RU2141073C1 - High pressure vessel - Google Patents

High pressure vessel Download PDF

Info

Publication number
RU2141073C1
RU2141073C1 RU98109399A RU98109399A RU2141073C1 RU 2141073 C1 RU2141073 C1 RU 2141073C1 RU 98109399 A RU98109399 A RU 98109399A RU 98109399 A RU98109399 A RU 98109399A RU 2141073 C1 RU2141073 C1 RU 2141073C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ratio
binder
load
relative elongation
equal
Prior art date
Application number
RU98109399A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ю.П. Карпов
Original Assignee
Карпов Юрий Петрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Карпов Юрий Петрович filed Critical Карпов Юрий Петрович
Priority to RU98109399A priority Critical patent/RU2141073C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2141073C1 publication Critical patent/RU2141073C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: storage, distribution and transportation of liquid and gases; high-pressure vessel having cases made from composite materials; automotive industry; transport facilities working on gaseous fuel. SUBSTANCE: high-pressure vessel has metal envelope, at least one neck and load-bearing housing mounted on the outside; this housing consists of two layers of composite material. Hermetic load-bearing layer embracing the metal envelope is made from woven reinforcing material (A1) impregnated with binder (C1) at ratio A1:C1 equal to (40-70):(30-60); ratio of relative elongation at rupture of material A1 to relative elongation of hardened binder C1 ranges from 1 to 4. In particular case, load-bearing layer located above hermetic load-bearing layer may be made from unidirectional reinforcing material A2 impregnated with binder C2 at ratio A2:C2 equal to (68-82):(18-32); ratio of relative elongation at rupture of material A2 to relative elongation of hardened binder C2 ranges from 0.9 to 5.5 and ratio of relative elongation at rupture of materials A1 and A2 ranges from 1 to 3.5. Optimal ratio between thickness of hermetic load-bearing layer and thickness of load-bearing layer is equal to 1:(2-15). Stiffeners may be provided on surface of metal envelope directed inside vessel at areas where cylindrical portion changes to bottoms. EFFECT: enhanced strength and operational safety at rather small mass per unit of volume. 4 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технике хранения, распределения и транспортировки газов и жидкостей, а именно к сосудам высокого давления с корпусами из композиционных материалов, и может быть использовано, в частности, в автомобильной промышленности при переводе транспортных средств на газовое топливо. The invention relates to techniques for storage, distribution and transportation of gases and liquids, and in particular to pressure vessels with bodies made of composite materials, and can be used, in particular, in the automotive industry when converting vehicles to gas fuel.

Известен баллон высокого давления, содержащий цилиндрическую оболочку, выполненную из стали, и имеющую полусферические днища, в одном из которых герметично закреплен фланец (Сосуды и трубопроводы высокого давления. Справочник. М.: Машиностроение, 1990, с.6). Known high-pressure cylinder containing a cylindrical shell made of steel and having hemispherical bottoms, in one of which a flange is hermetically fixed (Vessels and pipelines of high pressure. Reference book. M .: Mechanical Engineering, 1990, p.6).

Недостатком этого баллона является большая масса, что резко ограничивает области его использования. The disadvantage of this cylinder is the large mass, which sharply limits the scope of its use.

Известен баллон для хранения сжатого газа, содержащий слои волокнистого материала, армированные в осевом и кольцевом направлениях (US, патент, 3508677, В 65 D 25/00, 1977). Такая конструкция обеспечивает меньшую массу баллона, чем металлического, однако отличается сложностью в изготовлении и, кроме того, не может гарантировать его безопасное разрушение, которое обычно происходит в зоне днища с вылетом металлического закладного элемента. A known container for storing compressed gas containing layers of fibrous material, reinforced in the axial and annular directions (US patent, 3508677, 65 D 25/00, 1977). This design provides a smaller mass of the cylinder than metal, however, it is difficult to manufacture and, in addition, cannot guarantee its safe destruction, which usually occurs in the bottom area with the departure of the metal embedded element.

Более безопасным в эксплуатации является баллон, содержащий внешнюю цилиндрическую силовую оболочку из композиционного материала (стеклопластика), имеющую полусферические днища, по крайней мере в одном из которых герметично закреплен металлический фланец, и внутреннюю герметизирующую оболочку из металла (DE, патент, 3821852, F 17 C 1/02, 1990). It is safer to use a cylinder containing an external cylindrical power shell made of composite material (fiberglass), having hemispherical bottoms, in at least one of which a metal flange is hermetically fixed, and an internal metal sealing shell (DE, patent, 3821852, F 17 C 1/02, 1990).

Другой способ повышения надежности сосуда высокого давления реализован в баллоне, содержащем оправку из полимерного материала с размещенными на ней внутренним и внешним композиционными слоями из высокопрочных волокон, пропитанных полимерным связующим (RU, патент, 2100200, В 29 D 22/00, 1997). Недостатком является сложность изготовления этого баллона. Another way to increase the reliability of a pressure vessel is realized in a cylinder containing a mandrel of a polymeric material with internal and external composite layers of high-strength fibers impregnated with a polymeric binder placed on it (RU, patent, 2100200, B 29 D 22/00, 1997). The disadvantage is the difficulty of manufacturing this cylinder.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является сосуд высокого давления, содержащий тонкую металлическую оболочку, имеющую по крайней мере одну горловину, и корпус, включающий один или несколько композиционных слоев из волокнистого материала, пропитанного связующим (GB, патент, 1379160, F 17 C 1/16, 1975). К недостаткам этого сосуда следует отнести заметное снижение прочности при многократном заполнении рабочей средой. The closest analogue of the claimed technical solution in terms of the set of essential features and the achieved result is a high pressure vessel containing a thin metal shell having at least one neck, and a housing comprising one or more composite layers of fibrous material impregnated with a binder (GB, patent, 1379160, F 17 C 1/16, 1975). The disadvantages of this vessel include a marked decrease in strength upon repeated filling with a working medium.

Задачей настоящего изобретения являлось повышение прочности и безопасности эксплуатации сосуда высокого давления при одновременном обеспечении относительно небольшой его массы на единицу полезного объема. The objective of the present invention was to increase the strength and safety of operation of a pressure vessel while providing a relatively small mass per unit of usable volume.

Поставленная задача решается тем, что сосуд высокого давления содержит металлическую оболочку, по крайней мере одну горловину и расположенный снаружи корпус, выполненный из двух слоев композиционного материала, при этом охватывающий металлическую оболочку герметично-силовой слой выполнен из тканого армирующего материала (А1), пропитанного связующим (С1) при соотношении А11, равном (40-70):(30-60), причем отношение величины относительного удлинения при разрыве материала А1 к величине относительного удлинения отвержденного связующего С1 составляет 1-4.The problem is solved in that the pressure vessel contains a metal shell, at least one neck and an external housing made of two layers of composite material, while the hermetically-force layer covering the metal shell is made of woven reinforcing material (A 1 ), impregnated binder (C 1) at a ratio of A 1: C 1 is equal to (40-70) :( 30-60), wherein the ratio of the elongation at break of the material A1 to the value of elongation of the cured binder C 1 1-4 leaves.

Дополнительные отличия предлагаемого изобретения заключаются в том, что силовой слой, расположенный над герметично-силовым слоем, выполнен из однонаправленного армирующего материала А2, пропитанного связующим С2 при соотношении А2: С2, равном (68-82):(18-32), отношение величины относительного удлинения при разрыве материала А2 к величине относительного удлинения отвержденного связующего С2 составляет 0,9-5,5, а отношение величин относительного удлинения при разрыве материалов А1 и А2 составляет 1-3,5.Additional differences of the invention are that the force layer located above the hermetically-force layer is made of unidirectional reinforcing material A 2 impregnated with a binder C 2 with a ratio of A 2 : C 2 equal to (68-82) :( 18-32 ), the ratio of the relative elongation at break of the material A 2 to the relative elongation of the cured binder C 2 is 0.9-5.5, and the ratio of the values of elongation at break of the materials A 1 and A 2 is 1-3.5.

Другое дополнительное отличие состоит в том, что соотношение между толщиной герметично-силового слоя и толщиной силового слоя составляет 1:2-15. Another additional difference is that the ratio between the thickness of the hermetically-force layer and the thickness of the force layer is 1: 2-15.

Кроме того, сосуд может быть выполнен состоящим из цилиндрической части и днищ с ребрами жесткости на обращенной внутрь сосуда поверхности металлической оболочки в местах перехода цилиндрической части в днища. In addition, the vessel can be made up of a cylindrical part and bottoms with stiffeners on the surface of the metal shell facing the inside of the vessel at the points of transition of the cylindrical part to the bottoms.

На чертеже представлен общий вид сосуда высокого давления с частичным продольным разрезом. Сосуд содержит металлическую оболочку 1 по крайней мере с одной горловиной 2, на оболочке расположен герметично-силовой композиционный слой 3 из тканого армирующего материала, пропитанного связующим, над которым размещен силовой слой 4 из композиционного материала, например из однонаправленного армирующего материала, пропитанного связующим. В месте перехода цилиндрической части сосуда в днища на металлической оболочке выполнены ребра жесткости 5 (необязательный элемент конструкции). The drawing shows a General view of a pressure vessel with a partial longitudinal section. The vessel contains a metal shell 1 with at least one neck 2, on the shell there is a hermetically-force composite layer 3 of a woven reinforcing material impregnated with a binder, over which a power layer 4 of a composite material, for example, of a unidirectional reinforcing material impregnated with a binder, is placed. In the place of transition of the cylindrical part of the vessel to the bottoms, stiffeners 5 (an optional structural element) are made on the metal shell.

Сосуд изготавливают следующим образом. Герметично-силовой слой 3 формуют на оправке, в качестве которой выступает металлическая оболочка 1, путем "мокрой" намотки тканого армирующего материала, пропитанного связующим, с последующим отверждением. Экспериментально установлено, что для получения газонепроницаемого сосуда необходимо соблюдать массовое соотношение армирующего тканого материала (А1) и эпоксидного связующего (С1), равное (40-70): (30-60). Установлено также, что для обеспечения герметичности слоя 3 во всем диапазоне нагрузок отношение величины относительного удлинения при разрыве тканого армирующего материала (LА1) к величине относительного удлинения отвержденного связующего (LС1) должно составлять 1-4.The vessel is made as follows. The sealed-force layer 3 is formed on a mandrel, which is a metal shell 1, by "wet" winding a woven reinforcing material impregnated with a binder, followed by curing. It was experimentally established that to obtain a gas-tight vessel, it is necessary to observe the mass ratio of the reinforcing woven material (A 1 ) and the epoxy binder (C 1 ) equal to (40-70): (30-60). It was also established that to ensure the tightness of layer 3 in the entire load range, the ratio of the relative elongation at break of the woven reinforcing material (L A1 ) to the relative elongation of the cured binder (L C1 ) should be 1-4.

Силовой слой 4 из композиционного материала располагают над герметично-силовым слоем. The power layer 4 of the composite material is placed above the hermetically-force layer.

Вся вышеперечисленная совокупность признаков обеспечивает достижение предусмотренного технического результата - получение сосуда, отличающегося повышенной прочностью и безопасностью эксплуатации при относительно небольшой массе. All of the above set of features ensures the achievement of the intended technical result - obtaining a vessel, characterized by increased strength and safety of operation with a relatively small mass.

Формование силового слоя 4 может быть произведено, например, путем намотки готового препрега или отдельных нитей однонаправленного армирующего материала (А2), пропитанного связующим (С2), на герметично-силовой слой 3 и последующего отверждения. Задача силового слоя - принять на себя силовую нагрузку, возникающую за счет рабочей среды (например, газа), находящейся внутри сосуда под высоким давлением. Экспериментально показано, что оптимальное массовое соотношение А22 составляет (68-82):(18-32). В зависимости от выбранного соотношения реализуется "сухая" или "мокрая" намотка.The formation of the force layer 4 can be performed, for example, by winding the finished prepreg or single strands of unidirectional reinforcing material (A 2 ), impregnated with a binder (C 2 ), on the hermetically-force layer 3 and subsequent curing. The task of the power layer is to take on the power load arising from the working medium (for example, gas) inside the vessel under high pressure. It was experimentally shown that the optimal mass ratio of A 2 : C 2 is (68-82) :( 18-32). Depending on the selected ratio, “dry” or “wet” windings are implemented.

В качестве однонаправленного армирующего материала высокой прочности может быть использовано высокомодульное стекловолокно, органо- или углеволокна. Оптимальными армирующими материалами и связующим являются те, которые обеспечивают отношение величины относительного удлинения при разрыве армирующего материала (LА2) к величине относительного удлинения отвержденного связующего (LС2), равное 0,9-5,5.As a unidirectional reinforcing material of high strength, high-modulus fiberglass, organo- or carbon fiber can be used. Optimum reinforcing materials and a binder are those that provide a ratio of the relative elongation at break of the reinforcing material (L A2 ) to the relative elongation of the cured binder (L C2 ) equal to 0.9-5.5.

Для наиболее полного использования упруго-пластических свойств армирующих материалов в сосуде высокого давления отношение LА1:LС2 должно быть равно 1-3,5.For the most full use of the elastic-plastic properties of reinforcing materials in a pressure vessel, the ratio L A1 : L C2 should be 1-3.5.

Частный случай выполнения сосуда давления предусматривает соотношение между толщиной герметично-силового слоя (S1) и толщиной силового слоя (S2), равное 1:2-15. Кроме того, в частном случае выполнения сосуд может включать цилиндрическую часть и днища, например имеющие параболическую поверхность, при этом на обращенной внутрь сосуда поверхности металлической оболочки в местах перехода цилиндрической части в днища выполнены ребра жесткости.A special case of the execution of the pressure vessel provides a ratio between the thickness of the hermetically-force layer (S 1 ) and the thickness of the force layer (S 2 ) equal to 1: 2-15. In addition, in the particular case of execution, the vessel may include a cylindrical part and bottoms, for example having a parabolic surface, while stiffening ribs are made on the surface of the metal shell facing the inside of the vessel at the transition points of the cylindrical part to the bottoms.

Пример 1. Example 1

Для изготовления сосуда высокого давления, включающего цилиндрическую часть, днища с параболической поверхностью и горловины, используют металлическую оболочку из алюминия с толщиной стенок в цилиндрической части не более 1 мм. В качестве тканого армирующего материала используют стеклоленты (СЛ) марки ЛЭС-0,15-35 (ГОСТ 5931-81), а в качестве однонаправленного армирующего материала - стеклоровинг (СВ-стекловолокно) марки РВМ10-1200 (ТУ 6-06-31-502-85) при отношении LА1:LА2 = 1,05. В качестве эпоксидного связующего взята система, состоящая из смеси диановой смолы марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) и диглицидилового эфира диэтиленгликоля марки ДЭГ-1 (ТУ 6-05-1823-77) при соотношении ЭД-20:ДЭГ-1, равном 60:40, и отвердителя - триэтаноламинатитаната ТЭАТ-1 (ТУ 6-05-1860-79) при соотношении (ЭД-20+ДЭГ): ТЭАТ, равном 100:10. При этом достигается отношение LА1:LС1 и LА2:LС2, соответственно равное 2,5 и 2,6. Соотношение А11 выбрано равным 65:35, соотношение А22 = 75:25, а S1:S2 = 1:3,5.For the manufacture of a pressure vessel, including a cylindrical part, bottoms with a parabolic surface and a neck, a metal shell of aluminum with a wall thickness in the cylindrical part of not more than 1 mm is used. As a woven reinforcing material, glass tape (SL) of the LES-0.15-35 brand (GOST 5931-81) is used, and as a unidirectional reinforcing material, glass roving (CB-glass fiber) of the PBM10-1200 brand (TU 6-06-31- 502-85) with a ratio of L A1 : L A2 = 1.05. As an epoxy binder, a system consisting of a mixture of ED-20 brand Diane resin (GOST 10587-84) and diethylene glycol diglycidyl ether grade DEG-1 (TU 6-05-1823-77) with a ratio of ED-20: DEG-1, equal to 60:40, and hardener - triethanolaminate titanate TEAT-1 (TU 6-05-1860-79) with a ratio of (ED-20 + DEG): TEAT equal to 100: 10. This achieves the ratio L A1 : L C1 and L A2 : L C2 , respectively, equal to 2.5 and 2.6. The ratio A 1 : C 1 is chosen equal to 65:35, the ratio A 2 : C 2 = 75:25, and S 1 : S 2 = 1: 3.5.

Пример 2. Example 2

Сосуд изготовлен аналогично примеру 1, за исключением того, что на внутренней поверхности металлической оболочки выполнены ребра жесткости в местах перехода цилиндрической части в днища, в качестве армирующего однонаправленного материала применен ровинг на основе углеволокна (УВ) (ТУ 6-05-1875-77), а в качестве связующего для силового слоя взята смесь ЭД-20:ТЭАТ-1 = 100:10, что обеспечивает соотношения LА2:LС2 = 0,9, LА1:LА2 = 3,5 и S1:S2 = 2.The vessel was made analogously to example 1, except that stiffeners were made on the inner surface of the metal shell at the points of transition of the cylindrical part to the bottoms, carbon fiber based roving (HC) was used as reinforcing unidirectional material (TU 6-05-1875-77) and the mixture ED-20: TEAT-1 = 100: 10 was taken as a binder for the power layer, which ensures the ratios L A2 : L C2 = 0.9, L A1 : L A2 = 3.5 and S 1 : S 2 = 2.

В таблице приведены основные характеристики сосудов высокого давления по примерам 1, 2. The table shows the main characteristics of the pressure vessels in examples 1, 2.

Как следует из представленных в таблице данных, сосуды высокого давления по данному изобретению при относительно небольшой объемной массе являются газонепроницаемыми, имеют значительный запас прочности и выдерживают более 15000 заправок, что обеспечивает их безопасную эксплуатацию. As follows from the data presented in the table, the pressure vessels according to this invention with a relatively small bulk density are gas impermeable, have a significant margin of safety and withstand more than 15,000 refills, which ensures their safe operation.

Claims (4)

1. Сосуд высокого давления, содержащий металлическую оболочку, по крайней мере одну горловину и расположенный снаружи силовой корпус, выполненный из двух слоев композиционного материала, отличающийся тем, что охватывающий металлическую оболочку герметично-силовой слой выполнен из тканого армирующего материала (A1), пропитанного связующим (С1) при соотношении A1 : С1, равном (40 - 70) : (30 - 50), при этом отношение величины относительного удлинения при разрыве материала A1 к величине относительного удлинения отвержденного связующего С1 составляет 1 - 4.1. A pressure vessel containing a metal shell, at least one neck and an external power housing made of two layers of composite material, characterized in that the hermetic-force layer covering the metal shell is made of woven reinforcing material (A 1 ), impregnated binder (C 1) at a ratio of a 1: C 1 is equal to (40 - 70): (30 - 50), wherein the ratio of elongation at break a material 1 to the value of elongation of the cured binder C 1 compiled t 1 - 4. 2. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что силовой слой, расположенный над герметично-силовым слоем, выполнен из однонаправленного армирующего материала A2, пропитанного связующим С2, при соотношении A2 : С2, равном (68 - 82) : (18 - 32), при этом отношение величины относительного удлинения при разрыве материала A2 к величине относительного удлинения отвержденного связующего С2 составляет 0,9 - 5,5, а отношение величин относительного удлинения при разрыве материалов A1 и A2 составляет 1 - 3,5.2. The vessel according to claim 1, characterized in that the force layer located above the hermetically-force layer is made of unidirectional reinforcing material A 2 impregnated with a binder C 2 , with a ratio of A 2 : C 2 equal to (68 - 82): (18 - 32), while the ratio of the relative elongation at break of the material A 2 to the relative elongation of the cured binder C 2 is 0.9 - 5.5, and the ratio of the values of elongation at break of the materials A 1 and A 2 is 1 - 3,5. 3. Сосуд по п.1 или 2, отличающийся тем, что соотношение между толщиной герметично-силового слоя и толщиной силового слоя составляет 1 : 2 - 15. 3. The vessel according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio between the thickness of the airtight-strength layer and the thickness of the force layer is 1: 2 to 15. 4. Сосуд по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что включает цилиндрическую часть и днища, при этом на обращенной внутрь сосуда поверхности металлической оболочки в местах перехода цилиндрической части в днища выполнены ребра жесткости. 4. A vessel according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it includes a cylindrical part and bottoms, while stiffening ribs are made on the surface of the metal shell facing the inside of the vessel at the transition points of the cylindrical part to the bottoms.
RU98109399A 1998-05-21 1998-05-21 High pressure vessel RU2141073C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98109399A RU2141073C1 (en) 1998-05-21 1998-05-21 High pressure vessel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98109399A RU2141073C1 (en) 1998-05-21 1998-05-21 High pressure vessel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2141073C1 true RU2141073C1 (en) 1999-11-10

Family

ID=20206143

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98109399A RU2141073C1 (en) 1998-05-21 1998-05-21 High pressure vessel

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2141073C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529206C1 (en) * 2013-05-15 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Long length load-bearing structural element of vertical column type from polymeric composition material
WO2017048154A1 (en) * 2015-09-14 2017-03-23 Общество с ограниченной ответственностью "Русские цилиндры" Gas cylinder

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529206C1 (en) * 2013-05-15 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Long length load-bearing structural element of vertical column type from polymeric composition material
WO2017048154A1 (en) * 2015-09-14 2017-03-23 Общество с ограниченной ответственностью "Русские цилиндры" Gas cylinder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5865923A (en) Method of fabricating a dual chamber composite pressure vessel
US4699288A (en) High pressure vessel construction
KR100738723B1 (en) Fibre-reinforced pressure vessel and method of manufacturing fibre-reinforced pressure vessel
US5499739A (en) Thermoplastic liner for and method of overwrapping high pressure vessels
US3815773A (en) Cyclic pressure vessel
RU2309321C2 (en) Reservoir for fluid under pressure, in particular, for high- pressure gas used in automobile
US8550286B2 (en) High-pressure container
WO2011154994A1 (en) High pressure tank, and high pressure tank manufacturing method
US20090314785A1 (en) Damage and leakage barrier in all-composite pressure vessels and storage tanks
KR102478330B1 (en) pressure vessel dome vent
AU662989B2 (en) Vessel for storing fluid under pressure and able to undergo rupture without cracking open
KR101846733B1 (en) Pressure vessel using fiber-reinforced composite and method manufacturing thereof
US5862938A (en) Flat bottom composite pressure vessel
CN114667407A (en) Pressure vessel
RU2141073C1 (en) High pressure vessel
KR20180116010A (en) Pressure vessel including reinforced cylinder part
KR102347694B1 (en) Method for manufacturing a pressure vessel
JP2005113971A (en) Liner for pressure resistant container
JP6726408B2 (en) High pressure tank manufacturing method and high pressure tank
US20220065399A1 (en) Composite gas storage tank
KR102598547B1 (en) Pressure vessel and method for manufacturing the same
RU2140602C1 (en) Composite pressure balloon and composite pressure balloon manufacture method
CN110678317A (en) Robust high pressure vessel construction with joint compound
US20060138150A1 (en) Pressurised container
WO2023120975A1 (en) Pressure vessel with small diameter and long axis