CC BY
71Газобаллонное оборудование
^еодаУ*
Изготовление металлокомпозитных
баллонов (первый этап)
С.П. Семенищев, генеральный директор ООО НПП «ВТГ», к.т.н., В.П. Глухов, главный технолог ООО НПП «ВТГ», к.т.н., П.П. Мерзляков, главный конструктор ООО НПП «ВТГ», О.В. Килина, директор по качеству ООО НПП «ВТГ», В.К. Попов, директор по производству ООО НПП «ВТГ»
Рассмотрено изготовление лейнеров, которое является первым этапом производства металлокомпозитных баллонов высокого давления типа 3 с лейнерами из алюминиевого сплава. Приведены некоторые особенности технологии и работы оборудования. Материал статьи может быть полезен специалистам, занимающимся производством баллонов высокого давления, а также потенциальным инвесторам, желающим организовать новое производство таких баллонов.
Ключевые слова: металлокомпозитный баллон, лейнер, технология, раскрой труб, зачистка, калибровка заготовок с раскаткой, закатка днищ, термическая обработка лейнеров, обработка горловины режущим инструментом, испытания гидравлическим давлением.
Ускорение перевода транспортных средств на компримирован-ный природный газ (КПГ) может быть достигнуто на основе более широкого использования металлокомпозитных баллонов типа 3 и композитных баллонов типа 4 (ГОСТ Р 51753-2001, ГОСТ Р ИСО 11439-2010). Наиболее привлекательным по соотношению цена-качество являются баллоны типа 3 с бесшовным лейнером из алюминиевого сплава*.
С участием специалистов ООО НПП «ВТГ» разработаны оборудование и технологическая оснастка, а также освоена технология серийного производства металлокомпозитных баллонов вместимостью до 185 л на рабочее давление (рраб) 20 и 25 МПа.
Отличительными особенностями этой технологии являются:
• применение специализированного оборудования, разработанного
* Семенищев С.П., Глухов В.П. Передвижные средства снабжения КПГ // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. -№ 4 (28). - С. 66-69.
и изготовленного с использованием узлов от выпускающихся в России станков; стоимость такого оборудования при достаточно высоком качестве получаемых изделий и удовлетворительной производительности во много раз дешевле импортных аналогов;
• 100%-й контроль качества изделий на всех операциях изготовления (система качества, встроенная в технологический процесс);
• использование материалов отечественного производства для изготовления баллонов;
• подтверждение качества каждого баллона гидравлическими испытаниями пробным давлением
Рпр 1,5 Рраб ;
• подтверждение качества каждой партии изделий (не более 200 штук) гидравлическими испытаниями произвольным образом отобранных образцов на разрушение и циклическую долговечность.
Изготовление баллонов включает два этапа: изготовление и испытание
лейнера; изготовление и испытание баллона с использованием полученного лейнера. Для изготовления лейнеров используют горячепрес-сованные трубы из алюминиевого сплава 6061 по ASTM В221-05а (АД33 по ГОСТ 4784-97).
Возможности предприятий России, в частности ОАО «КУМЗ», позволяют изготавливать трубы в соответствии с техническими требованиями по ТУ1811-002-07507110-2006, согласно которым трубы имеют диаметр 300 и 370 мм с допуском ±1,6 мм и толщину стенки 7 и 8 мм с допуском ±0,6 мм. На наружной поверхности допускаются плены, царапины, риски, забоины, задиры, на внутренней - риски, задиры глубиной не более 0,1 мм. Овальность труб не выходит за предельные размеры по наружному диаметру, раз-ностенность составляет не более 0,7 мм, отклонение от прямолинейности - не более 1,5 мм/м.
Любые дефекты на поверхностях заготовок лейнеров могут стать
т
Газобаллонное оборудование
причинои преждевременного зарождения и развития усталостных трещин в леИнерах, и баллоны не будут удовлетворять требованиям циклической долговечности. Таким образом, для заготовок леинеров необходимо выполнение операций по повышению качества поверхностей и получению геометрических размеров (диаметр и толщина стенки) в соответствии с требованиями конструкторской документации.
Изготовление лейнеров начинают с раскроя труб на заготовки необходимой длины. Для этого у каждой трубы измеряют минимальную толщину стенки, рассчитывают длину цилиндрической части лейне-ра, длину, необходимую для закатки двух днищ с горловинами, длину технологических отходов на последующих операциях, а также длину отрезаемой заготовки. Выполняют разметку на трубе для определения места реза с учетом сортамента выпускаемых баллонов, минимизируя отходы при раскрое.
На боковую бездефектную поверхность каждой размеченной заготовки электрографическим способом наносят маркировку (номера баллона и партии) для последующей идентификации изделия. Заготовки отрезают дисковым ножом по разметке безотходным способом. Операцию выполняют на специализированной машине при вращении трубы с небольшой скоростью и ручной подаче ножа. Удаление дефектов на наружной поверхности заготовки при их наличии осуществляют на специальной подставке вручную напильником.
Внутреннюю поверхность заготовки подвергают полной зачистке на специализированной машине круглой проволочной металлической щеткой. При этом щетка враща-
ется с большой скоростью и совершает возвратно-поступательные движения в продольном направлении. От воздействия щетки вращается заготовка, скорость вращения которой замедляют специальным подтормаживающим устройством. На поверхность заготовки в месте воздействия щетки подают охлаждающую жидкость. После полной остановки заготовки возможна местная зачистка поверхности, например, для удаления задиров, не устраненных при круговой зачистке.
В местах зачистки ультразвуковым толщиномером контролируют толщину стенки, которая не должна выходить за нижний предельный размер.
Поверхность заготовки моют вручную горячей водой в ванне волосяной щеткой или поролоновой губкой с использованием 72%-го хозяйственного мыла. Перед калибровкой заготовки ее поверхности подвергают омыливанию в ванне с раствором 72%-го хозяйственного мыла при температуре 60...70 °С с последующей сушкой на спокойном воздухе. Слой мыла на поверхностях должен быть тонким и равномерным для выполнения роли смазки при деформации заготовки на операции калибровки.
Калибровку заготовки с одновременным утонением стенки выполняют холодным пластическим деформированием металла на специализированной машине. Заготовку проталкивают через кольцевой инструмент и одновременно на стенку внутри воздействуют вращающейся раскатной головкой с тремя роликами. В результате при сохранении исходного диаметра 300 и 370 мм получают заготовки с допуском на диаметр ±0,6 мм и на толщину стенки +0,5 мм в соответствии
с требованиями конструкторской документации. Кроме того, полученная в результате холодной деформации структура металла обеспечивает 5. 7%-ное увеличение прочностных и пластических свойств изделия после его последующей термической обработки.
При работе на машине ролики в раскатной головке настраивают таким образом, чтобы обеспечить у заготовки нижний предельный размер толщины стенки, а скорость проталкивания заготовки в кольцевой инструмент и скорость вращения раскатной головки выбирают, чтобы обеспечить получение минимального винтового следа по глубине и шагу на внутренней поверхности.
Технологический отход при калибровке заготовки с раскаткой зависит от размеров лейнера и может достигать 3.5 %. Его отрезают перед закаткой труб на машине резки. После калибровки и раскатки остатки мыла с поверхностей заготовки удаляют мойкой в горячей воде.
Двухстороннюю закатку днищ с горловинами поочередно выполняют роликом на специализированной закатной машине с числовым программным управлением движения ролика по двум координатам. Нагрев концевой части вращающейся заготовки до температуры 410 ±10 °С и поддержание ее в требуемых пределах осуществляют газовыми горелками автоматически.
Программу закатки разрабатывают таким образом, чтобы получить днище требуемой формы с необходимым набором металла в горловине. При закреплении заготовки в патроне машины биение ее концевой части должно быть минимальным. При значительном биении возможен перекос днища относительно его цилиндрической части, что может
Газобаллонное оборудование
т
привести к уменьшению циклической долговечности будущего баллона. Поэтому в программе закатки предусматривают «выглаживающий» переход концевой части заготовки для полного устранения биения.
Поскольку алюминиевый сплав при горячей деформации склонен к налипанию на инструмент, закатной ролик в процессе закатки периодически смазывают. После окончания закатки на закатной машине выполняют резцом черновое подрезание горловины с припуском для последующей механической обработки.
Термическую обработку лейне-ров - закалку и старение - проводят в закалочном агрегате элеваторного типа и камерной печи. Температура нагрева лейнеров при закалке 530+5 °С, охлаждение в воде при температуре не выше 35 °С.
Лейнеры в закалочном агрегате размещают в многоместной кассете в вертикальном положении. Конструкция кассеты обеспечивает установку и фиксацию в ней лейнеров для всех выпускаемых типоразмеров баллонов и учитывает их удлинение при нагреве. Старение проводят при температуре 170+5°С, время выдержки 10+2 ч.
Для каждой садки вместе с лей-нерами проводят термическую обработку образцов-свидетелей в виде пластин из той же плавки металла, что и лейнеры, и раскатанных с такой же степенью деформации, как и стенки лейнеров. После термической обработки осуществляют предварительный контроль ее качества путем замера твердости металла на торцах горловин переносным твердомером.
Из термообработанных пластин изготавливают образцы для определения механических свойств и
контроля металла на отсутствие пережога.
Защищенными считаются лей-неры, входящие в садку, у которых отсутствует пережог металла и которые обладают следующими механическими свойствами: о >286 МПа;
в '
о02>266 МПа; 65>12 %; НВ>864 МПа.
Материал лейнеров после термической обработки имеет обычно более высокие показатели механических свойств: о =310...335 МПа,
в
о02=280...290 МПа, 65=18...25 %, НВ=950...1100 МПа.
При получении неудовлетворительных механических свойств лей-неров допускается их повторная термическая обработка.
Горловины обрабатывают на универсальных токарно-винто-резных станках. Лейнер за одну из горловин закрепляют в патроне станка, за вторую обрабатываемую поддерживают специальным в люнете приспособлением, выводящим ось горловины на ось станка. Обработку поверхностей горловины проводят универсальным режущим инструментом с использованием керосина в качестве смазки. Для изготовления резьбы в горловинах применяют резьбонарезные и бесстружечные метчики. В последнем случае в качестве смазки используют густой раствор 72%-го хозяйственного мыла.
Ручная установка метчиков при нарезке резьбы в горловине не всегда обеспечивает перпендикулярность посадочных и уплотняемых поверхностей к оси резьбы. Это может привести к негерметичности мест установки присоединяемых к баллону деталей (пробка, переходник или вентиль) и необходимости доработки посадочных и уплотняемых поверхностей ручным приспособлением с режущими элементами.
Поэтому при нарезке резьбы целесообразно применение специального приспособления, обеспечивающего жесткое направление метчика относительно оси отверстия в горловине.
Каждый лейнер испытывают на специальном стенде водой пробным гидравлическим давлением, величина которого оговорена в конструкторской документации. Испытания проводят в закрытом контейнере с подвеской лейнера за одну из горловин. Лейнер считается успешно прошедшим испытание, если после нагружения давлением у него отсутствует остаточная деформация. В процессе удаления воды из лейне-ра извлекают стружку. После слива воды для окончательного удаления мелкой стружки лейнер продувают сжатым воздухом.
На торце одной из горловин ударным способом наносят номера лейнера и партии, а также год изготовления (две последние цифры).
Каждая партия лейнеров защищается испытанием одного лейнера, произвольным образом отобранного из партии, гидравлическим давлением на разрушение. Партия считается защищенной, если давление разрушения не ниже установленного в конструкторской документации, и при разрушении лейнера произошло раскрытие металла на цилиндрической поверхности.
Изготовление лейнера сопровождается ведением технологического паспорта, который при каждой операции заполняется исполнителем и где в сравнении с заданными параметрами фиксируются фактические. Готовые лейнеры складируют и затем передают на выполнение второго этапа изготовления баллонов.
