CC BY
6УДК 621.642.02
DOI: 10.24412/CL-35807-2024-1-9-12
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ
Фролова Е. О., ассистент, БГТУ«ВОЕНМЕХ»
им. Д. Ф. Устинова,
e-mail: [email protected]
Лобов В. А., доцент, БГТУ «ВОЕНМЕХ»
им. Д. Ф. Устинова, к. т. н,
e-mail: [email protected]
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING PRESSURE VESSELS
Frolova E. O., assistant, BSTU VOENMEH named after. D. F. Ustinov, e-mail: [email protected] Lobov V. A., Associate Professor, BSTU VOENMEH named after. D. F. Ustinov, Ph. D, e-mail: [email protected]
Аннотация. В статье представлен способ изготовления штамповкой сосудов давления из алюминиево-магниевого сплава. На примере баллонов объемом 1 литр разработан технологический процесс, спроектирована штамповая оснастка и проведены экспериментальные исследования. Предложен метод неразрушающего контроля с применением акустической эмиссии. Проведена сравнительная оценка стоимости с известными на рынке аналогами и подтверждена экономическая эффективность.
Annotation. The article presents a method for manufacturing pressure vessels from an aluminum-magnesium alloy by stamping. Using 1-liter cylinders as an example, a technological process was developed, stamping equipment was designed and experimental studies were carried out. A method of non-destructive testing using acoustic emission is proposed. A comparative assessment of the cost with analogues known on the market was carried out and the economic efficiency was confirmed.
Ключевые слова: баллон, алюминиевый сплав, штамповка, вытяжка, импортозамещение, неразрушающий контроль качества, акустическая эмиссия.
Keywords: gas cylinder, aluminum alloy, stamping, extrusion, import substitution, non-destructive quality control, acoustic emission.
Введение
Разработка газотурбинных двигателей, топливных баков или новых систем с использованием баллонов, работающих под давлением, требует совершенствования технологических процессов их изготовления, а также внедрение способов оценки остаточного ресурса и качества готовой продукции. Требования к качеству выпускаемых баллонов постепенно возрастают, однако технический регламент нуждается в совершенствовании, так как в настоящее время д опускается изготовление продукции, не в полной мере соответствующей международным стандартам и рекомендациям ЕЭК ООН.
На Всероссийских и Международных конференциях неоднократно поднимаются вопросы замены стальных баллонов на более современные, регулирования законодательства в области контроля качества баллонов, поиска новых эффективных технологий производства. В настоящее время спрос на алюминиевые баллоны постоянно возрастает в масштабах всей страны. Так, по данным Вште88$1а1, цена импорта алюминиевых баллонов в России возросла с 97,7 долл. за шт. в 2015 г. до 227,5 долл. за шт. в 2019 г. и по прогнозам на 2021—2024 гг. средняя цена импорта будет расти. Доля импорта за указанный период также продолжает увеличиваться. Возрастание цены обусловлено падением курса рубля, ужесточающимися санкциями, а также сложностью поставок.
Основными способами производства алюминиевых баллонов в России является закатка трубной заготовки [1, 2], а также сварка [3, 4]. Предлагаемый способ получения баллона позволяет уменьшить толщину стенки, а следовательно, и массу готового баллона, обеспечивает высокую герметичность в сравнении с закатными конструкциями и упрощает технологию изготовления.
Цели работы
1) уменьшение массы корпусных деталей типа сосудов, работающих под давлением в тяжелых эксплуатационных условиях;
2) обеспечение технологической надежности производимых корпусов путем применения 100 %-го контроля качества неразрушающими методами;
3) повышение производительности и снижение себестоимости изготовления корпусных деталей ответственного назначения.
Задачи работы
1) разработка высокопроизводительных технологических процессов производства корпусных изделий, проектирование и изготовление штам-повой оснастки;
2) создание комплекса неразрушающего контроля герметичности сосудов и емкостей на основе метода акустической эмиссии;
3) экспериментальная отработка полученных технических решений в лабораторных и производственных условиях.
Технология изготовления баллона
Авторами разработана инновационная технология изготовления баллонов из сплава АМг5 на основе операций обработки металлов давлением, позволяющая улучшить эксплуатационные характеристики готовой продукции [5—7].
Чтобы повысить пластические свойства материала, было принято решение использовать нагрев до температуры рекристаллизации, при этом установлено увеличение характеристики пластичности, а именно относительного удлинения более чем в три раза. Преимуществом использования алюминиевых сплавов над сталями является также и отсутствие образования окалины при нагреве, соответственно не требуется введения дополнительной химической обработки для ее удаления.
Введение нагрева практически не сказывается на трудоемкости технологии, поскольку все
известные способы получения глубоких металлических сосудов холодной деформацией требуют либо промежуточной межоперационной термической обработки (отжига) для восстановления пластичности материала, либо приводят к резкому увеличению количества штамповочных переходов.
Предложенная технология изготовления баллона [5] основана на известных операциях обработки давлением и включает получение исходной круглой заготовки вырубкой из листового проката, толщина которой соответствует толщине дна готового баллона. Вытяжкой без утонения получают колпак с плоским дном, и далее за 3—5 вытяжных переходов формируют корпус баллона. Окончательные размеры корпусу придают 1—2 переходами вытяжки с утонением стенки. Перед каждой операцией полуфабрикат нагревают в печи до температуры Т = 315...340 °С, что соответствует температуре рекристаллизации. После вытяжек отрезается неровная кромка заготовки на металлорежущем станке. Горловину формируют горячим обжимом за 2—4 перехода и на финишном этапе нарезают резьбу.
Для изготовления сосудов давления по предлагаемой технологии использовано следующее технологическое оборудование, имеющееся в распоряжении БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова: пресс гидравлический ПО-54 силой 20 МН; машина испытательная Р-100 силой 1 МН; машина испытательная ГМС-50 силой 0,5 МН; машина испытательная ЗЫша^и ЛО-Х-1 силой 0,1 МН; токарный станок 16К20; печь СНОЛ; прибор акустической эмиссии Локтон; контрольно-из -мерительный инструмент.
Конкретный пример реализации технологии представлен для изготовления баллона объемом 1 л. Исходным материалом является лист марки АМг-5 по ГОСТ 21631—76, из которого вырубкой
Рис. 1. Полуфабрикаты предлагаемой технологии изготовления баллона по переходам
Рис. 2. Штамп для вытяжки без утонения: 1 — втулка; 2 — корпус; 3 — матрица; 4 — гайка; 5 — направляющая втулка; 6 — пуансон; 7 — ползун пресса
в штампе получают исходную заготовку диаметром 255 мм и толщиной 7 мм. Далее на прессе ПО-54 проводят 2 вытяжки без утонения стенок на диаметры = 178,5 мм и ¡2 = 132,1 мм. Третью и четвертую вытяжку без утонения на диаметры (¡з = 103,0 мм; (¡4 = 83,0 мм проводили на испытательной машине ГМС-50. Заключительные две операции вытяжки с утонением стенок для придания корпусу окончательных размеров осуществлены на испытательной машине Р-100 за счет ее увеличенного рабочего хода. Перед каждой операцией полуфабрикат нагревали в печи д о температуры 340 °С. На рис. 1 показана последовательность выполнения технологических переходов штамповки.
Все вытяжные операции проведены на гидравлическом оборудовании в штампе жестким
пуансоном, с небольшим углом конусности для облегчения съема заготовки, через одну или несколько матриц. Принцип действия штампа для вытяжки без утонения рассмотрен на примере первой операции, выполняемой из плоской заготовки без утонения (рис. 2).
Втулка 1 помещена в корпус 2, на котором закреплена матрица 3 с помощью гайки 4, выполняющей функцию складкодержателя. При движении ползуна пресса 7 закрепленный на нем пуансон 6 внедряется в заготовку и осуществляет ее вытяжку. Рабочий инструмент предварительно был покрыт антифрикционной композицией с фторсодержащими поверхностно-активными веществами для уменьшения трения [8—9].
Методика контроля герметичности баллона
Последовательность методики акустико-эмиссионного (АЭ) контроля заключается в следующем. Вначале проводится подготовка необходимого оборудования и материалов (делается разметка на объекте, устанавливаются датчики, предусматривается способ нагружения объекта, изучается исследуемый материал и др.). Далее, после установки датчиков акустической эмиссии, исследуемое изделие нагружается, данный процесс должен проходить без посторонних шумов, так как это может отразиться на результатах. При нагружении материал излучает механические волны различной амплитуды и частоты, вызванные внутренней перестройкой его структуры. Датчики улавливают и регистрируют эти сигналы, которые поступают на компьютер. Получен -ные результаты исследования анализируются, обрабатываются, выявляются сигналы с максимальными показателями, что позволяет определить зарождающиеся дефекты в изделии.
Таблица 1
Сравнительные характеристики баллонов объемом 1 литр
Производитель Предлагаемое изделие LWH108, Китай XS Scuba, США НПО «Поиск», Россия
Материал АМг5 A16061 н.д. АМг5
Диаметр 76 89 81 70
Высота 316 350 360 415
Раб. давление, бар 100 200 207 98
Масса, кг 0,86 1,0 1,2 1,3
Цена за шт., руб. около 5000 14 100 35 590 9120
(себестоимость)
Порядок проведения испытания заключается в установке на исследуемый баллон датчиков акустической эмиссии (2 шт.), нагружении материала воздухом под давлением 10 бар для выявления дефектов, регистрации и обработки полученных сигналов. При наличии утечки газа из баллона в материале будут возникать импульсы, на которые будут регистрировать датчики АЭ, затем полученный результат будет обработан программой и представлен в виде таблицы локаций, по которой можно построить гистограммы и определить точку концентрации импульсов на расстоянии между двумя датчиками. Схема собранного испытательного стенда (рис. 3).
Экономическое обоснование
Цена готового баллона зависит от множества факторов, таких как рабочее давление, марка материала, назначение баллона и т. д. В таблице 1 приведена ориентировочная рыночная стоимость алюминиевых баллонов объемом 1 л без вентиля, а также их размерные характеристики по данным открытых источников на 2023 г.
Как видно из таблицы, предлагаемые баллоны значительно легче имеющихся на сегодняшний день в продаже, при этом цена изготовления существенно ниже, особенно в сравнении с зарубежными образцами.
Стратегия рыночной конкуренции на товарном рынке заключается в конкурентоспособности предлагаемой продукции в сравнении с л учши-ми мировыми аналогами, такими как крупнейший мировой производитель Luxfer Gas Cylinders при гораздо более низкой цене. Это позволит сократить долю импорта на рынке алюминиевых баллонов. Постоянно расширяющаяся номенклатура предлагаемой продукции, а также возможность изготовления изделий по чертежам заказ -чика с заданными характеристиками также повысит привлекательность для потребителя. Помимо изготовления и реализации баллонов с обеспечением 100 %-го контроля качества акустической эмиссией данный метод позволит дать оценку остаточного ресурса изделий, уже находящихся в эксплуатации, что в настоящее время не имеет аналогов.
Список литературы
1. Патент 2382919 РФ. Баллон высокого давления (варианты) и способ его изготовления (варианты) / О. С. Клюнин, Н. М. Елкин. Опубл. 27.02.2010. Бюл. № 6.
2. Патент 2429930 РФ. Способ изготовления лейнера и лейнер из алюминиевого сплава / Я. Г. Осадчий; Ю. И. Руси-нович; Г. В. Химин; В. П. Трошин; А. А. Талыгин; В. Л. Новожилов; Е. В. Семенова; О. Ю. Федотова. Опубл. 27.09.2011. Бюл. № 27.
3. Патент 2320920 РФ. Способ изготовления баллонов высокого давления / В. Н. Привалов; С. А. Медведев. Опубл. 27.03.2008. Бюл. № 9.
4. Патент 2355500 РФ. Способ изготовления баллона высокого давления / С. И. Плюханов; Н. Н. Селин; И. В. Дудкин; Т. И. Гладченко; С. А. Медведев. Опубл. 20.05.2009. Бюл. № 14.
5. Патент 2699701 РФ. Способ изготовления баллонов высокого давления / В. А. Лобов, Е. Ю. Ремшев, Г. О. Афимьин, Е. В. Затеруха. Опубл. 09.09.2019. Бюл. № 25.
6. Лобов В. А., Ремшев Е. Ю., Игнатенко В. А., Затеруха Е. В. Разработка технологии изготовления и методики контроля качества цельнотянутых баллонов из сплава АМг5 // Вестник МГТУ «Станкин». 2020. № 3 (54). С. 47—51.
7. Лобов В. А., Фролова Е. О. Технология изготовления бесшовных баллонов и шаробаллонов с акустико-эмиссион-ной системой контроля // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 7. С. 456—461.
8. Патент 2384600 РФ. Антифрикционная композиция, обладающая антиадгезионными и антикоррозийными свойствами, способ получения антифрикционного покрытия и применение композиции / А. В. Белов, О. Г. Агошков, К. А. Путиев, В. И. Ольховка, Л. А. Семенычева, И. А. Губарева. Опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8.
9. Лобов В. А., Олехвер А. И., Ремшев Е. Ю. Разработка технологии изготовления тонкостенных дисковых электродов для резонансных разрядников // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 1. С. 119—125.
