CS267895B1

CS267895B1 - Composite pressure vessel

Info

Publication number: CS267895B1
Application number: CS873286A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Zenahlik; Jaroslav Ing Csc Padovec; Jan Ing Orlt; Miroslav Ing Faldyn; Karel Ing Stetina
Original assignee: Jiri Ing Zenahlik; Jaroslav Ing Csc Padovec; Orlt Jan; Miroslav Ing Faldyn; Karel Ing Stetina
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1990-02-12
Also published as: CS328687A1

Abstract

Podstatou řešení je kompozitní tlaková nádoba se spolunosnou kovovou výstelkou vyrobenou z materiálu s mezí kluzu v tahu ležící v rozmezí 260 až 800 MPa a kompozitním pláštěm zhotoveným z vláknité výztuže prosycené po- lymerní matricí metodou přesného navíjení, přičemž kovová výstelka je v komppzitním plášti tlakově předpja- tá prostřednictvím plastické obvodové relativní deformace pláště 0,1 až 1,2 % a životnost kompozitního pláště udaná v počtu zatěžujících cyklů do porušení je vyšší nežli životnost výstelky. Tyto nádoby lze výhodně využít, např. v letecké technice pro skladování dýchacího kyslíku a hasebních prostředků, dále jako zásobníky kyslíku pro záchranáře, potápěče, horolezce, jako zásobníky stlačeného plynného paliva dopravních prostředků, v hydraulických systémech jako akumulátory tlaku apod.The essence of the solution is a composite pressure vessel with a co-supporting metal lining made of a material with a yield strength ranging from 260 to 800 MPa and a composite sheath made of fiber reinforcement saturated with a polymeric matrix by the precision winding method, where the metal lining is - that by plastic circumferential relative deformation of the sheath of 0.1 to 1.2% and the service life of the composite sheath given in the number of stress cycles to failure is higher than the service life of the lining. These containers can be advantageously used, for example in aeronautical technology for the storage of breathing oxygen and extinguishing agents, as well as oxygen reservoirs for rescuers, divers, climbers, as reservoirs of compressed gaseous fuel for vehicles, in hydraulic systems as pressure accumulators and the like.

Description

(57) Podstatou řešení je kompozitní tlaková nádoba se spolunosnou kovovou výstelkou vyrobenou z materiálu s mezí kluzu v tahu ležící v rozmezí 260 až 800 MPa a kompozitním pláštěm zhotoveným z vláknité výztuže prosycené polymerní matricí metodou přesného navíjení, přičemž kovová výstelka je v komppzitním plášti tlakově předpjatá prostřednictvím plastické obvodové relativní deformace pláště 0,1 až 1,2 % a životnost kompozitního pláště udaná v počtu zatěžujících cyklů do porušení je vyšší nežli životnost výstelky. Tyto nádoby lze výhodně využít, např. v letecké technice pro skladování dýchacího kyslíku a hasebních prostředků, dále jako zásobníky kyslíku pro záchranáře, potápěče, horolezce, jako zásobníky stlačeného plynného paliva dopravních prostředků, v hydraulických systémech jako akumulátory tlaku apod.(57) The essence of the solution is a composite pressure vessel with a co-supporting metal liner made of a material with a yield strength of 260 to 800 MPa and a composite sheath made of fibrous reinforcement saturated with a polymeric matrix by the precision winding method. prestressed by plastic circumferential relative deformation of the sheath 0.1 to 1.2% and the service life of the composite sheath given in the number of stress cycles to failure is higher than the service life of the lining. These containers can be advantageously used, for example in aeronautical technology for the storage of breathing oxygen and extinguishing agents, as well as oxygen reservoirs for rescuers, divers, climbers, as reservoirs of compressed gaseous fuel for vehicles, in hydraulic systems as pressure accumulators and the like.

CDCD

IAND

Vynález se týká kompozitní tlakové nádoby s tlakově předepjatou kovovou výstelkou.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a composite pressure vessel having a biased metal lining.

Nádoby na skladování vysoce stlačených plynných látek se v současné době vyrábějí převážně jako celokovové, nejčastěji ocelové, avšak v důsledku technického pokroku ve vývoji nových, vysoce pevných materiálů, se i do této oblasti stále více prosazují, zejména kompozitní materiály s vláknitou strukturou výztuže prosycené polymerní matricí, které vykazují vysokou pevnost při nízké specifické hmotnosti.Containers for the storage of highly compressed gaseous substances are currently produced mainly as all-metal, most often steel, but due to technical advances in the development of new, high-strength materials, they are increasingly gaining ground in this area, especially composite materials with fiber reinforced fiber reinforced matrices that exhibit high strength at low specific gravity.

Samotná výztuž kompozitní stěny je schopna snášet vysoké mechanické namáhání, avšak nepropustnost stěny se ztrácí již při namáháních, ležícících hluboko pod hranicí pevnosti výztuže. Proto se u technicky náročnějších aplikací používá k zajištěni nepropustnosti stěny i při vysokých stupních namáhání kompozitu vnitřní přídavná vrstva, tzv. výstelka. Tato vrstva přichází do styku se skladovaným médiem, proto musí být vyrobena z takového materiálu, který dlouhodobý styk se skladovanou látkou dobře snáší. Hlavním účelem výstelky je zajištění nepropustnosti stěny, avšak lze ji využít i jako vrstvu spolunosnou, která zachycuje určitou část silového působení od vnitřního přetlaku. Typický příklad takového uplatnění je výstelka kovová .The reinforcement of the composite wall itself is capable of withstanding high mechanical stresses, but the impermeability of the wall is lost even under stresses lying far below the strength limit of the reinforcement. Therefore, in technically demanding applications, an inner additional layer, the so-called lining, is used to ensure the impermeability of the wall even at high stresses of the composite. This layer comes into contact with the storage medium, so it must be made of a material that can withstand prolonged contact with the stored substance well. The main purpose of the lining is to ensure the impermeability of the wall, but it can also be used as a co-supporting layer, which captures a certain part of the force action from internal overpressure. A typical example of such an application is a metal lining.

Opakovaným natlakováváním a odlehčováním tohoto typu nádob dochází k cyklickému namáhání kompozitní i výstelkové vrstvy, které vede dříve či později k únavovému porušení, jehož charakter je zejména pro možné důsledky poruchy velice důležitý.By repeatedly pressurizing and relieving this type of containers, the composite and lining layers are cyclically stressed, leading to a fatigue failure sooner or later, the nature of which is particularly important for the possible consequences of the failure.

Pokud dojde dříve k únavovému porušení výstelkové vrstvy, projeví se porucha ztrátou těsnosti nádoby, škrceným únikem skladovaného média a nenáhlým poklesem tlaku v nádobě. PorušíIf fatigue failure of the lining layer occurs earlier, the failure will result in loss of vessel tightness, throttled leakage of stored media, and sudden pressure drop in the vessel. He breaks

-li se dříve kompozitní vrstva ztrátou soudržnosti vláknité výztuže, dojde k náhlému přetížení výstelky a v krajním případě i následné explozi nádoby, která může mít dalekosáhlé následky a to jak z hlediska materiálových škod, tak i z hlediska možného ohrožení zdraví a životů lidí. Poruchu výstelky v důsledku únavy materiálů nádoby můžeme proto z provozního hlediska považovat za bezpečnou poruchu kompozitu roztržením výztuže za nebezpečnou.If the composite layer was previously lost by the bonding of the fiber reinforcement, the liner would suddenly overload and, as a last resort, the vessel could explode, which could have far-reaching consequences both in terms of material damage and potentially endangering human health and lives. The liner failure due to fatigue of the container materials can therefore be considered as a safe composite failure by rupture of the reinforcement as dangerous.

Dalším neméně důležitým hlediskem pro technicky náročné aplikace tlakových nádob je stupeň využití pevnostních schopností použitých materiálů. Zvýšením stupně využití pevnostních schopností každého materiálu lze dosáhnout snížení hmotnosti příslušného konstrukčního prvku, avšak za cenu snížení jeho bezpečnosti proti porušení. Tato zásada platí nezávisle pro kompozitní i výstelkovou vrstvu.Another equally important aspect for technically demanding applications of pressure vessels is the degree of utilization of the strength properties of the materials used. By increasing the degree of utilization of the strength properties of each material, a reduction in the weight of the component can be achieved, but at the cost of reducing its safety against failure. This principle applies independently to the composite and lining layers.

Za předpokladu stálého bezprostředního styku vrstev stěny nádoby je deformační odezva zatížení u obou vrstev shodná. Z toho vyplývá, že v oblasti lineární závislosti deformací na napětí bude poměr napětí ve vrstvách roven poměru jejich modulů pružnosti. Zatímco kompozitní materiály s vláknitou výztuží vykazují přibližně lineární závislost téměř v celém rozsahu svých pevnostních schopností, kovové materiály mají lineární oblast omezenou mezí kluzu, při niž nastává odklon od linearity, směřující k rychlejšímu nárůstu deformací v důsledku plastického přetvoření.Assuming constant immediate contact of the vessel wall layers, the load deformation response is identical for both layers. It follows that in the area of linear dependence of deformations on stress, the stress ratio in the layers will be equal to the ratio of their modulus of elasticity. While fibrous reinforced composite materials exhibit approximately linear dependence over nearly their entire strength range, metal materials have a linear region limited by yield strength at which the linearity deviates, leading to a faster increase in deformation due to plastic deformation.

Dosud známá řešení kompozitních nádob s kovovou výstelkou sice prokazují značné úspory hmotnosti ve srovnání s celokovovým provedením, avšak jejich životnost a bezpečnost provozování je dosud značně problematická, neboí závisí jak na výběru materiálu výstelkové vrstvy, tak i na způsobu a intenzitě namáhání, jemuž jsou jednotlivé materiálové složky při provozu vystaveny. Vzhledem k nedostatku dostatečně propracovaných teoretických podkladů se výběr materiálů provádí více či méně nahodile a provozuschopnost realizovaného řešení se ověřuje experimentálně prostřednictvím celé řady zkoušek, z nichž některé jsou značně časově i finančně náročné.The known solutions of metal-lined composite containers have shown considerable weight savings compared to the all-metal design, but their lifetime and operational safety are still very problematic, as they depend both on the choice of liner material and on the manner and intensity of stress, material components exposed during operation. Due to the lack of sufficiently elaborated theoretical background, the selection of materials is more or less random and the operability of the implemented solution is verified experimentally through a number of tests, some of which are very time and financially demanding.

Získané vý.sledky zkoušek buď potvrdí provozuschopnost nádoby, nebo slouží jako podklad pro následné úpravy, po nichž pak musí následovat další kolo ověřovacích zkoušek.The test results obtained either confirm the serviceability of the vessel or serve as a basis for subsequent treatments, which must then be followed by another round of validation tests.

Takováto vývojová cesta je značně komplikovaná, časově 1 finančně náročná a přesto neposkytuje předpoklady pro získáni technicky dokonalého výrobku. Zkouškami může úspěšně projít například nádoba s vysoce předimenzovanou kompozitní vrstvou, která zbytečně zvyšuje hmotnost nádoby i její cenu. Obdobně může zkouškami projít i nádobas předimenzovanou výstelkou, která nepříznivě ovlivní celkovou hmotnost nádoby jak vlastní hmotností, tak i tím, že se v tomto případě nedostatečně využije pevnostních schopností kompozitní vrstvy.Such a developmental path is very complicated, time consuming and does not provide the prerequisites for obtaining a technically perfect product. For example, a container with a high-dimensioned composite layer can successfully pass the tests, which unnecessarily increases the weight and cost of the container. Similarly, the vessel may be subjected to oversized liner which adversely affects the total weight of the vessel both by its own weight and by insufficiently utilizing the strength properties of the composite layer in this case.

V důsledku těchto skutečností, jsou dosud realizované kompozitní nádoby s kovovou výstelkou značně drahé, zpravidla nevyužívají dostatečně pevnostních schopností obou materiálových složek a při cyklickém namáhání neposkytují záruku bezpečného způsobu porušení na konci své životnosti.As a result, the composite containers with metal liner realized so far are very expensive, as a rule they do not make sufficient use of the strength properties of both material components and do not provide a guarantee of safe failure at the end of their service life under cyclic stress.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje kompozitní tlaková nádoba s tlakově pfedpjatou kovovou výstelkou podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že kovová výstelka je v kompozitním plášti tlakově předepjatá tak, aby se napětí u obou materiálových složek v průběhu cyklického zatěžování pohybovalo v rozmezí hodnot, které zajišíuje v návaznosti na únavové charakteristi k, pro danou aplikaci požadovanou životnost výstelkové části i bezpečně vyšší životnost kompo zatni vrstvy.The above-mentioned drawbacks are eliminated by a composite pressure vessel with a pre-stressed metal lining according to the invention, which is characterized in that the metal lining in the composite sheath is pressure-biased so that the tension of both materials during cyclic loading is within in connection with the fatigue characteristic k, for the given application the required service life of the lining part and the safely higher service life of the composite layer.

Tlakové pfedpětí se ve výstelkové vrstvě vytvoří například pomocí tzv. formovacího cyklu, -.zerý spočívá v tom, že po vytvrzení kompozitní vrstvy se v nádobě zvyšuje plynule vnitřní zžetlak až na úroveň tzv. formovacího tlaku, který vyvolá ve výstelkové vrstvě překročení zsze kluzu a způsobí plastické přetvoření předem stanovené velikosti. Velikost potřebného elastického přetvoření a odpovídající hodnota formovacího tlaku nádoby se zjistí buď experi-antálně, nebo se určí teoretickým rozborem napjatosti pomocí tzv. formovacích grafů na základě znalosti únavových charakteristik materiálu kompozitní a výstelkové vrstvy, zpracovaných např. do systému Wohlerových křivek.The pressure bias is created in the lining layer by means of, for example, a so-called molding cycle. It appears that after curing of the composite layer the inner yaw increases continuously up to the so-called molding pressure in the lining. causes plastic deformation of a predetermined size. The magnitude of the required elastic deformation and the corresponding value of the forming pressure of the vessel are either determined experimentally or can be determined by a theoretical stress analysis using so-called forming graphs based on the knowledge of the fatigue characteristics of the composite and liner layer material processed eg in a Wohler curve system.

Potřebná životnost výstelkové vrstvy je pro každou aplikaci dána počtem zatěžovacích cyklů, které má nádoba za provozu snést. Tomuto požadavku lze s různým stupněm bezpečnosti vyhovět podmínkou nižšího stupně skutečného zatěžování výstelky, nežli udává spodní mez Wóhlero·> křivky příslušného způsobu cyklického zatěžování. Vyšší životnost kompozitní vrstvy oproti vzstvě výstelkové lze zajistit opět s různým stupněm bezpečnosti určitým násobkem počtu cyklů, které snese výstelková vrstva. Čím větší násobek cyklů snese kompozitní vrstva, tím bezpečněji je nádoba zajištěna proti explozivní poruše na konci své životnosti.The required lifetime of the lining layer for each application is determined by the number of load cycles the vessel is to withstand during operation. This requirement can be met with a different degree of safety by providing a lower degree of actual loading of the liner than the lower limit of the Wöhlero ·> curve of the respective cyclic loading method. Again, a longer lifetime of the composite layer than the lining can be provided with a different degree of safety by a certain multiple of the number of cycles the lining layer can withstand. The greater the multiple cycles the composite layer can withstand, the more secure the vessel is against an explosive failure at the end of its life.

Příznivého výsledku a vyšších technických účinků je v řešení podle vynálezu dosaženo dokonalejším využitím pevnostních schopností obou materiálových složek, přesnějším určením životnosti nádoby, spolehlivějším zabezpečením nádoby proti explozivnímu porušení a podstatným zkrácením vývojových a ověřovacích procesů.Advantageous results and higher technical effects are achieved in the solution according to the invention by better utilization of strength properties of both material components, more accurate determination of container life, more reliable protection of the container against explosive failure and substantial shortening of development and verification processes.

Na připojených .výkresech jsou schematicky naznačeny potřebné únavové charakteristiky materiálových složek, vyjádřené pro zjednodušení pouze jednou Wohlerovou křivkou pro každý materiál a tzv. formovací grafy, pomocí nichž lze určit potřebnou hodnotu plastického přetvoření výstelky a tím i odpovídající míru jejího tlakového předpětí. V rámci popisu přiložených obr. 1 až 5 bude stručně naznačen zjednodušený postup stanovení potřebného plastického přetvoření výstelky.The accompanying drawings show schematically the necessary fatigue characteristics of the material components, expressed for simplification by only one Wohler curve for each material, and the so-called molding graphs, by means of which the necessary value of plastic deformation of the lining and thus the corresponding pressure bias can be determined. 1 to 5, a simplified procedure for determining the necessary plastic deformation of the lining will be briefly outlined.

Na obr. 1 je naznačena Wohlerova křivka výstelkového materiálu pro určitou hodnotu součinitele nesouměrnosti zatěžovacích cyklů Ry. Pro požadovanou životnost výstelkové vrstvy N_yzatěžovacích cyklů lze na uvedené křivce odečíst odpovídající hodnotu středního napětí výT stelkové vrstvy jejíž význam je naznačen v horní části tohoto obrázku.Fig. 1 shows the Wohler curve of the lining material for a certain value of the coefficient of asymmetry of the load cycles Ry. For the required service life of the liner layer N _{y of the} load cycles, the corresponding value of the mean stress of the liner layer whose meaning is indicated in the upper part of this figure can be read on the curve.

Potřebnou vyšší životnost kompozitní vrstvy, zahrnující zabezpečení nádoby proti explozivnímu poškození lze určit jako násobek životnosti výstelkové vrstvy:The required higher lifetime of the composite layer, including the protection of the vessel against explosive damage, can be determined by multiplying the lifetime of the lining layer:

k v ’ kde x >1 - udává míru bezpečnosti proti explozivnímu porušení. Podle Wohlerovy křivky kompozitního materiálu znázorněné na obr. 2 se určí hodnota středního napětí kompozitní vrstvy (j’_MK, která odpovídá počtu zatěžovacích cyklů N^.kv 'where x> 1 - indicates the degree of safety against explosive breakage. According to the SN curve of the composite material shown in FIG. 2, the determined value of the intermediate voltage of the composite layer (j _'MK corresponding to the number of load cycles N ^.

Na obr. 3, 4 a 5 jsou schematicky naznačeny tzv. formovací grafy, sestávájící z pracovních křivek závislostí deformace na napětí jednotlivých materiálových složek. Přímky J< udávají deformační odezvu kompozitního materiálu, lomené Čáry V pak deformační odezvu materiálu výstelky, který má mez kluzu 5 V pravé části každého formovacího grafu je naznačen průběh namáhání jednotlivých materiálových složek.Figs. 3, 4 and 5 show schematically the so-called forming graphs, which consist of working curves of the dependence of deformation on the stress of individual material components. The lines J <indicate the deformation response of the composite material, broken lines Line V then the deformation response of the lining material having a yield strength 5 In the right part of each forming chart, the stresses of the individual material components are indicated.

Na obr. 3 je naznačen způsob namáhání jednotlivých složek u nenaformované nádoby, kdy neby lo vyvozeno plastické přetvoření výstelky. V tomto případě dochází při cyklickém Hákování nádoby k míjivému průběhu napětí v tahové oblasti u obou materiálových složek.Fig. 3 shows a method of stressing the individual components of an unformed container where no plastic deformation of the lining has been induced. In this case, during the cyclic hooking of the container, the tensile stresses of the two material components pass by.

Na obr. 4 je naznačen případ nízkého stupně naformování výstelky, kdy byla nádoba natlakována při formování takovým formovacím tlakem, který vyvolal celkovou relativní deformaci £ Překročením meze kluzu došlo k plastickému přetvoření výstelky £p2· Průběh napětí výstelky při cyklickém zatěžování na provozní přetlak se v tomto případě u výstelky přesunul částečně do tlakové oblasti a získal charakter střídavého napětí nesymetrického s převážnou částí v tahové oblasti. Napětí kompozitní vrstvy získalo průběh tepavý v tahové oblasti.Fig. 4 shows a case of a low degree of lining deformation where the vessel was pressurized during molding with such a forming pressure that caused a total relative deformation of £ Exceeding the yield point resulted in plastic deformation of the lining £ p2. In this case, the lining partially moved into the pressure area and acquired the character of an AC voltage unbalanced with the bulk of the tensile area. The stress of the composite layer gained a waveform in the tensile region.

Na obr. 5 je naznačen případ vyššího stupně naformovaní, kdy výstelková část je zatěžována nesymetrickým střídavým napětím převážně v tlakové oblasti a kompozitní vrstva je podstatně více namáhána v tahové oblasti tepavým průběhem napětí.Fig. 5 shows a case of a higher degree of deformation, where the lining part is loaded by an asymmetric alternating stress mainly in the pressure region and the composite layer is considerably more stressed in the tensile region by the tension waveform.

Z naznačených průběhů napětí je zřejmé, že čím vyšší je hodnota formovacího tlaku, tím výše se posune průběh tahového namáhání kompozitní vrstvy při provozu nádoby, zatímco průběh provozního namáhání výstelkové vrstvy se naopak přesune výrazněji do tlakové oblasti.It is apparent from the indicated stress lines that the higher the value of the forming pressure, the higher the tensile stress profile of the composite layer during vessel operation is shifted, while the process stress of the liner layer shifts more strongly into the pressure region.

Potřebná hodnota plastického přetvoření a odpovídající velikost formovacího tlaku nádoby se stanoví tak, aby se střední hodnoty průběhů napětí obou materiálových složek co nejvíce blížily hodnotám ³ <3 MK ’ ^s*^:3nQvený^cN ^z Wohlerových křivek, jak bylo popsáno výše.The required value of the plastic strain and corresponding to the molding pressure of the container is determined so that the mean value of voltage of the two material components as close as possible to the values ³ <3 MC ^'s ^{*: 3nQven} ý ^c n ^of SN curves as described above.

Kompozitních tlakových nádob podle vynálezu je možno účelně a výhodně použít zejména v letectví, například pro skladování dýchacího kyslíku a hasebních prostředků, jako akumulátorů tlaku, dále ke sportovním účelům jako kyslíkové láhve pro potápěče a horolezce, pro kyslíkové zásobníky záchranářských a zdravotnických zařízení apod.The composite pressure vessels according to the invention can be used advantageously and advantageously in particular in aeronautics, for example for the storage of breathing oxygen and extinguishing agents, as pressure accumulators, for sports purposes such as oxygen bottles for divers and climbers, for oxygen reservoirs of rescue and medical equipment.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Composite pressure vessel with a metal lining, characterized in that the lining is made of a material whose yield strength is between 260 and 800 MPa and the composite sheath is made of fibrous reinforcement saturated with a polymer matrix by the precision winding method, wherein the metal lining is in the composite sheath is prestressed by plastic circumferential relative deformation of the sheath 0.1 to 1.2% and the service life of the composite sheath given in the number of stress cycles to failure is higher than the service life of the lining.

1 drawing

Giant. 5

Corrections in printed descriptions of inventions

In the printed description of the invention for the copyright certificate

No. 267,895 (PV 3286-87.Q) is incorporated herein by reference, and in the present invention, the numerical value in% is incorrect.