Brevet FR2567608A1 — publié le 19860117

1.-- "Réservoir sous pression en matière plastique renforcée de fibres et procédé pour sa réalisation." Dans les réservoirs sous pression avec une partie médiane cylindrique et des d8mes placés sur les ex- trémités de cette partie médiane, il est connu que la sol- licitation exercée par la pression sur la partie médiane est plus élevée que celle qui est exercée sur les d8meso Pour en tenir compte, on a déjà prévu la partie médiane des réservoirs sous pression en matière plastique renfor- cée par des fibres avec une enveloppe qui augmente la résistance à la pression de la partie médianeo Une telle enveloppe est constituée en règle générale d'un enroule- ment avec un matériau en bande ou en fil imprégné de ré- sinessynthétiqueso Les zones de transition entre la partie mé- diane et les d6mes du réservoir sous pression sont partis culièrement vulnérables vis à vis d'une sollicitation ex- cessive par la pression. Mais ces zones de transition ne peuvent pas être protégées par un enroulement de renforce- ment, tel que-celui mis en oeuvre pour la partie médiane, car lors d'une extension de l'enroulement au-delà de la partie médiane cylindrique sur les dômes, le fil d'enrou- lement glisserait du fait de l'arrondi des d8mes. Pour cette raison il n'a pas été possible jusqu'ici de réduire la sollicitation par la pression des zones de transition entre la partie médiane et les d8mes d'un réservoir sous 2.- pression en rapportant un revêtement de renforcement, sans mettre en oeuvre des procédés et des dispositifs complexes qui rendent non économiques la réalisation de tels réservoirs sous pression. Il y a en conséquence lieu de créer, confor- mément à l'invention, un réservoir sous pression en ma- tière plastique renforcée par des fibres, avec une par- tie médiane cylindrique et des d8mes placés sur elle, ainsi qu'avec une couche de renforcement pour la partie médiane, qui protège également, de façon efficace les zones de transition entre la partie médiane et les dômes contre des sollicitations excessives par la pression. Il y a lieu en outre de créer, conformé- ment à l'invention, un procédé simple d'une mise en oeu- vre facile et peu coûteuse pour la réalisation d'un tel réservoir de pression. Conformément à l'invention, ces buts sont atteints en ce qui concerne le réservoir lui-même en pré- voyant un réservoir sous pression en matière plastique renforcée par des fibres, avec une partie médiane cylin- drique et des d8mes se raccordant aux extrémités de cette partie médiane, la paroi de la partie médiane cylindrique étant munie d'une couche de renforcement pour augmenter sa résistance à la pression, réservoir caractérisé en ce que la couche de renforcement se trouve sur la face in- terne de la paroi de la partie médiane cylindrique du ré- servoir sous pression et recouvre les emplacements de transition entre cette partie médiane et les dômes. En ce qui concerne le procédé de réalisa- tion, l'invention prévoit un procédé caractérisé en ce que: a) on enroule les fils de carbone imbibés avec une résine durcissant à chaud les uns à c8té des autres en une couche ou plusieurs couches superposées sur un mandrin cylindrique, 3.- b) on durcit à la chaleur la matière plastique et on enlève le mandrin du cylindre de fils de carbone et de résine durcie ainsi formé, c) on applique sur les faces frontales du cylindre ainsi formé des fils de carbone et de matière plastique, des pièces moulées en forme de coquilles en un matériau cas- sant, le galbe externe de ces pièces moulées corres? pondant à celui de la paroi interne des d8mes du réser- voir sous pression à réaliser, tandis que les bords an- nulaires de ces pièces moulées comportent des parties internes qui peuvent se placer sur les faces frontales du cylindre ainsi que des parties externes faisant sail- lie au-delà du diamètre externe du cylindre et qui sont biseautées, d) dans le volume formé par la surface externe du cylin- dre et les parties externes biseautées des bords annu- laires des pièces moulées, on introduit un matériau élastomère et on le vulcanise, e) on constitue la paroi du réservoir sous pression en enroulant sous forme de fuseau en spires jointives et en plusieurs couches superposées, un fil imbibé d'une résine durcissant à chaud, puis on durcit cette résine, f) on brise les pièces moulées en forme de coquilles et on retire leurs morceaux de l'intérieur du réservoir psaz des orifices ménagés dans la paroi de celui-ci. L'invention va être maintenant exposée plus en détail en se référant aux dessins ci-joints dans les- quels: - la fisure 1 est une représentation sché- matique en coupe longitudinale d'un réservoir sous pres- sion conforme à l'invention avec une forme de réalisation préférée de la couche de renforcement, - les figures 2 à 4 sont des représentations permettant d'expliquer le procédé de réalisation conforme à l'invention d'un tel réservoir sous pression. 4.- La figure 1 est la coupe longitudinale d'un réservoir sous pression 1 conforme à l'invention, les tubu- lures de raccordement habituellement prévues dans les cou- pelles des d8mes 3, 4 pour les canalisations d'amenée et d'évacuation étant supprimées pour simplifier le dessin. Le réservoir proprement dit est constitué par la partie médiane cylindrique 2 et les dômes 3 et 4. Aux emplace- ments 5 il y a transition entre la partie médiane 2 et les dômes 3, 4, mais il y a lieu de souligner que dans le cas du réservoir sous pression réalisé conformément à l'invention, les emplacements 5 ne sont pas des emplace- ments de soudure de parties constitutives individuelles se raccordant l'une à l'autre, mais que l'ensemble du ré- servoir sous pression 1, c'est-à-dire la partie médiane 1 5 du dôme constitue un tout unique et cohérent, comme on pourra le voir à partir des étapes de la fabrication qui seront décrites ci-après. Sur la face interne de la partie médiane cylindrique 2 et du réservoir 1, se trouve une couche de renforcement 6 qui, comme on peut le voir sur la figure 1, recouvre les zones de transition 5. On obtient ainsi une protection efficace de ces zones de transition 5 contre la sollicitation par la pression. De préférence la couche de renforcement est constituée d'une couche 6a tournée vers l'intérieur du réservoir et constituée de fils de carbone collés avec une résine durcissant à la chaleur, et d'une couche interme- diaire 6b en un matériau élastomère insérée entre la cou- che 6a et la paroi 2. Les épaisseurs des parois du réser- voir et des couches de renforcement sont représentées de façon exagérée sur le dessin pour le rendre plus visible. De préférence, les fils de carbone de la couche 6a sont enroulés selon &es spires contigUes en une couche ou plusieurs couches superposées, ce qui confère à cette couche 6a une résistance particulièrement bonne à 5.- la pression. Le processus préféré de réalisation pour le cylindre sous pression conforme à l'invention, proces- sus qui est décrit en se référant aux figures 2 et 4, est le suivant: On enroule tout d'abord un fil de carbone imprégné de matière plastique durcissant a la chaleur sur un mandrin cylindrique et ceci de façon que les différentes spires du fil viennent se placer étroitement les unes a c8té des autres, La longueur d'enroulement correspond alors à la longueur de la partie médiane 2 du réservoir sous pression à réaliser. L'enroulement peut être en une seule couche ou bien en plusieurs couches, selon 1'épais- seur souhaitée pour la couche 6a à réaliser, En ce qui concerne les résines durcissant à la chaleur, un grand nombre se trouve à la disposition du spécialiste et pour le choix de ces résines synthéti- ques on se laissera guider par les conditions deutilisa- tion ultérieurement prévues pour le réservoir sous pres- sion, à savoir avec quelles substances chimiques la cou- che 6a sera en contact dans le réservoir, En principe toutefois, toutes résines durcissant à la-chaleur est utilisable, les résines durcissant jusqu'à environ 15000 C, notamment entre environ 80 et 100 C étant préférées. On procède alors au durcissement de la ré- sine à la température prévue pour la résine considérée, après quoi on enlève le mandrin de la structure enroulée et on obtient ainsi un cylindre de fils de carbone et de résine durcies qui constitue la couche 6a du réservoir sous pression à réaliser. La figure 2 montre ceci claire- ment. Sur cette figure est indiquée l'extrémité droite d'un mandrin cylindrique creux 12 d'un dispositif repré- senté en coupe longitudinale, mandrin sur lequel est pla- cé le cylindre 6a en fils de carbone et en matière plas- tique. Après l'enlèvement du mandrin, ce cylindre 6a 6.- représente la première partie constitutive du réservoir sous pression. Pour la partie suivante on réalise mainte- nant des pièces moulées 7 en forme de coquille (figure 2) en matériau susceptible de se briser. Ces pièces moulées ont, comme dans le cas des processus de fonderie, unique- ment pour fonction de donner à la structure à réaliser la forme prévue pour elle et après que ces pièces aient rempli leur fonction, elles sont détruites ou brisées. Dans la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on choisit comme matériaux pour ces pièces moulées, de préférence du gips ou bien d'autres matériaux analogues disponibles qui, gâchés sous forme pulvérulente avec de l'eau, durcissent en constituant des structures suscepti- bles de se briser. Les pièces moulées 7 en forme de coquille à réaliser sont prévues de façon telle que leur galbe ex- terne correspond à la paroi interne du dôme du réservoir sous pression à réaliser et que leur bord annulaire 13 comporte des parties internes 13a qui peuvent être pla- cées sur les faces frontales du cylindre 6a en fils de carbone et en matière plastique, ainsi que des parties externes 13b qui font saillie audelà des faces frontales du cylindre 6a et qui sont biseautées (figure 2). On applique alors les pièces de forme 7 à droite et à gauche sur les faces frontales du cylindre 6a, seul le côté droit étant représenté sur la figure 2. Pour cette application on peut utiliser tous dispositifs de bridage convenant à cet effet. Nais comme de toutes façons des orifices doivent être prévus dans le récipient pour l'amenée et l'évacuation du fluide sous pression, les pièces moulées 7 en forme de coquille sont munies sur leurs coupoles 14 d'orifices qui se trouvent à l'emplace- ment des orifices ultérieurs du réservoir et à travers lesquels est enfilé un mandrin de maintien 8 muni à ses 7.- extrémités d'aneaux de positionnement 10. Par blocage des anneaux de positionnement 10 au moyen des vis de blocage 11, dans une position appliquant les pièces mou- lées 7 en forme de coquille sur les faces frontales du cylindre 6a, on réalise alors l'assemblage du cylindre 6a et de ses pièces moulées 7. De préférence, on dispose en outre sur le mandrin de maintien 8, avant la mise en place et le blo- cage des anneaux de positionnement 10, les tubulures de raccordement 9 devant être prévues pour le réservoir, et qui sont de préférence en métal tel que par exemple de lValuminium. Ces tubulures de raccordement 9 comportent a leurs extrémités tournées vers les pièces moulées 7, une partie élargie 9a de forme conique, qui repose dans un élargissement conique des orifices des coupoles 14 des pièces moulées 7 et qui sert à l'ancrage ultérieur de la tubulure dans la paroi à constituer des dâmes 3, 4 du réservoir sous pression., Dans l'espace défini par la paroi externe du cylindre 6a en fils de carbone et matière plastique et par les parties externes biseautées 13b des pièces mou- lées 7 appliquées sur le cylindre, on introduit un maté- riau élastomère que l'on soumet ensuite à un processus de vulcanisation. Le produit---vulcanisé ainsi obtenu cons- titue la couche intermédiaire 6b en élastomère du réser- voir 1 à réaliser. Pour ce matériau élastomère un grand nom- bre de produits sont également disponibles pour le spé- cialiste, tels que par exemple du caoutchouc naturel, ou des sortes de caoutchouc artificiel, tel que par exemple le chloroprène, et dans ce cas on peut en principe utili- ser tous matériaux élastomères compatibles avec le fluide sous pression qui doit remplir le réservoir sous pres- sion, La structure se trouvant à cet état de réali- 8.- sation et représentée en vue latérale sur la figure 3 et est esquissée par la surface de la couche d'élastomère 6b et les pièces moulées en forme de coquille 7, tandis que la paroi externe proprement dite du récipient 2, 3, 4, est encore absente. On réalise alors cette paroi en enroulant en forme de fuseaux, à spires jointives, et en plusieumrs couches superposées, un fil imbibé d'une résine durcis- sant à chaud puis on fait durcir cette résine. Comme matériaux pour le fil on peut utiliser comme pour la constitution de la couche 6a, des fils de carbone, mais on peut également aussi utiliser des fils en un autre ma- tériau, par exemple des fibres de verre. En ce qui con- cerne l'utilisation de résines durcissant à chaud, ce qui a été dit précédemment au sujet de la réalisation de la couche 6a reste dans l'ensemble valable, mais le choix entre les résines utilisables est encore plus important car il n'y a pas de contact de la résine avec les fluides sous pression contenus dans le réservoir. Les fils sont enroulés en étant aussi join- tifs que possible et, d'autre part, selon un nombre de couches superposées tel que l'épaisseur souhaitée de la paroi externe 2, 3, 4 du récipient soit obtenue. Par le terme d'enroulement "en forme de fuseaux" on doit entendre ici un guidage du fil tel que celui représenté sur les figures 3 et 4. On place par exemple le fil im- bibé au pied de la tubulure gauche 9 vers le bas et on le guide en direction de la flèche sur les surfaces des pièces moulées 7 et de la couche 6b jusqu'au pied de la tubulure droite 9 vers le haut, tandis que l'on fait tour- ner l'ensemble de la structure autour de l'axe longitu- dinal du mandrin de maintien 8 dans le sens des aiguilles d'une montre avec une vitesse telle que les fils se déposent l'un contre l'autre. La position des fils est visible sur la figure 4 qui est une vue en élévation de la face frontale droite de la figure 3. Le parcours du 9.- premier fil est indiqué ici des deux c8tés du pied de la tubulure 9 avec respectivement une pointe de flèche, le parcours du second fil est indiqué avec deux pointes de flèche et celui du troisième fil avec trois pointes de flèche. La distance des fils entre eux est ici exagérée pour rendre le dessin plus clair. Il est visible que les fils se rassemblent au pied de la tubulure 9 et que de cette façon cette tubulure avec sa partie 9a se trouve fermement ancrée dans la paroi 2, 3, 4 du réservoir en cours de constitution. Après achèvement et durcissement de la paroi 2, 3, 4 du réservoir, les anneaux de positionne- ment 10 sont libéréas le mandrin de maintien 3 est enles vé et les pièces moulées 7 en forme de coquilles, en gips ou en uln autre matériau analogue, sont brisées. Après enlèvement des débris de l'intérieur du réservoir par l'intermédiaire des orifices des tubulures 9- le réser- voir conforme à l'invention est terminée Dans le cas du réservoir conforme à l'in- vention, non seulement les zones de transition 5, par- ticulièrement vulnérables à la pression, entre la par- tie médiane cylindrique 2 et les d8mes 3, 4 sont recou- vertes par une couche protectrice de renforcement, mais la résistance élevée à la pression obtenue grâce a cette couche protectrice est encore augmentée du fait que la paroi 2, 3, 4 du réservoir sous pression 1, conforme à l'invention, constitue un tout unique et cohérent et ne se compose pas de partie médiane et de partie en dôme soudées ensemble. Enfin, la cohésion du réservoir sous pression conforme à l'invention est encore augmentée dans une mesure inconnue jusque là du fait du retrait des fils de l'enroulement en forme de fuseau. - REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Réservoir sous pression en matière plastique renforcée par des fibres, avec une partie mé- diane cylindrique et des dômes se raccordant aux extré- mités de cette partie médiane, la paroi de la partie mé- diane cylindrique étant munie d'une couche de renforce- ment pour augmenter sa résistance à la pression, réser- voir caractérisé en ce que la couche de renforcement (6) se trouve sur la face interne de la paroi de la partie médiane cylindrique (2) du réservoir sous pression (1) et recouvre les emplacements de transition (5) entre cette partie médiane (a) et les dômes (3, 4). 2.- Réservoir sous pression selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la couche de ren- forcement (6) est constituée d'une couche (6a) tournée vers l'intérieur du réservoir et constituée de fils de carbone collés avec une résine durcissant à chaud, et d'une couche intermédiaire (6b) placée entre la couche (6a) et la paroi de la partie médiane (2) et constituée d'un matériau élastomère. 3.- Réservoir sous pression selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que les fils de car- bone de la couche (6a) sont enroulés en hélice les uns à c8té des autres en une couche ou en plusieurs couches superposées. 4.- Réservoir sous pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la face externe de la paroi de la partie médiane cy- lindrique (2) est en outre munie d'une couche de renfor- cement constituée de fibres ou de fils collés avec une résine durcissant à chaud. 5.- Réservoir sous pression selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que les fils sont enrou- lés en hélice les uns à c8té des autres en une couche ou plusieurs couches superposées. 11.- 6.- Procédé pour la réalisation d'un ré- servoir sous pression selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que: a) on enroule les fils de carbone imbibés avec une résine durcissant à chaud les uns à cÈté des autres en une couche ou plusieurs couches superposées sur un mandrin cylindrique, b) on durcit à la chaleur la matière plastique et on enlève le mandrin du cylindre de fils de carbone et de résine durcie ainsi formé. r c) on applique sur les faces frontales du cylindre defils de carbone et de matière plastique ainsi formé 9 des pièces moulées en forme de coquilles -en un matériau cas- sant, le galbe externe de ces pièces moulées corres- pondant à celui de la paroi interne des d8mes du réser- voir sous pression à réaliser, tandis que les bords an- nulaires de ces pièces moulées comportent des parties internes qui peuvent se placer sur les faces frontales du cylindre ainsi que des parties externes faisant sail- lie au-delà du diameètre externe du cylindre et qui sont biseautées0 d) dans le volume formé par la surface externe du cylin- dre et les parties externes biseautées des bords annu- laires des pièces moulées, on introduit un matériau élastomère et on le vulcanise. e) on constitue la paroi du réservoir sous pression en enroulant sous forme de fuseau en spires jointives et en plusieurs couches superposées, un fil imbibé d2une résine durcissant à chaud, puis on durcit cette résinee f) on brise les pièces moulées en forme de coquille et on retire leurs morceaux de l'intérieur du réservoir par des orifices mérngés dans la paroi de celui-cio