Ячеистые танки для хранения текучей среды при низких температурах - RU2379577C2
Код документа: RU2379577C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к танку (резервуару) для хранения текучей среды (флюида), предпочтительно текучих сред (флюидов) при низких температурах, к многослойной структуре "сэндвич" для использования в танке и к способу изготовления танка.
Уровень техники
Существует потребность в хранении сжиженного природного газа (СПГ) при криогенной температуре и при давлении, близком к атмосферному, на всех этапах добычи и доставки СПГ:
а) на стационарных и плавучих производственных установках (установках для сжижения газа);
б) на наземных предприятиях по производству и хранению;
в) при транспортировке на судах;
г) на стационарных и плавучих приемных терминалах, возможно, оснащенных оборудованием для регазификации;
д) на наземных приемных терминалах и установках для регазификации.
Офшорные производственные установки и приемные терминалы соответствуют новым участкам в цепи добыча-доставка СПГ, и в настоящее время ведется изучение нескольких проектов и концепций в этой области. Танки на плавучих производственных установках и на приемных терминалах будут использоваться при различных скоростях заполнения, и для некоторых систем танков это может представлять проблему. В связи с перемещениями конструкции, обусловленными воздействием волн, в частично заполненном танке будут возникать волны и динамическое движение текучей среды, что приведет к высоким динамическим давлениям на конструкцию танка. Этот важный эффект, называемый плесканием, может представлять конструктивную проблему для большинства существующих концепций танков.
Для офшорных производственных установок важным фактором является форма танков, поскольку обычно они будут располагаться внутри некоторой конструкции, тогда как производственное оборудование будет располагаться на палубе, т.е. над танками. Предпочтительными являются призматические танки, поскольку они позволяют наилучшим образом использовать выделяемый для них объем. Другим аспектом, важным для офшорных производственных установок, является технология изготовления и установки танков. Заранее изготовленные танки, которые могут транспортироваться к месту установки в виде единой детали или в виде небольшого количества компонентов, сокращают суммарные затраты времени и, следовательно, стоимость. Кроме того, применительно к полностью изготовленному танку обеспечивается возможность провести до его установки испытание на течи. Системы мембранных танков имеют сложную конструкцию, и их сборку необходимо производить на месте установки, внутри законченной конструкции, так что сооружение подобных систем обычно занимает 12 месяцев и более.
Применительно к транспортированию на надводных судах доминирующее положение на рынке занимают две главные системы танков: система сферических танков фирмы Moss и системы мембранных танков, разработанные фирмой GTT (Gaz Transport et Technigaz, Франция). Свободно стоящий танк SPB, разработанный фирмой IHI (Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd., Япония), представляет собой еще одну возможную систему. Максимальная вместимость судов для перевозки СПГ, выпускаемых в настоящее время, составляет 138000-145000 м3, тогда как рынок уже требует судов вместимостью 200000-250000 м3. Суда таких размеров могут представлять проблему для существующих систем танков. Одна из главных конструктивных проблем, связанных с существующими системами, состоит в длительном периоде сооружения. Типичная продолжительность строительства судна, вмещающего 145000 м3 СПГ, составляет 20 месяцев или более, причем главными узкими местами являются изготовление и испытание систем танков. Новые сложности для систем танков возникают в связи с планируемыми офшорным заполнением и опорожнением, которые требуют разработки танков, рассчитанных на частичное заполнение и на ассоциированные с этим динамические давления при плескании.
Концепция сферических танков фирмы Moss была первоначально разработана в 1969-1972 гг. с использованием в качестве криогенного материала алюминия. Конструкция представляет собой автономный танк с частичным вторичным барьером. Теплоизоляция обычно представляет собой пенопласт, наложенный на наружную стенку танка. Для судов и офшорных сооружений концепция сферического танка характеризуется относительно низкой степенью использования ограниченного объема; при этом она не рассчитана на возможность использования на офшорных сооружениях плоской палубы.
Разработка систем мембранных танков была начата в 1962 г.; затем они были усовершенствованы фирмой Technigaz. Современные системы состоят из тонкой первой мембраны, слоя теплоизоляции из фанерных ящиков, заполненных перлитом, или из пенопласта, второй мембраны из инвар-стали или из триплекса и, в завершение, второго слоя теплоизоляции. Мембраны из нержавеющей стали выполняют рифлеными для того, чтобы учесть тепловое сжатие и расширение мембраны, тогда как мембраны из инвар-стали рифления не требуют. Конструктивно система является довольно сложной, она требует множества специальных компонентов и большого объема сварочных работ. Сварка мембран и наличие рифлений приводит к неравномерной концентрации напряжений и к непостоянству напряжений, обусловленному плесканием. Это повышает вероятность появления трещин вследствие усталости и приводит к потенциально высокому риску течей. Плескание жидкости в частично заполненных танках в результате перемещений судна под действием волн накладывает ограничения на подобные танки: как правило, при морских перевозках не допускается заполнение в интервале 10-80%. Плескание обычно приводит к очень высоким динамическим давлениям на внутренние стенки танка, особенно в угловых зонах, что может привести к повреждению мембраны и контактирующей с ней теплоизоляции. Еще одна трудность связана с невозможностью инспекции второй мембраны.
SPB-танк, разработанный фирмой IHI, представляет собой автономный призматический танк с частичным вторичным барьером, выполненным в виде традиционной системы каркаса и облицовки, усиленной в ортогональном направлении. В состав системы входят наружная облицовка и система усиления, состоящая из элементов жесткости, каркасов, балок, стрингеров и переборок, подобных применяемым на судне традиционной конструкции. Благодаря наличию перечисленных структурных элементов плескание не рассматривается как проблема. Проблему для данной системы танков может представлять усталость, что обусловлено большим количеством деталей и концентрацией локальных напряжений. Теплоизоляция закрепляется на наружной поверхности танка, и танк опирается на систему опор в виде деревянных блоков.
Корпорация Mobil Oil разработала коробчатую конструкцию танка в форме многогранника для хранения СПГ на суше или на структурах, имеющих наземные основания. Эта конструкция описана в международной заявке PCT/US 99/22431. Танк образован жестким каркасом со шпренгельными связями, на котором закреплена оболочка для удерживания хранящегося жидкого газа внутри танка. Внутренний каркас со шпренгельными связями обеспечивает связность всего внутреннего объема танка с целью придания танку способности выдерживать динамические нагрузки, обусловленные плесканием хранящейся жидкости в результате краткосрочных возмущений, вызванных сейсмической активностью. Предварительно изготовленные секции танка собираются в месте его установки. Конструкция танка состоит из большого количества деталей, так что необходимо учитывать влияние концентрации напряжений на его срок службы, ограничиваемый усталостью.
На рынке наземных приемных терминалов и регазификационных установок доминируют цилиндрические танки, конструируемые как танки с одинарной защитой или с полной (двойной) защитой. Танк с одинарной защитой содержит внутренний резервуар и наружный контейнер. Внутренний резервуар изготавливается из криогенного материала, обычно из стали с содержанием 9% Ni. Как правило, он имеет цилиндрическую стенку с плоским днищем. Для изготовления внутренних резервуаров использовались также предварительно напряженный бетон и алюминий. Наружный контейнер обычно изготавливается из углеродистой стали. Его единственное назначение состоит в удерживании теплоизоляции в требуемом положении, и он не обеспечивает существенной защиты в случае разрушения внутреннего резервуара.
Большинство танков для хранения СПГ, построенных в последние годы по всему миру, сконструированы как танки с двойной (полной) защитой. В подобных конструкциях наружный резервуар рассчитан на сохранение всего содержимого внутреннего резервуара в случае разрушения последнего. В танках данного типа наружный резервуар (или стена) обычно конструируется в виде стены из предварительно напряженного бетона на расстоянии 1-2 м от внутреннего резервуара с размещением в межстенном пространстве теплоизоляционного материала. Наземные СПГ-танки традиционной конструкции являются дорогостоящими, период их строительства составляет примерно 1 год, причем они должны строиться в зонах, располагающих развитой локальной инфраструктурой.
Раскрытие изобретения
Главным назначением настоящего изобретения является создание нового типа высокоэффективных автономных низкотемпературных танков, которые могут иметь форму шестигранника или призмы и которые в полной мере обладают способностью к достраиванию. Другими словами, танк может быть увеличен до любых размеров с использованием принципа, по существу, повторяющейся структуры. Задачей, решаемой изобретением, является также создание танка, способного выдерживать в течение своего срока службы большое количество циклов изменения давления и температуры.
Еще одна задача состоит в создании танка с высокой объемной эффективностью. Другими словами, объем танка должен возможно более полно заполнять окружающие пространства (такие как судовые трюмы, складские секции на плавучих платформах, сегментированные зоны на наземных заводах и т.д.), которые обычно структурированы в форме шестигранников, параллелепипедов или других призм.
Дополнительная задача заключается в создании системы танков, которая решает проблему плескания внутренней текучей среды для танков, находящихся на борту судна или на плавучих установках.
Еще одна задача состоит в создании теплоизолированного автономного танка, который может, полностью или частично, изготавливаться заранее, а затем транспортироваться и устанавливаться в заданное положение в заданном месте.
Следующая задача заключается в создании низкотемпературного танка, который имеет улучшенные функциональные свойства в терминах улучшенных сопротивляемости усталости, срока службы и простоты инспекции.
Дальнейшая задача состоит в создании системы танков, которая в экономическом и техническом отношениях способна конкурировать с существующими системами аналогичного назначения.
Назначение настоящего изобретения заключается также в создании автономной системы, которая имеет структуру резервуара или ячейки и может быть изготовлена в одном месте, а затем доставлена в другое место (например, на борт судна, на плавучий терминал или на какой-то наземный участок) и установлена на этом втором месте.
Танк может быть оснащен всем необходимым оборудованием для выполнения своих функций, включая системы заполнения или опорожнения, системы мониторинга и др.
Перечисленные задачи решены благодаря созданию изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.
Изобретение относится к танку в форме призмы или шестигранника, т.е. к системе хранения текучих сред (флюидов) при очень низких температурах. Наружный резервуар содержит боковые, нижнюю и верхнюю стенки, причем, по меньшей мере, часть этих стенок содержит конструкцию, образованную из плит, которая одновременно является структурным элементом и служит предотвращению течей. В одном из вариантов данная конструкция может также обеспечивать, полностью или частично, требуемую теплоизоляцию танка. Плиты, образующие указанную конструкцию, содержат многослойную структуру типа "сэндвич". В контексте изобретения термин "сэндвич" соответствует наличию двух слоев, связанных или соединенных друг с другом посредством сердцевины с передачей нагрузки между слоями. Конкретный вариант подобной структуры с сердцевиной между двумя слоями содержит наружный слой, имеющий множество сквозных полостей, перекрытых материалом мембраны.
Конструкция из наружных плит, входящих в состав стенок, закреплена с помощью самобалансирующейся системы стенок (как правило, тонких), образующих внутреннюю ячеистую конструкцию. Такая конструкция эффективно фиксирует наружные стенки при наличии статических и динамических нагрузок, которым они подвергаются.
В предпочтительном варианте слоистая структура плит представляет собой многослойную структуру "сэндвич", которая содержит, по меньшей мере, два поверхностных листовых слоя металла или материала с аналогичными свойствами и сердцевину, расположенную между указанными слоями. Сердцевина может представлять собой непрерывный слой материала или конструкцию, содержащую перегородки различного профиля, образующие между двумя листовыми слоями структуру ячеек, в основном, ориентированных параллельно листовым слоям. Данная внутренняя конструкция может представлять собой сотовую или аналогичную структуру, расположенную между листовыми слоями. Главным при этом является способность сердцевины "сэндвича" передавать нагрузки между его листовыми слоями. Может быть также предусмотрена дополнительная теплоизоляция снаружи и/или внутри данной многослойной структуры. Преимуществом использования такой многослойной структуры с двумя листовыми слоями и сердцевиной является также возможность установки между двумя листовыми слоями средств детектирования газа.
Танк может иметь форму различных призм, однако его типичная геометрия соответствует шестиграннику или форме "коробки". Наружные боковые стенки (боковые плиты) и нижняя стенка (нижняя плита) подвержены действию статического и динамического давлений текучей среды и соответственно сконструированы с возможностью выдерживать такие нагрузки. Металлический лист или плита в виде многослойной структуры обеспечивает необходимую прочность на изгиб относительно сердцевины, которая может представлять собой конструкцию или материал, предназначенный, в основном, для передачи сил сдвига.
Сердцевина многослойной структуры может составлять часть теплоизоляции танка, например, благодаря использованию материала с очень низкой теплопроводностью, составляющего, по меньшей мере, часть материала или конструкции сердцевины. Достаточная прочность и жесткость наружной плиты может быть обеспечена также с помощью дополнительных элементов жесткости.
Наружные стенки эффективно закреплены на вертикальных линиях сопряжения со стенками внутренней ячеистой конструкции и должны, по существу, передавать нагрузки в результате воздействия плит на данные опоры. Аналогичным образом, нижняя плита может содержать многослойную структуру, предпочтительно типа сэндвича, которая подвергается давлению текучей среды и веса. Плита, соответствующая нижней стенке, по существу, передает эти нагрузки на соответствующим образом расположенные опорные средства, например на узловые точки системы стенок, образующих внутреннюю ячеистую конструкцию. Данные опорные средства, которые обеспечивают возможность относительного теплового смещения относительно фундамента, будут описаны далее.
Стены внутренней ячеистой конструкции могут быть выполнены предварительно-напряженными в своей плоскости в горизонтальном направлении с учетом усилий давления, передаваемых от наружных стенок. Применительно к танкам, расположенным на суше, стенки внутренней ячеистой конструкции могут представлять собой очень тонкие листы, размеры которых выбраны в соответствии с принципом "полностью напряженной конструкции". Очень тонкие листы могут вызывать трудности при их использовании; способ преодоления таких трудностей будет рассмотрен далее. Применительно к танкам на подвижных основаниях стенки внутренней ячеистой конструкции должны быть сконструированы с учетом и динамических нагрузок со стороны хранящейся текучей среды.
Применительно к многослойной структуре материал сердцевины в наружных плитах танка выполняет двойную функцию обеспечения частичной теплоизоляции и структурной жесткости; для выполнения этой функции он должен иметь достаточные прочность и толщину. В одном варианте сердцевина многослойной структуры может составлять основную часть теплоизоляции.
В одном из вариантов, в котором сердцевина имеет форму непрерывного слоя материала, в качестве сердцевины могут применяться материалы различных типов при условии, что они обладают приемлемыми свойствами в отношении жесткости, прочности, теплопроводности и коэффициента теплового расширения (сжатия). В типичном случае может быть использована смесь материалов, состоящая из мелкозернистых компонентов и компонентов с более крупными гранулами, внедренными в материал матрицы. Мелкозернистые компоненты могут представлять собой различные сорта песка или различные неорганические и органические материалы. Более крупные компоненты обычно представляют собой пористые зерна, которые обеспечивают прочность и теплоизоляцию при малом весе. Такими агрегатами могут быть ячеистое стекло, обожженный керамзит или иные варианты ископаемого сырья, или органические материалы, такие как пластики. Примерами агрегатных материалов, имеющихся в продаже, являются Perlite, Liaver, Liapor и Leca. Альтернативой применения легких агрегатов является внедрение в материал матрицы перед вводом связующего воздушных или газовых пузырьков.
В качестве связующего или материала матрицы можно использовать один или несколько типичных связующих материалов, таких как цементное тесто, кремнезем, полимеры или любой иной материал, который будет эффективен в данном контексте. К пасте (тесту) можно также добавлять специальные химические компоненты с целью обеспечения специальных свойств, таких как желательная вязкость, малая усадка или управление объемом, требуемая скорость отверждения, усталостные характеристики и т.д. Для достижения более высокой прочности, особенно на растяжение, в смесь могут также вводиться металлические, неорганические или органические волокна.
Как уже упоминалось, слой, образующий сердцевину, может представлять собой конструкцию, сформированную перегородками между двумя листовыми слоями с получением между листовыми слоями ячеек различной формы. Эти ячейки будут ориентированы в продольном направлении, в основном, параллельном плоскостям листов. При этом могут иметься перегородки, ориентированные, в основном, поперечно по отношению к плоскостям листов или образующие с ними угол, отличный от 90°, или формирующие структуру, близкую к сотовой.
Существует несколько методов получения многослойной структуры в наружных плитах танка в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения. Материал сердцевины в виде непрерывного слоя материала может быть непосредственно введен в текучем состоянии в пространство между листовыми слоями, выполняющими функцию формы для заливки материала сердцевины. Альтернативно, материал сердцевины может быть приготовлен как полуфабрикат в виде листов или блоков, которые вводятся в виде густой суспензии или приклеиваются к листовым слоям и друг к другу. Сердцевина по своей толщине может также состоять из различных слоев склеенного листового материала. При этом для изготовления различных листов могут использоваться различные материалы.
В другом варианте многослойная структура может экструдироваться как цельная структура, имеющая оба листовых слоя и сердцевину, или же может экструдироваться только элемент, который образует сердцевину и может привариваться к листам многослойной структуры. Элемент, образующий сердцевину, может быть также сформирован из нескольких отдельных элементов, приваренных друг к другу с образованием цельного элемента сердцевины.
В другом варианте осуществления изобретения материал сердцевины и его размеры выбирают, в основном, для обеспечения требуемой структурной прочности, тогда как необходимая дополнительная теплоизоляция обеспечивается, в основном, теплоизоляционным слоем, не входящим в состав многослойной структуры и расположенным снаружи по отношению к ней. В данном случае сердцевина многослойной структуры может быть изготовлена из материала с относительно высокой прочностью, такого как высококачественный бетон или металлическая конструкция. Применительно к сердцевине в виде непрерывного слоя в качестве материала может, например, служить высокопрочный бетон с пределом прочности на сжатие, равным 80 МПа и плотностью 2400 кг/м3. В этом случае дополнительная внешняя теплоизоляция не подвергается воздействию значительных усилий, что позволяет применить недорогие теплоизоляционные материалы, такие как минеральная вата или стекловата. При этом та часть наружного теплового барьера, которая входит в состав многослойной структуры, будет находиться при почти однородной температуре, соответствующей температуре текучей среды внутри танка. Следовательно, та часть стенки, которая образована многослойной структурой, будет сжиматься или расширяться, по существу, однородным образом. Основная часть температурного градиента будет приходиться на теплоизоляционный слой, расположенный снаружи, однако данный слой не будет испытывать проблем в связи с тепловой деформацией многослойной структуры, расположенной с внутренней стороны этого слоя, поскольку он образован нежестким, неструктурированным материалом.
Внутренний слой многослойной структуры наружных плит танка обычно изготавливается из металла, имеющего достаточные прочность и стойкость к тепловым и химическим воздействиям со стороны текучей среды, хранящейся в танке. Данный слой может быть образован также неметаллическими материалами, обладающими аналогичными свойствами. Применительно к танку для хранения СПГ подходящим материалом могут являться стали с содержанием 9% никеля или аустенитные нержавеющие стали, например стали марок 3.04, 304L, 316, 316L, 321 или 347. Могут быть использованы и другие металлы, включая алюминиевые сплавы или инвар-сталь, а также композиты. Наружный слой обычно не подвергается таким тяжелым термическим и химическим воздействиям, как внутренний слой. Поэтому он может быть изготовлен, например, из более простых сортов углеродистой конструкционной стали. И для внутреннего, и для наружного слоев существует также требование, что материал должен быть пригоден для соединения, например сваркой, и иметь хорошую способность связывания с сердцевиной, независимо от того, представляет ли она собой конструкцию или непрерывный материал, или набор блоков.
В случае использования материала сердцевины, обладающего высокой прочностью, но невысокими теплоизолирующими свойствами, наружный слой многослойной структуры будет находиться почти при таком же тепловом режиме, как и внутренний слой. В таком случае для наружного слоя должен быть применен сплав, способный обеспечить достаточную прочность при конкретном температурном режиме.
Многослойная структура, используемая в плитах, может содержать элементы жесткости для улучшения связи между элементами многослойной структуры, а также для повышения ее структурной прочности. В одном из вариантов, если материал сердцевины сообщает многослойной структуре малую структурную прочность, требуемая прочность может быть достигнута с помощью элементов жесткости. Элементам жесткости может придаваться различная форма, однако, предпочтительно, чтобы они имели форму пластин с шириной, равной расстоянию между поверхностными листами, и длину, ориентированную в направлении от нижней стенки к верхнему краю танка и предпочтительно соответствующую полной высоте танка. Альтернативно, элементы жесткости могут формировать решеточную конструкцию. Промежутки между элементами такой конструкции могут быть заполнены непрерывным слоем материала. Альтернативно, могут быть оставлены пустые пространства, так что структура сердцевины в многослойной структуре будет образована решеточной конструкцией. Особый случай может представлять наружная стенка, выполненная из плит, обладающих повышенной жесткостью или имеющих коробчатую конструкцию, т.е. не содержащих многослойной структуры.
Главными компонентами танка являются наружные плиты, образующие боковые, нижнюю и верхнюю стенки и представляющие собой теплоизолированные многослойные плиты, и комплект стенок внутренней ячеистой конструкции, которые, по существу, представляют собой самобалансирующиеся опорные или фиксирующие стенки для наружных плит.
Анкерные стенки внутренних ячеек, которые образуют внутреннюю ячеистую конструкцию, должны удовлетворять тем же требованиям, что и внутренний листовой слой, описанный выше, т.е. в типичном случае они будут изготовлены из того же материала. Указанные стенки могут быть выполнены в нескольких различных вариантах. Они могут представлять собой плоские листы, которые стыкуются друг с другом с образованием ячеек; альтернативно, ячеистая конструкция может быть образована рифлеными листами.
Еще один предпочтительный вариант заключается в формировании ячеистой конструкции с помощью множества балочных элементов, проходящих от одной боковой стенки до противоположной ей стенки. Ячеистая конструкция строится путем укладывания балочных элементов поперечно предыдущему балочному элементу, так что третий балочный элемент будет уложен параллельно первому балочному элементу и поперечно второму элементу, а четвертый балочный элемент - поперечно третьему элементу. В результате будет сформирована решеточная конструкция с зазорами между балочными элементами, расположенными один над другим, т.е. между первым и третьим или третьим и пятым элементами и т.д. или между вторым и четвертым, четвертым и шестым элементами и т.д. Другими словами, можно сказать, что балочные элементы образуют нечто вроде "бревенчатой избушки" с зазорами между различными бревнами такой конструкции. Предпочтительно, чтобы балочные элементы проходили от одной наружной стенки танка до его противоположной наружной стенки.
Ячеистая конструкция согласно данному варианту такова, что в плоскости А, поперечной по отношению к боковым стенкам, продольные оси всех балок А лежат в плоскости А, по существу, параллельно одна другой. Все балки, расположенные непосредственно над этими первыми балками А, лежат во второй плоскости В, причем продольные оси этих балок, по существу, взаимно параллельны. Плоскости А и В чередуются, образуя последовательность АВАВАВАВ, до достижения требуемой высоты ячеистой конструкции. Возможны и другие конструкции, например, использующие третий слой балок.
Угол между балками первого и второго слоев предпочтительно близок к 90°, что соответствует ячейкам прямоугольной или квадратной формы. Однако возможны и другие конфигурации, в которых скрещивающиеся балки образуют, в частности, углы 60°/120°.
Точки контакта, в которых балки одного слоя скрещиваются с балками другого слоя, предпочтительно лежат на одной прямой и образуют зону для передачи нагрузки, например, от верхней стенки на нижнюю стенку танка.
Балки, используемые в рассматриваемой конструкции, могут иметь различные профили поперечного сечения. Так, их профиль может быть Т-образным, I-образным, прямоугольным или круглым. Боковые выступы, имеющиеся у балок Т-образного или I-образного профиля, обеспечивают дополнительный эффект в предотвращении повреждений, связанных с плесканием, путем создания турбулентности в потоке текучей среды, возникающем в результате движения танка. Кроме того, данные выступы на балках усиливают ячеистую конструкцию, обеспечивая увеличение областей контакта между слоями балок в многослойной балочной конструкции, а также более жестко задают положение области контакта между различными слоями балок. Хотя перечисленные профили являются для балок стандартными, возможны и другие конфигурации поперечных сечений, обеспечивающие тот же эффект закрепления (анкеровки) боковых стенок, минимизируя эффекты плескания, и в то же время образования связи между различными ячейками конструкции.
Для повышения прочности и облегчения изготовления зоны стыковки стенки внутренних ячеек могут содержать отдельный компонент, к которому крепятся сегменты стенок. Такое решение может быть использовано как для стенок из плоских листов, так и для стенок в виде балочной конструкции, описанных выше. Данный компонент может представлять собой, например, вертикальный брус круглого или прямоугольного сечения. Поскольку сами стенки внутренних ячеек будут очень тонкими (толщиной всего несколько миллиметров), особенно в случае использования стенок в виде плоских листов, в применениях, в которых имеет место динамическое движение, может оказаться необходимым повысить прочность стенок в поперечном направлении. Требуемое повышение может быть достигнуто с помощью элементов жесткости, закрепляемых на одной или на обеих сторонах стенки, или, альтернативно, за счет выполнения горизонтальных рифлений на тонком листе внутренней стенки. Следует также отметить, что вышеупомянутый трубчатый компонент в зоне стыка сегментов внутренней стенки должен будет, по существу, нести вес стенок ячеек, т.к. эти стенки практически не обладают несущей способностью в вертикальном направлении, поскольку, будучи очень тонкими, имеют тенденцию к короблению. Указанный трубчатый компонент должен будет также воспринимать вес верхней стенки танка.
Явление плескания сильно зависит от площади зоны свободной поверхности объема текучей среды, и эта зона согласно изобретению сегментируется на меньшие зоны с помощью системы стенок внутренних ячеек. Например, проблема плескания в большинстве случаев может быть практически устранена при использовании внутренних ячеек площадью 5-10 м2. В данном случае стенки внутренних ячеек будут подвергаться умеренным динамическим нагрузкам и должны выполняться с учетом этого обстоятельства, например, иметь рифления на балках, которые придают балкам требуемую прочность на изгиб и на сдвиг. Аналогичным образом плиты, из которых состоят наружные стенки и которые предпочтительно выполнены в виде многослойных структур, сконструированы с учетом нагрузок со стороны текучей среды, которые также могут включать в себя умеренные компоненты, обусловленные плесканием. Специфическая особенность настоящего изобретения заключается в том, что при его использовании острота проблемы плескания в меньшей степени зависит от степени наполнения танка; фактически при уменьшении степени заполнения суммарные значения давления текучей среды будут уменьшаться.
Несмотря на то что внутренний объем разбит на отдельные ячейки, в случае использования стенок из плоских листов в нижней части стенок ячеек будут иметься отверстия, с помощью которых происходит выравнивание уровня текучей среды в ячейках и обеспечивается удобный доступ для обслуживающего персонала ко всем ячейкам в целях инспекции и ремонта. Если стенки ячеек имеют балочную конструкцию, то связь между ячейками обеспечивается за счет отверстий (просветов) между балками, образующими стенки. В случае необходимости могут быть предусмотрены и отверстия вблизи нижней стенки для доступа обслуживающего персонала. Важным фактором при этом является то, чтобы все ячейки, образующие ячеистую конструкцию, сообщались между собой. Отверстия, расположенные у нижней стенки, могут быть снабжены упрочняющими компонентами, расположенными на их кромках.
Сетка, образованная стенками внутренних ячеек, может подвергаться напряжениям полностью и равномерно, так что в случае использования плоских стенок их толщина может быть очень малой (несколько миллиметров); в случае применения балочной конструкции данные стенки будут иметь малый вес. Это обстоятельство является важным, поскольку листовой материал для внутренних стенок часто должен представлять собой высококачественные дорогие сплавы, которые способны выдерживать низкие температуры и химическое воздействие текучей среды, находящейся в танке. Как уже упоминалось, использование очень тонких листов при формировании стенок ячеистой конструкции может приводить к проблеме недостаточной жесткости. Поэтому в одном из вариантов стенка ячеистой конструкции снабжается концевыми элементами на своих противоположных сторонах, которые стыкуются с аналогичными сторонами в зоне сопряжения ячеистой конструкции. Данные концевые элементы совместно формируют усиливающий компонент, обеспечивающий повышение жесткости стенок ячеек, а также ячеистую конструкцию танка в целом. В случае балочной конструкции стенок ячеек балки предпочтительно снабжаются выступами для повышения их жесткости.
Указанные особенности позволяют практически реализовать изготовление и сборку ячеистой конструкции. Многослойная конструкция наружных плит, а также использование боковых, верхней и нижней стенок в качестве как структурных компонентов, так и элементов, участвующих в обеспечении теплоизоляции, являются весьма эффективными в экономическом отношении. Кроме того, как внутренние, так и наружные части танка являются полностью модульными и повторяющимися. Отсюда следует, что изготовление танка может быть автоматизировано в очень высокой степени. Это, в свою очередь, внесет свой вклад в высокие экономические показатели.
В одном из вариантов изобретения углы наружных стенок могут быть скруглены. Одной из причин использования скругленных углов является то, что в этом случае может быть уменьшена концентрация конструкционных напряжений. Еще одна причина может заключаться в некотором снижении термических напряжений между двумя сторонами наружных стенок.
Метод изготовления танка имеет большое значение как из практических соображений, так и для обеспечения общего экономического эффекта. Предварительное изготовление модулей или танка в целом означает сокращение длительности изготовления, а также то, что изготовление танка может происходить параллельно с построением остальной части судна, платформы или площадки, на которой танк должен быть, в конце концов, установлен. Танк с ячеистой системой позволяет осуществить предварительное изготовление и автоматизацию производственного процесса в очень высокой степени. Все сегменты стенок внутренних ячеек являются, по существу, одинаковыми и могут изготавливаться в режиме массового ("конвейерного") производства. Их прикрепление к стыкующим усиливающим компонентам также может производиться одинаковым образом и автоматически. В некоторых случаях может быть рассмотрена возможность применения высокоэффективных сварочных технологий, таких как сварка трением, лазерная или плазменная сварка. Кроме того, наружные плиты могут изготавливаться из сегментов с последующим присоединением сегментов друг к другу и к стенкам внутренних ячеек.
Описанный танк согласно изобретению будет пригодным для хранения различных текучих сред и эффективного функционирования в температурном интервале от +200°С до -200°С, причем он особенно эффективен применительно к СПГ. Кроме того, танк будет способен выдерживать некоторое превышение заданного статического давления внутри танка. Он может быть размещен на плавучем объекте или на суше.
Танк может устанавливаться на опорную систему, которая должна обеспечить одну анкерную точку и средства предотвращения разворота танка. Альтернативно, танк может устанавливаться непосредственно на песчаный фундамент или на иной фундамент с аналогичными свойствами.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет пояснено на примере предпочтительных вариантов осуществления, приводимом со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан танк согласно одному из вариантов изобретения с удаленными верхней и одной из боковых стенками.
На фиг.2 представлен второй вариант танка согласно изобретению.
На фиг.3 представлен третий вариант танка согласно изобретению.
На фиг.4А и 4В показана часть угла танка по фиг.1 с соответственно первым и вторым вариантами конструкции стенок внутренних ячеек.
На фиг.5А показана деталь танка, соответствующая третьему варианту внутренней ячеистой стеновой конструкции, прикрепленной к наружной плите.
На фиг.5В-5Е представлены примеры деталей прикрепления к наружной плите стенок внутренних ячеек, соответствующих второму варианту конструкции.
На фиг.6А представлен в сечении один из вариантов стенки ячейки, соответствующей первому варианту ячеистой конструкции.
На фиг.6В показана в сечении зона сопряжения четырех стенок ячеек согласно варианту по фиг.6А.
На фиг.7А представлен в сечении другой вариант стенки ячейки, соответствующей первому варианту ячеистой конструкции.
На фиг.7В показана в сечении зона сопряжения четырех стенок ячеек согласно варианту по фиг.7А.
На фиг.8A-8D показаны в сечении различные варианты выполнения наружной плиты танка согласно изобретению.
На фиг.9А-9В приведены в перспективном изображении различные варианты выполнения углов наружных стенок танка согласно изобретению.
На фиг.10А-10В представлены два перспективных изображения танка согласно изобретению с удаленными наружным слоем и сердцевиной многослойной структуры.
На фиг.11 показан снабженный внешними элементами жесткости танк согласно изобретению с удаленными боковой и верхней стенками.
На фиг.12 изображена часть танка по фиг.11.
Осуществление изобретения
Танк 1 согласно изобретению содержит боковые, верхнюю и нижнюю стенки в форме наружных плит, а также внутреннюю ячеистую стеновую конструкцию. На фиг.1 показаны три стороны танка с тремя боковыми плитами 2, нижней плитой 4 и внутренней ячеистой стеновой конструкцией 5, разбивающей внутреннее пространство танка 1 на ячейки меньшего объема. Возможно применение нескольких различных конструкций, формирующих боковые стенки, верхнюю стенку и нижнюю стенку, а также зоны их сопряжения. Все такие конструкции могут иметь схожее или различное выполнение. При этом внутренняя ячеистая стеновая конструкция может формироваться различными способами. Различные варианты подобных конструкций и их элементов будут рассмотрены далее.
Стенки 20 внутренних ячеек, образующие внутреннюю ячеистую стеновую конструкцию 5, имеют форму листов с гладкой поверхностью. В них выполнены отверстия 6 (возможно, с кромками, снабженными рандбалками) на уровне нижней плиты 4 для того, чтобы все ячейки сообщались между собой. Одновременно, применительно к крупному танку, обеспечивается возможность перехода обслуживающего персонала от ячейки к ячейке с целью инспекции и ремонта. Танк будет, кроме того, содержать неизображенные систему заполнения и опорожнения, а также системы обнаружения и мониторинга и вспомогательные средства.
На фиг.2 представлен другой вариант танка 1 с боковыми стенками 2 и с внутренней ячеистой конструкцией 5, содержащей стенки 20 ячеек. В этом варианте наружные стенки четырех угловых ячеек выполнены закругленными, тогда как в варианте по фиг.1 эти стенки являются лишь частично закругленными, т.е. у каждой из них имеются и плоские части. На фиг.3 показано альтернативное выполнение танка 1, также имеющего боковые стенки 2 и внутреннюю ячеистую конструкцию 5 стенок 20 ячеек. В этом варианте все боковые стенки образуют между собой прямые углы.
На фиг.4А в перспективном изображении показана часть танка по фиг.1, соответствующая варианту, в котором наружные плиты 2 имеют многослойную структуру (структуру сэндвича), состоящую из наружного слоя 8 и внутреннего слоя 9, между которыми находится материал 10 сердцевины. Многослойная структура включает в себя также элементы 11 жесткости. Эти элементы жесткости могут иметь несколько различных форм, при этом они предпочтительно проходят от поверхности одного слоя до поверхности другого слоя многослойной структуры. В предпочтительном варианте элементы жесткости имеют форму пластин, ширина которых, по существу, равна расстоянию между поверхностями слоев многослойной структуры, а длина ориентирована в вертикальном направлении (вдоль боковой стенки) и предпочтительно соответствует полной высоте этой стенки. На фиг.4А внутренняя ячеистая стеновая конструкция такая же, как и в первом варианте изобретения по фиг.1, т.е. стенки ячеек представляют собой одинарные плоские стенки 20, присоединенные одна к другой в зонах 21 их сопряжения. Пластины, образующие внутренние стенки 20, предпочтительно закреплены на боковой стенке, в том ее месте, где внутри многослойной структуры стенки проходят элементы 11 жесткости. Закрепление производится, например, привариванием пластины, образующей стенку 20, к внутренней поверхности слоя 9 многослойной структуры. Такое решение является эффективным в отношении передачи нагрузок между наружными стенками и конструкцией внутренних стенок. В пластинах стенок 20 может быть сформирован набор сквозных отверстий (не показанных ни на одной из фигур).
На фиг.4В представлен второй вариант внутренней ячеистой стеновой конструкции. В этом варианте стенки 20 ячеек образованы множеством балочных элементов (балок) 28, установленных друг над другом с образованием стенки 20 ячейки. Группа балок 28А образует первый слой балок 28, а вторая группа балок 28В устанавливается над балками 28А первого слоя таким образом, что их продольные оси перпендикулярны балкам первого слоя. Балки 28А в третьем слое расположены, по существу, параллельно балкам первого слоя. В результате формируется решеточная конструкция из нескольких слоев, в которой продольные оси балок различных слоев имеют различную ориентацию. Стенка 20 ячейки, сформированная таким образом, будет иметь зазоры между смежными элементами, образующими стенку 20. Такое решение обеспечивает требуемое сообщение между ячейками, одновременно создавая необходимую преграду для возникновения плескания в танке, установленном на движущемся судне. В зоне 21 сопряжения стенок 20 ячеек балки 28А, 28В накладываются одна на другую, обеспечивая тем самым опору для каждого слоя балок, а также образуя точку передачи последующих нагрузок от верхней стенки к нижней стенке танка.
Балки 28А, 28В могут представлять собой плоские пластины или же иметь в сечении Т-образный, I-образный или Н-образный профиль. Благодаря использованию перечисленных или иных профилей с поперечными выступами на концах или прямоугольных (в том числе скругленного прямоугольного) профилей в поперечном сечении, обеспечивается более стабильная внутренняя ячеистая стеновая конструкция, поскольку балка одного слоя может упираться своими выступами в выступы балки следующего слоя. Кроме того, балки могут привариваться или механически прикрепляться одна к другой для образования еще более стабильной внутренней ячеистой стеновой конструкции. Балочный элемент данной конструкции может проходить от одной наружной стенки до другой наружной стенки, так что каждый балочный элемент участвует в формировании стенок нескольких ячеек.
Таким образом, стенки 20 ячеек могут представлять собой гладкие плоские элементы (в варианте по фиг.4А), плоские элементы с элементами жесткости (не изображены), множество балочных элементов или даже листов с элементами 23 рифления, как это показано на фиг.5А. Такие элементы 23 рифления могут быть ориентированы, в основном, в горизонтальном направлении. Внутренняя ячеистая конструкция в этом случае образована стенками 20, у которых имеются зоны 21 сопряжения. В предпочтительном варианте в этих зонах 21 имеется, по меньшей мере, один усиливающий компонент 24. Данный компонент может полностью или частично иметь форму трубы (с круглым или квадратным сечением) или состоять из отдельных элементов, расположенных под прямым углом друг к другу и упирающихся в боковые поверхности двух смежных стенок ячейки, как это показано на фиг.5А. Подобные усиливающие компоненты могут устанавливаться в одном углу или во всех углах.
В соответствии с изобретением внутренняя ячеистая конструкция закрепляется на наружных стенках танка, причем это может быть сделано различными способами. Один из них показан на фиг.4А, на которой стенки 20 ячеек прикреплены к внутренней поверхности многослойной структуры в местах расположения элементов жесткости. Это позволяет обеспечить передачу нагрузок через многослойную структуру к ее наружному слою 8. Другая возможность показана на фиг.5А, где в многослойную структуру вмонтирован крепежный элемент 14, наличие которого также позволяет передавать нагрузки к наружной части многослойной структуры в составе наружных стенок. Еще одна возможность состоит в том, чтобы приварить стенки 20 ячеек к внутренней поверхности многослойной структуры (этот вариант не изображен).
Другие варианты, специально адаптированные к конструкции стенок ячеек, содержащих балочные элементы, показаны на фиг.5В-5Е, причем представленные решения применимы и для соединения стенок, образованных гладкими или рифлеными листами.
На фиг.5В показано, что балочные элементы 28А крепятся к соединительной детали 40' в форме скобы, которая закреплена на наружной стенке 2 и выступает в полость танка в поперечном направлении относительно наружной стенки. Соединительная деталь 40' снабжена более выступающей частью, сопрягаемой с балочным элементом 28А, и менее выступающей частью, расположенной между балочными элементами 28А.
На фиг.5С-5Е показана стенка ячейки, образованная несколькими балочными элементами 28А, которые прикреплены к наружной боковой стенке 2, состоящей из двух элементов 2А и 2В, связанных посредством соединительной детали 40. Соединительная деталь 40 в форме скобы, показанная на фиг.5С-5Е, снабжена, по существу, U-образными канавками для введения в каждую из них элемента наружной стенки 2.
На соединительной детали 40 образован также выступ 45, отходящий от нее в полость танка в поперечном направлении относительно наружной стенки 2. Внутренняя ячеистая стеновая конструкция 5 может быть прикреплена посредством балочных элементов 28А к выступу 45 различными способами. Один вариант прикрепления, показанный на фиг.5С, соответствует привариванию балочных элементов 28А к выступу 45. Другой вариант показан на фиг.5D, где балочные элементы 28А прикреплены к выступу 45 с помощью крепежной детали 41, снабженной двумя U-образными канавками для ввода в одну из них части балочного элемента 28А, а в другую - части выступа 45. Крепежная деталь соединена с названными деталями болтами, проведенными через сквозные отверстия 42. В варианте по фиг.5Е балочные элементы снабжены U-образной канавкой для ввода в нее выступа 45 (что соответствует третьему варианту соединения) и прикреплены к нему, например, посредством сварки.
На фиг.6А-6В и 7А-7В представлены два различных варианта выполнения стенки 20 ячейки, снабженной концевыми элементами 25, 25', которые взаимодействуют с другими концевыми элементами 25, 25' с образованием усиливающего компонента 24 в зонах сопряжения, имеющихся во внутренней ячеистой конструкции.
На фиг.6А стенка 20 ячейки представлена в сечении. К каждому из ее концов прикреплен концевой элемент 25, 25', который имеет в сечении удлиненный L-образный профиль.
Концевые элементы 25, 25' прикреплены к стенке 20 в точках на длинной (на фиг.6А вертикальной) ветви 26 L-образного профиля, тогда как его короткая (на фиг.6А горизонтальная) ветвь 27 направлена от стенки 20 ячейки. Как можно видеть из фиг.6А, короткие ветви 27, 27' двух концевых элементов 25, 25' предпочтительно расположены с противоположных сторон стенки 20 ячейки.
На фиг.6В в сечении показана зона сопряжения четырех стенок 20, выполненных в варианте, показанном на фиг.6А. Концевые элементы 25, 25' L-образного профиля с длинной ветвью 26, 26' и короткой ветвью 27, 27' всех четырех стенок 20, стыкующихся в зоне сопряжения, взаимодействуют друг с другом с образованием объединенного усиливающего компонента 24. При этом длинная ветвь 26 одного концевого элемента 25 присоединяется к короткой ветви 27 другого концевого элемента 25, а все четыре концевых элемента совместно образуют компонент с прямоугольным сечением. Соединение L-образных концевых элементов может быть осуществлено посредством сварки, винтов, болтов, заклепок или аналогичных средств.
На фиг.7А-7В показан другой вариант стыковки, причем на фиг.7А представлена стенка 20' ячейки, на каждом конце которой закреплен концевой элемент 25' V-образного профиля.
На фиг.7В в сечении показана зона стыковки четырех стенок 20', аналогичных стенке, представленной на фиг.7А. Четыре концевых элемента 25' образуют в зоне сопряжения усиливающий компонент 24'.
Наружные плиты танка 1, образующие верхнюю стенку, боковые стенки и нижнюю стенку согласно изобретению, предпочтительно представляют собой многослойные структуры, содержащие наружный листовой слой 8 и внутренний листовой слой 9 с расположенной между ними сердцевиной, которая, как показано на фиг.8А, может представлять собой непрерывный слой материала или состоять из конструктивных элементов, как это показано на фиг.8В-8С. Сердцевина, по меньшей мере, частично обеспечивает прочность наружной стенки и теплоизоляцию танка. Многослойная структура может содержать набор конструктивных элементов (элементов жесткости) 11, расположенных между наружным и внутренним листовыми слоями 8, 9 соответственно. Данные элементы могут иметь различные формы, показанные на фиг.8А-8С. Так, на фиг.8А они являются прямыми поперечными элементами жесткости, на фиг.8В они образуют с листовыми слоями 8, 9 угол, отличный от 90°. В варианте по фиг.8С эти элементы жесткости и листы, образующие слои 8, 9, изготовлены экструдированием в виде единого компонента. Разумеется, между набором элементов жесткости может находиться непрерывный слой материала, как это показано на фиг.8А.
В другом варианте, представленном на фиг.8D, многослойная структура может дополнительно содержать внешние элементы 12 жесткости, выступающие наружу из боковых, верхних или нижних плит, и внешний слой 13 теплоизоляции. Внешние элементы 12 жесткости могут проходить через внешний слой 13 теплоизоляции частично (как это показано на фиг.8D) или полностью. Как показано на фиг.8D, может иметься соединение между стенками 20 внутренней ячеистой конструкции 5, элементами 11 жесткости внутри многослойной структуры и внешними элементами 12 жесткости. Альтернативно, элементы 11 жесткости и внешние элементы 12 жесткости могут представлять собой продолжения стенок 20 ячеек. Элементы жесткости могут быть снабжены вырезами, углублениями или другими элементами, способствующими уменьшению теплопереноса между элементами жесткости.
На фиг.9А-9В представлены примеры решения конструкции углов, в которых соединяются между собой наружные стенки 2. Согласно решению по фиг.9А используется уголок 16, снабженный, по существу, U-образными канавками для ввода в них сегментов наружных стенок, которые привариваются к уголку 16. Согласно решению по фиг.9В наружные листы многослойной структуры наружных стенок 2 непосредственно соединяются друг с другом посредством сварки с образованием прямого угла.
На фиг.10А и 10В представлены перспективные изображения танка согласно изобретению с удаленными наружным слоем и сердцевиной многослойной структуры для того, чтобы показать внутренний листовой слой 9 и пластинчатые элементы 11 жесткости, образующие перегородки в верхней и нижней стенках 3, 4 и проходящие вдоль боковых стенок 2 от нижней стенки 4 до верхней стенки 3. На обоих концах и в зонах стыковки элементов 11 жесткости, расположенных на нижней стенке 4, предусмотрены опорные средства 30. Эти опорные средства будут рассмотрены далее.
На фиг.11 показан танк согласно изобретению с удаленными боковой и верхней стенками, а на фиг.12 - часть танка по фиг.11. Боковые стенки 2 в данном варианте содержат внешние элементы 12 жесткости, образующие сетку и ориентированные, по существу, в вертикальном и горизонтальном направлениях. Можно видеть, что стенка 20 внутренней ячеистой конструкции 5 прикреплена к боковым стенкам 2 в местах расположения внешних элементов 12 жесткости, что улучшает структурную целостность танка. При условии, что система элементов жесткости обладает достаточной прочностью, данный вариант не требует обеспечения структурной жесткости в слое теплоизоляции.
В одном из вариантов осуществления изобретения наружные плиты могут быть присоединены к другим, существующим и смежно расположенным системам (и поддерживаться этими системами) в одной или в нескольких точках или в линейных зонах контакта посредством упругих связей, линейных или нелинейных механических устройств или пневматических или гидравлических устройств, или комбинации названных устройств. Данное решение не представлено ни на одной из фигур. Один из его конкретных вариантов состоит в использовании описанных ранее опорных средств для того, чтобы обеспечить опору для боковой стенки танка. Однако, как указано выше, возможны и многие другие варианты. Балочная конструкция, образующая стенки ячеек, может быть реализована с использованием закрытых профилей с круглым или прямоугольным поперечным сечением.
Изобретение было подробно описано выше на примере своих различных вариантов. Однако могут быть предложены и многочисленные изменения и модификации данных вариантов, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. В частности, конструкция ячеек может иметь различную геометрию. Наружная конструкция может поддерживаться в поперечном направлении окружающими ее структурами, например судовыми. Может быть использовано несколько слоев теплоизоляции с различными свойствами, причем эти свойства могут варьироваться для различных плит, образующих танк. Могут быть предусмотрены опорные средства для поддерживания танка в поперечном направлении. Альтернативно, в качестве наружных опорных структур могут использоваться, например, такие внешние конструкции, как корпус судна.
Реферат
Изобретение относится к танку для хранения текучей среды при очень низкой температуре, например сжиженного природного газа (СПГ). Танк содержит наружные плиты, образующие его верхнюю, боковую и нижнюю стенки, и внутреннюю ячеистую конструкцию, причем все ячейки этой конструкции сообщаются между собой на уровне нижней стенки танка. По меньшей мере, часть наружных плит имеет многослойную структуру, а внутренняя ячеистая конструкция сформирована как самобалансирующаяся система восприятия нагрузки и/или фиксации наружных плит. Наружный листовой слой многослойной структуры прикреплен к внутренней ячеистой конструктивной системе либо непосредственно с помощью крепежных средств, либо через соединительные детали или внутренние элементы жесткости, с возможностью передачи растягивающих усилий от боковых стенок танка к внутренней ячеистой конструктивной системе с помощью анкерных или крепежных средств. Изобретение относится также к ячеистой конструкции для использования в танке для хранения текучей среды. Использование изобретения позволит повысить долговечность, объемную эффективность и улучшить сопротивляемость усталости. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 12 ил.
