Испытано и надежно Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

щ

Газобаллонное оборудование автомоб

л

Испытано и надежно

Особенности нормирования и безопасной эксплуатации металлокомпозитных баллонов высокого давления

Я.Г. Осадчий,

генеральный директор ЗАО НПП «Маштест», академик Российской академии космонавтики, д.т.н.,

Ю.И. Русинович, заместитель генерального директора

по НИОКР ЗАО НПП «Маштест», к.т.н.,

Е.Н. Крылов, директор ООО «ЭСО-Экспертиза»

Область нормирования охватывает все стадии создания и эксплуатации металлокомпозитных и композитных баллонов высокого давления: проектирование и выпуск конструкторской документации, изготовление и выпуск технологической документации, экспериментальная отработка и выпуск программ-методик испытаний, надзор за техническим состоянием баллонов при эксплуатации.

Существуют три основных

типа металлокомпозитных (или металлопластиковых) баллонов:

■ металлокомпозитные с металлической внутренней оболочкой (лейнером) и кольцевой намоткой различными высокопрочными волокнами, которые скреплены эпоксидными связующими; по международной классификации - баллон типа 2 (рис. 1);

■ металлокомпозитные с металлическим лейнером, кольцевой и спиральной обмоткой по всей поверхности лейнера (обмотка типа «кокон»); по международной классификации - баллон типа 3 (рис. 2);

■ композитные баллоны со структурой предыдущего типа намотки волокон, но имеющие неметаллические лейнеры (резиновые, из полимеров и так далее) с закладными металлическими элементами со штуцерами; по международной классификации - баллон типа 4 (рис. 3).

Металлокомпозитные баллоны применяются там, где есть ограничения по массе: в системах пожаротушения, дыхательных аппаратах пожарных, автомобилях, автобусах, автозаправщиках. Научно-производственное предприятие «Маштест» (г. Королев) серийно выпускает баллоны всех упомянутых типов вместимостью до 1000 л на рабочее давление до 800 кгс/см2 для различных рабочих сред. Производство баллонов обеспечено нормативными документами [1-3], в создании которых принимали участие специалисты НПП «Маштест».

Основная особенность композитных баллонов состоит в

Таблица 1

Основные характеристики намоточных материалов

Марка материала, страна-изготовитель Плотность, г/см3 Прочность, ГПа Модуль упругости, ГПа Удлинение при разрыве, %

Стекловолокно ибазальтоволокно

Стекловолокно, Россия 2,48 4,59 86 5,0 - 6,0

Базальтоволокно, Россия 2,66 2,9 - 3,2 85 - 95 3,2

Органоволокна

Армос, Россия 1,43 4,2-4,5 145 4,0

Дайнима, Голландия 0,97 3,4-3,5 100-120 3,0-6,0

Углеволокна

Торейка Т-700Э, Япония 1,82 4,9-5,5 235 2,1

Торейка Т-800Н,Япония 1,81 5,7 300 1,9

Сталь (для сравнения)

7,8 1,8 200 15

Рис. 1. Металлокомпозитный баллон с кольцевой подмоткой (тип 2)

ИИ дШи. Л01 4

«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (7) январь 2009 г.

обаллонное оборудование автомобилей

Таблица 2

Квалификационные испытания материалов

Наименование испытания Материал

Сталь Алюминий Композит Полиэтилен

Определение механических свойств х х х х

Испытание на ударный изгиб х — — —

Испытание на стойкость к коррозионному растрескиванию в среде сероводорода х — — —

Испытание на коррозионное растрескивание под напряжением — х — —

Испытание на межкристаллитную коррозию — х — —

Определение температуры размягчения — — — х

том, что композиционным материал формируется в процессе изготовления конструкции из высокопрочных волокон с применением эпоксидных смол. Поэтому наиболее важными областями нормирования являются технологический процесс намотки и исходные данные для его разработки.

К основным исходным данным относятся характеристики композитных материалов, кото-

рые определяются более сложными, чем металлы, методами как по видам образцов материала («сухой» жгут, микропластик, кольцо, равнополюсная модель), так и по их количеству. Это следует из широты разброса характеристик составляющих композитного материала и их большой чувствительности к различным стадиям и режимам технологического процесса. В табл. 1 приведены основные прочностные

Квалификационные испытания баллонов

характеристики наиболее распространенных намоточных материалов.

Для расчета на прочность композитных конструкций применяются наиболее передовые методы (например, метод конечных элементов). Однако, несмотря на применение весьма сложных методов расчета, основные ответы на вопросы о прочности и эксплуатационной надежности можно получить из прямого эксперимента по разрушению баллонов внутренним давлением. Поэтому особое внимание уделяется нормированию всех этапов подготовки и проведения испытаний баллонов на основные случаи эксплуатации. В табл. 2 и 3 представлены типовые перечни квалификационных испытаний материалов и баллонов. Из них видно, что объем отработки металлокомпозитных баллонов существенно больше, чем у стальных (тип 1).

Действующий ГОСТ Р [3] в основном соответствует требо-

Таблица 3

Наименование испытания Количество Тип баллона

баллонов 1 2 3 4

Определение давления разрушения баллона 3 Х х х х

Определение давления разрушения лейнера 1 - х х х

Испытание на циклическую долговечность 3 х х х х

Испытание на циклическую долговечность при экстремальных температурах (климатика) 1 - х х х

Испытание на воздействие пламенем 2 х х х х

Испытание на прострел 1 х х х х

Испытание на устойчивость к дефектам на оболочке из композиционного материала 1 - х х х

Испытание на длительное воздействие нагрузок 1 - х х х

Испытание на устойчивость к ударам 1 х х х

Испытание на устойчивость к воздействию кислоты 1 - х х х

Испытание на газопроницаемость 1 - - - х

Испытание на циклическую долговечность природным газом 1 - - - х

Испытание на скручивание 1 - - - х

«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (7) январь 2009 г.

.....шидтвк. мьид^яаьишш

(¡Oí

Газобаллонное оборудование автомоб

л

ваниям международного стандарта USO 11439 [4]. Металло-композитные баллоны более опасны при разрушении, чем металлические, так как упругие деформации в момент разрушения у металлокомпозитных баллонов значительно больше. Это значит, что запас упругой энергии, высвобождаемой при разрушении в системе «метал-локомпозитный баллон + жидкость», значительно выше, чем в системе «металлический баллон + жидкость».

Рис. 3. Металлокомпозитный баллон с полиэтиленовым лейнером (тип 4)

таллокомпозитных баллонов меньше чем стальных, но стоимость их выше.

Особенность эксплуатации металлокомпозитных баллонов состоит в необходимости защиты композитного слоя. В транспортных средствах баллоны нужно устанавливать в специально приспособленных местах, чтобы они были защищены от прямого солнечного излучения, атмосферных осадков и дорожных воздействий (выбросов гравия, соли, кислоты и так далее).

Композитный слой метал-локомпозитных баллонов менее чувствителен к дефектам, чем металлические баллоны, так как многослойная структура и большое количество волокон в композите позволяют перераспределять напряжение на бездефектные зоны (слои) конструкции. При пневмоис-пытаниях металлокомпозитных баллонов требуется длительная выдержка для выхода воздуха из толщины композитного слоя. Трудоемкость изготовления ме-

Литература

1. ПБ-03-576-03. «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

2. НПБ 190-2000. «Техника пожарная. Баллоны для дыхательных аппаратов со сжатым воздухом для пожарных. Общие технические требования. Методы испытаний».

3. ГОСТ Р 51753-2001. «Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах. Общие технические условия».

4. Осадчий Я.Е., Строганов А.В., Строганов В.И. Национальный стандарт по автомобильным баллонам. Успехи и проблемы. - «АГЗК+АТ», 2005, № 6.

От редакции:

Просим бухгалтерию подписчиков журнала своевременно высылать в редакцию бухгалтерские документы.

Наш почтовый адрес: 115304, г. Москва, ул. Луганская, д. 11. Национальная газомоторная ассоциация

ШП дШи. 0 4

«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (7) январь 2009 г.