Мембранная грузовая емкость для транспортировки и хранения сжиженного природного газа

Мембранная грузовая емкость для транспортировки и хранения сжиженного природного газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области транспортного судостроения, средствам морской транспортировки и хранения сжиженного природного газа (СПГ) и касается вопроса создания мембранной грузовой емкости для его транспортировки и хранения.

Известна мембранная грузовая емкость для транспортировки и хранения СПГ, состоящая из составной оболочки, образующей герметичный и термоизолированный резервуар, встроенный в несущую конструкцию судна (европейские патенты №248721 и №573327). Резервуар содержит два герметичных барьера, причем первичный барьер находится в контакте с веществом, содержащимся в резервуаре, а вторичный барьер расположен между первичным барьером и несущей конструкцией; вышеупомянутые герметичные барьеры чередуются с двумя термоизолирующими барьерами (первичным и вторичным).

Патенты Франции №1376525 и №1379651, а также патент Российской Федерации 2282101, опубл. 20.08.2006, бюллетень №23 (прототип) описывают конструкцию мембранной грузовой емкости, содержащую в качестве первичного герметичного барьера контактирующие с СПГ металлические пластины с волнистыми гофрами, на поверхности которых сформированы две серии волн, между которыми расположены плоские поверхности. Первая серия расположена перпендикулярно к волнам второй серии. Волны одной серии имеют высоту, меньшую, по сравнению с волнами второй серии, так, что волны первой серии прерываются при их пересечении с волнами второй серии.

Недостатками такого конструктивного решения является низкая прочность и надежность первичного герметичного барьера при внешних силовых воздействиях и перепадах температуры при заливании и опорожнении грузовой емкости. Эти недостатки обусловлены следующими причинами:

- глубоким пластическим деформированием листов первичного барьера при его изготовлении, связанным с необходимостью (для достижения требуемой формы изделия) образования в нем больших остаточных деформаций и напряжений, вызванных локальным растяжением и сжатием, которые весьма негативно сказываются в дальнейшем на статической и усталостной прочности барьера;

- появлением значительных локальных напряжений в зонах глубокого пластического деформирования при статических и динамических внешних воздействиях со стороны перевозимой (хранимой) жидкости, а также при температурных воздействиях, связанных с заполнением (опорожнением) грузовой емкости жидкостью.

Наличие такого недостатка особенно негативно сказывается при создании больших грузовых емкостей, а также при эксплуатации частично заполненных емкостей, сопряженной с появлением слошинга (биения СПГ о боковые стенки резервуара во время транспортировки), и выражается в потере герметичности конструкции, в пластическом деформировании волнистых гофров в зоне их пересечения и в увеличении вероятности появлений в ней усталостных трещин. Увеличение толщины пластин не ведет к ликвидации недостатков конструкции, поскольку увеличивает материалоемкость конструкции, снижает гибкость герметичного барьера, которая необходима (особенно в районе пересечения волнистых гофров) для обеспечения возможности термического сжатия и растяжения пластин без риска нарушения герметичности.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности и надежности мембранной грузовой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа, уменьшение вероятности нарушения ее герметичности.

Для достижения указанного технического результата предлагаются следующие решения. По изобретению первичный герметичный барьер грузовой емкости выполнен в виде гофрированной однослойной или двухслойной пластины, причем гофры имеют волнообразную форму, а вершины и впадины волн образуют форму зигзага. При однослойном исполнении пластина выполняется из нержавеющей стали или алюминиевого сплава, при двухслойном исполнении металлическая пластина с внутренней стороны емкости имеет стеклопластиковый слой, представляющий собой обформовку металлической пластины. Отдельные гофрированные пластины, образующие первичный герметичный барьер, соединены между собой, причем металлические листы соединены с помощью сварки (преимущественно внахлест). С внутренней стороны пластина соприкасается с сжиженным природным газом. С внешней стороны волнообразные лунки пластины заполнены пористым синтетическим материалом. В качестве заполнителя может использоваться композиция на основе полиуретана или поливинилхлорида, сферопластик, пенопласт, либо паста на основе рубленного стекловолокна и связующего.

Выполнение герметичного первичного барьера в виде пластины с волнистыми зигзагообразными гофрами обеспечивает его высокую податливость при перепадах температуры, связанных с заливанием газа в грузовую емкость или с ее опорожнением, а также низкий уровень температурных напряжений в конструкции барьера. Наличие заполнителя в лунках с внешней стороны первичного барьера обеспечивает низкий уровень напряжений в конструкции барьера, обусловленных статическими и динамическими силовыми воздействиями жидкости. Отсутствие зон пересечения гофров (их непрерывность) обеспечивает при одинаковой материалоемкости более высокий уровень прочности предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом. Наличие с внутренней строны емкости обформовки металлического листа герметичного первичного барьера стеклотканью (преимущественно биаксиальной, либо квадроакспальной) второго стеклопластикового слоя дает возможность применения при изготовлении герметичного первичного барьера малой толщины металлической пластины (фольги) и существенно повышает теплоизоляционные свойства этого барьера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны:

- фрагмент емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа, являющейся прототипом предлагаемого изобретения (фиг.1);

- внутренняя поверхность герметичного первичного барьера грузовой емкости-прототипа (фиг.2);

- фрагмент предлагаемой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа (фиг.3);

- внутренняя поверхность первичного герметичного барьера предлагаемой грузовой емкости (фиг.4);

- вид в плане первичного герметичного барьера предлагаемой емкости (фиг.5);

- сечение первичного герметичного барьера по А-А, расположение которого указано на фиг.5, при однослойном исполнении гофрированной пластины (фиг.6);

- сечение первичного герметичного барьера по Л-А, расположение которого указано на фиг.5, при двухслойном исполнении гофрированной пластины (фиг.7);

- сечение первичного герметичного барьера по Б-Б, расположение которого указано на фиг.5, при однослойном исполнении гофрированной пластины (фиг.8);

- сечение первичного герметичного барьера по Б-Б, расположение которого указано на фиг.5, при двухслойном исполнении гофрированной пластины (фиг.9);

- рациональный способ расположения гофрированных пластин, соединенных между собой при сварке герметичного первичного барьера грузовой емкости (фиг.10).

Перечни конструктивных элементов 1-5 для прототипа и предлагаемой конструкции аналогичны (фиг.1, 3). Емкость для транспортировки и хранения сжиженного газа содержит первичный герметичный барьер 1, вторичный герметичный барьер 2, первичный теплоизоляционный барьер 3, вторичный теплоизоляционный барьер 4. Емкость закреплена на силовой конструкции 5 корпуса судна. Первичный герметичный барьер включает гофрированную металлическую пластину 6 и заполнитель лунок с внешней стороны барьера 7.

Достижение технического результата с помощью предлагаемого исполнения емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа осуществляется следующим образом. При перепадах температур, связанных с заливанием газа в грузовую емкость или с ее опорожнением, температурное расширение или сужение элементов металлических пластин герметичного первичного барьера сопровождается их изгибом в районах вершин и впадин волновых поверхностей гофров и пренебрежимо малым растяжением или сжатием серединных поверхностей пластин. В результате цепные температурные напряжения в пластине крайне малы, а изгибные температурные напряжения не могут достигать значительных величин вследствие малости толщины пластины. Высокая податливость заполнителя лунок, обусловленная значительно более низкими значениями упругих характеристик полимерных материалов по сравнению с металлическими, обеспечивает низкий уровень температурных напряжений в заполнителе. Вместе с тем, он эффективно передает давление жидкости на первичный теплоизоляционный барьер, исключая появление больших напряжений в металлической пластине, вызванных этим давлением.

Рекомендуется соединение отдельных пластин герметичного барьера по боковым кромкам с помощью сварки таким образом, чтобы соседние пластины имели взаимно перпендикулярные направления ориентации гофров (при этом пластины с различной ориентацией гофров располагаются в шахматном порядке), что способствует дальнейшему снижению температурных напряжений.

Таким образом, предлагаемая конструкция корпуса судна позволяет снизить уровень напряженности элементов первичного герметичного барьера, обеспечить повышение надежности и прочности мембранной грузовой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа и уменьшить вероятность нарушения ее герметичности, что выгодно отличает ее от прототипа.

1. Резервуар для транспортировки или хранения сжиженного природного газа, содержащий структурированную термоизолированную оболочку, закрепленную на несущей конструкции транспортного судна или емкости для хранения сжиженного газа и состоящую из нескольких слоев, по меньшей мере, один из которых является металлическим, герметичным, находится в контакте с перевозимым или хранящимся сжиженным газом и содержит волнообразные гофры, отличающийся тем, что вершины и впадины волн образуют форму зигзагов, волнообразные лунки между гофрами с внешней стороны заполнены пористым синтетическим материалом или пастой на основе рубленного стекловолокна и связующего.

2. Резервуар для транспортировки или хранения сжиженного природного газа по п.1, отличающийся тем, что герметичный слой, находящийся в контакте с перевозимым или хранящимся сжиженным газом, представляет собой металлическую гофрированную пластину, обформованную с внутренней стороны емкости стеклопластиком.

3. Резервуар для транспортировки или хранения сжиженного природного газа по пп.1 и 2, отличающийся тем, что соединенные (с помощью сварки) по боковым кромкам пластины имеют взаимно перпендикулярные направления ориентации гофров, а пластины с различной ориентацией гофров расположены в шахматном порядке.