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Fibra de carbonoUn recipiente a presión compuesto enrollado es un recipiente de paredes delgadas compuesto por un revestimiento herméticamente sellado y una capa de fibra de alta resistencia enrollada, formada principalmente mediante un proceso de enrollado y tejido de fibras. En comparación con los recipientes a presión metálicos tradicionales, el revestimiento de los recipientes a presión compuestos cumple funciones de almacenamiento, sellado y protección contra la corrosión química, mientras que la capa compuesta se utiliza principalmente para soportar la carga de presión interna. Gracias a la alta resistencia específica y la buena capacidad de diseño de los compuestos, los recipientes a presión compuestos no solo han mejorado considerablemente su capacidad de carga, sino que también han reducido significativamente la masa del recipiente en comparación con los recipientes a presión metálicos tradicionales.
La capa interna del recipiente a presión reforzado con fibras consiste principalmente en un revestimiento cuya función principal es actuar como barrera de sellado para evitar fugas de gases o líquidos a alta presión almacenados en su interior, protegiendo a la vez la capa externa también reforzada con fibras. Esta capa no se corroe por el material almacenado internamente, mientras que la capa externa, reforzada con fibras y una matriz de resina, se utiliza principalmente para soportar la mayor parte de las cargas de presión dentro del recipiente.
1. Estructura de los vasos de presión de fibra enrollada
Existen cuatro formas estructurales principales para los recipientes a presión compuestos: cilíndricos, esféricos, anulares y rectangulares. Un recipiente cilíndrico consta de una sección cilíndrica y dos tapas. Los recipientes a presión metálicos se fabrican con formas simples, con una mayor resistencia axial. Los recipientes esféricos presentan tensiones iguales en la urdimbre y la trama bajo presión interna, y la tensión circunferencial es la mitad que en los recipientes cilíndricos. La resistencia del metal es uniforme en todas las direcciones, por lo que el recipiente esférico se diseña para ofrecer una resistencia constante y la mínima masa posible cuando el volumen y la presión son constantes. El estado de presión del recipiente esférico es el más óptimo, y su pared puede ser la más delgada. Sin embargo, debido a la mayor dificultad en su fabricación, los recipientes esféricos generalmente solo se utilizan en naves espaciales y otras aplicaciones especiales. Los recipientes anulares son muy poco comunes en la producción industrial, pero se emplean en ciertas aplicaciones específicas o cuando se requiere esta estructura; por ejemplo, en vehículos espaciales, para aprovechar al máximo el espacio limitado. Los contenedores rectangulares se utilizan principalmente cuando el espacio es limitado, para maximizar el uso del espacio y de las estructuras, como por ejemplo los vagones cisterna rectangulares para automóviles, los vagones cisterna para ferrocarril, etc. Estos contenedores suelen ser de baja presión o a presión atmosférica y, según los requisitos de calidad, cuanto más ligeros, mejor.
La complejidad de la estructura de lacompuestoLas propias características de los recipientes a presión, como el cambio repentino en el espesor de la cabeza y su ángulo variable, introducen numerosas dificultades en el diseño, análisis, cálculo y moldeo. En ocasiones, los recipientes a presión compuestos no solo requieren bobinado a diferentes ángulos y velocidades en la cabeza, sino también distintos métodos de bobinado según su estructura. Asimismo, es necesario considerar factores prácticos como el coeficiente de fricción. Por lo tanto, solo un diseño estructural correcto y adecuado puede guiar correctamente el proceso de bobinado de los recipientes a presión compuestos, logrando así productos ligeros que cumplan con los requisitos de diseño.
2. Material del recipiente a presión de fibra enrollada
Como principal componente de soporte de carga, la capa de bobinado de fibra debe tener alta resistencia, alto módulo, baja densidad, estabilidad térmica y buena humectabilidad con la resina, así como buena procesabilidad del bobinado y una compactación uniforme del haz de fibras. Las fibras de refuerzo comúnmente utilizadas para recipientes a presión compuestos ligeros incluyen:fibras de carbono, fibras de PBO,fibras de poliamina aromáticay fibras de UHMWPE.