом закатки разогретых концов трубной заготовки.

Техническим результатом является снижение металлоемкости, удельной массы баллонов, трудоемкости изготовления, повышение технологичности изготовления семейства баллонов высокого давления из бесшовных горячедеформированных труб при обеспечении их прочностных свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что баллон, работающий под давлением от 100 до 200 кгс/см² и вместимостью от 7 до 30 литров, содержащий корпус из бесшовной горячедеформированной трубной заготовки из углеродистой стали, сформованный с глухим днищем и горловиной или с днищами, имеющими горловину, методом закатки разогретых концов упомянутой заготовки. Корпус выполнен из упомянутой заготовки с номинальными наружным диаметром 159 мм и толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, а отношение длины корпуса к его диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5.

Кроме этого, горловина баллона снабжены унифицированной внутренней резьбой для присоединения унифицированной запорной арматуры.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где наглядно изображено получение заявляемого семейства баллонов высокого давления.

Таким образом, семейство баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², включает корпуса 1 из стальной бесшовной горячедеформированной трубы 2 из углеродистой стали и формованные методом закатки разогретых концов трубных заготовок 3 глухие днища 4 (т.н. донные части) и днища с горловинами 5, или только днища с горловинами 5 - для баллонов с двумя горловинами одновременно. Корпуса 1 каждого баллона семейства выполнены из трубы 2 номинальным наружным диаметром D=159 мм с номинальной толщиной стенки =4,5÷6,5 мм с получением баллонов вместимостью от 7 до 30 литров, отношение длины L_i каждого из которых к диаметру D находится в пределах L_i/D=3,2÷11,5. Горловины 5 каждого баллона семейства снабжены унифицированной внутренней резьбой 6 для присоединения унифицированной запорной арматуры (условно не показана).

Для каждого баллона из заявленного семейства величина закатанной донной части 4 (глухого днища) составляет l₁=80-130 мм, а днища с горловиной 5-l₂=100÷160 мм. Закатка днищ выполнена с возможностью нагрева концов трубных заготовок 3 в диапазоне температур от температуры горячей ковки при начале закатки, до температуры низкого отжига при окончании закатки.

Следует отметить, что в тексте описания под термином «семейство баллонов» следует понимать типоразмерный ряд (линейку) из, не менее, чем двух баллонов различной вместимости, изготовленных из труб одного номинального диаметра на основе единого конструкторского подхода, используемых материалов и технологий.

Термины «горячая ковка» и «низкий отжиг» известны из книги Краткий технический справочник под общей редакцией В.А.Зиновьева, ч. 2. - М.-Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1950, с.414-417.

Под длиной баллона L_i следует понимать габаритный размер баллона от края глухого днища 4 (донной части) до торца горловины (днища с горловиной 5), или, для баллона с двумя горловинами - от торца одной горловины до торца другой, а под диаметром баллона - номинальный диаметр трубы из которой изготовлен баллон (в нашем случае - в соответствии с ГОСТ 8732).

Под унифицированной внутренней (наружной) резьбой d следует понимать такую резьбу, параметры которой, например, для условий России соответствуют нормам ГОСТ 9909 «Резьба коническая вентилей и баллонов для газов».

Номинальная толщина стенки трубы 2 номинальным наружным диаметром 159 мм выбирается в пределах от 4,5 до 6,5 мм. Это связано с тем, что потребная толщина стенки баллона зависит от прочностных свойств углеродистой стали, из которой изготовлен баллон. Прочностные свойства углеродистой стали, в частности, предел прочности, зависят от процентного содержания углерода (согласно ГОСТ 1050).

Именно по этой причине, номинальная толщина 4,5 мм стенки трубы 2 номинальным диаметром 159 мм обеспечивает прочность баллона при условии его изготовления из углеродистых сталей с высоким содержанием углерода (марки 35 и выше), а толщина стенки 6,5 мм обеспечивает прочность баллона при условии его изготовления из сталей с низким содержанием углерода (марки 10 или 20). Предпочтительным, с точки зрения удельной массы, является изготовление баллонов из высокоуглеродистых сталей (марки 35 и выше).

В итоге, при реализации полезной модели можно исходить из любой толщины стенки трубы 2, лежащей в пределах от 4,5 до 6,5 мм.

Получение семейства баллонов, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см², реализуется следующим образом.

Производят операцию отрезки трубной заготовки 3 из бесшовной горячедеформированной трубы 2 из углеродистой стали номинальным наружным диаметром D=159 мм с номинальной толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм. Конец трубной заготовки 3 нагревают любым известным способом с помощью любого известного нагревательного устройства (горелки, индуктора, печи и т.д.), при необходимости вращая заготовку 3, до температуры, не большей предельной температуры нагрева при ковке. К нагретому концу заготовки 3, зажатой в приспособлении, обеспечивающем ее вращение, подводят инструмент, обеспечивающий формообразование глухого днища 4 или днища с горловиной 5: на длине l₁=80-130 мм - для глухого днища 4 (донной части) и на длине l₂=100-160 мм - для днища с горловиной 5, соответственно. После этого производят операцию нагрева другого конца заготовки 3 и производят затем формирование другого конца, формируя горловину или глухое днище 4: на длине 100-160 мм - для днища с горловиной 5 и 80-130 мм - для днища с горловиной 4 (донной части), соответственно, после чего, полученный баллон имеет отношение длины L_i к диаметру D в пределах от 3,2 до 11,5.

Это же относится и к получению баллонов без глухого днища 4, но с двумя днищами с горловинами 5, расположенными по обеим сторонам заготовки (на чертеже показано пунктирными линиями).

Конкретная величина длины участков формообразования l₁ или l₂ зависит от геометрии формируемого днища 4 или 5. В частности, глухое днище может быть плоским или иметь форму полусферы (а также эллиптическую форму, как промежуточный вариант), поэтому минимальная длина l₁ участка формообразования характерна для плоского днища, а максимальная - для днища в форме полусферы. Аналогичные формы может иметь днище с горловиной, однако, для формирования собственно горловины, как цилиндрического участка на днище, снабженного внутренней резьбой, требуется определенное увеличение длины l₂ участка формообразования.

После операций формообразования в горловине нарезают, например, унифицированную для целого ряда баллонов внутреннюю резьбу d для присоединения, например, унифицированной запорной арматуры.

Аналогичным образом изготавливают другие типоразмеры баллонов.

В результате получения баллонов разных типоразмеров образуется некое семейство (номенклатурный ряд) баллонов вместимостью от 7 до 30 литров, работающих под давлением от 100 до 200 кгс/см².

При таких параметрах удельная масса баллонов в семействе составит от 1,5 до 1,1 кг/л (для давления 150 кгс/см², как среднего). Более конкретные технические характеристики семейства баллонов представлены в таблицах 1 и 3 под рубрикой «Предлагаемое семейство баллонов». Настоящее семейство также может быть дополнено баллонами другой вместимости или сокращено.

В результате использования полезной модели существенно повышаются потребительские качества баллонов: снижается удельная масса, металлоемкость, расход энергии при изготовлении, минимизируется цена, повышается удобство в эксплуатации.

Кроме того, при оценке стоимости баллонов для конкретного рабочего давления имеется условный показатель - цена за литр вместимости. Баллоны, заявленные в настоящей полезной модели, позволяют минимизировать данный показатель для объявленного семейства.

Таблица 1
	Наружный диаметр, мм	Вместимость баллона, л	Удлинение б/р	Удельная масса, кг/л
Фирма EVEREST KANTO (Индия)	108	2,0-5,0	3,1-6,8	2,3-1,6
140	4,5-15,0	3,1-8,8	1,8-1,4
165	6,8-20,0	2,8-7,2	1,9-1,4
232	22,0-54,0	2,9-6,7	1,3-1,2
	108	2,0-3,0	3,1-4,3	1,9-1,7
ГОСТ 949	140	3,0-12,0	2,3-7,3	2,0-1,5
	219	20,0-50,0	3,4-7,7	1,6-1,4
Предлагаемое семейство баллонов	159	7-30	3,2-11,5	1,5-1,2
- по материалам сайта www.everestkanto.com/productsandservices/ indu-strial_cylinders.htm.
Таблица 3
Диаметр трубы, мм	Параметр баллона	Вместимость баллона, л
10	15	20	25	30
159	Удлинение	4,4	5,9	7,7	9,7	11,4
Удельная масса, кг/л	1,4	1,3	1,2	1,2	1,2
194	Удлинение	2,5	3,5	4,4	5,4	6,4
Удельная масса, кг/л	1,6	1,4	1,3	1,3	1,2

Таблица 2
Изготовитель	Вместимость, л	Диаметр, мм	Удлинение	Удельная масса, кг/л
Фирма EVEREST KANTO (Индия)	10,0	140	6,0	1,5
10,2	165	4,0	1,6
ГОСТ 949	10,0	140	6,0	1,5
Предлагаемое семейство баллонов	10,0	159	4,4	1,4
Фирма EVEREST KANTO (Индия)		140	6,0	1,5
15,0	165	5,6	1,5
ГОСТ 949	15,0	-	-	-
Предлагаемое семейство баллонов	15,0	159	5,9	1,3
Фирма EVEREST KANTO (Индия)	20,0	165	7,2	1,4
ГОСТ 949	20,0	219	3,4	1,6
Предлагаемое семейство баллонов	20,0	159	7,7	1,2
Фирма EVEREST KANTO** (Индия)
24,0	232	3,2	1,3
ГОСТ 949	25,0	219	4,1	1,5
Предлагаемое семейство баллонов	25,0	159	9,7	1,2
- по материалам сайтa www.everestkanto.com/productsandservices/ indu-strial_cylinders.htm.

1. Баллон, работающий под давлением от 100 до 200 кгс/см ² и вместимостью от 7 до 30 л, содержащий корпус из бесшовной горячедеформированной трубной заготовки из углеродистой стали, сформованный с глухим днищем и горловиной или с днищами, имеющими горловину, методом закатки разогретых концов упомянутой заготовки, отличающийся тем, что корпус выполнен из упомянутой заготовки с номинальными наружным диаметром 159 мм и толщиной стенки от 4,5 до 6,5 мм, а отношение длины корпуса к его диаметру находится в пределах от 3,2 до 11,5.

2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что горловина выполнена с унифицированной внутренней резьбой для присоединения унифицированной запорной арматуры.