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
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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 14623:2003(E)
©
ISO 2003
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ISO 14623:2003(E)
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Published in Switzerland
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ISO 14623:2003(E)
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
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ISO 14623:2003(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(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
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
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.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
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.
iv © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 14623:2003(E)
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.
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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)
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ISO 14623:2003(E)
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
2 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 14623:2003(E)
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
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ISO 14623:2003(E)
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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ISO 14623:2003(E)
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
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ISO 14623:2003(E)
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
6 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 14623:2003(E)
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
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ISO 14623:2003(E)
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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ISO 14623:2003(E)
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.
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ISO 14623:2003(E)
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 o
...
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 14623:2003(F)
©
ISO 2003
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ISO 14623:2003(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2003 — Tous droits réservés
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ISO 14623:2003(F)
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
© ISO 2003 — Tous droits réservés iii
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ISO 14623:2003(F)
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
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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.
iv © ISO 2003 — Tous droits réservés
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ISO 14623:2003(F)
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.
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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
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ISO 14623:2003(F)
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
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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.
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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
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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
...
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