EP2601434B1 - Liaison entre liner métallique et structure composite dans la zone d'embase d'un réservoir - Google Patents

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EP2601434B1
EP2601434B1 EP11737977.6A EP11737977A EP2601434B1 EP 2601434 B1 EP2601434 B1 EP 2601434B1 EP 11737977 A EP11737977 A EP 11737977A EP 2601434 B1 EP2601434 B1 EP 2601434B1
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composite body
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Definitions

  • the present invention relates to a tank comprising a tank body, a liner and a composite body wound on the liner, and at least one base and in particular the connection between a metal liner and a composite structure in the base area of a. reservoir and applies in particular to a high performance reservoir made of composite materials, in particular a reservoir for fluid under high pressure.
  • the invention relates to the field of high performance wound composite tanks intended for the pressurized storage of fluids in particular for space applications, and even more particularly for the pressurized storage of cryogenic fluids.
  • High performance tanks are understood to mean tanks optimized in terms of mass, such as those used in the transport industries in general, space transport in particular.
  • High performance composite tanks intended for the storage of pressurized fluids are generally designed by separating the functions of sealing and mechanical resistance to pressure.
  • These tanks comprise a shell in principle thin made of metal or polymer called a "liner" which is responsible for ensuring the confinement of the fluid and in particular the sealing and / or the protection of the composite material wall of the tank vis-à-vis. fluid.
  • this shell is thin because it does not normally have a structural mechanical function and we seek to minimize the masses .
  • These reservoirs further comprise a coil of composite fibers which are then deposited by filament coil on the liner.
  • the role of this coil is to ensure the mechanical strength under pressure of the reservoir.
  • the emptying operations result in compression of the liner by the composite.
  • the liner may have a sufficient thickness to withstand this compression without buckling due to the technological minimum that can be used and the use of the liner as winding tool.
  • the total deformation of the liner linked on one side to the composite and on the other to the base, can become very significant.
  • the level of deformation in the liner is further accentuated by the differential thermal expansions between the metal liner and the composite shell. This high level of deformation can lead to problems of loss of tightness during successive pressure and temperature operating cycles.
  • the composite can then move freely, the sealing and maintenance of the bases being provided by the liner.
  • a conventional bonding is no longer suitable, and one must interpose a layer of material capable of ensuring the compatibility of the deformations by its flexibility in shear.
  • This layer of a material called a “shear ply” is conventionally an adhesive or an elastomeric ply chosen for its flexibility.
  • the object of the present invention is therefore to define a connection between liner and composite, and between liner, composite and base of a tank or capacity, in the case of high-pressure high-performance tanks optimized in terms of mass.
  • This connection has the characteristic of not using elastomeric bonding between the composite and the base of the reservoir.
  • the object of the invention is in particular to allow the design of a large cryogenic tank using composite materials.
  • the object of the invention is to make it possible to use a very thin metallic sealing liner, the minimum thickness of which is defined by the requirements for the life of the tank in terms of fatigue and tolerance to damage.
  • the present invention proposes to provide a junction between a tank body, comprising a liner and a composite body wound on the liner, and a base of said tank for which the liner and the composite body are bonded to one another on the liner. other with the exception of an annular region surrounding the base, as defined by claim 1.
  • the invention thus relates to a reservoir comprising a reservoir body, a liner and a composite body wound on the liner, and at least one base for which the liner and the composite body are bonded to one another with the exception of an annular junction region, between the reservoir body and the base, surrounding the base.
  • the invention ensures that the seal in the base area has the same robustness and reliability as the existing solutions on tanks of smaller dimensions and ensuring storage of non-cryogenic fluid.
  • the reservoir is of generally cylindrical shape with rounded ends, at least one of the ends comprising the base and the annular junction region surrounding the base.
  • the liner is connected to the base by welding or gluing.
  • the base comprises a collar, the coiled composite body extending onto the collar without being secured to this collar.
  • the composite body ends at the level of the base with a bead resting on the collar.
  • the base advantageously comprises a central cylindrical neck on which is mounted a flange for retaining the bead.
  • annular seal is arranged between the flange and the bead.
  • the collar is of decreasing thickness towards its periphery.
  • a layer of material with a low coefficient of friction is arranged between the liner and the composite body and between the flange and the composite body, the material having a low coefficient of friction.
  • coefficient of friction can be PTFE tape (acronym for polytetrafluoroethylene).
  • the liner is made of pure aluminum in the annealed state.
  • the liner is made of type 1050-O or 1100-O or 1050H111 type aluminum.
  • the invention further relates to a method of manufacturing the reservoir for which a step of assembling a liner with a base is carried out, then a composite body is wound onto the liner and a step of bonding the liner and the body is carried out. composite one on top of the other with the exception of an annular junction region, between the tank body and the base, surrounding the base.
  • a material with a low coefficient of friction is applied to said annular junction region, between the tank body and the base, surrounding the base before winding the composite body and gluing the liner and the composite body.
  • the figure 1 shows the top of a tank according to an example not forming part of the invention comprising a tank body 1, a liner 2 and a composite body 3 wound on the liner.
  • the tank is generally cylindrical with rounded ends, at least one of the ends comprising a base 4.
  • the base 4 at the top of the reservoir serves for example to receive the reservoir connection means for filling or emptying it.
  • the composite body is produced by winding composite fibers such as for example carbon fibers impregnated with resin and the composite body is wound on the liner and glued (19) on the liner.
  • the liner 2 and the composite body 3 are glued to one another on the cylindrical part 19 and on a part of the curved surface forming the dome of the tank comprising the base but are not glued on an annular region 5 of junction between the reservoir body and the base, this annular region surrounding the base.
  • the annular region is more particularly represented on the figure 2 sectional view of the top of the tank, this annular region 5 extending towards the base above a collar 7 of the base or base collar which designates the peripheral end of the base, a collar called the wing base in the language of the field of the invention and the coiled composite body extending over the collar without being secured to the collar.
  • annular region for which the composite body is detached from the liner and from the flange 7 of the base 4 is more particularly shown in figures 3A to 3D depending on the conditions of use of the tank.
  • the figure 3A represents the upper part of the reservoir comprising the annular region in section in a situation of rest, zero pressure and ambient temperature.
  • a layer 13 of material with a low coefficient of friction or non-stick is placed between the liner and the composite body and between the flange and the composite body.
  • This material with a high coefficient of friction is for example PTFE tape deposited all around the base and on the end part of the liner by helical deposition once the liner and the flange are connected together by welding or gluing at their junction line. 6.
  • the composite body ends at the level of the base with a bead 9 resting on the collar 7 and retained by the flange 11.
  • the flange 11 for retaining the bead is mounted on a central cylindrical neck 10 of the base.
  • An annular seal 12 is disposed between the flange and the bead so that the flange presses moderately on the bead to maintain it in a vertical direction parallel to the axis of symmetry of the base.
  • the neck of the base and the flange can be provided with complementary threads in order to mount the flange by screwing and thus adjust the support of the flange on the bead.
  • the flange can also be glued at 14 on the neck of the base.
  • the flange or base wing 7 is of decreasing thickness towards its periphery.
  • Pure aluminum in the annealed state (1050-O or 1100-O or 1050H111) is the preferred candidate for this liner, including in the cryogenic case.
  • aluminum alloys are designated using a numerical system of four digits which identify the chemical composition of the alloy.
  • the 1000 series means at least 99% aluminum.
  • the second number indicates a variant of the initial alloy. Often this is a smaller range in one or more elements of the alloy.
  • the third and fourth digits indicate, for the 1000 series, the minimum aluminum percentage, for example 1050 indicating at least 99.50% aluminum.
  • Aluminum alloy parts obtained by deformation are classified as metallurgical. There are five standardized states, classified by a letter.
  • the letter “O” means “annealed”.
  • the letter "H", which means "hardened”, is followed by two or three digits.
  • the first number indicates the type of thermomechanical range.
  • the second figure gives the degree of hardening and therefore the degree of mechanical characteristic.
  • the possible third digit indicates a variant.
  • An example of application of the invention is a cryogenic tank with a diameter of 1600mm with a 1050-O aluminum liner with a thickness of 1mm.
  • the capacity is achieved to have an operating pressure of 40 bars and a burst pressure of 80 bars.
  • top of the capacity according to the example is represented in figure 4 .
  • a shutter 15 closes the end piece 4 and is attached to this seemingly end piece a connection zone 16.
  • the flange 11 fixed to the neck of the base 10 rests on the bead 9 of the coiled body via an interposition material 12 intended not to injure the composite.
  • the wound body covers the flange of the base and the upper part of the liner without being glued to it.
  • a possible material 13 with a low coefficient of friction is interposed between the coiled body and the flange / wing assembly and the upper part of the liner.
  • the radius of the base at the neck of the base is of the order of 196 mm
  • the flange extends beyond the base for approximately 100 to 120 mm
  • the non-glued area extends to at a distance to the axis of revolution Z of the capacitor such that the radius of the capacitor is R500 at 510 mm at this point.
  • the thickness of the liner is kept constant in the non-glued area to minimize the strain peak. Any variations in thickness are localized in the area where the liner is glued to the capacity. According to this example, the liner has a thickness e1 of 1.4 mm in the non-glued zone and e2 of 1 mm on the rest of the tank, which gives a hold compatible with the desired application.
  • the liner is made of a material with high elastic limit, for example an aluminum alloy 2219-T87 which means that the element of The main alloy is Copper and that the main phase present in the alloy is Al 2 Cu - Al 2 CuMg, T signifying that this alloy has undergone a heat treatment.
  • an aluminum alloy 2219-T87 which means that the element of The main alloy is Copper and that the main phase present in the alloy is Al 2 Cu - Al 2 CuMg, T signifying that this alloy has undergone a heat treatment.
  • the functions of the flange 11 are in particular to prevent the introduction of forces on the liner and the bonded connection during the non-pressurized phases, during the manufacture and / or the integration of the capacity, to keep the base integral with the bead during cooling and allow movement of the bead under the action of internal pressure.
  • the figure 6 represents the result of the calculation in terms of the cumulated plastic deformation of the liner along the Z axis starting from the origin towards the base zone for the positive abscissas.
  • the zero point of the abscissa is the plane where the cylindrical part of the tank meets the bottom (where the bottom begins) and this point is called the “bottom reference”.
  • the negative abscissas correspond to the cylindrical part of the tank, the positive to the bottom.
  • Point 24 of the figure 6 is the gluing stop zone. It appears close to point 25 because the graph shows the axial abscissas.
  • the solution of the invention makes it possible to dispense with the elastomeric solutions of the state of the art which are not applicable in the case of cryogenic tanks.
  • the materials for making the wound composite body are, for example, intermediate modulus carbon fiber type T800 from the company Toray (registered trademark) or IM7 from the Hexel company (registered trademark), many variations being possible.
  • thermosetting epoxy resin B413 M15 from ASTRIUM or thermoplastic resin type PA12 generic chemical name of a polyamide.
  • the bonding of the composite body and the liner is carried out with an epoxy adhesive from the company Hysol (registered trademark) EA9321.
  • the figure 5 corresponds to a variant of the invention for which the liner is made in two parts 2, 2 'glued at 17, the second part forming an annular segment connecting the first part of the liner to the flange 7 of the base 4.
  • the composite body is glued to the first part of the liner and the gluing of the composite body extends over the second part 2 'of the liner in a zone of overlap of the two parts of the liner.
  • the composite body covers the second part 2 'of the liner and the collar 7 of the base without being glued thereto.
  • This embodiment makes it possible to produce an extra thickness of the liner in the second part 2 ′ to increase the mechanical resistance of the reservoir.
  • a step of assembling a liner 2 with a base 4 is carried out, then a composite body 3 is wound up on the liner and a step of bonding the liner 2 and the composite body 3 is carried out. on the other with the exception of an annular junction region 5, between the tank body and the base, surrounding the base.
  • a material with a low coefficient of friction is applied to said annular junction region 5, between the tank body and the base, surrounding the base before winding the composite body and gluing the liner and the composite body.

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Description

  • La présente invention concerne un réservoir comportant un corps de réservoir, un liner et un corps composite bobiné sur le liner, et au moins une embase et en particulier la liaison entre un liner métallique et une structure composite dans la zone d'embase d'un réservoir et s'applique en particulier à un réservoir haute performance en matériaux composites, notamment un réservoir pour fluide sous haute pression.
  • L'invention concerne le domaine des réservoirs composites bobinés haute performance destinés au stockage sous pression de fluides en particulier pour des applications spatiales, et encore plus particulièrement pour le stockage sous pression de fluides cryogéniques.
  • On entend par réservoirs hautes performances, des réservoirs optimisés en termes de masse, tels ceux utilisés dans les industries des transports en général, le transport spatial en particulier.
  • Les réservoirs composites haute performance destinés au stockage de fluides pressurisés sont généralement conçus en séparant les fonctions d'étanchéité et de tenue mécanique à la pression.
  • Ces réservoirs comportent une coque en principe mince en métal ou polymère appelée « liner » qui est chargée d'assurer le confinement du fluide et en particulier l'étanchéité et/ou la protection de la paroi en matériau composite du réservoir vis-à-vis du fluide.
  • Bien que dans un dimensionnement optimisé tel que fait dans le domaine spatial, on prenne en compte la faible contribution du liner à la tenue mécanique, cette coque est mince car elle n'a pas normalement de fonction mécanique structurelle et on cherche à minimiser les masses.
  • Ces réservoirs comportent en outre un bobinage de fibres de composite qui sont ensuite déposées par bobinage filamentaire sur le liner. Le rôle de ce bobinage est d'assurer la tenue mécanique sous pression du réservoir.
  • Le document US 6 401 963 décrit un exemple de réservoir comportant un tel liner recouvert d'un bobinage de fibres composite. Le document WO 2008/072046 décrit un autre réservoir selon l'art antérieur.
  • Une problématique de ces réservoirs est celle du comportement du liner au cours de l'utilisation du réservoir et notamment des remplissages et vidanges successives, qui sollicitent le liner alternativement en compression et en traction.
  • En particulier, les opérations de vidange se traduisent par une compression du liner par le composite.
  • Or, la contrainte critique de flambage d'un liner est inversement proportionnelle au cube du diamètre du réservoir dans sa partie cylindrique.
  • Dans le cas où le réservoir est de petite dimension, le liner peut avoir une épaisseur suffisante pour supporter cette compression sans flamber du fait du minimum technologique utilisable et de l'utilisation du liner comme outillage de bobinage.
  • Dans ce cas il n'y a pas de précaution à prendre concernant une liaison entre le liner et le composite.
  • Dans tous les autres cas et notamment dans le cas de réservoirs de grande dimension, de liner très mince ou de très faible raideur, le liner ne peut pas supporter cette compression et on est alors amené à lier le liner au composite en général par collage.
  • Dans la zone cylindrique du réservoir la relation entre la contrainte critique de flambage du liner et le cube du diamètre permet une distinction claire entre les cas où une liaison entre le liner et le bobinage n'est pas nécessaire et les cas où elle l'est.
  • Un problème se pose dans le liner aux extrémités du réservoir dans les zones des orifices.
  • En effet, il y a dans cette zone des déplacements relatifs important entre la coque composite qui se déforme sous l'effet de la pression interne et l'embase métallique qui est une pièce massive qui se déforme très peu.
  • Lors du fonctionnement du réservoir sous pression, la déformation totale du liner, lié d'un coté sur le composite et de l'autre sur l'embase, peut devenir très importante. Le niveau de déformation dans le liner se trouve en outre accentué par les dilatations thermiques différentielles entre le liner métallique et la coque en composite. Ce niveau de déformation élevé peut conduire à des problèmes de perte d'étanchéité lors des cycles de fonctionnement en pression et en température successifs.
  • Pour réduire les problèmes, une compatibilité de la déformation des différents matériaux entre eux doit être assurée par une déformation suffisante des matériaux.
  • Quand le liner n'est pas collé au composite, il suffit de ne pas lier le composite aux embases, tout en liant le liner à ces embases.
  • Le composite peut alors bouger librement, l'étanchéité et le maintien des embases étant assurés par le liner.
  • Quand le liner est collé au composite, on constate, au niveau des embases, une très forte augmentation des déformations dans le liner associée à des contraintes très élevées dans la liaison collée entre l'embase et le composite.
  • Un collage classique ne convient plus, et l'on doit interposer une couche de matériau capable d'assurer la compatibilité des déformations par sa souplesse en cisaillement. Cette couche d'un matériau appelée « pli de cisaillement » est classiquement un adhésif ou un pli élastomérique retenu pour sa souplesse.
  • Les documents US 5 287 988 et US 3 815 773 traitent de ce problème et de cette solution.
  • Il existe toutefois des cas où le collage élastomérique n'est pas adapté, par exemple quand il s'agit d'un réservoir pour fluide cryogénique.
  • En effet, il n'existe pas à ce jour de matériaux élastomériques conservant des propriétés de souplesse suffisantes aux températures atteintes par ce type de réservoirs.
  • Il est donc nécessaire de trouver d'autres solutions pour de tels réservoirs. La solution consistant à augmenter l'épaisseur du liner pour résoudre les problèmes de flambage n'est pas acceptable pour les réservoirs de lanceurs spatiaux cryogéniques pour des raisons de masse.
  • La présente invention a donc pour objectif de définir une liaison entre liner et composite, et entre liner, composite et embase d'un réservoir ou capacité, dans le cas de réservoirs haute pression haute performance optimisés en termes de masse.
  • Cette liaison a pour caractéristique de ne pas utiliser de collage élastomérique entre le composite et l'embase du réservoir.
  • L'invention a notamment pour objectif de permettre la conception de réservoir cryogénique de grande dimension utilisant des matériaux composites.
  • Dans ce cadre, l'invention a pour but de permettre d'utiliser un liner d'étanchéité métallique de très faible épaisseur et dont l'épaisseur minimale est définie par les exigences de durée de vie du réservoir en fatigue et tolérance aux dommages.
  • Pour ce faire la présente invention propose de réaliser une jonction entre un corps de réservoir, comportant un liner et un corps composite bobiné sur le liner, et une embase dudit réservoir pour laquelle le liner et le corps composite sont collés l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire entourant l'embase, ainsi que défini par la revendication 1.
  • L'invention concerne ainsi un réservoir comportant un corps de réservoir, un liner et un corps composite bobiné sur le liner, et au moins une embase pour lequel le liner et le corps composite sont collés l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase.
  • L'invention assure que l'étanchéité dans la zone d'embase a les mêmes robustesse et fiabilité que les solutions existantes sur des réservoirs de dimensions plus modestes et assurant un stockage de fluide non cryogénique.
  • Elle assure en outre une compatibilité des déformations entre les pièces sans introduire de renforts destinés à limiter les déformations de la capacité ou réservoir composite, ce qui permet d'optimiser le dimensionnement de sa structure.
  • Selon un mode de réalisation particulier, le réservoir est de forme générale cylindrique aux extrémités bombées, au moins l'une des extrémités comportant l'embase et la région annulaire de jonction entourant l'embase.
  • Préférablement, le liner est relié à l'embase par soudure ou collage.
  • Avantageusement, l'embase comporte une collerette, le corps composite bobiné se prolongeant sur la collerette sans être solidarisé à cette collerette.
  • Préférablement, le corps composite se termine au niveau de l'embase par un bourrelet s'appuyant sur la collerette.
  • L'embase comporte avantageusement un col cylindrique central sur lequel est montée une bride de retenue du bourrelet.
  • Selon un mode de réalisation particulier, un joint annulaire est disposé entre la bride et le bourrelet.
  • Préférablement, la collerette est d'épaisseur décroissante vers sa périphérie.
  • Selon un exemple ne faisant pas partie de l'invention, dans la région annulaire de jonction, une couche de matériau à faible coefficient de frottement est disposé entre le liner et le corps composite et entre la collerette et le corps composite, le matériau à faible coefficient de frottement pouvant être du ruban PTFE (acronyme de polytétrafluoroéthylène).
  • Avantageusement, le liner est réalisé en aluminium pur à l'état recuit.
  • Préférentiellement le liner est réalisé en aluminium de type 1050-O ou 1100-O ou 1050H111.
  • L'invention concerne en outre un procédé de fabrication du réservoir pour lequel on réalise une étape d'assemblage d'un liner avec une embase puis on bobine un corps composite sur le liner et on procède à une étape de collage du liner et du corps composite l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase.
  • Selon un autre procédé ne faisant pas partie de l'invention, après l'étape d'assemblage du liner et de l'embase, on applique un matériau à faible coefficient de frottement sur ladite région annulaire de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase avant bobinage du corps composite et collage du liner et du corps composite.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent:
    • en figure 1: une vue en perspective coupe du haut d'un réservoir selon un exemple ne faisant pas partie de l'invention;
    • en figure 2: une vue en coupe d'un détail de la figure 1;
    • aux figures 3A à 3D: des vues schématiques en coupe d'un segment de la région annulaire de jonction d'un réservoir selon l'invention;
    • en figure 4: une vue en coupe d'un segment d'une région annulaire de jonction du réservoir de la figure 1;
    • en figure 5: une courbe de déformation au niveau de la région de jonction du réservoir de la figure 1.
  • La figure 1 représente le haut d'un réservoir selon un exemple ne faisant pas partie de l'invention comportant un corps de réservoir 1, un liner 2 et un corps composite 3 bobiné sur le liner.
  • Le réservoir est de forme générale cylindrique aux extrémités bombées, au moins l'une des extrémités comportant une embase 4.
  • L'embase 4 au sommet du réservoir sert par exemple à recevoir des moyens de raccordement du réservoir pour le remplir ou le vider.
  • Le corps composite est réalisé par bobinage de fibres composites comme par exemple des fibres carbone imprégnées de résine et le corps composite est bobiné sur le liner et collé (19) sur le liner.
  • Selon l'invention, le liner 2 et le corps composite 3 sont collés l'un sur l'autre sur la partie cylindrique 19 et sur une partie de la surface courbe formant le dôme du réservoir comportant l'embase mais ne sont pas collés sur une région annulaire 5 de jonction entre le corps de réservoir et l'embase, cette région annulaire entourant l'embase.
  • La région annulaire est plus particulièrement représentée à la figure 2 vue en coupe du sommet du réservoir, cette région annulaire 5 se prolongeant vers l'embase au dessus d'une collerette 7 de l'embase ou collerette d'embase qui désigne l'extrémité périphérique de l'embase, collerette appelée aile d'embase dans le langage du domaine de l'invention et le corps composite bobiné se prolongeant sur la collerette sans être solidarisé à la collerette.
  • La région annulaire pour laquelle le corps composite est décollé du liner et de la collerette 7 de l'embase 4 est plus particulièrement représentée aux figures 3A à 3D selon les conditions d'utilisation du réservoir.
  • La figure 3A représente la partie haute du réservoir comportant la région annulaire en coupe dans une situation de repos, pression nulle et température ambiante.
  • Dans cette situation, le liner 2, le corps composite 3 et l'embase 4 sont dans une position de repos sans contrainte.
  • En passant dans la situation de la figure 3B pour laquelle le réservoir est mis à température cryogénique sans pression, par exemple au début de son remplissage, le liner se contracte dans la direction A et le corps composite remonte contre une bride 11 de retenue du corps composite.
  • Lorsque la pression dans le réservoir atteint sa valeur nominale, cas de la figure 3C, le liner est repoussé vers l'extérieur par la pression interne Pi et, comme le corps composite n'est collé ni à la partie terminale supérieure du liner 2 ni à la collerette 7, il peut reculer dans la direction C.
  • Au retour à la température ambiante (de l'ordre de 20 °C), le liner se contracte et le corps composite revient en position de repos enfoncé dans la gorge entre la bride 11 et la collerette 7 dans la direction D.
  • L'absence de flambage et/ou cloquage du liner lors des phases de retour à pression nulle et à température ambiante est assurée par une optimisation de la longueur non collée et de l'épaisseur du liner dans cette zone.
  • De retour à la figure 1, pour faciliter le glissement du corps composite et éviter qu'il se colle sur la collerette et la partie terminale supérieure du liner, dans la région annulaire de jonction, une couche 13 de matériau à faible coefficient de frottement ou anti-adhérent est disposé entre le liner et le corps composite et entre la collerette et le corps composite.
  • Ce matériau à fort coefficient de friction est par exemple du ruban PTFE déposé tout autour de l'embase et sur la partie terminale du liner par dépose hélicoïdale une fois le liner et la collerette reliés ensemble par soudure ou collage au niveau de leur ligne de jonction 6.
  • Selon la figure 2 notamment, le corps composite se termine au niveau de l'embase par un bourrelet 9 s'appuyant sur la collerette 7 et retenu par la bride 11.
  • La bride 11 de retenue du bourrelet est montée sur un col cylindrique central 10 de l'embase.
  • Un joint annulaire 12 est disposé entre la bride et le bourrelet de sorte que la bride appuie modérément sur le bourrelet pour le maintenir dans une direction verticale parallèle à l'axe de symétrie de l'embase.
  • Le col de l'embase et la bride peuvent être munis de filetages complémentaires afin de monter la bride par vissage et régler ainsi l'appui de la bride sur le bourrelet. La bride peut aussi être collée en 14 sur le col de l'embase.
  • La collerette ou aile d'embase 7 est d'épaisseur décroissante vers sa périphérie.
  • Les propriétés matériau du liner comporteront les spécificités suivantes :
    • une faible limite élastique afin de limiter les contraintes induites dans la zone d'arrêt du collage,
    • une ductilité très importante notamment à température cryogénique dans le cas d'un réservoir cryogénique pour permettre d'assurer la tenue du matériau en statique et en fatigue sous une déformation plastique importante.
  • L'aluminium pur à l'état recuit (1050-O ou 1100-O ou 1050H111) est le candidat préférentiel pour ce liner, y compris dans le cas cryogénique.
  • On rappelle ici que les alliages d'aluminium sont désignés à l'aide d'un système numérique de quatre chiffres qui identifient la composition chimique de l'alliage. La série 1000 signifie au moins 99% d'aluminium. Le deuxième chiffre indique une variante de l'alliage initial. Souvent il s'agit d'une fourchette plus petite dans un ou plusieurs éléments de l'alliage. Les troisième et quatrième chiffres indiquent, pour la série 1000, le pourcentage d'aluminium minimum, par exemple 1050 indiquant au moins 99,50 % d'aluminium. Les pièces en alliage d'aluminium obtenues par déformation sont classées en état métallurgique. Il y a cinq états normalisés, classifié par une lettre. La lettre « O » signifie « recuit ». La lettre « H », qui signifie « écroui », est suivie par deux ou trois chiffres. Le premier chiffre indique le type de gamme thermomécanique. Le deuxième chiffre donne le degré d'écrouissage et donc le degré de caractéristique mécanique. L'éventuel troisième chiffre désigne une variante.
  • Un exemple d'application de l'invention est une capacité cryogénique de diamètre 1600mm avec un liner en aluminium 1050-O d'épaisseur 1mm.
  • La capacité est réaliser pour avoir une pression d'utilisation de 40 bars et une pression de rupture de 80 bars.
  • Dans ce cadre, le haut de la capacité selon l'exemple est représenté en figure 4.
  • Un obturateur 15 ferme l'embout 4 et est fixé à cet embout paru une zone de liaison 16.
  • La bride 11 fixée sur le col de l'embase 10 s'appuie sur le bourrelet 9 du corps bobiné via un matériau d'interposition 12 destiné à ne pas blesser le composite.
  • Le corps bobiné recouvre la collerette de l'embase et la partie supérieure du liner sans y être collée. Selon un exemple ne faisant pas partie de l'invention un éventuel matériau 13 à faible coefficient de frottement est intercalé entre le corps bobiné et l'ensemble collerette/aile et partie supérieure du liner.
  • Le rayon de l'embase au niveau du col de l'embase est de l'ordre de 196 mm, la collerette s'étend au delà de l'embase sur environ 100 à 120 mm et la zone non collée s'étend jusqu'à une distance à l'axe de révolution Z de la capacité telle que le rayon de la capacité vaut R500 à 510 mm à cet endroit.
  • L'épaisseur du liner est maintenue constante dans la zone non collée afin de minimiser le pic de déformation. Les variations d'épaisseurs éventuelles sont localisées dans la zone ou le liner est collé sur la capacité. Le liner comporte selon cet exemple une épaisseur e1 de 1,4 mm dans la zone non collée et e2 de 1 mm sur le reste du réservoir ce qui donne une tenue compatible avec l'application recherchée.
  • Les caractéristiques mécaniques du liner étant insuffisante pour assurer la tenue dans la zone de l'embase, cette dernière est réalisée dans un matériau à haute limite élastique, par exemple un alliage d'aluminium 2219-T87 ce qui signifie que l'élément d'alliage principale est le Cuivre et que la phase principale présente dans l'alliage est Al2Cu - Al2CuMg, T signifiant que cet alliage a subi un traitement thermique.
  • Les fonctions de la bride 11 sont en particulier de prévenir l'introduction d'efforts sur le liner et la liaison collée pendant les phases non pressurisées, pendant la fabrication et/ou l'intégration de la capacité, conserver l'embase solidaire du bourrelet lors de la mise en froid et autoriser les déplacements du bourrelet sous l'action de la pression interne.
  • La figure 6 représente le résultat du calcul en termes de déformation plastique cumulée du liner le long de l'axe Z en partant de l'origine vers la zone d'embase pour les abscisses positives.
  • La courbe 21, dénommée MEF représente la déformation le long du liner lors de la mise en froid,
    • la courbe 20, dénommée 40b représente la déformation lors de la mise en pression en froid,
    • la courbe 22, dénommée retour 0b représente la déformation lors du retour à pression nulle, toujours à froid,
    • la courbe 23 dénommées RT liner représente la déformation après retour à la température ambiante.
  • On constate que la déformation maximale, de l'ordre de 8,5% est obtenue localement à la soudure liner/embase point 25 de la figure 6 qui correspond au collage liner/collerette 6 de la figure 4, et ne dépasse pas les propriétés de plastification de l'alliage d'aluminium 1050 choisi.
  • Le point zéro des abscisse est le plan où la partie cylindrique du réservoir se joint au fond (là où commence le fond) et on appelle ce point la « référence fond » .
  • Les abscisses négatives correspondent à la partie cylindrique du réservoir, les positives au fond.
  • Le point 24 de la figure 6 est la zone d'arrêt du collage. Il apparaît proche du point 25 car le graphique montre les abscisses axiales.
  • Dans la zone du point d'abscisse 0, dans laquelle l'épaisseur du liner change, il y a des flexions dans le composite dues à l'arrêt des enroulements circonférentiels présents en virole. Cette flexion se traduit par des déformations dans le liner.
  • Par ailleurs en termes de contrainte dans le joint collé liner/collerette, en traction et en cisaillement les valeurs maximales atteintes sont compatibles des adhésifs usuels.
  • La solution de l'invention permet de s'affranchir des solutions élastomériques de l'état de l'art qui ne sont pas applicables dans le cas des réservoirs cryogéniques.
  • Les matériaux pour réaliser le corps composite bobiné sont par exemple de la fibre de carbone module intermédiaire type T800 de la société Toray (marque déposée) ou IM7 de la société Hexel (marque déposée), de nombreuses variantes étant possibles.
  • Pour lier les fibres et donner sa cohésion au corps bobiné, on utilise de la résine thermodurcissable type époxy B413 M15 d'ASTRIUM ou de la résine thermoplastique type PA12 nom chimique générique d'un polyamide.
  • La liaison du corps composite et du liner est réalisée avec une colle époxy de la société Hysol (marque déposée) EA9321.
  • Enfin dans la zone non collée, selon un exemple ne faisant pas partie de l'invention on utilise des bandes adhésives PTFE type 3M5490 de la société 3M.
  • La figure 5 correspond à une variante de l'invention pour laquelle le liner est réalisé en deux parties 2, 2' collées en 17, la seconde partie formant un segment annulaire reliant la première partie du liner à la collerette 7 de l'embase 4.
  • Le corps composite est collé sur la première partie du liner et le collage du corps composite se prolonge sur la seconde partie 2' du liner dans une zone de recouvrement des deux parties de liner.
  • Comme dans l'exemple de la figure 1, le corps composite recouvre la seconde partie 2' du liner et la collerette 7 de l'embase sans y être collé.
  • Ce mode de réalisation permet de réaliser une surépaisseur du liner dans la seconde partie 2' pour accroître la résistance mécanique du réservoir.
  • Pour la fabrication du réservoir on réalise une étape d'assemblage d'un liner 2 avec une embase 4 puis on bobine un corps composite 3 sur le liner et on procède à une étape de collage du liner 2 et du corps composite 3 l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire 5 de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase.
  • Pour la réalisation de la région annulaire non collée, après l'étape d'assemblage du liner et de l'embase, on applique un matériau à faible coefficient de frottement sur ladite région annulaire 5 de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase avant bobinage du corps composite et collage du liner et du corps composite.

Claims (11)

  1. Réservoir comportant un corps de réservoir (1) comprenant un liner métallique (2), un corps composite (3) bobiné sur le liner, et au moins une embase (4) munie d'une collerette dans lequel au moins l'une des extrémités du réservoir comportant ladite au moins une embase (4) comporte une région annulaire (5) de jonction entre le liner et l'embase entourant la collerette de l'embase (4) et dans lequel le corps composite bobiné se prolonge sur la collerette sans être solidarisé à cette collerette et sans interposition de pli élastomérique entre la collerette et le corps composite, caractérisé en ce que le liner (2) et le corps composite (3) sont collés (19) l'un sur l'autre à l'exception de ladite région annulaire (5) de jonction entourant la collerette de l'embase.
  2. Réservoir selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est de forme générale cylindrique aux extrémités bombées.
  3. Réservoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le liner (2) est relié à l'embase (4) par soudure ou collage (6).
  4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps composite se termine au niveau de l'embase par un bourrelet (9) s'appuyant sur la collerette (7).
  5. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'embase comporte un col cylindrique central (10) sur lequel est montée une bride (11) de retenue du bourrelet.
  6. Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un joint annulaire (12) est disposé entre la bride et le bourrelet.
  7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la collerette (7) est d'épaisseur décroissante vers sa périphérie.
  8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liner est réalisé en aluminium pur à l'état recuit.
  9. Réservoir selon la revendication 8, caractérisé en ce que le liner est réalisé en aluminium de type 1050-O ou 1100-O ou 1050H111.
  10. Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liner est réalisé en deux parties (2, 2'), la seconde partie formant un segment annulaire reliant la première partie du liner à la collerette (7) de l'embase (4), le corps composite étant collé sur la première partie du liner, le collage du corps composite se prolongeant sur la seconde partie (2') du liner dans une zone de recouvrement des deux parties de liner.
  11. Procédé de fabrication du réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel on réalise une étape d'assemblage d'un liner (2) avec une embase (4) puis on bobine un corps composite (3) sur le liner et on procède à une étape de collage du liner (2) et du corps composite (3) l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire (5) de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase.
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