ES2945691T3 - Recipiente a presión con revestimiento metálico que comprende un saliente polar - Google Patents
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Abstract
La presente invención proporciona un recipiente a presión Tipo 3 que comprende una protuberancia polar que está unida a un revestimiento metálico y proporciona resistencia estática reforzada, resistencia a la fatiga, resistencia, resistencia química y/o resistencia a la corrosión del orificio del revestimiento o la región del cuello. En particular, el material de la protuberancia polar tiene mayor resistencia estática, resistencia a la fatiga, resistencia, resistencia química y/o resistencia a la corrosión en relación con el material del revestimiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Recipiente a presión con revestimiento metálico que comprende un saliente polar
Descripción
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un recipiente a presión recubierto de un material compuesto con revestimiento de metal que comprende un saliente polar que está unido a un revestimiento metálico. En particular, la presente invención se refiere a aumentar la resistencia estática, la resistencia a la fatiga, la durabilidad, la resistencia química y/o la resistencia a la corrosión de la región del orificio de un recipiente a presión mediante la unión de un saliente polar cuyo material tiene una mayor resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química y/o resistencia a la corrosión respecto a la del material de revestimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los recipientes a presión se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones para almacenar fluidos bajo una presión sustancialmente superior a la presión ambiental. Muchas aplicaciones requieren recipientes a presión ligeros y resistentes. Una forma común para un recipiente a presión es un cilindro con aberturas de las lumbreras en ambos extremos. Por lo menos un extremo del recipiente a presión contiene un orificio para permitir el llenado y drenaje del fluido.
Una aplicación particular de los recipientes a presión son los acumuladores hidráulicos de tipo vejiga. Los acumuladores se utilizan ampliamente en la industria para amortiguar pulsaciones, compensar expansión térmica o proporcionar energía auxiliar. Un acumulador consiste en un recipiente a alta presión en el que un fluido hidráulico sustancialmente no comprimible se mantiene bajo presión mediante un gas (por ejemplo, nitrógeno) que está encapsulado en una vejiga de goma. El fluido hidráulico fluye hacia el acumulador y comprime el gas contenido dentro de la vejiga al reducir su volumen de almacenamiento, almacenando así energía. Si se libera el fluido hidráulico, éste sale rápidamente bajo la presión del gas que se expande dentro de la vejiga.
Un acumulador de tipo vejiga requiere una abertura de la lumbrera en (por lo menos) un extremo del recipiente para permitir la inserción de la vejiga de goma. Los acumuladores convencionales están realizados completamente en acero y normalmente tienen un diámetro de 8 pulgadas (200 mm) con aberturas de las lumbreras en el rango de entre 2,5 pulgadas (63,5 mm) y 5 pulgadas (127 mm).
Los recipientes a presión de material compuesto que se utilizan como acumuladores hidráulicos típicamente se adaptan de diseños heredados. Los recipientes de diseño heredado generalmente están destinados al almacenamiento de gases y tienen unas aberturas de las lumbreras relativamente pequeñas, por ejemplo, de aproximadamente 2,5 pulgadas (63,5 mm) o menos. Este pequeño tamaño de la lumbrera respecto al diámetro del recipiente limita el tamaño y el grosor de la vejiga que puede utilizarse en el acumulador.
Si la abertura de la lumbrera es grande, la presión ejercida por la presión interior puede causar potencialmente un fallo catastrófico del recipiente a presión alrededor de la abertura de la lumbrera en sus condiciones de funcionamiento. En algunos casos, el recipiente con una abertura de la lumbrera más grande puede experimentar un fallo prematuro por fatiga durante su ciclo de vida, proviniendo el fallo de la región del cuello polar. Esto se debe a que la presión experimentada en la zona cercana a la abertura de la lumbrera, o alrededor de la misma, depende de la presión y el área de la sección transversal del orificio. Así, cuanto mayor es la abertura de la lumbrera, mayor es la presión ejercida por el fluido sobre el orificio.
DE10345159A describe un depósito de alta presión para almacenar hidrógeno en vehículos con un revestimiento y un casquillo de refuerzo alrededor del revestimiento, y una abertura roscada en el revestimiento para un dispositivo de válvula. Otros documentos que describen recipientes a presión son US2012085727, US2014061207, US2012138616, CN101881371 y US6186356.
En consecuencia, existe la necesidad de acumuladores o recipientes a presión en general que puedan tener una abertura de la lumbrera grande (por ejemplo, un orificio) sin aumentar el riesgo de fallo catastrófico en la abertura de la lumbrera, o cerca de la misma, debido a una gran carga de escape que experimente el recipiente a presión.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención presenta un recipiente a presión recubierto de material compuesto con revestimiento de metal de acuerdo con la reivindicación 1, y un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 para reforzar una región
del cuello de un recipiente a presión recubierto de material compuesto. La invención presenta un recipiente a presión recubierto de material compuesto con revestimiento de metal, en el que la región del cuello de un revestimiento está reforzada por un saliente polar. La invención presenta, además, un procedimiento para reforzar la región del cuello de un revestimiento metálico de un recipiente a presión recubierto de material compuesto con un saliente polar de material que comprende un material que tiene una mayor resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química y/o resistencia a la corrosión significativamente mayor que la del material del revestimiento. La invención también presenta un diseño de un recipiente a presión que no requiere una pared de cuello de revestimiento metálico excesivamente gruesa, roscas exóticas o patrones de recubrimiento de material compuesto complicados. La invención presenta, además, una conexión roscada para el acoplamiento de la lumbrera (por ejemplo, tapón, válvula, regulador, sensor de temperatura, sensor de presión, etc.) en el saliente polar del recipiente a presión recubierto de material compuesto revestido de metal, que incluye el sellado del acoplamiento de la lumbrera a alta presión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 es una ilustración esquemática que muestra la geometría del orificio y la presión interior;
La figura 2 es una vista en sección recortada de una realización de la invención que muestra una posición relativa del saliente polar 300 y el revestimiento 200;
La figura 3 es una vista en sección transversal parcial de una realización particular de un recipiente a presión de la invención sin tapón o adaptador acoplado al orificio; y
La figura 4 es una vista en sección transversal parcial de otra realización de un recipiente a presión de la invención con una válvula de asiento instalada en un saliente polar 300.
La figura 5 es una vista en sección transversal parcial de una realización de un recipiente a presión con un saliente polar insertado dentro del orificio.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Los recipientes a presión de material compuesto se construyen típicamente sujetando o envolviendo unas fibras de refuerzo en un revestimiento metálico o polimérico que proporciona la barrera impermeable a los fluidos. La configuración de material compuesto proporciona recipientes que son ligeros y resistentes. En consecuencia, los recipientes de material compuesto se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones para almacenar fluidos bajo presión. Cada recipiente de material compuesto define una cámara a presión que contiene un fluido a presión que normalmente entre y sale de manera controlada del recipiente. Por ejemplo, bomberos, buzos, y otras personas extraen oxígeno a presión de dichos recipientes. En los citados recipientes se almacenan fluidos a presión para extinguir incendios en hogares, edificios públicos y muchos otros lugares. De los recipientes a presión se extrae gas natural comprimido (GNC) para el repostaje de una variedad de vehículos. En dichos recipientes se almacena oxígeno, acetileno y otros gases inflamables a presión para su uso por trabajadores del metal. En hospitales y clínicas dentales se almacenan gases anestésicos y oxígeno a presión en recipientes a presión, y en dichos recipientes se guarda nitrógeno líquido, helio líquido y otros fluidos criogénicos en laboratorios de investigación. Debido a que la matriz de resina de un recipiente de material compuesto puede agrietarse durante su uso, los recipientes de material compuesto normalmente incluyen un revestimiento impermeable a los fluidos. Se utilizan revestimientos tanto metálicos como no metálicos. Típicamente, la región del cuello del revestimiento es un resalte, a menudo un resalte anular, dentro de la región polar del revestimiento.
Los recipientes a presión tiene aplicación en una amplia variedad de industrias diferentes y pueden fabricarse utilizando una serie de estructuras diferentes. Por lo general, los recipientes de Tipo 1 están fabricados de metal, los recipientes de Tipo 2 y Tipo 3 son estructuras recubiertas de material compuesto que emplean un revestimiento metálico, los recipientes de Tipo 4 son estructuras recubiertas de material compuesto que emplean un revestimiento de polímero y los recipientes de Tipo 5 son estructuras recubiertas de material compuesto sin revestimiento. Véase la Tabla 1. Ejemplos de aplicaciones ligeras en las que pueden encontrar utilidad particular los recipientes a presión incluyen el uso en aparatos de respiración autónomos, en sistemas de almacenamiento de combustible gaseoso para automóviles para almacenar gas natural comprimido, y para almacenar hidrógeno gaseoso en vehículos con celdas de combustible. En otras aplicaciones, pueden utilizarse recipientes a presión ligeros para acumuladores hidráulicos, almacenamiento y transporte de productos químicos y almacenamiento de gas, fluidos y/o carburantes para aeronaves, vehículos de lanzamiento, y vehículos espaciales.
T l 1: Ti r i i n r i n
Tal como puede apreciarse en la Tabla 1, algunos recipientes a presión tienen un metal o un polímero que están recubiertos por una capa exterior de material compuesto. La capa exterior de material compuesto en los recipientes a presión convencionales recubiertos por material compuesto con revestimientos metálicos o poliméricos está diseñada típicamente para proteger contra fallos estructurales por rotura o fatiga, mientras que el revestimiento está diseñado para contener el fluido encerrado.
Para permitir el movimiento de fluidos de entrada y de salida del recipiente a presión, éste se equipa convencionalmente con un orificio y un acoplamiento de la lumbrera que queda situado alrededor del orificio. El acoplamiento de la lumbrera a menudo está adaptado para la conexión a dispositivos de control de flujo, tales como válvulas, reguladores o boquillas. En el caso de un acumulador hidráulico, el acoplamiento de la lumbrera en el extremo hidráulico va equipado con una válvula de asiento para evitar la extrusión o el escape parcial de la vejiga. Una estructura común para el acoplamiento de la lumbrera es incluir un conducto longitudinal a través del cual pueda fluir el fluido, coincidiendo el eje longitudinal de la lumbrera con el eje longitudinal del recipiente a presión. Típicamente, en un recipiente a presión de material compuesto de Tipo 1, Tipo 2 o Tipo 3, la conexión a dispositivos de control de flujo se logra roscando el interior de la cubierta o revestimiento metálico. En la mayoría de los recipientes a presión de material compuesto de Tipo 3, el revestimiento metálico es de aluminio. El revestimiento se forma típicamente mediante forjado o a través de un proceso de formación por rotación en el que un cabezal de rodillo gira y deforma gradualmente un tubo extruido sin uniones.
En un recipiente a presión de material compuesto con revestimiento de plástico (Tipo 4) o sin revestimiento (Tipo 5), la conexión a dispositivos de control de flujo se obtiene roscando el interior o el exterior de un saliente polar. Un saliente polar se refiere a un dispositivo que se une secundariamente al revestimiento y/o a la cubierta de material compuesto y queda encajado alrededor del orificio del recipiente. Típicamente, el saliente polar (a diferencia de la cubierta metálica) está adaptado para la conexión a dispositivos de control de flujo, como válvulas o boquillas. Una estructura común es que el saliente incluya un conducto longitudinal a través del cual pueda fluir el fluido, con una pestaña sujeta a un extremo del cuello. La conexión a dispositivos de control de flujo generalmente se consigue roscando el interior del conducto en el extremo opuesto de la pestaña. La propia pestaña queda sujeta al interior del recipiente a presión.
Durante el servicio, el orificio (de radio rü) del recipiente a presión cilíndrico (de radio R) está parcial o completamente cerrado. La presión ejercida por el fluido contenido sobre el orificio cerrado se denomina "presión de escape". La carga o fuerza (F) creada por la presión sobre el orificio cerrado (véase la figura 1) es el producto de la presión (p) y el área de la sección transversal (nro2) del orificio, es decir, F=p * nro2. Esto se conoce como la "carga de escape".
Los acumuladores suelen tener una abertura de la lumbrera grande en el extremo hidráulico, por ejemplo, de 2,5 pulgadas (63,5 mm) de diámetro o más. La elevada presión operativa del acumulador ejerce una gran carga de escape en la lumbrera cerrada durante el funcionamiento. En consecuencia, una abertura de la lumbrera grande plantea un desafío de diseño significativo para el recipiente a presión, que requiere un revestimiento de paredes muy gruesas, roscas exóticas que pueden evitar fallos de las roscas bajo cizallamiento y/o complicados patrones de recubrimiento de material compuesto alrededor del cuello polar.
La carga de escape se transfiere a la conexión mecánica entre el dispositivo que cierra el orificio (denominado aquí tapón) y el cuello del recipiente que sujeta el dispositivo. Típicamente, la conexión mecánica entre el dispositivo y el cuello del recipiente es una conexión roscada. Dado que la conexión roscada reacciona a la carga de escape, el tipo de forma de la rosca tiene una influencia directa sobre la resistencia de la conexión mecánica entre el tapón y el orificio. En el acoplamiento de la lumbrera de un recipiente a presión normalmente se utilizan roscas helicoidales o hilos de rosca. Sin embargo, en aplicaciones hidráulicas, se utilizan otras formas de rosca, tales como roscas de
contrafuerte o Whitworth, para mejorar la resistencia de la conexión mecánica y/o proporcionar un mejor sellado contra fugas de fluido hidráulico a través del acoplamiento de la lumbrera.
La carga de escape reacciona a la conexión mecánica entre el tapón y la estructura del recipiente que rodea el orificio. En el caso de recipientes a presión metálicos monolíticos (Tipo 1) o con revestimiento de metal (Tipo 2), esta carga de escape reacciona a la cubierta metálica que rodea el orificio. En el caso de un recipiente a presión de Tipo 3, esta carga de escape reacciona a las roscas en el revestimiento metálico y se transfiere al revestimiento metálico, así como al recubrimiento de material compuesto alrededor del cuello del revestimiento. En el caso de los recipientes a presión de Tipo 4 o Tipo 5, la carga de escape reacciona a las roscas en el saliente polar y se transfiere a la estructura conjugada del saliente polar y el recubrimiento de material compuesto alrededor del saliente polar.
En un recipiente a presión de Tipo 1,2 o 3, las roscas del interior del orificio de la cubierta metálica están diseñadas para soportar la carga de escape que experimentará el recipiente a lo largo de su vida útil. Es habitual encontrar fallos que provienen de las roscas del interior del orificio. Estos fallos pueden resultar de una variedad de factores que incluyen: sobrepresión accidental del recipiente; fatiga debido a la carga y descarga repetida del recipiente; corrosión bajo tensión asistida por el medio ambiente; rotura por tensión por carga sostenida; incompatibilidad entre materiales diferentes para el acoplamiento y la lumbrera; degradación de la resistencia del material con el tiempo, y/o una combinación de los factores anteriores. Los fallos pueden resultar en una ruptura catastrófica del cuello y el área del orificio y un proyectil del tapón o acoplamiento que está unido al orificio.
La carga de escape es directamente proporcional a la presión contenida por el recipiente y al cuadrado del diámetro del orificio circular. Cuanto mayor es la presión de funcionamiento y mayor es el orificio, mayor es la carga de escape y las roscas dentro del orificio reaccionan a mayor tensión lo que impide que el tapón salga del orificio. Además, si la conexión mecánica entre el tapón y el cuello queda intacta, el área anular del cuello del recipiente reacciona a la carga de escape.
Si la abertura de la lumbrera en un recipiente a presión es pequeña, la tensión en el área anular del cuello es pequeña y por debajo de la resistencia del material. Si la abertura de la lumbrera es grande, puede crearse una situación en la que la tensión a la que reacciona el cuello a la presión de funcionamiento del recipiente supera la resistencia del material. Si se supera el límite elástico del material en el cuello metálico, puede producirse una deformación permanente de la estructura. Si, en un caso extremo, se supera la resistencia a la ruptura del material, puede producirse un fallo catastrófico por escape polar. La tensión a la que reacciona el cuello a la presión de funcionamiento del recipiente también puede ser sustancial para provocar el fallo por fatiga del cuello o de las roscas o de ambos, dando lugar a un fallo catastrófico o prematuro del cuello.
La aleación de aluminio más común utilizada para recipientes a presión de Tipo 3 es 6061-T6. El diseño de la conexión roscada y el grosor de la pared del cuello del recipiente están dictados por la resistencia del material del aluminio. Si la abertura de la lumbrera es grande, el diseño para tener en cuenta la carga de escape requiere una pared de cuello muy gruesa que puede no ser factible de fabricar mediante un proceso de formación de cuello tradicional, tal como forjado o formación por rotación.
Algunos aspectos de la invención presentan un refuerzo del cuello de recipientes a presión de Tipo 3 mediante el uso de una saliente polar. En particular, una realización de la invención se refiere al refuerzo del cuello del revestimiento metálico en un recipiente a presión de Tipo 3 con un material que es significativamente más resistente que el material base para el revestimiento. El material para el saliente polar puede seleccionarse de modo que presente una mayor resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química, resistencia a la corrosión, etc. en comparación con el material base del revestimiento. Por ejemplo, si el material del revestimiento es aluminio, puede utilizarse un saliente polar realizado en acero para reforzar el cuello del revestimiento, ya que el acero es significativamente más rígido y resistente que la aleación de aluminio.
El saliente polar puede unirse al revestimiento de varias maneras. Una realización particular es utilizar roscas mecánicas entre el cuello y el saliente polar. En este caso, pueden mecanizarse roscas en la superficie exterior del cuello en el revestimiento y el saliente polar puede enroscarse en el cuello, produciendo un conjunto de revestimiento que posteriormente se recubrirá con material compuesto. En otra realización, el saliente polar se une con adhesivo al exterior del cuello. En todavía otra realización, el saliente polar se acopla al revestimiento utilizando un efecto de expansión térmica diferencial. En otra realización más, el saliente polar se encaja a presión en el revestimiento utilizando chaveteros mecanizados en las superficies de acoplamiento. Debe apreciarse que también puede utilizarse una combinación de los procedimientos anteriores.
Los dispositivos y procedimientos de la invención permiten la unión del acoplamiento de la lumbrera o tapón al saliente polar a diferencia del cuello del revestimiento. Si existe una conexión roscada mecánica entre el acoplamiento de la lumbrera y el saliente polar, la carga de escape reacciona ahora por las roscas del saliente polar (por ejemplo, acero) a diferencia de las roscas del revestimiento metálico (por ejemplo, aluminio). En el ejemplo de
un saliente polar de acero unido al revestimiento de aluminio, la resistencia del acero es mayor que la del aluminio y, por lo tanto, la conexión roscada puede ser mucho más resistente contra la carga de escape para un acoplamiento roscado determinado entre el tapón y el orificio. Cuando la conexión roscada es efectiva, la carga de escape reacciona, además, por la pestaña del saliente polar y el recubrimiento de material compuesto que rodea la pestaña. Por lo tanto, la invención evita que el cuello del revestimiento soporte completamente por sí mismo la carga de escape. No es necesario diseñar el grosor de la pared del revestimiento cerca del área del cuello para soportar la carga de escape. Esto permite una fabricación económica de revestimientos con un grosor de pared moderado en la zona del cuello mediante el proceso tradicional de formación por rotación o forjado.
Las superficies de contacto entre el revestimiento y el saliente polar se diseñan cuidadosamente para garantizar un contacto íntimo. En algunas realizaciones, la superficie de acoplamiento del revestimiento se mecaniza para permitir un buen ajuste con el saliente polar. En una realización particular, el perfil en cúpula del revestimiento está configurado para alojar una superficie plana (por ejemplo, una pestaña) del saliente polar para asentarse en escuadra (es decir, encajar) en el revestimiento. La superficie plana en el revestimiento puede obtenerse en el proceso de forjado o formación por rotación requerido para producir el revestimiento. La superficie plana también puede producirse mediante mecanizado secundario del perfil en cúpula del revestimiento. También puede utilizarse una combinación de los procesos anteriores para proporcionar una superficie de acoplamiento plana en el revestimiento.
En otra realización, las superficies de acoplamiento entre la pestaña del saliente polar y la región polar del revestimiento pueden ser curvas. El proceso de formación por rotación y/o el de mecanizado secundario pueden utilizarse para obtener esta superficie curva.
En todavía otra realización, la superficie de acoplamiento puede formarse después de que se haya completado el recubrimiento de material compuesto. Por ejemplo, durante el proceso de "autofrettage", el recipiente puede ponerse bajo presión para deformar plásticamente el revestimiento y adaptarse al perfil interior del saliente polar y la cubierta de material compuesto.
La presente invención se describirá ahora con más detalle respecto a los dibujos adjuntos los cuales ayudan a ilustrar diversas características de la invención. En este sentido, la presente invención se refiere, en general, a recipientes a presión en los que el orificio o la abertura de la lumbrera se ha reforzado con un saliente polar. En las figuras 2 a 4 se ilustran, en general, unas realizaciones de ejemplo de recipientes a presión de la invención, las cuales se dan únicamente con el fin de ilustrar simplemente la práctica de la invención. Debe apreciarse que estas figuras no constituyen ninguna limitación en el alcance de la invención que describe aquí.
Alguna realización de la invención presenta recipientes a presión que están diseñados con una abertura de la lumbrera más grande (es decir, orificio 204) en por lo menos un extremo. En una realización particular, el diámetro del orificio 204 es de por lo menos 3 pulgadas (76 mm), en algunos casos de por lo menos 4 pulgadas (102 mm), y todavía en otros de por lo menos 5 pulgadas (127 mm). Sin embargo, debe apreciarse que el alcance de la invención no limita el diámetro del orificio 204 a ningún tamaño particular. En general, el alcance de la invención incluye un recipiente a presión con un orificio 204 de cualquier tamaño en diámetro. Sin embargo, la invención es particularmente útil para recipientes a presión con un orificio 204 de un diámetro relativamente grande. En la aplicación de un acumulador hidráulico de vejiga, la gran abertura de la lumbrera (es decir, el orificio 204) no sólo permite una fácil instalación de la vejiga 500, sino que también aloja una vejiga con un mayor grosor de pared lo que da como resultado una baja permeabilidad del contenido gaseoso almacenado y una vida útil más larga para las vejigas.
La invención es aplicable, en general, a cualquier recipiente a presión con revestimiento metálico (recipientes a presión de Tipo 3). En una realización particular, el recipiente a presión 100 es un recipiente a presión recubierto por material compuesto revestido de aluminio. En un caso particular, la invención es adecuada para superar el desafío de diseñar un orificio 204 de diámetro relativamente grande en un recipiente a presión de material compuesto revestido de metal.
Haciendo referencia a las figuras 2-4, la invención se refiere a un recipiente a presión recubierto por material compuesto 100 que comprende un revestimiento metálico 200 que tiene un orificio del revestimiento 204, una región del cuello del revestimiento 208 y una región polar del revestimiento 212 que rodea una región del cuello del revestimiento 208. La región del cuello del revestimiento 208 (es decir, el resalte dentro de la región polar del revestimiento 212) tiene una superficie exterior y una superficie interior. El recipiente a presión 100 también presenta un saliente polar 300 que incluye una región del cuello del saliente polar 304 (por ejemplo, un bloque anular), un conducto 308 dentro de la región del cuello del saliente polar 304 que está alineado coaxialmente con el orificio del revestimiento 204 y el resalte dentro de la región polar del revestimiento, es decir, la región del cuello del revestimiento 208. Tal como se ha descrito anteriormente, el recipiente a presión 100 es típicamente un recipiente a presión de Tipo 3. En una realización particular, un recipiente a presión 100 es un recipiente a presión recubierto por
material compuesto 100 tal como se muestra en la figura 2. Tal como se utiliza aquí, el término "recipiente a presión recubierto por material compuesto" se refiere a un recipiente a presión en el que por lo menos una parte del revestimiento 200 está recubierto o encerrado por un material compuesto 400.
Para permitir el movimiento controlado de fluidos dentro o fuera del recipiente a presión 100, el recipiente a presión 100 normalmente está típicamente configurado con un orificio 204 en el revestimiento 200 y en el orificio 204 queda encajado un saliente polar 300, en particular, alrededor de una región del cuello del revestimiento 208. El saliente polar 300 es roscado o está configurado de otra forma para conectarse a un tapón que puede ser una boquilla, una válvula, un medidor, un tubo u otro elemento similar que pueda dirigir y/o controlar el flujo de fluido.
El saliente polar 300 normalmente incluye una región del cuello del saliente polar 304 con un conducto longitudinal 308 que proporciona una comunicación hidráulica entre el recipiente a presión 100 y el entorno fuera del recipiente a presión 100. En el interior de la región del cuello del revestimiento 208 se define un eje longitudinal (línea discontinua en la figura 3) sustancialmente paralelo al conducto 308. En algunas realizaciones, una pestaña del saliente polar 312 queda sujeta a la región polar del revestimiento 212. La pestaña del saliente polar 312, que es más grande que el diámetro del orificio del revestimiento 204, queda situada en la superficie de la región polar del revestimiento 212. El movimiento del saliente polar 300 respecto al revestimiento 200 se restringe o se impide utilizando cualquiera de los procedimientos conocidos por el experto en la materia.
El revestimiento 200 está realizado en un material metálico para proporcionar una barrera de permeabilidad al contenido del fluido cuando el recipiente a presión 100 está lleno y para soportar una fracción de la carga estructural cuando el recipiente a presión 100 se encuentra a presión. Materiales metálicos adecuados para el revestimiento 200 incluyen aluminio, aleación de aluminio, cobre, titanio, aleación de acero, y una combinación de los mismos, pero sin limitarse a estos. La región del cuello del revestimiento 208 rodea el orificio 204 y tiene una superficie exterior e interior.
Con el fin de reforzar o proporcionar una mayor resistencia mecánica para soportar la carga de escape, el saliente polar 300 comprende un material que tiene una mayor resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química y/o resistencia a la corrosión que la resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química y/o resistencia a la corrosión del material metálico del revestimiento 200. Materiales adecuados para el saliente polar 300 incluyen aleación de metal, acero, aleación de acero tal como Inconel e Invar, titanio, aleación de aluminio, latón, berilio, una cerámica, un material compuesto, y una combinación de los mismos, pero sin limitarse a estos. Debe apreciarse que el alcance de la invención no se limita a los materiales enumerados aquí. En general, todo lo que se requiere es que el material del saliente polar 300 presente la resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química y/o resistencia a la corrosión mayor que la del material metálico del revestimiento 200.
El saliente polar 300 comprende, además, una región del cuello del saliente polar 304 que tiene una superficie interior y una superficie exterior. Por lo menos una parte de la superficie interior de la región del cuello del saliente polar 304 está unida firmemente, y opcionalmente de manera desmontable, a por lo menos una parte de la superficie exterior de la región del cuello del revestimiento 208. Esta unión firme del saliente polar 300 al revestimiento 200 puede lograrse mediante cualquiera de los procedimientos conocidos por los expertos en la materia, incluyendo, entre otros, medios mecánicos, adhesivos, ajuste con apriete inducido térmicamente, ranuras de chavetero, pasador de bloqueo, uniones soldadas, encaje a fricción, soldadura por rozamiento, o una combinación de los mismos. En una realización particular, la superficie interior de la región del cuello del saliente polar 304 comprende un elemento de conexión del saliente polar y la superficie exterior de la región del cuello del revestimiento 208 comprende un elemento de conexión del revestimiento. De esta manera, la región del cuello del revestimiento 208 queda unida a la región del cuello del saliente polar 304 por acoplamiento del elemento de conexión del saliente polar al elemento de conexión del revestimiento. De acuerdo con la invención, tal como se ilustra en la figura 4, el elemento de conexión del revestimiento comprende un elemento roscado macho y el elemento de conexión del saliente polar comprende un elemento roscado hembra complementario. Esta configuración permite unir la región del cuello del saliente polar 304 a la región del cuello del revestimiento 208 al acoplar el elemento roscado hembra complementario al elemento roscado macho.
Tal como puede deducirse de las figuras 3 y 4, los medios de sujeción más largos entre el saliente polar 300 y el revestimiento 200 resultarán en una unión más firme. Por lo tanto, la longitud de la región del cuello del revestimiento 208 es típicamente entre un 5% y aproximadamente un 90% de la longitud de la región del cuello polar 304. Tal como puede apreciarse en las figuras 3 y 4, la parte superior de la región del cuello del saliente polar 304 está configurada para permitir el acoplamiento de un tapón u otro dispositivo de acoplamiento de la lumbrera. Ejemplos de dispositivos de acoplamiento de la lumbrera incluyen una carcasa para una válvula de asiento (tal como se ilustra en la figura 4), una boquilla, un tapón, un regulador, un sensor de presión, un sensor de temperatura o un dispositivo de descarga de presión, pero sin limitarse a estos. El dispositivo de acoplamiento de la lumbrera puede
ser una válvula que pueda facilitar el intercambio de fluido hacia/desde el recipiente a presión con el entorno exterior.
En algunos casos, el recipiente a presión 100 también incluye una vejiga 500. Típicamente, la vejiga 500 va insertada en el revestimiento 200 a través del orificio del revestimiento 204. Tal configuración permite utilizar el recipiente a presión 100 como acumulador hidráulico.
Haciendo referencia a la figura 2, de acuerdo con la invención, el material compuesto 400 encapsula el revestimiento 200 y por lo menos una parte del saliente polar 300. El revestimiento de el recubrimiento 200 y el saliente polar 300 con material compuesto 400 aumenta la tolerancia de carga de escape del recipiente a presión 100.
En una realización alternativa que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, la superficie exterior de la región del cuello del saliente polar 304 está unida a por lo menos una parte de la superficie interior de la región del cuello del revestimiento 208. Es decir, en lugar de tener una región del cuello del revestimiento 208 insertada en la región del cuello del saliente polar 304, en esta realización es la región del cuello del saliente polar 304 la que queda insertada en el orificio 204 de la región del cuello del revestimiento 208.
El recipiente a presión 100 de la invención también incluye una pestaña anular del saliente polar 312 que cubre por lo menos una parte de la región polar del revestimiento 212.
Otras realizaciones de la invención incluyen una superficie de sellado de presión entre el tapón (por ejemplo, una válvula de asiento tal como se muestra en 600 figura 4) y el orificio en un recipiente a presión de Tipo 3. Dado que la superficie interior del revestimiento no contiene roscas interiores, esta superficie puede mecanizarse y taladrarse para que coincida con una superficie concéntrica del tapón 600 con una junta radial 216. Alternativamente, o además, el sellado también puede tener lugar en forma de junta de cara 604 entre las superficies de contacto del tapón 600 y el labio superior del revestimiento 200.
En otras realizaciones, la superficie interior de la región del cuello del saliente polar 304 comprende un elemento de interfaz del saliente polar y la superficie exterior de la región del cuello del revestimiento 208 comprende una interfaz de revestimiento. El saliente polar 300 puede unirse al revestimiento 200 a través de un material de empaque, una junta tórica, una junta “X-ring”, o una junta entre el elemento de conexión del saliente polar y el elemento de conexión del revestimiento.
Tal como se muestra en la figura 5, en otra realización que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, el saliente polar 300 va insertado en el revestimiento 200. Por lo tanto, en esta realización, el saliente polar 300 está acoplado mecánicamente al revestimiento 200 al tener la superficie exterior de la región del cuello del saliente polar unida a la superficie interior de la región del cuello del revestimiento. En particular, el saliente polar 300 queda encajado en la región del cuello del revestimiento insertando la región del cuello del saliente polar en la región del cuello del revestimiento y acoplando mecánicamente los dos componentes. Esta realización es similar a las realizaciones descritas anteriormente excepto que es la superficie exterior del saliente polar la que se acopla a la superficie interior de la región del cuello del revestimiento. Esta realización se obtiene insertando el saliente polar en el revestimiento en lugar de insertar el revestimiento en el saliente polar, tal como se ha descrito anteriormente. Dicho recipiente a presión puede producirse, por ejemplo, insertando el saliente polar en el revestimiento a través del orificio en el extremo opuesto del revestimiento. En algunos casos dentro de esta realización, por lo menos una parte de la pestaña anular del saliente polar queda acoplada sobre la superficie interior de la región polar del revestimiento.
En algunas realizaciones, el recipiente a presión comprende dos orificios de revestimiento y salientes polares. En dichas realizaciones, normalmente uno de los orificios del revestimiento es más pequeño que el otro. Típicamente, en dichas realizaciones, uno de los salientes polares queda unido a la superficie interior del orificio del revestimiento y el otro queda unido a la superficie exterior del otro orificio del revestimiento.
La anterior descripción de la invención se ha presentado con fines ilustrativos y descriptivos. Lo anterior no pretende limitar la invención a la forma o formas descritas aquí. Aunque la descripción de la invención ha incluido la descripción de una o más realizaciones y ciertas variaciones y modificaciones, otras variaciones y modificaciones quedan dentro del alcance de las reivindicaciones.
Claims (8)
1. Recipiente a presión recubierto por material compuesto con revestimiento de metal, que comprende:
(a) un revestimiento (200) construido de un material metálico y que comprende:
(i) un orificio del revestimiento (204);
(ii) una región del cuello del revestimiento (208) que rodea el citado orificio (204) y que tiene una superficie exterior, comprendiendo la superficie exterior de la región del cuello del revestimiento (208) un elemento roscado macho; y
(iii) una región polar del revestimiento (212) que rodea la citada región del cuello del revestimiento (208); y (b) un saliente polar (300) construido de un segundo material y unido a la citada región del cuello del revestimiento (208) de dicho revestimiento metálico (200), en el que dicho saliente polar (300) comprende:
(i) una región del cuello del saliente polar (304) que tiene una superficie interior, comprendiendo la superficie interior de la región de cuello del saliente polar (304) un elemento roscado hembra complementario, en el que por lo menos una parte de la superficie interior de la citada región del cuello del saliente polar (304) está unida a por lo menos una parte de la superficie exterior de la citada región del cuello del revestimiento (208) mediante el acoplamiento de dicho elemento roscado hembra complementario a dicho elemento roscado macho;
(ii) un conducto (308) dentro de la citada región del cuello del saliente polar (304) que está alineado coaxialmente con el citado orificio del revestimiento (204); y
(iii) una pestaña anular del saliente polar (312) que cubre por lo menos una parte de la citada región polar del revestimiento (212), en el que dicho segundo material tiene una mayor resistencia estática, resistencia a la fatiga, durabilidad, resistencia química y/o resistencia a la corrosión que la de dicho material metálico,
estando configurada la parte superior de dicho elemento roscado hembra complementario de la superficie interior de la citada región de cuello del saliente polar (304) para una conexión roscada a un dispositivo de acoplamiento de la lumbrera (600); y
(c) material compuesto de recubrimiento (400) que encapsula el revestimiento (200) y por lo menos una parte del saliente polar (300).
2. Recipiente a presión de la reivindicación 1, en el que dicho material metálico comprende aluminio, aleación de aluminio, cobre, titanio, aleación de acero, o una combinación de los mismos.
3. Recipiente a presión de la reivindicación 2, en el que dicho segundo material comprende acero, una cerámica, una aleación de metal, acero, aleación de acero, titanio, aleación de aluminio, latón, berilio, una cerámica, un material compuesto, o una combinación de los mismos.
4. Recipiente a presión de la reivindicación 1, en el que el diámetro del citado orificio del revestimiento (204) es por lo menos 50,8 mm (2 pulgadas).
5. Recipiente a presión de la reivindicación 1, que comprende, además, una vejiga (500) que está insertada en dicho revestimiento (200).
6. Recipiente a presión de la reivindicación 5, en el que dicho recipiente a presión está configurado para su uso como acumulador hidráulico.
7. Recipiente a presión de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de acoplamiento de la lumbrera (600) es una válvula, una carcasa para válvula de asiento, una boquilla, un tapón, un regulador, un sensor de presión, un sensor de temperatura, un dispositivo de descarga de presión o un instrumento de telemática para controlar la salud del recipiente a presión.
8. Procedimiento para reforzar una región del cuello de un recipiente a presión recubierto por material compuesto que comprende un revestimiento construido de un material metálico y que comprende:
un orificio del revestimiento;
una región del cuello del revestimiento que rodea el citado orificio del revestimiento y que comprende un elemento roscado macho en la superficie exterior; y
una región polar del revestimiento que rodea la citada región del cuello del revestimiento, comprendiendo dicho procedimiento:
acoplar el elemento roscado macho del revestimiento de la región del cuello del revestimiento a un elemento roscado hembra complementario en una superficie interior de una región del cuello polar de un saliente polar que
está construido a partir de un segundo material que tiene una resistencia mecánica mayor que la de dicho material metálico, comprendiendo el saliente polar una pestaña anular del saliente polar que cubre por lo menos una parte de la citada región polar del revestimiento, y
proporcionar material compuesto de recubrimiento que encapsula el revestimiento y por lo menos una parte del saliente polar,
proporcionando así una mayor resistencia mecánica dentro de la región del cuello del revestimiento de dicho recipiente a presión recubierto por material compuesto en comparación con el mismo recipiente a presión en ausencia de dicho saliente polar,
en el que por lo menos una parte de la citada región del cuello del revestimiento queda sujeta firmemente en un orificio de la citada región del cuello del saliente polar, y
en el que la parte superior del elemento roscado hembra complementario de la citada región polar del cuello del saliente está configurada para una conexión roscada a un dispositivo de acoplamiento de la lumbrera.
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