[Pavel Samofalov]

Какой материал используют при изготовлении ёмкости работающей под высоким давлением (при нормальной температуре), если наиважнейшим из критериев является вес конструкции?

[zenon]

Титан

[Pavel Samofalov]

А подробней можно, сплавы титана бывают разные и не все доступные.
Неужели титан, это самое лучшее решение в данном случае? Я вообще если честно предполагал, что мне будет указано на какой-нибудь композиционный материал.

[zebs]

Карбон, его еще называют углепластиком.

Свойства карбона с положительной стороны:
- углеродные волокна карбона на растяжение также хороши, как сталь, но вот на сжатие ведут себя не лучшим образом, решением данной проблемы стало их сплетение в углепластиковое волокно.
- при этом карбон легче, чем сталь на 40%, легче алюминия на 20% и, конечно же, легче чем пластик.
- карбон, собранный из углерода и кевлара, хоть и немного тяжелее, чем резина с углеродом, имеет намного большую прочность, а при ударах трескается, крошится, но не разбивается на части.
- карбон выдерживает температуру 1600 градусов.
- карбон – хороший энергопоглотитель (его можно увидеть вместо крыши двигателя).
- неокрашенный карбон потрясающе стильно и красиво выглядит.

И с отрицательной:
- первый по значимости для многих тюнеров минус – стоимость карбона довольно высока, хотя он постепенно дешевеет.
- высокая сложность ремонта карбона или невозможность восстановления в случае повреждения.
- карбон обладает электропроводностью, а если сравнивать с обычным корпусом, то какая разница?
- со временем карбон становится темно-желтоватого оттенка на солнце, поэтому углепластик следует беречь от ярких лучей нашей звезды, обычно для этого карбон покрывают специальным лаком, а иногда и вовсе красят.
- карбон, составленный из углепластика и резины, может выдержать мощнейшие ударные нагрузки, но если во время столкновения он не выдержит, то расколется на множество острых кусков. Еще больным местом такого карбона можно назвать боязнь точечных ударов.
- в отличие от металла, карбон легче и, потому, может легко оторваться на прогулке с ветерком, потому карбоновым деталям требуется основательное крепление.
- длительное время изготовления карбоновых деталей на заказ.
- в местах контакта карбона с металлом в соленой среде металл быстро коррозирует (например, зимой, когда дороги посыпаются разной химией с солью), проблема устраняется стеклопластиковыми вставками между карбном и металлом, которые встраиваются в углепластик.

[Pavel Samofalov]

Пока из собранной мной информации, я пришёл к выводу, сто наиболее рациональная в моём случае конструкция – это ёмкость из карбона вклеенная в титановый корпус.
Теперь спрашивается, работу этих материалов следует учитывать как совместную, или каждой оболочки следует придать собственное назначения и производить независимые расчёты с учётом рабочих функций?

[zebs]

Совместную работу расчитать проблематично. Титан в ансисе расчитать можно, а карбон не уверен. Тебе нужно определиться из чего делать.

[Pavel Samofalov]

Поверхность корпус резервуара должна иметь способность к сопротивлению динамическим нагрузкам, проще говоря, возможны удары по корпусу, от чего и хочется вклеить ёмкость в титановый корпус. Дабы защитить карбон от разрушения при ударе.

[кислый]

я бы тогда разделил эти функции: резервуар сам по себе, ударостойкий корпус сам по себе.

сделал бы это потому, что углепластик(=карбон) несколько жестче титановых сплавов, а стеклопластики, наоборот, податливее. Соответственно распределятся и нагрузки, склеите вы эти компоненты или нет

[volksv]

Самые легкие материалы используются для топливных баков ракетных двигательных установок, т.к. вес там играет одну из первостипенных ролей. Только вот какие именно используются зависит от вещества находящегося внутри. Вы что и под каким давлением хотите хранить?

[Pavel Samofalov]

Углекислоту, или возможно смесь на его базе. Давление 350-400 ати.

[sbi]

Сообщение от Pavel Samofalov Какой материал используют при изготовлении ёмкости работающей под высоким давлением (при нормальной температуре), если наиважнейшим из критериев является вес конструкции?

А объём емкости и ее форма не имеют значения?

[Müller]

Всётаки корпус ракеты Арианы-5, находящийся под давлением, делают из стали. Льют кольца, затем катают в цельные трубы 8,1 мм толщиной. Попадалась даже марка стали, я где то здесь её приводил. Оказалась сталь более подходящей.

[volksv]

Для того что бы уменьшить массу бака нужно не только подобрать материал, но и выбрать правильную форму. Для давления 350-400 атм можно применить сферическую форму бака, т.к. она обеспечивает наименьшую массу при заданном давлении. Применять больше чем при 400 атм. не рекомендуется т.к. заметно увеличивается толщина стенок.
Что касается материалов, то для снижения массы применяют металлические и композиционные материалы с высокой удельной прочностью, а так же их комбинации. Из металлических можно выделить титановый сплав 6 А1 4 V. Я бы сделал в Вашем случае баллон из титанового сплава и обмотал бы его волокнами из композиционного материала, например синтетическое волокно КЕВЛАР 49 пропитанное эпоксидной смолой.

[T-Yoke]

Сообщение от Müller Всётаки корпус ракеты Арианы-5, находящийся под давлением, делают из стали. Льют кольца, затем катают в цельные трубы 8,1 мм толщиной. Попадалась даже марка стали, я где то здесь её приводил. Оказалась сталь более подходящей.

Вы не путаете, точно из стали?

[volksv]

Корпус ракеты и корпус бака с веществом по мойму немного разные вещи.

[Müller]

Вы не путаете, точно из стали?

The boosters of ARIANE 5 are currently made of 7 rings of the high strength steel 48 CrMoNiV 4 10 (D6AC) jointed together by a Clevis Tang technique. Die Booster der Ariane 5 sind derzeit aus 7 Ringen der hohen Stahl 48 CrMoNiV 4 10 (D6AC) verbunden durch einen Gabelbefestigung Tang Technik.

Вот подборка (на ин. языках, но есть таблицы и картинки). Мартензитовая сталь 48 CrMoNiV 4-10 ( Aeralloy D6AC). Тут показывали по телеку как Ариану-5 изготавливают. Там и видел как бак катают.
Вот тут на английском, но подробнее.

[volksv]

Понятно. Какое давление в баке Арианы 5? В основном первоначальное давление в баках ракет порядка 4 атмосфер, далее установлены турбонасосные агрегаты, которые увеличивают давление в системе на порядок до требуемого значения подачи в КС. У АРИАНЫ в КС 115 атмосфер, следовательно в баках 5 атм. У АТЛАСа например толщина стенки бака 1мм. Я к тому, что для высоких давлений такие баки не пригодны.

[Flexxxxxxxx]

На Южмаше разработаны сферические балоны высокого давления из полимерного композиционного материала с кевларовыми волокнами. Наматывают на 5-ти координнатном станке. Внутри алюминиевая фольга. Используют для хранения гелия.

[Ильнур]

Для указанного случая все давно решено на практике:
В настоящее время прогрессивной считается технология изготовления баллонов на основе лейнеров, т.е. заготовок, изготавливаемых преимущественно из алюминиевых сплавов. Лейнер, оборудованный штуцером для навинчивания запорной арматуры, а также имеющий специальную оплетку из композиционных материалов и окраску, является баллоном.
Пожалуйста, имеются готовые:
Баллоны вместимостью от 47 до 185 л, рассчитанные на рабочее давление 20, 24,5 и 31,4 МПа, устанавливаемые на транспортные средства, предназначены для транспортирования, хранения и использования в качестве моторного топлива сжатого природного газа по ГОСТ 27577.
• Запас прочности - не менее 2,6 (разрушение безосколочное);
• Срок службы – 15 лет; количество заправок 15000, освидетельствование один раз в три года, температура окружающей среды при эксплуатации от минус 45 до плюс 65°С.
• Диапазон рабочих температур от минус 45 град.C до плюс 60 град.С;
• Коэффициент совершенства (отношение массы баллона в кг к полезному объему в литрах):
0,5 - 0,7 в зависимости от давления и материала силовой оболочки (углебазальтостеклоровинг).

[Lopuch]

В составеASME Boiler Code имеется соответствующая секция для проектирования и изготовления емкостного ооборудования из полимерных композитных материалов

[volksv]

Баллоны вместимостью от 47 до 185 л, рассчитанные на рабочее давление 20, 24,5 и 31,4 МПа, устанавливаемые на транспортные средства, предназначены для транспортирования, хранения и использования в качестве моторного топлива сжатого природного газа по ГОСТ 27577.

Нам такие не подходят, по тех. требованиям.

[Ильнур]

Сообщение от volksv Нам такие не подходят, по тех. требованиям.

Вам-то зачем? А Pavel Samofalovу подходят?

[volksv]

А мы с ним , так сказать за одно. Нам, пожалуйста, на 400 атмосфер

[Pavel Samofalov]

Пообщался с одним специалистом из крупной компании специализирующейся на проектирование, производстве и продаже компонентов и систем гидравлики и пневматики. Так вот, он мне поведал что подобные ёмкости уже много лет производят из трехкомпонентных композиций: титановые или алюминиевые сплавы + арамидное или углеродное волокно + эпоксидная смола. У каждой компании есть своя технология производства и свои наработанные экспериментальным методом системы расчётов и даже специальное ПО, но это разумеется всё коммерческая тайна не подлежащая разглашению. Судя по всему, в справочной литературе методику расчётов и технологию производства подобных ёмкостей найти невозможно и придётся всё нарабатывать дорогим и времяёмким экспериментальным путём.

[Ильнур]

Сообщение от Pavel Samofalov Пообщался с одним специалистом .... он мне поведал что подобные ёмкости уже много лет производят из трехкомпонентных композиций... ...всё коммерческая тайна...(

А тут Вам что поведали - не то же самое?
Тайна, думается, не в том, по какому пути идут или какие материалы применяют - это каждый школьник знает, а в деталях технологии изготовления. Замучаетесь наверно с нуля отрабатывать.

[Pavel Samofalov]

А тут Вам что поведали - не то же самое?

То что здесь поведали, уже все прочитали, а я даю информацию из другого источника.

Замучаетесь наверно с нуля отрабатывать.

Если будут деньги платить, то не замучаюсь. Мне такая работа нравится.

[Lopuch]

Сообщение от Pavel Samofalov То что здесь поведали, уже все прочитали, а я даю информацию из другого источника. Если будут деньги платить, то не замучаюсь. Мне такая работа нравится.

Вообще-то, проектирование и изготовление оборудования на давление более 200 бар - занятие для "избранных". (Пример - оборудование производств аммиака, метанола, карбамида на 320 бар рабочего давления; для производства полиэтилена до 2000 бар ). Сразу после 2-й мировой его по довоенным наработкам делали западные немцы и чехи (см. Корндорф, "Техника высоких давлений"). Позднее к ним присоединились японцы. Небольшое по объему (до нескольких кубов) делали в Волгограднефтемаше по японской лицензии (Наиболее проработанная нормативная база для проектирования, изготовления и контроля - ASME VIII-3. Трубопроводами и расчетными нормами для расчета аппаратов в Союзе занимался ИркутскНИИХиммаш). Первая (и по-моему, единственная) советская кованая колонна синтеза аммиака изготовлена на одном из ленинградских заводов для Ионавского ЗАУ (3-й аммиак). Наиболее экономными по расходу металла являются многослойные и витые из профилированной ленты аппараты (немецкая витая колонна синтеза аммиака смонтирована на Новгородском ЗАУ в 70-м или 71-м). Для оборудования из композитов существуют свои нормативы по проектированию и изготовлению. Технология по ремонту композитного оборудования излагается в ANSI NB-23 (National Inspection Code) и PCC-2 API/ASME (Post-Construction Code - 2)

[volksv]

[Кулик Алексей aka kpblc]

volksv, а чего хотел сказать-то?

[Müller]

Наверное не успел, уснул...

[MMV]

Кстати, если продукт предназначен для РФ, то судя по всему, такая емкость будет относиться к опасным производственным объектам и потребуется экспертиза РТН как самого изделия, так и проектной документации, которая должна быть разработана только специалистом имеющим соответствующую аккредитацию от РТН.

[Pavel Samofalov]

Нет, если экспертиза проведана в ES и получен международный сертификат безопасности (качества), то не потребуется. Уверенно говорю об этом потому, что два реактора разработанных мной и сертифицированных в ES, работают на территории РФ. В реакторах используется высокое давление.

[Ильнур]

Сообщение от Pavel Samofalov два реактора разработанных мной и сертифицированных в ES, работают на территории РФ. В реакторах используется высокое давление.

Если Вы профессиональный разработчик аппаратов высокого давления на уровне ES, что же Вы нам такие вопросы типа "какой материал применить" задаете?

[Pavel Samofalov]

Ранее передо мной не ставили задачу сделать ёмкость как можно более лёгкой. И у меня есть опыт проектирования только стальных ёмкостей. Я даже титановые сплавы некогда не использовал в работе, не говоря уже про композиционные материалы. И аппараты высокого давления, это не основное моё профессиональное направление.

[volksv]

volksv, а чего хотел сказать-то?

Да я хотел рисунок баллона прикрепить и у меня не получилось, а потом я уснул.

Ранее передо мной не ставили задачу сделать ёмкость как можно более лёгкой

Павел, а зачем, если это конечно не секрет, у Вас стоит ограничение по массе? Подводная лодка на ядерном топливе или ЯРД? Поясните этот момент.

[Pavel Samofalov]

Нет, это не подводная лодка, это оружие для охоты (серийное производство), более подробной информации дать не могу, технология не моя, моё только конструкторское воплощение + технология производства. Ну а поскольку предполагается перемещение на своём горбу на большие расстояния по пересечённой местности, приходится бороться за каждый грамм.

[Laborant]

Сообщение от Pavel Samofalov Нет, это не подводная лодка, это оружие для охоты (серийное производство), более подробной информации дать не могу, технология не моя, моё только конструкторское воплощение + технология производства. Ну а поскольку предполагается перемещение на своём горбу на большие расстояния по пересечённой местности, приходится бороться за каждый грамм.

Гм. Все понятно.
Павел, а заказчика назовете? От кого, в смысле, новинок ждать. Просто, как активно интересующийся именно этой темой, всех изготовителей знаю.
А если назвать не можете, то хоть в личку намекните.

[Pavel Samofalov]

Да не будет скорей всего новинки, о цене нам не как не договорится. А если и будет, то скорей всего под китайским соусом и как обычно из дешёвых материалов и одноразового использования. В общем достал он меня своими потыканиями, надо найти вариант подешевле, надо найти вариант подешевле и я с ним почти поссорился.
Про имя, я сначала спрошу у заказчика, если разрешит, то открою эту тайну, если нет – то унесу её с собой в могилу.

[Müller]

это оружие для охоты

Классно. А пули ледяные? Как у Шерлока Холмса...

[Pavel Samofalov]

Сообщение от Müller Классно. А пули ледяные? Как у Шерлока Холмса...

Там используются не пули, там используются болты гарпунного типа.

[volksv]

В таком случае подойдет шаробаллон исользуемый в ракетных двигателях для хранения и подачи вещества с целью регулирования пневматики.
Прилогаю схемку-примерчик такого баллона для подачи азота.

[Pavel Samofalov]

volksv, спасибо. Откуда этот скан, что это за книга?

[volksv]

Это из Гахуна. Но Вам посоветовал бы Синярев Г.Б., Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование (1955).djvu
Там рассмотрены следующие вопросы:
см. приложение.