ES2822337T3 - Tanque de alta presión con barrera de permeación - Google Patents

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Abstract

Tanque de alta presión equipado con una barrera de permeación hecha de una lámina metálica con un espesor de <= 0,5 mm para contener helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), aire, oxígeno o hidrógeno, hecho de plástico reforzado con fibras, en donde el tanque está provisto en su pared interna total o parcialmente de una lámina metálica hermética a la permeación que tiene un alto intervalo de elasticidad (ε=Rp0.2/E) y un bajo coeficiente de expansión térmica α, y caracterizado porque la lámina metálica está hecha de 1.3974 (ε=0,25; α=15,5), A286 (ε=0,32; α=17), CuBe (ε=0,90; α=17), Ni-Span C-902 (ε=0,50; α=7,74), Inconel 903 (ε=0,75; α=7,2), Inconel 718 (ε=0,26 - 0,65; α=13,14 ).

Description

DESCRIPCIÓN
Tanque de alta presión con barrera de permeación
La presente invención se refiere a tanques de alta presión para contener medios tales como helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), así como aire, oxígeno (O2) o hidrógeno (H2). Además de los medios gaseosos, los tanques también pueden contener medios líquidos o que pueden gotear. Los tanques de alta presión están hechos de plástico compuesto de fibra y están equipados con una barrera de permeación. La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de tanques de alta presión de este tipo equipados con una barrera de permeación. Hoy en día, los tanques de alta presión se construyen casi predominantemente con plásticos compuestos de fibra. Los plásticos compuestos de fibra pueden combinar propiedades esenciales que se buscan en los depósitos de alta presión, tales como la ligereza y la estabilidad, tanto mecánica como térmica.
Sin embargo, los tanques hechos de plásticos reforzados con fibras como tal no son necesariamente herméticos a la permeación si no se quiere afectar de manera negativa a su grosor y, por lo tanto, a su peso.
Se sabe ya que los tanques hechos de plásticos compuestos de fibra pueden ser equipados con una barrera de permeabilidad. Los revestimientos plásticos, por ejemplo los materiales de revestimiento termoplástico, se usan generalmente con este fin. Sin embargo, los revestimientos de plástico tienden a ser sensibles a las fugas locales debido a la dilatación en los defectos y en las zonas de juntas. Su tasa de fuga podría ser tres órdenes de magnitud peor que, por ejemplo, la de los revestimientos metálicos. Por lo tanto, no son adecuados para emisiones de helio a largo plazo, por ejemplo en los viajes espaciales.
El documento US-PS 5.798.156 describe un recipiente ligero de gas comprimido, revestido con una capa de material polimérico. El revestimiento está formado por una fina capa de polímero, que a su vez puede o no estar recubierta por una fina capa de un material de baja permeabilidad, tal como plata, oro o aluminio. El revestimiento de polímero se describe en relación con los recipientes a presión para gases comprimidos hechos de compuesto epóxico de grafito. La densidad p (p = m/V) es, por ejemplo, de 0,925 g/cm3 y 1.965 g/cm3 para los revestimientos de polímero sin recubrimiento, pero de 19,29 g/cm3 para el PEBD (polietileno de baja densidad) con recubrimiento de oro.
Los revestimientos metálicos también se usan como barreras de permeabilidad. Sin embargo, los revestimientos metálicos, que hasta la fecha podían servir como barreras de permeabilidad, tienen un grosor que puede plantear un problema de peso. Esto es especialmente cierto si el tanque de alta presión se va a usar en la industria aeroespacial. Los revestimientos metálicos se conocen del documento DE 28 15772 A1, por ejemplo. Se proponen aleaciones de níquel-titanio con un contenido de titanio del 44 al 47 %, entre otras. El grosor de la pared de los revestimientos se indica como de 0,5 mm.
El documento US-PS 3.312.575 propone níquel dúctil como material de revestimiento con un grosor de pared de 0,76 mm. Los documentos GB 2 270 028 y GB 2 270 089 proponen el titanio como revestimiento y el documento WO 97/28401 propone aleaciones de titanio como revestimiento.
En el ámbito de la presente invención se ofrecerán alternativas a este estado de la técnica que sean técnica y/o comercialmente ventajosas y que permitan una amplia gama de posibles aplicaciones para los depósitos de alta presión.
En otras palabras, se deberían proporcionar tanques de alta presión que sean térmica y mecánicamente muy resistentes, herméticos a la permeación de manera sencilla y segura, incluso a temperaturas criogénicas y hasta 100° C.
Se ha constatado ahora que las desventajas señaladas anteriormente pueden evitarse mediante una selección del modo de construcción o del material que tenga en cuenta los siguientes criterios:
1. material con un intervalo de elasticidad muy alto (£ = Rp0,2/E) según la ley de Hooke, donde Rp0,2 es el límite de estiraje y E el módulo de elasticidad
2. material con el menor coeficiente de expansión térmica a posible;
3. grosor de película;
4. unión por arrastre de forma mediante, por ejemplo, superposición, electrofusión, soldadura a presión, en la que el cierre del revestimiento es la principal parte del proceso.
Dado el caso, también se puede lograr una unión en arrastre de forma mediante el pegado o procedimientos similares conocidos.
En cualquier caso, el objetivo es reducir la masa del revestimiento tanto como sea posible. Esto puede lograrse minimizando el grosor del revestimiento, además de elegir un material adecuado para el mismo.
En consecuencia, se propone el uso de láminas metálicas seleccionadas dentro del marco de la presente invención. La presente invención se refiere, pues, a un tanque de alta presión fabricado de plástico reforzado con fibras y equipado con una barrera de permeación hecha de una lámina metálica de < 0,5 mm de espesor, para contener helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), aire, oxígeno o hidrógeno, caracterizada porque el tanque está provisto en su pared interior, total o parcialmente, de una lámina metálica hermética a la permeación que tiene un alto intervalo de elasticidad (£=Kp0.2/E) y un bajo coeficiente de expansión térmica a, a saber, hecha de una lámina metálica de 1.3974 (£=0,25; a=15,5), A286 (£=0,32; a=17), CuBe (£=0,90; a=17), Ni-Span C-902 (£=0,50; a=7,74), Inconel 903 (£=0,75; a=7,2), Inconel 718 (£=0,26 - 0,65; a=13,14). Las formas de realización preferentes se derivan de cada una de las reivindicaciones dependientes.
El grosor de la lámina metálica hermética a la permeación puede incluso ser del orden de los |jm. Esto puede dar lugar a una reducción de peso significativa y ventajosa, y al mismo tiempo una densidad de permeación que es fiable para los gases.
La lámina metálica elegida es también impermeable a los gases de moléculas pequeñas de peso atómico bajo tales como helio (He) y nitrógeno (N2), lo que significa que el depósito puede usarse para el almacenamiento y transporte de estos gases, tal como se requiere en la industria aeroespacial.
Según la reivindicación 2, para los campos de aplicación correspondientes, la lámina metálica debería basarse preferentemente en una aleación metálica resistente al hidrógeno a presión, asegurando así que la calidad del revestimiento no cambie con el tiempo incluso en estas condiciones, especialmente en lo que respecta a la densidad de permeación.
Con respecto a los aspectos 1 y 2 anteriores, cabe señalar lo siguiente:
Las láminas de aluminio se consideran como revestimientos o barreras de permeación. Aunque tienen un coeficiente de expansión térmica bastante desfavorable, son muy adecuados para aplicaciones en las que esta circunstancia no desempeña ningún papel. Por lo general, presentan un intervalo de elasticidad £ suficientemente amplio (véase el cuadro adjunto).
Sin embargo, se ha demostrado que las aleaciones de titanio de alta resistencia son las más adecuadas en este sentido, siempre que no estén previstas como condiciones de servicio hidrógeno o temperaturas criogénicas. Las aleaciones especiales de níquel de alta resistencia cumplen los requisitos de un amplio intervalo de elasticidad debido a su, simultáneamente, bajo módulo de elasticidad.
Láminas metálicas con un bajo coeficiente de expansión térmica a son previsibles entre el titanio y sus aleaciones, las aleaciones de hierro con una estructura cúbica de celosía centrada en el espacio, algunas aleaciones a base de níquel y las aleaciones con un contenido de níquel específicamente medido (aleaciones Invar y Kovar). Especialmente en este último caso, un mínimo de expansión térmica sólo puede compensarse con pérdidas en el límite de elasticidad. Sin embargo, se ha demostrado que al cambiar la composición de la aleación mediante la adición de más elementos de aleación, se obtienen materiales con un límite de elasticidad Rp0,2muy alto, un módulo de elasticidad E reducido, junto con un elevado intervalo de elasticidad £ y una excelente resistencia al hidrógeno y a la temperatura. "Aleaciones de alta resistencia (súper)" de este tipo pueden encontrarse en la literatura anglosajona bajo las denominaciones de "aleaciones de expansión térmica, de baja expansión, de expansión (térmica) controlada o de bajo coeficiente de expansión (térmica)".
Los aceros al cromo-níquel cumplen estos requisitos solo de manera limitada.
Como se mencionó anteriormente, las láminas de aluminio y sus aleaciones son adecuadas para aplicaciones en las que el coeficiente de expansión térmica, bastante pobre, no es importante. En este caso, es ventajoso que los revestimientos formados sin costura puedan fabricarse hasta un cierto grosor de pared mínimo, dependiendo de las dimensiones y de la geometría del depósito, y que su grosor de pared pueda entonces lograrse mediante el fresado y/o el mecanizado químico, por ejemplo.
El espesor de la lámina seleccionado depende de la disponibilidad, por un lado, y de la procesabilidad del material por el otro (formación, soldadura a presión, manipulación durante los trabajos preparatorios para el bobinado, tales como la aplicación del soporte de bobinado, etc. o durante el propio bobinado).
Si el hidrógeno o las temperaturas criogénicas desempeñan un papel, esto debe ser considerado por separado al seleccionar el material de revestimiento.
La tabla adjunta muestra una selección de materiales de revestimiento adecuados como barreras de permeabilidad, que pueden ser usados de acuerdo con la presente invención, a modo de ejemplo y sin ninguna restricción. Estos materiales se reivindican expresamente como material de revestimiento para los tanques de alta presión diseñados de acuerdo con la invención.
Con las formas de realización descritas se consiguen varias ventajas frente a la tecnología de revestimiento plástico en términos de masa y de estanqueidad a los gases. Si el material de revestimiento se selecciona cuidadosamente, también se puede lograr la compatibilidad con temperaturas y medios extremos.
La presente invención se refiere, según otro aspecto, a un proceso de fabricación de los tanques de alta presión citados anteriormente, en el que se monta la lámina metálica en un núcleo soluble en agua similar a la forma final y se une mediante procedimientos adecuados, se adhiere la superficie de la lámina metálica a un material compuesto de fibra adecuado y después del curado se retira el núcleo.
Un núcleo soluble en agua puede ser fácilmente eliminado de cualquier tanque, sea cual sea su configuración.
La fabricación de láminas metálicas y los procedimientos de unión adecuados son tecnologías bien establecidas en el estado actual de la técnica. Sólo tienen que adaptarse a la aplicación específica.
Los procedimientos alternativos para fabricar capas delgadas de revestimiento, especialmente la acumulación de líquidos, gases o plasma en el interior de la cubierta prefabricada de compuesto de fibras, adolecen de una falta de hermeticidad frente a los gases o los líquidos de alta presión, que están formados por átomos o moléculas muy pequeñas y por lo tanto con una capacidad de penetración extremadamente alta, tales como el helio (He) y el hidrógeno (H2). Además, se producen dificultades para localizar las fugas relacionadas con la fabricación y no hay ninguna forma sencilla de repararlas.
Si, por el contrario, se usan láminas, antes y durante la producción del revestimiento se puede comprobar si hay fugas. Debido a los típicos errores, en última instancia inevitables, en la fabricación de láminas, tales como la introducción/aparición de inclusiones no metálicas durante los procesos metalúrgicos de fusión, la penetración de impurezas durante el laminado, etc., que al laminar láminas delgadas pueden dar lugar a fugas, no se debe rebajar el grosor crítico de la lámina. Desde el punto de vista de la tecnología de laminación, sería posible laminar láminas mucho más finas, pero entonces ya no tendrían la suficiente hermeticidad.
El revestimiento se realiza de manera ventajosa a partir de piezas individuales que luego se unen sin fugas en el núcleo de modo parecido a la forma final.
La fabricación de las piezas individuales y la unión al revestimiento se basan en técnicas de producción conocidas. La forma de las piezas individuales se realiza por medio de técnicas conocidas de conformación de chapa.
En lo que respecta a la tecnología de unión, se preferirán los procedimientos de unión por arrastre de forma debido a la compatibilidad geométrica y para minimizar las tensiones de flexión. El uso de juntas a tope o superpuestas depende de la elección del material, la tecnología de unión y las consideraciones geométricas.
Por razones de resistencia, interesan preferentemente los procedimientos de soldadura y soldadura fuerte. Al soldar, hay que distinguir entre la soldadura por fusión y la soldadura a presión La soldadura por fusión puede realizarse mediante láser, haz de electrones, microplasma o combinaciones de los mismos. Para la soldadura a presión, se puede considerar la soldadura de rodillo, la soldadura en lámina, la soldadura de costura, la de puntos, ultrasonidos, difusión, la soldadura a presión en frío, la soldadura a presión magnética, la soldadura por fricción, así como combinaciones de las mismas.
La construcción del revestimiento se realiza preferentemente sobre un núcleo interno, porque para ello usan, por un lado, fuerzas para unir el revestimiento y después, por otro lado, las fuerzas para enrollar un compuesto de fibras.
Sin embargo, especialmente en los tanques de alta presión, un núcleo interno de este tipo a menudo ya no puede ser retirado del tanque después de enrollar y endurecer el compuesto debido al propio diseño del tanque. Por lo tanto, en este caso, el material básico preferido es el que puede ser disuelto con un disolvente, por ejemplo el agua, después de completar la fabricación del tanque. Un material adecuado es, por ejemplo, Aquacore® o Aquapour®. Se trata de un material de núcleo en polvo resistente a altas temperaturas. Puede usarse para producir núcleos de molde complejos, por ejemplo, por fundición o por inyección.
En caso de que este material del núcleo no sea adecuado en combinación con el proceso de unión del revestimiento que se va a aplicar (debido a la presión de la superficie o a la incompatibilidad química), se pueden proporcionar en el núcleo insertos locales de material más adecuado. Por ejemplo, se pueden disponer tiras de materiales metálicos adecuados directamente debajo de la costura de soldadura de cierre del revestimiento, que se pueden extraera través de pequeñas aberturas de los tanques durante el proceso de disolución del núcleo.
Por último, cabe señalar que la configuración y la fabricación de tanques de alta presión de acuerdo con la invención puede aplicarse a todas las formas de tanques, tales como las dimensiones de formas cilíndricas, esféricas o cónicas.
También es concebible cualquier otra forma de curvas múltiples. El revestimiento no es autoportante, por lo que la densidad de permeación frente a los gases es suficiente.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Tanque de alta presión equipado con una barrera de permeación hecha de una lámina metálica con un espesor de < 0,5 mm para contener helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), aire, oxígeno o hidrógeno, hecho de plástico reforzado con fibras, en donde el tanque está provisto en su pared interna total o parcialmente de una lámina metálica hermética a la permeación que tiene un alto intervalo de elasticidad (£=Rp0.2/E) y un bajo coeficiente de expansión térmica a, y caracterizado porque la lámina metálica está hecha de 1.3974 (£=0,25; a=15,5), A286 (£=0,32; a=17), CuBe (£=0,90; a=17), Ni-Span C-902 (£=0,50; a=7,74), Inconel 903 (£=0,75; a=7,2), Inconel 718 (£=0,26 -0,65; a=13,14 ).
2. Tanque de alta presión según la reivindicación 1, caracterizado porque la lámina metálica es resistente al hidrógeno comprimido.
3. Procedimiento para la fabricación de un tanque de alta presión según una de las reclamaciones 1 o 2, caracterizado porque la lámina metálica se monta y se une sobre un núcleo soluble en agua, la superficie se adhiere con un material compuesto de fibra adecuado para tanques de alta presión y después del curado se retira el núcleo.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la lámina de metal se monta solapada.
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