Тонкостенный сосуд

Полезная модель относится к области производства тонкостенных сосудов, в том числе сосудов высокого давления, разнообразных лейнеров сосудов и пр., которые могут быть использованы для хранения различных жидкостей, сжатых и сжиженных газов в системах пожаротушения, дыхательных аппаратах и т.д. Технический результат - создание технологичной и достаточно простой конструкции герметичных тонкостенных сосудов, повышении производительности их изготовления и, соответственно, снижении издержек производства. Для этого в тонкостенном сосуде, элементы обечаек с открытых торцов контактируют между собой внахлест или встык, причем зоны стыков дополнительно снабжены, по меньшей мере, одним соединительным нахлесточным кольцом, при этом нахлесточный контакт элементов обечаек или элементов обечаек и нахлесточного кольца осуществляется с использованием герметизирующего слоя адгезивного состава и образованием клеевого соединения, причем величина взаимного нахлеста элементов обечаек или взаимного нахлеста для каждого элемента обечайки и нахлесточного кольца рассчитывается по формуле:

Lp×D/(4×),

где: p - расчетное давление разрушения сосуда;

D - максимальный диаметр корпуса сосуда в зоне клеевого соединения;

- расчетное напряжение разрушения полимеризованного слоя адгезива на сдвиг. 1 н. и 3 з.п. ф-лы; 8 ил.

Полезная модель относится к области производства тонкостенных сосудов, в том числе сосудов высокого давления, разнообразных лейнеров сосудов и пр., которые могут быть использованы для хранения различных жидкостей, сжатых и сжиженных газов в системах пожаротушения, дыхательных аппаратах и т.д.

Известен баллон высокого давления, содержащий армированный слоем стекло- или углеродных волокон лейнер, состоящий из двух полубаллонов с днищами, соединенными по утолщенным кромкам посредством резьбы с втулкой-ниппелем и герметизированными сплавлением кромок или введением клеящих компонентов [Описание изобретения к патенту РФ №2168083 от 04.04.1996, МПК ⁷ F16J 12/00, F17С 1/00, опубл. 30.10.1994].

Использование нескольких самостоятельных технологических переходов (соединение при помощи резьбы и герметизация при помощи клеящих компонентов), каждый из которых потенциально является самодостаточным, делают технологию производства лейнера известного баллона неоправданно сложной.

Известен газовый баллон высокого давления, содержащий силовую оболочку из композитного материала, например, из «кевлара», встроенную герметизирующую оболочку (т.н. лейнер) из металла с днищами и фланцами [Описание изобретения к патенту РФ №2118356 от 10.11.2000, МПК⁷ F17С 1/06, F17С 1/16, опубл. 27.08.2000]. Для склеивания элементов баллона используются клеи на основе лейконатов, а прочность соединения обеспечивается сваркой.

Сварочное соединение, фактически дублирует клеевое, что делает конструкцию баллона и технологический процесс его изготовления достаточно сложными.

Известен металлопластиковый баллон высокого давления, включающий тонкостенный стальной лейнер, содержащий среднюю цилиндрическую часть и два днища, соединенные между собой при помощи сварки [Описание изобретения к патенту РФ №2289062 от 12.04.2005, МПК⁸ F17С

1/00, В21D 51/24, опубл. 10.12.2006].

Использование сварки для соединения тонкостенных деталей лейнера значительно усложняет технологический процесс его изготовления, поскольку это требует организации специальных рабочих мест, использования дорогостоящего сварочного оборудования и привлечения специалистов высокой квалификации.

Известен тонкостенный металлический лейнер композитного газового баллона высокого давления, содержащий, среднюю цилиндрическую часть и две донные, соединенные со средней частью посредством подкладных колец при помощи сварки [Описание изобретения к патенту РФ №2077682 от 29.04.1994, МПК ⁵ F17С 1/06, опубл. 20.04.1997, бюл. №11]. По сравнению с предыдущими техническими решениями сварные соединения тонкостенных средней цилиндрической части и двух донных осуществляется с использованием подкладных колец, что снижает требования к технологическим режимам сварки тонких стенок лейнера.

Тем не менее, их производство требует организации специальных рабочих мест, использования дорогостоящего сварочного оборудования и привлечения специалистов высокой квалификации, в частности для работы на установках лазерной и электронно-лучевой сварки, а также их обслуживания.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому в качестве полезной модели техническому решению, является тонкостенный металлический сосуд, выполненный в виде герметичного корпуса с днищами, при этом, корпус состоит из двух элементов обечаек, каждая из которых имеет открытый торец [Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирования сварных конструкций: Учеб. пособие. - М.: Высш. школа, 1983, с.3, 11-15, рис.12.12.].

Данному сосуду присущи те же недостатки, что и у вышеупомянутых изделий.

Задача, решаемая настоящей полезной моделью и достигаемый технический результат, заключаются в создании технологичной и достаточно простой конструкции герметичных тонкостенных сосудов, повышении производительности их изготовления и, соответственно, снижении издержек производства.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном тонкостенном сосуде, выполненном в виде герметичного корпуса с днищами, причем, корпус состоит, по меньшей мере, из двух элементов обечаек, каждая из которых имеет, по меньшей мере, один открытый торец, элементы обечаек с открытых торцов контактируют между собой внахлест или встык, причем зоны стыков дополнительно снабжены, по меньшей мере, одним соединительным нахлесточным кольцом, при этом нахлесточный контакт элементов обечаек или элементов обечаек и нахлесточного кольца осуществляется с использованием герметизирующего слоя адгезивного состава и образованием клеевого соединения, причем величина взаимного нахлеста элементов обечаек или взаимного нахлеста для каждого элемента обечайки и нахлесточного кольца рассчитывается по формуле:

Lp×D/(4×),

где: p - расчетное давление разрушения сосуда;

D - максимальный диаметр корпуса сосуда в зоне клеевого соединения;

- расчетное напряжение разрушения полимеризованного слоя адгезива на сдвиг.

Кроме этого:

- часть, по меньшей мере, одного из элементов обечайки, обеспечивающая нахлесточное соединение выполнена ступенчатой;

- части, по меньшей мере, двух контактирующих между собой встык элементов обечаек в месте соединения с нахлесточным кольцом выполнены ступенчатыми;

- герметичный корпус выполнен с, по меньшей мере, тремя элементами обечаек, одна часть открытых торцов которых контактирует между собой внахлест, а другая - встык.

Следует отметить, что под термином «элемент обечайки» понимается цилиндрическая часть любой детали герметичного корпуса тонкостенного сосуда, посредством которой, в случае настоящей полезной модели, обеспечивается их неразъемное соединение, за исключением нахлесточного кольца - дополнительной технологической детали, обеспечивающей возможность нахлесточного соединения двух соседних элементов обечаек. Таким образом, элементы обечаек присутствуют на торцах как одного днища корпуса

сосуда в виде его цилиндрической части, так и на другом - в случае изготовления герметичного корпуса из двух днищ, одно из которых имеет горловину, а другое выполнено глухим, а также, безусловно, с двух торцов собственно обечайки - в случае изготовления герметичного корпуса из двух днищ с цилиндрической обечайкой или несколькими цилиндрическими обечайками между ними. Независимо от конструкции днища и наличия в нем горловины, а также для обеспечения возможности реализовать заявленную полезную модель необходимо, чтобы его открытая с торца часть была цилиндрической, т.е. - содержала бы элемент обечайки.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где:

- на фиг.1 показана типовая конструкция тонкостенного сосуда;

- на фиг.2-4 изображены варианты конструкции тонкостенного сосуда;

- на фиг.5-8 - возможные варианты соединения деталей в тонкостенном сосуде.

Тонкостенный сосуд выполнен в виде герметичного корпуса 1 с днищами 2 (и 2'), при этом корпус 1 состоит, по меньшей мере, из двух элементов обечаек 3, 4 и 5, 6, каждая из которых имеет, по меньшей мере, один открытый торец 7, 8 или 9, 10. В зависимости от типа соединения элементов обечаек можно выделить два характерных варианта конструкции корпуса 1.

Для первого варианта - элементы обечаек 3 и 4 с открытых торцов 7 или 8 контактируют между собой внахлест (см. фиг.1, 2, 5 и 6), при этом нахлесточный контакт элементов обечаек 3 и 4 осуществляется с использованием герметизирующего слоя адгезивного состава и образованием клеевого соединения (условно не показано, но - подразумевается).

Для второго варианта - элементы обечаек 5 и б с открытых торцов 9 или 10 контактируют между собой встык (см. фиг.3, 4, 7 и 8), причем зоны стыков дополнительно снабжены, по меньшей мере, одним соединительным нахлесточным кольцом 11, при этом нахлесточный контакт элементов обечаек 5 и 6, и нахлесточного кольца 11 также осуществляется с использованием герметизирующего слоя адгезивного состава и образованием клеевого соединения (также условно не показано, но - подразумевается).

Величина взаимного нахлеста L элементов обечаек 3 и 4 или для каждого элемента обечайки 5 и 6, и нахлесточного кольца 11 рассчитывается

по формуле:

Lp×D/(4×),

где: p - расчетное давление разрушения сосуда;

D - максимальный диаметр корпуса сосуда в зоне клеевого соединения;

- расчетное напряжение разрушения полимеризованного слоя адгезива на сдвиг.

Величина взаимного нахлеста L была определена из условия, что напряжение разрушения полимеризованного слоя адгезива на сдвиг равняется отношению сдвигающего усилия к площади сдвигаемой поверхности. В свою очередь, сдвигающее усилие равняется площади проекции днища 2 или 2', помноженной на расчетное давление p разрушения сосуда, а площадь сдвигаемой поверхности равняется длине соответствующей окружности элемента обечайки 2, 4 или 5, 6 в зоне их соединения между собой или их соединения с нахлесточным кольцом 11, помноженной на ширину полимеризованного слоя адгезива - она же - величина взаимного нахлеста L.

Адгезивный состав (он же - полимерная композиция) представляет собой, например, анаэробный или какой-либо другой клей, выпускаемый отечественной промышленностью (например, см. каталог [Составы анаэробные уплотняющие (герметики). Клеи акриловые. ФГУП «НИИ полимеров», Дзержинск, 1999]) или его зарубежных аналогов, распространяемых под торговой маркой LOCTITE^®, AGA и др.

Особенностями конструкции корпуса 1 является то, что часть, элементов обечайки 3 или 4 (см. фиг.5 или 6), обеспечивающая нахлесточное соединение выполнена ступенчатой. Точно так же, части двух, контактирующих между собой встык элементов обечаек 5 и 6 в месте соединения с нахлесточным кольцом 12 (см. фиг.7 или 8) выполнены ступенчатыми. Следует отметить, что ступенька (раздача, обжим, калибровка, вытяжка и т.д.) может выполняться на детали исходя из соображений технологичности, условий эксплуатации баллона, возможностей оборудования и т.д., именно по этой причине на фигурах чертежей представлены лишь характерные варианты ступенчатой формы элементов обечаек 3, 4 и 5, 6.

Перечисленные выше особенности герметичного корпуса 1 могут быть реализованы одновременно в одном сосуде, т.е. открытые торцы 7 и 8

элементов обечаек 3 и 4 со стороны, например, одного днища 2 могут контактировать между собой внахлест, а открытые торцы других, условно не показанных элементов обечаек (это может быть соединение другого днища с другим концом обечайки - условно не показаны) могут контактировать между собой встык, включая, также возможность выполнения составленной по тому же принципу цилиндрической обечайки 12, которой условно можно считать правую часть корпуса 1 на фигурах чертежа (в дополнение к тому, что в других случаях это может быть вытянутое или раскатанное днище 2').

Перечисленные выше особенности герметичного корпуса 1 могут быть реализованы одновременно в конструкции другого сосуда, т.е. открытые торцы 7 и 8 элементов обечаек 3 и 4 двух днищ 2 и 2' могут контактировать между собой внахлест, а открытые торцы других, условно не показанных элементов обечаек (это может быть соединение другого днища с другим концом обечайки) могут контактировать между собой встык, включая, также возможность выполнения составленной по тому же принципу цилиндрической обечайки, которой условно можно считать правую часть корпуса 1 на фигурах чертежа.

И, наоборот - открытые торцы 9 и 10 элементов обечаек 5 и 6 днища 2 могут контактировать между собой встык, а открытые торцы других, условно не показанных элементов обечаек могут контактировать между собой внахлест. И так - в любых сочетаниях.

Рассмотрим типовые примеры изготовления тонкостенных сосудов.

Исходные данные для проектирования.

Необходимо изготовить тонкостенный сосуд, рассчитанный на рабочее давление р=15 МПа, герметичный металлический корпус 1 которого выполнен из стали 10Х18Н10Т (хотя, корпус 1 может быть выполнен из алюминиевого сплава, быть неметаллическим, например, композитным и т.д.) с минимальной толщиной стенки 1 мм с максимальным диаметром D в зоне соединения деталей корпуса 1 равным 150 мм. Расчетное напряжение разрушения полимеризованного слоя адгезива на сдвиг - =20 МПа. Принятое давление разрушения сосуда - 36 МПа определяется путем умножения величины рабочего давления на нормативный коэффициент k=2,4, определенный в ПБ 03-576-03 («Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением»).

Рассчитаем величину взаимного нахлеста L элементов обечаек 3 и 4 (или взаимного нахлеста L для каждого элемента обечайки 5 и 6, и нахлесточного кольца 11):

Lp×D/(4×)=(36×l50)/(4×20)=67,5 мм

Для дальнейшего проектирования, величину взаимного нахлеста L принимаем равной 70 мм.

Пример 1. Тонкостенный сосуд включает два днища 2 и 2', например, как показано на фиг.1.

Берут днище 2 с горловиной, как менее тяжелое, и на внутреннюю поверхность нахлесточного участка 3 по окружности наносят адгезивный состав на величину 70 мм. Подготовленное днище 2 надевают на глухое днище 2' на величину 70 мм. Адгезив в этом случае выполняет функцию смазки, позволяя достаточно легко преодолеть силу трения в зазоре между соединяемыми деталями. Собственно, адгезив может вначале наноситься и на глухое днище 2' - все зависит от конкретных условий производства, технологических возможностей, привычки работников, устоявшихся традиций и т.д. По истечении технологически установленного времени при соответствующей температуре в зазоре между деталями происходит полимеризация состава с образованием неразъемного соединения, несущего функцию уплотнения. После полной полимеризации адгезива достигается надежная герметизация соединения и надежная фиксация деталей 2 и 2' относительно друг друга.

После выдерживания сосуда он отправляется на следующую технологическую операцию, например, на обмотку волокном для получения силовой оболочки и т.д.

Пример 2. Аналогичен примеру 1.

Разница заключается в том, что днища собираются «всухую», а низковязкий адгезив наносят на зону стыка, предварительно повернув корпус 1 днищем 2 вниз.

Низковязкий адгезив за счет капиллярных свойств растекается в зазоре между деталями, заполняя тем самым тот объем зазора, который равен объему использованного жидкого состава.

Пример 3. Тонкостенный сосуд включает днище 2 с горловиной, цилиндрическую обечайку 12, глухое днище 2' и нахлесточное кольцо 11, например, как показано на фиг.3 и фиг.6.

Берут днище 2 с горловиной и на наружную поверхность нахлесточного участка 5 по окружности наносят адгезивный состав на величину 70 мм и надевают нахлесточное кольцо 11, которое имеет ширину 70+70=140 мм. По истечении технологически установленного времени происходит полимеризация состава с образованием неразъемного соединения элемента обечайки 5 и нахлесточного кольца 11.

Далее на открытую внутреннюю поверхность нахлесточного кольца 11 (на величину 70 мм) также наносят анаэробный состав. Одновременно на глухое днище 2' на ступенчатый участок (элемент обечайки) 4 тоже, на величину 70 мм, наносят анаэробный состав.

Подготовленные днища 2 и 2' надевают на цилиндрическую обечайку 12. В одном случае открытый торец 9 днища 2 контактирует с открытым торцом 10 обечайки 12 встык при посредничестве нахлесточного кольца 11, в другом - элемент обечайки 4 днища 2' контактирует с элементом 3 обечайки 12. Автоматически обеспечивается нахлест на величину L с обеих сторон. Адгезив полимеризуется и корпус 1 отправляется на армирование пластмассой.

Далее - аналогично примеру 1.

Возможны другие примеры реализации полезной модели - в рамках использования существенных признаков и их различном сочетании. Во всех случаях в конструкции тонкостенного сосуда металлический корпус 1 обеспечивает герметичность будущего изделия.

Таким образом, использование полезной модели позволяет создать разнообразные технологичные варианты достаточно простой конструкции тонкостенных сосудов, повысить производительность их изготовления и снизить издержки производства.

1. Тонкостенный сосуд, выполненный в виде герметичного корпуса с днищами, при этом, корпус состоит, по меньшей мере, из двух элементов обечаек, каждая из которых имеет, по меньшей мере, один открытый торец, отличающийся тем, что элементы обечаек с открытых торцов контактируют между собой внахлест или встык, причем зоны стыков дополнительно снабжены, по меньшей мере, одним соединительным нахлесточным кольцом, при этом нахлесточный контакт элементов обечаек или элементов обечаек и нахлесточного кольца осуществляется с использованием герметизирующего слоя адгезивного состава и образованием клеевого соединения, причем величина взаимного нахлеста элементов обечаек или взаимного нахлеста для каждого элемента обечайки и нахлесточного кольца рассчитывается по формуле

Lp·D/(4·),

где p - расчетное давление разрушения сосуда;

D - максимальный диаметр корпуса сосуда в зоне клеевого соединения;

- расчетное напряжение разрушения полимеризованного слоя адгезива на сдвиг.

2. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что часть, по меньшей мере, одного из элементов обечайки, обеспечивающая нахлесточное соединение выполнена ступенчатой.

3. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что части, по меньшей мере, двух контактирующих между собой встык элементов обечаек в месте соединения с нахлесточным кольцом выполнены ступенчатыми.

4. Сосуд по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что герметичный корпус выполнен с, по меньшей мере, тремя элементами обечаек, одна часть открытых торцов которых контактирует между собой внахлест, а другая - встык.