РАЗДЕЛ 2
ЭКОНОМИЯ МЕТАЛЛА ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИИ
БАЛЛОНОВ
2.1. Основные тенденции в создании облегченных баллонов
Практически для всех видов баллонов малого и среднего объёма важнейшим показателем является их удельная масса, представляющая собой соотношение массы баллона и его газовой вместимости и характеризующая расход материала на 1м3 газа.
При разработке конструкции баллонов эффективность применения тех или иных материалов оценивается величиной удельной прочности - отношением временного сопротивления материала к его плотности.
Масса баллона увеличивается пропорционально возрастанию запаса прочности и уменьшается с повышением удельной прочности его материала.
Поскольку существенное уменьшение запаса прочности ограничено, в связи с необходимостью обеспечить эксплуатационную надежность баллонов, основное значение при их конструировании имеет выбор материала.
В тех случаях, когда углеродистые и легированные стали, традиционно применяемые для изготовления баллонов, не обеспечивают требуемого снижения их массы, для изготовления облегченных баллонов применяют материалы с повышенной удельной прочностью: сплавы на основе титана, алюминиевые сплавы, а также композиционные материалы, например, стеклопластик. Основные характеристики этих материалов приведены в табл. 2.1.
Применение сплавов на основе титана с большей прочностью для баллонов неприемлемо, так как при временном сопротивлении ?в=1000 Н/мм2 они имеют низкие значения пластических свойств ( ?5=8%; КСU = 20...25 Дж/см2).
Таблица 2.1
Характеристики материалов для изготовления баллонов.
Наименование материалаВременное сопротивление,
?в, Н/мм2 (кг/мм2)Удельная плотность,
?·103, кг/м3Удельная прочность,
?в/?·103
Углеродистые стали для стандартных баллонов650
(66)7,858,4Легированные стали для стандартных баллонов900
(92)7,8511,7
Сплавы на основе титана800
(82)4,518,2Алюминиевые сплавы430
(44)2,616,9Стеклопластик1200
(122)2,061,0Высокопрочные легированные стали1350
(138)7,8517,5
С учетом того, что напряжение в стенке баллона в тангенциальном направлении в два раза больше, чем в осевом, для использования стеклопластика разработана конструкция баллона, при которой цилиндрическая часть бесшовного металлического корпуса армируется стеклопластиком в тангенциальном направлении (рис.2.1).
При этом нагрузку в осевом направлении воспринимает металлический корпус, а в тангенциальном - поровну металлический корпус и стеклопластиковая оплетка.
Рис. 2.1. Баллон, цилиндрическая часть которого армирована
стеклопластиком:
1 - металлический корпус;
2 - стеклопластиковая оплётка
Однако высокая стоимость титановых сплавов и стеклопластика, а также сложная и трудоемкая технология изготовления баллонов из этих материалов и из алюминиевых сплавов позволяют использовать их для изготовления баллонов в небольших количествах.
Как показывают технико-экономические расчеты и опыт изготовления и эксплуатации облегченных баллонов для их производства при годовой потребности свыше 20 тыс. шт. наиболее целесообразно использовать высокопрочные легированные стали.
Как видно из табл. 2.1, их удельная прочность практически соответствует этому показателю у сплавов на основе титана, однако меньшая стоимость и большая технологичность обусловливают значительные преимущества высокопрочных легированных сталей.
Анализ возможностей уменьшения массы баллонов и расхода металла при их изготовлении за счет оптимизации методики расчета на конструктивную прочность и выбора размеров баллонов приведен в частях 2.3 и 2.4 настоящего раздела.
2.2. Оптимизация марочного состава сталей для изготовления облегченных баллонов
Выбор стали, для изготовления баллонов, осуществляется с учетом следующих факторов:
температурного интервала и других условий эксплуатации;
основных технических требований к баллонам, в первую очередь, по удельной массе;
технологичности стали при термической обработке;
лимитной цены баллонов.
Одно из главных требований - обеспечить высокое сопротивление хрупкому разрушению, поскольку в этом случае преждевременное разрушение баллонов связано с особо тяжелыми последствиями ("осколочное разрушение").
Как известно, наибольшее влияние на способность стали сопротивляться разрушению, оказывает содержание углерода (увеличение содержания углерода на 0,01% повышает критическую температуру хрупкости на 6?С).
Еще один общепринятый показатель надежности стали в изделиях ответственного назначения - соотношение ударной вязкости при обычных испытаниях с ударной вязкостью образца с трещиной.
Исследованиями, проведенными в Государственном трубном институте, установлено, что объективным показателем надежности стали, для баллонов высокого давления, является работа развития трещины, наиболее достоверно характеризующая условия работы реального металла, имеющего дефекты, неметаллические включения, неоднородную структуру [52]. Именно поэтому при выборе стали и режимов ее термической обработки проводятся исследования по определению этого показателя.
В результате проведенных, с участием автора, исследований, испытаний и многолетнего опыта успешной эксплуатации, для изготовления облегченных баллонов среднего объёма, выбраны стали марок 30ХМА и 20ХН4ФА с химсоставом по ГОСТ 4543 (табл.2.2) [53, 54].
Таблица 2.2
Химсостав легированных сталей для изготовления облегченных
баллонов среднего объёма
Марка сталиСодержание элементовСSiMnCrМоNiVPSCu не более30ХМА0,26-0,330,17-0,370,40-0,700,80-1,100,15-0,200,30-0,0250,0250,320ХН4ФА0,17-0,240,17-0,370,25-0,550,70-1,10-3,75-4,150,10-
0,180,0250,0250,3
Эти марки стали вошли в перечень марок стали и сплавов, применяемых для изготовления баллонов, в Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов под давлением, утвержденных Госнадзорохрантруда Украины 18 октября 1994 г. [55].
Основные характеристики сталей приведены в табл. 2.3, где д