PL228200B1 - Pojemnik wysokocisnieniowy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest pojemnik wysokociśnieniowy, zwłaszcza do magazynowania cieczy i gazów pod zwiększonym ciśnieniem, odporny na niszczące działanie ciśnienia wywieranego przez zgromadzone w jego wnętrzu medium.

Znane są pojemniki, przeznaczone do przechowywania substancji we wszystkich stanach skupienia. Często zdarza się jednak, iż umieszczona w pojemniku substancja w związku z własnymi właściwościami fizykochemicznymi, na skutek interakcji z otoczeniem, a zwłaszcza ze zmiennymi warunkami termicznymi, zmienia swój stan skupienia, albo na skutek tych reakcji wydzielają się z magazynowanej substancji gazy, które zwiększają nacisk na ściany pojemnika. Z tych tez powodów, często rezygnuje się z wykonywania pojemników do przechowywania takich substancji metodą sklejania formy, polegającą na wytworzeniu kilku części produktu finalnego, a następnie sklejeniu ich lub zgrzaniu wzdłuż krawędzi styku poszczególnych części. W celu uniknięcia niekontrolowanego rozszczelnienia się pojemnika, odchodzi się od wytwarzania zbiorników o zgrzewanych/sklejanych ścianach na korzyść zbiorników wytwarzanych jako jedna całość.

Najprostszym rozwiązaniem, wykorzystywanym zwłaszcza do zbiorników wielkogabarytowych i pozwalającym na zabezpieczenie zbiornika przed jego rozszczepieniem jest umieszczenie zbiornika z tworzywa sztucznego we wnętrzu stalowego kosza oplatającego zewnętrzne płaszczyzny zbiornika, jak w zgłoszeniu patentowym nr P-312 662. Należy jednak zaznaczyć, że zastosowanie metali znacznie zwiększa ciężar gotowego wyrobu, zmniejszając tym samym wagę medium, które może być w nim umieszczane.

Wzmacnianie zbiornika może być wykonane również metodą laminowania, poprzez umieszczenie na powierzchni zbiornika wyrobu dodatkowej warstwy włókien, owiniętych i połączonych z powierzchnią wyrobu za pomocą żywicy. Zbiornik zaopatrzony w dodatkowe wzmocnienie zewnętrzne przedstawiono w opisie patentowym nr PL 168 196, zgodnie z którym rurowy korpus zbiornika jest wzmocniony włóknami z tworzywa sztucznego, utworzony z nasyconego żywicą nawoju z wysokowytrzymałych włókien z wykorzystaniem twardniejącej żywicy.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 184 943 znany jest pojemnik z tworzywa sztucznego wzmocniony korpusem z włókien, posiadający co najmniej jeden otwór łączący, składający się z dwóch, mających jeden otwarty koniec i połączonych ze sobą połówek, z których każda ma cylindryczną część i podstawę, przy czym otwarte końce połówek zbiornika są stożkowato ścięte i umieszczone jeden w drugim, jako część obejmowana i obejmująca, przy czym końce są połączone ze sobą za pomocą spoiwa, a ponadto połówki pojemnika zawierają korpus z warstw mających wzdłużne i poprzeczne wiązki skrętek wzmacniających włókien, przy czym każda z połówek pojemnika ma korpus z co najmniej pierwszej warstwy włókien ułożonych w określony, powtarzający się wzór, przy czym w części cylindrycznej połówek pojemnika jedna warstwa ma ukośnie skierowane wiązki skrętek włókien, a każda wiązka skrętek włókien jest ułożona nad zbiornika, usytuowanym pomiędzy cylindryczną częścią połówek i podstawą zbiornika oraz nad podstawą zbiornika wzdłuż jej cięciwy, a następnie w odwrotnej kolejności nad ramieniem i na przeciwnej stronie części cylindrycznej połówek pojemnika.

Z kolei patent nr PL 197 773 ujawnia zbiornik ciśnieniowy z tworzywa sztucznego do cieczy i gazów wzmocniony laminatem tworzywa i włókna, wyposażony w zbiornik wewnętrzny i zewnętrzny oraz w przynajmniej jedno przyłącze w dnie zbiornika oraz ewentualnie w jego cylindrycznej bocznej ścianie. Przynajmniej jedno przyłącze jest zaopatrzone w gwintowany otwór dla zaopatrzonego w cylindryczny albo stożkowy gwint zaworu, albo końcówki przewodu ciśnieniowego. Nadto, w króćcu zbiornika wewnętrznego jest osadzona tulejowa wkładka z kołnierzem, zaopatrzona w przynajmniej dwie uszczelki, tj. uszczelkę umieszczoną między wkładką i wewnętrzną powierzchnią króćca zbiornika wewnętrznego oraz uszczelkę umieszczoną między wkładką i końcówką przewodu ciśnieniowego.

Znany jest także ze zgłoszenia patentu amerykańskiego nr US 2005 0 167 433 pojemnik złożony zasadniczo ze sztywnego pojemnika zewnętrznego, posiadającego otwór do wyrównania ciśnienia w obszarze jego podstawy, a także z pojemnika wewnętrznego umieszczonego w pojemniku zewnętrznym i co najmniej częściowo przymocowanego osiowo do szwu zewnętrznego pojemnika, przy czym pojemniki: zewnętrzny i wewnętrzny sporządzone są z różnych tworzyw termoplastycznych. Pojemnik zewnętrzny ma kształt butelki z szyjką mającą ukształtowaną na zewnątrz boczną płaszczyznę, zaś pojemnik wewnętrzny jest osadzony w szyjce tzw. butelki i przymocowany osiowo do zbiornika zewnętrznego.

PL 228 200 B1

Zbiorniki ciśnieniowe zaopatrzone są w króćce przyłączeniowe, przy czym z uwagi na zakres ciśnienia, w jakich pracuje takie połączenie, króćce przyłączeniowe wykonuje się z metalu, odpornego na dalszą obróbkę, zwłaszcza w wyższych temperaturach. Dodatkowo, w obszarze połączenia metal/tworzywo umieszcza się uszczelki (nr PL 197 773), które w procesie laminowania wzmacniającego powietrznię zewnętrzna zbiornika dociskane są do poszczególnych warstw wyrobu i zapewniają szczelność połączenia.

Szczególnie ważnym jest, aby wolna krawędź króćca zachowała podczas laminowania i obróbki cieplnej idealny kształt i nie uległa odkształceniom mogącym skutkować pogorszeniem szczelności wyrobu finalnego.

Ze zgłoszenia patentu nr EP 2008 0 102 903 znany jest sposób wytwarzania zbiornika wysokociśnieniowego oraz zbiornik wysokociśnieniowy wielowarstwowy składający się z pojemnika uformowanego z wykonanej metoda rozdmuchu preformy z tworzywa sztucznego i zakończony rurą przyłączeniową zespoloną jednolicie z pojemnikiem poprzez zewnętrzne laminowanie z wykorzystaniem żywicy i włókien, np. szklanych /i/lub węglowych. Rura przyłączeniowa jest zaopatrzona w gwint służący do połączenia z króćcem przyłączeniowym

W wypadku, kiedy maksymalne ciśnienie robocze, pod jakim pracować ma zbiornik może powodować uszkodzenia gwintu króćca przyłączeniowego, albo gdy środowisko pracy zbiornika może narażać go na uszkodzenia mechaniczne, na przykład w wyniku bocznego uderzenia zaworu albo naprężeń instalacji odprowadzającej zawartość pojemnika, konieczne staje się wykonanie króćca przyłączeniowego lub jego gwintu z materiału bardziej odpornego niż tworzywo sztuczne. Wówczas jednak koniecznym jest wyeliminowanie ewentualnego rozszczelnienia się zbiornika w miejscu połączenia materiału zbiornika i materiału króćca. W tym celu stosować można dodatkowe uszczelniacze - oringi.

Wskazane w stanie techniki niedogodności, dotyczące głównie niekontrolowanego i niepożądanego rozszczelnienia zbiornika, zwłaszcza wysokociśnieniowego, eliminuje pojemnik wysokociśnieniowy według wynalazku

Pojemnik wysokociśnieniowy według wynalazku składa się z korpusu zbudowanego z rozdmuchanej uprzednio do pożądanych rozmiarów i kształtu preformy oraz zestawionego z nią króćca przyłączeniowego. Preforma wykonana jest z termoplastycznego tworzywa sztucznego, korzystnie z tworzywa PET.

Korzystnie, kiedy właściwości termoplastyczne tworzywa umożliwiają jego wielokrotne uplastycznianie i zestalenie.

Korzystnie, gdy podczas wykonywania preformy i jej rozdmuchu, warunki panujące w całej objętości wtryskiwanego do formy tworzywa są jednorodne. We wnętrzu rozdmuchanej preformy, po stronie przeciwległej w stosunku do króćca przyłączeniowego znajduje się podkładka dolna, a po stronie króćca przyłączeniowego znajduje się współpracująca z króćcem podkładka górna. Kształt wewnętrznej powierzchni króćca (tzw. wybranie króćca) odpowiada kształtem podkładce górnej.

Króciec przyłączeniowy może być wykonany z jednego z materiałów: metali żelaznych, metali nieżelaznych lub kompozytów. Od strony wnętrza zbiornika króciec przyłączeniowy posiada co najmniej jeden rowek pierścienia uszczelniającego oraz co najmniej jeden rowek uszczelnienia typu „ring/ring” (oring). Rowki wykonane są promieniowo wokół otworu króćca.

Co najmniej jeden z rowków zawiera uszczelnienie typu oring, a znajdujący się w jego bezpośredniej bliskości drugi rowek zawiera pierścień uszczelniający. Króciec przyłączeniowy jest korzystnie wyposażony w dodatkowy występ, mający postać pierścienia umieszczonego wokół otworu króćca.

Zestawione razem: rozdmuchana preforma, króciec przyłączeniowy oraz podkładki dolna i górna, owinięte są warstwami laminatu, które pokryte są dodatkową warstwą ochronną.

Podczas użytkowania wraz z wzrostem ciśnienia przechowywanego gazu wzrasta nacisk na pierścień uszczelniający. Na skutek nacisku gazu pierścień uszczelniający ulega odkształceniu, wywierając jednocześnie nacisk na co najmniej jedno uszczelnienie typu oring. Gaz, który dostanie się pomiędzy uszczelnienie typu oring, a powierzchnię króćca zamykany jest po odkształceniu uszczelnienia i pierścienia, dzięki czemu - zgodnie z zasadą zachowania energii - następuje 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. Dodatkowy nacisk wywierany przez gaz na pierścień uszczelniający i co najmniej jedno uszczelnienie typu oring powoduje jednocześnie doszczelnienie złącza.

Powierzchnia zewnętrzna pojemnika jest zaopatrzona w warstwę wzmacniającą, wykonaną z nawiniętych włókien przesyconych żywicą. Korzystnie, wykorzystywane są żywice utwardzalne z włóknami

PL 228 200 B1 ze zbioru włókien: szklanych albo węglowych, albo aramidowych, albo bazaltowych, albo ceramidowych, albo kilku rodzajów tych włókien jednoczenie. Warstwa wzmacniająca stanowi utwardzoną temperaturowo warstwę włókien nałożonych na całej powierzchni zbiornika sposobem krzyżowo-biegunowym, a dodatkowo w części zbiornika o stałej średnicy sposobem śrubowym, pokrytą warstwą żywicy. Kąt pochylenia włókna nałożonego sposobem krzyżowo-biegunowym, mierzony w stosunku do osi zbiornika, zawiera się w przedziale od 49° do 59°. Korzystnie, pojemnik według wynalazku jest pokryty dodatkową warstwą ochronną, odporną na działanie promieni UV.

Pojemnik wysokociśnieniowy według wynalazku jest odporny na działanie znacznych sił rozrywających. Jego zewnętrzna powierzchnia wzmocniona jest metodą laminowania i w połączeniu z umieszczonym w króćcu przyłączeniowym pierścieniem uszczelniającym zabezpiecza zbiornik przed rozerwaniem w wypadku wzrostu ciśnienia wewnętrznego oraz uszkodzeniami mechanicznymi z zewnątrz.

Przedmiot według wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia pojemnik wysokociśnieniowy według wynalazku w przekroju poprzecznym, fig. 2 przedstawia króciec przyłączeniowy w przekroju poprzecznym, fig. 3 przedstawia widok gotowego zbiornika wysokociśnieniowego według wynalazku. fig. 4 przedstawia zewnętrzną warstwę wzmacniającą zbiornika, wykonaną poprzez nawijanie włókien wzmacniających systemem biegunowym, fig. 5 przedstawia zewnętrzną warstwę wzmacniającą zbiornika, wykonaną poprzez nawijanie włókien wzmacniających systemem krzyżowym, fig. 6 przedstawia zewnętrzną warstwę wzmacniającą zbiornika, wykonaną poprzez nawijanie włókien wzmacniających systemem śrubowym, fig. 7 przedstawia zbiornik według wynalazku z podkładką dolną w postaci rozpórki.

Pojemnik wysokociśnieniowy o kształcie cylindra składa się z wykonanej metodą rozdmuchu preformy 1 oraz króćca przyłączeniowego 2, nałożonego na otwór 3 preformy 1. Króciec przyłączeniowy 2 zaopatrzony jest w rowek 4 dla uszczelnienia typu o-ring oraz w co najmniej jeden rowek pierścienia uszczelniającego 5. W rowku 4 znajduje się uszczelnienie 6 typu oring, natomiast w rowku 5 znajduje się co najmniej jeden pierścień uszczelniający 7. Wokół otworu 3 króćca przyłączeniowego 2 znajduje się występ 8 o kształcie pierścienia.

Króciec przyłączeniowy 2 posiada również nakładkę górną 9 oraz płaską, wewnętrzną podkładkę dolną 10, przy czym nakładka górna 9 współpracuje z wybraniem 11 króćca 2.

Pojemnik wysokociśnieniowy posiada także co najmniej jedną warstwę wzmacniającą 12 stanowiącą utwardzoną temperaturowo warstwę włókien nałożonych na całej powierzchni zbiornika sposobem krzyżowo-biegunowym, a dodatkowo w części zbiornika o stałej średnicy sposobem śrubowym, pokrytą warstwą żywicy i dodatkową warstwą ochronną 13, odporną na działanie promieni UV.

Claims (8)

1. Pojemnik wysokociśnieniowy w kształcie cylindra, zawierający korpus, wykonany metodą rozdmuchu z preformy z termoplastycznego tworzywa typu PET oraz króciec przyłączeniowy, a także wzmocnienie zewnętrzne, znamienny tym, że zawiera nałożony na otwór (3) króciec przyłączeniowy (2) zaopatrzony, w co najmniej jeden rowek pierścienia uszczelniającego (5) z co najmniej jednym, umieszczonym w rowku (5) pierścieniem uszczelniającym (7), a także rowek (4) dla uszczelnienia typu o-ring (6), jak również nakładkę górną (9) oraz płaską, wewnętrzną podkładkę dolną (10), a także co najmniej jedną warstwę wzmacniającą (12)

2. Pojemnik wysokociśnieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wokół otworu króćca przyłączeniowego (3) znajduje się występ (8) o kształcie pierścienia.

3. Pojemnik wysokociśnieniowy według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że rozdmuchana preforma (1), króciec przyłączeniowy (2) oraz nakładka górna (9), a także podkładka dolna (10) są owinięte co najmniej jedną warstwą wzmacniającą (12)

4. Pojemnik wysokociśnieniowy według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że warstwa wzmacniająca (12) stanowi utwardzoną temperaturowo warstwę włókien nałożonych na całej powierzchni zbiornika sposobem krzyżowo-biegunowym, a dodatkowo w części zbiornika o stałej średnicy sposobem śrubowym, pokrytą warstwą żywicy.

5. Pojemnik wysokociśnieniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że kąt pochylenia włókna nałożonego sposobem krzyżowo-biegunowym, mierzony w stosunku do osi zbiornika, zawiera się w przedziale od 49° do 59°.

PL 228 200 Β1

6. Pojemnik wysokociśnieniowy według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że włókna warstwy wzmacniającej (12) stanowią włókna węglowe.

7. Pojemnik wysokociśnieniowy według zastrzeżeń 1-5, znamienny tym, że włókna warstwy wzmacniającej (12) stanowią włókna szklane i/lub aramidowe, i/lub bazaltowe, i/lub ceramidowe.

8. Pojemnik wysokociśnieniowy według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że jest pokryty dodatkową warstwą ochronną (13), odporną na działanie promieni UV.