FR3037633A1 - COMPOSITE TANK AND METHOD OF MONITORING AND REPAIRING - Google Patents
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Abstract
Réservoir (1) composite de stockage de fluide sous pression et son procédé de contrôle, le réservoir ayant une structure de paroi comprend, de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir, une enveloppe interne (2) étanche destinée à être en contact avec le fluide sous pression, une première couche (3) de renforcement disposée sur l'enveloppe interne (2), au moins une couche (4, 5, 6) de protection disposée sur la première couche (3) de renforcement, la première couche (3) de renforcement comprenant une structure à base de fibres et de résine, la au moins une couche (4, 5, 6) de protection comprenant au moins l'un parmi : une couche (4) de matériau amortissant aux chocs, une couche de matériau résistant au feu, une couche (6) à base de fibres et de résine, caractérisé en ce que la première couche (3) de renforcement intègre ou est recouverte d'un marqueur chromatique à changement de couleur lorsqu'il est soumis à une température seuil déterminée.Composite reservoir (1) for storing fluid under pressure and its control method, the reservoir having a wall structure comprises, from the inside to the outside of the reservoir, a sealed internal envelope (2) intended to be in contact with the fluid under pressure, a first reinforcing layer (3) disposed on the inner casing (2), at least one protective layer (4, 5, 6) disposed on the first reinforcing layer (3), the first layer Reinforcement (3) comprising a fiber-based and resin-based structure, the at least one protective layer (4, 5, 6) comprising at least one of: a layer (4) of shock absorbing material, a layer of fire resistant material, a layer (6) based on fibers and resin, characterized in that the first reinforcing layer (3) incorporates or is covered with a color change color marker when subjected to at a certain threshold temperature.
Description
1 La présente invention concerne un réservoir composite et un procédé de contrôle et de réparation de réservoir(s). L'invention concerne plus particulièrement un réservoir composite de stockage de fluide sous pression, notamment du gaz sous pression, ayant une structure de paroi comprend, de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir, une enveloppe interne étanche destinée à être en contact avec le fluide sous pression, une première couche de renforcement disposée sur l'enveloppe interne, au moins une couche de protection disposée sur la première couche de renforcement, la première couche de renforcement comprenant une structure à base de fibres et de résine, la au moins une couche de protection comprenant au moins l'un parmi : une couche de matériau amortissant aux chocs, une couche de matériau résistant au feu, une couche à base de fibres et de résine. Un réservoir composite est composée généralement d'une enveloppe interne métallique ou polymère (appelée également liner) revêtue d'un renfort 15 composite ainsi que d'une embase généralement métallique. L'embase peut être également en plastique, par exemple moulée dans le même matériau que le liner. Le rôle du liner est d'assurer l'étanchéité au gaz stocké. Le renfort composite, formé de fibres de renfort et de résine, sert à assurer la tenue à la pression du réservoir.The present invention relates to a composite tank and a method for controlling and repairing tank (s). The invention more particularly relates to a composite reservoir for storing pressurized fluid, especially pressurized gas, having a wall structure comprising, from the inside to the outside of the tank, a sealed inner envelope intended to be in contact with the fluid under pressure, a first reinforcing layer disposed on the inner casing, at least one protective layer disposed on the first reinforcing layer, the first reinforcing layer comprising a fiber-based structure and resin, the at least one a protective layer comprising at least one of: a shock-absorbing material layer, a fire-resistant material layer, a fiber-resin layer. A composite reservoir is generally composed of a metal or polymeric inner shell (also called liner) coated with a composite reinforcement and a generally metallic base. The base can also be plastic, for example molded in the same material as the liner. The role of the liner is to seal the stored gas. The composite reinforcement, formed of reinforcing fibers and resin, serves to ensure the resistance to the pressure of the tank.
20 Pour assurer une protection mécanique, on bobine généralement un renfort composite à base de fibres de verre d'aramide ou autre directement sur la partie structurante du renfort. Lorsqu'un réservoir composite a été exposé à des températures élevées (incendie... ) ou des chocs, son intégrité mécanique peut être altérée sans que 25 ceci soit visible. Ceci peut être la source de problèmes de sécurité importants car ce type de réservoir peut stocker du gaz à des pressions élevées, par exemple jusqu'à 1000 bar. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.In order to provide mechanical protection, a composite reinforcement based on aramid glass fibers or the like is generally wound directly on the structural part of the reinforcement. When a composite tank has been exposed to high temperatures (fire ...) or shocks, its mechanical integrity may be impaired without this being visible. This can be the source of important safety problems because this type of tank can store gas at high pressures, for example up to 1000 bar. An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
30 Un but de l'invention peut notamment être de proposer un réservoir permettant d'identifier facilement et de façon fiable si une réparation du réservoir est nécessaire ou si l'usage du réservoir pour stocker de la haute pression doit être évité.An object of the invention may in particular be to provide a reservoir for easily and reliably identifying whether a repair of the tank is necessary or if the use of the tank for storing high pressure must be avoided.
3037633 2 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 la première couche de renforcement intègre ou est recouverte d'un marqueur chromatique à changement de couleur lorsqu'il est soumis à une 5 température seuil déterminée. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le marqueur chromatique de la première couche de renforcement comprend au moins l'un parmi : pigments thermochromes, des leuco-colorants 10 intégrés à la résine de la première couche de renforcement, au moins une feuille collée sur la première couche de renforcement et comprenant un marqueur chromatique à changement de couleur lorsqu'il est soumis à une température seuil déterminée, - la au moins une couche de protection comprend au moins l'un parmi : une 15 couche de matériau élastomère amortissant les chocs, une couche de feutrine, une couche de fibres de silice, une couche de tissus de verre, ou de manière générique tout autre matériau isolant, - le réservoir comprend, disposées sur la première couche de renforcement de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir, une couche de matériau amortissant au 20 chocs et/ou résistante, une enveloppe imperméable à la résine et une seconde couche de renforcement comprenant une structure à base de fibres et de résine, - la seconde couche de renforcement intègre ou est recouverte d'un marqueur chromatique à changement de couleur lorsqu'il est soumis à une température limite déterminée et/ou un choc d'intensité déterminée, 25 - l'enveloppe interne comprend ou est constituée de métal ou de plastique, notamment du polymère avec éventuellement un ou des additifs, adjuvants et/ou une charge, - la première couche de renforcement comprend une structure à base de fibres de verre et/ou de carbone et de résine thermoplastique ou 30 thermodurcissable, notamment de type époxy, - le réservoir comporte, au moins, une embase métallique, plastique ou plastique chargé sur laquelle est fixée la paroi du réservoir de façon à délimiter, au moins, un orifice de remplissage et de soutirage, 3037633 3 L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. L'invention concerne également un procédé de contrôle et de réparation d'au moins un réservoir composite dont la paroi comprend, de l'intérieur vers 5 l'extérieur du réservoir, une enveloppe interne étanche destinée à être en contact avec le fluide sous pression, une première couche de renforcement disposée sur l'enveloppe interne, une couche de protection disposée sur la première couche de renforcement, une enveloppe imperméable à la résine et une seconde couche de renforcement, la première couche de renforcement comprenant une structure à 10 base de fibres et de résine, la couche de protection comprenant au moins l'un ou une combinaison parmi : une couche de matériau amortissant aux chocs, une couche de matériau résistant au feu ; la seconde couche de renforcement comprenant une structure à base de fibres et de résine, dans lequel, la première couche de renforcement intègre ou est recouverte d'un marqueur chromatique à changement de couleur lorsqu'il est soumis à une température seuil déterminée et la seconde couche de renforcement intègre ou est recouverte d'un marqueur chromatique à changement de couleur déterminée distincte de la couleur du marqueur de la première couche de renforcement lorsqu'il est soumis à une température déterminée et/ou un choc déterminé, le procédé comprenant une inspection visuelle pour déterminer si seul le marqueur chromatique de la seconde couche de renforcement indique a changé de couleur ou si le marqueur chromatique de la première couche de renforcement a également changé de couleur. Selon d'autres particularités possibles : - lorsque seul le marqueur chromatique à changement de couleur déterminée de la seconde couche de renforcement a changé de couleur, le procédé comprend une étape de retrait et de remplacement de la seconde couche de renforcement, de l'enveloppe imperméable et de la couche de matériau amortissant au chocs et/ou résistant à la chaleur, - lorsque le marqueur chromatique de la première couche de renforcement a changé de couleur indiquant une exposition à la température seuil déterminée, le réservoir est mis au rebut.For this purpose, the tank according to the invention, moreover, conforming to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the first reinforcing layer incorporates or is covered with a chromatic marker. at color change when subjected to a predetermined threshold temperature. Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following features: the chromatic marker of the first reinforcing layer comprises at least one of: thermochromic pigments, leuco dyes integrated with the resin of the first reinforcing layer, at least one sheet adhered to the first reinforcing layer and comprising a color change marker when it is subjected to a predetermined threshold temperature, the at least one protective layer comprises at least one least one of: a layer of shock absorbing elastomeric material, a felt layer, a layer of silica fibers, a layer of glass fabrics, or generically any other insulating material, - the reservoir comprises, arranged on the first reinforcing layer of the inside to the outside of the tank, a layer of shock-absorbing and / or resistant material, a a resin-impermeable shell and a second reinforcing layer comprising a fiber-based and resin-based structure; - the second reinforcing layer incorporates or is covered with a color change color marker when subjected to a temperature limit determined and / or a determined intensity shock, the inner envelope comprises or consists of metal or plastic, in particular polymer with optionally one or more additives, adjuvants and / or a filler, the first reinforcing layer comprises a structure based on glass fibers and / or carbon and thermoplastic or thermosetting resin, in particular of the epoxy type, - the reservoir comprises, at least, a metal, plastic or charged plastic base on which is fixed the wall of the tank so as to delimit, at least, a filling and withdrawal orifice, the invention may also relate to any device or process alternative comprising any combination of the features above or below. The invention also relates to a method for controlling and repairing at least one composite tank whose wall comprises, from the inside towards the outside of the tank, a sealed internal envelope intended to be in contact with the fluid under pressure. a first reinforcing layer disposed on the inner casing, a protective layer disposed on the first reinforcing layer, a resin impermeable casing and a second reinforcing layer, the first reinforcing layer comprising a base-forming structure; fibers and resin, the protective layer comprising at least one or a combination of: a layer of shock-absorbing material, a layer of fire-resistant material; the second reinforcing layer comprising a fiber-based and resin-based structure, wherein the first reinforcing layer incorporates or is covered with a color change color marker when subjected to a determined threshold temperature and the second reinforcing layer incorporates or is covered by a color marker with a determined color change distinct from the color of the marker of the first reinforcing layer when it is subjected to a determined temperature and / or a determined impact, the method comprising an inspection to determine if only the color marker of the second reinforcing layer indicates changed color or if the color marker of the first reinforcing layer has also changed color. According to other possible features: - when only the determined color change color marker of the second reinforcing layer has changed color, the method comprises a step of removing and replacing the second reinforcing layer, the envelope impervious and shock absorbing material layer and / or heat resistant, - when the color marker of the first reinforcing layer has changed color indicating exposure to the determined threshold temperature, the reservoir is discarded.
3037633 4 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 en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure d'un réservoir selon l'invention. 5 - la figure 2 illustre de façon schématique et partielle un détail de la paroi du réservoir de la figure 1, - la figure 3 représente de façon schématique et partielle un détail de la coupe d'un réservoir selon un autre exemple de réalisation. Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de structure de réservoir 1 10 composite muni d'une embase 7. La structure du réservoir 1 comprend une enveloppe interne 2 (liner). Ce liner 2 est par exemple constitué de polymère et peut avoir une épaisseur comprise, de préférence, entre 2 et 10 mm (l'épaisseur peut varier en fonction du volume du réservoir). Ce liner 2 est revêtu d'une partie structurante composite, notamment une 15 première couche 3 de renforcement disposée sur le liner 2. Classiquement cette couche 3 de renforcement est composée d'un mélange de fibres (verre et/ou carbone) noyés dans une résine, par exemple époxy. Cette couche peut avoir une épaisseur comprise entre 2 et 200 mm. Cette épaisseur peut dépendre de la pression du gaz stocké, de l'orientation des fibres 20 de renfort ainsi que du coefficient de sécurité considéré. Cette première couche 3 de renforcement comprend un système détection de température maximale (voir minimale le cas échéant) à laquelle la couche est exposée. Ce système de détection de température comprend par exemple un marqueur chromatique intégré ou collé sur ladite couche 3. Par exemple, un ruban 25 thermosensible est collé sur la couche 3 de renforcement pour indiquer la température maximum/minimum atteinte par cette couche. On pourra se référer par exemple aux dispositifs suivants : rubans autoadhésifs de la marque « THERMAX » ou « TESTOTERM ». Le réservoir 1 comporte ensuite au moins une couche 4 de protection en 30 matériau(x) amortissant(s) et/ou résistants au feu (par exemple élastomères, feutrine, fibres de silice, ...). Cette ou ces couches 4 de protection ont par exemple une épaisseur comprise entre 2 et 100 mm (fonction des performances recherchées). De cette 3037633 5 façon, cette couche 4 de protection a une épaisseur suffisante pour permettre sa découpe (par exemple au disque 8 de diamant, cf. figure 1) pour la retirer sans endommager la partie structurante 2, 3 intérieure. Une enveloppe 5 ou gaine imperméable (et/ou thermorétractable) est 5 ensuite disposée sur ces matériaux. L'enveloppe 5 est par exemple composée de matériaux imperméables à la résine et/ou de type thermorétractables et peut avoir une épaisseur comprise entre 0,15 et 2 mm. Cette enveloppe assure le maintien des couches qu'elle englobe et forme une barrière pour la résine de la couche suivante qui va la revêtir.Other features and advantages will appear on reading the following description, with reference to the figures in which: - Figure 1 shows a longitudinal sectional view, schematic and partial, illustrating an example of a structure of a tank according to the invention. FIG. 2 diagrammatically and partially illustrates a detail of the wall of the tank of FIG. 1; FIG. 3 is a diagrammatic and partial representation of a section of the section of a tank according to another embodiment. Figures 1 and 2 illustrate an example of a composite tank structure 1 having a base 7. The structure of the tank 1 comprises an inner casing 2 (liner). This liner 2 is for example made of polymer and may have a thickness of preferably between 2 and 10 mm (the thickness may vary depending on the volume of the tank). This liner 2 is coated with a composite structuring part, in particular a first reinforcing layer 3 placed on the liner 2. Traditionally, this reinforcing layer 3 is composed of a mixture of fibers (glass and / or carbon) embedded in a resin, for example epoxy. This layer may have a thickness of between 2 and 200 mm. This thickness may depend on the pressure of the stored gas, the orientation of the reinforcing fibers and the considered safety factor. This first reinforcing layer 3 comprises a maximum temperature detection system (see minimum if any) to which the layer is exposed. This temperature detection system comprises, for example, an integrated color marker or bonded to said layer 3. For example, a heat-sensitive tape is bonded to the reinforcing layer 3 to indicate the maximum / minimum temperature reached by this layer. For example, the following devices may be referred to: self-adhesive tapes of the brand "THERMAX" or "TESTOTERM". The tank 1 then comprises at least one layer 4 of protection material (x) damping (s) and / or fire resistant (eg elastomers, felt, silica fibers, ...). This or these protective layers 4 have for example a thickness of between 2 and 100 mm (function desired performance). In this way, this protective layer 4 has a thickness sufficient to allow it to be cut (for example to the diamond disk 8, see FIG. 1) in order to remove it without damaging the structuring part 2, 3 inside. An impermeable (and / or heat-shrinkable) jacket or sheath 5 is then disposed on these materials. The envelope 5 is for example composed of resin-impermeable and / or heat-shrinkable materials and may have a thickness of between 0.15 and 2 mm. This envelope ensures the maintenance of the layers it encompasses and forms a barrier for the resin of the next layer which will coat it.
10 Sur cette enveloppe 5 le réservoir 1 comprend une seconde couche 6 de renforcement (résine et fibres par exemple) ayant de préférence une épaisseur comprise entre 0,2 et 10 mm. Cette seconde couche 6 de renforcement est de préférence également pourvue d'un marqueur chromatique, qui lors d'un impact (choc), produira un changement de couleur en surface visible soit à l'oeil nu ou 15 bien avec un moyen externe (lampe UV, ... ) permettant de le rendre visible à l'oeil nu. Les marqueurs chromatiques des première 3 et seconde 6 couches de renforcement ont de préférence des couleurs distinctes et des colorations qui apparaissent selon des niveaux d'énergie distincts.On this casing 5, the reservoir 1 comprises a second reinforcing layer 6 (resin and fibers for example) preferably having a thickness of between 0.2 and 10 mm. This second reinforcing layer 6 is preferably also provided with a chromatic marker, which upon impact (shock) will produce a visible surface color change either with the naked eye or with an external means (lamp UV, ...) making it visible to the naked eye. The chromatic markers of the first 3 and second 6 reinforcement layers preferably have distinct colors and colorations that occur at different energy levels.
20 Ceci peut être mis à profit lors d'une étape d'inspection du réservoir lors d'un retour en usine avant réutilisation éventuelle du réservoir 1. Ainsi, lors d'un endommagement relativement « léger » du réservoir, seule la couche 6 extérieure est endommagée (couleur bleue apparaît par exemple lors d'une inspection visuelle).This can be used during a tank inspection step during a return to the factory before possible reuse of the tank 1. Thus, during a relatively "slight" damage to the tank, only the outer layer 6 is damaged (blue color appears for example during a visual inspection).
25 En cas d'un endommagement relativement plus important, la partie structurante (première couche 3 de renforcement) est atteinte et endommagée (la couleur rouge par exemple apparaît). Dans le premier cas, la protection extérieure (couches 4, 5, 6) peut être retirée et remplacée par de nouvelles couches disposées sur la première couche 3 30 de renforcement. Dans le deuxième cas, si la partie structurante interne (première couche 3 de renforcement) est endommagée, la sécurité n'est plus assurée et le réservoir peut être retiré du circuit d'utilisation (rebut, destruction, recyclage...).In case of relatively greater damage, the structuring part (first reinforcement layer 3) is damaged and damaged (the red color for example appears). In the first case, the outer protection (layers 4, 5, 6) can be removed and replaced by new layers disposed on the first reinforcing layer 3. In the second case, if the internal structuring part (first reinforcing layer 3) is damaged, the security is no longer ensured and the reservoir can be removed from the use circuit (waste, destruction, recycling ...).
3037633 6 En particulier, lorsque le réservoir a été exposé au feu, les couches 6, 5, 4 externes sont retirées pour connaitre l'impact sur la première couche 3 de renforcement. Si la température maximale à laquelle cette dernière a été exposée dépasse un seuil qui dépend de la nature des fibres de renfort et de la résine 5 utilisée (par exemple 100 °C en fonction de la nature chimique de la résine - renseigné par le marqueur chromatique ou le détecteur de température maximale du type ruban thermochrome), cela peut indiquer que l'intégrité de la structure est atteinte et que le réservoir n'est pas réutilisable. Dans le cas contraire (pas de température seuil atteinte), le réservoir 1 peut être revêtu à nouveau des couches 10 extérieures. La ou les couches 3, 6 de renforcement peuvent être en matériau composite thermoplastique (fibre de verre / résine thermoplastique) additionnée de marqueurs chromatiques. L'avantage des composites thermoplastiques est qu'ils ont une meilleure tenue à l'impact que les composites thermodurcissables et que 15 leur résine à une densité moindre que celle des thermodurcissables (type Epoxy). De préférence, cette première couche 3 de renforcement est entièrement polymérisée (cas de la résine thermodurcissable) avant de la revêtir de la couche 4 suivante (dans le cas de bobinage de résine thermoplastique, aucune polymérisation n'est requise).In particular, when the tank has been exposed to fire, the outer layers 6, 5, 4 are removed to know the impact on the first reinforcing layer 3. If the maximum temperature at which the latter has been exposed exceeds a threshold which depends on the nature of the reinforcing fibers and the resin used (for example 100 ° C. depending on the chemical nature of the resin - indicated by the chromatic marker or the maximum temperature sensor of the thermochromic ribbon type), this may indicate that the integrity of the structure is reached and that the reservoir is not reusable. In the opposite case (no threshold temperature reached), the tank 1 can be coated again with outer layers. The reinforcement layer or layers 3, 6 may be made of thermoplastic composite material (fiberglass / thermoplastic resin) added with chromatic markers. The advantage of thermoplastic composites is that they have better impact resistance than thermosetting composites and that their resin has a lower density than thermosets (Epoxy type). Preferably, this first reinforcing layer 3 is entirely polymerized (in the case of the thermosetting resin) before coating it with the following layer 4 (in the case of a thermoplastic resin winding, no polymerization is required).
20 Les marqueurs chromatiques réagissant avec la température peuvent être du type de ceux utilisés dans les peintures thermo-chromatiques. Alternativement, un « papier » ou tissu réagissant à la chaleur peut être collé sur la structure (couches 3, 6) pour indiquer la température maximum et/ou minimum à laquelle la structure a été exposée.Temperature-sensitive color markers may be of the type used in thermochromatic paints. Alternatively, a "paper" or heat-reactive fabric may be bonded to the structure (layers 3, 6) to indicate the maximum and / or minimum temperature at which the structure has been exposed.
25 Dans le cas où le réservoir 1 est en contact avec le feu, la couche 4 intermédiaire de protection permettra d'assurer une tenue minimum du réservoir au feu (durée minimale déterminée). Une fois la couche 6 composite externe retirée avec un moyen approprié, on peut identifier toute surexposition à la température de la structure 3 composite interne soit grâce à une coloration de la 30 résine ou par visualisation sur le papier thermosensible de la température atteinte. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus. Ainsi, des couches de protection 4 ou de renforcement 3, 6 supplémentaires peuvent être prévues. De même, des couches peuvent être omises. Dans l'exemple de la 3037633 7 figure 3, la paroi comprend uniquement une couche 4 de protection (amortissement/résistance au feu) sur la première couche 3 de renforcement.In the case where the tank 1 is in contact with the fire, the intermediate protective layer 4 will ensure a minimum holding of the fire reservoir (minimum duration determined). Once the outer composite layer 6 has been removed with suitable means, any overexposure to the temperature of the internal composite structure 3 can be identified either by coloring the resin or by visualizing the temperature reached on the thermal paper. Of course, the invention is not limited to the example described above. Thus, additional protective layers 4 or reinforcement 3, 6 can be provided. Similarly, layers can be omitted. In the example of FIG. 3, the wall comprises only a protective layer 4 (damping / fire resistance) on the first reinforcement layer 3.
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