CN1032273C - 丝绕制压力容器改进的管口 - Google Patents

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Abstract

一个管口位于压力容器的极位开口中，该压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属内衬。此管口具有一个从容器内部向外伸出的管状颈和一个从该颈内端径向延伸并支撑极位开口的周边的环形支撑缘。一个偏移安装缘从支撑缘径向延伸并具有两个轴向反置的表面，表面上形成有锁槽，每个锁槽具有一个介于一对相互倾斜的侧壁之间的底壁，以便保持其与内衬上的相应的互补凸棱的配合和固位。当采用吹模的内衬时，一个注模的连接部件安装至支撑缘上，并提供焊接内衬的位置。

Description

丝绕制压力容器改进的管口
本申请是1992年1月10提交的序号为№.818,619的美国专利申请的部分后续。
本发明是一种改进的管口，该管口用于增强圆形高压容器的丝绕制外壳和非金属内衬间的结构连接。
在许多情况下，对于一个压力容器而言，轻质的结构和高的抗碎裂及腐蚀损坏性能是非常希望具有的特性。多年来，这些设计标准已通过高压复合容器的发展得以满足，所述复合容器是由绕制的玻璃纤维丝或各种合成纤维丝的叠层制成的，这些纤维丝由热凝环氧树脂粘结在一起。一合成橡胶的或其它非金属的弹性衬体或内胆悬置于丝绕制壳体中，以密封该容器并防止内部的流体接触复合材料。
丝绕制容器通常制成球形或具有大致球形的端部的柱形，以便用于高压操作。一个管口用于在外壳的增压口(pressurizationports)可靠地连接内衬和外面的复合壳体，以防止流体从内衬和外壳之间渗出。在许多应用领域，如在航天工业中，复合压力容器需要蓄封极高压力，其工作压力为25,000p.s.i.(磅/英寸2)，设计爆炸值(burst values)则在50,000p.s.i.范围内。结果，由于内部压力增大，管口、内衬和外壳的界面要承受极大的结构性载荷。
尤其是，由于容器内的压力增大，管口和复合外壳之间会产生支撑应力，它导致整个外壳上具有陡峭的应力梯度，内部应力大大高于外表面的应力。由于在内部增压期间非均匀载荷引起的相对位移不连续，在管口和内衬之间剪应力加大。此外，管口上径向延伸的支撑部件承受到不能接受程度的弯曲应力，这会导致管口的碎裂。
进一步，在容器增压期间，内衬和外壳保持与管口的稳固配合是危险的，尽管内衬和外壳上承受着反向的负载。本发明是通过在所述特性的丝绕制压力容器的管口中形成一独特的结构，来着意克服上述的负载和密封问题。
因此，本发明的一个目的是要提供一种新型的和改进的管口，用于增强高压容器的圆形部分中的丝绕制增强外壳和非金属内衬之间的结构连接。
在本发明的一种形式的例证性实施例中，一个管口位于压力容器的球形部分的一个开口中，该压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属内衬。此管口具有一个从容器内部向外伸出的管状颈和一个环形支撑缘，该环形支撑缘从所述颈内端径向延伸，并在开口附近支撑外壳和内衬的界面的周边。一个偏移安装缘从该环形支撑缘径向延伸，并具有一个环形锁槽，此锁槽与内衬上的一个互补凸棱啮合。
在所公开的本发明的实施例中，锁槽设置在安装缘的两个轴向相对偏移表面的每一个上。在安装缘外表面中的锁槽向外开口，而安装缘内表面中的锁槽向内开口，每个锁槽具有一个介于一对相互倾斜的侧壁间的底壁，以便保持与内衬的可靠啮合。安装缘的偏移特性减小了危险性，这种危险性是指内衬脱离与管口的啮合并引起外壳和内衬间的泄漏。
为减小容器内部增压期间管口和内衬之间的剪应力，一个非金属的剪应力减缓垫片置于环形支撑缘的外表面和外壳的内表面之间，该内插垫片可由任何塑料、合成橡胶或其它非金属材料制成，并可采用模制工艺制造或由薄片坯材切制而成。
管口的独特结构也减小了增压损坏。在一优选形式中，环形支撑缘具有一个足以防止容器增压时对外壳造成损坏的直径，并且它足够厚，以避免在支撑缘和安装缘中的弯曲应力达到不能接受的程度。管口可由铝、钢、镍、钛或其它金属的合金制成。
在本发明的另一形式中，内衬由吹模的高密度聚乙烯(或HDPE)制成。一个轴对称的连接部件邻近增压口固定到管口上，以提供安装内衬的位置。连接部件最好由注模的HDPE制造，当它固化后，便收缩成与管口相符合，并因此固定地模压到管口上。内衬可直接焊到连接部件上，如通过塑性模压。一个刻有螺纹的止动螺母通过管口的颈旋进，而将连接部件锁定到位。
本发明的其它目的、特性和优点，将从结合附图进行的以下的详细说明中变得清楚明了。
本发明被认为是新的特征如下所述：
一种用于压力容器的管口，所述压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属的内衬，该管口包括：
一个通过外壳中的一个开口向外伸出的管状颈；
一个在容器内从颈的一端径向延伸的环形支撑缘，该环形支撑缘具有一个用于增强外壳中的开口的周边的外表面；和
一个位于环形缘中的锁槽，该锁槽与内衬上的一个互补凸棱啮合。
一种用于压力容器的管口，所述压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属内衬，该管口包括：
一个通过外壳中的一个开口向外伸出的管状颈；
一个在容器内从颈的一端径向延伸的环形支撑缘，该环形支撑缘具有一个用于增强外壳中的开口的周边的外表面；和
一个从环形支撑缘径向延伸的安装缘，该安装缘具有一个带有一锁槽的外表面，此锁槽与内衬上的一个互补凸棱啮合。
一种用于压力容器的管口，所述压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属内衬，该外壳具有一个环形部分并界定一个圆形容器端部，该管口包括：
一个通过圆形容器端部中的一个开口向外伸出的管状颈；
一个在容器内从颈的一端径向延伸的环形支撑缘，该环形支撑缘具有一个用于增强圆形容器端部中的开口的周边的外表面；和
一个位于所述圆形端部的剪应力减缓垫片，它置于外壳的内表面和内衬之间，以调节容器增压期间两者间产生的相对滑动。
一种用于压力容器的管口，所述压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属内衬，该管口包括：
一个通过外壳中的一开口向外伸出的颈；
一个在容器中从颈的一端径向延伸的环形支撑缘，该环形支撑缘具有一个用于增强外壳中的开口的周边的外表面；和
环形缘与内衬之间的互补的相互啮合的锁定装置。
一种压力容器，包括：
一个丝绕制外壳；
一个置于外壳内的非金属内衬；
一个管口，该管口具有一个通过外壳中的一个开口向外伸出的管状颈和一个在容器内从颈的一端径向延伸的环形支撑缘，该环形支撑缘具有一个用于增强外壳中的开口的周边的外表面；和
位于环形缘和内衬之间的互补的相互啮合的锁定装置。
一种用于压力容器的管口，所述压力容器具有一个丝绕制外壳和一个非金属内衬，该管口包括：
一个通过外壳中的一个开口向外伸出的管状颈；
一个在容器中从颈上径向延伸的环形支撑缘，该环形支撑缘具有一个用于增强外壳中的开口的周边的外表面和一个用于安装内衬的内表面；
一个置于内衬和环形缘的内表面之间的连接部件，它确定了一个安装内衬的位置；和
用于将连接部件固定到环形缘和颈的至少一个上的装置。
本发明，连同其目的和优点，可从结合附图进行的下面的说明中得到理解，附图中相同参考数字表示相同部件，附图中：
图1是一个轴对称压力容器的圆形端部的局部剖视图，该容器具有一个包含有本发明特征的管口；
图2是与图1相似的一个局部剖视图，其中，管口仅沿其一侧与压力容器相连接，并且其中的内衬只与径向缘中的锁槽之一啮合；和
图3是一个轴对称压力容器的圆形端部的局部剖视图，该容器具有管口结构的又一实施形式。
图1以局部剖视图描绘出一个轴对称压力容器的圆拱形的，最好基本上是球形的端部，该容器总体以数字10表示。该压力容器10由一纤维增强外壳12和一非金属内衬14组成，一个根据本发明的管口16通过一个形成于外壳12中的极位开口(polar opening)18向外延伸，并确定了一个增压口20，高压流体通过该增压口与压力容器10的内部相通。不过，应当指出，本发明也可用于和容器中的非极位开口连接，例如，在一个完全球形的容器中的开口。一个薄的剪应变调节垫片22置于外壳12、管口16和内衬14之间，以防止在容器增压期间对外壳或内衬造成损坏，正如后面将要描述的那样。
外壳12包括一个通常所知的复合增强体，它由树脂基体(resinmatrix)中的纤维增强材料构成。此纤维可以是玻璃纤维、芳族聚酰胺(ARAMID)、碳、石墨或任何其它通过常所知的纤维质增强材料。所用的树脂基体可以是环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、热塑性塑料或任何其它合适的树脂材料，这些材料能提供所选用容器的特定用途所需的碎裂阻力(fragmentation resistance)。
内衬14可由塑料或其它弹性材料形成，并可采用压模、吹模、注模或任何其它通常所知的技术制造。管口16最好由铝、钢、镍或钛的一种合金组成，虽然其它金属或非金属材料，如合成材料，也被认为是合适的。薄垫片22可由塑料或其它非金属材料形成，并可采用模制工艺制造，或者以另一种方式，即由薄片坯材切制而成。
如图1所示，该主管口16具有一个向外伸出的颈24，该颈24带有一个通过外壳12中的极位开口18延伸的锥形喉部26。该喉部26呈锥形以形成一个内凹周槽，该周槽用于嵌装构成外壳的纤维和树脂基体，这样外壳就可将管口16锁住，以防止管口向容器10内或外运动。
紧靠压力容器10，一个环形的支撑缘28从颈24向外辐射状延伸，并确定了环形支撑缘28的一外表面30，由此，压差载荷被分布在复合外壳12中的极位开口18的周边附近。环形支撑缘28具有一个宽度W1，以便其总直径足以防止在压力容器10增压时对外壳12造成损坏。
此外，薄垫片22的一部分置于环形支撑缘28、内衬14和外壳12之间，以进一步减小容器增压时造成的损坏。特别是，容器内部的增压导致圆形容器端部的膨胀变形，这样在外壳12的内表面与内衬14和环形支撑缘28的配合部分之间，就可能发生相对滑动。为了调节这种相对滑动并缓解发生在此界面上的剪应力，内插垫片22横跨该圆形容器端部延伸一段距离，该距离基本上等于压力容器10环形部分的直径D1。
一个环形的安装缘32从环形支撑缘28径向向外伸出一段距离W2。该安装缘32具有一个外表面34，该外表面34从环形支撑缘28的外表面30向内偏移一段距离T1，并且该安装缘32具有一个内表面36，该内表面36从环形支撑缘28的内表面38向外偏移一段距离T2。这样，当容器增压时，环形支撑缘28具有的厚度T3足以将管口中的弯曲应力限制在一个可接受的程度上。
一对环形锁槽40和42分别地一个位于安装缘32的外表面34中且另一个位于环形支撑缘28的内表面36中。每个槽分别容纳一个位于内衬14上的互补凸棱44、46。
锁槽40是一个向外开口的槽，它具有一个介于一对相互倾斜的侧壁50之间的底壁48，也就是说，该槽40是一个燕尾槽。应当理解，其它可有效地将内衬机械地锁定于管口的凹槽形状也是本发明所期望的。
锁槽42形成于安装缘32的内表面36中，并具有一个位于一对相互倾斜的侧壁54之间的底壁52，从而又界定一个燕尾槽。相互倾斜的侧壁50和54与相应的内衬凸棱44和46的互补几何形状，保证了内衬14在管口16上的可靠配合和固位，以此防止高压流体从内衬和外壳12之间泄漏。
由外表面34的内偏移T1和内表面36的外偏移T2决定的安装缘32的偏移特性，减小了高压下内衬14脱离与管口16的啮合的危险性，因为它为内衬提供一个足够大的表面积而使之与安装缘密封并防止泄漏。
图2描绘出本发明的另一实施例，其中内衬14仅仅与形成于安装缘32外表面34上的环形锁槽40相啮合。在图2所示的实施例中，内衬14只具有与管口16啮合的单个环形凸棱44。
图3描绘出又一个实施例，其中一个管口56与一个丝绕制压力容器一起使用，后者总体上以数字58表示。压力容器58具有一个纤维增强外壳60和一个非金属内衬62。在一优选形式中，该内衬由吹模的高密度聚乙烯(HDPE)形成。管口56具有通过外壳60中形成的极位开口66轴向向外延伸的管状颈64，并确定了一个阶形增压口68，高压流体通过该口可与压力容器58的内部相通。
一个环形支撑缘70从颈64紧贴压力容器内部向外辐射状延伸，并具有一个倾斜的外表面72和一个反向倾斜的内表面74。换言之，表面72和74朝支撑缘70的周边交会。外表面72将压差载荷分布于复合外壳60中的极位开口66的周边附近，以防止压力容器58增压时对外壳造成损坏。内表面74具有一个邻近增压口68的凹进部分75和一个沿轴向向内开口的槽77，后者的用途将在后面描述。
一个薄的剪应变调节垫片76置于外壳60、管口56和内衬62之间，以防止在容器增压期间对外壳或内衬造成损坏。尤其是，剪应变调节垫片76具有一对发散的叶片78和80，叶片78置于支撑缘70的外表面72和外壳60的内表面之间，叶片80置于支撑缘70的内表面74和内衬62的外侧之间。剪应变调节垫片76最好由适于减缓滑动产生的剪应力的材料形成，所述剪应力是容器58增压时在支撑缘70、内衬62和外壳60的界面上产生的。注模的热塑性弹性材料，如热塑橡胶，已被证实可提供剪应变调节垫片中所需的合适的工作特性。
内衬62借助轴对称连接部件82被安装至管口56上。连接部件最好由注模的高密度聚乙烯(HDPE)形成，当冷却后，它收缩成与管口56相符合，如图3所示。尤其是，HDPE(高密度聚乙烯)固化形成一个位于增压口68中的伸长的套筒84和一个径向延伸的环状缘86，后者位于支撑缘70的内表面74的凹进部分75中。HDPE流入槽77中并因此形成一个用于联锁连接部件和极位管口56的互衬凸棱88。当希望更牢固地将连接部件82连接到该极位管口时，可在注入HDPE之前，将一粘结涂层施加于管口上。在连接部件82固定安装于管口56上后，内衬62沿一共用焊线90被焊接至连接部件上。传统的塑性焊接技术，如热板焊接，对于可靠地焊接HDPE内衬62和连接部件82是有效的。
连接部件82的固定是通过一刻有螺纹的止动螺母92而得到增强的，螺母92通过管口中的增压口68旋进，而将伸长的套筒84的顶端锁定至抵靠颈64的阶形内侧壁93。一个O形密封圈94被置于止动螺母92和连接部件82之间。
通过改变主泄漏路径的位置，图3所示的管口结构有利于减小从内衬62向压力容器的颈和止动螺母的上游泄漏的危险，所述主泄漏路径就是连接部件82上的套筒84的顶端与管口56的接合处。结果，接合处不再承受容器内所含压力，并且泄漏的可能性因此而降低。此外，图3的实施例使管口56与含在容器58中的流体隔离开，并因此防止：1)压力容器内的流体成分的污染；和2)管口的腐蚀。
应当理解，在不脱离其精神和主要特征的情况下，本发明可以其它特定方式实施。因此，本文的例子和实施方式是以例证性地而非限制性地从各方面给予考虑，并且，本发明并不限于这里所给出的细节。

Claims (9)

1.一种用于压力容器(10)的改进的管口，所述压力容器具有一个丝绕制外壳(12)和一个非金属内衬(14)，该系统包括具有一个通过外壳(12)中的一个开口(18)向外伸出的管状颈(24)的管口和一个在容器(10)内从颈(24)的一端径向延伸的环形支撑缘(28)，该环形支撑缘(28)具有一个用于增强外壳(12)中的开口(18)的周边的外表面(30)，其特征在于一个在环形支撑缘(28)的外表面(30)中的一般为燕尾槽形的第一锁槽(40)，一个在环形支撑缘(28)的内表面(38)中的一般为燕尾槽形的第二锁槽(42)，在环形支撑缘(28)处被用环形支撑缘(28)之外的外部和环形支撑缘(28)之内的内部分离开的衬(14)，用于在环形支撑缘(28)的外表面(30)内锁定第一锁槽(40)的衬(14)外部上的一般为燕尾形的第一凸棱(44)，以及用于在环形支撑缘(28)的内表面(38)内锁定第二锁槽(42)的衬(14)内部上的一般为燕尾形的第二凸棱(46)。
2.如权利要求1所述的改进的管口，其特征在于一个与衬(14)相分离的剪应力减缓垫片(22)插于环形支撑缘(28)的外表面(30)和外壳(12)的内表面之间，以调节容器(10)增压期间两者间的相对滑动。
3.如权利要求1所述的改进的管口，其特征在于包括一个插于环形支撑缘(28)的外表面(30)和外壳(12)的内表面之间的一个剪应力减缓垫片(22)，以调节容器(10)增压期间两者间的相对滑动。
4.如权利要求2或3所述的改进的管口，其特征在于剪应力减缓垫片(22)是由热凝合成橡胶制成的。
5.如权利要求1所述的改进的管口，其特征在于包括从环形支撑缘(28)径向延伸的安装缘(32)并具有外壳(12)向内间隔开的外表面(34)，一般为燕尾形的第一锁槽(40)位于安装缘(32)的外表面(34)内。
6.如权利要求5所述的改进的管口，其特征在于安装缘(32)具有一个内表面(36)，它从环形支撑缘(28)的内表面(38)偏移开。
7.如权利要求8所述的改进的管口，其特征在于一般为燕尾形的第二锁槽(42)在安装缘(32)的内表面(36)内。
8.如权利要求5所述的改进的管口，其特征在于安装缘(32)的外表面(34)从环形支撑缘(28)的外表面(30)偏移开。
9.如权利要求1所述的改进的管口，其特征在于管口(16)包括由铝、钢、镍和钛的合金或复合材料组成的族中所选出的一种材料。
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