Приложение Ж (обязательное). Руководство по определению сопротивления на разрыв сосудов высокого давления

Приложение Ж
(обязательное)

Руководство
по определению сопротивления на разрыв сосудов высокого давления

Ж.1 Определение сопротивления на разрыв баллонов для хранения компримированного водорода под высоким давлением

Целью этого раздела является оценка конструкционных материалов баллонов СХКВ на основе сопротивления на разрыв. Поскольку допустимость применения тех или иных материалов основана на их способности выдерживать нагрузки, возникающие при длительном воздействии повышенного давления, минимально допустимое давление разрыва BP _min должно определяться в процессе аттестации сосудов высокого давления.

Примечание - BP _min, определяемое здесь, основано на расчетных требованиях, предъявляемых к сосудам высокого давления с водородом, однако федеральные или региональные нормы могут требовать более высоких значений на основе истории различных прецедентов и других соображений, поэтому перед окончательным выбором BP _min необходимо проанализировать действующие нормативы.

BP _min должно быть больше или равно 2,0  НРД как абсолютное минимальное значение, независимо от выбора материала. Соответствие этому требованию может быть продемонстрировано соблюдением любого из перечисленных далее условий.

Ж.1.1 Баллоны, в конструкции которых присутствуют композиты, армированные углеродным волокном и/или металлическими сплавами, должны быть аттестованы (5.2.2.1) с использованием минимального значения BP _min, составляющего 2,0  НРД. При проведении этого испытания не следует учитывать отдельные случаи разрыва волокон композита при не нарушенной герметичности баллона.

Ж.1.2 Баллоны с армированной волокном композитной оболочкой, состоящей из более чем 95 % по массе волокон из углеродного волокна (за исключением горловины и лейнера), должны быть аттестованы (см. 5.2.2.1) с использованием минимального значения BP _min, равного 2,0  НРД. При проведении этого испытания не следует учитывать отдельные случаи разрыва волокон композита при не нарушенной герметичности баллона.

Ж.1.3 Баллоны, в конструкции которых присутствуют композиты, армированные стекловолокном, должны быть аттестованы с использованием минимального значения BP _min, равного 3,5  НРД.

Ж.1.4 Баллоны, демонстрирующие достаточную устойчивость к разрыву при эксплуатации в экстремальных условиях в течение не менее 25 лет (см. Ж.2 для руководства по проведению ускоренного испытания и приложение В для обоснования разработки метода и критериев испытания).

Ж.1.5 Баллоны, конструкция которых сопоставима с таковой у баллонов, ранее аттестованных в соответствии с процедурой испытаний, приведенной в Ж.2. При этом BP _min баллона должно быть равно или больше BP _min ранее аттестованного баллона.

Ж.2 Руководство по проведению испытаний сопротивления на разрыв баллонов высокого давления

Цель этого раздела состоит в том, чтобы определить BP _min и связанные с ним целевые показатели BP _DQ и 90 % BP _DQ в соответствии с 5.2.2.1.2.

Теоретически, методика может быть применена к баллонам любого типа, однако она особенно полезна для баллонов типов 3 и 4, в которых композитная конструкция в значительной степени обеспечивает сдерживание давления.

Процесс начинается с изготовления баллона, который намеренно делают менее прочным, чем при обычном производстве, чтобы смоделировать наихудшие из допустимых условий производства (см. Ж.2.1).

Затем часть баллонов подвергают испытанию сопротивления на разрыв в соответствии с Ж.2.2 для определения базового соответствия требованию к сопротивлению на разрыв.

Процесс определения минимально допустимого давления разрыва фокусируется только на способности баллона выдерживать давление, однако методики, описанные в Ж.2.3, учитывают вместе с этим также и прочие факторы (например, физическое или химическое повреждение, циклическая усталость), добавляя минимальные эксплуатационные требования к прочности на разрыв в протоколе испытаний на долговечность (см. 5.2.2.3).

Ж.2.1 Подготовка к испытаниям сопротивления на разрыв

Чтобы убедиться, что испытательные образцы соответствуют предъявляемым требованиям, квалификационная партия, представленная для испытаний, должна быть специально изготовлена и/или изменена таким образом, чтобы BP _min баллонов в партии более репрезентативно отражало характеристику наихудшего случая, чем при нормальном производстве. Это может быть достигнуто, например, путем использования при производстве партии более слабых волокон или путем изменения прочности композитной структуры при или после изготовления. В конечном счете, цель состоит в том, чтобы воспроизвести такое напряжение в нагружаемых давлением материалах баллона, которое возникло бы только в случае критических состояний.

Для испытаний должно быть представлено не менее двадцати баллонов из специальной партии для испытаний, представляющих материалы и конструкцию баллона в соответствии с 5.2.2.

Представленные баллоны должны быть случайным образом разделены на две равные группы для дальнейших испытаний (не менее 10).

Ж.2.2 Основное испытание на разрыв

Баллоны первой группы (не менее 10) следует испытывать по методике В.3.

Чтобы убедиться, что баллоны соответствуют требованию к целевому показателю BP _min, разница в давлениях разрыва всех испытанных в первой группе баллонов не должна превышать 10 % друг от друга.

Ж.2.3 Испытание сопротивления на разрыв

Вторая группа баллонов (не менее 10) должна быть испытана по протоколу, определенному в Ж.2.3.1 или Ж.2.3.2, с использованием N _H и M _H, как определено в 5.2.2.

Баллоны из чистого углеродного волокна могут быть испытаны в соответствии с Ж.2.3.1 или Ж.2.3.2, тогда как баллоны со стекловолокном, смесями волокон или другими альтернативными волокнами должны быть испытаны в соответствии с Ж.2.3.2 для определения BP _min.

После определения BP _min целевые значения для производства BP _DQ и 90 % BP _DQ должны быть установлены с использованием методики статистического производственного контроля, чтобы вероятность выхода из строя произведенного баллона была маловероятной (например, менее одного выхода из строя на миллион часов), при эксплуатации ТС в наихудших условиях, определенных в 5.2.

Ж.2.3.1 Испытания на прочность на разрыв для баллонов из чистого углеродного волокна типа 4

Для того, чтобы минимум испытательной группы заведомо представлял самый слабый из производимых баллонов, параметры испытаний могут быть скорректированы с помощью коэффициента F _H.2, описанного ниже, чтобы привести уровень напряжения при испытании к самому высокому уровню давления, отражающему целевое значение BP _min для производства.

,

(Ж.1)

,

(Ж.2)

.

(Ж.3)

Протокол испытаний на долговечность в 5.2.2.3 может использоваться без изменений для оценки баллона из чистого углеродного волокна с использованием BP _DQ = BP _DQ-TEST и НРД = НРД _TEST, определяемых по формулам выше.

Если все баллоны во второй испытательной группе проходят испытание, как определено выше, то BP _min можно определить следующим образом для баллона из чистого углеродного волокна: BP _min  BP _min-цель, но не менее 2,0.

Ж.2.3.2 Испытания на сопротивление разрыву для всех типов баллонов

Для того, чтобы минимум испытательной группы заведомо представлял самый слабый из производимых баллонов, параметры испытаний могут быть скорректированы с помощью коэффициента F _H.2, описанного ниже, чтобы привести уровень напряжения при испытании к самому высокому уровню давления, отражающему целевое значение BP _min для производства.

Примечание - Возможность использования F _H.2 для установки уровня напряжения может быть ограничена типом конструкции баллона. Например, лейнер баллона типа 3 может деформироваться во время испытания на разрыв, если значение F _H.2 слишком велико, или может подвергаться усталостным изменениям при циклическом изменении давления. В этом случае баллоны, изготовленные для испытания в Ж.2, могут нуждаться в более точном соответствии с целевым значением BP _min.

Баллоны со стеклянными или углеродными волокнами, смесями стеклянных волокон или другими альтернативными волокнами должны быть испытаны в соответствии с Ж.3.1 (с использованием BP _DQ = BP _DQ-TEST и НРД = НРД _TEST, как определено ниже), чтобы определить минимальный коэффициент разрыва, который может соответствовать прочности на разрыв. В соответствии с приложением В минимальное значение должно быть не более 90 % от BP _min, испытания следует проводить при следующих условиях:

,

(Ж.4)

,

(Ж.5)

.

(Ж.6)

Кроме того, поскольку испытуемые баллоны не обязательно имеют минимальное давление разрыва 2,0  НРД, 4-минутное испытание на предельную прочность при 1,8  НРД должно быть изменено на 80 % от BP _DQ-TEST, если BP _DQ-TEST меньше 2,20  НРД при проведении испытаний в этом разделе.

Если все баллоны во второй испытательной группе проходят испытание, как определено выше, тогда BP _min можно определить следующим образом для всех других баллонов:

.

Ж.3 Определение и подтверждение производственных целей

Целевые показатели при производстве баллонов BP _DQ и 90 % BP _DQ должны проходить подтверждение в случае, если определение давления разрыва происходит согласно Ж.2.

Учитывая возможную изменчивость производства, следует испытывать больше баллонов, чем обычно требуется в 5.2.2. Необходимо изготовить не менее 20 баллонов и разделить их на две равные группы. Первая группа испытывается на разрыв, чтобы продемонстрировать соответствие 5.2.2.1.2.б, вторая испытывается в соответствии с Ж.2.3.1, в случае баллонов типа 4 - с чистым углеродным волокном, или Ж.2.3.2 - при прочих случаях, чтобы продемонстрировать соответствие 5.2.2.3 с адекватной устойчивостью к разрыву под напряжением.

Примечание - Приложение Ж.2.3.2 может заменить 5.2.2.3, поскольку условия испытаний более жесткие.

Ж.3.1 Модифицированный протокол испытаний для проверки разрыва под давлением

Протокол испытаний в 5.2.2.3 имитирует экстремальные условия и длительное использование баллона для хранения сжатого водорода. Чтобы также в целом оценить сопротивление разрыву при нагрузке наряду с другими факторами нагрузки, необходимо изменить протокол испытаний, как описано в приложении В и показано на рисунке Ж1.

Уровень давления для выдержки в 5.2.2.3.6 увеличен с 1,25  НРД до 1,50  НРД, чтобы воспроизвести требование минимального напряжения для баллона из углеродного волокна, а также отрегулировать время выдержки, чтобы удовлетворить требование прочности на разрыв для баллона из стекловолокна. Модифицированная фиксация также позволяет оценить стабильность композитной структуры независимо от волокнистого материала. Поскольку метод испытания основан на охвате диапазона баллона от стекловолокна до углеродного волокна, ожидается, что метод испытания будет приемлемым для широкого спектра волокнистых материалов и смесей волокон, а также для количественной оценки влияния различных смол на прочность и стабильность композита. Поскольку сопротивление разрыву под давлением проводится в расчетных диапазонах давления и температуры, испытание будет применимо ко всем типам (см. приложение В).

Рисунок Ж.1 - Изменения в программе испытаний 5.2.2.3