PL B1. Sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych o zwiększonej wytrzymałości. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F17C 1/06 ( ) F17C 1/16 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych o zwiększonej wytrzymałości (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ARTUR ILUK, Wrocław, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Katarzyna Paprzycka PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych, przeznaczonych zwłaszcza do przechowywania sprężonych gazów. W polskim opisie patentowym nr PL (B1) ujawniony jest zbiornik niskociśnieniowy i średniociśnieniowy charakteryzujący się tym, że liner zbiornika o ściankach wykonanych z co najmniej dwu warstw maty wzmocnienia warstwowego z włókien rozdzielonych co najmniej jedną warstwą drenażową w postaci maty z materiałów wykonanych na bazie polimerów termoplastycznych, na wskroś infiltrowanych żywicą chemoutwardzalną i osłoniętych warstwami żelkotu, składa się z co najmniej jednej części walcowej linera, zaopatrzonej w obwodowe wgłębienia zamka zewnętrznego oraz wewnętrznego, leżące na przeciwległych obrzeżach oraz z dennic, zaopatrzonych w obwodowe wgłębienie zamka zewnętrznego oraz króćce dennicy, przy czym każda z odpowiadających sobie powierzchni zamka zewnętrznego i wewnętrznego, stykających się z sobą, ma wykonane rowki obwodowe, usytuowane w położeniu wzajemnie naprzeciwległym, tworzące przestrzenie wypełnione klejem, tworzącym spoinę profilową, składającą się z ścianek spoiny i integralnie z nimi związanymi O-ringami zintegrowanymi spoiny, podobnie jak powierzchnia króćca wyposażona w rowki obwodowe i stykająca się w położeniu wzajemnie naprzeciwległym z rowkami obwodowymi na powierzchni kołnierza przyłączeniowego armatury przewodowej. Z kolei utworzone tak przestrzenie zalewane są klejem, trwale łączącym części ze sobą, tworząc spoinę profilową, przy czym wewnętrzne zamki dennicy i części walcowej linera zbiornika łączone są łącznikiem wewnętrznym, również zaopatrzonym w rowki, usytuowane w położeniu wzajemnie naprzeciwległym, tworzące przestrzenie wypełnione klejem, tworzącym spoinę profilową. Na tak zbudowanej strukturze linera, na jej zewnętrznej powierzchni, ułożona jest warstwa żywicy chemoutwardzalnej, zbrojonej włóknem ciągłym w postaci oplotu wzmacniającego z włókna ciągłego, nasyconego żywicą chemoutwardzalną, przy czym wewnętrzna powierzchnia zbiornika jest dodatkowo uszczelniona warstwą materiału barierowego topcoat, zwłaszcza w miejscach spoin zamków linera oraz przyłączy niezbędnej armatury uzbrojenia zbiornika. Z polskiego opisu patentowego nr PL (B1) znany jest zbiornik ciśnieniowy wzmocniony włóknami zawierający sztywny korpus szczelny lub płynny opleciony włóknami ciągłymi, które są tak owinięte, że co najmniej szereg włókien ciągłych może swobodnie się poruszać względem siebie, zaś gdy zbiornik jest pod ciśnieniem wewnętrznym włókna są naprężone dokładnie w ich wzdłużnym kierunku. W/w opis odnosi się także do sposobu wytwarzania zbiornika ciśnieniowego wzmocnionego włóknami po to, aby nie używać materiału formy (na przykład żywicy), przy czym co najmniej szereg włókien ciągłych mógłby być wprowadzony do formy i dla tego sekcja zbiornika ciśnieniowego ma włókna ciągłe mogące swobodnie przemieszczać się względem siebie. W polskim opisie patentowym nr PL (B1) ujawniono zbiornik kompozytowy, który charakteryzuje się tym, że liner wykonany jest z płaszcza i dennic, które mają zwiększoną grubość w okolicy osi wzdłużnej zbiornika, a warstwa kompozytowa na płaszczu jest dwuwarstwowa, a w okolicy dennicowej warstwa kompozytowa zwiększa swą grubość w kierunku pierścienia montażowego. Z kolejnego polskiego opisu patentowego nr PL (B1) znany jest zbiornik kompozytowy, który posiada dwie połączone wewnętrznym stelażem dennice, które wraz z cylindrycznym płaszczem tworzą nośny korpus, zaś oplatające go poprzeczne wiązki wzmacniających włókien są usytuowane zasadniczo prostopadle do podłużnej osi zbiornika, natomiast jego wnętrze powleczone jest uszczelniającym tworzywem. Sposób wytwarzania zbiornika kompozytowego polega na tym, że łączy się spoiwem dennice z wewnętrznym stelażem oraz zewnętrznym płaszczem, a otrzymany nośny korpus zbiornika oplata się poprzecznymi wiązkami wzmacniających włókien, po czym zbiornik umieszcza się w piecu poddając go żelowaniu, a po jego ostygnięciu wypełnia się go płynnym tworzywem uszczelniającym, które rozprowadza się po wewnętrznych ściankach zbiornika wprawiając go w ruch obrotowowahadłowy. Znany jest również ze stanu techniki proces wytwarzania butli wysokociśnieniowych na bazie włóknistych materiałów kompozytowych. Butle takie składają się ze stalowej lub wykonanej z tworzywa sztucznego szczelnej wewnętrznej powłoki L (ang. liner), na której wytwarza się zewnętrzną powłokę Z z kompozytu zbrojonego włóknem W np. szklanym lub węglowym. Butla zamknięta jest zaworem V osadzonym w gnieździe butli G. Popularną metodą jest wytwarzanie powłoki kompozytowej poprzez nawijanie zwilżonego żywicą włókna W według regularnego wzoru na wewnętrzną powłokę L w taki

3 PL B1 3 sposób, że włókna pokrywają zarówno część walcową, jak i dennice butli, a następnie termiczne utwardzanie matrycy M. W ten sposób powstaje na całej powierzchni zewnętrznej butli kompozytowa powłoka przenosząca naprężenia wywołane ciśnieniem wewnętrznym C. W części walcowej butli naprężenia obwodowe σc są dwukrotnie większe od naprężeń osiowych σx (rys 1b). Nawijanie włókien W w dwóch kierunkach pod kątem α do tworzącej powierzchni walcowej wynoszącym 55 stopni powoduje, że w powstałym w ten sposób kompozycie dominują naprężenia wzdłuż włókien zbrojenia W. Samo obciążenie ciśnieniem C jest dobrze zdefiniowane i powtarzalne. Powoduje to, że znaczenie wytrzymałości matrycy jest znacznie mniejsze, niż w innych konstrukcjach kompozytowych. Wytrzymałość kompozytu zbrojonego włóknem jest tym większa, im wyższa jest zawartość procentowa włókien W w objętości kompozytu. Proces krzyżowego nawijania włókien sprzyja wytwarzaniu w okolicach krzyżowania się włókien objętości, które mogą wypełniać się żywicą lub powietrzem, zmniejszając wytrzymałość laminatu. Przeciwdziała się temu stosując odpowiedni naciąg włókien podczas nawijania, jednak zbyt duża siła naciągu powoduje, że kolejne warstwy włókna W coraz bardziej ściskają liner L wraz z nawiniętym już warstwami, co wywołuje spadanie siły naciągu włókien W w wewnętrznych warstwach włókien. W procesie obciążania butli ciśnieniem wewnętrznym C kompozyt podlega naprężeniom rozciągającym, które są przenoszone głównie przez włókna W, jednak matryca M również podlega rozciąganiu. Napinane włókna W dążą w rejonie przeplotów do minimalizacji energii wewnętrznej poprzez przyjęcie kształtu łuków o możliwie dużych promieniach, wywołując tym naprężenia w utwardzonej matrycy M. Przy maksymalnym obciążeniu butli ciśnieniem C kompozyt ulega stopniowemu niszczeniu poprzez pękanie materiału matrycy M oraz uszkadzanie coraz większej liczby włókien W, aż do przerwania ciągłości kompozytu i zniszczenia butli. Jednym z powodów pękania włókien są lokalne niejednorodności w sile napięcia włokiem zbrojenia. Celem wynalazku było opracowanie nowego sposobu wytwarzania butli kompozytowych o zwiększonej wytrzymałości, który rozwiązałby w/w problemy poprzez zmniejszenie naprężenia w matrycy M oraz zapewnienie wyższej zawartości włókien W w kompozycie. Dodatkowo postanowiono zapewnić większą równomierność siły napięcia poszczególnych włókien zbrojenia. Istota sposobu wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych ze szczelnym linerem L wykonanym z metalu lub tworzywa sztucznego, wzmocnionym zewnętrznym płaszczem kompozytowym zbrojonym włóknami W o wysokiej wytrzymałości i sztywności, pokrywającym całą powierzchnię linera L, z włóknami nawiniętymi w części walcowej w dwóch kierunkach pod kątem 55 stopni do tworzącej walca, z matrycą termoutwardzalną lub chemoutwardzalną, polega na tym, że po nawinięciu na liner L warstw włókien W zwilżonych żywicą, wewnątrz butli wytwarza się ciśnienie wewnętrze C oraz utrzymuje się je na stałym poziomie, aż do momentu utwardzenia i osiągnięcia pełnej wytrzymałości matrycy M w procesie termicznego utwardzenia. Korzystnie, stosuje się ciśnienie wewnętrzne C równe lub niższe połowie ciśnienia nominalnego. Korzystnie, dodatkowo przeprowadza się etap obciążenia butli ciśnieniem testowym znacznie wyższym od ciśnienia nominalnego. Zaletą wynalazku jest to, że wynikiem procesu jest korzystny stan wstępnych naprężeń ściskających w matrycy, usunięcie nadmiaru żywicy i wyrównanie naprężeń w włóknach kompozytu. Podczas obciążania butli w normalnej pracy do ciśnienia atmosferycznego do nominalnego (fig. 3c, etapy VII-X), naprężenia rozciągające w materiale matrycy M w butli wg wynalazku osiągają niższe wartości niż w matrycy utwardzonej klasycznie. Wytrzymałość żywic jest znacznie wyższa w przypadku naprężeń ściskających, niż rozciągających. Cykle zmęczeniowe ściskania występujące w butli wykonanej według wynalazku (fig. 3c, linia 5) są z punktu widzenia wytrzymałości zmęczeniowej bardziej korzystne od cykli rozciągających w przypadku butli wykonanej klasycznie, tzn. z matrycą M utwardzoną w stanie nieobciążonym (fig. 3c, linia 4). Opóźnienie procesu zmęczeniowego uszkadzania matrycy M zwiększa trwałość zmęczeniową całej butli. Dodatkowo, włókna zbrojenia W mogą samoczynnie przyjąć pod wpływem dużego obciążenia optymalne ułożenie przed utwardzeniem matrycy M, co sprzyja wyrównaniu lokalnych nierównomierności naciągu włókien W powstałych w procesie nawijania. Wiązki włókien W mogą bez napinania nieutwardzonej matrycy korzystne zwiększyć promienie krzywizny na przeplotach z r1 do r2 (fig. 2) i znacznie zmniejszyć prawdopodobieństwo wytworzenia lokalnego ogniska pękania wielu włókien prowadzącego do zniszczenia butli. Siła naciągu wytworzona ciśnieniem wewnętrznym C jest znacznie wyższa od

4 4 PL B1 możliwej do uzyskania w procesie nawijania, więc proces przyjmowania przez poszczególne włókna optymalnych pozycji jest znacznie bardziej skuteczny. Z tego samego względu (duża siła napinająca przyłożona przed utwardzeniem matrycy) żywica jest skuteczniej wyciskana z przestrzeni pomiędzy włóknami poprzez zmniejszenie pola przekroju przestrzeni pomiędzy włóknami z A1 do A2 (fig. 2), wskutek czego procentowa zawartość włókien w laminacie rośnie. Nie tylko podwyższa to jakość laminatu (bardziej jednorodna struktura o większej wytrzymałości zmęczeniowej), ale również pozwala, poprzez usunięcie nadmiaru żywicy N, na wytwarzanie butli o mniejszej masie. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję butli kompozytowej, fig. 2 przedstawia proces napinania włókien i wyciskania nadmiaru żywicy, fig. 3 przedstawia przebiegi naprężeń w poszczególnych elementach składowych kompozytu 3a naprężenie włókien, 3b naprężenie w linerze, 3c naprężenie w matrycy. Przykład realizacji Sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych obejmuje następujące etapy: 1. Nawinięcie zwilżonego żywicą włókna/włókien W na wewnętrzny liner L pod kątem α 55 stopni do tworzącej z siłą naciągu zapewniającą poprawne ułożenie włókien, aż do uzyskania wymaganej ze względu na wytrzymałość liczby warstw włókna W (rys. 2a, fig. 3 etap I). Minimalna siła naciągu pozwala na uzyskanie zbliżonego stanu naprężenia włókien W w poszczególnych warstwach. Po zakończeniu procesu nawijania wolny koniec włókna/włókien należy zabezpieczyć przez odwinięciem z butli. 2. Wytworzenie wewnątrz butli, przed procesem termicznego utwardzania matrycy M, ciśnienia C i zamknięcie jej zaworu V osadzonego w gnieździe butli G (rys. b, fig. 3 etap II). Ciśnienie wytwarzane jest poprzez wpompowanie do butli cieczy hydraulicznej. Ciśnienie wewnętrzne powoduje zwiększenie promienia linera z R1 do R2 (fig. 2) i jednoczesne napięcie wszystkich warstw włókien W nawiniętych na butlę. Rozszerzający się pod wpływem wewnętrznego ciśnienia C liner L oraz napinanie włókien W powodują wyciśnięcie nadmiaru żywicy N spomiędzy włókien W (fig. 2b), zaś włókna W mogą swobodnie, nie deformując matrycy M, przyjąć korzystny energetycznie kształt linii o możliwie dużych promieniach krzywizny zwiększając promienie swojej krzywizny z promienia r1 do promienia r2 (fig. 2). Zmiana promieni jest ułatwiona przez brak sztywnego powiązania pomiędzy poszczególnymi włóknami wiązki W wskutek realizacji napinania przed utwardzeniem matrycy M. Napięcie włókien zmniejsza przestrzenie pomiędzy wiązkami włókien W, co pokazano schematycznie na rysunku 2, jako zmniejszenie pola przekroju przestrzeni wypełnionej żywicą z pola A1 do A2. Nadmiar żywicy N wyciśnięty na zewnętrzną powierzchnię kompozytu Z może być usunięty z zewnętrznej powierzchni butli, dzięki czemu rośnie objętościowy udział włókien w kompozycie i zwiększa się jego wytrzymałość na jednostkę masy. Ciśnienie wewnętrzne stosowane w procesie napinania włókien może korzystnie być równe połowie ciśnienia nominalnego danej butli. Dzięki nawijaniu warstw włókien pod kątem 55 stopni do tworzącej, włókna są obciążane głównie osiowo i oplot nie zmienia swojej geometrii. Obciążona ciśnieniem C butla poddawana jest procesowi termicznego utwardzania matrycy M. Butla może być korzystnie wyposażona na czas tego procesu w zawór V utrzymujący stałe ciśnienie wewnętrzne pomimo podgrzania płynu wewnątrz butli, co pozwoli na utrzymanie stałej geometrii kompozytu podczas procesu utwardzania matrycy M. Matryca utwardza się utrwalając korzystne ułożenie włókien zbrojenia W. 3. Termiczne utwardzenie matrycy M (fig. 3 etap III), po zakończeniu którego otwiera się zawór V butli i ciśnienie wewnętrze spada stopniowo do wartości ciśnienia otoczenia (fig. 3 etap IV). Napięte włókna zbrojenia W kurczą się, powodując ściskanie materiału matrycy M. Po zakończeniu procesu matryca M jest poddana naprężeniom ściskającym, zaś włókna W lekko rozciągane. Naprężenia rozciągające we włóknach W są niewielkie, ponieważ sztywność tych włókien jest wielokrotnie większa od sztywności matrycy M, a ponadto objętościowy udział włókien W w kompozycie jest większy niż matrycy M. Po przeprowadzeniu opisanych powyżej czynności, można dodatkowo przeprowadzić obciążenie butli ciśnieniem testowym znacznie wyższym od ciśnienia nominalnego (fig. 3 etapy V i VI). Jeśli liner L wykonany jest z metalu, zwłaszcza z użyciem technologii spawania, dodatkowo może korzystnie podlegać on wówczas tak zwanemu przeprężaniu (fig. 3b, linia 3, etap V), czyli przekroczeniu granisu plastyczności (fig. 3b, punkt 1) powodującemu później, po usunięciu testowego ciśnienia wewnętrznego C, zniwelowanie naprężeń spawalniczych oraz wywołującemu korzystny ściskający stan naprężeń w materiale linera L (fig. 3b, linia 3). W przypadku materiału linera L o większej podatności, np. tworzywa sztucznego, zjawisko przeprężania nie nastąpi (fig. 3, linia 2).

5 PL B1 5 Na fig. 2 pokazano schematycznie proces napinania linera L i warstw włókien W ciśnieniem wewnętrznym C. Fig. 2a przedstawia stan przed napięciem, fig 2b. stan po napięciu linera L i włókien W. Przebiegi naprężeń we włóknach W, linerze L oraz matrycy M podczas wytwarzania (etapy I IV), testowania (etapy V i VI) oraz eksploatacji butli (etapy VII X) pokazano odpowiednio na rysunkach 3a, 3b i 3c. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych o zwiększonej wytrzymałości ze szczelnym linerem L wykonanym z metalu lub tworzywa sztucznego, wzmocnionym zewnętrznym płaszczem kompozytowym zbrojonym włóknami W o wysokiej wytrzymałości i sztywności, pokrywającym całą powierzchnię linera L, z włóknami nawiniętymi w części walcowej w dwóch kierunkach pod kątem od 50 do 60 stopni do tworzącej walca, z matrycą termoutwardzalną lub chemoutwardzalną, znamienny tym, że po nawinięciu na liner L warstw włókien W zwilżonych żywicą, wewnątrz butli wytwarza się, poprzez wpompowanie cieczy hydraulicznej, ciśnienie wewnętrzne C oraz utrzymuje się je na stałym poziomie aż do momentu utwardzenia i osiągnięcia pełnej wytrzymałości matrycy M w procesie termicznego utwardzania matrycy M. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie wewnętrzne C równe lub niższe połowie ciśnienia nominalnego. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku linera L wykonanego z metalu przeprowadza się dodatkowo po utwardzeniu matrycy M jeden cykl obciążenia butli ciśnieniem znacznie wyższym od ciśnienia nominalnego.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)