PL226196B1 - Kompozytowy zbiornik wysokocisnieniowy oraz sposob wytwarzania kompozytowego zbiornika wysokocisnieniowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozytowy zbiornik wysokociśnieniowy przeznaczony zwłaszcza do magazynowania cieczy oraz gazów pod zwiększonym ciśnieniem oraz sposób wytwarzania zbiornika wysokociśnieniowego.

Coraz powszechniej stosuje się zbiorniki wysokociśnieniowe wykonane metodą rozdmuchu z tworzyw termoplastycznych, gdzie króciec jest metalowy zatopiony lub przyklejony do linera a całość zbiornika jest wzmacniana kompozytowym materiałem włóknistym nanoszonym techniką nawijania.

Znany jest z opisu wynalazku o numerze GB 1134033 pojemnik ciśnieniowy oraz sposób jego wytwarzania. Sposób wytwarzania zbiornika według wynalazku obejmuje następujące etapy: układania licznych włókien wzmacniających (nici) tzw. pęcherz i zastosowanie odpowiedniego materiału, który jest zdolny do tworzenia otaczającej matrycy, łącząc włókna razem w jedną powłokę sztywną lub elastyczną. Stosowane w opisie i zastrzeżeniach, określenie włókno dotyczy zarówno pojedynczych włókien o dowolnym kształcie, jak płaskich taśm. Włókna rozciąga się od jednego do drugiego końca pęcherza południkowo na całej jego powierzchni, zaś kolejne nawoje wzmacniające wykonuje się systemem śrubowym w części cylindrycznej pęcherza. Korzystnie stosuje się włókna szklane. Materiałem użytym do wytworzenia pęcherza (linera) jest rozciągliwy materiał elastomerowy, korzystnie guma.

W opisie wynalazku Nr EP1586807 ujawniono zbiornik kompozytowy i sposób jego wytwarzania. Zbiornik kompozytowy składa się z części wewnętrznej (tzw. Pęcherza, dętki lub linera) i połączonego z nią dwuczęściowego kołnierza składającego się z części wewnętrznej zaopatrzonej w zewnętrzną powierzchnię z wypustami do połączenia z tulejową szyjką linera oraz części zewnętrznej, która to część ma powierzchnię wewnętrzną przystającą do fragmentu części wewnętrznej umożliwiającą ich wzajemne związanie, a także ma kołnierz oporowy do oparcia na powierzchni zewnętrznej linera i końcówkę do zamontowania elementu zaworowego, przy czym na kołnierzu i linerze wykonano warstwy materiału kompozytowego. Istotne jest to, że część wewnętrzna kołnierza posiada gwint, zaś pomiędzy częściami zewnętrzną i wewnętrzną jest uformowany kołnierz. Zasadniczo więc kołnierz jest dwuczęściowy, co ma wpływ na sposób jego wytwarzania, bowiem według wynalazku wewnętrzną część kołnierza formuje się z linerem pozostawiając dolną, wewnętrzną powierzchnię niezwiązaną linerem, do którego następnie dołącza się część zewnętrzną kołnierza i tak zmontowaną całość okrywa się warstwami materiału kompozytowego i zewnętrzną warstwą włókna szklanego.

Z opisu wynalazku Nr EP0753700 znany jest kompozytowy zbiornik ciśnieniowy z tworzywa sztucznego do przechowywania pod ciśnieniem gazów płynnych. Przedmiot wynalazku dotyczy w szczególności budowy króćca przyłączeniowego zbiornika kompozytowego. Zbiornik wg wynalazku charakteryzuje się tym, że w części połączenia zbiornika z króćcem przyłączeniowym, posiada on wgłębienie zaopatrzone w wewnętrzną i zewnętrzną (w obszarze wzmocnienia) część gwintowaną i pomiędzy zewnętrzną powierzchnią zbiornika a dolną powierzchnią kołnierza, posiada podkładkę uszczelniającą fazowaną w kierunku środkowej osi zbiornika oraz od strony czołowej części szyjkowej zbiornika, posiada pierścień uszczelniający wykonany z materiału mającego niski moduł sprężystości oraz wysokie wydłużenie.

Ze zgłoszenia wynalazku Nr EP2112423 znany jest sposób wytwarzania wielowarstwowego pojemnika, zwłaszcza do przechowywania cieczy i gazów pod ciśnieniem, polegający na jednoczesnym wytworzeniu zarówno zbiornika, jak i króćca przyłączeniowego. W sposobie według wynalazku EP08102903 preforma połączona z króćcem za pomocą gwintu jest ogrzewana do temperatury plastyfikacji materiału, z którego jest wykonana, rozdmuchiwana do wymiarów roboczych zbiornika, po czym zbiornik jest wykańczany/wzmacniany poprzez laminowanie za pomocą nawijania włókien impregnowanych żywicą, utwardzanie oraz pokrywanie dodatkową warstwą ochronną.

Dotychczas znane rozwiązania wskazują, że wytwarzając zbiorniki wysokociśnieniowe w pierwszym etapie wykonuje się liner, stosując metodę rozdmuchu termoplastycznej preformy, po czym liner łączy się gwintowo z króćcem przyłączeniowym. Zwykle ostatnim etapem wytwarzania zbiornika do pracy pod zwiększonym ciśnieniem jest wykonanie wzmocnienia metodą laminowania, tj. poprzez odpowiednie nawinięcie włókien na powierzchni zbiornika, jak np. w wynalazkach o numerach US20050167433, PL 197 773, EP 08102903.

Stosowane króćce przyłączeniowe w dotychczasowych ujawnieniach były zaopatrzone w gwint, powodując częste niekontrolowane rozszczelnienia w miejscu połączenia materiału zbiornika i materiału króćca (tworzywo i metal).

PL 226 196 B1

Pojemnik wysokociśnieniowy według wynalazku składa się z korpusu o cylindrycznym kształcie, powstałego z rozdmuchanej, zaopatrzonej w kołnierz preformy, wytworzonej z tworzywa, korzystnie politereftalanu etylenu lub poliamidu oraz warstwy kompozytowej wzmacnianej oplotem nośnym wykonanym z wysokomodułowych włókien węglowych a także króćca przyłączeniowego.

W dole korpusu, po stronie przeciwległej w stosunku do króćca przyłączeniowego, znajduje się osadzona w warstwie kompozytowej pojemnika, aluminiowa dennica wzmacniająca, łukowato wypukła do środka korpusu. Przy styku z dnem ma ona kształt rozgałęzionych, łukowato-wypukłych skrzydeł, przylegających do łukowato-wklęsłego dna korpusu, a także posiada dodatkowe, pierścieniowe wypusty, umieszczone wewnątrz warstwy kompozytowej. Po stronie króćca przyłączeniowego znajduje się współpracująca z króćcem podkładka. Aluminiowy króciec przyłączeniowy jest wykonany w całości, jako jeden element i posiada kołnierz oporowy do oparcia na części zewnętrznej korpusu, powyżej którego znajduje się dodatkowy występ, mający postać pierścienia umieszczonego wokół otworu króćca.

Na obwodzie wewnętrznej części króćca przyłączeniowego znajduje się pierścieniowy rowek uszczelniający z umieszczonym w nim uszczelnieniem typu o-ring, a także zewnętrzny rowek pierścienia uszczelniającego, przeznaczony na osadczy pierścień blokujący (seger), który zabezpiecza przed osiowymi przesunięciami mogącymi wystąpić pod wpływem sił, działających na zbiornik kompozytowy.

Króciec przyłączeniowy łączy się z korpusem, powstałym z rozdmuchu preformy, w górnej części której znajduje się kołnierz zaopatrzony w rowek pierścieniowy wykonany tak, aby po połączeniu korpusu z króćcem przyłączeniowym, rowek pierścieniowy zewnętrzny króćca znajdował się dokładnie naprzeciw rowka kołnierza korpusu, w którym jest zamontowany osadczy pierścień blokujący (seger), zaś wewnętrzny rowek uszczelniający z zamontowanym w rowku, pierścieniem uszczelniającym typu o-ring, znajdował się dokładnie w części cylindrycznej kołnierza korpusu. Pierścień osadczy blokujący ma przekrój trapezu z kątem prostym. Jego prostopadłe powierzchnie doskonale dopasowują się do ścianek rowków w króćcu i kołnierzu korpusu, a kąty proste powodują, że nie powstaje składowa siły mogąca prowadzić do wyśliźnięcia się pierścienia z rowków, zaś ukośne ścięcie umożliwia wsunięcie preformy do pierścienia wcześniej osadzonego w rowku króćca.

Zastosowane kąty proste w przekroju poprzecznym pierścienia powodują, że po zmontowaniu króćca z zaopatrzonym w kołnierz korpusem, powstały układ jest nierozłączny.

Dodatkowo budowa króćca przyłączeniowego według wynalazku powoduje, że na skutek nacisku gazu w zbiorniku kompozytowym, pierścień uszczelniający ulega odkształceniu, wywierając jednocześnie nacisk na uszczelnienie typu o-ring. Gaz, który ewentualnie dostanie się pomiędzy uszczelnienie a powierzchnię wewnętrzną króćca jest zamykany w wyniku odkształcenia uszczelnienia i pierścienia, co zgodnie z zasadą zachowania energii, powoduje wyrównanie się nacisku wywieranego na króciec od wnętrza zbiornika oraz sił, z jakimi materiał króćca działa na pierścień uszczelniający. Wówczas siły wzajemnego oddziaływania króćca na gaz oraz gazu na króciec redukują się, zapewniając stabilność złącza. Dodatkową stabilizację złącza uzyskuje się poprzez wykonany w kołnierzu preformy (a po procesie rozdmuchu w kołnierzu korpusu zbiornika) rowek osadczy z segerem, który stanowi doskonałe doszczelnienie złącza, tworząc blokadę nierozłączną, niezwykle odporną na wysokie ciśnienie.

Zestawione razem: korpus, czyli rozdmuchana preforma oraz króciec przyłączeniowy, owinięte są warstwami materiału kompozytowego i pokryte dodatkową warstwą ochronną, tworząc hybrydę odporną na przeciążenia dynamiczne.

Sposób wytwarzania kompozytowego zbiornika wysokociśnieniowego według wynalazku polega na rozdmuchaniu preformy wytworzonej korzystnie z politereftalanu etylenu lub poliamidu a następnie połączeniu tak wytworzonego korpusu z króćcem przyłączeniowym oraz wykonaniu na powierzchni zbiornika wzmocnienia z materiału kompozytowego, przy czym przed dokonaniem rozdmuchu preformy, współpracujący konstrukcyjnie z króćcem przyłączeniowym kołnierz preformy, poddaje się procesowi miejscowej krystalizacji.

Kołnierz preformy podlega krystalizacji na długości odpowiadającej długości połączenia z króćcem przyłączeniowym zbiornika według wynalazku.

Krystalizację przeprowadza się poprzez stopniowe rozgrzanie kołnierza preformy do temperatury pomiędzy temperaturą zeszklenia a temperaturą topnienia polimeru, korzystnie do temperatury leżącej blisko środka pomiędzy temperaturą zeszklenia a temperaturą topnienia. Temperatura jest

PL 226 196 B1 uzależniona od rodzaju polimeru, z jakiego wytworzona została preforma i waha się w granicach od

135°C do 165°C, zaś proces rozgrzewania prowadzony jest w czasie n.w. 10 min, korzystnie 5-6 min.

W czasie trwania procesu krystalizacji, kołnierz preformy jest izolowany od jej pozostałej części, celem uniknięcia zjawiska niekontrolowanego rozprzestrzeniania się krystalizacji.

Po procesie rozgrzewania, plastyczny kołnierz preformy umieszcza się na cylindrycznym, metalowym trzpieniu i poddaje procesowi stopniowego chłodzenia w kąpieli wodnej przez czas od 4 do 10 min, korzystnie 5-6 min. Trzpień zastosowany w procesie chłodzenia preformy posiada średnicę przekroju poprzecznego tożsamą ze średnicą wewnętrzną króćca przyłączeniowego, co gwarantuje uzyskanie doskonałej szczelności złącza.

W wyniku procesu kontrolowanej krystalizacji, polimery ulegają rozkładowi cieplnemu, czyli degradacji i tworzą uporządkowane, lamelowe struktury polikrystaliczne, dzięki czemu znacznej poprawie ulegają właściwości mechaniczne polimeru, tj. zwiększa się wytrzymałość udarowa, wytrzymałość na rozciąganie, odporność na uderzenie, podwyższa się temperatura ugięcia i moduł na zginanie.

Proces krystalizacji kołnierza preformy, prowadzony metodą według wynalazku, powoduje faktyczną krystalizację warstw zewnętrznych kołnierza preformy, co oznacza, że w przekroju poprzecznym warstwy boczne kołnierza preformy posiadają uporządkowaną, lamelową strukturę polikrystaliczną, charakteryzującą się pożądaną wytrzymałością i twardością, zaś warstwa środkowa (około 30%) posiada strukturę amorficzną, charakteryzującą się większą plastycznością.

Mieszana, krystaliczno-amorficzna struktura kołnierza preformy, doskonale wpływa na szczelność zbiornika. W warunkach zwykłego użytkowania zbiornika kompozytowego według wynalazku, plastyczność warstwy środkowej znacznie poprawia odporność zbiornika na występujące naprężenia rozciągające i ściskające.

Po zakończeniu procesu krystalizacji na zewnętrznej powierzchni preformy wykonuje się rowek osadczy o przekroju trapezu z kątem prostym.

W sposobie według wynalazku przygotowaną uprzednio preformę z kołnierzem poddanym procesowi kontrolowanej krystalizacji i wykonaniu w nim rowka pierścieniowego, rozdmuchuje się znanym sposobem do pożądanych rozmiarów i kształtu, po czym zestawia się z zaopatrzonym w kołnierz oporowy króćcem przyłączeniowym oraz dennicą. Wnętrze powstałego zbiornika wypełnia się gazem, który usztywnia powierzchnie zbiornika, uniemożliwiając wgniecenie ich do jego wnętrza, po czym zbiornik pokrywa się wzmacniającą warstwą kompozytową. Do wzmocnienia powierzchni zewnętrznej wykorzystuje się żywice utwardzalne, korzystnie poliestrowe oraz włókna, korzystnie wiązkę włókien węglowych i aramidowych, przy czym zasadnicze znaczenie ma sposób utworzenia wiązki poprzez zachowanie odpowiedniej kolejności ułożenia włókien tj.: włókno węglowe-włókno aramidowe-włókno węglowe.

Tworzenie warstwy kompozytowej odbywa się poprzez nawijanie w technologii mokrej wiązki włókien z zastosowaniem trzech sposobów nawijania: krzyżowego, biegunowego i obwodowego.

Wykonuje się kolejno: oploty systemem biegunowym, korzystnie cztery; oploty systemem krzyżowym, korzystnie trzy; oploty systemem obwodowym, korzystnie trzy oraz jeden oplot systemem biegunowym.

Nawijanie wiązki włókien sposobem krzyżowym, odbywa się z jednoczesnym obrotem zbiornika lub głowicy nawijającej i jej przesuwem na długości zbiornika, dzięki czemu uzyskuje się kąt pochylenia osi obrotu zawarty w przedziale od 49° do 59°, korzystnie 54°. Krzyżowy oplot nośny zapewnia najlepszą pracę włókien wzmacniających. Podczas nawijania włókien zbiornik wprowadza się w lekkie drgania, celem lepszego ułożenia włókien na linerze i eliminacji tzw. pustek w kompozycie, zaś nawijanie dokonuje się przy stałym ciśnieniu wewnętrznym mieszczącym się w przedziale od 2 do 2,8 bara, przy czym wielkość ciśnienia uzależniona jest od wielkości zbiornika tak, że czym większy rozmiar zbiornika kompozytowego, tym mniejsza wartość ciśnienia wewnętrznego a czym mniejszy rozmiar zbiornika kompozytowego, tym większa wartość ciśnienia wewnętrznego. Drugim sposobem nawijania wiązki włókien jest sposób biegunowy, podczas którego wiązka włókien nawijana jest podczas przejść głowicy nawijającej pomiędzy biegunami zbiornika, przy czym każdorazowo wiązka przechodzi wokół króćca przyłączeniowego, stanowiąc element mocujący króciec przyłączeniowy.

Trzecim sposobem nawijania jest sposób śrubowy, polegający na wzmacnianiu części cylindrycznej zbiornika.

Poszczególne nawoje włókna wzmacniane są warstwą żywicy epoksydowej. Uzyskana sposobem według wynalazku tworząca hybrydę struktura oplotu nośnego zapewnia doskonałą pracę wiązek włókien wzmacniających.

PL 226 196 B1

Po wykonaniu warstwy kompozytowej, którą tworzy od 10 do 12 nawojów włókien, zbiornik podlega procesowi utwardzania, który prowadzi się poprzez stopniowe zwiększanie temperatury w określonych odstępach czasowych i w trakcie powolnego, osiowego obrotu zbiornika. Proces utwardzania rozpoczyna się od nagrzania zbiornika do temperatury 20°C i utrzymaniu temperatury przez czas od 16 do 28 godzin, korzystnie 24 godziny. W tym czasie następuje proces sieciowania polimeru tj. przekształcania się liniowych cząsteczek polimerów w makrocząsteczki przestrzenne, w wyniku wytworzenia między nimi wiązań poprzecznych, tzw. mostków. Czas i temperatura procesu sieciowania powoduje wzrost sztywności oraz zwiększenie odporności na działanie np. czynników atmosferycznych, promieniowania, temperatury. Po procesie sieciowania, w wyniku stopniowego podnoszenia temperatury następuje proces utwardzania termicznego, zgodnie z którym zbiornik przebywa w temperaturze 20°C+/-2°C przez 24 godziny +/-2 godziny, następnie w 45°C +/-2°C w czasie do 72 godzin +/-2 godziny (począwszy od rozpoczęcia procesu wygrzewania), w temperaturze do 70°C +/-2°C w czasie kolejnych 34 godzin +/-2 godziny oraz w temperaturze do 25°C +/-2°C przez czas 8 godzin +/-2 godziny. W wyniku tak prowadzonego procesu wytrzymałość termiczna warstwy kompozytowej zbiornika wzrasta do wartości powyżej 80°C.

Ostatnim etapem wytworzenia zbiornika kompozytowego według wynalazku jest pokrycie go dodatkową powłoką zabezpieczającą przez działaniem promieni UV, wody, substancji chemicznych oraz dodatkowo zwiększającą odporność na uderzenia.

Zbiornik kompozytowy wytworzony sposobem według wynalazku jest niezwykle wytrzymały, odporny na odkształcenia, wysokie temperatury oraz działanie chemiczne a także ma niewielką wagę, co pozwala na jego wykorzystanie w szerokiej gamie zastosowań: w ratownictwie medycznym, chemicznym, w pożarnictwie, jako butle do paintball'a oraz jako butle do profesjonalnego, głębinowego nurkowania. Zbiornik według wynalazku charakteryzuje się całkowitym brakiem korozji.

Przedmiot według wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na których fig. 1 przedstawia kompozytowy zbiornik wysokociśnieniowy w przekroju podłużnym; fig. 2 przedstawia liner wraz z króćcem przyłączeniowym w przekroju podłużnym; fig. 3 przedstawia liner w przekroju podłużnym; fig. 4 przedstawia króciec przyłączeniowy w przekroju podłużnym, fig. 5 przedstawia pierścień uszczelniający typu o-ring w przekroju podłużnym fig. 6 przedstawia osadczy pierścień blokujący (seger) w przekroju podłużnym, fig. 7 przedstawia preformę w przekroju podłużnym, fig. 8 obrazuje biegunowy sposób laminowania, fig. 9 przedstawia krzyżowy sposób laminowania, fig. 10 przedstawia śrubowy sposób laminowania.

P r z y k ł a d:

Zbiornik wysokociśnieniowy według wynalazku składa się z korpusu 1, wytworzonego z rozdmuchanej i zaopatrzonej w kołnierz 11a preformy 11 oraz warstwy kompozytowej 2, wzmacnianej oplotem nośnym wykonanym z wysokomodułowych włókien węglowo-aramidowych a także aluminiowego króćca przyłączeniowego 3.

Preforma jest wykonana z politeraftalanu etylenu lub poliamidu.

Jak pokazano na fig. 1, we wnętrzu korpusu 1, po stronie przeciwległej w stosunku do króćca przyłączeniowego 3, znajduje się osadzona w warstwie kompozytowej 2 pojemnika, aluminiowa dennica wzmacniająca 4. Przy styku z dnem korpusu ma ona kształt rozgałęzionych, łukowato-wypukłych skrzydeł 5, przylegających do łukowato-wklęsłego dna korpusu, a także posiada dodatkowe, pierścieniowe wypusty 6, umieszczone wewnątrz warstwy kompozytowej 2. Króciec przyłączeniowy 3 jest wykonany w całości, jako jeden element i posiada kołnierz oporowy 7 do oparcia na części zewnętrznej korpusu, powyżej którego znajduje się dodatkowy występ 8, mający postać pierścienia umieszczonego wokół otworu króćca.

Na obwodzie wewnętrznej części króćca przyłączeniowego znajduje się pierścieniowy rowek uszczelniający 9 z umieszczonym w nim uszczelnieniem 9a, typu o-ring, a także rowek pierścienia osadczego 10, zawierający osadczy pierścień blokujący (seger) 10a, który zabezpiecza przed osiowymi przesunięciami mogącymi wystąpić pod wpływem sił, działających na zbiornik kompozytowy.

Króciec przyłączeniowy 3 łączy się z korpusem 1, powstałym z rozdmuchu preformy 11, w górnej części której znajduje się kołnierz 11a zaopatrzony w rowek pierścieniowy 11b wykonany tak, aby po połączeniu korpusu 1 z króćcem przyłączeniowym 3, rowek pierścieniowy zewnętrzny 10 króćca 3 znajdował się dokładnie naprzeciw rowka kołnierza preformy 11b, zaś wewnętrzny rowek uszczelniający 9 z zamontowanym w rowku pierścieniem uszczelniającym typu o-ring 9a, znajdował się dokładnie w części cylindrycznej kołnierza preformy 11a.

PL 226 196 B1

P r z y k ł a d:

Sposób wytwarzania kompozytowego zbiornika wysokociśnieniowego według wynalazku w pierwszym etapie polega na poddaniu kołnierza preformy 11, procesowi miejscowej krystalizacji. Długość kołnierza preformy 11a jest równa długości odpowiadającej długości połączenia z króćcem przyłączeniowym 3. Przed rozpoczęciem procesu miejscowej krystalizacji kołnierz preformy 11a jest izolowany od jej pozostałej części, celem uniknięcia zjawiska niekontrolowanego rozprzestrzeniania się krystalizacji. Krystalizację przeprowadza się poprzez stopniowe rozgrzanie kołnierza preformy 11a do temperatury blisko środka pomiędzy temperaturą zeszklenia a temperaturą topnienia w czasie, korzystnie 6 min. Po zakończeniu rozgrzewania, plastyczny kołnierz preformy umieszcza się na cylindrycznym, metalowym trzpieniu o średnicy przekroju poprzecznego tożsamej ze średnicą wewnętrzną króćca przyłączeniowego i poddaje procesowi stopniowego chłodzenia w kąpieli wodnej przez czas, korzystnie 6 min. W wyniku procesu krystalizacji kołnierz uzyskuje charakterystyczną, krystaliczno-amorficzną strukturę. Po zakończeniu procesu miejscowej krystalizacji na zewnętrznej części kołnierza preformy 11a wykonuje się rowek pierścieniowy 11b, wykonany tak, aby po połączeniu linera 1 z króćcem przyłączeniowym 3, rowek pierścieniowy 11b, znajdował się dokładnie naprzeciw rowka pierścieniowego zewnętrznego 10 króćca 3 a wewnętrzny rowek uszczelniający 9 z zamontowanym w rowku 9 pierścieniem uszczelniającym 9a typu o-ring, znajdował się dokładnie w części cylindrycznej kołnierza preformy 11a.

W kolejnym etapie sposobu według wynalazku, przygotowaną uprzednio preformę 11 z kołnierzem 11a, poddanym procesowi kontrolowanej krystalizacji i wykonanym w kołnierzu 11a, kanalikiem pierścieniowym 11b, rozdmuchuje się znanym sposobem do pożądanych rozmiarów i kształtu, po czym zestawia się z zaopatrzonym w kołnierz oporowy 7 króćcem przyłączeniowym 3 oraz dennicą 4. Wnętrze powstałego zbiornika wypełnia się gazem do uzyskania stałej wartości ciśnienia, wynoszącej 2 bary, po czym zbiornik pokrywa się wzmacniającą warstwą kompozytową 2.

Do wytworzenia wzmacniającej warstwy kompozytowej stosuje się żywice epoksydowe oraz wiązkę włókien węglowych (dwa włókna zewnętrzne) i włókna aramidowego (włókno wewnętrzne).

Tworzenie warstwy kompozytowej odbywa się poprzez nawijanie w technologii mokrej wiązki włókien przesycanych żywicą, korzystnie epoksydową z zastosowaniem trzech sposobów nawijania: krzyżowego, biegunowego i obwodowego, jak uwidoczniono na rysunku w figurach od 6 do 8.

Wykonuje się kolejno, korzystnie: cztery oploty systemem biegunowym, trzy oploty systemem krzyżowym, trzy oploty systemem obwodowym oraz jeden oplot systemem biegunowym.

Nawijanie wiązki włókien sposobem krzyżowym, odbywa się z jednoczesnym obrotem zbiornika lub głowicy nawijającej i jej przesuwem na długości zbiornika, pod kątem pochylenia osi obrotu wynoszącym, korzystnie 54°. Krzyżowy oplot nośny zapewnia najlepszą pracę włókien wzmacniających. Podczas nawijania włókien zbiornik wprowadza się w lekkie drgania, celem lepszego ułożenia włókien na linerze i eliminacji tzw. pustek w kompozycie.

W sposobie biegunowym wiązka włókien nawijana jest podczas przejść głowicy nawijającej pomiędzy biegunami zbiornika, przy czym każdorazowo wiązka przechodzi wokół króćca przyłączeniowego, stanowiąc element mocujący króciec przyłączeniowy.

Po wykonaniu warstwy kompozytowej, którą tworzy od 10 do 12 nawojów włókien, zbiornik podlega procesowi utwardzania poprzez stopniowe zwiększanie temperatury w ściśle określonych odstępach czasowych i w trakcie powolnego, osiowego obrotu zbiornika. W pierwszym etapie procesu utwardzania - zbiornik przebywa w temperaturze 20°C przez czas 24 godzin, w którym następuje sieciowanie polimeru, dzięki któremu osiąga się wzrost wytrzymałości termicznej do 46°C. Potem następuje wzrost temperatury do 45°C, w której zbiornik przebywa do 24 godzin, po czym następuje narastanie temperatury do 70°C i utrzymuje przez kolejne 24 godziny a następnie obniża do 23°C w ciągu 12 godzin. Wytrzymałość termiczna uzyskana w procesie utwardzania według wynalazku wynosi 82°C.

Ostatnim etapem wytworzenia zbiornika kompozytowego według wynalazku jest pokrycie go dodatkową powłoką zabezpieczającą przez działaniem promieni UV, wody, substancji chemicznych oraz dodatkowo zwiększającą odporność na uderzenia. Zbiornik kompozytowy według wynalazku charakteryzuje sie doskonałymi właściwościami mechanicznymi w szerokim znaczeniu (wysoka odporność na deformacje, wysoka wytrzymałość zmęczeniowa i końcowa, wysoka wytrzymałość udarnościowa).

Claims (20)

1. Kompozytowy zbiornik wysokociśnieniowy zawierający korpus, wytworzony metodą rozdmuchu z preformy wykonanej z termoplastycznego tworzywa a także króciec przyłączeniowy, znamienny tym, że w wybraniu w króćcu przyłączeniowym (3), który zawiera kołnierz oporowy (7), naprzeciwko rowka uszczelniającego (9) wykonanego dla uszczelnienia typu o-ring (9a) znajduje się rowek dla pierścienia osadczego (10) do nierozłącznego mocowania kołnierza (11a) preformy (11) za pomocą pierścienia osadczego (10a).

2. Kompozytowy zbiornik według zastrz. 1, znamienny tym, że króciec przyłączeniowy (3) zawiera zewnętrzny występ (8) w postaci pierścienia umieszczonego wokół otworu króćca (3).

3. Kompozytowy zbiornik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w kołnierzu (11a) preformy (11) znajduje się rowek pierścieniowy (11b) wykonany tak, że po połączeniu korpusu (1) z króćcem przyłączeniowym (3), rowek pierścieniowy zewnętrzny (10) króćca (3) znajduje się naprzeciw rowka kołnierza preformy (11b), zaś wewnętrzny rowek uszczelniający (9) z zamontowanym w rowku pierścieniem uszczelniającym typu o-ring (9a), znajduje się w części cylindrycznej kołnierza preformy (11a).

4. Kompozytowy zbiornik według zastrz. 1 albo 2, albo 3 znamienny tym, że pierścień osadczy (10a) ma przekrój poprzeczny w kształcie trapezu z kątem prostym.

5. Kompozytowy zbiornik według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że korpus (1) jest wykonany z zawierającej kołnierz (11a) rozdmuchanej preformy (11), wytworzonej z politereftalanu etylenu lub poliamidu,

6. Kompozytowy zbiornik według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że dennica (4) przy styku z dnem korpusu ma kształt rozgałęzionych, łukowato-wypukłych skrzydeł (5), przylegających do łukowato-wklęsłego dna korpusu, a także posiada dodatkowe, pierścieniowe wypusty (6), umieszczone wewnątrz warstwy kompozytowej (2).

7. Kompozytowy zbiornik według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że oplot nośny warstwy kompozytowej (2) jest wykonany z wiązek włókien węglowo-aramidowych oraz żywicy epoksydowej.

8. Kompozytowy zbiornik wysokociśnieniowy według zastrz. 7, znamienny tym, że wiązka włókien jest ukształtowana z dwóch zewnętrznych włókien węglowych i wewnętrznego włókna aramidowego.

9. Sposób wytwarzania kompozytowego zbiornika wysokociśnieniowego, wykorzystujący wytworzenie korpusu poprzez rozdmuchanie do pożądanych rozmiarów wytworzonej dowolną techniką z termoplastycznego tworzywa preformy, połączenie korpusu z króćcem przyłączeniowym oraz wzmacnianie powierzchni zewnętrznej zbiornika poprzez wytworzenie warstwy kompozytowej, znamienny tym, że preformę (11) zaopatrzoną w kołnierz (11a), poddaje się uprzednio procesowi kontrolowanej krystalizacji i kolejno wykonuje się w kołnierzu (11a) preformy (11) rowek pierścieniowy (11b), po czym preformę (11) rozdmuchuje się do pożądanych rozmiarów i zestawia się z zaopatrzonym w kołnierz oporowy (7) króćcem przyłączeniowym (3) tak, że w rowku uszczelniającym (9) króćca (3) umieszcza się uszczelnienie typu o-ring (9a), zaś w rowku pierścienia osadczego (10) umieszcza się pierścień osadczy (10a), po czym króciec przyłączeniowy (3) nakłada się zaciskowo na pierścień (11a) korpusu (3), następnie wnętrze powstałego zbiornika wypełnia się gazem do uzyskania stałej wartości ciśnienia wewnątrz zbiornika i kolejno wykonuje się warstwę kompozytową (2), poprzez wykonanie oplotu nośnego z wiązek włókien wzmacniających z zastosowaniem trzech sposobów nawijania: krzyżowego, biegunowego i obwodowego, po czym całość utwardza się termicznie.

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że proces krystalizacji kołnierza preformy (11a), izolowanego od pozostałej części preformy (11), prowadzi się poprzez: stopniowe rozgrzanie kołnierza preformy (11a) do temperatury blisko środka pomiędzy temperaturą zeszklenia a temperaturą topnienia w czasie od 8 do 10 min., a następnie umieszczenie plastycznego kołnierza preformy (11a) na cylindrycznym, metalowym trzpieniu o średnicy przekroju poprzecznego tożsamej ze średnicą wewnętrzną króćca przyłączeniowego (3), po czym poddanie kołnierza preformy (11a) procesowi stopniowego chłodzenia w kąpieli wodnej przez czas od 4 do 10 min.

11. Sposób według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że temperatura rozgrzania kołnierza preformy (11a) wynosi od 135°C do 165°C, zaś proces rozgrzewania prowadzi się w czasie 5-6 min, natomiast proces stopniowego chłodzenia preformy (11a) w kąpieli wodnej prowadzi się w czasie 5-6 min.

PL 226 196 B1

12. Sposób według zastrz. 9 albo 10, albo 11, znamienny tym, że po zakończeniu procesu miejscowej krystalizacji na zewnętrznej części kołnierza (11a) króćca (3) wykonuje się rowek pierścieniowy (11b), tak, że po połączeniu korpusu (1) z króćcem przyłączeniowym (3), kanalik pierścieniowy (11b), znajduje się naprzeciw rowka pierścieniowego zewnętrznego (10) a wewnętrzny rowek uszczelniający (9) z zamontowanym w rowku (9) pierścieniem uszczelniającym (9a) typu o-ring, znajduje się w części cylindrycznej kołnierza (11a).

13. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 9 do 12, znamienny tym, że do wykonania warstwy kompozytowej wykorzystuje się żywice utwardzalne, korzystnie epoksydowe oraz włókna, korzystnie wiązkę włókien węglowych i aramidowych,

14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że wiązka włókien węglowo-aramidowych składa się z dwóch zewnętrznych włókien węglowych oraz środkowego włókna aramidowego.

15. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 9 do 14, znamienny tym, że w wykonaniu oplotu nośnego sposobem krzyżowo-biegunowym, wiązki włókien nawija się każdorazowo podczas przejść głowicy nawijającej pomiędzy biegunami zbiornika oraz przejść wokół króćca przyłączeniowego przy zachowaniu stałego kąta pochylenia osi obrotu, korzystnie 53°-55°.

16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że nawijanie wiązek włókien dokonuje się przy stałym ciśnieniu wewnętrznym zbiornika kompozytowego, mieszczącym się w przedziale od 2 do 2,8 bara, przy czym im większy rozmiar zbiornika kompozytowego, tym mniejsza wartość ciśnienia wewnętrznego.

17. Sposób według zastrz. 15 albo 16, znamienny tym, że wytworzenie warstwy kompozytowej (2) odbywa się poprzez wykonanie kolejno od 10 do 12 nawojów wiązek włókien, korzystnie czterech oplotów wiązką włókien sposobem biegunowym; korzystnie trzech oplotów systemem krzyżowym; korzystnie trzech oplotów systemem obwodowym oraz korzystnie jednego oplotu systemem biegunowym.

18. Sposób według zastrz. 16 albo 17, znamienny tym, że podczas nawijania włókien zbiornik wprowadza się w lekkie drgania.

19. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 9 do 18, znamienny tym, że proces utwardzania prowadzi się poprzez etapowe zwiększanie temperatury od

20°C do 70°C w zadanych odstępach czasowych i w trakcie powolnego, osiowego obrotu zbiornika, korzystnie w pierwszym etapie procesu utwardzania, zbiornik utrzymuje się w temperaturze 20°C +/-2°C przez czas 24 godzin +/-2 godziny, w drugim etapie temperaturę podnosi się do 45°C +/-2°C i utrzymuje w niej zbiornik do 72 godzin +/-2 godziny, począwszy od rozpoczęcia procesu utwardzania, po czym w trzecim etapie temperaturę zwiększa się do 70°C +/-2°C i utrzymuje się zbiornik przez kolejne 34 godziny +/-2 godziny a w czwartym etapie temperaturę obniża się do 23°C +/-2°C i utrzymuje w niej zbiornik przez 12 godzin +/-2 godziny.