БОБЫШКА ДЛЯ КОМПОЗИТНОГО РЕЗЕРВУАРА ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
BOSS FOR COMPOSITE HIGH PRESSURE CONTAINER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к бобышке для композитного резервуара повышенного давления. В частности, изобретение относится к бобышке, специально предназначенной для выдерживания давления в течение всего срока службы композитного резервуара повышенного давления.
Настоящее изобретение относится к усовершенствованной бобышке для композитного резервуара повышенного давления для текучих сред, при этом указанный резервуар содержит внутренний, герметичный для текучих сред термопластичный футеровочный слой и опорный слой, выполненный при помощи наматывания волоконной арматуры на футеровочный слой, а также по меньшей мере одно центральное отверстие по меньшей мере на одном конце для размещения бобышки, предназначенной для установки муфты или клапана.
Уровень техники
Бобышка для композитных резервуаров повышенного давления описана в норвежском патенте №312048. Композитные резервуары повышенного давления описаны в норвежских патентах №№306226 и 309667.
Такие резервуары повышенного давления подвергаются действию множества напряжений и сил различного типа. Это относится, главным образом, к внутреннему повышенному давлению, которое может возникать при заполнении резервуара текучими средами. Внутреннее давление действует на бобышку с силой, которая имеет наружное осевое направление и которая может иметь значительную величину. Кроме того, на конструкцию бобышки может действовать сила, имеющая наружное осевое направление, например, если на бобышке установлен клапан или муфта, и, возможно, в результате непредумышленного напряжения, вызванного толчками или ударами. Важно, чтобы конструкция и монтаж/крепление бобышки обеспечивали сопротивление таким силам. То же самое относится к торсионным силам, которые могут возникать, например, в том случае, когда клапан установлен на бобышке, что обычно осуществляется при помощи резьбы и ввинчивания в бобышку. Указанные торсионные силы могут также возникать, когда волоконная арматура наматывается на внутренний слой. Особенно важно, чтобы бобышка обеспечивала надежное и долговечное уплотнение с сопрягаемыми деталями резервуара повышенного давления. Уплотнение должно быть таким, чтобы вышеуказанные силы не нарушали эффективность герметизации.
Норвежский патент №312048, указанный выше, раскрывает бобышку, пригодную для применения в резервуарах повышенного давления такого типа.
Композитные резервуары повышенного давления могут содержать различные текучие среды, в частности пропан и бутан, для бытового применения, часто при относительно низком максимальном давлении, составляющем примерно 35 бар. Резервуары могут также содержать текучие среды, в частности сжиженный природный газ, водород и другие типы промышленных газов, часто требующие более высокого максимального давления - примерно 200 бар. Композитные резервуары повышенного давления могут быть также предназначены для испытательного давления до 2000 бар или даже выше.
Из современного уровня техники известно применение уплотнительных колец для герметизации канала между бобышкой и муфтой или клапаном. Если резервуар содержит текучую среду, уплотнительное кольцо будет контактировать с этой текучей средой, присутствующей в резервуаре. Авторы настоящего изобретения наблюдали, что уплотнительные кольца при стандартных условиях внутри бобышки имеют тенденцию к набуханию при контакте с текучей средой. Набухание и давление, создаваемое уплотнительными кольцами, могут вызывать вдавливание противоположных уплотнительных поверхностей, что может затем приводить к возникновению утечки, например, в случае замены муфты, клапана или уплотнительных колец.
Раскрытие изобретения
В соответствии с вышеизложенным задачей настоящего изобретения является обеспечение бобышки, пригодной для применения в композитных резервуарах повышенного давления, содержащих текучие среды не только при относительно низких давлениях, но также в резервуарах повышенного 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 такие материалы. Это в особой степени относится к уплотнениям, в частности к уплотнительным кольцам и уплотнительным поверхностям.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение бобышки с длительным сроком службы, в 'том числе при высоких давлениях, что позволит многократно использовать резервуар и уменьшить затраты.
Кроме того, задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить бобышку, которая позволит уменьшить возможное влияние набухания уплотнительных колец на герметичность.
Для решения этих и других задач настоящее изобретение обеспечивает бобышку для композитного резервуара повышенного давления, предназначенного для текучих сред, при этом указанный резервуар повышенного давления содержит внутренний футеровочный слой, герметичный для текучих сред и опорный слой, полученный путем намотки волоконной арматуры на футеровочный слой, и по меньшей мере одно центральное отверстие, расположенное на одном конце и снабженное бобышкой, которая предназначена для установки муфты или клапана,
при этом указанная бобышка содержит монтажные средства, выполненные с возможностью приема муфты или клапана,
при этом указанная муфта или клапан содержит по меньшей мере одно уплотнительное кольцо на контактной поверхности для соединения с монтажными средствами,
при этом указанная бобышка содержит внутренний элемент, по меньшей мере полностью введенный внутрь резервуара повышенного давления, и
при этом указанная бобышка содержит буртик, расположенный между внутренним элементом и контактной поверхностью муфты или клапана, а радиальная толщина буртика пропорциональна испытательному давлению, на которое рассчитан резервуар.
Резервуар повышенного давления может содержать одну бобышку согласно настоящему изобретению, установленную в одном отверстии на одном конце резервуара. Резервуар повышенного давления может содержать также две бобышки согласно настоящему изобретению, установленных в двух отверстиях, расположенных на противоположных концах резервуара повышенного давления. Кроме того, резервуар повышенного давления может быть снабжен одной бобышкой согласно настоящему изобретению и одной или более бобышками других типов. В общем случае количество бобышек равно количеству отверстий в резервуаре повышенного давления.
В одном аспекте настоящего изобретения радиальная толщина D буртика уменьшается при увеличении испытательного давления.
В другом аспекте радиальная толщина D буртика уменьшается при уменьшении толщины материала по меньшей мере одного уплотнительного кольца.
В еще одном аспекте радиальная толщина D буртика уменьшается при уменьшении твердости по Шору А по меньшей мере одного уплотнительного кольца.
В одном варианте осуществления бобышки согласно настоящему изобретению твердость Н по Шору А по меньшей мере одного уплотнительного кольца составляет
70≤Н≤90,
диаметр d материала в мм по меньшей мере одного уплотнительного кольца составляет
1≤d≤6,
max
максимальная радиальная толщина D буртика в мм составляет
max
D=-0.0005·р+3.005,
где р - испытательное давление в бар,
а радиальная толщина D буртика составляет
min
max
D≤D≤D,
min
где D- минимальная радиальная толщина буртика в мм,
min
D=-0.000125·р+0.35.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения зависимость между отношением твердости Н по Шору А по меньшей мере одного уплотнительного кольца к толщине D в мм буртика при испытательном давлении р в бар определяется выражением H/D=а·р+b, где 0.03<а<0.05 и 25<b<35.
В следующем аспекте настоящее изобретение обеспечивает бобышку, предназначенную для композитного резервуара повышенного давления с минимальным испытательным давлением 10 бар, и при этом толщина буртика составляет менее чем 2.5 мм, или бобышку, предназначенную для композитного резервуара повышенного давления с минимальным испытательным давлением 30 бар, при этом толщина буртика составляет менее чем 2.45 мм, или бобышку, предназначенную для композитного резервуара повышенного давления с минимальным испытательным давлением 300 бар, при этом толщина буртика составляет 1.775 мм или менее.
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, и при этом волоконная арматура резервуара повышенного давления намотана на шейку.
Термин "испытательное давление", используемый в данном описании, относится к давлению в резервуаре, при котором испытывается резервуар для предполагаемого применения. Испытательное давление обычно не менее чем в 1.5 раза превышает регламентное рабочее давление. После заполнения и при нормальных условиях функционирования и опорожнения давление в резервуаре, как правило, является более низким, чем испытательное давление. Примеры применяемого испытательного давления включают, в частности, но без ограничения:
- не менее 10 бар - специальное низкое давление, применяемое, например, для напитков;
- не менее 30 бар - сжиженный нефтяной газ/охлаждающий газ и другие типы газа;
- не менее 300 бар - области применения, связанные со сжатым природным газом, дыхательным газом и газом промышленного назначения;
- не менее 600 бар - водород и другие специальные области применения, связанные с высоким давлением.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание изобретения со ссылками на примеры, представленные на чертежах, на которых показаны:
фигура 1 - вид в разрезе варианта осуществления бобышки, рассчитанной на давление в резервуаре;
фигура 1а - вид в разрезе бобышки с фигуры 1 в увеличенном масштабе;
фигура 2 - вид в разрезе другого варианта осуществления бобышки, рассчитанной на давление в резервуаре;
фигура 3 - график зависимости обычно применяемой радиальной толщины буртика от давления;
фигура 4 - график зависимости отношения твердости по Шору А уплотнительного кольца к толщине буртика 23 от испытательного давления; и
min
max
фигура 5 - график зависимости D и D от испытательного давления.
Осуществление изобретения
На фигурах 1 и 2 показаны два альтернативных варианта осуществления настоящего изобретения. На обеих фигурах показана бобышка 1, установленная на резервуаре повышенного давления и содержащая отверстие, в которое вставляется муфта или клапан 5. Бобышка 1 присоединяется к внутреннему футеровочному слою 4 резервуара повышенного давления способом сварки, приклеивания, литья, формования или другим способом при помощи соединительного фланца 11. Альтернативно этому бобышка является частью футеровочного слоя. Поверх соединительного фланца и футеровочного слоя известным способом намотан слой 3, армированный волокном. Таким образом, слой, армированный волокном, функционирует как опорный слой для бобышки 1 и футеровочного слоя 4.
Бобышка содержит шейку 12, которая расположена в осевом направлении снаружи от соединительного фланца и резервуара повышенного давления. Волоконная арматура намотана на шейку, что обеспечивает хорошее управление наматыванием волоконной арматуры и предотвращает закрытие отверстия волоконной арматурой.
Бобышка содержит центральное осевое отверстие для установки муфты или клапана 5.
Кроме того, бобышка содержит внутренний элемент 2. Внутренний элемент 2 выполнен из материала, который имеет достаточную конструктивную прочность, чтобы обеспечить многократное соединение и отсоединение муфты или клапана 5. Внутренний элемент 2 может быть изготовлен из другого или такого же материала, что и остальная часть бобышки 1, в которой установлен внутренний элемент 2. Внутренний элемент содержит отверстие, снабженное монтажным средством 24 для установки муфты или клапана 5. Внутренний элемент 2 может быть изготовлен из металла или из других конструкционных материалов, например из пластмассы, армированной волокном.
В показанном варианте осуществления внутренний элемент представляет собой, по существу, отливку, полученную, за исключением монтажного средства 24, при помощи литья под давлением в остальном материале, образующем бобышку. Внутренний элемент 2 предпочтительно содержит нижний фланец 21, который выступает в радиальном направлении внутри соединительного фланца 11. При этом волоконная арматура будет также закрывать наружную часть нижнего фланца внутреннего элемента, и, таким образом, предотвращать перемещение в осевом направлении. Монтажное средство 24 представляет собой резьбовую часть 24, которая предназначена для соединения с муфтой или клапаном 5. Кроме того, отверстие в бобышке содержит опорную поверхность 26.
На чертежах подробно показана только наружная поверхность муфты или клапана 5, поскольку изобретение, иллюстрированное фигурами 1 и 2, относится к соединению между муфтой или клапаном 5 и бобышкой 1, а не к внутренней конфигурации муфты или клапана.
Монтажным средством 24 для установки муфты или клапана 5 в этом варианте осуществления является цилиндрическая резьба.
Обычно сложно обеспечить адгезию между внутренним элементом и остальной частью бобышки. Относительное перемещение между этими частями, например, вследствие коробления пластмассовых деталей, приводит к возникновению точки утечки содержимого резервуара повышенного давления по границе между внутренним элементом и бобышкой.
Бобышка содержит также буртик 23, который выполнен из того же материала, что и бобышка, и который после установки муфты или клапана 5 располагается между клапаном и внутренним элементом 2 на конце бобышки в осевом направлении напротив шейки 12, внутри резервуара повышенного давления. На фигуре 1а в увеличенном масштабе показана часть бобышки, содержащая буртик 23. Поверхность буртика, обращенная к отверстию, образует уплотнительные поверхности на внутреннем конце отверстия, таким образом, материал бобышки вводит внутренний элемент во внутреннюю часть отверстия. Буртик 23 может содержать одну или более выступающих соединительных частей 20. Выступающие соединительные части 20 улучшают соединение буртика 23 с внутренним элементом 2, предотвращая при этом отделение буртика 23 от внутреннего элемента 2, во время установки или съема муфты или клапана 5. В варианте осуществления, показанном на фигуре 1а, представлена одна наклонная выступающая часть, которая обеспечивает сопротивление перемещению буртика 23 как в осевом, так и в радиальном направлениях. В вариантах осуществления, показанных на фигурах 1 и 2, буртик содержит две выступающих части 20, одну - в осевом направлении и одну - в радиальном направлении. Клапан входит в одно или более уплотнительных колец 51, см. фигуру 1 и 2, соответственно, которые дополнительно улучшают уплотнение между наружной поверхностью муфты или клапана и монтажным средством и опорными поверхностями бобышки. Указанный буртик 23 расположен снаружи от внутреннего элемента. Уплотнение обеспечивается внутри канала утечки между внутренним элементом 2 и остальной частью бобышки 1.
Содержимое резервуара, находящееся под давлением, приводит к возникновению давления, направленного изнутри резервуара к бобышке 1. Это давление создает силы, действующие на внутреннюю часть бобышки и прижимающие часть бобышки, содержащую буртик 23, к уплотнительным кольцам 51, 51', повышая эффективность герметизации, создаваемой уплотнительными кольцами. Твердость и толщину нижней части внутреннего элемента, содержащего соединительную поверхность 26, следует выбирать в соответствии с давлением, чтобы соединительная поверхность 26 прилагала давление к уплотнительному кольцу и, таким образом, обеспечивала газонепроницаемое уплотнение.
Бобышка и футеровочный слой изготавливаются по известной технологии из полимерного материала, предпочтительно способом литья под давлением или инжекционного формования, соответственно; однако могут быть использованы также другие материалы или способы изготовления.
Соединительный фланец присоединяется к футеровочному слою 4 при помощи наклонной поверхности 14. Как указано выше, крепление можно осуществить известным способом сварки или альтернативным способом соединения в зависимости от применяемых материалов. Альтернативно показанному решению бобышка является составной частью футеровочного слоя, или футеровочный слой может быть сплавлен с соединительным фланцем для получения непрерывной поверхности, подходящей к отверстию.
Для предотвращения перемещения внутреннего элемента 2 под действием скручивания, а также направленных внутрь сил, например, при закреплении клапана, внутренний элемент в этом варианте осуществления снабжен захватами 22, которые предотвращают поворотное движение внутреннего элемента 2 относительно резервуара повышенного давления. Эти захваты 22 могут быть выполнены в виде отверстий, выточек или канавок во внутреннем элементе.
В одном аспекте настоящего изобретения, который иллюстрируют варианты осуществления, показанные на фигурах 1 и 2, толщина буртика 23 выбирается в зависимости от давления текучей среды, содержащейся внутри резервуара. Термин "толщина" относится к радиальной толщине буртика в области, которая после установки клапана 5 находится рядом с одним или более уплотнительными кольцами 51. На фигуре 1а толщина показана в виде размера D. В варианте осуществления, показанном на фигуре 1, одно уплотнительное кольцо на клапане 5 находится в контакте с буртиком 23. В другом варианте осуществления, показанном на фигуре 2, два уплотнительных кольца установлены между клапаном и бобышкой. Кроме того, уплотнительные кольца можно также установить между буртиком 23 и муфтой или клапаном 5.
Размер и материал используемых одного или более уплотнительных колец можно выбирать в зависимости от давления и веществ, образующих содержимое резервуара.
Радиальная толщина буртика 23 выбирается в зависимости от предполагаемого интервала давлений. Чем выше давление, которое должен выдерживать резервуар, тем меньшей должна быть толщина буртика 23. На фигуре 3 показана зависимость между радиальной толщиной буртика 23 и соответствующим испытательным давлением в резервуаре для одного варианта осуществления настоящего изобретения. График показывает, что для резервуара с испытательным давлением 30 бар толщина буртика 23 должна составлять 2.45 мм или менее. При этом для резервуара с испытательным давлением 300 бар толщина буртика 23 должна составлять 1.775 мм или менее.
В предпочтительном варианте осуществления, в котором бобышка представляет собой отливку из термопластичного материала, радиальная толщина буртика 23 составляет примерно 1,5 мм для резервуара, рассчитанного на 30 бар и 1.0 мм для резервуара, рассчитанного на 200 бар.
На фигуре 4 показана зависимость отношения твердости (по Шору А) к толщине буртика 23 в мм от испытательного давления.
-1
-1
Это отношение должно составлять 30 мм или выше при испытательном давлении 10 бар и 90 мм или выше при испытательном давлении 1500 бар.
Зависимость между отношением твердости Н по Шору А по меньшей мере одного уплотнительного кольца 51 к толщине D в мм буртика 23 при испытательном давлении р в бар можно описать следующим выражением:
H/D=а·р+b, где 0.03<а<0.05 и 25<b<35.
В качестве дополнительной иллюстрации этого в следующей таблице представлена максимальная толщина буртика для двух предварительно выбранных уплотнительных колец, имеющих твердость по Шору А 75 и 90, соответственно.
Испытательное давление
Максимальная толщина буртика для уплотнительного кольца с твердостью по Шору А=75
Максимальная толщина буртика для уплотнительного кольца с твердостью по Шору А=90
Бар
мм
мм
10
2.50
3.00
100
2.23
2.68
200
1.99
2.39
500
1.51
1.81
1000
1.07
1.29
1500
0.83
1.00
min
max
min
max
На фигуре 5 показан график, показывающий D и D для диапазона испытательного давления от 1 до 1600 бар. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения толщину буртика 23 для данного испытательного давления следует выбирать в интервале D-D для данного давления. График основан на том, что твердость Н по Шору А по меньшей мере одного уплотнительного кольца составляет: 70<Н<90,
max
диаметр d материала в мм по меньшей мере одного уплотнительного кольца: 1≤d≤6, максимальная радиальная толщина D буртика 23 в мм:
max
D=-0.0005·р+3.005, где р= испытательное давление в бар,
min
min
минимальная радиальная толщина D буртика 23 в мм: D=-0.00047·р+1.0047.
Любой из указанных вариантов осуществления бобышки можно реализовать, используя хорошо известные технологии серийного производства.