Brevet FR2650367A1 — publié le 19910201

La présente invention concerne la fabrication do bouteilles haute pression constituées par une structure interne métallique (ou liner) renforcée par enroulement filamentaire de mèches de fibres de carbone imprégnees de résine thermoplastique ou thermodurcissable. Dans la réalisation des bouteilles haute pression, différentes solutions existent actuellement: 1. Il y a tout d'abord des solutions entièrement métalliques mises en oeuvre par emboutissage, filage. ogivage. usinage notammssent. Ces bouteilles sont en acier avec ou sans soudure ou en alliage léger de très forte épaisseur. Par exemple, pour un réservoir dont la pression de service est de 200 bars à 5I'C, l'épaisseur de la partie cylindrique est de 9 à 10 m pour les alliages d'aluminium avec une épaisseur pouvant aller jusqu'à 15 à 20 mu dans le fond et l'ogive du goulot. Il peut s'agir pour la méme pression de service (200 bars à 15'C) d'un C réservoir en alliage léger de plus faible épaisseur sur la partie cylindrique (Ex. = 5,5 à 6 mm) cette zone cylindrique étant alors frettée par un fil d'acier, mais conservant des épaisseurs de 15 à 20 mm dans les fonds et ogives de goulot. Ces solutions sont actuellement les plus courantes sur le marchés des bouteilles haute pression. Elles présentent l'inconvénient d'être lourdes et dangereuses en cas de rupture intempestive, par exemple à la suite de problèmes de corrosion du métal. 2. Il y a par ailleurs des solutions comprenant une structure interne en alliage léger frettée dans sa partie cylindrique par bobinage d'une mèche de fibres de verre ou de fibres de polyaramnide imprégnée de résine theraoplastique ou thermodurcissable. Ce deuxième type de solutions permet un gain de masse de l'ordre de 15 Z par rapport à la solution totalement en alliage léger, mais ces bouteilles restent encore lourdes car les épaisseurs au niveau des fonds et des ogives de goulot restent importantes (par exemple l'épaisseur de la partie cylindrique métallique pourra descendre à 5,5 ou 6 m, mais sera encore supérieure à 15 mm dans les autres zones pour une pression de service de 200 bars & SC). Ce type de solutions laisse d'autre part subsister un risque de rupture suivant une section. avec éjection dangereuse d'une ogive 1.5 ou d'un fond, à la limite de la zone frettée. 3. D'autres solutions encore proposent une struc- ture interne en alliage léger enrobée sur toute la surface des zones ogivées du fond et du goulot en plus de la partie cylindrique, par enroulement filamentaire par une (ou des) mèche(s) de fibres de verre ou fibres de polyaramide imprégnees de résine thermosplas- tique ou thermodurcissable. Cce troisième type de solutions permet des gains de masse plus importants de l'ordre de 40 % pour des pressions de service équivalentes par rapport à une solution totalement métalli- que en alliage léger, mais sont limitées par la tenue en. cyclage demandée par la réglemen- tation en vigueur. Celle-ci exige une tenue à 80.000 cycles entre 5 bars et la pression de service à ISC, tenue assurée essentiellement par la structure interne métallique. La présente invention vise, pour des performan- ces de tenue mécanique et de tenue à la corrosion com- parables sinon améliorées à obtenir un gain de masse encore zolnoS q azioleo el ap;oinoS np ui; SZ sleuTsn un q apgoojd uo 'UJou;uT.xn:onrus el ap 'oeelq -se ugide 'o aseu$1n aed 's;Ed!ud zuos 8i0zoigo t[ - quanolonT; enbtipuSTo oaqn; o ap mo1 ql sq:.-.z.xo xne sazoyeo xnap sat sUO.lroa[.,p neuooe$ aed 3pnos uo;s sTedg snTd Wa 4anoo snld,;uaSmlevlu$ eqn, un,p aseu oC -anoZonlT jed seasoleo xnap sep 1uuuepuad;puj onb$ puçjAo eqnZ el asedgid uo '6aujaZul oinzoniz, e aluazqo inod aqu.znozonl; aqonwqg ?z43o op ojqit e;4i -gaixo, T V e;;o:îeo aizne4 r sUoioalgp nuesosle; jed opnos uo 4a 'anblipul[Xo aqno al inod sagntA inoniuo[ et v zo SC naSsTedud.! T aqnz ao aseuJnozonT$; ed aurue uo "â&sbfeé sap aun.1 ap Ilep--o '[euT; anbyapuiTAo qn% ael anb;jnoo snld za sTedg snld aqnz un Zuezodmoo eaoqd e[nes aun uu aqoneqq aun aiedazd uo 'auJa3ui ajnzonJf etl juasqo Jnod aâeuinozonlTj ed nuazqo -.se 0; auJazuT anbTTlez;9 ajn;on.Zs el ap anblapuîî&o aqnl 3 - sepuyquoo ueuallonzuea^ s;jq;gjd suoTl$sodsTp' sep uols saizne, I V azeis aun.p sauos?$jlTp 4uos Fnb Àaqnz np leuTpnz: uoi exe.! v jaoddea jed; uuoilnojuop Si salîue sap oaAe saueJis ap a$teJnld aun.p pu.jo 9$TJI;eJzs ZiosuaJ un 'sueqns ap no ssjq;j ap affeulqoq.xed wujasuj mnzon;s asao ap alquasua, T anris a.z;u uo Wa 'uoisoijoD el q ZuelsTsaz la anZTe; ua la uoizoe.j ua anbsueoim oue uu -s;sg. atney sp asqepnos nefTieuw un us ue19 enbf[tel.? ot aJnjonZJs afZeao '4oInof V a*;oleo oun V. u puo; ap aloleo aun V 9oauuoo aouTU Tozed q anblJpuTlAo aqn4 un lulliod.oo auJaZuT anblle; -qm ain4oniZs iun suoizoîa,.p xneeDosej jed asepnos jed alrquasse uo. anb ao ua niloe 1olnoS V salSo aun la puo$ op aalSo aun jed SqLTqXJ Sas. s ua agUaj; nbIJpuTîIo Toied aun luel4oduoo 'uoTssoad alneq i ze un aîuasuoo V quTzsp aTOA^GSd unp uo0ieoliqe; ap gpgooid un 'sa;ja;ao V asodoid UOlUaAàu,J luevaodul snld L9úOS9Z - le matériau metallique constitutif de la structure interne est un acier inoxvdable martensitique ou équivalent du point de vue résistance à la corrosion et permettant d'obtenir une résistance en traction à la rupture d'au moins 1000 MPa: - les rubans ou fibres du renfort stratifié sont impregnes d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique; - le matériau constituant le renfort stratifie est choisi dans le groupe constitue par les fibres de carbone. ce silicium. de bore, d'alumine ou analogue c'est-a-dire presentant une résistance en traction à la rupture superieure a 2000 MPa et un module d'YOUNG supérieur a GPa Dans une version particulièrement preféree de ce procéde. on utilise: - deux techniques nouvelles pour la constitution d'une structure métallique interne, en acier inoxydable: le fluotournage. le soudage par faisceau d'électrons. - des fibres de carbone pour la réalisation du renfort par enroulement filamentaire. On appreciera qte le choix d'un métal tel qu'un acier inoxvdable va à l'encontre de la démarche de l'homme de métier qui cherchait plutOt à utiliser des métaux legers. Malgré sa densité élevée, l'acier inoxydable et ses équivalents, présentent l'avantage d'une bonne tenue mecanique. d'une bonne tenue à la corrosion... L'invention propose également un réservoir obtenu conformément a ce procédeé. à savoir un réservoir haute pression comportant une paroi cylindrique fermée a ses extrémites par une ogive de fond et une ogive à goulot, caractérisé en ce qu'il comporte une structure métallique interne comportant un tube cylindrique à paroi mince connectee à une calotte de fond et à une calotte à goulot. cette struçture métallique étant en un matériau de haute résistance mécanique en traction et en fatigue et résistant a la-corrosion. et. autour de l'ensemble de cette structure métallique interne. un renfort stratifié formé d'enroule- monts de fibres ou de rubans avec des angles d'enroulement, par rapport l'axe longitudinal du tube, qui sont différents d'une strate à l'autre. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre. donnée à titre d'exemple purement Illustratif et nullement limitatif, en référence aux.,dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente, avec un arrachement 1C partiel. un réservoir & structure composite obtenu selon le procédé de l'invention: - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une préforme avant métallique utilisée selon ce procédé; - la figure 3 est une vue en coupe de cette préforme après fluotournage; - la figure 4 est une vue en coupe d'une préforue arrière métallique utilisée selon ce procéde: - la figure 5 est une vue en coupe de la structure interne métallique du réservoir après soudure des préformes des figures 3.et 4: et - la figure 6 est une vue en coupe d'une structure interne métallique obtenue selon une variante de réalisation comportant deux soudures. Ces figures 2 à 6 illustrent différentes étapes de réalisation d'un réservoir ou bouteille conforme l'invention tel que représenté à la figure 1. Ce réservoir 1. allongé suivant un axe longitudinal X-X comporte une paroi cylindrique 2 feremée à ses extrémités par une ogive de fond 3 munie d'une couronne 4 de stabilisation en configuration verticale, et par une ogive S munie d'un goulot 6. Ce réservoir 1 est composite, étant constitué par une structure interne lA dont l'ensemble est recouvert d'un renfort stratifié lB. Cette structure interne IA comporte un tube cvlindrique 2A à paroi mince raccordé en ses extrémités à une calotte de fond 3A formant la partie interne de l'ogive de.fond et à une calotte SA munie d'un goulot 6A et formant la partie interne de l'ogive 5. Ainsi qu'il ressort des figures 2 et 3, la calotte SA a une épaisseur qui augmente depuis l'épaisseur finale e du tube cylindrique jusqu'& proximité du goulot 6A. Ici la surface de cette calotte est sphérique de rayon ri égal au rayon interne du tube cylindrique 2A tandis que sa surface extérieure définit, en toute coupe axiale, une courbe géodésique, c'est-b-dire telle que l'arc joignant deux points de cette courbe soit le plus court de tous les arcs de cette surface joignant ces deux points. Cette calotte SA fait initialement partie d'une ébauche ou preforme 10 élaborée par usinage qui, ainsi que cela apparaft à la figure 2, comporte en plus de cette calotte un tube 1i plus court et plus épais que le tube cylindrique 2A de la structure interne finie 1A. Ce tube épais a par exemple 2.5 fois l'épaisseur visée pour ce tube cylindrique final. Il est raccordé par un chanfrein û extérieur 12 (ici à 15 ) à une zone annulaire 5B de la calotte 5A qui est & l'épaisseur finale. La calotte de fond 3A élaborée par usinage. telle que représentée à la figure 4, comporte de même une surface interne et une surface externe définies de façon 2t équivalente à celles de la calotte 5A. Elle presente une tranche annulaire libre 13 dans laquelle est ménagé un décrochement 14 dont la paroi cylindrique a un diamètre égal au diamètre extérieur final du tube cylindrique 2A, grâce à quoi l'extrémité libre 15 du tube de la figure 3 peut s'engager dans ce décrochement en vue de l'assemblage final de la structure interne. par soudure sous vide par faisceau d'électrons des extrémités et 13 radialement superposées. Ainsi que cela ressort des figures 1 et 6 o une portion du renfort stratifie lB a été schématisée, ce renfort stratifié est formé d'une pluralité de couches constituée chacune d'un ou plusieurs enroulements de mèches de fibres ou rubans 16 parallèles, noyés dans une matrice de liaison à base de résine thermodurcissable ou ther- moplastique. avec des angles d'enroulement, définis par rapport à l'axe longitudinal du réservoir, qui varient d'une couche & l'autre. Dans l'exemple considéré on a représenté une couche de type longitudinal, c'est-à-dire formant un angle + et -0 par rapport à l'axe longitudinal de la bouteille. L'angle d'enroulement est de préférence compris entre 10' et 90'. et le nombre de couches ou strates est couramment supérieur à deux; l'épaisseur est déterminée en fonction de-la. tenue en pression exigée pour la bouteille. Ce réservoir est élaboré selon les étapes suivantes: a) réaliser la préforme 10 usinée, b) réaliser la partie arrière 3A usinée, c) fluotourner la partie cylindrique 1il de la préforme avant usinée 10, d) souder par faisceau d'électrons la tranche 13 de la partie arrière usinée sur le bord libre.de la partie avant fluotournée. Dans. certains cas, le procédé peut comporter une variante qui consiste à réaliser la partie avant en deux piccs: un tube fluotourné 2'A (ou usiné) sur lequel 2S' est soudé par faisceau d'électrons la partie avant S'A proprement dite, (variante de la figure 6), e) terminer les usinages du goulot 6A, f) réaliscr par enroulement filamentaire la dépose d'une miche de carbone 16 (ou d'un matériau offrant des carac- téristiques au moins équivalentes) imprégnée de résine thormodurcissable ou thermoplastique, g) procéder'. la polymérisation du stratifie dans le cas d'une matrice thermodurcissable. À*. Le métal utilisé dans l'exemple présenté est de 3S l'acier inoxydable martensitique de caractéristiques élcvécs (résistance en traction supérieure & 1.200 MPa) assurant une bonne tenue en fatigue meme pour des épais- seurs faibles au niveau des ogives. On peut aussi utiliser d'autres matériaux métalliques qui seraient équivalents à l'acier, c'est-à-dire qui auraient des bonnes propriétés de tenue mécanique, résistance à la corrosion, soudabilité; on peut utiliser ainsi les matériaux suivants: aciers inoxydables à durcissement structural, aciers inoxydables austénitiques. Le procédé de mise en oeuvre par fluotournage permet d'obtenir la faible épaisseur visée pour la paroi de la partie cylindrique (soit environ -1 ma dans le cas illustré) et d'obtenir directement l'épaisseur finale désirée sans usinage. Malgré cette faible épaisseur, du fait de la structure métallurgique (écrouie) induite par le fluotournage. cette paroi a la résistance nmécanique voulue. Ceci donne au niveau de la structure interne acier un gain de masse de l'ordre de 30 % par rapport à une structure interne en alliage léger assurant la même tenue mécanique. DO Le soudage sous vide et par faisceau d'élec- trons offre une qualité de soudure telle que la rupture de la pièce ne peut guère se faire dans cette zone. De manière à obtenir un allegement optimum de la bouteille. le renfort bobiné est réalisé à partir d'une mèche-de carbone ce qui assure un gain de 30 % par rapport a un stratifié équivalent obtenu par bobinage d'une mèche de verre. De plus, tout en étant très léger, le carbone est mieux adapté que le verre au bobinage sur acier, en particulier du point de vue module d'élasticité (coeffi- cient multiplicatif de 3 par rapport au verre et de 2 par rapport à la fibre polyaramide). Le choix de la fibre ou ruban 16 et de la résine d'imprégnation sont fonction des caractéristiques mécaniques et thermiques désirées; ainsi la résine epoxy alliée à la fibre de carbone haute résistance constitue le matériau le plus facilement adaptable à cette réalisation. uoTuAuAuT.t op eapero np àzjon sues 8 J.! a) ap maumoq, T d saesodoid a uua^nad soaueitea sno qou ap enb oe j;;ezTmT$ uou alduexe,p oa,$ gnb oçsodoJd :4 eu apgogd Tnb uod;dTiosap el anb Tos 3p evA * 0LL 'O p Zsa nuozqo TsuTe..TOAasgj np sptod;l tum 09 uoi$aU",p uazeîTp s; un mnod la anb$ipuTTAO aqn% at. nod me CZZ ap inenSuoT aun.nod mu SXC 3p.sa TO. asie39np narituol e8l-eq 006 V ainaTsiJdns zsa aejndnj 3p uo!ssasd el ', v. eq 0OC ap uoTssaSd sun ' nod 'aTdmax3.p oiX v * anb;l eam oz; 3uasuanbTUn aToAeasJ un,p seo el suep,assed es 4nad $nb ao V 4uamauTewuoo 'lanua4 es a4no4 4ueAiasuoo Jfl.eJs Zojuai al 'sae;oZ ajnrdnj ap JanboAoJd sues Tn; TO-allea anbTteU;m auja;ui aen4on j,4 el ap luamassilIala np aZInsgi aJnddnr el 'se02 O op sTesse sep sioq si *sZuMP196,p UOfloeçg.p anbsf ^eAU aleZqueTp uoTioas aun zuewTns ainzdni aunnb asnaieguep suTom 'aoT:zeivuV sun 4ueAlns aigluuo4noq ua aJnU.tano oun Àa-nZdnJ V U;saZ sap sio! 'Tuasqo j aiSuem ap aToAiJs-i np anu,' el 4ausn gp jamiad aSeuiqoq op saltue snuozJ? Of -3TP oeae soguTqoq saeqonoo ap;uaehe[Td.m,q -('ap1AlTod - oeisotbod - sanb -TpAxoda) selqessToinpozoaq4 - (aupltAuqdAîlod op a.n;lns) Sdd - lAd sanbTîsetdomiteq saUTsg sap e sato:osse 4uaeOATZfldsaa S mnToTT$s ap a.nqjeo ap sajqT; sap. aldmaxa jed jTOAes v 'aTInpox ap ta UOTZOVJe ua aUOUeZsTs9J ap 'anbI"nTo assem axqse; ap sgagjdoad soupa) s"-uaeeAInb, sejq$j sop 4ea sagoeIdmoi a.x;.uehnAfld auoqjeo op suJqi; suo 19E0S9Z REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un réservoir (1) destiné à contenir un gaz à haute pression, comportant une paroi cylindrique (2) fermée en ses extrémités par une S ogive de fond (3) et une ogive à goulot, caractérisé en ce que l'on assemble par soudage par faisceaux d'électrons une structure métallique interne (IA) comportant un tube cylindrique à paroi mince (2A, 2'A) connecté à une calotte de fond (3A) et à une calotte (SA) à goulot (6A), cette structure métallique étant en un matériau soudable de haute résistance mécanique en traction et en fatigue et résistant à la corrosion, et on frette sur l'ensemble de cette structure interne, par bobinage de fibres ou de rubans il(5). un renfort stratifié (lB) formé d'une pluralité de strates avec des angles d'enroulement, par rapport à l'axe longitudinal du tube. qui sont différents d'une strate à l'autre. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le tube cylindrique (2A, 2'A) de la structure métallique interne est obtenu par fluotournage. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que, pour obtenir la structure interne (2A), on prépare une ébauche (10) en une seule pièce comportant un tube (11) plus épais et plus court que le tube cylindri- qur final. solidaire de l'une (SA) des calottes, on amène par fluotournage ce tube à l'épaisseur et à la longueur visées pour. le tube cylindrique, et on soude par faisceau d'électrons l'autre calotte (3A) à l'extrémité libre de cette ébauche fluotournée. 4. Procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'ébauche comporte la calotte à goulot. 5. Procédé selon la revendication 2, carac- terisé en ce que, pour obtenir la structure interne (2'A), on prépare le tube cylindrique indépendamment des deux calottes par fluotournage d'un tube initialement plus court et plus épais. et on soude par faisceau d'électrons Ies deux calottes (S'A. 3A) aux extrémités libres de ce tube cylindriquc fluotourné. 6. Procédé selon l'une quelconque des reven- S dications 1 à 5. caractérisé en ce que les calottes sont préparées par usinage et, après assemblage de la structure interne. on procède à un usinage fin du goulot de la calotte à goulot.. 7. Procédé selon l'une quelconque des reven- dlcations 1 à 6. caractérisé en ce que le matériau métallique constitutif de la structure interne est un acier martensitique inoxydable ou équivalent du point de vue résistance à la corrosion, soudabilité et résistance mécanique. S 8.Procédé selon l'une quelconque des reven- dications I à 7. caractérisé en ce que les rubans ou fibres du renfort stratifié sont imprégnés d'une résine thermodur- cissable ou thermoplastique. 9. Procéde selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8. caractérisé en ce que le matériau constituant le renfort stratifié est choisi dans le groupe constitué par les fibres de carbone. de silicium, de bore, d'alumJne ou analoguc. 10. Procédé selon l'une quelconque des 2r revendications I à 6. caractérisé en ce que la structure interne étant en acier inoxydable, le renfort stratifié est obtenu par bobinage de fibres de carbone imprégnées d'une résine epoxy. 11J. Réservoir haute pression (1) comportant une. paroi cylindrique (2) fermée à ses extrémités par une ogive - de fond (3) et une ogive (5) à goulot (6), caractérisé en ce qu'il comporte une structure métallique interne (IA) comportant un tube cylindrique (2A, 2'A) à paroi mince connectée à une calotte de fond (3A) et à une calotte (5A, 5'A) à goulot (6A), cette structure métallique étant en un matériau soudable de haute résistance mécanique en traction et en fatigue et résistant à la corrosion, et, autour de l'ensemble de cette structure métallique interne, un renfort stratifié (18) formé d'enroulements de fibres ou de rubans (16) avec des angles d'enroulement, par rapport à l'axe longitudinal du tube, qui sont différents d'une strate à l'autre. 12. Réservoir haute pression selon la reven- dication 11. caractérisé en ce que le tube cylindrique Ii métallique est dans un état écroui obtenu par fluotournage. 13. Réservoir haute pression selon la reven- dication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce que la structure interne comporte une pièce formant l'une (SA) des calottes et le tube cylindrique (2A), connectée à l'autre calotte (3A) par une zone de soudure par faisceau d'électrons. 14. Réservoir haute pression selon la reven- dication 13, caracterisé en ce que ladite pièce forme à la fois]e tube cylindrique et la calotte à goulot. 24] 15. Réservoir haute pression selon l'une quelconque des revendications Il à 14, caractérisé en ce que le matériau métallique constitutif de la structure interne est un acier inoxydable martensitique ou équivalent du point de vue résistance à la corrosion. 16. Réservoir haute pression selon l'une quelconque des revendications 11 à 15. caractérisé en ce quc les fibres ou rubans du renfort stratifié sont enrobés d'une matrice de liaison en résine thermodurcissable ou thermoplastique. 3ci 17. Réservoir haute pression selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que le matériau constituant le renfort stratifié est choisi dans le groupe constitué par les fibres de carbone, de silicium, de bore, d'alumine ou analogue. 3s 18. Réservoir haute pression selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, caractérisé en ce que la structure interne étant en acier Inoxydable, le renfort stratifié est obtenu par bobinage de fibres de carbone imprégnées d'une résine epoxy.