CN1074990A - 流体压力容器的接管与衬里的连接系统 - Google Patents

Abstract

流体压力容器包括有筒形侧壁与带两个轴向开 孔的第一和第二拱形端部的复合外壳。不透流体的 衬里对着外壳的内表面并有两个开孔，每个开孔与外 壳的相应开孔对准并邻接。两接管置于外壳和衬里 的相应开孔中。其改进在于接管包括筒形颈部和从 颈部径向外延的法兰盘，衬里开孔的周缘有覆盖法兰 盘顶部的径向内伸的第一区段和衬垫法兰盘底部的 从第一区段下边径向内伸的第二区段。第一和第二 区段形成环形凹口，以容纳和密封接管的法兰盘，将 其保持在容器中。

Description

本发明一般涉及包括非金属衬里的流体压力容器，具体涉及一种用于将此种压力容器所用的接管连接到衬里上的新的改进的系统和结构。

复合材料（纤维增强树脂基）容器或罐已被普遍用于贮存各种压力流体，包括贮存氧、天然气、氮、火箭燃料、丙烷等。此种复合材料结构具有许多优点，如重量轻和耐腐蚀、抗疲劳、抗突然失效。这种重量轻和抗失效的结合之所以可能，归功于增强纤维或增强丝（碳、玻璃、芳族聚酰胺等）的高强度，在压力容器结构中，这些纤维通常沿主力方向取向。

因为复合材料压力容器（壳体）的树脂基体在操作和使用期间容易产生破裂和裂纹，所以压力容器常常装有防流体渗透的衬里。虽然最常用金属衬里，但也使用合成橡胶和热塑性塑料衬里。有利的情况是，衬里不但设计成防止压力容器渗漏，而且用作压力容器制造期间的型芯，也就是用于限定复合材料壳体的外形轮廓。

当重量轻的复合材料壳体被用于承受大部分负载而衬里承受小负载时，结构效率达到最大;因此，如果使用金属衬里，那么衬里必须相当薄，以便减轻重量。但是，薄的金属衬里其疲劳寿命短，由于为了延长寿命而牺牲重量轻这一问题（反之亦然），用户愈来愈注意到使用重量较轻而防渗的非金属衬里。

使用非金属衬里的一个问题是将衬里牢固地连接到通常为金属的压力容器接管上。端部接管支承进出压力容器的流体通道，同时通过在压力容器的两端或两极提供纤维转盘并在如果使用绕丝构成壳体时提供型芯支承，从而可以在复合材料壳体的制造中起作用。当使用金属衬里时，此种接管通常与衬里整体制造，但是随着非金属衬里使用的增加，已经需要将接管连接到衬里上的其他方法。某些将非金属衬里连接到接管上的先有技术包括将接管胶粘结合在衬里上（如果衬里有足够刚性）和简单依靠压力容器中的内压来提供接管一衬里密封（如果衬里为柔性的可折叠膜）。附图中图2和图3举例说明了这两种将非金属衬里连接到接管上的方法，过一会儿将会讨论。

但是，上述两种方法产生的问题包括在疲劳循环或在金属（接管）对非金属（衬里）的结合暴露于某种环境下的断裂，和由于大多数金属与非金属之间热膨胀系数明显不同而产生的结合的分离，以及衬里在壳体中的移动（如果只依靠内压）产生的通过接管一衬里结合部的渗漏通路。

除了需要将衬里合适地连接到接管上以外，同样重要的是在复合材料壳体/金属接管界面上形成一个剪切层，以减小在该界面上产生大的剪切应力的倾向。过去已经使用过橡胶复合物作为此种剪切层，但这类复合物随着时间的推移易于分离。

本发明的一个目的是提供一种用于将流体压力容器的衬里连接到压力容器端部接管上的新的改进的系统。

本发明的另一个目的是提供这样一种系统，它特别适合于将非金属衬里连接到金属或类似的刚性接管上。

本发明的又一个目的是提供这样一种系统，其中压力容器衬里和接管之间的流体渗漏的可能性减小了。

本发明的一个附加目的是提供这样一种系统，其中，压力容器衬里/接管连接结构也起压力容器的外壳和接管之间的剪切层的作用。

本发明的另外一个目的是提供这样一种系统，其中，压力容器中的内部流体压力被用来增强衬里与接管的连接。

本发明的上述和其他目的在一个用于保持流体的压力容器的专门举例说明的实施例中得到实现，该压力容器包括一个由基本上刚性的机械强度高的材料如纤维增强树脂复合材料制成的外壳，并具有至少一个其中带开孔的扁球形端部区段。压力容器还包括一个接管，接管具有一个装入外壳开孔的颈部和一个从颈部的一端向外延伸的法兰部分。在外壳内部对着其内表面设置了一个通常不渗透流体的内部衬里，衬里包括至少一个端部区段，后者带一个与外壳开孔对准的开孔。内部衬里有一个环绕衬里开孔的双层唇形结构，它具有一个上唇部分和一个下唇部分，两部分之间有一个环形凹口，用以容纳和保持接管的法兰部分。实际上，接管的法兰部分被密封在衬里的上下唇部分之间的凹口内，凹口将法兰部分牢固地保持在其位置上。

按照本发明的一个方面，接管包括一个延伸通过颈部的通常为圆筒形的空心通道，在颈部延伸出法兰部分的一端形成一个第一开孔，在颈部的另一端形成一个第二开孔。下唇部分在接管的法兰部分下方沿径向向内延伸，然后向上通过第一开孔并沿接管的空心通道壁伸到一个位置，在该位置上一个附属装置或附件如阀门通过第二开孔装入空心通道。衬里以这种方式直接接合到此附件上，以形成一个更加防漏的结合部。

考虑下述与附图一起提供的详细说明，将会清楚本发明的上述和其他目的、特点和优点。附图中：

图1是一个本发明特别适用的那种类型的复合材料容器的侧面立视图;

图2是一个按照常规先有技术方法的带有合成橡胶衬里的复合材料容器的侧视局部截面图，衬里仅仅利用容器内流体的内压连接到接管上;

图3是一个复合材料容器的侧视局部截面图，该复合材料容器具有一个以常规方式结合到接管上去的刚性的非金属衬里;

图4是一个按照本发明原理制成的流体压力容器的侧视局部截面图;

图5A和5B分别表示一个按照本发明原理制成的压力容器接管的顶视平面图和一个沿图5A中A-A线截取的接管的侧视截面图。

参考附图，图1表示一个可以使用本发明的典型的复合材料（纤维增强树脂）压力容器4。容器4包括一个通常为空筒的中心区8和两个整体结合的扁球形端部区12和16。端部区12和16包括轴向对准的开孔20和24，开孔中分别设置了作为出入口的接管28和32。如前所述，接管28和32通常用金属或金属合金制成，并且可以装设阀门之类的附件，使得能够将流体供入压力容器4或从容器4中取出流体。在压力容器的制造期间，接管28和32通常也用作纤维转盘和型芯支承。

虽然接管28和32图示位于端部区12和16，有时被称作极区，但接管也可以置于其他位置，并可以设置两个以上的接管。同样，也可以提供完全球形的容器，就象可以提供其他常规的容器形状一样，接管则设置在所希望的位置上。

图2和图3表示将图1所示类型的容器中所用的非金属衬里连接到端部接管上去的先有技术方法。具体地说，图2表示一个复合材料容器的壳体40的侧视局部截面图，壳体40中设置了一个合成橡胶衬里44。衬里44的位置对着壳体40的内表面并延伸到壳体的开孔48中。接管52设置在开孔48中，它包括一个下法兰部分56，后者的位置对着围绕开孔48的衬里44。采用这种先有技术构型，容器中对着接管52的内压被用来帮助对着接管密封衬里44。但是，在容器内部出现真空的情况下，密封多半会破坏，将污染物引入容器中，并在接管52和衬里44之间形成渗漏通路。即使对准备作高压用途的容器也常常出现内部真空，比如一个容器部分地充满流体然后冷却而产生出真空。

图3用侧视局部截面图示出一个压力容器的壳体60，其中设置了一个刚性的非金属衬里64。接管68设置在壳体60的开孔72中并粘结在衬里的顶壁64a上，以便在衬里和接管之间提供所需的密封。但是，如前所述，非金属材料（如塑料）对金属的粘结在用于接管一衬里连接时是难于维持的，它通常随着时间和使用而变坏，导致接管一衬里界面上的渗漏。

图4表示一种按照本发明制造的流体压力容器80的侧视局部截面图。压力容器80包括一个外壳84，后者具有一个空筒形中心区84a和两个（仅图示一个）与中心区整体形成的扁球形（通常为椭球形）的端部区84b。如图4所示，端部区84b中形成轴向对准的开孔88（仅图示其中之一）。壳体84是以常规方式用纤维增强树脂复合材料制成的。

在壳体84内部设置了例如由聚乙烯、尼龙聚酰胺或对苯二甲酸聚乙烯（PET）之类热塑性材料制成的不渗透流体的衬里94。衬里94对着壳体84的内表面设置，因此具有与壳体同样的总体形状，并包括一对与壳体的相应开孔88对准的开孔98（只图示了其中一个）。

端部接管104相应地设置在壳体和衬里的相邻开孔88和98中，接管通常用铝或碳铬钼合金钢之类金属或金属合金制成。接管104有一个轴向圆筒形空心通道或孔108，其上部108a用于接受阀门之类的附件，以便将流体供入容器80或从容器80中取出。如图5B中最清楚地看到的，接管104也有一个通常为圆筒形的颈部112，它安装在壳体84的开孔88内，一个法兰盘或法兰部分116从颈部下端沿径向向外延伸。法兰部分116的下表面通常为凸形，并在法兰下表面和空心通道108的内侧壁118之间包括修圆的边缘116a。同样，法兰部分116的顶部和颈部112之间的过渡区116b是光滑和修圆的。这样做的原因是有助于减少接管和仿照接管轮廓的衬里中的应力集中，这一点将在下面说明。

接管104的空心通道108中形成了一个圆周沟槽120（见图5B），如下边将说明的，这个沟槽用于接受一部分衬里94，以有助于将衬里牢固地保持在其位置上。

如图4中清楚地看到的，围绕衬里94中开口98的那部分衬里94形成双唇形配置，它包括一个上唇部分124，当接管就位时该上唇部分124环绕接管104的颈部112，并覆盖接管的法兰部分116的上表面。衬里94的双唇形结构还包括一个下唇部分128，该下唇部分在接管的法兰部分116的下表面下方从上唇部分124的下侧沿径向向内延伸，然后沿空心通道的壁118向上进入空心通道108，这也可从图4中清楚见到。下唇部分128的终端形成一个环形圈128a，装入接管104的圆周沟槽120，用于将下唇部分128保持在空心通道108中。上唇部分124和下唇部分128在这两个部分之间限定一个环形凹口132，用以容纳并在实际上密封和保持接管104的法兰部分116，如图4中所示。

利用衬里94的双唇形结构和带法兰部分116的接管104的设计，就不需要将接管粘结到衬里上了，因为上述法兰部分116已被容纳和封闭在唇形部分124和128之间的凹口132内。接管104的设计也兼顾利用压力容器中的内部流体压力，以增强衬里94在接管上的附着。特别是，内部压力迫使下唇部分128顶着法兰部分116的底部表面和顶着空心通道108的壁118。此种压力也迫使下唇部分128的环圈128a进入圆周沟槽120。这个沟槽120和下唇部分128的环圈128a在沟槽中的锁定用于在增压和减压期间防止衬里94滑脱。同时，将空心通道108中的下唇部分128定位在圆周沟槽120的位置上，能够在衬里94和空心通道108的入口部分108a之间形成一个直接的接合（该处将接受一个附件，如阀门），从而尽可能减少产生渗漏通路之类的情况。

衬里94的上唇部分124设置在接管104和壳体84之间，特别是设置在接管的法兰部分116和壳体84之间，起前面提到的剪切层的作用。

为了增强接管104和衬里94之间的扭矩传递，在法兰部分116的周边上间隔地设置了轮牙或切口136，如图5A中清楚地见到的。这些切口136被安置成与上唇部分124和下唇部分128之间的环形凹口132的壁相接触，以有助于接管和衬里之间的扭矩或剪力传递。接管104的法兰部分116的上表面和下表面也可以弄粗糙或以其他方法处理，以分别防止在上唇部分124和下唇部分128上的滑动，从而进一步增强扭矩传递。

可以理解，上述配置仅仅举例说明本发明原理的应用。本技术领域的普通技术人员可以设计许多变型和替换的配置而不偏离本发明的精神和范围，而所附的权利要求将包括这样的变型和配置。

Claims (14)

1、一种保持流体用的压力容器，包括：

一个外壳，它由基本上刚性的机械强度高的材料制成，并具有至少一个其中带开孔的扁球形端部区段；

接管装置，它具有一个装入所述外壳中的开孔的颈部和一个从颈部的一端向外延伸的法兰部分，接管装置还具有一个大体上与所述外壳中的开孔对准的通常为圆筒形的空心通道；

一个通常不渗透流体的内部衬里，它设置在所述外壳内部对着外壳的内表面，并具有至少一个端部区段，后者带有一个与所述外壳中的开孔对准的开孔，所述内部衬里有一个环绕所述衬里的开孔的双层唇形结构，该双层唇形结构有一个上唇部分和一个下唇部分，在这两部分之间有一个环形凹口，用于在其间容纳和保持所述接管装置的法兰部分，所述上唇部分被保持在所述外壳的内表面和接管装置的一个表面之间，而所述下唇部分在接管装置的法兰部分的下方沿径向向内延伸，然后沿所述空心通道的内壁向上进入接管装置的空心通道；以及

将所述下唇部分保持在所述空心通道内位置上的保持装置。

2、一种如权利要求1所述的压力容器，其特征是，所述外壳是用复合的纤维增强树脂材料制成的，所述内部衬里是用非金属材料制成的，而所述接管装置是用金属或金属合金制成的。

3、一种如权利要求1所述的压力容器，其特征是，所述法兰部分包括一个下表面和一个上表面，所述下唇部分在该下表面下方延伸，所述上唇部分在该上表面上方延伸，所述下表面通常沿径向成凸面，并且在该下表面和所述空心通道的内壁之间包括修圆的边缘。

4、一种如权利要求3所述的压力容器，其特征是，所述接管装置的法兰部分的下表面和上表面具有不滑的粗糙结构，以分别防止在所述下唇部分和上唇部分上面的滑动。

5、一种如权利要求1所述的压力容器，其特征是，所述保持装置包括一个在所述空心通道内壁中形成的圆周沟槽，所述下唇部分终止于一个装入所述空心通道的沟槽中的环形圈。

6、一种如权利要求1所述的压力容器，其特征是，所述接管装置的法兰部分包括一个具有在其周边间隔设置的多个切口的外缘，所述切口用于接触所述双层唇形结构的凹口壁。

7、一种如权利要求5所述的压力容器，其特征是，所述空心通道包括一个第一部分和一个入口部分，该第一部分具有一个容纳所述下唇部分用的第一直径，该入口部分具有一个容纳附属装置用的比第一直径大的直径，其中，所述沟槽形成于所述空心通道中第一部分和入口部分之间，使得当所述环形圈装入该沟槽时，一个装在入口部分中的附属装置接合到该环形圈上。

8、一种如权利要求7所述的压力容器，其特征是，所述沟槽在沟槽和所述空心通道第一部分之间形成一个台阶，所述环形圈就安置在该台阶上。

9、一种压力容器，具有一个复合材料结构的外部壳体、一个不渗透流体的内部衬里和一对端部接管，上述外部壳体有一个圆筒形侧壁以及带两个轴向对准的端部开孔的第一和和二圆拱形端部区段，上述内部衬里的形状配对着壳体的内表面并具有两个开孔，每个开孔分别与所述壳体的一个开孔相对准并邻接，上述一对端部接管每个安置在所述壳体和衬里的相应的邻接开孔中，所述压力容器的特征在于：

每个接管具有一个圆筒形颈部、一个空心通道部分和一个从颈部沿径向向外延伸的环形法兰盘;

所述衬里的每个开孔的周边有一个沿径向向内伸出的第一区段和一个从第一区段下边沿径向向内伸出并沿相应的空心通道部分的侧壁向上进入该部分的第二区段，第一区段用于覆盖相应接管的法兰盘顶部，以便起所述接管和壳体之间的剪切层的作用，第二区段用于衬垫相应接管的法兰盘底部，上述第一和第二区段在其间形成一个环形凹口，用于在其中容纳和密封一个相应的法兰盘，使得当所述接管安装在所述壳体中时第一区段被保持在接管和壳体之间;以及

在所述空心通道部分中和第二区段上形成了用于将第二区段紧固在所述空心通道部分中的机构。

10、一种如权利要求9中所述的压力容器，其特征是，至少一个接管在其颈部中心形成一个洞孔，该洞孔的一端适合于在其中容纳一个延伸到洞孔中预定位置的附件，上述在其内部至少安置了一个接管的开孔周边的下部区段在一个接管的法兰盘下边向内延伸，并向上通过所述洞孔的另一端到上述预定位置，以接合所述附件。

11、一种如权利要求10所述的压力容器，其特征是，所述法兰盘的底部通常为凸面并形成粗糙表面，以防止衬里开孔周边的第二区段在该表面上滑动。

12、一种如权利要求10所述的压力容器，其特征是，上述洞孔在上述预定位置上形成一个环形沟槽，相应的第二区段包括一个延伸到该沟槽中的环形圈，用于啮合装在洞孔一端中的所述附件。

13、一种如权利要求10所述的压力容器，其特征是，上述法兰盘向外延伸而终结在一个周边上，该周边具有许多个以间隔位置围绕周边形成的切口，用于啮合所述凹口的壁。

14、一种如权利要求12所述的压力容器，其特征是，上述洞孔的一端具有一个第一直径，该洞孔的另一端具有一个比第一直径小的第二直径，上述沟槽形成于该洞孔的一端和另一端之间，以形成一个台阶，当所述附件被装入该洞孔的一端时，附件迫使第二区段的环形圈顶着上述台阶。

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