ITMI20001350A1

ITMI20001350A1 - HIGH PRESSURE JOINT FOR COMPOSITE MATERIAL PIPES

Info

Publication number: ITMI20001350A1
Application number: IT2000MI001350A
Authority: IT
Inventors: Paolo Massaria
Original assignee: Iniziative Ind S P A
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2001-12-16
Also published as: IT1318012B1; ITMI20001350A0

Description

Descrizione di una domanda di brevetto per invenzione industriale Description of a patent application for an industrial invention

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Il presente trovato riguarda un giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi. The present invention relates to a high pressure joint for pipes made of composite materials.

Come noto, i tubi in materiali compositi sono realizzati con fili continui di fibra, impregnati di resina termoindurente, avvolti secondo un angolo di avvolgimento predeterminato rispetto all’asse dei tubi, secondo la tecnica del “filament winding”. As known, composite material tubes are made with continuous fiber threads, impregnated with thermosetting resin, wound according to a predetermined winding angle with respect to the axis of the tubes, according to the "filament winding" technique.

I materiali compositi che costituiscono i tubi sono normalmente definiti da resine rinforzate con fibre ed in particolare possono essere resine termoindurenti di tipo poliestere oppure vinylestere, oppure epossidiche. The composite materials that make up the pipes are normally defined by resins reinforced with fibers and in particular they can be thermosetting resins of the polyester or vinylester type, or epoxy.

Le fibre di rinforzo possono essere di vetro, di carbonio, di kevlar, ed in genere di materiale usato per prodotti compositi, sottoforma di fili continui, fili tagliati e fili tessuti (stuoie). The reinforcing fibers can be of glass, carbon, Kevlar, and in general of material used for composite products, in the form of continuous threads, cut threads and woven threads (mats).

Questa tipologia di tubi in materiale composito presenta una giunzione tra un tubo e l’altro complessa e non sempre idonea a sostenere elevate pressioni idrauliche e forze assiali, soprattutto a causa della tipologia del materiale che costituisce i tubi. This type of composite material pipes has a joint between one pipe and another that is complex and not always suitable for supporting high hydraulic pressures and axial forces, especially due to the type of material that makes up the pipes.

Il compito che si propone il presente trovato è quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati dei giunti ad alta pressione per tubi in materiali compositi della tecnica nota. The aim of the present invention is to eliminate the aforementioned drawbacks of high pressure joints for pipes made of composite materials of the known art.

Nell’ambito di questo compito, è uno scopo importante del trovato realizzare un giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi che consenta la giunzione di due tubi in modo estremamente semplice e rapido e idoneo a sostenere elevate pressioni idrauliche ed elevate forze assiali. Within this aim, it is an important object of the invention to provide a high pressure joint for pipes in composite materials that allows the joining of two pipes in an extremely simple and rapid way and suitable for supporting high hydraulic pressures and high axial forces.

E’ ancora uno scopo del trovato realizzare un giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi che, inoltre, consenta di supportare notevoli sforzi di taglio e che presenti la zona di giunzione di dimensioni contenute. It is still an object of the invention to provide a high pressure joint for pipes made of composite materials which, moreover, allows to support considerable shear stresses and which has the junction area of limited size.

E’ un ulteriore scopo del presente trovato realizzare un giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi che sia in grado di presentare una ottima tenuta idraulica unitamente alla possibilità di contrastare elevate forze di trazione ed elevate forze di compressione. It is a further object of the present invention to provide a high pressure joint for pipes in composite materials that is able to present an excellent hydraulic seal together with the possibility of counteracting high tensile forces and high compression forces.

Non ultimo scopo del trovato è realizzare un giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi che, oltre ad essere di dimensioni contenute e presentare un valido elemento di blocco per il passaggio dell’acqua sia dairintemo che verso l’esterno e viceversa ed essere in grado di contrastare notevoli forze di compressione, di trazione e di taglio, consenta una giunzione tra tubi di materiale composito con una semplice operazione di comune esecuzione come per i giunti metallici. Not least object of the invention is to provide a high pressure joint for pipes made of composite materials which, in addition to being small in size and having a valid blocking element for the passage of water both from inside and out and vice versa, and be in able to withstand considerable compressive, tensile and shear forces, allows a joint between composite material pipes with a simple operation of common execution as for metal joints.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi vengono raggiunti da un giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi realizzati con fili continui di fibra impregnati di resina termoindurente avvolti secondo un angolo di avvolgimento predeterminato rispetto all’asse dei tubi caratterizzato dal fatto di comprendere due elementi terminali in materiale metallico presentanti una zona di connessione tra un elemento terminale e l’altro e mezzi di connessione con ciascuno di detti tubi. This task, as well as these and other purposes, are achieved by a high-pressure joint for pipes in composite materials made with continuous strands of fiber impregnated with thermosetting resin wound according to a predetermined winding angle with respect to the axis of the pipes, characterized by the fact that it comprises two terminal elements made of metallic material having a connection area between one terminal element and the other and means for connection with each of said tubes.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva del giunto ad alta pressione per tubi in materiali compositi secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nell’unito disegno in cui: Further features and advantages will emerge more clearly from the description of a preferred but not exclusive embodiment of the high pressure joint for composite material pipes according to the invention, illustrated by way of non-limiting example in the attached drawing in which:

- la figura 1 è una vista in alzato laterale sezionata trasversalmente di una parte di giunto secondo il trovato; - la figura 2 è una vista ingrandita dei denti di sega. Figure 1 is a cross sectional side elevation view of a part of the joint according to the invention; Figure 2 is an enlarged view of the saw teeth.

Con particolare riferimento alla figura sopradescritta, il giunto secondo il trovato, indicato complessivamente con il numero di riferimento 1, comprende due tubi 2 (dei quali nei disegni ne è rappresentato uno solo) realizzati con fili continui di fibra, impregnati di resina termoindurente e avvolti secondo un angolo di avvolgimento predeterminato rispetto all’asse dei tubi e due elementi terminali 3, in materiale metallico quale ad esempio acciaio, i quali presentano una zona 4 di connessione tra un elemento terminale e l’altro e dei mezzi di connessione, genericamente indicati con 5 con ciascuno dei tubi 2. With particular reference to the figure described above, the joint according to the invention, indicated as a whole with the reference number 1, comprises two tubes 2 (of which only one is shown in the drawings) made with continuous threads of fiber, impregnated with thermosetting resin and wound according to a predetermined winding angle with respect to the axis of the tubes and two terminal elements 3, made of metallic material such as steel, which have a connection area 4 between one terminal element and the other and connection means, generally indicated with 5 with each of the 2 tubes.

In particolare i mezzi di connessione 5 comprendono una pluralità di elementi in rilievo connessi con la superficie interna dei tubi 2 e atti a contrastare contemporaneamente elevate forze assiali di compressione e trazione agenti sugli stessi. In particular, the connection means 5 comprise a plurality of raised elements connected to the internal surface of the tubes 2 and capable of simultaneously counteracting high axial compression and traction forces acting on them.

Gli elementi in rilievo presentano dei denti di sega 6 e 7 aventi sviluppo circolare e definiti da una prima ed una seconda superficie, rispettivamente indicate con 8 e 9 che risultano la prima sostanzialmente ortogonale e la seconda inclinata rispetto all’asse dei tubi 2. The elements in relief have saw teeth 6 and 7 having a circular development and defined by a first and a second surface, respectively indicated with 8 and 9 which are the first substantially orthogonal and the second inclined with respect to the axis of the tubes 2.

La superficie ortogonale 8 e la superficie inclinata 9 di ciascun dente di sega sono opportunamente rivestite da uno strato di fibre tagliate 10, impregnate di resina, che vanno a riempire gli intestizi tra i denti di sega e che definiscono uno strato intermedio tra i terminali 3 e i tubi 2 realizzati con i fili continui impregnati di resina 1 1. The orthogonal surface 8 and the inclined surface 9 of each saw tooth are suitably coated with a layer of cut fibers 10, impregnated with resin, which fill the gaps between the saw teeth and which define an intermediate layer between the terminals 3 and the tubes 2 made with the continuous threads impregnated with resin 1 1.

In particolare, i denti di sega 6 definiscono una prima zona in cui i denti di sega presentano la loro superficie inclinata 9 rivolta verso Γ estremità di ciascun tubo 2 e almeno una seconda zona definita dai denti di sega 7 in cui questi ultimi presentano la loro superficie inclinata 9 rivolta verso l’interno dei tubi 2. Grazie a questa soluzione, tra l’altro, come verrà più in dettaglio spiegato, i denti di sega definiscono una tenuta idraulica a labirinto al passaggio dell’acqua sia dall’interno che dall’esterno dei tubi. In particular, the saw teeth 6 define a first zone in which the saw teeth have their inclined surface 9 facing the end of each tube 2 and at least a second zone defined by the saw teeth 7 in which the latter have their inclined surface 9 facing the inside of the pipes 2. Thanks to this solution, among other things, as will be explained in more detail, the saw teeth define a labyrinth hydraulic seal for the passage of water both from the inside and from the outside of the tubes.

La trasmissione delle forze di trazione e di compressione tra i due tubi 2 realizzati in materiale composito avviene quindi attraverso l’elemento terminale 3 che definisce il giunto. The transmission of traction and compression forces between the two pipes 2 made of composite material therefore occurs through the terminal element 3 which defines the joint.

In questo modo, il giunto è idoneo a sostenere elevate pressioni idrauliche ed elevate forze assiali. In this way, the coupling is suitable for withstanding high hydraulic pressures and high axial forces.

Le forze di trazione/compressione producono sforzi equivalenti che si trasmettono da un tubo all’altro mediante sforzi di taglio dal dente di sega allo strato di fibre tagliate 10 e da questo al corpo del tubo realizzato in fibre continue 11. The tensile / compressive forces produce equivalent stresses that are transmitted from one tube to another by shear stresses from the sawtooth to the layer of cut fibers 10 and from this to the body of the tube made of continuous fibers 11.

In questo modo, i denti di sega consentiranno di poter sostenere validamente sia delle forze di trazione che di compressione a cui il tubo, e quindi il giunto, è soggetto. In this way, the saw teeth will allow to validly support both the tensile and compressive forces to which the pipe, and therefore the joint, is subjected.

Il beneficio che si ottiene è che la giunzione tra i due tubi in materiale composito si effettua semplicemente saldando mediante una saldatura 15 i terminali di acciaio 3 lungo la loro zona 4, oppure applicando un manicotto filettato, non rappresentato nei disegni. The benefit obtained is that the junction between the two composite pipes is carried out simply by welding the steel terminals 3 along their zone 4 by means of a welding 15, or by applying a threaded sleeve, not shown in the drawings.

In questo modo la saldatura fra i terminali in acciaio risulta essere molto semplice, rapida e di comune esecuzione, mentre nel caso di utilizzo di manicotto filettato, i tempi di esecuzione della giunzione vengono, inoltre, anche notevolmente ridotti. L’inclinazione della superficie definita dai denti di sega 6 e 7 costituisce, tra l’altro, un graduale raccordo tra il terminale in acciaio 3 e il tubo in materiale composito 2. In this way the welding between the steel terminals is very simple, quick and commonly performed, while in the case of using a threaded sleeve, the execution times of the joint are also considerably reduced. The inclination of the surface defined by the saw teeth 6 and 7 constitutes, among other things, a gradual connection between the steel terminal 3 and the composite material pipe 2.

Gli sforzi di taglio vengono, inoltre, vantaggiosamente contrastati dalla presenza dello strato 10 di fibre tagliate impregnati di resina. Furthermore, the shear stresses are advantageously contrasted by the presence of the layer 10 of cut fibers impregnated with resin.

Va inoltre sottolineato il fatto che il giunto presenta uno sviluppo assiale sostanzialmente uguale al diametro dei tubi 2. It should also be emphasized that the joint has an axial development substantially equal to the diameter of the pipes 2.

Il funzionamento del giunto secondo il trovato appare evidente da quanto descritto ed illustrato. The operation of the joint according to the invention is evident from what has been described and illustrated.

In particolare, si fa notare come sia estremamente semplice poter unire mediante una saldatura o una filettatura presenti sui terminali 3 due tubi realizzati in materiale composito. In particular, it should be noted that it is extremely simple to be able to join two pipes made of composite material by means of a welding or threading present on the terminals 3.

Infatti, la connessione tra elemento terminale in acciaio e tubo in materiale composito, che avviene tramite la presenza di denti di sega orientati in modo contrapposto, consente contemporaneamente di ottenere un’ottima tenuta tra i due elementi e una valida resistenza sia alle forze di compressione, che di trazione. In fact, the connection between the steel terminal element and the composite material pipe, which takes place through the presence of oppositely oriented saw teeth, allows at the same time to obtain an excellent seal between the two elements and a valid resistance to both compression forces. , that of traction.

La presenza dei denti di sega nei terminali di acciaio produce anche una notevole riduzione della zona di sovrapposizione acciaio - tubo composito che consente di contenere le dimensioni del giunto. The presence of the saw teeth in the steel terminals also produces a considerable reduction in the steel - composite pipe overlap area which allows the size of the joint to be reduced.

I denti di sega con la prima e la seconda superficie ortogonale ed inclinata 8 e 9 impediscono lo sfilamento e/o lo spostamento dell’elemento terminale in acciaio con conseguente riduzione della forza di trazione e/o compressione del tubo. The saw teeth with the first and second orthogonal and inclined surfaces 8 and 9 prevent the extraction and / or displacement of the steel terminal element with consequent reduction of the traction and / or compression force of the tube.

II trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. The invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all falling within the scope of the inventive concept; moreover, all the details can be replaced by technically equivalent elements.

In pratica i materiali impiegati, nonché le dimensioni potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze dello stato della tecnica. In practice, the materials used, as well as the dimensions, may be any according to the requirements of the state of the art.

Claims

CLAIMS 1. High-pressure joint for pipes in composite materials made with continuous strands of fiber impregnated with thermosetting resin wound according to a predetermined winding angle with respect to the axis of the pipes, characterized by the fact of comprising two terminal elements in metal material having an area of connection between one terminal element and the other and connection means with each of said pipes.

2. High pressure joint for pipes in composite materials according to claim 1, characterized in that said connection means comprise a plurality of raised elements connected to said pipes and capable of simultaneously counteracting high axial compression and traction forces acting on the themselves.

3. High pressure joint for pipes in composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized in that said elements in relief have circular saw teeth having a first and a second surface respectively orthogonal and inclined with respect to the axis of said tubes.

4. High pressure joint for pipes made of composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized in that said first and second surfaces of said saw teeth are coated with cut fibers impregnated with resin able to define an intermediate layer between said terminals and said tubes made with said continuous threads impregnated with resin.

5. High pressure joint for pipes made of composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized in that said connection means comprise at least a first zone in which said saw teeth have their inclined surface facing the end of said tube and at least a second zone in which said saw teeth have their inclined surface facing the direction of said tubes.

6. High pressure joint for pipes in composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized by the fact that said saw teeth define a hydraulic labyrinth seal to the passage of water both from the inside and from the outside of said pipes.

7. High pressure joint for pipes in composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized by the fact that said terminals have a third smooth and / or threaded area defining said connection area between one terminal and the other.

8. High pressure joint for pipes made of composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least said second region of said saw teeth has a substantial taper.

9. High pressure joint for pipes made of composite materials according to one or more of the preceding claims, characterized in that said joint has an axial development substantially equal to the diameter of said pipes. All as substantially described, illustrated and for the purposes specified therein.