Автомобильные баллоны для сжатого природного газа фирмы Faber
Первые газовые баллоны, применявшиеся на автомобилях, были аналогичны баллонам, используемым для таких газов как кислород, азот, водород при давлении, равном 20 МПа. В дальнейшем стали разрабатывать специальные облегченные баллоны, так как промышленные баллоны были довольно тяжелыми. Отношение массы баллона к его емкости составляло 1,6-1,2 кг/л. При этом все баллоны изготавливали из труб.
Итальянские фирмы выпускают широкий ассортимент баллонов различной размерности и весовых показателей.
Итальянские баллоны экспортируются в различные страны: Канаду, США, Новую Зеландию, Голландию, Австрию, Австралию, Бразилию, Пакистан и др.
Одной из ведущих фирм, производящих газовые баллоны, является фирма Faber. Технология изготовления баллонов основана на методе глубокой вытяжки. Глубокая холодная штамповка с последующей раскаткой формирует очень тонкую кристаллическую структуру стали, улучшает механические ее свойства. Эти свойства сравнимы со свойствами той же марки стали, обработанной горячим методом, при одинаковых значениях относительного удлинения и ударной вязкости. При этом обработка полуфабриката на оправке позволяет получить строго контролируемую равномерную толщину стенок баллона, очень близкую к минимальной расчетной толщине. Эти баллоны сразу же стали пользоваться спросом благодаря тому, что отношение их массы к емкости составляло 0,9 кг/л.
Фирма применила для изготовления баллонов легированную бор содержащую сталь, ранее для этой цели не употреблявшуюся. Эта сталь является более экономичной и обладает механическими свойствами, превосходящими хромомолибденовую сталь.
Тщательное соблюдение технологического процесса и его контроль открывают путь к изготовлению газовых баллонов, работающих под давлением, значительно превышающим достигнутый уровень 20 МПа.
В настоящее время фирмой уже разработаны баллоны, рассчитанные на номинальное давление 25 МПа и ведутся работы над баллонами - на номинальное давление 30 МПа.
Фирма Faber, воспользовавшись существующим опытом из области самолетостроения, приступила к работе по созданию газовых баллонов из композиционных материалов (фиброметаллических). Эти баллоны имеют традиционную форму, а их цилиндрическая часть обмотана армирующими нитями из высокопрочного волокна с низким удельным весом. За основу были приняты следующие расчетные характеристики:
• коэффициент запаса прочности баллона, равный 2,5, а давление при испытании, равное 5/3 эксплуатационного давления;
• толщина цилиндрической части стенки баллона равна половине соответствующей толщины традиционного баллона;
• армирующая обмотка нитями волокна должна обеспечивать такие условия, при которых напряжение сжатия в металле при нулевом давлении не превышало 50 % предела текучести, а растягивающее напряжение в металле при эксплуатационном давлении - 60 %;
• максимальное напряжение, испытываемое нитями волокна при эксплуатационном давлении в баллоне, не должно превышать 40 % разрушающего напряжения этих нитей.
Фирма разработала пять вариантов газовых баллонов емкостью 50 л. Стальной баллон с нагрузочным давлением 20 МПа (коэффициент сжатия, равный 0,8) весит 47 кг при вместимости 12,5 м3, запас прочности баллона равен 2,2. Стальной баллон при той же нагрузке с запасом прочности 2,5 весит 52 кг, вместимость метана составляет 12,5 м3 при коэффициенте сжатия 0,8. Баллон из фиброметалла с нагрузочным давлением 20 МПа весит 27 кг, коэффициент сжатия 0,8, вместимость метана 12,5 м3. Баллон из фиброметалла с нагрузочным давлением, равным 25 МПа, весит 32,4 кг, коэффициент сжатия 0,86, а вместимость метана 14,6 м3. Баллон из фиброметалла с нагрузочным давлением, равным 30 МПа, весит 38,2 кг, коэффициент сжатия равен 0,91, а вместимость метана 16,6 м3.
Масса баллона из фиброметалла практически вдвое меньше стального баллона, имеющего такой же коэффициент запаса прочности.
Определяющим фактором при использовании газобаллонных автомобилей является значение величины запаса хода автомобиля, что в достаточной мере обеспечивается рабочим давлением 30 МПа в баллоне и изготовлением его из фиброметалла. Реализация этих технических решений позволяет увеличить запас хода автомобиля на 33 % и уменьшить массу газобаллонной установки на 19 % по сравнению с применением стальных баллонов высокого давления.
