CC BY
81
Изготовление металлокомпозитных
баллонов (второй 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»
Представлен второй этап технологии изготовления металлокомпозитных баллонов с использованием лейнеров из алюминиевого сплава. Рассмотрены некоторые особенности выполнения операций технологического процесса, отмечены недостатки и приведены рекомендации по совершенствованию технологии.
Материал, приведенный в статье, может быть полезен для специалистов, занимающихся изготовлением металлокомпозитных баллонов высокого давления, а также потенциальных инвесторов, желающих организовать новое производство таких баллонов.
Ключевые слова: металлокомпозитный баллон, технология, намотка, намоточная машина, ровинг, связующее, композит, подсушка, полимеризация, автофреттирование, гидравлические испытания, сборка и упаковка.
Лейнеры, полученные на первом этапе технологического процесса*, поступают на второй этап окончательного изготовления баллонов, который начинают с подготовки исходных материалов (ровинги и связующее) к выполнению операции намотки.
Для намотки композита на лейнеры используют ровинг из базальтовых комплексных нитей НРБ13-1200-КВ-02 по ТУ5952-001-13307094-04, а также стеклоровинг ЕС13-1200-350 по ТУ5 952-002-83458713-2010. Бобины ровинга распаковывают непосредственно перед началом намотки, чтобы ровинг не насыщался влагой.
В качестве связующего используют Этал-245Б (ТУ2257-245-18826195-99). Перед намоткой компоненты связующего разогревают до температуры 55...60 °С и смешивают в определенной пропорции в специальной
Семенищев С.П., Глухов В.П., Мерзляков П.П., Килина О.В., Попов В.К. Технология изготовления металлокомпозитных баллонов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 3 (33 ). - С. 19-21.
установке с использованием лопастной мешалки. Количество приготовленного связующего определяют из расчета его полного использования в течение не более 3 ч.
Проводят 100%-ный контроль всех партий поставляемых ровингов и связующего по параметрам, представленным вместе с материалами в сертификатах качества.
Намотку на лейнер ровинга, пропитанного связующим, выполняют на двухшпиндельной намоточной машине модели 3HW2-2484 (США). Машину устанавливают в помещении с при-точно-вытяжной вентиляцией с контролируемыми параметрами по влажности и температуре. Перед намоткой в горловины лейнеров вворачивают резьбовые фланцевые оправки, с помощью которых на машину намотки устанавливают два лейнера. Наружные поверхности лейнеров зашкуривают и обезжиривают ацетоном.
Бобины с ровингом устанавливают на шпулярник и регулируют усилие натяжения каждого жгута в пределах 30.50 Н. Жгуты ровинга протягивают
через фильеры и пропиточную ванночку, концы лент закрепляют на горловинах лейнеров.
Заполняют ванночку приготовленным связующим и подогревают связующее для поддержания его температуры в пределах 55.60 °С.
Намотку осуществляют по оригинальной программе для каждого типоразмера баллона, обеспечивающей выполнение всех требований конструкторской и технологической документации, предварительно отрегулировав степень пропитки ровинга связующим. В процессе намотки узелки закрепки ленты на горловинах лей-неров и узелки от связывания жгутов ровинга при их обрыве вырезают. Наплывы связующего на поверхностях баллонов удаляют скребком.
Последним кольцевым слоем стек-лоровинга на цилиндрической части каждого баллона в месте, указанном в конструкторской документации, на диаметрально противоположных сторонах заматывают две этикетки. Наличие двух одинаковых этикеток на баллонах с их характеристиками
создает удобства для пользователей баллонов.
После намотки связующее подсушивают на многоместной специализированной машине при температуре 60...70 °С до образования твердой корочки на наружной поверхности баллонов. На машине в процессе подсушки баллоны вращаются с небольшой скоростью. После выполнения этой операции допускается хранение баллонов перед полимеризацией не более 5 сут. Это создает условия для накопления определенного числа баллонов для загрузки их в печь полимеризации.
Полимеризацию композита на баллонах проводят в камерной печи при подаче в рабочее пространство горячего воздуха. Печь сделана во взры-во- и пожаробезопасном исполнении. Баллоны загружают в печь партиями, размещают на стойках реечного типа с помощью оправок, ввернутых в горловины, и устанавливают на определенном расстоянии от дна печи.
Для уточнения режимов работы печи проведены эксперименты. Для этого в композитную оболочку толщиной 22 мм серийного баллона устанавливали термопары на различной глубине от поверхности и проводили полимеризацию. Фиксировали изменения температуры во времени в композите и в печи.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие вы -воды:
• нагрев композита по толщине происходит неравномерно;
• для равномерного нагрева композита необходимо проводить ступенчатый нагрев с выдержкой по времени на каждой ступени, как и рекомендовано производителем связующего;
• имеются несовпадения между показаниями температур в печи и в композите, а именно - рекомендуемая максимальная температура в
композите на первой ступени 110 °С достигается при температуре в печи 115 °С, на второй ступени 140 °С достигается при температуре в печи 150 °С.
Длительность полимеризации 6.7 ч соответствует рекомендациям производителя связующего. В печи график полимеризации композита выполняется и записывается в автоматическом режиме. После окончания полимеризации баллоны охлаждают вместе с печью до 50 °С и далее на воздухе.
После извлечения баллонов из печи технологические оправки удаляют из горловин. Поверхности баллонов при необходимости зачищают от наплывов связующего и пузырей. Места зачистки протирают салфеткой, смоченной в ацетоне, и покрывают глянцевым быстросохнущим нитролаком.
Взвешиванием определяют массу каждого баллона.
Для обеспечения необходимой циклической долговечности все баллоны подвергают автофреттирова-нию, в результате чего за счет пластической деформации лейнера в нем создаются сжимающие напряжения и в композите растягивающие напряжения при нулевом внутреннем давлении.
Автофреттирование проводят на специальном испытательном стенде, полностью заполняя баллон водой и помещая на подвеске в контейнер, заполненный водой. Баллон нагружают давлением, величина которого приведена в технологической документации, но не менее 1,575 рраб (рраб - рабочее давление). Скорость повышения давления не более 1,0 МПа/с, выдержка при давлении автофретти-рования не менее 3 мин.
После автофреттирования на этом же стенде каждый баллон нагружают пробным давлением рпр=1,5 рраб. Требования к скорости повышения давления и времени выдержки при
пробном давлении такие же, как и при автофреттировании.
С помощью специального устройства во время испытания фиксируют полную объемную деформацию баллона У при пробном давлении и остаточную У0 при нулевом давлении. Баллон считают годным, если < 0,05.
0 пр
При взвешивании баллона по разнице масс наполненного водой и пустого определяют его вместимость в литрах. После слива воды из баллона его продувают сжатым воздухом для удаления остатков влаги.
Далее проводят окончательный контроль готового баллона. Проверяют визуально на соответствие требованиям конструкторской документации:
• маркировку на баллоне;
• качество внутренних и наружных поверхностей;
• качество резьб;
• наличие посторонних предметов внутри баллона.
Инструментальным контролем проверяют:
• размеры баллона;
• точность изготовления резьб.
Проверяют правильность и полноту заполнения технологического паспорта.
Каждую партию баллонов числом не более 200 шт. защищают гидравлическими испытаниями на разрушение и циклическую долговечность баллонов, выборочно отобранных из партии. Испытания проводят при нормальных климатических условиях по Г0СТ15150-85.
Испытание на разрушение проводят в бронебоксе. Баллон, полностью заполненный водой, помещают горизонтально на дно специальной ванны с водой. Уровень воды в ванне устанавливают такой, чтобы баллон был полностью покрыт водой. Ванна и находящаяся в ней среда в значительной мере поглощают энергию,
ш
Газобаллонное оборудование
выделяющуюся при разрушении баллона. Баллон плавно нагружают давлением до 80 % расчетного давления разрушения со скоростью не более 1,4 МПа/с, далее со скоростью не более 0,35 МПа/с. При достижении расчетного давление разрушения выдерживают не менее 5 с, затем давление поднимают до разрушения баллона.
Испытание проводят с записью диаграммы нагружения баллона давлением. Баллон считается выдержавшим испытание, если его разрушение произошло при давлении не менее 2,6 рраб без отделения осколков металла и композита. Фактическое давление и характер разрушения приводят в протоколе испытаний. При неудовлетворительных результатах испытание повторяют на удвоенном числе баллонов из партии. При получении неудовлетворительных результатов при повторных испытаниях хотя бы одного баллона всю партию бракуют.
Испытание на циклическую долговечность проводят на специальном стенде для циклических испытаний. Баллон, полностью заполненный водой, помещают на подвеске в камеру стенда и нагружают циклическими давлениями от минимального до максимального, величины которых приведены в технологической документации, с темпом не более 10 циклов в минуту.
При испытании записывают диаграмму нагружений баллона, а также контролируют температуру его нагрева. Она должна быть более 50 °С.
Результаты испытания считают удовлетворительными, если после циклических нагружений давлением с числом циклов, указанным в технологической документации, в баллоне не обнаружена течь. При неудовлетворительном результате проводят повторные испытания на удвоенном числе баллонов из партии. При неудовлетворительных результатах
повторных испытаний любого баллона всю партию бракуют.
Годные баллоны направляют на сборку и упаковку.
При сборке в одну из горловин вворачивают резьбовую пробку с резиновым кольцом, предварительно нанеся на них смазку ЦИАТИМ-202. В другой горловине отверстие закрывают полиэтиленовой заглушкой.
При поставке баллона по требованию заказчика с переходником в горловину вместо полиэтиленовой заглушки вворачивают переходник с резиновым кольцом, а заглушку используют для закрывания отверстия в переходнике. Затяжку пробки и переходника по резьбе горловин проводят динамометрическим ключом до упора с моментом, величина которого приведена в конструкторской документации и паспорте на баллон.
На каждый баллон заполняют паспорт, совмещенный с инструкцией по эксплуатации.
Для упаковки баллона используют полипропиленовый рукав. Баллон с закрепленным на цилиндрической поверхности полиэтиленовым пакетом с паспортом вкладывают в полипропиленовый рукав, края рукава заматывают клейкой лентой. На баллон в упаковке с двух сторон устанавливают транспортировочные резиновые кольца. На упаковку маркером наносят обозначение баллона, номера баллона и партии, массу баллона.
Упакованные баллоны транспортируют на склад готовой продукции. Технологический паспорт сдают в архив на хранение в течение срока эксплуатации баллона, приведенного в паспорте.
Рассмотренная технология изготовления металлокомпозитных баллонов реализована на одном из предприятий г. Ижевска.
Анализ технологического процесса показывает, что используемая технология сложная и трудоемкая.
Поэтому получаемые изделия достаточно дорогие.
Для совершенствования этой технологии, по нашему мнению, необходимо следующее.
• При использовании высококачественных труб, обеспечивающих выполнение требований конструкторской документации на лейнеры, исключить на этапе изготовления лейнеров такие трудоемкие операции как зачистка, омыливание, калибровка с раскаткой. Отказ от калибровки с раскаткой позволит избежать технологических отходов с последующей их отрезкой перед закаткой днищ.
• Минимизировать число проходов закатного ролика за счет интенсификации процесса нагрева концевых частей заготовки на машине закатки, а также самого процесса закатки днищ.
• Модернизировать закалочный агрегат за счет уменьшения массы кассеты (принудительное погружение кассеты с лейнерами в закалочную среду), что позволит снизить расход электроэнергии на нагрев при операции закалки лейнеров.
• Для повышения производительности при намотке использовать более совершенные намоточные машины, выполняющие всю программу намотки в автоматическом режиме без вмешательства оператора.
• Совершенствовать конструкцию баллонов и технологии их изготовления с гарантированным достижением повышенных сроков циклической долговечности, что может значительно уменьшить объем циклических испытаний в защиту партий баллонов. При соответствующих показателях циклической долговечности возможно проведение одного испытания для пяти и даже десяти партий баллонов (ГОСТ Р ИСО 11439-2010).
Реализация отмеченных направлений позволит снизить трудоемкость изготовления и, следовательно, стоимость баллонов.
