带有复合材料凸台的压力容器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于运输压缩流体的压力容器的一件式复合材料凸台。
【专利说明】带有复合材料凸台的压力容器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于压缩流体的装储和运输的压力容器的复合材料凸台。
【背景技术】
[0002] 化石燃料燃烧对环境的不利影响正变得越来越受关注，并已经激励起对替代能源 的极大兴趣。尽管在太阳能、风能、核能、地热能和其它能源方面作出了进步，但很显然，广 泛地提供经济性替代能源、尤其是高能量使用的应用仍然是难以捉摸的目标。同时，对于可 预见的将来，化石燃料预期将支配能源市场。在化石燃料中，天然气燃烧最干净，因此对能 量生产来说是明确的选择。因此，随着世界变得越来越意识到化石燃料的燃烧对环境的相 互作用，正在掀起一场尽量用天然气来补充或代替诸如煤和石油那样的其它化石燃料的运 动。遗憾的是，世界的很多天然气储量存在于遥远的、难于到达的地球区域。地形因素和地 理政治学的因素使得可靠地和经济地从这些区域萃取天然气变得极其困难。已经对管道使 用和陆上天然气运输进行了评估，在某些情形中作了努力，但发现是不经济的。然而，很有 趣的是，地球上大部分远处天然气储量位于相当靠近海洋以及已经进入海洋的其它水体之 处。因此，从遥远地方海上运输天然气将会是显而易见的方案。海上运输天然气的问题很 大程度上在于经济性。远洋航行船舶只能装载如此多加载的重量，海上船运天然气的成本 反映了该事实，成本按照运输的总重量计算，即，产品的重量加上在其内运输产品的集装箱 容器的重量。如果产品净重量与运输集装箱的皮重相比较低，则每单位产品质量的运输成 本变得不能接受。这在压缩流体的运输中尤其是如此，压缩流体传统上用钢瓶来运输，钢瓶 重量比所装流体的重量重得多。由于III型和IV型压力容器的出现，该问题已经稍稍得到 改善。III型压力容器包括相对薄的金属内衬，内衬用细丝状复合材料包裹物缠绕，其导致 容器具有钢质容器的强度，却大大地减小了容器总重量。IV型压力容器聚合物内衬，该内衬 同样用复合细丝状材料包裹。IV型压力容器是目前批准的压力容器中最轻的容器。使用 III型和IV型容器与将这些容器制成非常大的趋势相关联，目前正在制造长度18米、直径 2. 5-3. 0米的圆柱形容器，以及在设计构思长度30米或以上、直径6米或以上的容器，这导 致在优化压缩流体的海上运输经济性上向前迈出主要的一步。
[0003] 所有压力容器需要至少一个被称作"凸台"的端部配件，容器通过该凸台连接到外 部相关设备，用以将流体加载到容器内或从容器卸下流体。目前所用的凸台由金属制成，金 属诸如是不锈钢、镍合金、铝等。遗憾的是，这些凸台、尤其是用于较大压力容器的凸台，重 量极重并已经估计包括III型或IV型压力容器重量的70%。此外，大的金属凸台制造困 难，并且价格趋于昂贵，常常价格在$100000或以上。这些因素对于经济性来说有很大不利 影响，并由此对压缩流体的海上运输的可行性带来不利影响。
[0004] 需要的是重量轻、价廉的用于尤其是用于III型和IV型的压力容器的凸台，这对 压缩流体运输的影响是最为有益的。本发明提供如此的凸台。
【发明内容】
[0005] 因此，在一个方面，本发明涉及包括一件式复合材料凸台的压力容器。
[0006] 在本发明的一个方面，该一件式复合材料凸台包括：
[0007] 中空细长的圆柱，其具有近端、远端、外表面和内表面，内表面限定细长圆柱的中 空部分的直径。
[0008] 圆柱的一部分外表面可与形成压力容器中的圆形开口的压力容器的壁厚毗连。
[0009] 圆柱的近端可止于压力容器外的近端表面内。
[0010] 近端表面可包括多个周向设置的螺纹孔。
[0011] 圆柱的远端可止于凸缘内，该凸缘具有：凸缘表面，该凸缘表面与压力容器的内表 面毗连；凸缘直径，该凸缘直径大于压力容器中的圆形开口的直径；凸缘表面与圆形开口 的直径相遇的点处的凸缘厚度，其足以承受装在压力容器内的压缩流体所作用的压力。
[0012] 在本发明的一个方面，否则将与压缩流体接触的凸台表面通过一层材料与压缩流 体分开，该层材料在压力容器的操作压力下基本上不让压缩流体透过。
[0013] 在本发明的一个方面，该材料层基本上还对压缩流体是惰性的。
[0014] 在本发明的一个方面，该材料层包括金属、陶瓷或聚合物。
[0015] 在本发明的一个方面，压力容器的形状包括球体、扁圆球体、圆环或带有一个或两 个拱顶端部的细长中空的圆柱。
[0016] 在本发明的一个方面，压力容器整个用金属制造，金属的厚度足以承受由装在其 内的压缩流体所作用的压力。
[0017] 在本发明的一个方面，带有一个或两个拱顶端部的中空圆柱包括薄的金属内衬， 其用聚合物的复合材料环形包裹，一个或两个拱顶端部包括金属，该金属可与圆柱内衬的 金属相同或不同，该金属有足够的厚度来承受由装在压力容器中的压缩流体所作用的压 力。
[0018] 在本发明的一个方面，中空圆柱和一个或两个拱顶端部包括薄的金属内衬，其中：
[0019] 中空圆柱用聚合物复合材料环形包裹，圆柱和拱顶端部用聚合物复合材料等强度 地包裹，此处的聚合物复合材料可与环形包裹的聚合物复合材料相同或不同。
[0020] 在本发明的一个方面，中空圆柱和一个或两个拱顶端部包括聚合物内衬，该聚合 物内衬可以是用聚合物复合材料环形包裹、等强度包裹或两者组合的包裹。
[0021] 在本发明的一个方面，压力容器还包括剪切层片，其定位在凸台表面和聚合物复 合材料包裹物表面之间的、凸台表面否则将与包裹物表面直接接触的部位处。
[0022] 在本发明的一个方面，凸缘直径至少延伸到一个或两个拱顶端部轮廓内的拐点。
[0023] 在本发明的一个方面，聚合物复合材料包括热固性聚合物基质。
[0024] 在本发明的一个方面，该热固性聚合物基质选自以下组：环氧树脂、聚酯树脂、乙 烯基酯树脂、聚酰亚胺树脂、二环戊二烯树脂，以及它们的组合。
[0025] 在本发明的一个方面，热固性聚合物基质由包括纯度至少92%的二环戊二烯在内 的预聚物配方形成。
[0026] 在本发明的一个方面，聚合物复合材料包括纤维材料。
[0027] 在本发明的一个方面，纤维材料选自以下组：金属纤维、陶瓷纤维、天然纤维、玻璃 纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维以及它们的组合。
[0028] 在本发明的一个方面，纤维材料选自以下组：玻璃纤维和碳纤维。
[0029] 在本发明的一个方面，压力容器还包括金属插入件，其具有螺纹外表面和螺纹内 表面，该螺纹外表面与凸台近端表面中的螺纹孔相匹配，螺纹内表面的尺寸适于与外部管 道连接装置的螺纹相匹配。
[0030] 在本发明的一个方面，压缩流体包括压缩的天然气。
[0031] 在本发明的一个方面，压缩的天然气包括原态的压缩天然气。
[0032] 详细说明
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 提供这些附图仅是为了说明的目的，既无意图也绝不应该以任何方式将它们看作 对本发明限制。
[0034] 图1示出各种类型压力容器的立体图。容器显示为有孔，这些孔中可插入本发明 的复合材料凸台。
[0035] 图1A示出球形压力容器。
[0036] 图1B示出扁圆球、有时被称为"近球体"的压力容器。
[0037] 图1C示出环形压力容器。
[0038] 图1D示出带有圆柱形中心部分和一个拱顶端部段的压力容器。
[0039] 图1E示出带有圆柱形中心部分和两个拱顶端部段的压力容器。
[0040] 图2是带有圆柱形中心部分和两个拱顶端部段的压力容器的示意图。
[0041] 图3示出本发明的复合材料凸台。
[0042] 图4示出联接到压力容器内衬的本发明的复合材料凸台。
[0043] 图5示出用细丝状复合材料包裹的压力容器内衬，该图示出拐点的形成。
[0044] 图6示出带有插入在复合材料外包裹物和凸台之间的剪切层片，在此两个构造的 表面否则将会直接接触。
[0045] 讨论
[0046] 应该理解，对于本描述和附后权利要求书来说，除非清楚地陈述或从上下文中毫 不含糊地表明不是如此意图的话，否则，以单数形式涉及本发明的任何方面则包括复数形 式，反之亦然。例如，说到"极开口"应认为其涉及单个极开口或两个极开口。同样地，说到 "拱顶"应认为其涉及一个拱顶以及两个拱顶。
[0047] 如文中使用的，诸如"没有限制"、"接近"、"大约"、"近似"、"基本上"、"主要"等的 近似说法的术语，意指用近似术语修饰的词语或词组不需是精确地是所写的描述，而是可 与所写的描述变化一定的程度。描述可变化的程度将取决于：在仍然具有由近似术语未修 饰的词语或词组的特性、特征和能力时，可构成的变化以及让本【技术领域】内技术人员认识 的修改形式有多大。一般地说，但记住上述的讨论，除非另有清楚地陈述，否则，文中由近似 术语修饰的数值可从所述数值变化±10%。
[0048] 术语"近端的"或"远端的"简单地指构造的两个相对端，并用作为相对于一物体 定向另一物体的方法，诸如相对于容器内衬定向本发明的凸台。一般地说，除非文中另有明 确的表达，否则哪一端指定为近端，哪一端指定为远端纯粹是任意的。
[0049] 如这里所使用的，术语"Btt连的（contiguous,接续）"是指相邻和直接接触的两个 表面或者是倘若没有另一材料的中间层、诸如（非限制）剪切层片就会直接接触的两个表 面。
[0050] 如这里所使用的，术语"不可渗透的"或"不渗透的"是指物质的如下特性，S卩，基 本上不可能让流体以任何很大的程度穿透到前一物质形成的表面内。
[0051] 如这里所使用的，术语"惰性"是指物质的如下特性，即，使由该物质形成的表面朝 向可与该表面接触的流体的任何成分在化学上不进行反应。
[0052] 如这里所使用的，术语"较佳的"、"较佳地"或"更佳的"等的使用是指本专利申请 发案时所存在的优先选择。
[0053] 如这里所使用的，术语"流体"是指气体、液体，或气体和液体的混合物。例如，但 非限制地，天然气在其从地下提取出来并运输到处理中心时常常是气体与液体污染物的混 合物。如此的混合物可构成用于本发明的流体。
[0054] 如这里所使用的，术语"包裹"或"外包裹"是指细丝状材料缠绕在一构造周围，该 构造可以是但不限制于为圆柱形、椭球面形、环形、球形、扁圆球形等（如图1所示）。细丝 状材料可以干的状态缠绕在该构造周围并保持这种状态，或可在其后浸渍有聚合物基质或 嵌在聚合物基质内。替代地，细丝状材料可在缠绕到一构造上之前用聚合物基质浸渍，在该 情形中，它也可变得嵌入过度的基质材料中。
[0055] 如这里所使用的，术语"聚合物复合材料"具有由本【技术领域】内技术人员赋予它的 含义。简而言之，它涉及这样的纤维或细丝状材料，其用聚合基质材料浸渍、用聚合基质材 料包封，或是两者兼而有之。
[0056] 如这里所使用的，术语"凸台"是指本【技术领域】内技术人员将会理解的装置。简而 言之，"凸台"是用来使压力容器与外部管道互连的装置，压力容器通过该管道来填充或放 空流体。
[0057] 用于运输诸如压缩的天然气、CNG之类的压缩流体的压力容器目前构成了四种由 管理当局核准的级别，所有这些级别都是带有一个或两个拱顶端部的圆柱形：
[0058] 级别I :级别I包括全金属的、通常为铝或钢的构造。该类型容器价廉，但它相对于 其它级别容器非常重。尽管I型压力容器目前包括大部分用于海上运输压缩流体的容器， 但它们在海上运输中的使用招致非常严的经济约束。
[0059] 级别II :级别II包括带有标准厚度金属拱顶的较薄金属的圆柱形中央部分，其 中，仅有圆柱形部分用复合材料包裹物加强。该复合材料包裹物一般是用聚合物基质浸渍 的玻璃或碳细丝。复合物通常"环形包裹"在容器中部周围。容器一端或两端处的拱顶不用 复合材料包裹。在级别II压力容器中，金属内衬承载大约50%的应力，而复合材料承载大 约50%的应力，这些应力来自所装压缩流体的内压力。级别II容器重量比级别I容器轻， 但价格较贵。
[0060] 级别III :级别III包括用于整个结构的薄金属内衬，其中，内衬用包裹在整个容 器周围的细丝状复合包裹物加强。III型容器中的应力实际上全部转移到复合包裹物的细 丝状材料上；内衬仅需承受小部分的应力。ΠΙ型容器比I型或II型容器重量轻得多，但 价格更贵。
[0061] 级别IV :级别IV包括基本上气密的聚合物内衬，其完全用细丝状复合材料包裹。 复合材料包裹物提供容器全部的强度。IV型容器迄今是四种核准级别压力容器中最轻的容 器，但也是最昂贵的。
[0062] 本发明的一件式复合材料凸台将有益地用于任何类型的压力容器。例如，它显著 地减小甚至是I型或II型压力容器的重量，这样的应用纳入在本发明的范围之内。
[0063] 然而，也许最为有利的将是与III型或IV型一起使用本发明的凸台，其中，它的使 用将甚至更加显著地减小容器的重量，从而使所装压缩流体对压力容器皮重之比显著增大 以及使容器每单位重量所装流体值也伴随增大。当然，与尚未定义类型的压力容器一起使 用本发明一件式的复合材料凸台是在本发明的范围之内。
[0064] 如上所述，II、III和IV型压力容器需要复合材料包裹物，以给予它们必要的强度 来承受容器内所装压缩流体作用的压力。对于II型压力容器，包裹是相当直接的，因此被 本【技术领域】内技术人员称作"环形包裹"，其在本文其它地方有描述且为本【技术领域】内技术 人员所公知。另一方面，对于III型和IV型压力容器，为了生产具有所需强度的容器，有必 要有时除了环形包裹、有时代替环形包裹、以称作"等强度（isostensoidal)包裹"的方式 来包裹容器，这种包裹方式在行内同样是公知的，也在本文其它地方有描述。
[0065] 当整个容器用复合材料包裹时，下面的金属或聚合物结构传统上被称作"内衬"， 内衬提供让复合材料包裹物缠绕在其上的表面，并且是与所装压缩流体直接接触的表面。 [0066] 为了披露本发明，现详细来描述仅如下压力容器内衬，该压力容器内衬构成带有 两个拱顶端部的圆柱形中央部分（为简明起见，如此容器今后将被简单地称作"圆柱形压 力容器"）以及本发明的凸台，该凸台装到其中一个拱顶端部内的极开口。然而，本发明的 凸台可同样适用于球体、扁圆球体（准球体）或环形曲面的压力容器。
[0067] 一旦将凸台装到这些替代的容器结构中的任何结构，通过施加复合材料包裹物 (如果必要的话）来完成压力容器制造的标准技术对于本【技术领域】内技术人员是众所周知 的。
[0068] 一旦圆柱形压力容器内衬/凸台组装在进行中，尽管这仅是无足轻重的实践，但 这是设计和施加到内衬的良好建立的程序，这包含了端部拱顶，复合材料包括细丝状材料 和聚合物基质，最终结果是完全用复合材料包裹的压力容器。简而言之，对于压力容器内衬 的给定直径的圆柱形部分、给定的极开口直径、给定的拱顶形状和给定的细丝宽度，使用已 知的算法可容易地确定缠绕型式，已知算法包括但不限制网格分析、有限元分析和它们的 组合。使用这些数学公式允许设计缠绕型式，其结果是容器的等强度包裹。
[0069] 术语"等强度"是指完全缠绕容器的特性，其中，包裹物的每根细丝在其路径内的 所有点处经受恒定的压力。这目前被认为是对复合材料包裹的压力容器最佳的设计，因为 在该构造中，实际上由压缩流体施加在容器上的全部应力由复合材料的细丝承受，非常少 的应力由聚合物基质或内衬承受。
[0070] 拱顶形状可以变化，并包括但不限于2:1椭圆体、3:1椭圆体和测地状（geodesic, 地球状）。特征"2:1"或"3:1"是指椭圆主轴对副轴之比。目前较佳的是测地状拱顶形状， 因为它构成回转表面，对于每个极开口直径、每个圆柱形部分的直径和每个细丝宽度来说， 其均顺应于数值方案。该数值方案又允许从压力容器直径朝向极开口来渐进地绘出拱顶的 曲率。
[0071] 然后，已知曲率可允许使用上述算法来设计和应用最大强度的、即等强度细丝包 裹到容器。
[0072] 如此的压力容器具有在最轻总重量的情况下最高压力加载的最佳组合。
[0073] 圆柱形压力容器内衬的立体图显示在图1E中。压力容器内衬1由圆柱形部分10、 拱顶20或30以及拱顶20内的极开口 40组成。拱顶30可具有也可不具有类似于拱顶20 中所示的极开口。"极开口"是指拱顶中的孔，通常为圆形，其周界离容器1的中心线150径 向呈等距离，如图2所示，该图是带有两个极开口（每端各有一个）的圆柱形压力容器内衬 的示意图。极开口形成为颈部，颈部与拱顶相融合，以使得拱顶形成颈部的台肩。其中一个 颈部可大于另一个颈部，或它们可以是相同的尺寸。如图所示，顶部颈部通常是较宽的颈 部，因为它通常用于检查的用途，而底部颈部通常用于加载和卸载流体。
[0074] 将本发明的复合材料凸台装到极开口，内衬可用细丝状复合材料缠绕，然后，行内 人员众所周知的附加硬件可联接到该凸台，用以将压缩流体递送到容器和从容器取出。 [0075] 更加详细的压力容器内衬示意图显示在图2中。如前所述，尽管构成相对复杂的 设计数学和实施机器，复合材料外包裹是压力容器设计和制造【技术领域】内技术人员众所周 知的，任何这些已知技术可应用到包括本发明复合材料凸台的压力容器内衬。因此，除了复 合材料包裹的各方面与本发明各元素相关，在该情形中，诸方面将被完整地讨论，否则，复 合材料容器包裹的设计和实施将不作进一步讨论。
[0076] 图2所示的压力容器内衬100由具有长度112、外表面115、内表面120、厚度125 的圆柱形中央部分110、拱顶130或135以及极开口 140或145组成。
[0077] 如上所述，本发明的压力容器可包括位于拱顶130或135中的仅一个拱顶中的极 开口，这是可能的并纳入在本发明的范围之内。
[0078] 如图所示的拱顶倒圆以从圆柱通过台肩融合到颈部。它们也可呈其它弯曲形状， 包括大致半球形。尤其是有了如此的半球形，要指出的是，当圆柱形部分110的长度112接 近零时，结果是大致球形或扁圆球形的压力容器。这只是加强了前面的陈述：就像适于圆柱 形压力容器那样，本发明的复合材料凸台同样适于球形或扁圆球形的压力容器。
[0079] 图3示出包括本发明一件式构造的凸台，其成形为装到大致半球形拱顶的极开口 内。凸台包括管状中央部分200,该管状中央部分具有外表面205、内表面210、通孔215或 凸缘、在行内有时称其为"翼" 200。
[0080] 为了描述的缘故，凸台的凸缘端将被认为是其远端，而另一端自然被考虑为近端。
[0081] 螺纹孔235围绕近端表面230径向地设置。这些螺纹孔可直接用于将凸台连接到 凸缘块，凸缘块又被用来将容器联接到用于加载和卸载容器的外部管线。
[0082] 在目前优选的替代方案中，螺纹孔235形成匹配表面，该匹配表面的直径大于用 于紧固件所需的直径。带有外部螺纹242的金属插入件240旋入到这些超大孔内。插入件 还包括内螺纹245,内螺纹的尺寸可准确地设计成联接到将压力容器附连到用于加载和卸 载的外部系统的无论哪一种装置。为简洁清楚起见，图中仅示出四个孔235。应该理解到， 明显更多的孔、有时超过20个可围绕近端表面230均匀地间距开。
[0083] 图4示出带有插入到极开口 307内的一件式复合材料凸台305的压力容器内衬的 端部段300。如图中所见，管状中央部分315的一部分外面310与内衬300的表面318毗 连，在此处，极开口 310由内衬的厚度限定。还有凸缘335的表面330与内衬300的内表面 319毗连，在此处，表面320遵循拱顶340的轮廓。凸台305具有从近端350延伸到远端355 的内腔345。凸台305还具有螺纹孔360,如上所讨论的，该螺纹孔可装有如图3所示的金 属螺纹插入件。
[0084] 压力容器内衬的拱顶可具有相当广范围的轮廓。然而，最常用的轮廓包括2:1椭 圆体、3:1椭圆体或测地状。最为普遍且为目前较佳的是测地状轮廓。使用先前提及的网格 和有限元分析，测地状轮廓便可容易地修改而作分析，以确定最佳的细丝状缠绕型式，从而 形成包括含有极开口的拱顶的压力容器所有部分上的等强度包裹。这对于本发明凸台设计 的重要性在于，凸台凸缘的直径（当然它须大于极开口的直径）执行不太明显的功能。艮P， 一旦定义了以上的参数，则确定了所使用的细丝尺寸，并建立缠绕型式，分析数学命令缠绕 的细丝将趋于在极开口的圆周处"堆积"，以保持等强度构造。这导致在包裹的拱顶曲率中 形成拐点。拐点就是由于细丝包裹的堆叠而使曲率的子午线半径改变符号之处的点。这显 示在图5中，其中，细丝状缠绕物400显示为堆积在极开口 410的圆周处，在此处，复合材料 凸台420插到极开口 410内，并且当包裹物运动离开极开口时，缠绕物便散开，即不堆积，从 而导致包裹的拱顶曲率再次接近拱顶自身的曲率。
[0085] 拐点被指大致出现在图5的区域430中，尽管可用数学方法精确地确定精确的点、 即曲线方程的二次导数为零的那个点。
[0086] 为了避免压力容器由于拐点处的应力引起的可能灾难性失效，将凸缘445的直径 440设计成至少达到如图5所示的拐点。这样，有效地消除了拐点的效应，将发生在拐点处 的应力会被凸缘445吸收。
[0087] 业已确定，尤其对于金属插入件、但也适用于聚合物的内衬，并不是让凸缘445刚 好到达包裹的拱顶拐点，如果凸缘直径延伸超过该拐点2至5个内衬厚度，则可获得甚至更 加强的总体容器。
[0088] 本发明的复合材料凸台设计中要考虑的另一重要因素是图5中凸台在剪切点475 处的厚度。剪切点475是凸缘与极开口的边缘相遇的点。若超过该边缘，即进一步朝向压 力容器中心线，则单是凸台厚度实际上就必须吸收由所装流体施加的所有应力，这是因为 复合材料的包裹物止于该极开口处。剪切点处的精确厚度取决于压力容器所需要的最大操 作压力。
[0089] 一旦确定了最大操作压力和制造凸台的复合材料的机械特性，机械工程设计计算 的相对直接的应用将允许容易地确定凸台在剪切点处的合适厚度。
[0090] 在本发明中，应注意到还没有清楚地阐述过复合材料包裹物的实际厚度或包裹 量。这还是因为压力容器的各部分的厚度和包裹量主要取决于容器的操作压力。当然，要 预先确定该压力，超过该压力会导致压力容器灾难性的失效。
[0091] 一旦建立压力容器的最大操作压力，并限定用于制造容器的材料的物理特性，无 论材料是金属、聚合物、陶瓷、复合材料或其它材料等，则直接应用工程原理来确定所需的 厚度和包裹星。
[0092] 由于最大操作压力可大幅变化，所以没必要明确地阐明用于本发明的任何如此具 体的尺寸。
[0093] 本发明的复合材料凸台包括含有纤维材料的聚合物基质，纤维材料给予复合材料 以附加强度。聚合物基质可以是已知的或已发现的任何聚合物，以具有与诸如在本发明压 力容器中所发现的高压环境中的使用相一致的特性。
[0094] 尽管可使用热塑性聚合物、热塑性弹性体、热固性树脂和它们的组合，但目前较佳 的是热固性聚合物，其可显现出比其它类型聚合物明显要好的机械特性、耐化学性、热稳定 性以及总体的耐用性。
[0095] 大部分热固性塑料或树脂的特别优点在于，它们的前体单体或预聚物趋于在压力 和温度的环境条件下具有相对低的粘性，因此可相当容易地引入到纤维和细丝或与其组 合。
[0096] 另一优点是，热固性聚合物通常可在等温条件下化学地固化，S卩，在聚合物与纤维 /细丝结合时的温度相同的温度下，该温度可以是室温。
[0097] 合适的热固性聚合物包括但不限于：环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、聚酰亚 胺树脂、二环戊二烯树脂，以及它们的组合。
[0098] 目前较佳的是二环戊二烯树脂，尤其是ROMP-合成的环戊二烯树脂。
[0099] 目前还较佳的是，用于凸台制造的预聚物配方中的二环戊二烯具有至少92%的纯 度，目前较佳地至少是98%。
[0100] 如文中所述用的，"预聚物配方"是指纯度至少为92%的二环戊二烯树脂和一个 或多个反应性乙烯单体、聚合化引发剂或固化剂加上固化前任何其它要求的添加剂的混合 物。
[0101] 一般，任何类型的纤维或细丝材料可用来形成本发明的聚合物复合材料。如此材 料包括但不限于：天然（丝、大麻、亚麻等）、金属、陶瓷、玄武岩以及合成的聚合物纤维和细 丝。
[0102] 目前较佳的材料包括玻璃纤维、通常公知为纤维玻璃、碳纤维、芳纶纤维，其大多 以商标名Kevlar?出现，以及超高分子量聚乙烯，诸如Spectra? (霍尼韦尔公司）以及 Dyneeva? (荷兰皇家帝斯曼集团（Royal DSM N V·))。
[0103] 压力容器内衬可包括单层材料或多层。例如但不限于，容器内衬壳可包括单一金 属层，诸如但不限于不锈钢、锌、铜、锡、铝和它们的组合和合金，在该情形中，内衬将是III 型压力容器。
[0104] 替代地，内衬可包括单层或多层聚合物，其中，每层可以与另一层相同，或彼此不 相同，这可构成IV型压力容器。
[0105] 还可以包括或替代地包括聚合物层，该聚合物层在其内表面、即与所装气体接触 的表面上具有非常薄的金属层，以有助于容器对所装流体的不渗透性、防渗透性或两者兼 而有之或不可贯穿性。这仍可包括IV型压力容器，因为金属层太薄会不能构成内衬的结构 特征。
[0106] -旦文中凸台尺寸、尤其是凸缘直径和其在剪切点处的厚度已使用这里披露的本 发明来确定，凸台本身可使用行内公知的任何方法制造。例如，凸台可由实心块固化的复合 材料铣出。或者凸台可使用可流动的预聚合物组成物和技术来模制，模制技术诸如是但不 限于压缩模制、反应注入模制（RIM)或树脂转移模制（RTM)，每种技术对本【技术领域】内技术 人员是众所周知的，因此不需要进一步说明。
[0107] 由于复合材料通常在一定程度上可透过流体、尤其是处于压力下的流体，所以会 期望对本发明复合材料的凸台表面施加对装在压力容器内的流体不渗透的一层材料。
[0108] 目前可希望选择一种对于加压流体也呈惰性的材料，尤其是如果流体具有腐蚀特 性，诸如会是原生态天然气的情形，原生态天然气可包括诸如二氧化碳和硫化氢之类物质， 当这些物质与水接触时便形成酸。
[0109] 材料层可以是但不限于：金属包层、电镀或电解沉淀的薄金属层、用作制造凸台的 聚合物基质的一层相同的聚合物，或具有所需的不渗透性和惰性的其它聚合物。
[0110] 图6示出带有复合材料凸台510的压力容器500,该凸台在凸台表面550上具有不 渗透/惰性层540。凸台否则会接触压力容器500内所装的流体。
[0111] 一般，本【技术领域】内技术人员将能够选择合适材料，在没有不适当的实验情况下 施加到复合材料凸台，且所有如此的材料均在本发明的范围之内。
[0112] 当本发明的复合材料凸台和压力容器的复合材料外包裹物用不同材料制造，材 料以不同膨胀率和收缩率膨胀和收缩到不同程度时，有必要包括材料交界面处的"剪切层 片"，以吸收在材料以不同速率运动到不同程度时所产生的应力。剪切层片简单地指交界材 料。
[0113] 剪切层片通常构成薄层材料，其形状由凸台表面与待分离的复合材料外包裹物表 面的交界部来表示。
[0114] 理想的交界材料会具有良好的弹性体特性。
[0115] 理想的交界材料会能够承受可能很大的内应力，当一部分材料响应于复合凸台材 料的运动而运动，而另一部分材料响应于外包裹材料的运动而运动时，便可产生这种内应 力。
[0116] 剪切层片一般可包括一系列橡胶和合成弹性体中的任何一种。具体剪切层片材料 的选择将取决于包括待分离材料的特性的若干因素。选择合适的剪切层片材料基于本发明 会很好地在【技术领域】内技术人员的能力范围之内。
[0117] 在许多情形中，可以使用与剪切层片相同的材料来对本发明的复合材料凸台赋予 不穿透性和不渗透性。
[0118] 基于本发明，本【技术领域】内技术人员将能够选择合适材料用于这些各种用途，而 无须进行不合适的实验。
[0119] 图6示出了压力容器的实例，该压力容器带有被剪切层片530分离开的复合材料 凸台510和复合材料外包裹物500。
[0120] 本发明的凸台可以好几种方式与容器内衬联接。如果容器内衬是聚合物的，则包 括带有极开口的拱顶的全部内衬可在心轴上成形。一旦形成，在聚合物仍然很热而足够柔 软时，或若再次加热，它便可再次达到柔软状态，此时内衬可在极开口处充分机械膨胀，以 允许凸台远端处的扩开凸缘通过。随着凸台就位，可允许极开口的内衬返回到其初始尺寸， 然后，整个容器内衬可冷却而使凸台固化就位。该结果显示在图4中，其中，可看到凸台305 的一部分外表面318在极开口 305直径处与内衬300的厚度318毗连。
[0121] 在该实施例中，复合材料凸台将与装在压力容器内的任何材料、气体和/或液体 接触。
[0122] 在另一实施例中，凸台本身可附连到心轴上，在此，它变成用来形成容器内衬的模 板的一部分。容器内衬然后形成在包括凸台在内的整个模板上。如上所述，复合材料凸台 将直接接触压力容器内所装的任何东西。
[0123] 如果考虑使用III型容器，则在金属片弯曲和连结而形成压力容器时，可将凸台 装到极开口内。
[0124] 本【技术领域】内技术人员可设想使本发明复合材料凸台与内衬联接的其它各种方 法；所有如此的方法都在本发明的范围之内。
[0125] -旦使用以上讨论各种技术中的一种技术形成容器内衬且凸台已就位，可用细丝 状复合材料缠绕内衬而生产整个压力容器。
[0126] 包括本发明的复合材料凸台在内的、完全形成的III型或IV型压力容器纳入在本 发明的范围之内。
[0127] 包括本发明凸台的压力容器可用来装载和运输服从于如此运输的任何类型的流 体，并且只要将容器或容器内衬（如果存在，无论是金属、陶瓷或聚合物的）选择成对所装 的压缩流体是不渗透的或防穿透的以及对于流体是化学上惰性的即可。
[0128] 本发明的含有复合材料凸台的压力容器的目前较佳的用途是用于装储和运输天 然气、通常称作为"压缩天然气"或简单地称作"CNG"。
[0129] CNG可作为净化气体和"原态气体"在本发明的容器内装储和运输。原态气体是指 直接取自井中而未加处理过的天然气。当然，它含有天然气（甲烷）本身，而且可含有诸如 冷凝物的液体、天然汽油和液化石油气。水也如许多其它气体那样存在，这些气体既可处于 气态，也可溶解在水中，诸如氮气、二氧化碳、硫化氢和氦气。这些物质中的某些可自行起反 应，或可在溶解于水中时起反应，诸如在溶解于水中时产生酸的二氧化碳和硫化氢。
[0130] 目前较佳的内衬聚合物、即二环戊二烯具有对上述物质以及可能构成原态气体的 其它材料的抗化学反应性方面的极佳特性。
[0131] 高密度聚乙烯也与原态气体良好地起作用。
[0132] 不可渗透原态气体成分的其它内衬材料将根据这里披露的发明将会容易地被辨 别出，并且具有本发明复合材料凸台的压力容器连同任何类型的容器或容器内衬组成均在 本发明的范围之内。
[0133] 本文所述的压力容器可承载各种气体，诸如直接取自钻井的原态气体，包括原态 天然气（例如，受压缩之时）一原态的CNG或RCNG或H 2或C02或处理过的天然气（甲烷）， 或原态的或部分处理过的天然气，例如，C02许用量高达14%摩尔，H 2S许用量高达lOOOppm， 或H2和C02气体杂质，或其它杂质或腐蚀性种类。然而，较佳的用途是CNG运输，无论是原 态CNG、部分处理过的CNG或处理成为标准的可提供给最终用户的清洁天然气，最终用户例 如是商业、工业或家庭住户。
[0134] CNG可包括呈可变混合比的各种可能的组成成分，某些处于气态，其它的处于液态 或两者的混合物。这些组成成分通常将包括以下化合物中的一个或多个：C 2H6、C3H8、C4H1(i、 C5H12、C6H14、C7H 16、C8H18、C9+碳氢化合物，C02和H 2S，力口上可能的液态甲苯、柴油和辛烷以及其 它杂质/种类。
[0135] 因此，这里仅借助于实例来描述了本发明。在附后权利要求书的范围内，可对本发 明作细节上的修改。
【权利要求】
1. 一种包括一件式复合材料凸台的压力容器。
2. 如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，所述一件式复合材料凸台包括： 中空细长的圆柱，所述圆柱具有近端、远端、外表面和内表面，所述内表面限定细长圆 柱的中空部分的直径，其中： 圆柱的外表面的一部分与限定所述压力容器内的圆形开口的压力容器的壁厚毗连； 圆柱的近端在压力容器外止于近端表面内，其中： 所述近端表面包括多个周向设置的螺纹孔，以及 圆柱的远端止于凸缘内，所述凸缘具有：凸缘表面，所述凸缘表面与压力容器的内表面 毗连；凸缘直径；所述凸缘直径大于所述压力容器内的圆形开口的直径；以及所述凸缘表 面与所述圆形开口的直径相遇的点处的凸缘厚度，所述凸缘厚度足以承受装在所述压力容 器内的压缩流体所作用的压力。
3. 如权利要求2所述的压力容器，其特征在于，否则将与压缩流体接触的所述凸台的 表面通过在所述压力容器的操作压力下基本上不让所述压缩流体透过的材料层与所述压 缩流体分开。
4. 如权利要求3所述的压力容器，其特征在于，所述材料层基本上还对所述压缩流体 是惰性的。
5. 如权利要求3或4所述的压力容器，其特征在于，所述材料层包括金属、陶瓷或聚合 物。
6. 如上述权利要求中任一项所述的压力容器，其特征在于，所述压力容器的形状包括 球体、扁圆球体、圆环或带有一个或两个拱顶端部的细长中空的圆柱。
7. 如权利要求6所述的压力容器，其特征在于，所述压力容器整个由金属制成，金属的 厚度足以承受由装在其内的所述压缩流体所作用的压力。
8. 如权利要求6所述的压力容器，其特征在于，带有一个或两个拱顶端部的中空圆柱 包括薄的金属内衬，所述金属内衬用聚合物复合材料环形包裹，且一个或两个拱顶端部包 括金属，所述金属能与圆柱内衬的金属相同或不同，并且有足够的厚度来承受由装在所述 压力容器中的所述压缩流体所作用的压力。
9. 如权利要求6所述的压力容器，其特征在于，中空圆柱和一个或两个拱顶端部包括 薄的金属内衬，其中： 所述中空圆柱用聚合物复合材料环形包裹，并且圆柱和拱顶端部用与环形包裹的聚合 物复合材料相同或不同的聚合物复合材料来等强度包裹。
10. 如权利要求6所述的压力容器，其特征在于，所述中空圆柱和一个或两个拱顶端部 包括聚合物内衬，所述聚合物内衬用聚合物复合材料环形包裹、等强度包裹或以两者组合 方式包裹。
11. 如权利要求10所述的压力容器，其特征在于，还包括剪切层片，所述剪切层片定位 在凸台表面和聚合物复合材料包裹物表面之间的、否则凸台表面将与包裹物表面直接接触 的位置处。
12. 如前述权利要求中任一项所述的压力容器，当从属于权利要求2和6时，其特征在 于，所述凸缘的直径至少延伸到一个或两个拱顶端部轮廓内的拐点处。
13. 如权利要求2或12所述的压力容器，当从属于权利要求8至11时，其特征在于，所 述聚合物复合材料包括热固性聚合物基质。
14. 如权利要求13所述的压力容器，其特征在于，所述热固性聚合物基质选自以下组： 环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、聚酰亚胺树脂、二环戊二烯树脂以及它们的组合。
15. 如权利要求14所述的压力容器，其特征在于，所述热固性聚合物基质由包括纯度 至少为92%的二环戊二烯在内的预聚物配方构成。
16. 如权利要求2、权利要求13、权利要求14或权利要求15所述的压力容器，其特征在 于，所述聚合物复合材料包括纤维材料。
17. 如权利要求16所述的压力容器，其特征在于，所述纤维材料选自以下组：金属纤 维、陶瓷纤维、天然纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维以及它们的 组合。
18. 如权利要求17所述的压力容器，其特征在于，所述纤维材料选自以下组：玻璃纤维 和碳纤维。
19. 如上述权利要求中任一项所述的压力容器，其特征在于，还包括金属插入件，所述 金属插入件具有螺纹外表面和螺纹内表面，所述螺纹外表面与凸台的近端表面内的螺纹孔 相匹配，所述螺纹内表面的尺寸设计成与外部管道连接装置的螺纹相匹配。
20. 如权利要求1-19中任一项所述的压力容器，其特征在于，所述压缩流体包括压缩 天然气。
21. 如权利要求20所述的压力容器，其特征在于，所述压缩天然气包括压缩的原态天 然气。
22. -种包括如权利要求1-21中任一项所述的压力容器在内的船舶。
【文档编号】F17C1/00GK104094037SQ201180076327
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2011年12月5日 优先权日:2011年12月5日
【发明者】F·内蒂斯, B·斯班赛, Z·斯班赛 申请人:蓝波股份有限公司