专利名称：端毂及复合压力容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于存储压缩天然气和其它液体的复合压力容器。更精确地，本发明 涉及一种作为用于所述类型容器中的终端的端毂和具有这种端毂的复合压力容器。
背景技术：
近年来采用复合压力容器储存高压碳氢化合物变得更加普遍。这样的容器应当优 选可用于很宽范围，从干燥的压缩天然气即所谓的CNG到石油开采中未处理的井液的碳氢 化合物。井液通常为高压油基液体，其包括压缩气体以及水、沙子、H2S, CO2等形式的污染 物。为最佳利用压力容器的存储能力，在低温下存储干燥的气体，因为这样将提高气体的可 压缩性，但是井液却通常具有来自储油层的高温。有利的是维持井液的高温以避免压力容 器和连接管道系统内形成氢氧化物所产生的问题。为最佳利用容器的存储容积，有利的是 采用通常为直径大于2米且高度或长度大于10米的圆筒容器的大型容器。复合压力容器包括由热塑料例如高密度聚乙烯即HDPE或者由硬聚合物材料例如 环氧类聚合物材料制成的内衬。该内衬用作容器中的气体/液体屏障。在内衬外有维持腔 内压力的复合层，该复合层通常由玻璃纤维或者碳纤维丝制成、以预应力在容器内衬上弯 曲并嵌入例如环氧型的聚合物材料中。在复合压力容器的一端或者两端有通常由金属制成 并且通过复合结构保持在合适位置的端毂。金属端毂使得可简单设置用于向容器装载给料 和从容器卸载给料，并提供了至容器的入口。对于如上所述用途更多的容器，端毂的设计和 连接还存在重大挑战。金属端毂的热膨胀比聚合物和复合材料的小得多，从而在温度和压 力发生重大变化的情况下延长使用时出现问题。在高温下内塑料内衬将膨胀得比金属端毂 大，从而产生内衬和端毂之间接触面上的应力。由于聚合物材料的粘弹性，高温下长期使用 将使得应力随着时间的推移而释放。当之后降低压力和温度时，内衬将不仅仅接触端毂，从 而使得在内聚合物内衬和端毂之间的接触界面上随着时间的推移产生缝隙。专利出版物WO 2005/093313、US 5938209, WO 94/23240 和 US 5287988 描述了不 同的端毂结构和端毂与复合压力容器之间的密封设置。其中所描述的为弹性聚合物材料密 封环、具有用于密封的弹性体0形环的结构；以及其中内聚合物内衬覆盖在周围和具有粗 糙表面的端毂上的结构。没有对其中通过借助置于内聚合物内衬外的预压结构保持的内金 属台压力按压内衬的结构的描述。也没有对如果在长期使用后需要时容易调节的预压结构 的描述。需要一种比之前所获得的质量更有利的复合压力容器的端毂；以及具有这种端毂 的复合压力容器。
发明内容
本发明因为提供了 一种端毂和复合压力容器而适应上述需要。更精确地，提供了一种设置在包括防液内衬和外强化聚合物层的复合压力容器的 开口中的端毂，该端毂包括短管部和盖，该盖被设置在从容器伸出的管部的上端，该管部被 设置穿过容器的开口并延伸至其中管部上向外延伸的法兰被设置在容器的外强化聚合物
3层和内衬之间的下端。该端毂的区别之处在于内衬向上经管部开口延伸至在距离盖最近 的内衬内侧上的所述盖，设置密封表面，该密封表面接触内衬并具有至少一个接触内衬的 防气密封界面，而密封表面与盖结合或者密封表面为密封固定至盖的套筒或者管部，在内 衬外部、在距离盖和管部最近的槽中、在管部上端周围设置预压设备，该预压设备与容器内 压力无关地按压内衬使其接触所述密封表面和该至少一个防气密封。本发明还提供一种具 有上述所设置类型的端毂的复合压力容器，该复合压力容器具有如权利要求9所述的设计 和不同之处。术语防液内衬指的是流体例如气体和液体屏障，例如聚乙烯或者其它主要的防液 材料。术语管部和套筒不仅仅指这些元件的筒状形式，而且还指锥形元件、逐渐变窄的元件 或者以其它方式的形状根据本发明调节的非筒状元件。预压设备的槽的深度足够大以使内衬对于容器关于压力和温度的整个应用范围 总是被密封设置在密封表面和预压设备之间。因此，内衬将总是被按压在内衬内部的密封 表面和内衬外部的预压设备之间；因为内衬将永远不会压缩超过其在至少一个防气密封和 盖内充分延伸的程度。内衬通常将不会粘接至端毂也不会被粘接至外纤维强化聚合物层； 并将自由压缩和膨胀从而内衬的端部将总是处于盖和该至少一个防气密封之间。金属毂有利地具有包括可调节预压的预压设备；该预压可最有利地从容器外部被 调节。该预压设备有利地包括设置为楔形朝向盖的外楔形金属环，以及设置在外金属环和 内衬之间的内相对方向的楔形聚合物环；而外金属环被固定至承载通过盖的螺钉从而可通 过拧紧螺钉调节该预压；从而外金属环与盖更近并按压聚合物环接触内侧。在有利的应用 中预压设备包括聚合物环，该聚合物环高于槽从而当紧密固定该盖时聚合物环被按压至内 衬。聚合物环可选自许多聚合物和弹性体并且为和内衬相同材料例如HDPE的有利应用， 其对内衬断裂伸度特别有利，意味着断裂伸度超过20%。对于断裂伸度小的内衬，即低于 20%的断裂伸度，包括楔形的预压设备将工作最佳。预压设备可具有多种不同设计。可以采用楔形环、弹簧、弹性体和许多不同结构、 设计和材料的调节设备，只要具有保持预压设备的功能。在一种应用中内楔形聚合物环被 固定地紧固于内衬外部而弹性体层被设置在内聚合物环和外金属环之间。可选地为如上所 述调节的预压设备中的两个楔形环，从而通过调节螺钉可从盖向下按压外环如此以调节预 压。在其它应用中，预压包括可通过调节螺钉直接调节或者通过楔形外环间接调节弹簧效 应的一个或多个弹簧。在其它应用中，采用外楔形环或者环形弹簧内的巨大弹性体0形环 或者V形环。端毂的盖有利地为金属，而密封表面有利地为密封固定至盖的金属套筒的外 表面。在一种应用中，盖和密封表面为复合材料，且制造为一个整体单元。可选择地，盖为 金属而密封表面为聚合物或者复合结构。至少两个防气密封被有利地设置在接触内衬的接触表面上，优选地为唇形密封形 状，但是原则上可采用所有类型的允许在密封和内衬之间有一定移动的所有类型的防气密 封例如C形环和0形环。内衬内部的密封表面有利地为环形并且优选为金属环的外表面，该金属环被密封 地通过螺钉或者焊接禁锢至盖。该金属环优选地具有密封表面下用于更易连接和固定盖的 略微锥形的下端。
通过两个附图描述本发明，其中图1描述了根据本发明的端毂和复合压力容器的最优选应用形式；内衬的断裂伸 度低；以及图2描述了根据本发明的端毂和复合压力容器的不同应用，特别有利地内衬的断
裂伸度高。
具体实施例方式参考图1，其中所描述的是被设置在包括防液内衬3和外纤维强化聚合物层1的复 合压力容器中的开口内的金属端毂2、9 (金属毂)。该金属毂包括短管部2和盖9，而盖被 设置在从容器伸出的管部2的上端。管部2被设置成通过容器中的开口并延伸至下端，其 中管部上向外延伸的法兰被设置在容器中外纤维强化聚合物层1和内衬3之间，从而管部 保持固定于容器。内衬3向上经管部开口延伸至所述盖。在内衬内部即和盖最近的地方设 置有密封表面7，其形式为连接内衬的金属表面7。在金属表面7上的槽中，在接触内衬的 接触表面上设置两个防气密封6。该金属表面与盖结合或者为被密封固定至盖的金属套筒、 金属环或者管部。在内衬外部，在和管部上端中的槽中的盖最近的地方，紧邻内衬3的外部 和周围，设置预压设备4、8、10，该设备将内衬3按压至所述金属表面和所述防气密封6。毂的管部的法兰部分被设置在容器内衬3和外纤维强化聚合物层1之间的合适位 置。管部以通过螺钉11保持在合适地方的盖9封闭。内衬3设置在复合结构1的内部，而 法兰部分外周周围的复合环12为内衬3提供了从复合结构1的内部至内管部2的平滑过 渡。内衬3既不固定在复合结构1上，也不固定在管部2上。弹性体的中间部分15被设置 在法兰结构顶部以避免在压力下放置容器时压力集中于聚合物层1内。管13经管部2顶部 的容器9的盖用于填充和利用容器。金属表面7为金属环7的形状，该金属环延伸一段距 离进入管部的开口并被密封固定至盖9。为保证气体和液体对容器中压力的密封，需要内衬 3和金属毂之间的良好密封。在金属表面7和内衬3之间形成密封。两个弹簧张紧的唇状 密封6被设置在金属表面7上的槽中。唇状密封6提供了内衬3和金属表面7之间长久的 恒定气体密封，并允许操作时随着压力容器内压力和温度大的变化内衬3和金属表面7之 间的相对运动。通过楔形环或者环段形式的特殊预压设备，预压或者驱动内衬3和金属环 7之间的密封。楔形环由楔形聚合物环8和楔形金属环4组成；其中金属环的楔形向上朝 向盖9而聚合物环的楔形向下朝向容器的内部。橡胶5的中间部分优选被设置在所述环之 间；而螺钉10被紧固至金属环4并经过盖9。旋紧螺钉10驱动密度设备。当旋紧螺钉时， 楔形金属环4被按压接触盖。其按压楔形聚合物环8接触内衬从而内衬3被保持按压接触 金属环7和密封6。本发明采用楔形聚合物环8是因为其温度膨胀系数与内聚合物内衬3 相等。楔形聚合物环将因此遵循内衬的温度变形，这一点对于内衬的温度和压力的大工作 范围都是有利的。设置在金属楔形环4和聚合物材料楔形环8之间的橡胶中间部分5用作 密封中的弹簧机制并保证内衬3上的两个楔形环的压力几乎恒定，并与内衬3的温度无关。 楔形环周围的空间开通气孔14以防止可能的通过两个唇密封6的气体扩散所造成的气体 压力聚集。具有根据本发明的端毂的复合压力容器将适合于压力和温度的宽范围应用。采 用聚合物材料的楔形环8提供了一种在环方向上形变与聚合物材料内衬3类似的密封。这
5一点提供了大温度范围内特别有效的密封机制。所描述的预压设备可弹性张紧并允许内衬 3当受到温度变化时膨胀和收缩。楔形金属环和楔形聚合物环之间的橡胶中间部分5对所 述效应起作用，但是这种效应还可通过采用具有弹簧或者具有环形螺钉结构的下面的悬置 盘的螺钉获得，其中通过调节预压效应张紧环形螺钉结构。可选地，或者此外，弹性体0形 环可被设置在楔形环中的槽内；或者可设置具有例如通过经盖馈送的螺钉可调节的预压的 大0形环或者环形弹簧。复合环12为对内衬3提供从金属毂2内部至外部纤维强化聚合物材料1的平滑 过渡的玻璃纤维环。这一点防止了压力的聚集。可由不同于玻璃纤维的其它材料制成通过 提供从内衬的平滑过渡而防止压力聚集的等效结构。本发明的重要特征为允许内衬3的温 度和压力发生大的变化的预压设备与容器中的压力无关。对盖9起作用的压力被旋进管部 2的大螺钉11吸收。但是所描述的应用可被视为具有对预压的某种自动调节作用，这是因 为容器中高压所引起的盖的可能变形将导致预压进一步拉紧因为螺钉被固定至盖9内。图2描述了根据本发明的端毂和复合压力容器的第二应用；特别有利的内衬具有 高的断裂伸度。预压设备包括比槽高例如比槽高0. 5-5%的聚合物环16从而被紧密固定的 盖将按压预压设备至内衬。聚合物环16有利地具有和内衬相同或者相似的温度膨胀系数； 最优选的是聚合物环和内衬材料相同。
权利要求
一种端毂(2、9)，设置在包括防液内衬(3)和外纤维强化聚合物层(1)的复合压力容器中的开口内，该端毂包括短管部(2)和盖(9)，盖设置在从容器伸出的管部(2)的上端，管部(2)设置成通过容器的开口并延伸至下端，其中管部上向外延伸的法兰设置在容器中外纤维强化聚合物层(1)和内衬(3)之间，其特征在于内衬(3)向上经管部开口延伸至所述盖，在内衬内侧，靠近盖的地方设置有密封表面，密封表面与盖结合为一体，或者密封表面为密封紧固到盖上的套筒或者管部，从而密封表面接触内衬，并具有至少一个与内衬相连的防气密封， 以及在内衬外侧，在离盖和管部最近的槽中，在管部上端周围，设置预压设备(4、8、10、16)，该设备与容器中压力无关地将内衬(3)按压至所述密封表面和至少一个防气密封(6)。
2.根据权利要求1的端毂，其特征在于预压设备(4、8、10)具有可调节的压力。
3.根据权利要求1的端毂，其特征在于可通过从盖(9)的外部调节螺钉(10)而从压力 容器的外部调节预压设备(4、8、10)的压力。
4.根据权利要求1的端毂，其特征在于预压设备包括楔形朝上接触盖的外楔形金属环 (4)、设置在外金属环(4)和内衬(3)之间的内相对楔形聚合物环(8)，外金属环固定至延 伸通过盖的螺钉(10)，从而可通过拧紧螺钉(10)调节预压，从而使得外金属环(4)距离盖(9)更近，并使外金属环⑷按压聚合物⑶至内衬。
5.根据权利要求1的端毂，其特征在于预压设备包括比槽高的聚合物环(16)，从而当 盖(9)被紧密紧固时聚合物环(16)被按压至内衬(3)。
6.根据权利要求5的端毂，其特征在于聚合物环(16)与内衬(3)材料相同。
7.根据权利要求1的端毂，其特征在于盖(9)为金属，密封表面(7)是密封紧固至盖的 金属套筒的外表面。
8.根据权利要求1的端毂，其特征在于盖(9)和密封表面(7)为制造为整体单元的复 合材料。
9.一种复合压力容器，包括防液内衬(3)和外强化聚合物层(1)，其特征在于 压力容器包括开口，其中设置包括短管部(2)和盖(9)的端毂，盖(9)设置在从容器向外伸出的管部(2)的上端，管部(2)设置成通过容器的开口并延伸至下端，其中管部上向 外延伸的法兰设置在容器中外纤维强化聚合物层(1)和内衬(3)之间， 内衬(3)向上经管部开口延伸至所述盖，在内衬内侧，最近盖的地方设置有密封表面(7)，密封表面与盖结合为一体，或者密封 表面为密封紧固至盖上的套筒或者管部，从而密封表面接触内衬，并具有至少一个与内衬 相连的防气密封(6)，以及在内衬外侧，在离盖和管部最近的槽中，在管部上端周围，设置预压设备(4、8、10、16)， 该设备与容器中压力无关地将内衬(3)按压至所述密封表面和至少一个防气密封(6)。
10.根据权利要求9的复合压力容器，其特征在于预压设备(4，8，10)具有可调节的(10)压力。
全文摘要
设置在包括防液内衬(3)和外纤维强化聚合物层(1)的复合压力容器中的开口内的金属端毂(2、9)，该端毂包括短管部(2)和盖(9)，而盖被设置在从容器伸出的管部(2)的上端，管部(2)被设置通过容器的开口并延伸至下端，其中管部上向外延伸的法兰被设置在容器中外纤维强化聚合物层(1)和内衬(3)之间，区别在于内衬(3)向上经管部开口延伸至所述盖，在内衬内部即和盖最近的地方设置有密封表面，密封表面接触内衬并具有至少一个连接内衬的防气密封而密封表面与盖结合或者为密封紧固至盖的套筒或者管部，并且在内衬外部，在和盖和管部最近的槽中，在管部上端周围，设置预压设备(4、8、10、16)，该设备与容器中压力无关地将内衬(3)按压至所述密封表面和至少一个防气密封(6)。具有这种端毂的复合压力容器。
文档编号F17C13/06GK101984763SQ200880019413
公开日2011年3月9日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月14日
发明者古那·阿克赛森, 彼得·詹金斯, 斯文·阿兰·罗特维特 申请人:压缩能源技术公司