CZ298770B6

CZ298770B6 - Tenkostěnná výstelka vysokotlaké nádoby

Info

Publication number: CZ298770B6
Application number: CZ20020585A
Authority: CZ
Inventors: Glebovich Koldybaev@Sergei; Vladimirovich Lukiyanets@Sergei; Grigorievich Moroz@Nikolai; Sergeevich Rezaev@Mikhail
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2008-01-23
Also published as: WO2003069217A2; EP1478873B1; WO2003069217A3; CZ2002585A3; EP1478873A2; AU2003206612A8; AU2003206612A1

Abstract

Tenkostěnná výstelka vysokotlaké nádoby z amorfního materiálu pro tlakové láhve z kompozitního materiálu, například sklolaminátu, obsahující centrální válcovou část a dvě čela,v jednom z nichž je umístěno hrdlo. Tloušťkastěny čel a centrální části a výška čel výstelky se nachází v poměru 0,001 až 0,01 ku0,3 až 0,1 maximálního průměru. Hlavní součástí amorfního materiálu je krystalický termoplast s teplotou krystalizace ležící v intervalu 100 až 280 .degree.C měřenou s pomocí diferenciální skanerové kalorimetrie (DSC) při rychlosti ohřevu 10 .degree.C/min. a leskem jeho povrchu při úhlu měření 20.degree. činí více než 90, měřeným podle DIN 67530.

Description

Tento vynález se vztahuje k vysokotlakým nádobám, jejichž korpus je tvořen kompozitním materiálem a vyložen uvnitř hermetickým obalem - výstelkou.

Dosavadní stav techniky

Tyto nádoby slouží pro úschovu a přepravu tekutého prostředí, tj. tekutiny nebo plynu, pod tlakem ajejich korpus je vyhotoven z kompozitního materiálu a vyložen uvnitř hermetickou vrstvou - výstelkou, která se v závislosti na typu a charakteru tekutého prostředí, které je obsaženo v nádobě, vyrábí z termoplastu, hliníku nebo nerez oceli. Hermetický obal - výstelka má obvykle nátrubek ze stejného materiálu, z něhož je vyroben obal - výstelka. Tento nátrubek vchází celou svou délkou do osového kanálu hrdla, nacházejícího se v korpusu nádoby v průběhu výroby, a uvnitř nátrubku je umístěno hrdlo vybavené uzavírací armaturou libovolného vyhovujícího typu.

Takové nádoby jsou obvykle vystaveny několikanásobným cyklickým vysokotlakým namáháním. Proto se zvláštní důležitost v nádobách podobného typu klade na materiál hermetického obalu - výstelku a obzvláště na hermetizaci nátrubku obalu v osovém kanálu hrdla, aby se předešlo úniku tekutého prostředí nebo poruše hermetické nádoby.

Jsou známy pokusy o vytvoření tlakových nádob s použitím polyetylénu a zařízení pro hermetizaci nátrubku obalu v kanále hrdla vysokotlaké nádoby.

Zvláště se uplatnila vysokotlaká nádoba s korpusem z kompozitního materiálu s instalovaným hrdlem, které je umístěno po celé délce osového kanálu hrdla a které se nachází v kontaktu sjeho vnitřním povrchem, přičemž uvnitř nátrubku je koaxiálně ke kanálu hrdla instalováno centrálně umístěné hrdlo, přítlačný nátrubek obalové vrstvy k vnitřnímu povrchu kanálu hrdla, které má ze strany dutiny korpusu nádoby minimálně jeden venkovní kruhový nebo šroubový výstupek, který se opírá o nátrubek obalu a vzájemně s ním reaguje za účelem utěsnění nátrubku, viz. například spis GB 1023011 A, 16.03.66, F 17 Cl/16.

Avšak, jak se ukazuje, jsou uvedené prostředky pro hermetizaci vysokotlakých nádob nedostačující, protože se změny rozteče výstupů hrdla při vysokém tlaku nacházejí v mezích pružných deformací ve stejném okamžiku, kdy je hodnota tekutosti materiálu hermetického obalu výstelky a jeho nátrubku podstatně vyšší, a tento nesoulad v deformacích je základní příčinou nehermetičnosti nádoby při vysokých úrovních zátěže vysokým tlakem.

Pokud o vytvoření tlakových lahví s hermetickým zařízením a s výstelkou je uveden ve zveřejněné přihlášce vynálezu EP 0300931 Al, F 17 Cl/16, v níž je popsána vysokotlaká nádoba, která má korpus z kompozitního materiálu s instalovanou při její výrobě vlastní přírubou na hrdlo oso45 vého kanálu a se závitovým čepem na výstupu, umístěným v tomto kanálu po celé jeho délce na doraz do závitového čepu nátrubku vnitřního hermetického obalu - výstelky a s instalovaným v nátrubku koaxiálně kanálu hrdla centrálně umístěným nátrubkem s uzavírací armaturou, který přitlačuje nátrubek obalu k vnitřnímu povrchu osového kanálu hrdla a který je spojen závitem se závitovým čepem hrdla.

Podobné řešení je uvedeno v dokumentech WO 99/27293, WO 99/13263 a patentu US 4 925 044.

Avšak při vysokých tlacích tekutého prostředí, které zaplňuje dutinu korpusu nádoby, se ani v těchto případech nedaří zajistit spolehlivou hermetičnost spojení obalu - výstelky s výstupním

-1 CZ 298770 B6 nátrubkem, zvláště v místech jeho kontaktu s vnitřním povrchem kanálu hrdla a s venkovním povrchem hrdla, většinou kvůli příčinám uvedeným výše.

V patentu RU 2150634 je popsáno řešení, které do značné míry odstraňuje výše uvedené nedos5 tatky, které spočívá ve vytvoření spolehlivého zařízení pro hermetizaci nátrubku vnitřního obalu

- výstelky v hrdle nádoby při podstatně vyšší cykličnosti vysokotlaké zátěže.

Tento úkol je vyřešen s pomocí zařízení pro hermetizaci nátrubku vnitřního obalu - výstelky v hrdle vysokotlaké nádoby s korpusem z kompozitního materiálu, který je uvnitř vyložen herío metickým obalem - výstelkou s nátrubkem, který obsahuje instalované do korpusu hrdlo s osovým kanálem, nátrubek obalu, umístěný po celé délce tohoto kanálu, a hrdlo s uzavírací armaturou, nacházející se uvnitř nátrubku koaxiálně s kanálem hrdla. V souladu s popisem je mezi nátrubkem obalu a hrdlem vytvořena kruhová dutina, do níž je umístěn těsnicí materiál, který je stlačován ve směru osy tlakem tekutého prostředí v dutině korpusu nádoby a vzájemně působí radiálně směrem ven na vnitřní povrch nátrubku obalu v kanálu hrdla.

V nejvhodnější formě realizace řešení podle patentu RU 2150634 má hrdlo na konci obráceném do dutiny korpusu nádoby vystupující ven přírubu, a hrdlo na svém volném konci vycházejícím z korpusu nádoby - vystupující dovnitř a přiléhající k povrchu hrdla přírubu, přitom obě příruby slouží k uzavírání z čelní strany kruhové dutiny, v níž je umístěn těsnicí materiál.

Takovým způsobem je z navrženého řešení úkolu podle patentu RU 2150634 možné učinit závěr, že se v konstrukci zařízení podle tohoto patentu těsnění v kruhové komoře trvale přezkušuje osovou zátěží ze strany příruby hrdla, které se nachází pod tlakem tekutého prostředí, a díky obje25 mové poddajnosti svého materiálu působí trvalou silou radiálním směrem ven na nátrubek obalu

- výstelku, přičemž ho těsně přitlačuje k vnitřnímu povrchu osového kanálu hrdla a tak zajišťuje jeho spolehlivé utěsnění.

Avšak i v tomto případě úkol zajištění spolehlivé hermetičnosti obalu - výstelky a hrdla není 30 zcela vyřešen kvůli tomu, že celkovým nedostatkem tohoto řešení konstrukcí a dříve známých řešení konstrukcí tlakových lahví je to, že se jako materiál obalu - výstelky používají amorfní termoplasty, například polyetylén, které mají vysokou viskoelastickou deformovatelnost, nízké koeficienty propustnosti plynů prakticky pro všechny technické plyny a při vysokém tlaku mají jako hlavní nedostatek - ztrátu pevnosti při dekompresi, tak zvanou Kesonovu nemoc.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu bylo vytvoření spolehlivějšího řešení konstrukce hermetického obalu - výstel40 ky a řešení pro hermetizaci nátrubku vnitřního obalu - výstelky v hrdle nádoby při podstatně vyšší cykličnosti zátěže vysokým tlakem.

Tento úkol byl vyřešen s pomocí navržené konstrukce hermetické výstelky z amorfního termoplastického materiálu, obsahující centrální válcovou část a dvě čela, v jednom z nichž je instalo45 váno hrdlo.

V souladu s vynálezem se tloušťka stěny čela a centrální části a výška čel výstelky nachází v poměru 0,001 až 0,01 ku 0,3 až 0,4 jeho maximálního průměru a jako hlavní část amorfního materiálu obsahuje krystalický termoplast s teplotou krystalizace nacházející se v intervalu 100 až 280 °C měřené s pomocí diferenciální skanerové kalorimetrie (DSC) při rychlosti ohřevu 10 °C/min. a lesk jeho povrchu měřený podle DIN 67530 při úhlu měření 20° činí více než 90.

Nejspolehlivější forma realizace vynálezu je ta, při níž má krystalický termoplast ve stěně čel a centrální části výstelky krystaličnost v mezích 5 až 15 % hmotn.

-2CZ 298770 B6

Spolehlivá je také forma realizace vynálezu, při níž má krystalický termoplast v zásobníku nátrubku výstelky krystaličnost v mezích 75 až 99 % hmotn.

V nej spolehlivější formě realizace vynálezu se krystalický termoplast vybírá ze skupiny, která 5 obsahuje polyetylén tereftalát, polybutadientereftalát, polymer cykloolefinu a kopolymer cykloolefinu.

Ještě v jedné používané formě realizace vynálezu se standardní viskozita SV (DCE) krystalického termoplastu měřená v souladu s DIN 53728 ve směsi fenolu s 1,2 dichlorbenzolu v poměru ío 50 : 50 nachází v mezích 75 až 85 %, přičemž v kyselině dichloroctové se nachází v mezích 800 až 1800.

Vhodnou je také forma realizace vynálezu, při níž vrubová houževnatost materiálu v amorfním stavu měřená metodou Izoda v souladu s ISO 180/1A činí 2 až 8 kJ/m².

V jedné příkladné variantě tohoto řešení se předpokládá, že se jako krystalický termoplast používá polyetylentereftalát s teplotou dodatečné, nebo-li chladné, krystalizace v mezích 120 až 160 °C.

V jiné příkladné variantě tohoto řešení se předpokládá, že krystalický termoplast výstelky obsahuje minimálně jeden ultrafialový stabilizátor vybraný z 2 - hydroxybenzotriazolu a triacinu.

Je žádoucí, aby při změně vrubové houževnatosti krystalického termoplastu podle Sharpa v souladu s ISO 179/1D nevznikla prasklina.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobně vysvětlen v uvedených příkladech provedení s odkazem na výkresy. Na 30 obr, 1 uveden celkový pohled na vysokotlakou nádobu v podélném řezu s hermetickým řešením hrdla. Na obr. 2 je ve zvětšeném měřítku uveden pohled na jednu z variant řešení z obr. 1 v souladu s vynálezem v podélném řezu.

Příklady provedení

Při analýze základních vlastností některých nejpoužívanějších termoplastů uvedených v tabulce 1 je možné zaznamenat, že vycházeje z požadavků na propustnost plynů a pevnost za účelem použití jako materiálu výstelky je nejvíce vyhovujícím materiálem podle pevnosti, deformačních charakteristik a také propustnosti plynů polyetylentereftalát, vztahující se ke třídě krystalických termoplastů.

-3 CZ 298770 B6

Název polymeru	Stav	Mez napětí v tahu MPa	Relat. předl. při porušení %	Propustno- st vodních par g/m²	Kys1 í k, propustnost g/m²/ za 24 hod	Teplota tání °C
ΡΞΝΡ	Amorfní	9-17	500	15 - 20	6500 - 8500	102 - 105
PEV?	Amorfní	17 - 35	300	5	1600 - 2000	125 - 137
PP	Amorfní	41	300	10 - 20	370	160 - 176
PVC, nep;astif	Amorfní	45 - 55	120	30 - 40	150 - 350	150 - 220
PVIC	Amorfní	48 - 137	20 - 40	1,5 - 5,0	8-25	220
OPS	Amorfní	62 - 73	20	70 - 150	4500 - 6000	180
PA	Amorfní	69 - 97	250 - 400	40 - 80	500	225
PET	Amorfní	150 - 180	70 - 110	25 - 30	40 - 50	250 - 260
PET	Amorfní	190 - 260	20 - 30	2,5 - 15	2-20	250 - 260
PK	Amorfní.	59	75	77 - 93	4500	220 - 270
AC	Amorfní	49 - 83	15 - 45	100 - 320	2000 - 3000
Hydrát celulózy	Amorfní	48 - 110	15 - 25	5-15	670

kde

PENP - polyetylén s nízkou specifickou hmotností;

PEVP - polyetylén s vysokou specifickou hmotností;

PP - polypropylen;

PVC - polyvinylchlorid;

PVIC - polyvinylidenchlorid

OPS - orientovaný polystyren;

PA - polyamid;

PET - polyetylentereftalát;

PK - polykarbonát;

AC - acetát celulózy

Obvykle je při projektování tlakových lahví přípustné určité množství ucházejícího, tj. difundujícího plynu za určité období jeho používání. Například požadavek EN 12245 - 0,25 cm/1 za hodinu.

Tloušťka stěny jeho čel a válcové části je možné určit z podmínky §>k * p * S * t/Δ V kde Δ V - objem vyteklé krajky k - koeficient propustnosti plynů používaného materiálu

P - pracovní tlak plynu v tlakové láhvi S - plocha povrchu, přes níž probíhá únik plynu t - doba používání tlakové láhve s plynem δ - tloušťka stěny výstelky tlakové láhve

-4CZ 298770 B6

Z průměrných referenčních charakteristik různých termoplastů uvedených v tabulce vyplývá, že pro zajištění požadavků na propustnost plynů stanovených různými standardy jako je například EN 12245 nebo NGV-4, se tloušťka stěny čel a centrální části výstelky z krystalického termoplastu nachází v mezích 0,001 až 0,01 maximálního průměru výstelky a je značně menší než tloušťka ostatních typů termoplastů, například polyetylénu lOOkrát. Kvůli malé síle stěn výstelky a nízké propustnosti plynu při použití krystalického termoplastu se vylučuje ztrátu pevnosti termoplastu při dekompresi výstelky.

Krystalizace termoplastu na čelech a na válcové části výstelky s objemem 5 až 15 hmotnostních ío dílů při teplotě krystalizace ležící v intervalu 100 až 280 °C měřené s pomocí diferenciální skanerové kalorimetrie (DSC) s rychlostí ohřevu 10 °C/min., dovoluje značně snížit propustnost plynů stěnou výstelky při uchování jejich deformačních vlastností.

Jak je uvedeno na obr. 1 na jednom z příkladů realizace vysokotlakých nádob, obsahuje korpus i z kompozitního materiálu obal ve formě několikavrstvového skeletu, jehož vrstvy se získávají navinutím křížících se nití ze skleněného nebo hliníkového vlákna nasáklého polymemím pojivém jedním směrem. Do tohoto korpusu I jsou v průběhu jeho výroby navinuty koaxiálně umístěná příruba 2 a příruba 3 s hrdlem 4 za účelem spojení dutiny 5 korpusu i s okolním prostorem, přičemž je korpus i nádoby vyložen uvnitř hermetickou výstelkou 6, která se vyrábí z krystalic20 kého termoplastu.

Jak je uvedeno na obr. 2 v jedné z variant realizace zařízení plnicího hrdla vynálezu, výstelka 6 pokrývající uvnitř korpus 1 má nátrubek 7 umístěný po celé délce osového kanálu 8 hrdla 4 a přidružený k jeho vnitřnímu povrchu 9. Uvnitř nátrubku 7 je koaxiálně k němu a k hrdlu 4 umís25 těno centrálně uložené hrdlo 10, které má na obráceném konci do dutiny 5 korpusu i nádoby vystupující na povrch přírubu ii, která přiléhá svým kruhovým povrchem J_2 k vnitřnímu povrchu 13 nátrubku 7 výstelky 6. Průměr příruby 11 se přitom rovná vnitřnímu průměru nátrubku 7 výstelky 6.

Následně je hrdlo 4 na svém volném výstupním konci z korpusu i vybaveno dovnitř vstupující přírubou 14 přiléhající svým kruhovým povrchem 15 k venkovnímu povrchu 16 hrdla 10.

Ve výsledku se získá to, že mezi nátrubkem 7 výstelky 6 a hrdlem K) vzniká kruhová koncentricky umístěná dutina 17 zakiytá z čelních částí přírubou JJ_ hrdla 10 a přírubou 14 hrdla 4.

Uvnitř dutiny 17 je umístěno těsnění 18, zaplňující celý její objem, které je při osovém pohybu hrdla 10 tlakem na jeho přírubu 11 tekutého prostředí v dutině 5 korpusu i stlačováno v osovém směru a působí přitom radiálně směrem ven na vnitřní povrch 13 nátrubku 7 výstelky 6, přičemž ho přitlačuje silou k vnitřnímu povrchu 9 osového kanálu 8 hrdla 4 a takovým způsobem utěsňuje nátrubek 7 v kanálu 8 hrdla 4.

Při vysokém tlaku v dutině korpusu i nádoby v kruhové dutině Γ7 vzniká tlak 3 až 5 krát převyšující tlak v dutině 5.

V souvislosti s tím je v zóně kontaktu těsnění 18 s nátrubkem 7 nutná zvýšená pevnost termo45 plastu, jakož i jeho nízké tečení. To se řeší cestou krystalizace nátrubku výstelky. Krystalizace termoplastu v objemu 75 až 99 hmotnostních dílů v zóně plnicího hrdla dovoluje zvýšit pevnost termoplastu v dané zóně a několikanásobně snížit charakteristiky trvalého tečení krystalického termoplastu. To následně způsobí zvýšení provozních charakteristik spojovacího uzlu.

Při zatížení tlakové láhve tlakem na povrch vzniká mezi kompozitem a výstelkou třecí napětí, které závisí na stupni čistoty povrchu výstelky, která následně může být určena podle lesku v souladu s DIN 67530. Pro řešenou variantu výstelky s použitím krystalického termoplastu je nepřijatelnější variantou lesk povrchu podle DIN 67530 více než 90.

-5CZ 298770 B6

Za účelem dosažení výše uvedených charakteristik krystalických termoplastů je nejúčelnějším použití termoplastů se standardní viskozitou měřenou v souladu s DIN 53728 ve směsi fenolu s 1,2 dichlorbenzenolu v poměru 50 : 50, jež se nachází v mezích 75 až 85 %.

Za účelem vyloučení lokálních poškození v zónách koncentrace napětí a deformaci je nejúčelnějším použití termoplastů, u nichž vrubová houževnatost materiálu v amorfním stavu měřená metodou Izoda v souladu s ISO 180/1A činí více než 2 až 8 kJ/m² a je žádoucí, aby při změně vrubové houževnatosti krystalického termoplastu metodou Sharpa v souladu s ISO 179/1D nevznikla prasklina.

Kvůli všeobecné dostupnosti jsou nej používanějšími mezi známými termoplasty a dobře odladěnými technologiemi zpracování jednou z účelných variant realizace konstrukce výstelky, kde je nutné jako krystalický termoplast používat polyetylentereftalát s teplotou dodatečné, tj. chladné krystalizace v intervalu 120 až 160 °C, který pro zlepšení vlastností stárnutí v přirozených pod15 mínkách obsahuje minimálně jeden ultrafialový stabilizátor vybraný z 2 - hydroxybenzotriazolu a triacinu.

Kvůli zajištění pevnosti tlakové láhve z kompozitu musí být profil čel tlakové láhve vybrán podle rovnoměrného napětí vyztužujících vláken kompozitu po celé délce jeho meridiánu. Pro zajištění takového řešení s použitím tenkostěnné deformovatelné výstelky je nutné, aby se maximální hloubka profilu čel výstelky nacházela v intervalu 0,3 až 0,4 maximálního průměru výstelky. V daném případě při navinutí vyztužujících vláken a následném přeplnění výstelky přebírají čela tlakové láhve tvar optimálního profilu zajišťující rovnoměrné napětí všech vyztužujících vláken používaného kompozitu.

Funkčnost vysokotlaké nádoby spočívá v jejím naplnění tekutým prostředím, to jest tekutinou nebo plynem, do potřebné úrovně tlaku, v úschově, přepravě, vypuštění, následném novém naplnění a spotřebě tekutého prostředí, tj. v opakování úkonů a operací s mnohonásobným cyklickým zatížením.

Funkce řešení podle vynálezu byla popsána při popisu variant realizace konstrukcí a odborníkům v dané oblasti techniky je zřejmá, proto nevyžaduje další speciální vysvětlení.

Vynález není omezen výše uvedenými formami realizace, které jsou dány pouze pro ilustraci vynálezu, a může být měněn v rámci nárokovaného vynálezu.

Průmyslová využitelnost

S vytvořením navrženého řešení se objevila reálná možnost používat vysokotlaké nádoby z kompozitního materiálu a hermetickou vnitřní výstelkou. Výroba a zkoušky vysokotlakých nádob s navrženou výstelkou pro jejich hermetizaci potvrdily jejich vysokou spolehlivost a efektivnost.

-6CZ 298770 B6

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Tenkostěnná výstelka vysokotlaké nádoby z amorfního materiálu pro tlakové láhve z kompozitního materiálu, například sklolaminátu, která obsahuje centrální válcovou část a dvě čela, v jednom z nichž je umístěno hrdlo, vyznačující se tím, že tloušťka stěny čel a centrální části a výška čel výstelky (6) se nachází v poměru 0,001 až 0,01 ku 0,3 až 0,1 maximálního ío průměru a hlavní součástí amorfního materiálu je krystalický termoplast s teplotou krystalizace ležící v intervalu 100 až 280 °C měřenou pomocí diferenciální skanerové kalorimetrie při rychlosti ohřevu 10 °C/min., a leskem povrchu při úhlu měření 20° více než 90.
2. Výstelka podle nároku 1, vyznačující se tím, že krystalický termoplast ve stěně

15 čel a centrální části výstelky (6) je krystalický v rozsahu 5 až 15 % hmotn.
3. Výstelka podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že krystalický termoplast ve stěně nátrubku (7) čel výstelky (6) je krystalický v rozsahu 75 až 99 % hmotn.

20
4. Výstelka podle nároků laž3,vyznačující se tím, že standardní viskozita krystalického termoplastu ve směsi fenolu s 1,2 dichlorbenzolem v poměru 50 : 50 se nachází v mezích 75 až 85 %.
5. Výstelka podle nároků 1 až 4, vyzn aču j í cí se tí m , že krystalický termoplast je

25 vybrán ze skupiny obsahující polyetylentereftalát, polybutadientereftalát, polymery cykloolefinu a kopolymery cykloolefinu.
6. Výstelka podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že krystalický termoplast při zkoušce vrubové houževnatosti podle Sharpa nevykazuje praskliny.
7. Výstelka podle nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že vrubová houževnatost materiálu v amorfním stavu měřená metodou Izoda činí 2 až 8 kJ/m².
8. Výstelka podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že krystalickým termoplastem

35 je polyetylentereftalát s teplotou dodatečné, to jest chladné krystalizace, v intervalu 120 až

160 °C.
9. Výstelka podle nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že krystalický termoplast výstelky (6) obsahuje minimálně jeden ultrafialový stabilizátor vybraný ze 2 - hydroxybenzotriazolu

40 a triacinu.

45 2 výkresy

-7CZ 298770 B6