EP1033188A1 - Procédé de formage d'enveloppe, enveloppe ainsi obtenue, et utilisation de telles enveloppes - Google Patents

Procédé de formage d'enveloppe, enveloppe ainsi obtenue, et utilisation de telles enveloppes Download PDF

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EP1033188A1
EP1033188A1 EP00400185A EP00400185A EP1033188A1 EP 1033188 A1 EP1033188 A1 EP 1033188A1 EP 00400185 A EP00400185 A EP 00400185A EP 00400185 A EP00400185 A EP 00400185A EP 1033188 A1 EP1033188 A1 EP 1033188A1
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EP
European Patent Office
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blank
envelope
stainless steel
liquid nitrogen
final
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Withdrawn
Application number
EP00400185A
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German (de)
English (en)
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Louis Charleux
Alain Faure
Laurent Gourgeon
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F17C2270/0197—Rockets

Definitions

  • the present invention relates to the forming of envelopes of revolution, of generally spherical configuration, by internal pressurization at cryogenic temperature of an envelope blank.
  • Cryoforming of envelopes consists of forming parts of revolution metal, typically stainless steel, under pressure and temperature cryogenic. During forming, the metal is hardened by stretching, this work hardening very strongly increasing the mechanical resistance of the material, in particular for certain austenitic stainless steels by transformation martensitic of the steel structure. We thus obtain envelopes having an excellent relationship between their mass of metal and the pressure of usable service.
  • the object of the present invention is to propose a forming method spherical or substantially spherical envelopes greatly reducing manufacturing costs without reducing the mechanical strength qualities of final envelopes obtained.
  • the blank used consists of at least two coaxial developable portions made from sheets, that is to say typically frustoconical elements, cylindrical and flat discs.
  • the present invention also aims to provide at least substantially spherical envelopes, in particular reservoirs for gas or cryogenic liquid on board naked or in the form of "liner” then externally wound, obtained by this process, and the use of such envelopes as on-board tanks.
  • Figures 1 and 2 show a thermally insulated tank 1 closed by a thermally insulating cover 2 and defining a chamber interior in which a fixed frame is arranged, in particular with columns guide 3 for vertically guiding a mobile chassis 4.
  • an envelope blank 5 is attached by its upper part to the cover 2 by means of a hanging device 6 and, similarly, is hooked by its end lower than the movable chassis 4 via a fastening device 7 vertically aligned with the fastening device 6.
  • a spherical envelope 50 (figures 2 and 3) we start from a cylindrical-conical blank 5 constituted, in the example shown, by assembling or welding at least one cylindrical shell central 8 and two frustoconical end portions 9 each closed by a transverse plane disc 10, all coaxial with axis 11.
  • the overall profile of the blank 5 is substantially inscribed in a circle of slightly smaller radius, of the order of 4 to 5% of that of the sphere of the final envelope sought.
  • the blank is transformed under the effect of pressure into a first sphere in which the initial draft fits.
  • the sizes of the cylindrical shell, frustoconical parts and discs are calculated so that the transformation into a sphere results in an equivalent deformation of the metal in each portion of the blank (work hardening rate of the order of 5 to 6%).
  • the frustoconical halves 9 and the cylindrical shell 8 may have different proportions.
  • the cylindrical shell 8 can be reduced and the frustoconical parts 9 can be split in two trunks of successive cones.
  • the fastening devices 6 and 7 are fixed to the end discs 10, coaxial with axis 11, then hooked to cover 2 and mobile frame 4 in the high position in its columns or guide rails 3.
  • the tank 1 and the blank 5 are filled with liquid nitrogen 12 at the ambient pressure completely enveloping the blank 5.
  • Liquid nitrogen is then injected, under increasing pressure, by a pump 13, via a line 14 passing through the suspension device 6, for pressurizing internally the blank 5. This deforms plastically, in rounding down to gradually adopt the final spherical shape 50.
  • Particularly suitable materials are those which, among austenitic stainless steels, good processing capacity martensitic.
  • AISI 301 austenitic stainless steel has the best capacities for this martensitic transformation and possesses, once cryoformed, high mechanical strength characteristics (from 1500 MPa to 1800 MPa). In the case of cryogenic applications, AISI 301 stainless steel cryoformed may show embrittlement when used below 77 K.
  • steel AISI 304 L stainless steel with poorer cryoformability (mechanical resistance from 1000 to 1200 MPa) but which, in return, allows use at 4 K.
  • the other austenitic stainless steels of the series AISI 300 can also be used.
  • the size of the final envelope is controlled by a measuring device in order to complete the pressurization when the desired size is reached.
  • the pressurization time is variable depending on the type of pump used, it is typically around 30 to 45 minutes. Maximum pressure at the end may vary from 50 bars to 800 bars depending on the final application aimed.
  • the concentricity of the poles 6 and 7 is guaranteed by the guide 3, 4. A once the final dimension is reached, the pressure is maintained for approximately 5 minutes then the envelope is depressurized quickly until the pressure atmospheric.
  • the structure 2 is then removed from the liquid nitrogen bath 12 and the final envelope 50 drained of its liquid nitrogen by nitrogen sweeping gaseous.
  • the envelope 50 is then removed from the structure 2 in order to be able install a new blank 5 and thus save the nitrogen bath.
  • the envelope 50 then rises in temperature by natural convection.
  • a double-acting cylinder 15 is disposed between the fixed frame 1,2 and the movable frame 4, for example via a caliper force transmission structure 16.
  • the operations are similar to those described above.
  • a force is also applied with the jack 15 between the structure 2 and the chassis 4, in tension or compression, thus making it possible to modify and adjust the diameter at poles 6 and 7 of the final envelope.
  • This variant will be used if the targeted application requires for the final envelope structural strength characteristics in addition to its resistance to pressure (application of forces and moments to the poles during use). For example, increasing the diameter at poles 6 and 7 will increase the buckling resistance of the final envelope in the axis of these poles.
  • the material of the envelope thus formed has an elastic limit approximately 1000 MPa and a breaking strength of the order of 1200 MPa.
  • a final sphere with a diameter of 700 mm in 301 stainless steel and 4.1 mm thick from steel sheets stainless steel 301 thick 4.7 mm.
  • This sphere is intended to be used as a helium pressurization tank.
  • the sphere has a pressure of 240 bar service at 100 K (helium stored at 100 K) and a coefficient of security on breakage of 2.
  • a final sphere with a diameter 660 mm and 3.6 mm thick from 301 stainless steel sheets 4.1 mm thick.
  • This sphere is intended to be used as a reservoir helium pressurization.
  • the sphere has an operating pressure of 230 bar at 100 K (helium stored at 100 K) and a safety factor on rupture of 2; its weight is equivalent to that of a sphere of the same diameter in alloy of titanium TA5E-ELl.
  • the mechanical characteristics of the envelopes thus produced allow high pressure gas tanks to be produced at low cost in particular helium storage for satellite launcher or tanks xenon or helium for satellites with performance similar to titanium alloy tanks for much lower costs.
  • the process is also particularly suitable for making "liners" (envelope internal metallic seal and on which Kevlar TM fibers, glass fibers and / or carbon are wound) for composite tanks wound, thus advantageously replacing the current liners which are made of titanium or aluminum and greatly reduce the cost of the tank final, because they are machined from stamped blanks.
  • at least one final shaping matrix can be arranged, in the tank 1, around an area of the blank to impose on the latter, during of its expansion, the general profile of the matrix.

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Abstract

L'ébauche (5), immergée dans un bain (12) d'azote liquide, et pressurisée intérieurement par de l'azote liquide sous pression (13), pour la réalisation d'une enveloppe finale sensiblement sphérique, est réalisée sous la forme d'un assemblage de cylindres (8) de troncs de cônes (9) et de disques frontaux réalisés à partir de tôles en acier inoxydable. Application notamment à la réalisation de réservoirs de gaz embarqués. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne le formage d'enveloppes de révolution, de configuration générale sensiblement sphérique, par pressurisation interne à température cryogénique d'une ébauche d'enveloppe.
Le cryoformage d'enveloppes consiste à former des pièces de révolution en métal, typiquement en acier inoxydable, sous pression et à température cryogénique. Lors du formage, le métal est écroui par étirement, cet écrouissage augmentant très fortement la résistance mécanique du matériau, en particulier pour certains aciers inoxydables austénitiques par transformation martensitique de la structure de l'acier. On obtient ainsi des enveloppes possédant un excellent rapport entre leur masse de métal et la pression de service utilisable.
Jusqu'à présent, les ébauches d'enveloppes à écrouir présentent la même configuration géométrique, cylindrique ou sphérique, que l'enveloppe finale à obtenir. Pour les enveloppes sphériques, la réalisation d'ébauches elles-mêmes sensiblement sphériques obère considérablement les coûts de fabrication.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de formage d'enveloppes sphériques ou sensiblement sphériques réduisant grandement les coûts de fabrication sans réduire les qualités de résistance mécanique des enveloppes finales obtenues.
Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, l'ébauche utilisée est constituée sous forme d'au moins deux portions développables coaxiales réalisées à partir de tôles, c'est-à-dire typiquement des éléments tronconiques, cylindriques et disques plans.
Selon d'autres caractéristiques plus particulières de l'invention :
  • L'ébauche est constituée d'au moins trois portions de révolution développables,
  • La pressurisation interne est effectuée par de l'azote liquide sous pression.
  • Pendant le formage, l'ébauche est immergée dans un bain d'azote liquide :
  • La déformation en expansion de l'ébauche est guidée mécaniquement et, le cas échéant, assistée ou modulée mécaniquement.
La présente invention a également pour objet de proposer des enveloppes au moins sensiblement sphériques, notamment des réservoirs de gaz ou de liquide cryogénique embarqués nus ou sous la forme de "liner" ensuite bobinés extérieurement, obtenus par ce procédé, et l'utilisation de telles enveloppes comme réservoirs embarqués.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
  • La figure 1 est une vue très schématique en coupe verticale d'une installation de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, l'ébauche étant mise en place mais non pressurisée ;
  • La figure 2 est une vue analogue à la figure 1 montrant la fin de la mise en oeuvre du procédé, avec l'enveloppe mise en forme ;
  • La figure 3 superpose les contours de l'ébauche de départ selon l'invention et de l'enveloppe finale.
  • La figure 4 est une vue analogue à la Figure 1 montrant une variante de réalisation pour la mise en oeuvre d'un procédé particulier selon l'invention.
    • Sur les figures 1 et 2 on a représenté une cuve thermiquement isolée 1 fermée par un couvercle thermiquement isolant 2 et définissant une chambre intérieure dans laquelle est disposé un bâti fixe avec notamment des colonnes de guidage 3 pour guider verticalement un châssis mobile 4.
    Dans le procédé selon l'invention, une ébauche d'enveloppe 5 est accrochée par sa partie supérieure au couvercle 2 par l'intermédiaire d'un dispositif d'accrochage 6 et, de façon similaire, est accrochée par son extrémité inférieure au châssis mobile 4 par l'intermédiaire d'un dispositif d'attache 7 aligné verticalement avec le dispositif d'attache 6.
    Selon l'invention, pour l'obtention d'une enveloppe sphérique 50 (figures 2 et 3) on part d'une ébauche 5 cylindro-conique constituée, dans l'exemple représenté, par assemblage ou soudage d'au moins une virole cylindrique centrale 8 et de deux portions d'extrémité tronconiques 9 chacune fermée par un disque plan transversal 10, toutes coaxiales d'axe 11. Comme on peut voir sur la figure 3, le profil hors tout de l'ébauche 5 est sensiblement inscrit dans un cercle de rayon légèrement inférieur, de l'ordre de 4 à 5% de celui de la sphère de l'enveloppe finale recherchée. Lors de la mise en pression, l'ébauche se transforme sous l'effet de la pression en une première sphère dans laquelle l'ébauche de départ s'inscrit. Les tailles de la virole cylindrique, des parties tronconiques et des disques sont calculées de manière à ce que la transformation en sphère résulte en une déformation du métal équivalente dans chaque portion de l'ébauche (taux d'écrouissage de l'ordre de 5 à 6 %). Selon la forme de l'enveloppe finale recherchée (sphérique ou quasi-sphérique), les moitiés tronconiques 9 et la virole cylindrique 8 peuvent avoir des proportions différentes. Afin de limiter les déformations initiales (transformation de l'ébauche en première sphère), la virole cylindrique 8 peut être réduite et les parties tronconiques 9 peuvent être dédoublées en deux troncs de cônes successifs. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention est la suivante :
    Les dispositifs d'attache 6 et 7 sont fixés sur les disques d'extrémité 10, coaxialement à l'axe 11, puis accrochés au couvercle 2 et au châssis mobile 4 en position haute dans ses colonnes ou glissières de guidage 3.
    La cuve 1, ainsi que l'ébauche 5 sont remplies d'azote liquide 12 à la pression ambiante enveloppant complètement l'ébauche 5. De l'azote liquide est ensuite injecté, sous pression croissante, par une pompe 13, via une canalisation 14 passant dans le dispositif de suspension 6, pour pressuriser intérieurement l'ébauche 5. Celle-ci se déforme plastiquement, en s'arrondissant pour venir progressivement adopter la forme finale sphérique 50.
    Les matériaux particulièrement adaptés sont ceux qui présentent, parmi les aciers inoxydable austénitiques, une bonne capacité de transformation martensitique. L'acier inoxydable austénitique AISI 301 présente les meilleures capacités à cette transformation martensitique et possède, une fois cryoformé, des caractéristiques de résistance mécanique élevées (de 1500 MPa à 1800 MPa). Dans le cas d'applications cryogéniques, l'acier inoxydable AISI 301 cryoformé peut présenter une fragilisation dans le cadre d'une utilisation au-dessous de 77 K. On préférera alors utiliser comme métal de base de l'acier inoxydable AISI 304 L qui présente une moins bonne aptitude au cryoformage (résistance mécanique de 1000 à 1200 MPa) mais qui, en contrepartie, permet une utilisation à 4 K. Les autres aciers inoxydables austénitiques de la série AISI 300 peuvent aussi être utilisés.
    La taille de l'enveloppe finale est contrôlée par un dispositif de mesure afin de terminer la pressurisation lorsque la taille est souhaitée est atteinte. La durée de la pressurisation est variable en fonction du type de pompe utilisée, elle est typiquement de l'ordre de 30 à 45 minutes. La pression maximale en fin de formage peut varier de 50 bars à 800 bars en fonction de l'application finale visée. La concentricité des pôles 6 et 7 est garantie par le guidage 3, 4. Une fois la dimension finale atteinte, la pression est maintenue pendant environ 5 minutes puis l'enveloppe est dépressurisée rapidement jusqu'à la pression atmosphérique. La structure 2 est ensuite retirée du bain d'azote liquide 12 et l'enveloppe finale 50 vidangée de son azote liquide par balayage à l'azote gazeux. L'enveloppe 50 est ensuite démontée de la structure 2 pour pouvoir installer une nouvelle ébauche 5 et économiser ainsi le bain d'azote. L'enveloppe 50 remonte ensuite en température par convection naturelle.
    Dans la variante illustrée sur la figure 4, un vérin à double action 15 est disposé entre le bâti fixe 1,2 et le châssis mobile 4, par exemple via une structure de transmission de force en étrier 16. Les opérations sont similaires à celles décrites précédemment. Au cours de la pressurisation de l'ébauche 5 par de l'azote liquide, on applique en plus un effort avec le vérin 15 entre la structure 2 et le châssis 4, en traction ou en compression, permettant ainsi de modifier et ajuster le diamètre aux pôles 6 et 7 de l'enveloppe finale. Cette variante sera utilisée si l'application visée nécessite pour l'enveloppe finale des caractéristiques de résistance structurelle en plus de sa résistance à la pression (application de forces et de moments aux pôles durant l'utilisation). Par exemple, en augmentant le diamètre aux pôles 6 et 7, on augmentera la résistance au flambage de l'enveloppe finale dans l'axe de ces pôles.
    Dans un exemple de réalisation, on réalise une sphère finale 50 d'un diamètre d'environ 1 mètre en acier inoxydable 304L d'épaisseur finale 1,62mm à partir d'une ébauche réalisée en tôles d'épaisseur 2 mm, avec la séquence suivante :
    • pressurisation de l'ébauche immergée par de l'azote liquide jusqu'à une pression maximale d'environ 100 bars sur une période d'environ 45 minutes; on maintient la pression maximale pendant une durée de 5 minutes,
    • puis on dépressurise l'enveloppe jusqu'à Pa, sur une période inférieure à 1 minute.
    Le matériau de l'enveloppe ainsi formée présente une limite élastique d'environ 1000 MPa et une résistance à la rupture de l'ordre de 1200 MPa.
    Dans un autre exemple, on réalise une sphère finale d'un diamètre de 700 mm en acier inoxydable 301 et d'épaisseur 4.1 mm à partir de tôles d'acier inoxydable 301 d'épaisseur 4.7 mm. Cette sphère est destinée à être utilisée comme réservoir de pressurisation hélium. La sphère a une pression de service de 240 bars à 100 K (hélium stocké à 100 K) et un coefficient de sécurité sur la rupture de 2.
    Dans un dernier exemple, on réalise une sphère finale d'un diamètre de 660 mm et d'épaisseur 3.6 mm à partir de tôles d'acier inoxydable 301 d'épaisseur 4.1 mm. Cette sphère est destinée à être utilisée comme réservoir de pressurisation hélium. La sphère a une pression de service de 230 bars à 100 K (hélium stocké à 100 K) et un coefficient de sécurité sur la rupture de 2; son poids est équivalent à celui d'une sphère de même diamètre en alliage de titane TA5E-ELl.
    Les caractéristiques mécaniques des enveloppes ainsi réalisées permettent de réaliser à moindre coût des réservoirs de gaz haute pression notamment des stockages d'hélium pour lanceur de satellite ou des réservoirs de xénon ou d'hélium pour satellites avec des performances similaires aux réservoirs en alliage de titane et ce pour des coûts, bien inférieurs. Le procédé est aussi particulièrement adapté à la réalisation de "liners" (enveloppe métallique interne assurant l'étanchéité et sur laquelle des fibres de Kevlar ™, des fibres de verre et/ou le carbone sont bobinées) pour réservoirs composites bobinés, en se substituant ainsi avantageusement aux liners actuels qui sont réalisés en titane ou en aluminium et obèrent grandement le coût du réservoir finale, car ils sont usinés à partir d'ébauche matricées. Selon les formes finales requises, au moins une matrice de conformage final peut être disposée, dans la cuve 1, autour d'une zone de l'ébauche pour imposer à cette dernière, lors de son expansion, le profil général de la matrice.

    Claims (12)

    1. Procédé de formage d'enveloppe sensiblement sphérique par pressurisation interne à une température cryogénique d'une ébauche d'enveloppe, caractérisé en ce l'ébauche (5) est constituée sous forme d'au moins deux portions développables (9, 101, 8) coaxiales réalisées à partir de tôles.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche est constituée sous formes d'au moins trois portions de révolution développables coaxiales.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'ébauche (5) est pressurisée intérieurement par de l'azote liquide sous pression (13).
    4. Procédé selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'ébauche (5) est immergée dans un bain (12) d'azote liquide.
    5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que la déformation en expansion de l'ébauche est guidée (4,3).
    6. Procédé selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'ébauche (5) est suspendue à un point haut fixe (6) et a son extrémité inférieure solidaire d'un châssis mobile (4) guidé à coulissement.
    7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on sollicite en outre (15) le châssis mobile (14) parallèlement à l'axe de l'ébauche (5) pendant la pressurisation de cette dernière.
    8. Enveloppe obtenue par un procédé selon l'une des revendications précédentes.
    9. Enveloppe selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en acier inoxydable austénitique.
    10. Enveloppe selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en acier inoxydable de la série AISI 300.
    11. Enveloppe selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce qu'elle est entourée d'un bobinage d'au moins une fibre choisie dans le groupe comprenant le Kevlar, la fibre de verre ou le carbone.
    12. Utilisation d'une enveloppe selon les revendications 8 à 11 comme réservoir de gaz embarqué.
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