ES2286100T3 - Recipiente a presion reforzado con fibras y procedimiento de fabricacion del mismo. - Google Patents

Recipiente a presion reforzado con fibras y procedimiento de fabricacion del mismo. Download PDF

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Andy Debecker
Oscar Christoph Van Der Jagt
Jan Jacobus Matthijs Koppert
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ADVANCED LIGHTWEIGHT ENGINEERI
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Abstract

Recipiente a presión reforzado mediante fibras (1, 6), que comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o líquidos (2, 7, 13, 19) de un material termoplástico, recubierto por completo mediante filamentos de fibras (3, 10, 11, 18), en el que los filamentos de fibras están arrollados de manera tal que, cuando el recipiente a presión (1, 6) se encuentra sometido a presión interna, los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) reciben carga exactamente en su dirección longitudinal, y en el que no se utiliza material de matriz para transferir esfuerzos de cizalladura desde un filamento de fibras a otro o al cuerpo con estanqueidad a gases o líquidos (2, 7, 13, 19), cuando el recipiente está sometido a presión interna, de manera que los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) pueden desplazarse libremente unos con respecto a otros.

Description

Recipiente a presión reforzado con fibras y procedimiento de fabricación del mismo.
La presente invención se refiere a un recipiente a presión reforzado mediante fibras, que comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o líquidos, recubierto mediante filamentos de fibras. La invención también se refiere a un método de fabricación de un recipiente a presión reforzado mediante fibras, que comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o líquidos recubierto con filamentos de fibras.
Los recipientes a presión de tipo conocido, reforzados con fibras, comprenden un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o líquidos recubierto con filamentos de fibras. Durante la fabricación de los recipientes a presión reforzados mediante fibras, se aplican filamentos de fibras según ciertos dibujos, de manera que, cuando el recipiente a presión se encuentra sometido a una presión interna, los filamentos de fibras pueden absorber los esfuerzos de tracción. Antes del arrollamiento, durante o después del mismo, se aplica un aglomerante o resina (un material llamado matriz) al cuerpo que se debe recubrir o a los filamentos de fibras. Después del arrollamiento, el material matriz es sometido a curado de manera que los filamentos de fibras son incorporados en una matriz (aglomerante o resina). En recipientes a presión reforzados mediante fibras, la matriz sirve para trasferir esfuerzos de cizalladura, de un filamento de fibras a otro, o al cuerpo que tiene estanqueidad a gases o líquidos cuando el recipiente a presión se encuentra sometido a una presión interna. En algunos casos, se aplican arrollamientos adicionales a ciertas partes del cuerpo con estanqueidad a gases o líquidos, a efectos de absorber cargas mecánicas resultado, entre otros factores, de esfuerzos de cizalladura.
Los métodos conocidos para la fabricación de recipientes a presión reforzados mediante fibras comprenden una etapa de solidificación o de curado a efectos de incorporar los filamentos de fibras arrollados en una matriz. El curado requiere tiempo, habitualmente de 6 a 8 horas.
Una desventaja de los recipientes a presión actualmente conocidos, así como de los métodos de fabricación de los mismos, es la necesidad de una etapa de solidificación o curado que habitualmente tiene una duración de 6 a 8 horas. Otra desventaja es que para absorber cargas mecánicas resultantes, entre otros factores, de esfuerzos de cizalladura, son necesarios en algunos casos arrollamientos adicionales.
Los documentos EP 0 319 439 y US 3 184 092 dan a conocer un recipiente a presión que tiene un cuerpo metálico resistente a las cargas, recubierto localmente mediante filamentos de fibras.
Es un objetivo de la presente invención dar a conocer un recipiente a presión mejorado. Otro objetivo de la presente invención consiste en conseguir una reducción de los costes de fabricación de los recipientes a presión reforzados mediante fibras. Otro objetivo de la presente invención consiste en conseguir un método mejorado de fabricación de recipientes a presión reforzados mediante fibras.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se consiguen uno o más objetivos mediante un recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 1.
Dado que los filamentos de fibras son arrollados de manera tal que, cuando el recipiente a presión se encuentra sometido a una presión interna, reciben solamente carga longitudinalmente, permanecerán en su lugar durante la utilización y no se requerirá una matriz.
Se consigue además que solamente se requiera la utilización del material de fibras necesario para absorber exactamente los esfuerzos mecánicos en el recipiente a presión. No se requieren filamentos de fibras adicionales, lo que conduce a una reducción del peso y menores costes en comparación con los recipientes a presión de tipo conocido.
Dado que, como mínimo, una serie de filamentos de fibras pueden desplazarse libremente unos con respecto a otros, y los filamentos de fibras están arrollados de manera tal que, cuando el recipiente a presión está sometido a presión interna los filamentos de fibras reciben cargas exactamente en su dirección longitudinal, los filamentos de fibras en dicha sección del recipiente a presión serán desplazados uno con respecto a otro, por ejemplo, cuando el recipiente a presión sufre averías.
Preferentemente, los filamentos de fibras pueden desplazarse libremente unos con respecto a otros en la totalidad del recipiente a presión.
Esto es ventajoso por el hecho de que no es necesario utilizar material para la matriz (por ejemplo, resina). Esto hace superflua la etapa de curado y conduce a menores costes en comparación con los recipientes a presión actualmente conocidos.
Preferentemente, el recipiente a presión, según la presente invención, tiene forma isotensoide, es decir, una forma en la que cuando el recipiente a presión está sometido a una presión interna los esfuerzos mecánicos quedan distribuidos de forma igual entre los filamentos de fibras. A efectos de conseguir el recipiente a presión con la forma isotensoide deseada, se puede utilizar un medio para refuerzo axial del recipiente a presión.
Dado el hecho de que se utiliza una forma isotensoide, solamente se requiere un número mínimo de filamentos de fibras a efectos de absorber los esfuerzos mecánicos en el recipiente a presión.
Además, y de modo preferente, el recipiente a presión, según la presente invención, tiene forma cilíndrica conseguida con piezas extremas isotensoides en ambos extremos longitudinales del mismo.
Al disponer el recipiente a presión con forma cilíndrica, es apropiado para su utilización como recipiente para gas.
Preferentemente, el recipiente a presión según la presente invención está dotado de una capa de protección, llamado recubrimiento.
Un recubrimiento que comprende gomas sintéticas es particularmente adecuado como medio de protección contra incendios y contra pequeños impactos y cargas de manipulación.
Preferentemente, el cuerpo rígido de un recipiente a presión, según la invención, está realizado en un polieteno de alta tensión (HDPE) y los filamentos de fibra son filamentos de carbono.
Esta combinación de materiales es ventajoso desde el punto de vista de costes de fabricación, así como de peso y de resistencia del recipiente a presión.
Preferentemente, el cuerpo rígido de un recipiente a presión, según la presente invención, está realizado en un polieteno de alta tensión (HDPE) y los filamentos de fibras son fibras de vidrio.
Esta combinación de materiales es también ventajosa desde el punto de vista de costes de fabricación, así como peso y resistencia del recipiente a presión.
Un recipiente a presión, según la presente invención, puede ser fabricado según diferentes realizaciones y, por lo tanto, puede ser adecuado para diferentes presiones internas máximas.
De acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención, se consiguen uno o varios objetivos mediante un método de fabricación de un recipiente a presión reforzado mediante fibras, que corresponde a la reivindicación 20.
De este modo, se consigue que no se necesite un cantidad mayor de material de fibras que lo necesario para absorber exactamente los esfuerzos mecánicos en el recipiente a presión. Esto conduce a una reducción de costes de fabricación del recipiente a presión.
Preferentemente, no se prevé material de matriz alguno para el método, según la presente invención. Al no disponer de un material de matriz en el recipiente a presión, se evita la etapa de curado del recipiente. De este modo, se consigue un acortamiento del tiempo de fabricación con respecto al tiempo que sería necesario de otro modo para solidificación o curado, que habitualmente es de 6 a 8 horas.
La presente invención es ilustrada mediante dos realizaciones de un recipiente a presión y una realización del método de fabricación de los recipientes con referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 muestra una primera realización del recipiente a presión, según la invención, dotado de forma isotensoide;
la figura 2 muestra una segunda realización del recipiente a presión, según la invención, que tiene forma cilíndrica;
la figura 3 es una sección transversal de un extremo del recipiente a presión de la figura 2;
las figuras 4A y 4B muestran secciones de un ejemplo del cuerpo rígido de un recipiente a presión con filamentos de fibras que hacen tope con el cuerpo rígido, según la invención; y
la figura 5 muestra, esquemáticamente, las cargas mecánicas sobre los filamentos de fibras en su dirección longitudinal, de acuerdo con la invención.
Haciendo referencia a los dibujos, se describirán a continuación las dos realizaciones indicadas del recipiente a presión, según la invención.
La figura 1 muestra una primera realización del recipiente a presión según la invención. El recipiente a presión (1) comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o fluidos (2) que tiene forma isotensoide. Se han arrollado filamentos de fibras (3) alrededor del cuerpo rígido (2). También se aprecia un dispositivo auxiliar (4). En este ejemplo, el dispositivo auxiliar (4) es un dispositivo para reforzar axialmente el recipiente a presión (1). El dispositivo auxiliar (2) está dotado de medios (5), tales como orificios roscados en este ejemplo, al que se puede fijar un accesorio (no mostrado) tal como un elemento de cierre o válvula de presión al recipiente a presión (1).
La figura 2 muestra una segunda realización del recipiente a presión según la invención. El recipiente a presión (6) comprende un cuerpo rígido (7) con estanqueidad a gases o líquidos que tiene forma cilíndrica. El cuerpo cilíndrico (7) está dotado de una pieza extrema (8) que tiene forma isotensoide. El cuerpo cilíndrico rígido (7) se ha mostrado montado sobre un eje de rotación (9) que es utilizado para arrollar filamentos de fibras alrededor del cuerpo rígido (7). El cuerpo rígido (7) tiene varios filamentos (10) aplicados como recubrimiento en dirección longitudinal del cuerpo rígido (7) (los llamados "arrollamientos de arcos") y varios filamentos (11) aplicados como recubrimiento en dirección longitudinal del cuerpo rígido (7) (los llamados "arrollamientos helicoidales o polares").
El cuerpo rígido puede comprender una delgada capa de material termoplástico a condición de que el material cumpla con las características de seguridad aplicables para la sustancia contenida en el recipiente a presión.
El material de fibra es, preferentemente, de fibras de carbono, pero puede ser también de cualquier otro tipo de fibras que pueden ser sometidas a esfuerzos de tracción, tales como fibras de vidrio de tipo E, tipo R o tipo S, fibras de p-aramida, fibras de carbono o fibras de polímeros, tales como polieteno, poliéster o poliamida.
La figura 3 muestra una vista, en sección axial, de un extremo del recipiente a presión (6) según la figura 2. Muestra un extremo (12) del cuerpo (13) de forma cilíndrica, rígido y con estanqueidad a gases o líquidos, y un elemento auxiliar (14) que rodea el cuerpo rígido (13). En este ejemplo, el elemento auxiliar (14) y el cuerpo rígido proporcionan conjuntamente el extremo (12) con forma isotensoide. En este ejemplo, existen también aberturas (15) y (16) en dirección axial del recipiente a presión (6). Esta realización muestra también la forma en la que el cuerpo rígido (13) y el elemento auxiliar (14) tienen conjuntamente un recubrimiento de una capa (17) de filamentos de fibras (que se han mostrado esquemáticamente).
Las figuras 4A y 4B muestran vistas, en sección transversal, de un ejemplo de las posiciones de los filamentos de fibras (18) dispuestos sobre el cuerpo rígido (19) (a tope con el mismo) de un recipiente a presión según la invención. En este ejemplo, los filamentos de fibras (18) se encuentran en una disposición cúbica. La figura 4B muestra también un recubrimiento (20) que ha sido aplicado a los filamentos de fibras.
La figura 5 muestra la carga con respecto a un arco (AD) de un filamento de fibra cuando el recipiente a presión se encuentra sometido a una presión interna (f) y la fuerza de reacción resultante (F) del arco (AD) del filamento de fibra. (R) representa el radio del cuerpo rígido y (dv) representa el ángulo del arco. El filamento de fibra, desde luego, ejerce también una fuerza normal sobre el cuerpo rígido.
La descripción siguiente es una descripción de un ejemplo del método de fabricación, según la invención, de un recipiente de presión reforzado con fibras, que comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a líquidos o gases con un recubrimiento de filamentos de fibra.
En primer lugar, se determina la función del recipiente a presión y se seleccionan los materiales a utilizar para dicho recipiente a presión. A continuación, se determina el diseño, es decir, la forma del aparato incluyendo parámetros tales como el volumen y dimensiones del recipiente, la presión interna máxima permisible, factores de seguridad y dimensiones de las aberturas de salida del recipiente a presión. También se selecciona el proceso de fabricación adecuado. De acuerdo con la invención, el procedimiento comprende el arrollamiento con fibras ("arrollamiento de filamentos"). Para ese proceso se determina un modelo de arrollado apropiado de acuerdo con la forma de recipiente a presión, de manera que, en el modelo de arrollado, los filamentos de fibra son aplicados como recubrimiento de manera tal que, como mínimo, un cierto número de filamentos de fibras pueden desplazarse libremente unos con respecto a otros, y cuando el recipiente a presión se encuentra sometido a una presión interna, los filamentos de fibras son cargados exactamente en su dirección longitudinal. El cuerpo rígido no debe contribuir, por lo tanto, a la absorción de esfuerzos mecánicos resultantes de la presión interna. El cuerpo rígido puede ser fabricado de acuerdo con cualquier método conocido, por ejemplo, un método que utiliza un molde y moldeo por soplado o moldeo por pulverización o moldeo por rotación. A continuación, el cuerpo rígido es montado sobre un aparato de bobinado ("máquina de bobinado de filamentos"). Después de ajustar los controles del aparato de bobinado, el extremo delantero de un filamento a bobinar es aplicado al cuerpo rígido, y éste recibe el arrollamiento y el extremo del filamento arrollado o bobinado es fijado. En algunos casos, el modelo de bobinado es aplicado en varias etapas. En el caso de un cuerpo rígido de forma cilíndrica, por ejemplo, los filamentos bobinados en dirección circunferencial (los llamados "bobinados en forma de aros") y los filamentos bobinados en dirección longitudinal (los llamados "arrollamientos helicoidales o polares") son, por ejemplo, aplicados separadamente. Cuando se aplican filamentos en dirección longitudinal (los llamados "arrollamientos helicoidales o polares"), en primer lugar, un elemento auxiliar es colocado contra el cuerpo rígido y, a continuación, el elemento auxiliar recibe también el recubrimiento de filamentos de fibras. Después de que el cuerpo rígido ha sido dotado de recubrimiento por completo, el recipiente a presión es dotado opcionalmente de un recubrimiento, preferentemente, goma sintética. El recipiente a presión queda dotado opcionalmente de un
suplemento.
Las fibras son aplicadas por medio de bobinado, en un llamado bobinado de filamentos. Dado que los filamentos de fibras son aplicados de manera que, cuando el recipiente a presión se encuentra sometido a la presión interna, reciben cargas solamente en dirección longitudinal, permanecerán en posición durante la utilización y no será necesaria matriz alguna. Preferentemente, no se dispone material alguno de matriz (por ejemplo, resina).
Las fibras no son impregnadas o adheridas o fijadas al cuerpo rígido, desde luego excepto el extremo delantero del primer filamento de fibra que se debe arrollar. La fijación del filamento de fibra puede tener lugar también formando un nudo en el filamento de fibras. La impregnación se comprende que incluye habitualmente la penetración parcial o completa de cualquier material de matriz en los filamentos de fibras o entre los mismos. Por lo tanto, en el recipiente a presión objeto de la presente invención, no hay material alguno de matriz que penetre en los filamentos de fibras o entre ellos, porque no se utiliza material de matriz alguno. El material de matriz es habitualmente una resina, resina sintética o un elastómero. Además, el cuerpo rígido puede desplazarse libremente con respecto a los filamentos de fibras.
En el método, según la presente invención, no existe solidificación o curado en absoluto, es decir, antes, durante o después del arrollamiento.
Opcionalmente, se puede disponer encima de los filamentos de fibras una capa flexible o una capa rígida de protección, un llamado recubrimiento. Este recubrimiento es antiincendios y no tiene características constructivas de soporte, y sirve solamente para proteger los filamentos de fibra contra influencias externas, tales como acciones de corte o acciones abrasivas, químicas y contra la influencia de humedad o en la luz. La disposición de este recubrimiento no es esencial para llevar a cabo la función principal de un recipiente de presión, a saber el contener de manera segura una sustancia sometida a presión.
El recubrimiento, en caso de que exista, puede estar constituido a partir de un elastómero o puede comprender una envolvente rígida de metal o de un material termoplástico o termocurable. Preferentemente, el recubrimiento está realizado en una goma sintética.
Un recipiente a presión, según la presente invención, puede ser utilizado, en particular, para contener o transportar sustancias sometidas a presión, tales como propano, butano, CNG (gas natural comprimido), aire , agua y sustancias criogénicas, tales como nitrógeno líquido u oxígeno líquido. Dependiendo de la sustancia a contener o transportar, se puede fabricar un recipiente a presión, de acuerdo con la invención, para una presión de trabajo de 0-5 bar (por ejemplo, para agua caliente en un recipiente de expansión), 0-10 bar (por ejemplo, para oxígeno líquido o nitrógeno líquido o para gas propano o gas butano o una mezcla de los mismos en recipientes de gas destinados a su utilización en el hogar y a temperatura ambiente), 0-35 bar (por ejemplo, para gas propano o gas butano a temperaturas elevadas), 0-100 bar (por ejemplo, para gas licuado LPG en depósitos de combustibles destinados a su utilización en automóviles), 0-300 bar (por ejemplo, para CNG o aire comprimido), y 0-600 bar para sistemas de gas criogénico en aplicaciones de tecnología espacial.
La invención que se ha descrito constituye una notable novedad en el campo tecnológico de los arrollamientos, en particular por superar el prejuicio técnico de que la utilización de un material de matriz, tal como una resina, es esencial para recipientes a presión reforzados con fibras. La invención se considera, por lo tanto, que tiene un amplio alcance, tal como se define en las reivindicaciones, no estando limitada a las realizaciones anteriormente descritas.

Claims (21)

1. Recipiente a presión reforzado mediante fibras (1, 6), que comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o líquidos (2, 7, 13, 19) de un material termoplástico, recubierto por completo mediante filamentos de fibras (3, 10, 11, 18), en el que los filamentos de fibras están arrollados de manera tal que, cuando el recipiente a presión (1, 6) se encuentra sometido a presión interna, los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) reciben carga exactamente en su dirección longitudinal, y en el que no se utiliza material de matriz para transferir esfuerzos de cizalladura desde un filamento de fibras a otro o al cuerpo con estanqueidad a gases o líquidos (2, 7, 13, 19), cuando el recipiente está sometido a presión interna, de manera que los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) pueden desplazarse libremente unos con respecto a otros.
2. Recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 1, en el que el cuerpo rígido (2, 7, 13, 19) no contribuye a la absorción de los esfuerzos mecánicos resultantes de la presión interna.
3. Recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el recipiente a presión (1) tiene forma isotensoide.
4. Recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el recipiente a presión (6) tiene forma cilíndrica.
5. Recipiente a presión reforzado mediante fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el recipiente a presión (1, 6) está dotado de una capa de protección (20) encima de los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18).
6. Recipiente a presión reforzado mediante fibras, según la reivindicación 5, en el que la capa de protección (20) comprende un material elástico, preferentemente goma sintética.
7. Recipiente a presión reforzado mediante fibras, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el cuerpo rígido (2, 7, 13, 19) está realizado en un polieteno de alta densidad (HDPE) y los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) son fibras de carbono.
8. Recipiente a presión reforzado mediante fibras, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el cuerpo rígido (2, 7, 13, 19) está realizado en un polieteno de alta densidad (HDPE) y los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) son fibras de vidrio.
9. Recipiente a presión reforzado mediante fibra, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el recipiente a presión (1, 6) puede resistir una presión de trabajo del orden de 0-5 bar.
10. Recipiente a presión reforzado mediante fibra, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el recipiente a presión (1, 6) puede resistir una presión de trabajo de 0-10 bar.
11. Recipiente a presión reforzado mediante fibra, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el recipiente a presión (1, 6) puede resistir una presión de trabajo de 0-35 bar.
12. Recipiente a presión reforzado mediante fibra, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el recipiente a presión (1, 6) puede resistir una presión de trabajo de 0-100 bar.
13. Recipiente a presión reforzado mediante fibra, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el recipiente a presión (1, 6) puede resistir una presión de trabajo de 0-300 bar.
14. Recipiente a presión reforzado mediante fibra, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el recipiente a presión (1, 6) puede resistir una presión de trabajo de 0-600 bar.
15. Recipiente a presión reforzado con fibras, según cualquiera de las reivindicaciones 9-11, adecuado para su utilización como recipiente para gas destinado a propano o butano o mezcla de los mismos para aplicaciones domésticas.
16. Recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 12 ó 13, adecuado para depósito de combustible, en particular gases de petróleo licuados (LPG), para su utilización en automóviles.
17. Recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 13 ó 14, adecuado como depósito de combustible para CNG o aire comprimido.
18. Recipiente a presión reforzado con fibras, según la reivindicación 14, adecuado para su utilización como sistema de gas criogénico en aplicaciones de tecnología espacial.
19. Recipiente a presión reforzado con fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el recipiente a presión (1, 6) está dotado de un accesorio, por ejemplo, un elemento de cierre o una válvula de presión.
20. Método para la fabricación de un depósito (1, 6) reforzado con fibras que comprende un cuerpo rígido con estanqueidad a gases o líquidos (2, 7, 13, 19) de material termoplástico con el recubrimiento de filamentos de fibras (3, 10, 11, 18), en el que el método comprende las siguientes etapas:
a)
disponer un cuerpo rígido con estanqueidad gases o líquidos (2, 7, 13, 19), filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) y un aparato de bobinado;
b)
recubrir por completo el cuerpo rígido (2, 7, 13, 19), de manera que, cuando el recipiente a presión (1, 6) está sometido a una presión interna, los filamentos de fibras (3, 10, 11, 18) reciben carga exactamente en su dirección longitudinal, y en el que no se utiliza material matriz para transferir esfuerzos de cizalladura de un filamento de fibra a otro o al cuerpo con estanqueidad a gases o líquidos (2, 7, 13, 19) cuando el recipiente (1, 6) está sometido a presión interna, de manera que los filamentos de fibras pueden desplazarse libremente unos con respecto a otros.
21. Método, según la reivindicación 20, en el que el cuerpo rígido (2, 7, 13, 19) no contribuye a la absorción de esfuerzos mecánicos resultantes de la presión interna.
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