Прочностная отработка металлокомпозитных баллонов высокого давления Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

т

Газобаллонное оборудование автомоI

Прочностная отработка металлокомпозитных баллонов высокого давления

Я.Г. Осадчий, генеральный директор ЗАО НПП «Маштест», академик Российской академии космонавтики, д.т.н., Е.Н. Крылов, директор ООО «ЭСО-Экспертиза», Ю.И. Русинович, зам. генерального директора по НИОКР ЗАО НПП «Маштест», к.т.н.,

П.В. Кононов, и.о. зам. начальника управления государственного энергетического надзора Федеральной службы Ростехнадзора

Область нормирования охватывает все стадии создания и эксплуатации металлокомпозитных и композитных баллонов высокого давления: (иногда они называются металлопластиковыми). Это 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 баллонов:

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

■ металлокомпозитные - баллоны с металлическим лейнером, кольцевой и спиральной обмоткой по всей поверхности лейнера (обмотка типа

«кокон»); по международной классификации - тип баллона 3 (рис. 2);

■ композитные - баллоны со структурой предыдущего типа намотки волокон, но имеющие неметаллические лейнеры (резина, полимеры и т.п.) с закладными металлическими элементами со штуцерами; по международной классификации - тип баллона 4 (рис. 3).

Металлокомпозитные баллоны применяются там, где есть ограничения по массе. В настоящее время такие баллоны широко применяются в России в системах пожаротушения, в дыхательных

аппаратах пожарных, в автомобилях, автобусах и на 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. Выпуск этих баллонов обеспечен нормативными документами [1-3], в создании которых принимали участие специалисты НПП «Маштест».

Основная особенность композитных баллонов состоит в том, что композиционный 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, которые 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 большого разброса характеристик составляющих композитного материала и их

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

Рис. 2. Металлокомпозитный баллон с намоткой типа «кокон» (тип 3)

баллонное оборудование автомобилей

Таблица 1

Основные прочностные характеристики намоточных материалов

Марка материала, Плотность, Прочность, Модуль Удлинение при

страна-изготовитель г/см3 ГПа упругости, ГПа 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 T-700S, 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

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

Таблица 3

Квалификационные испытания баллонов

Наименование испытания Количество Тип баллона

баллонов 1 2 3 4

Определение давления разрушения баллона 3 х х х х

Определение давления разрушения лейнера - х х х

Испытание на циклическую долговечность х х х х

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

Испытание на воздействие пламенем х х х х

Испытание на прострел х х х х

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

Испытание на длительное воздействие нагрузок - х х х

Испытание на устойчивость к ударам х х х

Испытание на устойчивость к воздействию кислоты - х х х

Испытание на газопроницаемость - - - х

Испытание на циклическую долговечность природным газом - - - х

Испытание на скручивание - - - х

большой чувствительности для различных стадий и режимов технологического процесса. В табл. 1 приведены основные прочностные характеристики наиболее распространенных намоточных материалов.

Для расчета прочности композитных конструкций применяются наиболее современные методы (типа методов конечных элементов и т.п.), которы е широко распространены и освоены инженерным сообществом. Несмотря на применение весьма сложных методов расчета, основные ответы на вопросы о прочности и эксплуатационной надежности получаются из прямого эксперимента по разрушению баллонов внутренним давлением.

Поэтому особое внимание уделяется нормированию всех этапов подготовки и проведения испытаний баллонов по основным случаям эксплуатации. В табл. 2 и 3 приведен типовой перечень квалификационных испытаний материалов и баллонов. Как видно из этих таблиц, объем отработки метал-локомпозитных баллонов существенно больше, чем у стальных (тип 1).

Действующий ГОСТ Р 51753-2001 [3] в основном соответствует требованиям международного стандарта USO 11439 [4].

Металлокомпозитные баллоны более опасны при разрушении, чем металлические, так как упругие деформации в момент разрушения у металлокомпо-зитных баллонов значительно больше, чем у металлических. Это значит, что запас упругой энергии, высвобождаемой при разрушении, в системе «ме-таллокомпозитный баллон + жидкость» значительно больше, чем в системе «металлический баллон + жидкость».

Результаты испытаний показали, что металлокомпозитные баллоны менее чувствительны к дефектам композитного слоя, чем металлические баллоны, так как многослойная структура и большое количество волокон в композите позволяют перераспределять напряжение на бездефектные зоны (слои) конструкции.

При пневмоиспытаниях металло-композитных баллонов требуется дли-

щ

Газобаллонное оборудование автомо\

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

тельная выдержка для выхода воздуха из толщины композитного слоя.

Трудоемкость изготовления метал-локомпозитных баллонов меньше чем стальных, но стоимость их выше.

Особенность эксплуатации метал-локомпозитных баллонов состоит в необходимости защиты композитного

слоя. При эксплуатации баллоны должны устанавливаться на транспортных средствах в специально приспособленных местах, где должны быть защищены от прямого солнечного излучения, атмосферных осадков и дорожных воздействий (выбросы гравия, соль, кислота и др.).

Литература

1. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, ПБ 10-115-96 (в настоящее время они переизданы и имеют номер ПБ-03-576-03).

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

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

4. Осадчий Я.Г., Строганов А.В., Строганов В.И. Национальный стандарт по автомобильным баллонам. Успехи и проблемы. // «Автогазоза-правочный комплекс+Альтернативное топливо», № 6, 2005.