ISO 14623:2003
(Main)Space systems - Pressure vessels and pressurized structures — Design and operation
Space systems - Pressure vessels and pressurized structures — Design and operation
ISO 14623:2003, based on general space experience and practice, specifies general and detailed requirements for metallic pressure vessels, composite overwrapped pressure vessels with metallic liners and metallic pressurized structures used in space systems. It is not applicable to pressure components (lines, fittings, valves, hoses, etc.) or to special pressurized hardware (batteries, heat pipes, cryostats and sealed containers).
Systèmes spatiaux — Réservoirs et structures sous pression — Conception et fonctionnement
L'ISO 14623:2003 a été établie en fonction de l'expérience et de la pratique générales. Elle spécifie des exigences générales et particulières relatives aux réservoirs métalliques sous pression, aux réservoirs sous pression à surbobinage composite avec des liners métalliques et aux structures métalliques sous pression utilisées dans les systèmes spatiaux. Elle ne s'applique pas aux composants sous pression (conduites, raccords, vannes, tuyaux flexibles, etc.), ou au matériel spécialisé sous pression (batteries, caloducs, cryostats et réservoirs scellés).
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14623
First edition
2003-12-01
Space systems — Pressure vessels and
pressurized structures — Design and
operation
Systèmes spatiaux — Réservoirs et structures sous pression —
Conception et fonctionnement
Reference number
©
ISO 2003
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Terms and definitions. 1
3 General requirements . 8
3.1 Introduction . 8
3.2 System analysis requirements . 8
3.3 General design requirements . 8
3.4 Composite overwrapped pressure vessel-specific design requirements . 14
3.5 Material requirements. 16
3.6 Fabrication and process control requirements . 18
3.7 Quality assurance requirements . 18
3.8 Operation and maintenance requirements. 20
3.9 Reactivation requirements. 22
3.10 Service life extension requirements . 22
4 Specific requirements. 22
4.1 General. 22
4.2 Pressure vessels. 22
4.3 Pressurized structures . 28
Foreword
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(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
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International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 14623 was prepared by Technical Committee ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee
SC 14, Space systems and operations.
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Introduction
From the beginning of the space age, hazard control has been a prime consideration in manned or unmanned
flights in outer space. The rapid development of space activities and their associated technologies required
the implementation of ever-increasing amounts of energy sources. Space activities can be hazardous and
could cause harm to people and damage to public and private property and the environment. It is therefore
necessary to develop methods and tools that can analyse hazardous situations and provide realistic
recommendations in terms of safety and safety risk control. Furthermore, building space systems such as
telecommunication satellites and their launch systems is costly; it is necessary to achieve high mission
reliability. The variety of professional disciplines linked to these activities requires international standards to
protect Earth populations against the consequences of a possible mishap caused by the failure of a highly
pressurized hardware item.
There is significant history to the analysis and design of pressure vessels and pressurized structures for use in
space systems. This International Standard establishes the preferred methods for these techniques in both
the traditional metallic tanks, and the newer composite overwrapped pressure vessels. The emphasis is
equally on adequate design and safe, as well as reliable, operation.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 14623:2003(E)
Space systems — Pressure vessels and pressurized
structures — Design and operation
1 Scope
This International Standard, based on general space experience and practice, specifies general and detailed
requirements for metallic pressure vessels, composite overwrapped pressure vessels with metallic liners and
metallic pressurized structures used in space systems. It is not applicable to pressure components (lines,
fittings, valves, hoses, etc.) or to special pressurized hardware (batteries, heat pipes, cryostats and sealed
containers).
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
A-basis allowable
mechanical strength value above which at least 99 % of the population of values is expected to fall, with a
confidence level of 95 %
cf. “B” basis allowable (2.6)
2.2
acceptance tests
required formal tests conducted on flight hardware to ascertain that the materials, manufacturing processes
and workmanship meet specifications and that the hardware is acceptable for intended usage
2.3
allowable load (stress)
maximum load (stress) that can be accommodated by a material/structure without potential rupture, collapse
or detrimental deformation in a given environment
NOTE Allowable loads (stresses) commonly correspond to the statistically based minimum ultimate strength,
buckling strength, and yield strength, respectively.
2.4
applied load [stress]
actual load [stress] imposed on the structure in the service environment
2.5
autofrettage
vessel-sizing operation where pressure-driven deflection is used to plastically yield the metal liner into the
overlying composite in order to induce initial compressive stress states in the metal liner
2.6
B-basis allowable
mechanical strength value above which at least 90 % of the population of values is expected to fall, with a
confidence level of 95 %
cf. “A” basis allowable (2.1)
2.7
brittle fracture
catastrophic failure mode in a material/structure that usually occurs without prior plastic deformation and at
extremely high speed
NOTE The fracture is usually characterized by a flat fracture surface with little or no shear lips (slant fracture surface)
and at average stress levels below those of general yielding.
2.8
burst factor
multiplying factor applied to the maximum expected operating pressure (MEOP), or maximum design pressure
(MDP), to obtain the design burst pressure
NOTE 1 Burst factor is synonymous with design factor of safety for burst.
NOTE 2 design burst pressure (2.16) sometimes referred to as burst pressure, is synonymous with “ultimate
pressure”.
2.9
burst strength after impact
BAI
actual burst pressure of a composite overwrapped pressure vessel after it has been subjected to an impact
event
2.10
component
functional unit that is viewed as an entity for purpose of analysis, manufacturing, maintenance, or record
keeping
2.11
composite overwrapped pressure vessel
pressure vessel with a fibre-based composite system fully or partially encapsulating a liner
NOTE The liner serves as a fluid permeation barrier and may or may not carry substantial pressure loads. The
composite overwraps generally carry pressure and environmental loads.
2.12
critical condition
most severe environmental condition in terms of loads, pressures and temperatures or combination thereof
imposed on systems, subsystems, structures and components during service life
2.13
critical flaw
specific shape of flaw with sufficient size such that unstable growth will occur under the specific operating load
and environment
2.14
critical stress intensity factor
stress intensity factor at which unstable fracture occurs
2.15
damage tolerance
ability of a material/structure to resist failure due to the presence of flaws, cracks, delaminations, impact
damage or other mechanical damage for a specified period of unrepaired usage
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2.16
design burst pressure
burst pressure
“ultimate pressure”
differential pressure that pressurized hardware must withstand without burst in the applicable operational
environment
NOTE Design burst pressure is equal to the product of the MEOP or MDP and a design burst factor.
2.17
design safety factor
design factor of safety
factor or safety
multiplying factor to be applied to the limit load and/or MEOP(or MDP)
2.18
destabilizing pressure
differential pressure that produces compressive stresses in pressure hardware
2.19
detrimental deformation
structural deformation, deflection, or displacement that prevents any portion of the structure or other system
from performing its intended function
2.20
development test
test to provide design information that may be used to check the validity of analytic technique and assumed
design parameters, to uncover unexpected system response characteristics, to evaluate design changes, to
determine interface compatibility, to prove qualification and acceptance procedures and techniques, to check
manufacturing technology, or to establish accept/reject criteria
2.21
ductile fracture
type of failure mode in a material/structure generally preceded by a large amount of plastic deformation
2.22
elastically responding metallic liner
metallic liner of a composite overwrapped pressure vessel that responds elastically (experiences no plastic
response) at all pressure up to and including the vessel's acceptance proof pressure after the autofrettage
operation
2.23
fatigue
process of progressive localized permanent structural change occurring in a material/structure subjected to
conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in
cracks or complete fracture after a sufficient number of fluctuations
2.24
fatigue life
number of cycles of stress or strain of a specified character that a given material or structure can sustain
before failure of a specified nature could occur
2.25
flaw
local discontinuity in a structural material such as a scratch, notch or crack
2.26
flaw shape
shape of a surface crack or corner crack
NOTE For a surface crack, the flaw shape is expressed as a/2c, where a is the crack depth and 2c is the crack length.
For a corner crack, the flaw shape is expressed as a/c, where a is the crack depth and c is the crack length
2.27
fracture control
application of design philosophy, analysis method, manufacturing technology, verification methodology, quality
assurance, and operating procedures to prevent premature structural failure caused by the propagation of
cracks or crack-like flaws during fabrication, testing, transportation, handling and service
2.28
fracture mechanics
engineering discipline that describes the behaviour of cracks or crack-like flaws in materials or structures
under stress
2.29
fracture toughness
generic term for measures of resistance to the extension of a crack
2.30
hazard
existing or potential condition that can result in an accident
2.31
hydrogen embrittlement
mechanical-environmental process that results from the initial presence or absorption of excessive amounts of
hydrogen in metals, usually in combination with residual or applied tensile stresses
2.32
impact damage
induced fault in the composite overwrap or the metallic liner of a composite overwrapped pressure vessel that
is caused by an object strike on the vessel or vessel strike on an object
2.33
impact damage protector
physical device that can be used to prevent impact damage
2.34
initial flaw
flaw in a structural material before the application of load and/or deleterious environment
2.35
leak-before-burst
LBB
design concept which shows that at MEOP potentially critical flaws will grow through the wall of a metallic
pressurized hardware item or the metal liner of a composite overwrapped pressure vessel and cause pressure
relieving leakage rather than burst or rupture (catastrophic failure)
2.36
limit load
highest predicted load or combination of loads that a structure can experience during its service life in
association with the applicable operating environments
NOTE The corresponding stress is called limit stress.
2.37
loading case
particular condition of pressure/temperature/loads that can occur for some parts of pressurized structures at
the same time during their service life
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2.38
loading spectrum
representation of the cumulating loading anticipated for the structure under all expected operating
environments
NOTE Significant transportation and handling loads are included.
2.39
margin of safety
MS
margin expressed by the following equation:
Allowable load
MS=−1
Limit load×Factor of safety
NOTE Load can mean stress or strain.
2.40
maximum design pressure
MDP
highest pressure defined by maximum relief pressure, maximum regulator pressure, and/or maximum
temperature, including transient pressures, at which a pressure vessel retains two-fault tolerance without
failure
NOTE In this document, the term MDP is only applicable to pressure vessels.
2.41
maximum expected operating pressure
MEOP
highest differential pressure which a pressurized hardware item is expected to experience during its service
life and retain its functionality, in association with its applicable operating environments
2.42
mechanical damage
induced flaw in the composite overwrap or metallic liner of a composite overwrapped pressure vessel, caused
by surface abrasions or cuts or impact
2.43
metal-lined composite overwrapped pressure vessel
composite overwrapped pressure vessel having a metallic liner
NOTE Throughout this document, the term “composite overwrapped pressure vessel” means metal-lined composite
overwrapped pressure vessel.
2.44
metallic hardware items
hardware items made of metallic materials
NOTE In this document, the term covers metallic pressure vessels, metallic pressurized structures and metallic liners
of composite overwrapped pressure vessels.
2.45
plastically responding metallic liner
metallic liner of a composite overwrapped pressure vessel that could at least once experience plastic
response when pressurized to any pressure up to and including acceptance proof pressure after the
autofrettage operation
2.46
pressure vessel
container designed primarily for the storage of pressurized fluid that fulfils at least one of the following criteria:
a) contains gas or liquid with high energy level;
b) contains gas or liquid which will create a mishap (accident) if released;
c) contains gas or liquid with high pressure level
NOTE 1 This definition excludes pressurized structures, pressure components and pressurized hardware.
NOTE 2 Energy and pressure level are defined by each project, and approved by the procuring authority (customer); if
appropriate values are not defined by the project, the following levels are used:
stored energy is 19 310 J or greater based on adiabatic expansion of perfect gas;
MEOP is 0,69 MPa or greater.
2.47
pressurized hardware
hardware items that contain primarily internal pressure
NOTE In this document, the term covers all pressure vessels and pressurized structures (2.48).
2.48
pressurized structure
structure designed to carry both internal pressure and vehicle structural loads
EXAMPLE Launch vehicle main propellant tanks, crew cabins or manned modules.
2.49
pressurized system
system which consists of pressure vessels, or pressurized structures, or both, and other pressure components
such as lines, fittings, valves and bellows, which are exposed to, and structurally designed largely by, the
acting pressure
NOTE Electrical or other control devices required for system operations are covered by this term.
2.50
proof factor
multiplying factor applied to the limit load or MEOP (or MDP) to obtain proof load or proof pressure for use in
the acceptance testing
2.51
proof pressure
product of MEOP (or MDP) and a proof factor
NOTE The proof pressure is used to provide evidence of satisfactory workmanship and material quality and/or to
establish maximum initial flaw sizes for the safe-life demonstration of a metallic hardware item.
2.52
qualification tests
required formal contractual tests used to demonstrate that the design, manufacturing, and assembly have
resulted in hardware designs conforming to specification requirements
2.53
residual strength
maximum value of load and/or pressure (stress) that a cracked or damaged body is capable of sustaining
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2.54
residual stress
stress that remains in a structure after processing, fabrication, assembly, testing, or operation
EXAMPLE Welding-induced residual stress.
2.55
safe life
required period during which a metallic hardware item, even containing the largest undetected crack, is shown
by analysis or testing not to fail catastrophically in the expected service load and environment
2.56
sealed container
single, independent (not part of a pressurized system) container, component or housing that is sealed to
maintain an internal non-hazardous environments, and has stored energy of less than 19 310 J and an
internal pressure of less than 0,69 MPa
2.57
service life
period of time (or cycles) that starts with the manufacturing of the pressurized hardware and continues
through all acceptance testing, handling, storage, transportation, launch operations, orbital operations,
refurbishment, re-testing, re-entry or recovery from orbit and reuse that may be required or specified for the
item
2.58
sizing pressure
pressure to which a composite overwrapped pressure vessel is taken with the intent of yielding the metallic
liner
NOTE The sizing operation, also referred to as autofrettage, is considered to be part of the manufacturing process
and is conducted prior to acceptance proof testing.
2.59
stress-corrosion cracking
mechanical-environmental induced failure process in which sustained tensile stress and chemical attack
combine to initiate and propagate a crack or a crack-like flaw in a metal part
2.60
stress intensity factor
parameter used in linear elastic fracture mechanics to characterize the stress–strain behaviour at the tip of a
crack contained in a linear elastic and homogeneous body
2.61
stress-rupture life
minimum time during which composite hardware maintains structural integrity, considering the combined
effects of stress level(s), time at stress level(s), and associated environments
2.62
ultimate load
product of the limit load and the design ultimate factor of safety
2.63
visual damage threshold
impact energy level shown by a test or tests that creates an indication that is barely detectable by a trained
inspector using an unaided visual inspection technique
2.64
yield load
product of the limit load and the design yield factor of safety
3 General requirements
3.1 Introduction
This clause presents general requirements for the analysis, design and verification of pressurized hardware,
covering:
a) system analysis,
b) structural design and analysis,
c) material selection,
d) fatigue and /or safe-life demonstration,
e) fracture and/or damage control,
f) quality assurance, and
g) operation and maintenance.
3.2 System analysis requirements
A detailed analysis of the pressurized system in which the pressurized hardware will be operated shall be
performed to establish the correct MEOP. The effect of each of the other component operating parameters on
the MEOP shall be determined; failure tolerance requirements shall be considered; pressure regulator lock-up
characteristics, valve actuation and water hammer, and any external loads and environments, shall be
evaluated for the entire service life of the hardware.
3.3 General design requirements
3.3.1 Loads, pressures and environments
The entire anticipated load/pressure/temperature history and associated environments throughout the service
life shall be determined in accordance with specified mission requirements. As a minimum, the following
factors and their statistical variations shall be considered as appropriate:
a) the environmentally induced loads and pressures;
b) the environments acting simultaneously with these loads and pressures with their proper relationships;
c) the frequency of application of those loads, pressures and environments including their level, number of
cycles, duration and sequence.
These data shall be used to define the design load/environments spectra that shall be used for both design
analysis and testing. The design spectra shall be revised as the structural design develops and the load
analysis matures.
MDP and MEOP are two baseline pressure levels that can be used for design and testing of pressure vessels.
In this document, MEOP is used as the baseline pressure level. If it is required that MDP be used as the
baseline pressure level, MDP may be substituted for MEOP.
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3.3.2 Strength
3.3.2.1 Pressure vessels
All pressure vessels shall possess sufficient strength to withstand limit loads and simultaneously occurring
internal pressures in the expected operating environments throughout their respective service lives, without
experiencing detrimental deformation. They shall be able to withstand ultimate loads and simultaneously
occurring internal pressures in the expected operating environments without experiencing rupture or collapse.
They shall be also capable of withstanding ultimate external loads and ultimate external pressures
(destabilizing) without collapse or rupture when internally pressurized to the minimum anticipated operating
pressure.
All pressure vessels shall be able to sustain proof pressure in proof-testing without detrimental deformation
and design burst pressure in qualification test without collapse or rupture.
When a proof or qualification test is conducted at a temperature other than design temperature, the change of
material properties at the temperature shall be accounted for in determining the load/pressure. The margin of
safety shall be positive and shall be determined by analysis or test at the design ultimate and design limit
levels, as appropriate, at the temperatures expected for all critical conditions.
3.3.2.2 Pressurized structures
From the load/pressure time history, the critical loading cases for a pressurized structure shall be selected
taking into account load/temperature/differential pressure combinations. For each critical loading case, the
margin of safety shall be determined for every part of the pressurized structure, accounting for the worst
combination of loads, differential pressures and temperature, with corresponding design safety factors.
All pressurized structures shall sustain the following:
a) proof pressure without gross yielding or detrimental deformation in proof-testing;
b) design burst pressure without rupture or collapse in qualification testing.
When a proof pressure test is conducted at a temperature other than the design temperature, the change in
material properties at the proof temperature shall be accounted for in determining proof pressure.
Pressurized structures subject to instability modes of failure shall not collapse under ultimate loads nor
degrade the functioning of any system because of elastic buckling deformation under limit loads. Evaluation of
buckling strength shall consider the combined action of all stresses and their effects on general instability,
local or panel instability, and crippling. Design loads for buckling shall be ultimate loads, except that any loads
component that tends to alleviate buckling shall not be increased by the ultimate design factor of safety.
Destabilizing pressure shall be increased by the ultimate design factor, but internal stabilizing pressure shall
not be increased unless it reduces structural capability. The minimum margin of safety must be positive and
shall be demonstrated by analysis or tests.
3.3.3 Stiffness
All pressurized hardware shall possess adequate stiffness to preclude detrimental deformation at limit loads
and pressure in the expected operating environments throughout their respective service lives. The stiffness
properties of pressurized hardware shall prevent all detrimental effects of the loads and dynamic responses
that are associated with structural flexibility, and avoid adverse interaction with other vehicle systems. Where
applicable, the minimum internal pressure required for structural stabilization shall be identified and included
in the acceptance data package.
3.3.4 Thermal
The design of all pressurized hardware shall consider the following thermal effects, as appropriate:
a) heating rates;
b) temperatures;
c) thermal gradients;
d) thermal stresses and deformations;
e) changes in the physical and mechanical properties of the materials of construction.
The effects shall be based on temperature extremes that simulate those predicted for the operating
environments, plus a design margin as appropriate.
3.3.5 Stress analysis
3.3.5.1 Metallic hardware items
A detailed and comprehensive stress analysis of each new design of the metallic hardware items shall be
conducted under the assumption that there are no crack-like flaws in the hardware. The analysis shall
determine stresses resulting from the combined effects of pressure, ground or flight loads, and temperature
and its gradients. Both membrane stresses and bending stresses resulting from internal pressures and
external loads shall be calculated to account for the following effects, as appropriate:
a) geometrical discontinuities;
b) design configuration;
c) structural support attachments;
d) material and geometry nonlinear effects.
Loads and pressures shall be combined using the appropriate design safety factor on the individual loads and
pressures, and the corresponding results shall be compared to material allowable. Design safety factors on
external (support) loads shall be as assigned to the primary structure supporting the pressurized system. For
all metallic hardware items, classical solutions are acceptable if the design geometry and loading conditions
are simple enough to warrant their application. Finite element or other proven equivalent structural analysis
techniques shall be used to calculate the stress, strains and displacements for complex geometries and
loading conditions. Local structure models shall be constructed, as necessary, to augment the overall
structural model in areas of rapidly varying stresses. The analysis methodology shall be verified using reliable
test results.
Minimum material gage as specified in the design drawings shall be used in calculating stresses. However, if
based on adequate test and theoretical ground, nominal material gages can be used for buckling analysis with
the agreement of the procuring authority (customer). When appropriate, influence of tolerances (including
overall dimensions and thickness) shall be considered for evaluating the most critical condition.
The allowable of material strength shall reflect the effects of temperature, thermal cycling and gradients,
processing variables, and time associated with the design environments. Minimum margins of safety
associated with the parent materials, weld joints and heat-affected zones shall be calculated and tabulated for
all metallic hardware items along with their locations and stress levels. The margin of safety shall be positive
against the strength and stiffness requirements of 3.3.2 and 3.3.3, respectively.
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3.3.5.2 Composite overwrapped pressure vessel
A detailed and comprehensive stress analysis of the composite overwrap of a new composite overwrapped
pressure vessel design shall be conducted with the assumption that there is no mechanical damage existing
in the overwrap. Loads and pressures shall be combined by using the appropriate design factors of safety on
the individual load and pressure and comparing the results to the material allowable.
Finite element method or other proven equivalent structural analysis techniques using appropriate composite
theories shall be employed to analyse the composite overwrap. Effects of ply orientation, stacking sequence
and geometrical discontinuities shall be assessed. The effect of variation in material thickness and its
gradients as specified in the design documentation shall be used in calculating the stresses and strains in the
composite overwrap. Local structural models shall be constructed, as necessary, to augment the overall
structural model in areas of rapidly varying stresses. The analysis methodology shall be verified by test results.
The margins of safety shall be positive for all load conditions applied on the composite overwrap by using
A-basis allowable.
3.3.5.3 Stress analysis report
Records of the stress analysis shall be maintained and shall be included in the stress analysis report, which
consists of the input parameters, data, assumptions, rationales, methods, references and a summary of
significant analysis results. The analysis shall be revised and updated whenever changes to input parameters
occur, in order to maintain currency for the life of the program.
3.3.6 LBB failure mode demonstration
3.3.6.1 General
LBB failure mode for all metallic pressure vessels, metallic pressurized structures and the elastically
responding metallic liners of composite overwrapped pressure vessels shall be demonstrated by analysis or
test. For plastically responding liners of composite overwrapped pressure vessels, LBB failure mode shall be
demonstrated by test only.
The LBB demonstration may be omitted if there are adequate data from similar designs that have been
demonstrated to exhibit LBB failure mode.
3.3.6.2 LBB analysis
When LBB failure mode is demonstrated by analysis, linear elastic fracture mechanics principles shall be
employed. It shall be shown that, at MEOP, an initial surface crack with a flaw shape (a/2c), ranging from 0,1
to 0,5, will meet the following conditions:
a) it will not fail as a surface crack;
b) it will grow through the wall of the hardware to become a through crack with a length equal to 10 times the
wall thickness of the metallic hardware item and will remain stable.
3.3.6.3 LBB test
When LBB failure mode is demonstrated by testing coupons or full-scale articles with pre-fabricated surface
crack(s) shall be used as test specimens. Coupons shall duplicate the materials (parent metals, weld joints
and heat-affected zones) and the thickness of the metallic hardware items. When the full-scale article is used,
it shall be representative of the flight hardware. The flaw shape of the prefabricated surface crack(s) shall
range from 0,1 to 0,5. If coupons are used as the test specimens, stress (or strain) cycles shall be applied to
the specimens with the maximum stress (or strain) corresponding to the MEOP level and minimum stress (or
strain) kept to zero, or actual minimum stress (or strain), whichever is the more conservative, until the surface
crack grows through the specimen's thickness to become a through crack. LBB failure mode is demonstrated
if the length of the through crack becomes W 10 times the specimen's thickness and remains stable.
3.3.7 Fatigue life
3.3.7.1 Metallic hardware items
When conventional fatigue analysis is used to demonstrate the fatigue life of an unflawed metallic hardware
item, nominal values of fatigue-life characteristics, including stress-life (S-N) data or strain-life (ε-N) data of the
structural material or materials, shall be used. These data shall be taken from reliable sources that are
approved by the procuring authority (customer). The analysis shall account for the spectra of expected
operating loads, pressure and environments. The cumulative linear damage rule (Miner's rule) is an
acceptable method for handling variable amplitude fatigue cyclic loading. Unless otherwise specified, a life
factor of four shall be used in the fatigue analysis. The limit for the accumulated fatigue damage using Miner's
rule shall be 80 % of normal limit. In the mathematical form, Miner's rule is expressed as:
Σ n /N u 0,8
i i
where
n is four times the number of cycles applied at stress level i;
i
N is the number of cycles to failure at stress level i, and the summation is i = 1 to k.
i
Testing of unflawed specimens to demonstrate fatigue-life of a metallic hardware item is an acceptable
alternative to analytical prediction. Fatigue-life requirements are met when the unflawed specimens,
representing critical areas such as membrane section, weld joints, heat-affected zones and boss transition
section, or a full-scale article, successfully sustain the service loads and pressures in the expected operating
environments for the specified test cycles and duration without rupture. The required test duration is at least
four times the specified service life or number of cycles.
3.3.7.2 Composite overwrapped pressure vessels
For the composite overwraps of a composite overwrapped pressure vessel, the analysis shall address the
alternating stress response for all spectra of expected operating loads, pressures and environments. Testing
of unflawed specimens using coupons or full-scale articles is an acceptable option. When this option is
adapted, the test requirements specified in 3.3.7.1 shall be met.
3.3.7.3 Fatigue analysis or test report
A fatigue analysis or test report shall be prepared and shall be closely coordinated with the stress analysis
report. The fatigue analysis report shall document loading spectra, environments, fatigue (S-N) or (ε-N) data
and analysis results. The fatigue-test report shall present the specimen configuration, test set-up, test loading
spectra/environment, and the test results.
3.3.8 Safe-life demonstration
3.3.8.1 General
The safe life of metallic hardware items shall be demonstrated by analysis, test or both and shall be at least
four times the specified service life for those hardware items that are not accessible for periodic inspections
and repair. The safe life of the hardware item containing hazardous fluids ends when leakage occurs. For the
metallic hardware item which is readily accessible for periodic inspection and repair, the safe life shall be at
least four times the interval between scheduled inspections.
3.3.8.2 Safe-life analysis
When fracture mechanics crack growth analysis is used to determine the safe life of a metallic hardware item,
undetected flaws shall be assumed to be in the critical locations and in the most unfavourable orientation with
respect to the applied stress and material properties. The assumed flaw sizes shall be based on either the
flaw detection capabilities of appropriate non-destructive inspection (NDI) techniques or defined by the
12 © ISO 2003 — All rights reserved
acceptance proof testing. The flaw shape (a/2c) in the range of 0,1 to 0,5 shall be considered for surface
cracks. For corner cracks, the flaw shape (a/c) in the range of 0,2 to 1,0 shall be considered.
Nominal values of fracture toughness and fatigue crack-growth rate data associated with each alloy, temper,
product form, and thermal and chemical environments shall be used in the safe-life analysis. However, if proof
test logic is used for establishing the initial flaw size, an upper bound fracture toughness value shall be used in
determining both the initial flaw size and the critical flaw size at fracture. A metallic hardware item which
experiences sustained stresses shall also show that the corresponding maximum stress intensity factor (K )
max
during sustained load in operation is less than the stress-corrosion cracking threshold (K ) data in the
ISCC
appropriate environment, i.e. K < K . Detrimental tensile residual stress shall be included in the
max ISCC
analysis.
A proven crack growth methodology shall be used to conduct the safe-life analysis. For part-through cracks
(surface flaws or corner cracks), the flaw shape changes shall be accounted for in the analysis. Retardation
effects on crack growth rates from variable amplitude loading shall not be considered without approval by the
procuring authority (customer).
3.3.8.3 Safe-life test
For metallic pressure vessels, metallic pressurized structures and the elastically responding metallic liners of
composite overwrapped pressure vessels, the safe-life test is an acceptable option for safe-life demonstration.
For the plastically responding liners, safe-life shall be demonstrated only by testing. Coupons or full-scale
articles with pre-fabricated flaws shall be used in the safe-life test as appropriate. These flaws shall not be
less than the flaw sizes established by the selected NDI method or methods or by the acceptance proof
testing. Safe life is considered demonstrated when the pre-flawed specimens successfully sustain the limit
loads and pressure cycles in the expected operating environments without leaking.
3.3.8.4 Safe-life analysis or test report
When safe life is demonstrated by analysis, an analysis report shall be prepared and shall be closely
coordinated with the stress analysis report. In the report, loading spectra, environments, assumed initial flaw
sizes, crack-growth models, fatigue crack growth rates and fracture data shall be delineated. A summary of
significant results shall be clearly presented.
When safe-life is demonstrated by test, a test report shall be prepared. The report shall document, as a
minimum, the specimen configurations, initial crack sizes, test set-up, test procedures, test pressure-cycle
spectra and environments, and significant test results.
3.3.9 Leakage
All pressurized hardware shall meet leak rate requirements ensuring that operation of the system is
maintained throughout the intended lifetime.
3.3.10 Miscellaneous
The structural design of all pressurized hardware shall employ proven processes and procedures for
manufacture and repair. The design shall emphasize the following needs:
a) access;
b) inspection;
c) service;
d) repair (include replacement of some parts);
e) refurbishment.
For all reusable pressurized hardware, the structural design shall permit the hardware to be maintained in and
refurbished to a flight-worthy condition. Repaired and refurbished hardware shall meet all stipulated conditions
of flight worthiness.
3.4 Composite overwrapped pressure vessel-specific design requirements
3.4.1 General
The following gives the specific design requirements for a composite overwrapped pressure vessel. Included
are
stress-rupture life,
damage control,
corrosion control, and
embrittlement control.
3.4.2 Stress-rupture life
A composite overwrapped pressure vessel shall be designed to meet the design life, considering the time it is
under sustained load. There shall be no credible stress-rupture-failure modes based on stress-rupture data for
a probability of survival of 0,999.
3.4.3 Damage control
3.4.3.1 General
All composite overwrapped pressure vessels shall be placed under damage control except for those vessels
that have a design burst factor of 4,0 or greater and a total wall thickness of 6,35 mm or greater.
Mechanical damage that could degrade the performance of the composite overwrapped pressure vessel
below the minimum strength requirements specified in 3.3.2 shall be prevented. For mechanical damage
mitigation, a minimum of one of the following approaches shall be adapted:
a) Approach A: using mechanical damage protection or indication or both;
b) Approach B: demonstrating damage tolerance abilities by testing.
3.4.3.2 Damage control plan
A damag
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14623
Première édition
2003-12-01
Systèmes spatiaux — Réservoirs et
structures sous pression — Conception
et fonctionnement
Space systems — Pressure vessels and pressurized structures —
Design and operation
Numéro de référence
©
ISO 2003
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Termes et définitions . 1
3 Exigences générales. 8
3.1 Introduction . 8
3.2 Exigences de l'analyse des systèmes . 8
3.3 Exigences générales de conception . 9
3.4 Exigences particulières des réservoirs sous pression à surbobinage composite. 14
3.5 Exigences sur les matériaux. 17
3.6 Exigences de fabrication et de contrôle des procédés. 19
3.7 Exigences de l'assurance de la qualité. 20
3.8 Exigences opérationnelles et de maintenance . 21
3.9 Exigences de réactivation. 23
3.10 Exigences de prolongation de la durée de vie utile . 23
4 Exigences particulières. 24
4.1 Généralités. 24
4.2 Réservoirs sous pression . 24
4.3 Structures sous pression. 31
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 14623 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 20, Aéronautique et espace, sous-comité SC 14,
Systèmes spatiaux, développement et mise en œuvre.
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Introduction
Dès les débuts de l'ère spatiale, le contrôle des risques a été d'une très grande importance dans les vols,
avec ou sans équipage. Le développement rapide des activités spatiales, avec les technologies
correspondantes, a exigé l'utilisation de sources d'énergie toujours plus importantes. De telles activités
peuvent être dangereuses et pourraient causer des dommages aux personnes, ainsi qu'à l'environnement et
aux domaines public et privé. Il faut donc mettre au point des outils et des méthodes pouvant évaluer les
situations dangereuses et fournir des recommandations réalistes en matière de sécurité et de contrôle des
risques. Par ailleurs, la construction de systèmes spatiaux tels que les satellites de communication et les
dispositifs de lancement, est très coûteuse; il est nécessaire d'atteindre une grande fiabilité pour ces missions.
La grande variété des disciplines professionnelles reliées à de telles activités exige des Normes
internationales pour protéger les populations terrestres contre les effets de tout accident pouvant se produire
à la suite de la défaillance d'un matériel sous très haute pression.
L'analyse et la conception des réservoirs et des structures sous pression utilisés dans l'espace reposent sur
de nombreux éléments historiques. La présente Norme internationale établit les méthodes recommandées
pour ces techniques, que ce soit pour les réservoirs métalliques traditionnels ou pour les nouveaux réservoirs
sous pression à surbobinage composite. L'accent est mis tant sur la conception elle-même que sur le
fonctionnement, que l'on veut fiable et sécuritaire.
NORME INTERNATIONALE ISO 14623:2003(F)
Systèmes spatiaux — Réservoirs et structures sous pression —
Conception et fonctionnement
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale a été établie en fonction de l'expérience et de la pratique générales. Elle
spécifie des exigences générales et particulières relatives aux réservoirs métalliques sous pression, aux
réservoirs sous pression à surbobinage composite avec des liners métalliques et aux structures métalliques
sous pression utilisées dans les systèmes spatiaux. Elle ne s'applique pas aux composants sous pression
(conduites, raccords, vannes, tuyaux flexibles, etc.), ou au matériel spécialisé sous pression (batteries,
caloducs, cryostats et réservoirs scellés).
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
2.1
admissible sur la base «A»
valeur de la résistance mécanique au-dessus de laquelle au moins 99 % de l'ensemble des valeurs doit se
situer, selon un taux de confiance de 95 %
cf. admissible sur la base «B» (2.6)
2.2
essais d'acceptation
essais formels requis sur le matériel de vol pour vérifier si les matériaux, les procédés de fabrication et
l'exécution des travaux sont conformes aux spécifications et que le matériel est bon pour acceptation pour
l'utilisation prévue
2.3
charge autorisée (contrainte)
charge (contrainte) maximale pouvant être subie dans un environnement donné par un matériau ou une
structure sans rupture, effondrement ou déformation dommageable
NOTE Les charges (contraintes) autorisées correspondent habituellement à la résistance ultime, à la résistance au
flambement et à la limite d'élasticité conventionnelle minimale, respectivement, selon la moyenne statistique.
2.4
charge appliquée (contrainte)
charge (contrainte) effectivement appliquée à une structure, dans un environnement de fonctionnement
2.5
autofrettage
opération de calibrage de réservoir par laquelle une déformation sous pression est utilisée pour provoquer un
écoulement plastique du liner métallique superposé dans le composite afin de produire une contrainte initiale
de compression du liner métallique
2.6
admissible sur la base «B»
valeur de la résistance mécanique au-dessus de laquelle au moins 90 % de l'ensemble des valeurs doit se
situer, selon un taux de confiance de 95 %
cf. admissible sur la base «A» (2.1)
2.7
rupture fragile
mode de rupture catastrophique d'un matériau ou d'une structure qui se produit habituellement sans
déformation plastique préalable et à très haute vitesse
NOTE La rupture est habituellement caractérisée par une surface de rupture plate qui présente peu ou pas de lignes
de cisaillement (surface de rupture oblique) et à des niveaux de contrainte moyens se situant sous ceux d'un écoulement
général.
2.8
facteur d'éclatement
facteur de multiplication appliqué à la pression de fonctionnement maximale prévue (MEOP) ou la pression de
calcul maximale (MDP), afin d'obtenir la pression d'éclatement de calcul
NOTE 1 Le facteur d'éclatement est synonyme de facteur de sécurité de calcul.
NOTE 2 La pression d'éclatement de calcul (2.16), référencée parfois comme pression d'éclatement, est synonyme
de «pression de rupture».
2.9
résistance à l'éclatement après impact
BAI
pression d'éclatement effective d'un réservoir en matériau composite et surbobiné, après qu'il a subi un
impact
2.10
composant
unité fonctionnelle considérée comme une entité aux fins d'analyse, de fabrication, d'entretien ou de tenue
d'archives
2.11
réservoir sous pression à surbobinage composite
réservoir sous pression présentant un système composite à base de fibres qui englobe partiellement ou
totalement un liner
NOTE Le liner sert de barrière d'étanchéité aux fluides et peut, ou ne peut pas, supporter des charges de pression
substantielles. Le surbobinage composite supporte généralement les pressions ou les charges environnementales.
2.12
condition critique
état environnemental le plus grave en termes de charges, de pressions et de températures imposées à des
systèmes, sous-systèmes, des structures ou des composants pendant leur durée de vie utile
2.13
crique critique
forme précise de crique, suffisamment grande pour qu'une propagation instable se produise en fonction d'une
charge et d'un environnement précis
2.14
facteur d'intensité de contrainte critique
facteur d'intensité de contrainte auquel une rupture instable se produit
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2.15
tolérance aux dommages
capacité d'un matériau ou d'une structure à résister à une défaillance causée par des défauts, des criques,
des délaminages, des dommages par impact ou d'autres dommages mécaniques, pendant une période
précise d'utilisation sans réparation
2.16
pression d'éclatement de calcul
pression d'éclatement
«pression de rupture»
pression différentielle que doit subir le matériel, sans éclatement, dans un environnement de fonctionnement
donné
NOTE La pression d'éclatement de calcul est égale à la MEOP ou MDP multipliée par un facteur de sécurité
d'éclatement de calcul.
2.17
facteur de sécurité de calcul
facteur de sécurité
facteur de multiplication appliqué à la charge limite ou à la MEOP/MDP
2.18
pression déstabilisatrice
pression différentielle qui produit des contraintes de compression dans le matériel sous pression
2.19
déformation
toutes déformations structurelles, déflexions, ou tous déplacements empêchant une partie de la structure ou
d'un système de fonctionner comme prévu
2.20
essai de développement
essai visant à fournir des renseignements pour la conception servant à vérifier la validité des techniques
analytiques et des paramètres estimés de conception, à détecter les caractéristiques de réponses imprévues
de la part des systèmes, à évaluer les changements de conception, à déterminer la compatibilité des
interfaces, à éprouver les procédures et les techniques de qualification et d'acceptation, à vérifier la
technologie de fabrication, ou à établir des critères d'acceptation et de rejet
2.21
rupture ductile
genre de rupture d'un matériau ou d'une structure qui est généralement précédée par une déformation
plastique significative
2.22
liner métallique à réponse élastique
liner métallique d'un réservoir sous pression à surbobinage composite qui répond de manière élastique (sans
plasticité) à toute pression, jusqu'à la limite de la pression d'épreuve du réservoir, après l'opération
d'autofrettage
2.23
fatigue
processus progressif de changement structurel permanent localisé se produisant dans un matériau ou une
structure soumis à des conditions entraînant des contraintes fluctuantes et des déformations en certains
points, pouvant provoquer des criques ou une rupture complète après un nombre suffisant de fluctuations
2.24
tenue en fatigue
nombre de cycles de contrainte ou déformations d'un caractère spécifique qu'un matériau ou une structure
peut subir avant que ne survienne une défaillance d'un certain genre
2.25
défaut
discontinuité locale dans un matériau structurel, telle qu'une égratignure, une encoche ou une crique
2.26
forme de défaut (ou de crique)
forme d'une crique en surface ou d'une crique d'angle
NOTE Pour les criques en surface, la forme est exprimée ainsi: a/2c, a étant la profondeur et 2c la longueur de la
crique. Dans le cas des criques en coin, la forme est exprimée ainsi: a/c, a étant la profondeur et c la longueur de la crique.
2.27
maîtrise de la rupture
utilisation d'une philosophie de conception, d'une méthode d'analyse, d'une méthodologie de fabrication,
d'une méthodologie de vérification, d'une assurance de la qualité, et de procédures de fonctionnement visant
à prévenir les défaillances structurelles prématurées causées par la présence de criques, ou de défauts
assimilés à des criques, pendant les étapes de fabrication, d'essai, de transport, de manutention et de
fonctionnement
2.28
mécanique de la rupture
discipline d'ingénierie qui décrit le comportement des criques ou des défauts assimilés à des criques dans les
matériaux et les structures sous contrainte
2.29
résistance à la rupture
terme générique se rapportant aux mesures de la résistance au prolongement des criques
2.30
risque
condition existante ou potentielle pouvant provoquer un accident
2.31
fragilisation à l'hydrogène
processus mécanique et environnemental qui résulte de la présence de l'absorption initiale de quantités
excessives d'hydrogène dans les métaux, habituellement avec des contraintes de traction résiduelles ou
appliquées
2.32
dommages par impact
défaut induit dans le surbobinage composite ou le liner métallique d'un réservoir sous pression à surbobinage
composite, causé par le choc d'un objet sur le réservoir ou le choc du réservoir sur un objet
2.33
protecteur des dommages par impact
dispositif physique pouvant être utilisé afin de prévenir les dommages par impact
2.34
défaut initial
défaut dans un matériau structurel avant l'application d'une charge et/ou d'un environnement nuisible
2.35
fuite avant éclatement
LBB
principe de conception qui démontre qu'à la MEOP, les défauts critiques potentiels vont traverser la paroi d'un
matériel métallique sous pression ou le liner métallique d'un réservoir sous pression à surbobinage composite
et engendrer des fuites significatives réductrices de pression, sans éclatement ou rupture (défaillance
catastrophique)
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2.36
charge limite
charge ou ensemble de charges les plus grandes prévues qu'une structure peut subir au cours de sa durée
de vie utile, compte tenu des environnements de fonctionnement applicables
NOTE La contrainte correspondante est dite contrainte limite.
2.37
cas de chargement
condition particulière de pression, température, et charge qui se présentent simultanément pour certaines
parties des structures, pendant la durée de vie utile
2.38
spectre de charge
représentation du chargement cumulé prévu pour la structure dans tous les environnements de
fonctionnement prévus
NOTE Les charges significatives de transport et de manutention sont comprises.
2.39
marge de sécurité
MS
marge exprimée par l'équation suivante:
Charge admissible
MS = − 1
Charge limite × Facteur de sécurité
NOTE Charge peut signifier contrainte ou déformation.
2.40
pression maximale de calcul
MDP
la pression la plus élevée définie par la pression maximale de décharge, la pression maximale de régulateur
et/ou la température maximale; y compris les pressions transitoires, auxquelles un réservoir sous pression
retient deux tolérances de panne sans défaillance
NOTE Dans le présent document le terme MDP est applicable uniquement aux récipients sous pression.
2.41
pression de fonctionnement maximale prévue
MEOP
la plus forte pression différentielle à laquelle il est prévu qu'un matériel sous pression sera soumis pendant sa
durée de vie utile, tout en conservant sa fonctionnalité, compte tenu de ses environnements de
fonctionnement
2.42
dommages mécaniques
défaut induit dans le surbobinage composite ou le liner métallique d'un réservoir sous pression à surbobinage
composite, causé par des abrasions de surface ou des coupures ou des impacts
2.43
réservoir sous pression à surbobinage composite, à liner métallique
réservoir sous pression à surbobinage composite, muni d'un liner métallique
NOTE Dans le présent document, l'expression «réservoir sous pression à surbobinage composite» doit s'entendre
pour un réservoir sous pression à liner métallique.
2.44
matériels métalliques
matériels faits de matières métalliques
NOTE Dans le présent document ces termes se réfèrent aux réservoirs métalliques sous pression, aux structures
métalliques sous pression et aux liners des réservoirs sous pression à surbobinage composite.
2.45
liner métallique à réponse plastique
liner métallique d'un réservoir sous pression à surbobinage composite, qui peut, au moins une fois, avoir une
réponse plastique lorsque soumis à une pression quelconque jusqu'à, et incluant, la limite de la pression
d'épreuve, après l'autofrettage
2.46
réservoir sous pression
récipient conçu principalement pour le stockage de fluides sous pression, et qui est conforme à l'un des
critères suivants:
a) renferme un gaz ou un liquide à un niveau d'énergie supérieur;
b) renferme un gaz ou un liquide qui provoquerait un accident, à l'état libre;
c) renferme un gaz ou un liquide à un niveau de pression supérieur.
NOTE 1 Cette définition exclut les structures sous pression, les composants sous pression et le matériel sous pression.
NOTE 2 Les niveaux d'énergie et de pression sont déterminés par chaque projet, et sont approuvés par les donneurs
d'ordre (clients); lorsque les valeurs ne sont pas définies par le projet, on utilise les valeurs suivantes:
énergie emmagasinée de 19 310 J ou davantage, en fonction de la détente adiabatique du gaz parfait;
MEOP supérieure ou égale à 0,69 MPa.
2.47
matériel sous pression
matériels métalliques qui présentent principalement une pression interne
NOTE Dans le présent document ces termes se réfèrent à tous les réservoirs sous pression et à toutes les
structures sous pression (2.48).
2.48
structure sous pression
structure destinée à la fois à subir une pression interne et à supporter des charges structurelles du véhicule
EXEMPLE Les réservoirs de propergol principaux d'un lanceur, les cabines d'équipage ou les modules habités.
2.49
système pressurisé
système composé de réservoirs sous pression ou de structures sous pression, ou de chacun, ainsi que
d'autres composants sous pression tels que conduites, raccords, vannes, et soufflets qui sont exposés à la
pression active et sont conçus structurellement principalement en fonction de celle-ci
NOTE Les dispositifs électriques ou autres dispositifs de contrôle requis pour le fonctionnement des systèmes ne
sont pas couverts par ce terme.
2.50
facteur d'épreuve
facteur de multiplication appliqué à la charge limite MEOP (ou MDP) afin d'obtenir la charge d'épreuve ou la
pression d'épreuve en vue d'essai d'acceptation
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2.51
pression d'épreuve
produit de la MEOP (ou MDP) et d'un facteur d'épreuve
NOTE La pression d'épreuve est utilisée pour démontrer la qualité de l'exécution des travaux et la qualité des
matériaux et/ou encore établir la taille maximum des défauts initiaux dans la démonstration de la durée de vie assurée
d'un matériel métallique.
2.52
essais de qualification
essais contractuels formels requis afin de démontrer que la conception, la fabrication et l'assemblage
permettent d'obtenir des matériels conformes aux spécifications techniques
2.53
résistance résiduelle
valeur maximale de la charge et/ou de la pression (contrainte) que peut supporter un corps fissuré ou
endommagé
2.54
contrainte résiduelle
contrainte qui demeure dans une structure après le traitement, la fabrication, l'assemblage, les essais, ou le
fonctionnement
EXEMPLE Contrainte résiduelle induite par soudage.
2.55
durée de vie assurée
période assurée pendant laquelle un matériel métallique, même possédant la plus grande crique non décelée,
pourrait, selon les analyses ou les essais, supporter les charges et l'environnement de fonctionnement prévus
sans risque de défaillance catastrophique
2.56
récipient scellé
réservoir, récipient ou boîtier autonome (non rattaché à un système pressurisé) qui est hermétique afin de
conserver un milieu interne non dangereux et qui présente une énergie emmagasinée de moins de 19 310 J
et une pression interne de moins de 0,69 MPa
2.57
durée de vie utile
période (ou cycle) qui débute avec la fabrication du matériel sous pression et se poursuit à travers toutes les
étapes: essais d'acceptation, manutention, entreposage, transport, lancement, opérations orbitales, remise à
neuf, nouveaux essais, rentrée dans l'atmosphère après orbite et réutilisation, qui peuvent être requises pour
l'article en question
2.58
pression de calibrage
pression à laquelle un réservoir sous pression à surbobinage composite est soumis dans l'intention de
produire un écoulement plastique du liner métallique
NOTE L'opération de calibrage, aussi appelée autofrettage, est considérée comme faisant partie du processus de
fabrication et est effectuée avant l'essai d'acceptation.
2.59
rupture par corrosion sous contrainte
processus induit de rupture mécanique et environnementale dans lequel une contrainte de traction soutenue
et une attaque chimique sont combinées, pouvant initier et propager une crique ou un défaut assimilé à une
crique dans une partie métallique
2.60
facteur d'intensité de contrainte
paramètre utilisé en mécanique des ruptures élastiques linéaires pour caractériser le comportement
contrainte-déformation à la pointe d'une crique contenue dans un corps linéaire élastique et homogène
2.61
tenue au fluage
durée minimale pendant laquelle un matériel en composite conserve son intégrité structurale, compte tenu
des effets combinés du (des) niveau(x) de contrainte, de la durée de cette (ces) contrainte(s) et des
environnements associés
2.62
charge extrême
produit de la charge limite et du facteur extrême de sécurité de calcul
2.63
seuil des dommages visuels
niveau d'énergie d'impact démontré par un essai ou des essais et qui crée une indication à peine décelable
par un inspecteur utilisant une technique d'inspection visuelle sans assistance
2.64
charge à limite élastique
produit de la charge limite et du facteur de sécurité à la limite élastique
3 Exigences générales
3.1 Introduction
Ce paragraphe énonce les exigences d'ordre général pour l'analyse, la conception et la vérification du
matériel sous pression, couvrant
a) l'analyse des systèmes,
b) la conception et l'analyse des structures,
c) la sélection des matériaux,
d) la démonstration de la fatigue et de la durée de vie assurée,
e) le contrôle des criques et/ou des dommages,
f) l'assurance de la qualité, et
g) le fonctionnement et l'entretien.
3.2 Exigences de l'analyse des systèmes
On doit procéder à une analyse détaillée du système pressurisé dans lequel le matériel sous pression sera
utilisé afin d'établir la MEOP appropriée. On doit déterminer quel est l'effet de chacun des paramètres de
fonctionnement des divers composants sur la MEOP; de plus, on doit tenir compte des exigences en
tolérance aux défauts; caractéristique de verrouillage du régulateur de pression, activation de vanne et coup
de bélier, et n'importe quelles charges et environnements extérieurs, doivent être évalués sur la durée de vie
utile entière du matériel utilisé.
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3.3 Exigences générales de conception
3.3.1 Charges, pressions, et environnements
On doit déterminer, conformément aux exigences de mission particulières, l'inventaire complet de l'historique,
pendant la durée de vie utile, des charges, des pressions et des températures, ainsi que l'environnement
associé. Au minimum les facteurs et variations statistiques suivants doivent être considérés comme adéquats:
a) les charges et pressions induites par l'environnement;
b) les environnements agissant en simultanéité avec ces charges et pressions, et leurs relations
appropriées;
c) la fréquence d'application de ces charges, pressions, et environnements, y compris leurs niveaux, nombre
de cycles, durées et séquences.
Ces données doivent être utilisées afin de définir les spectres de charge et d'environnement qui seront utilisés
tant pour l'analyse de conception que pour les essais. Les spectres de conception doivent être révisés au fur
et à mesure que la conception structurelle et l'analyse des charges évolueront.
Les termes MDP et MEOP désignent deux niveaux de pression de base pouvant être utilisés dans la
conception et l'essai des réservoirs sous pression. Dans le présent document, le terme MEOP désigne le
niveau de pression de base principal. S'il est demandé que MDP soit utilisé comme le niveau de pression de
base principal, MDP peut être substitué à MEOP.
3.3.2 Résistance
3.3.2.1 Réservoirs sous pression
Tous les réservoirs sous pression doivent posséder une résistance suffisante pour supporter les charges
limitent ainsi que les pressions limites produites simultanément, et ce dans l'environnement prévu et pendant
toute la durée de vie utile, sans connaître de déformation dommageable. Ils doivent être capables de
supporter des charges ultimes ainsi que les pressions ultimes associées dans l'environnement prévu pendant
toute la durée de vie utile, sans connaître de rupture ni d'effondrement. De plus, ils doivent être en mesure de
supporter des charges et des pressions externes ultimes (déstabilisantes) sans déformation ni rupture
lorsqu'ils sont soumis à une pression interne, à la pression minimale de fonctionnement anticipée.
Au cours des essais, tous les réservoirs sous pression doivent être capables de supporter la pression d'essai
sans déformation dommageable et la pression d'éclatement de calcul lors de l'essai de qualification, sans
déformation ni rupture.
Lorsqu'un essai de pressurisation ou de qualification est effectué à une température autre que celle de
conception, on tiendra compte, dans la détermination des charges ou des pressions, de la modification des
propriétés du matériau sous cette température. La marge de sécurité doit être positive et sera déterminée au
moyen d'analyses ou d'essai aux niveaux de calcul ultimes et limites; lorsque cela sera approprié, aux
températures prévues pour toutes les conditions.
3.3.2.2 Structures sous pression
Les cas de chargement critiques pour une structure sous pression doivent être choisis en fonction des
antécédents de charge et des durées de pressurisation en tenant compte des combinaisons de charges, de
température et de pression différentielle. Pour chaque cas de chargement critique, la marge de sécurité doit
être déterminée pour chaque partie de la structure sous pression en fonction de la pire combinaison des
charges, pressions différentielles et températures avec les facteurs de sécurité associés.
Toutes les structures sous pression doivent supporter:
a) la pression d'épreuve sans écoulement plastique brut ni déformation dommageable au cours des essais
de pressurisation;
b) la pression d'éclatement de calcul sans rupture ni déformation au cours des essais de qualification.
Lorsqu'un essai de pressurisation est effectué à une température autre que celle de conception, on tiendra
compte, dans la détermination de la pression d'épreuve, de la modification des propriétés du matériau.
Les structures sous pression soumises à des modes de défaillance par instabilité ne doivent pas se déformer
sous des charges ultimes, ni dégrader le fonctionnement d'un système en raison de la déformation de
flambage élastique, sous des charges limites. L'évaluation de la résistance au flambement doit tenir compte
de l'action combinée de toutes les contraintes et leurs effets sur l'instabilité générale, l'instabilité locale ou de
panneau, ainsi que la déformation. Les charges de calcul pour le flambement doivent être des charges
ultimes, excepté que toute charge qui tend à atténuer le flambement ne doit pas être augmentée par le facteur
de sécurité ultime de calcul. La pression de déstabilisation doit être multipliée par le facteur d'éclatement,
mais la pression stabilisatrice interne ne doit pas être augmentée, sauf si elle réduit la tenue de la structure.
La marge de sécurité minimale doit être positive et sera déterminée au moyen d'analyses ou d'essais.
3.3.3 Rigidité
Tout matériel sous pression doit posséder une rigidité suffisante pour empêcher les déformations
dommageables sous des charges et des pressions limites, et ce dans l'environnement prévu et pendant toute
la durée de vie utile correspondante. La rigidité du matériel sous pression doit prévenir tous les effets
dommageables des charges et de toute réponse dynamique associés à la flexibilité structurelle, en évitant
l'interaction avec les autres systèmes du véhicule. Le cas échéant, la pression interne minimale requise pour
la stabilité structurale sera identifiée et deviendra une exigence de conception.
3.3.4 Effets thermiques
La conception de tout matériel sous pression doit tenir compte des effets thermiques suivants, selon le cas:
a) les vitesses d'échauffement;
b) les températures;
c) les gradients thermiques;
d) les contraintes et déformations thermiques;
e) les modifications des propriétés physiques et mécaniques des matériaux de construction.
Les effets seront basés sur des valeurs de température extrêmes qui simulent celles prévues pour les
environnements de fonctionnement, et il sera tenu compte d'une marge de conception, selon le cas.
3.3.5 Analyse de contrainte
3.3.5.1 Matériels métalliques
Une analyse de contrainte détaillée et complète doit être effectuée pour chaque nouveau matériel métallique,
en présumant qu'il n'existe aucun défaut assimilable à une crique dans le matériel. L'analyse doit déterminer
les contraintes résultant de l'effet combiné de la pression, des charges au sol et de vol, de la température et
de ses gradients. Les contraintes de membrane et de flexion résultant des pressions internes et des charges
externes doivent être calculées afin de tenir compte des effets suivants, selon le cas:
a) les discontinuités géométriques;
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b) la configuration de conception;
c) les supports de fixation structurels;
d) les effets non linéaires matériels et géométriques.
Les charges et pressions doivent être combinées en prenant un facteur de sécurité de calcul approprié pour
chacune d'entre elles, et on comparera les résultats obtenus par rapport aux caractéristiques admissibles du
matériau. Les facteurs de sécurité d'origine pour les charges externes seront ceux de la structure primaire
comprenant le système pressurisé. Pour tous les matériels métalliques, les solutions classiques sont
acceptables si la géométrie et les conditions de chargement sont suffisamment simples. Les techniques
d'analyse par éléments finis et d'autres techniques d'analyse équivalentes éprouvées doivent être utilisées
pour calculer les contraintes, les déformations, et les déplacements pour des géométries et des conditions de
chargement complexes. On doit construire, si besoin est, des modèles locaux afin de parfaire le modèle
d'ensemble dans les domaines de contraintes rapidement variables. La méthodologie d'analyse doit être
vérifiée au moyen de résultats d'essai fiables.
On doit utiliser l'épaisseur de matière minimale indiquée dans les dessins de conception pour calculer les
contraintes. Toutefois, on peut utiliser, avec l'accord du donneur d'ordre (client), des épaisseurs nominales
pour l'analyse du flambement, épaisseurs basées sur des essais suffisants et de bonnes assises théoriques.
On doit considérer, le cas échéant, l'influence des tolérances (y compris les dimensions hors-tout et
l'épaisseur) pour l'évaluation de la condition la plus critique.
La résistance du matériau admissible doit prendre en compte les effets de la température, des cycles et des
gradients thermiques, ainsi que des variables de traitement et de la durée associée aux environnements de
conception. Les marges de sécurité minimales associées aux matériaux de base, aux joints soudés et aux
zones affectées par la chaleur doivent être calculées et compilées pour tous les matériels métalliques, ainsi
que leurs emplacements et niveaux de contrainte. La marge de sécurité doit être positive par rapport aux
exigences de résistance et de rigidité énoncées aux alinéas 3.3.2 et 3.3.3 respectivement.
3.3.5.2 Réservoirs sous pression à surbobinage composite
Une analyse de contrainte détaillée et complète de la partie composite doit être effectuée pour toute nouvelle
conception d'un réservoir sous pression à surbobinage composite, en présumant qu'il n'existe aucun
dommage mécanique dans le composite. Les charges et pressions doivent être combinées avec les facteurs
de sécurité appropriés, et il sera procédé à une comparaison des résultats obtenus par rapport au matériau
admissible.
Les techniques d'analyse par éléments finis ou d'autres techniques d'analyse équivalentes éprouvées qui sont
basées sur les théories composites appropriées doivent être utilisées pour analyser la partie composite. On
doit effectuer une évaluation des effets de l'orientation des plis, de la séquence d'empilage et des
discontinuités géométriques. Dans le calcul des contraintes et déformations, on doit tenir compte de l'effet de
la variation dans l'épaisseur du matériau et ses gradients. On doit élaborer, le cas échéant, des modèles
locaux afin de parfaire le modèle d'ensemble dans les domaines de contraintes rapidement variables. Une
telle méthodologie d'analyse doit être vérifiée au moyen de résultats d'essai fiables. Les marges de sécurité
doivent être positives pour toutes les conditions de charge appliquées sur le composite, sur la base des
caractéristiques admissibles sur la base «A».
3.3.5.3 Rapport des analyses de contrainte
Les données sur l'analyse des contraintes doivent être tenues à jour et consignées dans le rapport d'analyse
de contrainte qui doit inclure les paramètres d'entrée, les données, les hypothèses, les méthodes, les
justifications, les références et un résumé des résultats significatifs. L'analyse doit être réexaminée et mise à
jour chaque fois que des modifications surviennent dans les paramètres d'entrée, ainsi l'information est tenue
à jour pendant toute la durée du programme.
3.3.6 Démonstration du mode de défaillance LBB (fuite avant éclatement)
3.3.6.1 Généralités
On doit démontrer, par voie d'analyse ou d'essai, le mode de défaillance LBB de tous les réservoirs
métalliques et structures métalliques sous pression, ainsi que de tous les liners métalliques à réponse
élastique. Pour les liners à réponse plastique, le mode de défaillance LBB doit être démontré au moyen
d'essai seulement.
La démonstration LBB peut être omise s'il existe des données suffisantes provenant de modèles de
conceptions semblables qui ont permis de démontrer le mode de défaillance LBB.
3.3.6.2 Analyses LBB (fuite avant éclatement)
Lorsqu'il est procédé à la démonstration du mode de défaillance LBB au moyen d'analyses, on doit utiliser les
principes de la mécanique des ruptures élastiques linéaires. On doit démontrer alors que, à MEOP, une
crique de surface initiale ayant une forme de défaut (a/2c), se situant entre 0,1 et 0,5, doit satisfaire aux
conditions suivantes:
a) la crique ne causera pas d'éclatement comme crique de surface;
b) elle grandira au travers de l'épaisseur de la paroi du matériel pour devenir une crique dont la longueur est
égale à dix fois l'épaisseur de la paroi du matériel tout en demeurant stable.
3.3.6.3 Essai LBB (fuite avant éclatement)
Lorsque l'on démontre au moyen d'essais le mode de défaillance LBB, on doit utiliser comme éprouvettes des
coupons ou des éléments à l'échelle 1/1 ayant des criques de surface préfabriquées. Les éprouvettes doivent
dupliquer les matériaux (métaux de base, joints soudés, et zones soumises à la chaleur) et l'épaisseur du
matériel métallique. Si on utilise un élément à l'échelle 1/1, celui-ci doit être représentatif du matériel de vol.
La forme des criques de surface préfabriquées doit être de 0,1 à 0,5. Si on utilise des coupons, on doit
appliquer des cycles de contrainte (ou déformation) de façon à ce que la contrainte (ou déformation)
maximale corresponde au niveau prévu à la MEOP et que la contrainte (ou déformation) minimale soit zéro,
soit la valeur réelle de la contrainte (ou déformation), selon celle qui est la plus conservatrice, et ce jusqu'à ce
que la crique de surface grandisse au travers de l'épaisseur de l'éprouvette et devienne traversant. Le mode
de défaillance LBB est démontré lorsque la longueur de la crique traversant est W 10 fois l'épaisseur de
l'éprouvette et qu'elle demeure stable.
3.3.7 Durée de vie en fatigue
3.3.7.1 Matériels métalliques
Si on utilise l'analyse traditionnelle pour démontrer la durée de vie en fatigue d'un matériel métallique sans
défaut, on doit avoir recours aux valeurs nominales de caractéristiques, y compris les données sur la durée
sous contrainte (S-N) ou la durée sous tension (ε-N) des matériaux. Ces données doivent être tirées de
sources fiables approuvées par les donneurs d'ordre (clients). L'analyse doit pouvoir justifier les spectres de
charge, pression et environnement prévus. La règle des dommages linéaires cumulatifs (règle de Miner) est
une méthode acceptable pour traiter du chargement cyclique à fatigue d'amplitude variable. Sauf indication
contraire, un facteur de vie de quatre sera utilisé dans l'analyse de la fatigue. La limite pour les dommages de
fatigue accumulée, lorsque la règle de Miner est utilisée, est de 80 % de la limite normale. Cette règle de
Miner s'exprime par la formule mathématique:
Σ n / N u 0,8
i i
où
n est égal à quatre fois le nombre de cycles appliqués au niveau de contrainte i;
i
N est le nombre de cycles avant la défaillance au niveau de contrainte i, et la sommation est de
i
i = 1 à k.
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La prédiction analytique peut être remplacée par des essais de spécimens sans défaut pour démontrer la
durée de vie en fatigue d'un matériel métallique. Les exigences de durée de vie en fatigue sont satisfaites
lorsque les spécimens sans défaut, représentant des secteurs critiques comme la section des membranes,
les joints soudés, les zones affectées par la chaleur, les sections de transition des bossages ou un article à
l'échelle 1/1, supportent avec succès les charges et les pressions de service dans les environnements de
fonctionnement prévus, sans rupture, pendant les cycles et la durée d'essai prévus. La durée d'essai requise
est au moins quatre fois celle de la durée de vie utile ou du nombre de cycles précisés.
3.3.7.2 Réservoirs sous pression à surbobinage composite
Pour la partie composite des réservoirs sous pression, l'analyse portera sur la réponse aux contraintes
alternées dans tout le spectre de charge, pression et environnement prévu. Les essais des spécimens sans
défaut au moyen d'éprouvettes ou d'articles à l'échelle 1/1 sont une méthode acceptable. Lorsque cette option
est adoptée, on doit satisfaire aux exigences énoncées pour l'essai en 3.3.7.1.
3.3.7.3 Rapport sur les analyses et l'essai de fatigue
Un rapport sur l'analyse ou l'essai de fatigue doit être préparé et coordonné étroitement avec le rapport sur
l'analyse de contrainte. Le rapport sur les analyses de fatigue fera état des résultats obtenus, soit les données
et les analyses, sur les spectres de charge, les environnements et la fatigue (S-N) ou (ε-N). Le rapport sur
l'essai de fatigue fera état de la configuration des spécimens, de l'élaboration des essais, des spectres et
environnements de charges et des résultats obtenus.
3.3.8 Démonstration de la durée de vie assurée
3.3.8.1 Généralités
On doit démontrer, par voie d'analyse et/ou au moyen d'essai, la durée de vie assurée des matériels
méta
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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