Газовый баллон — сосуд под давлением для хранения и удержания газов при давлении выше атмосферного . Газовые баллоны высокого давления также называются бутылками . Внутри баллона хранимое содержимое может находиться в состоянии сжатого газа, пара над жидкостью, сверхкритической жидкости или растворяться в материале-подложке в зависимости от физических характеристик содержимого. Типичная конструкция газового баллона удлиненная, стоящая вертикально на уплощенном нижнем конце, с клапаном и фитингом в верхней части для подсоединения к приемному устройству.
Термин «цилиндр» в данном контексте не следует путать с баком , поскольку последний представляет собой открытый или вентилируемый контейнер, в котором жидкости хранятся под действием силы тяжести, хотя термин «акваланг» обычно используется для обозначения баллона, используемого для подачи дыхательного газа в подводный дыхательный аппарат.
В Соединенных Штатах термин «баллонный газ» обычно относится к сжиженному нефтяному газу . «Баллонный газ» иногда используется в медицинских целях, особенно для переносных кислородных баллонов . Упакованные промышленные газы часто называют «баллонным газом», хотя иногда используется и термин «баллонный газ». Термин «пропановый баллон» также используется для баллонов с пропаном.
В Великобритании и других частях Европы чаще всего говорят о «баллонном газе» при обсуждении любого использования, будь то промышленное, медицинское или сжиженная нефть. Напротив, то, что в Соединенных Штатах называется сжиженным нефтяным газом, в Великобритании известно как «LPG» и может быть заказано с использованием одного из нескольких торговых наименований , или конкретно как бутан или пропан , в зависимости от требуемой тепловой мощности. [ необходима цитата ]
Размер контейнера для сжатого газа, который может быть классифицирован как газовый баллон, обычно составляет от 0,5 до 150 литров. Меньшие контейнеры могут быть названы газовыми баллонами, большие могут быть названы газовыми трубками, баками или другими определенными типами сосудов под давлением. Газовый баллон используется для хранения газа или сжиженного газа при давлении выше нормального атмосферного давления. [1]
Газовые баллоны можно сгруппировать по нескольким характеристикам, таким как метод изготовления, материал, группа давления, класс содержимого, транспортабельность и возможность повторного использования. [1]
Коды проектирования и стандарты применения, а также стоимость материалов диктовали выбор стали без сварных швов для большинства газовых баллонов; сталь обработана для защиты от коррозии . Некоторые недавно разработанные легкие газовые баллоны изготавливаются из нержавеющей стали и композитных материалов. Благодаря очень высокой прочности на разрыв полимера, армированного углеродным волокном , эти сосуды могут быть очень легкими, но их сложнее изготовить. [2]
Цилиндры, армированные или собранные из волокнистого материала, обычно должны проверяться чаще, чем металлические цилиндры, например , каждые 5 лет вместо 10 лет, и должны проверяться более тщательно, чем металлические цилиндры. Они могут иметь ограниченный срок службы. [ необходима цитата ]
Интервал проверки стальных баллонов увеличился с 5 или 6 лет до 10 лет. [ требуется цитата ] Баллоны для дайвинга, которые используются в воде, должны проверяться чаще. Когда были обнаружены присущие им структурные проблемы, некоторые стальные и алюминиевые сплавы были сняты с эксплуатации. [ требуется цитата ]
Первоначально баллоны из композитных волокон были рассчитаны на ограниченный срок службы в 15, 20 или 30 лет, в то время как стальные баллоны в настоящее время обычно изымаются через 70 лет или могут продолжать использоваться неограниченное время при условии прохождения ими периодических проверок и испытаний. [ необходима цитата ] Уже несколько лет [ требуется разъяснение ] существуют композитные баллоны, которые номинированы на неограниченный срок службы (NLL), при условии отсутствия видимых повреждений. [ необходима цитата ]
Поскольку для армирования баллонов используются волокнистые композиционные материалы, существуют различные типы конструкций сосудов высокого давления: [ необходима ссылка ]
Сосуды высокого давления для хранения газа также могут быть классифицированы по объему. В Южной Африке баллон для хранения газа подразумевает многоразовый транспортируемый контейнер с объемом воды до 150 литров. Многоразовые транспортируемые цилиндрические контейнеры объемом воды от 150 до 3000 литров называются трубами. [3]
Сосуд высокого давления представляет собой бесшовный цилиндр, обычно изготовленный из холоднопрессованного алюминия или кованой стали . [4] Композитные баллоны с намотанной нитью используются в дыхательных аппаратах пожаротушения и кислородном оборудовании первой помощи из-за их малого веса, но редко используются для дайвинга из-за их высокой положительной плавучести . Иногда их используют, когда портативность для доступа к месту погружения имеет решающее значение, например, при дайвинге в пещерах . [5] [6] Композитные баллоны, сертифицированные по ISO-11119-2 или ISO-11119-3, могут использоваться для подводного применения только в том случае, если они изготовлены в соответствии с требованиями для подводного использования и имеют маркировку «UW». [7] Сосуд высокого давления состоит из цилиндрической секции с равномерной толщиной стенки, с более толстым основанием на одном конце и куполообразным плечом с центральной горловиной для крепления клапана баллона или коллектора на другом конце.
Иногда могут использоваться и другие материалы. Инконель использовался для немагнитных и высококоррозионностойких, совместимых с кислородом сферических газовых баллонов высокого давления для смешанных газовых ребризеров ВМС США Mk-15 и Mk-16, а также для нескольких других военных ребризеров.
Большинство алюминиевых баллонов имеют плоское дно, что позволяет им стоять вертикально на ровной поверхности, но некоторые изготавливаются с куполообразным дном.
Алюминиевые баллоны обычно изготавливаются методом холодной экструзии алюминиевых заготовок в процессе, который сначала прессует стенки и основание, затем обрезает верхний край стенок цилиндра, после чего следует прессование плеча и шейки. Заключительный структурный процесс — это обработка внешней поверхности шейки, расточка и нарезание резьбы шейки и канавки для уплотнительного кольца . Затем цилиндр подвергается термической обработке, испытанию и штамповке с требуемой постоянной маркировкой. [8]
Стальные баллоны часто используются, поскольку они тверже и более устойчивы к внешнему поверхностному удару и абразивному повреждению, а также могут выдерживать более высокие температуры без влияния на свойства материала. Они также могут иметь меньшую массу, чем алюминиевые баллоны с той же газовой емкостью, из-за значительно более высокой удельной прочности . Стальные баллоны более восприимчивы, чем алюминиевые, к внешней коррозии, особенно в морской воде, и могут быть оцинкованы или покрыты защитными красками от коррозии для защиты от коррозионного повреждения. Несложно контролировать внешнюю коррозию и ремонтировать краску в случае повреждения, а стальные баллоны, которые хорошо обслуживаются, имеют длительный срок службы, часто дольше, чем алюминиевые баллоны, поскольку они не подвержены усталостным повреждениям при заполнении в пределах их безопасных рабочих пределов давления.
Стальные баллоны изготавливаются с куполообразными (выпуклыми) и тарельчатыми (вогнутыми) днищами. Тарельчатый профиль позволяет им стоять вертикально на горизонтальной поверхности и является стандартной формой для промышленных баллонов. Баллоны, используемые для аварийного газоснабжения на водолазных колоколах, часто имеют такую форму и обычно имеют емкость для воды около 50 литров («J»). Куполообразные днища обеспечивают больший объем при той же массе баллона и являются стандартом для баллонов для подводного плавания с емкостью для воды до 18 литров, хотя некоторые баллоны с вогнутым дном продаются для подводного плавания. Промышленные баллоны с куполообразным концом могут быть оснащены запрессованным кольцом для ног, чтобы позволить стоять вертикально. [9] [10]
Стальные сплавы, используемые для производства газовых баллонов, разрешены производственным стандартом. Например, стандарт США DOT 3AA требует использования мартеновской, кислородно-конвертерной или электростали однородного качества. Одобренные сплавы включают 4130X, NE-8630, 9115, 9125, углеродисто-боровые и промежуточные марганцевые, с указанными компонентами, включая марганец и углерод, а также молибден, хром, бор, никель или цирконий. [11]
Стальные баллоны могут быть изготовлены из стальных пластинчатых дисков, которые холоднотянуты в цилиндрическую чашеобразную форму в два или три этапа и, как правило, имеют куполообразное основание, если предназначены для рынка подводного плавания, поэтому они не могут стоять сами по себе. После формирования основания и боковых стенок верхняя часть баллона обрезается по длине, нагревается и подвергается горячему формованию для формирования плеча и закрытия горловины. Этот процесс утолщает материал плеча. Баллон подвергается термической обработке путем закалки и отпуска для обеспечения максимальной прочности и вязкости. Баллоны подвергаются механической обработке для обеспечения резьбы горловины и посадочного места для уплотнительного кольца (если применимо), затем химически очищаются или подвергаются дробеструйной очистке внутри и снаружи для удаления прокатной окалины. После осмотра и гидростатических испытаний на них наносится штамп с требуемой постоянной маркировкой, после чего наносится внешнее покрытие с помощью краски для защиты от коррозии или горячее цинкование и окончательная проверка. [12]
Схожий метод заключается в том, чтобы начать с бесшовной стальной трубы подходящего диаметра и толщины стенки, изготовленной таким процессом, как процесс Маннесмана , и закрыть оба конца методом горячего формования. Этот метод особенно подходит для труб для хранения газа высокого давления, которые обычно имеют резьбовое отверстие на обоих концах, так что оба конца обрабатываются одинаково.
Альтернативный метод производства — обратное выдавливание нагретой стальной заготовки, аналогичное процессу холодного выдавливания для алюминиевых цилиндров, за которым следует горячее вытягивание и формирование дна для уменьшения толщины стенки, а также обрезка верхнего края в рамках подготовки к формированию плеча и шейки методом горячего выдавливания. Другие процессы во многом одинаковы для всех методов производства. [13]
Горловина цилиндра — это часть конца, которая имеет форму узкого концентрического цилиндра и внутреннюю резьбу для установки вентиля цилиндра. Существует несколько стандартов резьбы горловины.
Сварной газовый баллон состоит из одного или нескольких компонентов оболочки, соединенных сваркой. Наиболее часто используемый материал — сталь, но нержавеющая сталь, алюминий и другие сплавы могут использоваться, если они лучше подходят для применения. Сталь прочна, устойчива к физическим повреждениям, легко сваривается, относительно недорога и обычно достаточно устойчива к коррозии, а также обеспечивает экономичный продукт.
Компонентами оболочки обычно являются куполообразные концы и часто прокатанная цилиндрическая центральная секция. Концы обычно куполообразные путем холодного прессования из круглой заготовки и могут быть вытянуты в два или более этапов для получения окончательной формы, которая обычно является полуэллиптическим сечением. Концевая заготовка обычно штампуется из листа, вытягивается до требуемого сечения, края обрезаются по размеру и сужаются для перекрытия, где это необходимо, и пробиваются отверстия для горловины и других фитингов. [14]
Меньшие цилиндры обычно собираются из верхнего и нижнего купола с экваториальным сварным швом. Большие цилиндры с более длинным цилиндрическим корпусом включают выпуклые днища, приваренные по окружности к прокатанной центральной цилиндрической секции с одним продольным сварным швом. Сварка обычно автоматизированная газовая дуговая сварка металлическим электродом . [14]
Типичные принадлежности, которые привариваются к внешней стороне цилиндра, включают в себя опорное кольцо, предохранитель клапана с подъемными ручками и шейный выступ с резьбой для клапана. Иногда также привариваются другие сквозные и внешние фитинги. [14]
После сварки сборка может быть подвергнута термической обработке для снятия напряжений и улучшения механических характеристик, очищена дробеструйной обработкой и покрыта защитным и декоративным покрытием. Испытания и проверки для контроля качества будут проводиться в различных точках. [14]
Транспортировка баллонов высокого давления регулируется многими правительствами по всему миру. Различные уровни испытаний обычно требуются руководящим органом страны, в которой они будут транспортироваться. В Соединенных Штатах этим органом является Министерство транспорта США (DOT). Аналогично в Великобритании европейские транспортные правила (ADR) реализуются Министерством транспорта (DfT). В Канаде этим органом является Министерство транспорта Канады (TC). К баллонам могут предъявляться дополнительные требования по конструкции и/или эксплуатационным характеристикам от независимых испытательных агентств, таких как Underwriters Laboratories (UL). Каждый производитель баллонов высокого давления должен иметь независимого агента по качеству, который будет проверять качество и безопасность продукции.
В Великобритании « компетентный орган » — Министерство транспорта (DfT) — внедряет правила, а назначение уполномоченных испытателей цилиндров осуществляется Службой аккредитации Соединенного Королевства (UKAS), которая дает рекомендации Агентству по сертификации транспортных средств (VCA) для утверждения отдельных органов.
Существует множество испытаний, которые могут быть выполнены на различных баллонах. Некоторые из наиболее распространенных типов испытаний — это гидростатическое испытание , испытание на разрыв, предел прочности на растяжение , испытание на удар по Шарпи и циклическое изменение давления.
В процессе производства на баллоне обычно проштамповывается или постоянно маркируется важная информация. Обычно эта информация включает тип баллона, рабочее или сервисное давление, серийный номер, дату изготовления, зарегистрированный код производителя и иногда испытательное давление. В зависимости от требований нормативных актов может быть проштампована и другая информация.
Баллоны высокого давления, которые используются многократно — как большинство из них — можно подвергать гидростатическим или ультразвуковым испытаниям и визуально осматривать каждые несколько лет. [15] В Соединенных Штатах гидростатические/ультразвуковые испытания требуются либо каждые пять лет, либо каждые десять лет, в зависимости от баллона и его эксплуатации.
Газовые баллоны обычно имеют угловой запорный клапан на одном конце, и баллон обычно ориентирован так, чтобы клапан находился сверху. Во время хранения, транспортировки и обращения, когда газ не используется, на выступающий клапан может быть навинчен колпачок, чтобы защитить его от повреждения или поломки в случае падения баллона. Вместо колпачка баллоны иногда имеют защитный воротник или горловое кольцо вокруг узла клапана.
Клапаны на промышленных, медицинских и водолазных баллонах обычно имеют резьбу или геометрию соединений разной направленности, размеров и типов, которые зависят от категории газа, что затрудняет ошибочное неправильное использование газа. Например, выпускной клапан водородного баллона не подходит к регулятору кислорода и линии подачи, что может привести к катастрофе. Некоторые фитинги используют правую резьбу, в то время как другие используют левую резьбу ; фитинги с левой резьбой обычно можно определить по выемкам или канавкам, прорезанным на них.
В Соединенных Штатах клапанные соединения иногда называют соединениями CGA , поскольку Ассоциация сжатого газа (CGA) публикует рекомендации о том, какие соединения использовать для каких газов. Например, баллон с аргоном имеет соединение "CGA 580" на клапане. Газы высокой чистоты иногда используют соединения CGA-DISS ("Diameter Index Safety System").
Медицинские газы могут использовать систему безопасности с индексом штифта для предотвращения неправильного подключения газов к системам.
В Европейском Союзе соединения DIN более распространены, чем в Соединенных Штатах.
В Великобритании стандарты устанавливает Британский институт стандартов. В число стандартов входит использование клапанов с левой резьбой для баллонов с горючим газом (чаще всего латунных, BS4, клапанов для некоррозионного содержимого баллона или нержавеющей стали, BS15, клапанов для коррозионного содержимого). Баллоны с негорючим газом оснащены клапанами с правой резьбой (чаще всего латунных, BS3, клапанов для некоррозионных компонентов или нержавеющей стали, BS14, клапанов для коррозионных компонентов). [16]
Когда газ в баллоне должен использоваться при низком давлении, колпачок снимается, и к запорному клапану присоединяется узел регулирования давления. Это приспособление обычно имеет регулятор давления с манометрами на входе (вход) и выходе (выход) , а также дополнительный игольчатый клапан на выходе и выходное соединение. Для газов, которые остаются газообразными при хранении в условиях окружающей среды, манометр на входе может использоваться для оценки того, сколько газа осталось в баллоне в зависимости от давления. Для газов, которые являются жидкими при хранении, например, пропана, давление на выходе зависит от давления паров газа и не падает, пока баллон почти не опустеет, хотя оно будет меняться в зависимости от температуры содержимого баллона. Регулятор настраивается для управления давлением на выходе, что ограничит максимальный поток газа из баллона при давлении, показываемом манометром на выходе. Для некоторых целей, таких как защитный газ для дуговой сварки, регулятор также будет иметь расходомер на стороне выхода.
Выходное соединение регулятора подключается к месту, где требуется подача газа.
Поскольку содержимое находится под давлением и иногда представляет собой опасные материалы , обращение с баллонными газами регулируется. Правила могут включать в себя цепное соединение баллонов для предотвращения падения и повреждения клапана, надлежащую вентиляцию для предотвращения травм или смерти в случае утечек и знаки, указывающие на потенциальные опасности. Если баллон со сжатым газом опрокидывается, в результате чего блок клапанов срезается, быстрый выброс газа под высоким давлением может привести к резкому ускорению баллона, что может привести к повреждению имущества, травме или смерти. Чтобы предотвратить это, баллоны обычно крепятся к неподвижному объекту или транспортной тележке с помощью ремня или цепи. Их также можно хранить в безопасном шкафу .
При пожаре давление в газовом баллоне повышается прямо пропорционально его температуре . Если внутреннее давление превышает механические ограничения баллона и нет возможности безопасного сброса сжатого газа в атмосферу, сосуд выйдет из строя механически. Если содержимое баллона воспламеняется, это событие может привести к «огненному шару». [17] Окислители, такие как кислород и фтор, будут производить аналогичный эффект, ускоряя горение в пораженной области. Если содержимое баллона является жидким, но становится газом при окружающих условиях, это обычно называют взрывом расширяющегося пара кипящей жидкости (BLEVE). [18]
Медицинские газовые баллоны в Великобритании и некоторых других странах имеют плавкую заглушку из металла Вуда в блоке клапанов между седлом клапана и баллоном. [ необходима ссылка ] Эта заглушка плавится при сравнительно низкой температуре (70 °C) и позволяет содержимому баллона выйти в окружающую среду до того, как баллон значительно ослабнет под воздействием тепла, что снижает риск взрыва.
Более распространенные устройства сброса давления представляют собой простую разрывную мембрану , установленную в основании клапана между цилиндром и седлом клапана. Разрывная мембрана представляет собой небольшую металлическую прокладку, разработанную для разрыва при заранее определенном давлении. Некоторые разрывные мембраны имеют подложку из легкоплавкого металла, поэтому клапан должен подвергаться воздействию чрезмерного тепла, прежде чем разрывная мембрана сможет разорваться. [ необходима цитата ]
Ассоциация по сжатым газам публикует ряд брошюр и памфлетов по безопасному обращению и использованию баллонных газов.
Существует широкий спектр стандартов, касающихся производства, использования и испытаний баллонов со сжатым газом и связанных с ними компонентов. Некоторые примеры приведены здесь.
Газовые баллоны часто имеют цветовую кодировку , но коды не являются стандартными в разных юрисдикциях, а иногда и не регулируются. Цвет баллона не может безопасно использоваться для положительной идентификации продукта; баллоны имеют этикетки для идентификации содержащегося в них газа.
Индийский стандарт для цветовой маркировки газовых баллонов применяется к идентификации содержимого газовых баллонов, предназначенных для медицинского использования. Каждый баллон должен быть окрашен снаружи в цвета, соответствующие его газообразному содержимому. [24]
Ниже приведены примеры размеров цилиндров, которые не являются отраслевым стандартом. [ требуется ссылка ] [ требуется пояснение ]
(Спецификации Министерства транспорта США определяют материал, изготовление и максимальное давление в фунтах на квадратный дюйм. Они сопоставимы со спецификациями Министерства транспорта Канады , которые показывают давление в барах . 3E-1800 в номенклатуре Министерства транспорта будет соответствовать TC 3EM 124 в Канаде. [25] )
Для большего объема доступны блоки хранения газа высокого давления, известные как трубки . Они, как правило, имеют больший диаметр и длину, чем баллоны высокого давления, и обычно имеют резьбовую шейку на обоих концах. Они могут быть установлены по отдельности или группами на прицепах, постоянных базах или интермодальных транспортных рамах . Из-за своей длины они устанавливаются горизонтально на мобильных конструкциях. В общем случае они часто объединяются вместе и управляются как единое целое. [26] [27]
Группы баллонов одинакового размера могут быть смонтированы вместе и подключены к общей системе коллекторов для обеспечения большей емкости хранения, чем один стандартный баллон. Это обычно называется банком баллонов или банком газового хранилища. Коллектор может быть расположен так, чтобы обеспечить одновременный поток из всех баллонов, или, для каскадной системы заполнения , где газ отбирается из баллонов в соответствии с наименьшей разницей положительного давления между хранилищем и целевым баллоном, что является более эффективным использованием сжатого газа. [28]
Газовый баллонный квадроцикл, также известный как газовый баллонный поддон, представляет собой группу баллонов высокого давления, установленных на транспортной и складской раме. Обычно имеется 16 баллонов, каждый емкостью около 50 литров, установленных вертикально в четыре ряда по четыре на квадратном основании с квадратной рамой с точками подъема наверху и может иметь слоты для вилочного погрузчика в основании. Баллоны обычно соединены между собой как коллектор для использования в качестве блока, но возможны многие вариации в компоновке и структуре. [29]