УЛУЧШЕННАЯ БОБЫШКА ДЛЯ КОМПОЗИТНОГО РЕЗЕРВУАРА
IMPROVED BOSS FOR COMPOSITE RESERVOIR

Настоящее изобретение относится к улучшенной бобышке для композитного резервуара высокого давления. В частности, изобретение относится к бобышке, предотвращающей нарастание внутреннего давления.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к улучшенной бобышке для композитного резервуара высокого давления для текучих сред, при этом указанный резервуар содержит внутренний, непроницаемый для текучих сред термопластичный футеровочный слой и усиливающий несущий слой, выполненный посредством намотки волоконного армирования на футеровочный слой, а также по меньшей мере одно центральное отверстие по меньшей мере на одном конце для размещения бобышки, предназначенной для установки соединительного или клапанного элемента.
Уровень техники
Бобышка для композитных резервуаров высокого давления раскрыта в норвежском патенте №312048. Композитные резервуары высокого давления раскрыты в норвежских патентах №№306226 и 309667.
Такие резервуары высокого давления подвергаются действию множества напряжений и сил различного типа. Это относится, главным образом, к внутреннему высокому давлению, которое может возникать при заполнении резервуара текучими средами. Внутреннее давление действует на бобышку с направленной наружу осевой силой, которая может быть значительной. Кроме того, на конструкцию бобышки может действовать осевая сила, направленная внутрь, например, если на бобышке установлен клапанный или соединительный элемент, и, возможно, в результате непреднамеренного напряжения, вызванного толчками или ударами. Важно, чтобы конструкция и установка/крепление бобышки обеспечивали сопротивление таким силам. То же самое относится к крутящим силам, которые могут возникать, например, в том случае, когда на бобышке установлен клапанный элемент, что обычно осуществляется при помощи резьбы и ввинчивания в бобышку. Крутящие силы могут также возникать, когда волоконное армирование наматывается на внутренний слой. Особенно важно, чтобы бобышка обеспечивала надежное и долговечное уплотнение с сопрягаемыми деталями резервуара высокого давления. Уплотнение должно быть таким, чтобы вышеуказанные силы не нарушали эффективность герметизации.
Норвежский патент №312048, упомянутый выше, раскрывает бобышку, пригодную для применения в резервуарах высокого давления такого типа.
Композитные резервуары высокого давления могут содержать различные текучие среды, такие как пропан и бутан, для бытового применения, часто при относительно низком максимальном давлении, составляющем примерно 35 бар. Резервуары могут также содержать текучие среды, в частности сжатый природный газ (CNG), водород и другие виды промышленных газов, часто требующие более высокого максимального давления - приблизительно 200 бар. Композитные резервуары высокого давления могут быть выполнены с возможностью выдерживать давление в широких интервалах. В зависимости от наружной температуры давление в резервуаре может иметь значение от более низкого, чем атмосферное давление, до 2000 бар. В зависимости от текучей среды, подлежащей загрузке в резервуар, резервуары обычно рассчитываются на допустимое давление в пределах выбранных интервалов, неограничительными примерами которых являются 0-20 бар, 4-260 бар, 1-1500 бар и т.п.
Цели изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение бобышки, пригодной для применения в композитных резервуарах высокого давления, содержащих текучие среды не только при относительно низких давлениях, но также в резервуарах высокого давления с текучими средами при высоких давлениях, при этом производство указанной бобышки не является дорогостоящим.
Разности давления, температуры или концентрации, действующие на материалы бобышки, могут вызывать проникновение текучей среды сквозь материалы. Это в особой степени относится к уплотнениям, в частности к уплотнительным кольцам и уплотнительным поверхностям. Если бобышка содержит уплотнительное кольцо для защиты от воздействий окружающей среды, или газонепроницаемое уплотнение, в частности газонепроницаемое резьбовое соединение или соединение другого типа над внутренним главным уплотнением (снаружи от него в осевом направлении), в бобышке между главным уплотнением и дополнительным газонепроницаемым уплотнением может накапливаться давление. Нарастание внутреннего давления в бобышке может оказывать влияние на безопасность и надежное функционирование бобышки.
Поэтому другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предотвратить нарастание в бобышке давления текучей среды, которая находится под давлением и может проникать через уплотнение или материалы уплотнительных поверхностей бобышки. Точно так же предотвращается любая утечка, включая утечку, вызванную тепловым расширением, связанная с нарастанием давления в бобышке.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение бобышки с длительным сроком службы, в том числе при высоких давлениях, что позволит многократно использовать резервуар и уменьшить затраты.
Для достижения этих и других целей настоящее изобретение обеспечивает бобышку для композитного резервуара высокого давления, предназначенного для текучих сред, содержащего внутренний футеровочный слой, непроницаемый для текучих сред, и усиливающий несущий слой, полученный путем намотки волоконного армирования на футеровочный слой, а также по меньшей мере одно центральное отверстие на одном конце, снабженное бобышкой, которая предназначена для установки соединительного или клапанного элемента, при этом бобышка содержит установочное средство, выполненное с возможностью приема соединительного или клапанного элемента, при этом соединительный или клапанный элемент содержит по меньшей мере одно уплотнительное кольцо, контактирующее с установочным средством,
при этом бобышка или соединительный или клапанный элемент дополнительно содержит средство разгрузки давления, обеспечивающее отведение текучей среды из полости, расположенной в осевом направлении снаружи по меньшей мере одного уплотнительного кольца и снаружи бобышки.
В одном из вариантов осуществления бобышка согласно настоящему изобретению может содержать вставку, по меньшей мере, полностью введенную внутрь резервуара высокого давления, и при этом бобышка содержит бортик, расположенный между указанной вставкой и соединительным или клапанным элементом.
В одном аспекте изобретения бобышка дополнительно содержит уплотнительное кольцо, защищающее от воздействий окружающей среды и расположенное в осевом направлении снаружи от указанной полости. Уплотнительное кольцо, защищающее от воздействий окружающей среды предпочтительно установлено в осевом направлении вблизи наружного конца установочного средства, чтобы предотвратить влияния окружающей среды на соединение между бобышкой и соединительным или клапанным элементом.
В одном из вариантов осуществления средство разгрузки давления содержит проход для текучей среды, выполненный в соединительном или клапанном элементе.
В другом варианте осуществления бобышка содержит установочное средство, имеющее резьбу, а средство разгрузки давления содержит канавку или проход для текучей среды, выполненный в резьбе.
В еще одном варианте осуществления бобышки согласно настоящему изобретению средство разгрузки давления содержит канал разгрузки давления, проходящий сквозь бобышку, при этом в одном аспекте указанный канал разгрузки давления содержит выходное отверстие, выполненное на внутренней стенке усиливающего несущего слоя.
В одном варианте осуществления бобышка согласно настоящему изобретению содержит соединительный фланец, предназначенный для соединения с футеровочным слоем, и шейку, расположенную в осевом направлении снаружи от соединительного фланца, при этом волоконное армирование резервуара высокого давления намотано на указанную шейку.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание изобретения со ссылками на примеры осуществления, показанные на чертежах, на которых:
на фиг. 1 представлен в разрезе первый вариант осуществления бобышки с разгрузкой внутреннего давления;
на фиг. 2 представлен в разрезе второй вариант осуществления бобышки с разгрузкой внутреннего давления;
на фиг. 3 представлен в разрезе третий вариант осуществления бобышки с разгрузкой внутреннего давления.
Подробное раскрытие изобретения
На фиг. 1, 2 и 3 показаны три альтернативных варианта осуществления другого аспекта настоящего изобретения. На всех чертежах показана бобышка 1 на резервуаре высокого давления, содержащая отверстие, в которое вставлен соединительный или клапанный элемент 5. Бобышка 1 присоединяется к внутреннему футеровочному слою 4 композитного резервуара высокого давления путем сварки, приклеивания, литья, формования или другим способом при помощи соединительного фланца 11. Соединительный фланец присоединяется к футеровочному слою 4 наклонной поверхностью 14. Как указано выше, крепление можно осуществить известным способом при помощи сварки, различных технологий приклеивания или другими способами в зависимости от применяемых материалов. Альтернативно показанному решению, бобышка выполнена как одно целое с футеровочным слоем, или футеровочный слой может быть сплавлен с соединительным фланцем, образуя сплошную поверхность в направлении отверстия, или футеровочный слой выполнен как одно целое с фланцем, при этом бобышка присоединяется снаружи к указанному фланцу футеровочного слоя, возможно, посредством наружной резьбы. Поверх соединительного фланца и футеровочного слоя известным способом намотан армированный волокном слой 3. При этом армированный волокном слой действует как усиливающий несущий слой, как для бобышки 1, так и для футеровочного слоя 4. Кроме того, как показано на чертежах, на наружной части резервуара может быть установлен защитный кожух 6.
Бобышка содержит шейку 12, которая расположена в осевом направлении снаружи соединительного фланца и резервуара высокого давления. Волоконное армирование намотано на шейку, что обеспечивает хорошее управление наматыванием волоконного армирования и предотвращает закрытие отверстия волоконным армированием.
Бобышка также содержит вставку 2. Вставка 2 изготовлена из материала, который обладает, по меньшей мере, достаточной конструктивной прочностью, позволяющей выполнять многократное соединение и отсоединение соединительного или клапанного элемента 5. Материал вставки 2 может быть другим или таким же, как и материал остальной части бобышки 1, в которую введена вставка 3. Вставка имеет отверстие, которое соответствует установочным средствам 24, 25 для установки соединительного или клапанного элемента 5. Отверстие в бобышке может содержать дополнительное установочное средство 26. С точки зрения экономичности изготовления предпочтительным материалом является металл, однако вставку 2 можно также изготавливать из других материалов, возможно из пластических материалов, например из пластмассы, армированной волокном.
Кроме установочных средств 24, 25 вставка представляет собой, по существу, литую деталь, введенную способом литья под давлением в остальной материал, образующий бобышку. Вставка 2 предпочтительно выполнена с нижним фланцем 21, который заходит радиально внутрь соединительного фланца 11. При этом усиливающее несущее волоконное армирование также покрывает наружную часть нижнего фланца вставки, и, таким образом, предотвращает перемещение в осевом направлении.
Установочные средства 24, 25, 26 содержат резьбовую часть 24, в которую входит муфта или клапан 5, и опорные поверхности 25, 26. На чертежах подробно показана только наружная поверхность муфты или клапана 5, поскольку изобретение, проиллюстрированное на фиг.1, 2 и 3, относится к соединению между соединительным или клапанным элементом 5 и бобышкой 1, а не к внутренней конструкции муфты или клапана.
Показанный вариант осуществления бобышки содержит также бортик 23, который выполнен из материала бобышки и который после установки соединительного или клапанного элемента 5 располагается между клапанным элементом и вставкой 2 на конце бобышки в осевом направлении, противоположном шейке 12, и находится внутри резервуара высокого давления. Поверхность бортика, обращенная к отверстию, образует уплотнительные поверхности на внутреннем конце отверстия, при этом материал бобышки входит во вставку во внутренней части отверстия. Клапан снабжен одним или двумя уплотнительными кольцами 51, 51′ для дополнительного улучшения герметизации между наружной поверхностью муфты или клапана и бобышкой. Варианты осуществления изобретения показаны с использованием одного уплотнительного кольца на фиг. 1 и двух уплотнительных колец 51, 51′ на фиг. 2 и 3, однако конфигурацию только с одним уплотнительным кольцом 51 можно также использовать в вариантах осуществления, показанных на фиг. 2 и 3, а два уплотнительных кольца можно использовать в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, поскольку все эти варианты осуществления обеспечивают преимущество согласно настоящему изобретению.
Содержимое, находящееся под давлением в резервуаре, приводит к возникновению давления, направленного изнутри резервуара к бобышке 1. Это давление создает силы, которые действуют на внутреннюю часть бобышки и прижимают часть бобышки, содержащую бортик 23, к уплотнительным кольцам 51, 51′, повышая таким образом уплотняющий эффект уплотнительных колец.
Бобышка и футеровочный слой изготавливаются известными способами из полимерного материала предпочтительно посредством литья под давлением или выдувания в форме, соответственно; однако другие материалы или способы изготовления также могут быть использованы.
Соединительный фланец прикрепляется к футеровочному слою 4 при помощи наклонной поверхности 14. Как указано выше, крепление можно выполнить известным способом сварки, различными способами приклеивания или другими способами в зависимости от применяемых материалов. Альтернативно этому для показанного решения бобышка является составной частью футеровочного слоя, выполненной во время выдувания футеровочного слоя в форме или привинченной к нему позднее, или футеровочный слой может быть сплавлен с соединительным фланцем для получения сплошной поверхности, проходящей к отверстию.
Для предотвращения перемещения вставки 2, вызываемого кручением, а также силами, направленными внутрь, например при прикреплении клапана, вставка 2 может быть снабжена захватывающими элементами, которые препятствуют вращательному движению вставки 2 относительно резервуара высокого давления. Эти захватывающие элементы могут быть выполнены во вставке в виде отверстий, выемок или канавок.
Соединительный или клапанный элемент 5 может содержать уплотнительное кольцо 7, защищающее от воздействий окружающей среды, или другую защитную деталь, установленную вблизи шейки 12 бобышки. Задача уплотнительного кольца, защищающего от воздействий окружающей среды 7, заключается в создании уплотнения снаружи от входа в соединение между установочными средствами 24, 25 и 26 и муфтой или клапаном 5. Уплотнительное кольцо 7, защищающее от воздействий окружающей среды, ограничивает возможность попадания в бобышку влаги, загрязнений или пыли, однако это вспомогательное уплотнительное кольцо 7 обеспечивает, главным образом, защиту от воздействий окружающей среды, в которую помещен резервуар, и не создает уплотнения для внутреннего давления в резервуаре.
На фиг. 1, 2, и 3 показаны альтернативные решения задачи предотвращения нарастания давления в бобышке. Решаемая задача заключается в том, что уплотнение, создаваемое одним или более уплотнительным кольцами 51, 51′, может иметь утечку. Утечка может также возникать в других частях бобышки и частично зависит от материалов, выбранных для изготовления бобышки. Пластмассы обычно в большей степени подвержены утечкам, чем металлы. Если утечка не прекращается, то давление текучей среды в бобышке может нарастать, что оказывает влияние на безопасность и надежность бобышки.
На фиг.1 показан первый вариант осуществления бобышки 1 и муфты или клапана 5 согласно этому аспекту настоящего изобретения. В этом варианте осуществления муфта или клапан 5 содержит канал 41 разгрузки давления, направляющий текучую среду, которая может вытекать из полости 40, в промежуток между бобышкой 1 и соединительным или клапанным элементом 5, предусмотренный в осевом направлении снаружи от уплотнительного кольца 51. Канал 41 разгрузки давления предпочтительно сообщается с выходным отверстием муфты или клапана 5, обычно используемым для транспортировки текучей среды из резервуара к месту применения.
На фиг. 2 показан второй альтернативный вариант осуществления этого аспекта настоящего изобретения. В данном случае полость 40 сообщается с внешней средой посредством канавки 42, или тому подобного, предусмотренной в резьбовой области 24. Канавка может иметь выбранную форму на границе резьбы, при этом резьба на бобышке и на муфте или на клапане может быть выбрана таким образом, чтобы она образовывала проход для текучей среды вдоль резьбы, когда муфта или клапан навинчены на бобышку. Если муфта или клапан 5 содержит дополнительное уплотнительное кольцо 7 для защиты от воздействий окружающей среды, то это уплотнительное кольцо не создает уплотнения или создает ограниченное уплотнение для давления, поэтому давление не может нарастать внутри кольца и выходит в окружающую среду через отверстие 43.
На фиг. 3 показан третий альтернативный вариант осуществления этого аспекта настоящего изобретения. В данном случае полость 40 сообщается с внешней средой посредством канала 44 разгрузки давления, проходящего сквозь бобышку 1. Канал разгрузки давления может быть выполнен во вставке 2, как показано на чертеже, или может проходить через какую-нибудь другую часть бобышки. Выходное отверстие 45 канала разгрузки давления находится на внутренней стенке армирующего слоя 3. Армирующий слой не является непроницаемым для текучей среды, поэтому текучая среда будет проходить сквозь него и выходить в окружающую среду. Армирующий слой 3 будет защищать канал 44 разгрузки давления и бобышку от пыли или аналогичного влияния окружающей среды.
Размеры и материал применяемых уплотнительных колец можно выбрать в зависимости от давления и соединений, образующих содержимое резервуара.
Изготовление любого варианта бобышки можно осуществить при помощи хорошо известных промышленных методов.