Brevet FR2928439A1 — publié le 20090911

La présente invention concerne un réservoir de gaz sous pression et un procédé de fabrication d'un tel réservoir. L'invention concerne plus particulièrement un réservoir de gaz sous pression comprenant une enveloppe définissant un volume de stockage de gaz, l'enveloppe comportant une ouverture à une première de ses extrémités et un enroulement filamentaire de renforcement mécanique disposé sur au moins une partie de sa surface extérieure, l'enroulement filamentaire comprenant des fibres de renforcement et préférentiellement une résine. On connaît des réservoirs composites composés d'une enveloppe plastique ou métallique (désignée par le terme � liner �) sur laquelle un enroulement filamentaire est réalisé (bobinage composite). Ces réservoirs sont destinés au stockage de gaz haute pression (entre 200 et 1000 bar par exemple) tout en garantissant un poids moins élevé que les réservoirs entièrement métalliques. L'enveloppe plastique ou métallique assure l'étanchéité du réservoir par rapport au gaz et ne participe peu ou pas à la tenue mécanique. Cette tenue mécanique est assurée par la partie composite constituée de fibre et de résine. Classiquement le dépôt est réalisé par enroulement filamentaire au cours duquel la fibre est déposée selon un angle choisi. Le choix de l'angle et de la séquence d'enroulement va dépendre des contraintes techniques imposées par l'outillage, la géométrie du réservoir, le glissement des fibres au début de l'enroulement ainsi que des performances visées pour le réservoir. La séquence d'enroulement impacte en effet directement sur la pression de service d'un réservoir composite. Celle-ci est fixée par la pression d'éclatement du réservoir sous pression (ou pression de rupture) via un facteur multiplicatif désigné par facteur de sécurité. Différents modes de rupture peuvent caractériser l'éclatement d'un tel réservoir : - il peut se produire une rupture de la majeure partie des fibres du bobinage ou de toutes les fibres ce qui entraîne la rupture du liner en plusieurs morceaux (fonds et partie centrale), - il peut se produire une rupture d'une partie des couches de fibre avec un gonflement du liner voir son éventrement, qui est un mode de rupture souhaitable par rapport au précédent. On connaît plusieurs géométries et séquences d'enroulement des fibres de renforcement de tels réservoirs (cf. par exemple US6190481). En effet, suivant les angles de bobinage de ces couches de fibres de renforcement, on obtient des propriétés mécaniques différentes. La littérature rapporte que l'angle d'enroulement permettant d'atteindre la pression d'éclatement la plus élevée sous le seul effet de la pression interne pour une structure tubulaire élastique avec effet de fond est de 54.7°. L'introduction de mécanismes d'endommagement fait varier cet angle optimal en fonction du matériau de 53.2° pour du carbone/époxy à 54.9° pour du verre E/époxy avec 60% de fibre en volume. Selon d'autres publications, l'optimisation de la pression de rupture en fonction de l'enroulement est obtenue par l'utilisation simultanée d'angles de 50 et 58°. Une autre méthode analytique développée pour les réservoirs épais multicouches donne un angle optimal à la rupture entre 52.1° et 54.2°. Enfin, on connaît des réservoirs utilisant des combinaisons d'enroulement de type circonférentiel (angle de l'ordre de 90°) et de type polaire (avec un angle de l'ordre de 10 à 30°). Ceci permet de confiner la rupture à la partie cylindrique du réservoir et d'éviter la rupture du réservoir en au moins 2 morceaux de la partie cylindrique et la formation de projectile(s). La pression de rupture associée (et donc la pression de service du réservoir) est cependant peut satisfaisante. Un but de la présente invention est de proposer un réservoir et son procédé de fabrication permettant de contrôler le mode de rupture du réservoir à l'aide de la séquence d'enroulement pour diminuer ou supprimer le risque de rupture du réservoir en plusieurs morceaux qui s'apparentent alors à des projectiles dangereux, tout en conservant un niveau de performance massique élevé pour une pression de service donnée. Un autre but possible de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le réservoir selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l'enroulement filamentaire comprenant au moins une couche de type polaire ayant des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction axiale de l'enveloppe selon un angle compris dans une plage de � 15° à � 33°, au moins une couche de type circonférentiel ayant des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction axiale de l'enveloppe selon un angle compris dans une plage de � 87° à � 93°, l'enroulement filamentaire comprenant en outre au moins une couche de type intermédiaire ayant des fibres de renforcement agencées par rapport à la direction axiale, selon un angle compris dans une plage de�51°à�59°. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'enroulement filamentaire comprend plusieurs couches de type polaire, plusieurs couche de type circonférentiel et plusieurs couches de type 10 intermédiaire, - la pluralité de couches d'un même type (polaire, circonférentiel ou intermédiaire) sont réalisées successivement et empilées sans alternance avec une ou des couches d'un autre type, - les empilements de couches d'un même type (polaire, circonférentiel ou 15 intermédiaire) sont réalisées dans l'ordre suivant de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir : couches de type polaire puis couches de type intermédiaire, puis couches de type circonférentiel, - au moins une partie de la pluralité de couches d'un même type sont réalisées et empilées en alternance avec une ou des couches d'au moins un autre 20 type, - les couches de type intermédiaire représentent au moins 20% du nombre totale de couches de l'enroulement filamentaire. - les couches de type intermédiaire représentent 40% à 70% du nombre totale de couches de l'enroulement filamentaire, 25 - les couches de type circonférentiel représentent 20 à 25% du nombre total de couches de l'enroulement filamentaire et en ce que les couches de type polaire représentent environ un tiers du nombre totale de couches de l'enroulement filamentaire, les couches de type intermédiaire représentant le complément du nombre totale de couches de l'enroulement filamentaire, 30 - les couches de type polaire ont des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction axiale de l'enveloppe, selon un angle de 25° � 3°. L'invention propose également un procédé de fabrication d'un réservoir de gaz sous pression. Selon un aspect possible, le procédé comprend le formage, par une méthode d'enroulement de filament(s) ou une méthode d'enroulement de bande(s), d'une coque ou enroulement externe résistant à la pression, autour d'une enveloppe apte à servir de barrière aux gaz, dans laquelle la coque externe est réalisée en résine renforcée par des fibres notamment des fibres de carbone, dans lequel la coque externe est réalisée avec : au moins une couche de type polaire de fibres de renforcement qui sont agencées, par rapport à la direction axiale de l'enveloppe selon un angle compris dans une plage de � 15° à � 33 ; au moins une couche de type circonférentiel dont les fibres de renforcement sont agencées, par rapport à la direction axiale de l'enveloppe selon un angle compris dans une plage de � 87° à � 93°, et au moins une couche de type intermédiaire dont les fibres de renforcement sont agencées, par rapport à la direction axiale, dans une plage de � 51° à � 59°. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique et en coupe d'un exemple de réservoir selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de côté d'une séquence possible de fabrication (bobinage) d'un réservoir selon l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique et en coupe d'un détail de la figure 1, illustrant un exemple non limitatif d'enroulement filamentaire de renforcement. Le réservoir illustré à la figure 1 comprend, classiquement, une enveloppe 1 ou � liner � définissant un volume étanche de stockage de gaz. L'enveloppe 1 est constituée par exemple de l'un ou plusieurs des matériaux suivants : acier, alliage d'aluminium, autre matériau métallique, thermoplastique ou thermodurcissable. L'enveloppe 1 est par exemple de forme générale cylindrique et comporte une ouverture 2 à une première de ses extrémités. Une seconde extrémité de l'enveloppe 1 peut comporter un embout 4 destiné à former un appui pour un mandrin lors d'un processus de bobinage évoqué ci-après. Un enroulement 3 filamentaire de renforcement mécanique est disposé sur la surface extérieure de l'enveloppe 1. Cet enroulement 3 filamentaire peut comprendre l'un au moins parmi : une résine et des fibres de renforcement tels que des fibres de carbone, de verre, d'aramide ou autre composé synthétique filamentaire.. Classiquement, l'enroulement 3 filamentaire peut être réalisé par une ou plusieurs couches 13 qui sont enroulées (cf. figure 2) autour de l'enveloppe 1 qui est mise en rotation autour de son axe longitudinal. Selon une particularité avantageuse de l'invention, l'enroulement 3 de renforcement (encore appelé � coque 3 externe �) comprend au moins une couche 13 de type polaire ayant ses fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction D axiale de l'enveloppe 1, selon un angle compris dans une plage de � 15° à � 33° ; au moins une couche 23 de type circonférentiel ayant ses fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction D axiale de l'enveloppe 1, selon un angle compris dans une plage de � 87° à � 93; et au moins une couche 33 de type intermédiaire ayant ses fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction axiale, selon un angle compris dans une plage de � 51 ° à � 59°. Le terme � agencé � désigne l'orientation (angle) des fibres part rapport à la direction D longitudinale de l'enveloppe 1. L'invention propose ainsi une combinaison nouvelle de différents angles d'enroulement qui d'optimise les performances du réservoir en terme de contrôle du mode de rupture et donc du niveau de sécurité et de pression de service (pour une quantité de fibres donnée). La demanderesse a constaté que cette séquence est avantageuse en terme de performance et de sécurité par comparaison aux séquences connues. A titre d'exemple, en prévoyant, sur un liner de type alliage d'aluminium une séquence de bobinage en fibre de carbone T700S pré-imprégnée composée : - de dix couches 13 de type polaire ayant leurs fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction D axiale de l'enveloppe 1, selon un angle compris dans une plage de � 15° à � 33, et de préférence 25° environ, puis - de quatorze couches 33 de type intermédiaire ayant leurs fibres de renforcement agencées par rapport à la direction axiale, selon un angle compris dans une plage de � 51° à � 59°, et de préférence 55° environ, et enfin - sept couches 23 de type circonférentiel ayant leurs fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction D axiale de l'enveloppe 1 selon un angle compris dans une plage de � 87° à � 93°, et de préférence égal à 90° environ, on obtient une masse de matériau composite de l'ordre de 1,050 kg conférant au réservoir une pression de rupture de 2400 bar � 200 bar. La rupture intervient essentiellement dans la partie cylindrique du réservoir. La séquence d'enroulement selon l'invention permet de prédire le mode de rupture du réservoir soumis à une pression excessive. Un coefficient de renfort � longitudinal � et un coefficient de renfort � circonférentiel � peuvent être affectés à chaque couche de renforcement ayant des fibres orientées avec d'un certain angle par rapport à la direction axiale de l'enveloppe. De préférence, la somme (couche par couche) des coefficients de renfort circonférentiels conduisant à un renfort circonférentiel doit être inférieur à la somme (couche par couche) des coefficients de renfort longitudinaux conduisant à une rupture longitudinale pour que le mode de rupture soit de type circonférentiel. Ce mode de rupture circonférentiel est en effet plus satisfaisant notamment pour les applications de bouteilles de gaz transportables pour les raisons suivantes : c'est normalement le seul type de rupture accepté réglementairement car il évite la projection violente des extrémités des bouteilles en cas de rupture. Par mode de rupture circonférentiel on désigne une rupture de type � boutonnière � c'est-à-dire selon une génératrice parallèle à l'axe de la bouteille) lorsque le réservoir est soumis à une surpression excessive. Par mode de rupture longitudinal on désigne une rupture (perpendiculaire à l'axe de la bouteille) lorsque le réservoir est soumis à une surpression excessive. Les couches orientées avec un angle à 90° auront par définition un coefficient fixe, par exemple égal à un. Pour les autres couches orientées avec un angle de X° (X degrés) (X étant compris entre 0° et 90°) la composante circonférentielle (le coefficient circonférentiel) est égale au sinus de l'angle X et la composante longitudinale (coefficient longitudinal) est égale au cosinus de l'angle X. A cet effet, on peut proposer un objet indépendant du reste de la présente demande : un procédé de fabrication d'un réservoir ayant un mode de rupture privilégié notamment lorsqu'il est soumis à une surpression excessive, le mode de rupture privilégié du réservoir étant une rupture de type circonférentielle ou, respectivement, une rupture de type longitudinale, le procédé comprenant une étape d'enroulement (3) filamentaire de renforcement mécanique sur au moins une partie de la surface extérieure d'une enveloppe (1) définissant un volume de stockage de gaz, l'enveloppe (1) comportant une ouverture (2) à une première de ses extrémités, l'enroulement (3) filamentaire de renforcement comprenant des fibres de renforcement et préférentiellement une résine, l'enroulement (3) filamentaire étant réalisé par une pluralité de couche (13) ayant des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon des angles X déterminés compris entre 0 et 90°, le procédé est caractérisé en ce qu'un coefficient de renfort longitudinal et un coefficient de renfort circonférentiel est affecté à chaque couche de renforcement ayant des fibres agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon un angle X, et en ce que la somme des coefficients de renfort circonférentiel de toutes les couches de l'enroulement est supérieur, ou respectivement inférieure, à la somme des coefficients de renfort longitudinal de toutes les couches de l'enroulement (3). Le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques (caractéristiques alternatives ou supplémentaires à la définition ci-dessus) ci- dessous: - les couches ayant en valeur absolue un angle X = 90° par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) ont un coefficient unique longitudinal fixe déterminé, par exemple égale à 1 (coefficient circonférentiel nul), - les couches ayant en valeur absolue un angle X inférieur à 90° (entre 0 ° et 90°) par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) ont un coefficient circonférentiel proportionnel ou égal au sinus de l'angle X et un coefficient longitudinal proportionnel ou égal au cosinus de l'angle X, - une autre méthode de calcul des coefficients peut être définie en affectant un coefficient 1 dans le sens longitudinal à x= 90° (coefficient circonférentiel nul), un coefficient 1 dans le sens circonférentiel à x = 0 (coefficient longitudinal nul) et le coefficient 0.5 (longitudinal ou circonférentiel) à l'angle 55.7°, déterminé théoriquement comme l'angle optimal de renforcement. Une régression polynomiale entre les coefficients longitudinaux ou circonférentiels décrits ci dessus affectés aux angles ci-dessus peut être utilisée pour déterminer les coefficients longitudinaux et circonférentiels des couches ayant en valeur absolue un angle X inférieur à 90° (entre 0 ° et 90°) par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1), - on peut prendre en compte la contribution mécanique du liner en majorant les coefficients circonférentiels. On peut par exemple majorer de 10% les coefficients circonférentiels pour les réservoirs à liner aluminium, - l'enroulement (3) filamentaire comprend plusieurs couches ayant des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon des angles X distincts, -les couches (13, 23, 33) ayant des fibres agencées avec un premier angle identique sont réalisées successivement et empilées sans alternance avec une ou des couches ayant des fibres agencées avec un ou des seconds angles différents du premier angle, - une partie de la pluralité de couches ayant des fibres agencées avec un même angle sont réalisées et empilées en alternance avec une ou des couches ayant des fibres agencées avec un autre angle. Le procédé peut comprendre également l'une ou plusieurs des caractéristiques des revendications ci-après et/ou avec l'une ou plusieurs des caractéristiques du procédé décrit ci-dessus en référence aux figures 1 à 3. Cette méthode permet de fabriquer des réservoirs avec un mode de rupture prévisible. REVENDICATIONS 1. Réservoir de gaz sous pression comprenant une enveloppe (1) définissant un volume de stockage de gaz, l'enveloppe (1) comportant une ouverture (2) à une première de ses extrémités et un enroulement (3) filamentaire de renforcement mécanique disposé sur au moins une partie de sa surface extérieure, l'enroulement (3) filamentaire comprenant des fibres de renforcement et préférentiellement une résine, l'enroulement (3) filamentaire comprenant au moins une couche (13) de type polaire ayant des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon un angle compris dans une plage de � 15° à � 33°, au moins une couche (23) de type circonférentiel ayant des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon un angle compris dans une plage de � 87° à � 93°, l'enroulement (3) filamentaire comprenant en outre au moins une couche (33) de type intermédiaire ayant des fibres de renforcement agencées par rapport à la direction axiale, selon un angle compris dans une plage de � 51° à � 59°. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement (3) filamentaire comprend plusieurs couches (13) de type polaire, plusieurs couche (23) de type circonférentiel et plusieurs couches (33) de type intermédiaire. 3. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pluralité de couches (13, 23, 33) d'un même type (polaire, circonférentiel ou intermédiaire) sont réalisées successivement et empilées sans alternance avec une ou des couches (13, 23, 33) d'un autre type. 4. Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que les empilements de couches (13, 23, 33) d'un même type (polaire, circonférentiel ou intermédiaire) sont réalisées dans l'ordre suivant de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir : couches de type polaire (13) puis couches de type intermédiaire (33), puis couches de type circonférentiel (23). 5. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins une partie de la pluralité de couches (13, 23, 33) d'un même type sontréalisées et empilées en alternance avec une ou des couches (23, 33, 13) d'au moins un autre type. 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les couches de type intermédiaire représentent au moins 20% du nombre totale de couches de l'enroulement (3) filamentaire. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les couches de type intermédiaire représentent 40% à 70% du nombre totale de couches de l'enroulement (3) filamentaire. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les couches (23) de type circonférentiel représentent 20 à 25% du nombre total de couches de l'enroulement (3) filamentaire et en ce que les couches (13) de type polaire représentent environ un tiers du nombre totale de couches de l'enroulement (3) filamentaire, les couches (33) de type intermédiaire représentant le complément du nombre totale de couches de l'enroulement (3) filamentaire. 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les couches (13) de type polaire ont des fibres de renforcement agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1), selon un angle de 25° � 3°. 10. Procédé de fabrication d'un réservoir de gaz sous pression, le procédé comprenant le formage, par une méthode d'enroulement de filament(s) ou une méthode d'enroulement de bande(s), d'une coque ou enroulement externe (3) résistant à la pression, autour d'une enveloppe (1) apte à servir de barrière aux gaz, dans laquelle la coque externe (3) est réalisée en résine renforcée par des fibres notamment des fibres de carbone, dans lequel la coque (3) externe est réalisée avec : au moins une couche (13) de type polaire de fibres de renforcement qui sont agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon un angle compris dans une plage de � 15° à � 33 ; au moins une couche (23) de type circonférentiel dont les fibres de renforcement sont agencées, par rapport à la direction (D) axiale de l'enveloppe (1) selon un angle compris dans une plage de � 87° à � 93° et au moins une couche (33) de type intermédiaire dont les fibres derenforcement sont agencées, par rapport à la direction axiale, dans une plage de�51°à�59°.