Brevet FR2279022A1 — publié le 19760213

La présente invention se rapporte à un réservoir cryogénique permettant de conserver de façon absoluement sare du gaz naturel liquéfié, et fabriqué principalement à partir de matériaux, c'est-à-dire de résines synthétiques, qui sont relativement peu coateux et faciles à manipuler, en utilisant leur point de transition vitreuse. Les centres de production des gaz naturels, qui ont récemment beaucoup attiré l'attention comme sources d'énergie industrielle ne posant pas de problème de pollution, sont limités, si bien que le transport des gaz naturels des centres de production aux centres de consommation présente un problème sérieux Onaproposé divers procédés et systèmes pour transporter les gaz naturels, mais le système pour transporter les gaz naturels sous forme de gaz naturels liquéfiés, sans appliquer aucune pression est largement utilisé, parce que ce système de transport est très efficace. En particulier, dans le cas du transport maritime du gaz naturel, ce système de transport de gaz naturel liquéfié (appelé "GNL" dans la spécification qui suit), est employé à 100%.Cependant, la température du GNL est généralement de l'ordre de -162 C, si bien qu'il faut utiliser des matériaux basse température très coateux pour le réservoir, ce qui produit une augmentation du coût des réservoirs cryogéniques et des navires de transport de oeït en vrac. Pour cette raison économique, les gaz naturels n'ont pas jusqu'à maintenant été largement utilisés. Cependant, étant donné la récente crise mondiale de l'énergie, les pays consommant du gaz naturel, en particulier, ont moins besoin de navires de transport de GNL en vrac et de réservoirs de GNL moins coûteux. On décrira maintenant le système de transport de GNL. Les navires de transport en vrac du GNL sont généralement du type à réservoir auto-supportant, où le GNL est conservé dans les réservoirs qui sont faits enatériau peu coûteux, résistant aux basses températures, comme des alliages d'aluminium, de l'acier 9-Ni, de l'acier inoxydable ou analogue, et qui sont gardés dans les cales des navires Les réservoirs de stockage du GIil sont également du type auto-supportant, et sont faits en matériau résistant aux basses températures. Cependant, o0rsc les réservoirs de stockage du type auto supportant sont conserves dans les cales, il y a beaucoup d'espaces morts autour d'eux si bien que l'efficacité volumétrique est très faible Par ailleurs, le c de fabrication des réservoirs de stocka est très élevé parce que les matériaux très coûteux résistant aux bas es températures doivent être utilisés e-igrande quantité, pour fabriquer les structures rigides des réservoirs.Pour surmonter ces défauts, on a proposé un réservoir de stockage du type à membrane Dans le système de réservoir à membrane, on utilise les matériaux coûteux résistant aux basses températures sous forme d'une couine mince, uniquement dans un but d'étanchéité, si bien que le coût de fabrication peut être remarquablement réduit Par ailleurs, la charge du GNL conservé dans le réservoir à membrane peut être supportée par l'enveloppe structurelle du réservoir, avec l'isolation thermique interposée entre le réservoir et l'enveloppe, si bien que l'efficacité volumétrique peut également etre considérablement améliorée. Par conséquent, presque tous les navires de transport en vrac du GNL en construction emploient le système de réservoir à membrane. Cependant, comme les matériaux ou métaux résistant aux basses températures sont utilisés sous forme d'une couche mince, divers problèmes s'élèvent lors de la fabrication et de l'inspection Pour surmonter ces problèmes, le système appelé d'isolement interne, qui peut éliminer l'utilisation de la couche métallique, a récemment été étudié de façon extensive par diverses compagnies et instituts de recherche. Cependant, jusqu'à maintenant aucun système d'isolement interne satisfaisant n'a été trouvé et démontré pour le GNL. Le premier objet de la présente invention est de créer un réservoir cryogénique du type à isolement interne, utilisant la temérature de transition vitreuse des matériaux En bref, la présente invention crée un rÉservoir cryogénique dan. lequel l'enveloppe du réservoir est enduite d'au moins une couche de résine thermolastique ayant un point de transition vitreuse légèrement supérieur à la température du GNL conservé dans le réservoir, la couche de résine thermoplastique étant maintenue en position par des éléments de retenue si bien que la déformation de la couche de résine thermoplastique, dûe à la contraction thermique peut être empochée, Selon la présente invention, la contrainte thermique est limitée à des valeurs très faibles, et ainsi les craquelures qui ont tendance à se produire par suite de la contraction thermique à une basse température peuvent etre empêchées, et même lorsqu'une fissure de surface se produit dans la paroi interne, la propagation des craquelures peut être empêchée de façon positive. Ainsi, la sécurité des réservoirs cryogéniques selon la présente invention peut être considérablement améliorée. Par ailleurs, la présente invention crée un réservoir de GNL du type à isolement interne, qui soit très fiable et très str en fonctionnement, et qui puisse être fabriqué à partir de résines synthétiques, qui ont été considérées jusqu'à maintenant comme étant impossibles à utiliser dans la fabrication des réservoirs cryogéniques. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux au cours de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une vue en sectioahransversale schématique, en élévation d'un réservoir cryogénique selon la présente invention; - la figure 2 est une vue fragmentaire, à échelle agrandie, en regardant dans la direction indiquée par la flèche II sur la figure 1; - la figure' 3 est un graphique illustrant la relation entre la contraction thermique sur l'axe des ordonnées et la température sur l'axe des abscisses; ; - les figures 4(A) et 4(B) sont des vues en perspective illustrant les deux procédés pour maintenir les éléments d'isxolement basse température respectivement; et - les figures 5(A) et 5(B) en sont des vues de dessus, respectivement En se reportant à la figure 1, un élément d'isolement basse température 2 qui sera appelé ci-après dans la spécification "l'élément d'isolement" recouvre une enveloppe 1 d'un réservoir cryogénique, et au moins sa couche, qui est en contact direct avec le CNt à basse température, et faite en une résine thermoplastique ayant un point de transition vitreuse légèrement supérieur à la température du CNt conservé Comme on peut le voir sur la figure 2, des éléments de retenue 3 sont fixés à l'élément d'isolement 2 de façon que la dilatation et la contraction thermiques de l'élément d'isolement 2 puissent être retenues En se reportant maintenant à la figure 3, la fonction des éléments de retenue 3 sera décrite en détail ci-après. La figure 3 montre la relation entre la contraction É et la température 012 indiquant la température ambiante tandis que #3 indique une température du SNL conservé dans le réservoir En général, plus la température est faible, plus le coefficient de contraction thermique devient faible, si bien que la courbe caractéristique OAB est légèrement concave vers le bas En général, une substance, que ce soit un métal ou pas, se dilate lorsque la température s'élève mais se contracte lorsque la température tombe. Par conséquent, lorsqutun matériau est graduellement refroidi deO1 à 93, il se contracte de #B. Cependant, lorsque ce matériau est retenu de façon à être empêché de se contracter librement tandis qu'il se refroidit, il se dilate d'une quantité ou d'un degré égal à la contraction thermique libre, si bien que des tensions internes se produisent, tandis que les contraintes (contraintes thermiques) correspondant aux tensions internes produites sont également produites La grandeur des tensions produites est égale à celle de la contraction thermique libre Par conséquent, il s'ensuit que les contraintes produites lorsqu'une substance se dilate à son état normal après s'être librement contractée, sont égales aux contraintes thermiques produites lorsque la substance se refroidit de façon que la déformation, ctest-à-dire la contraction thermique ne se produise pas du tout En général, les résines thermoplastiques ont un point de transition vitreuse ou point de transition du second ordre, où les propriétés des résines thermoplastiques varient.On a trouvé, selon la présente invention, que le fait ci-dessus mentionné concernant les contraintes thermiques n' est pas vrai dans certaines conditions Lorsque l'on refroidit un matériau classique de#1 à #3, tandis qu'il est sous tension de façon à être empêché de se contracter librement, et lorsque la tension est relåchée, après qu'il a atteint 032 la contraction est Cependant, dans le cas d'une résine thermoplastique ayant un point de transition titreuse e22 inférieur à la température ambiante #1 mais supérieur à latempérature #3 du GNL conservé, la contraction sous les mêmes conditions que ci-dessus est bien inférieure à la contraction #B. Lorsque l'on refroidit graduellement la résine thermoplastique ayant un point de transition vitreuse 62 tandis qu'elle est empêchée de se déformer ou de se contracter librement, les contraintes internes ou contraintes thermiques augmentent graduellement, mais lorsque la température atteint le point de transition vitreuse les tensions accumulées sont gelées tandis que les contraintes thermiques correspondant aux tensions accumulées sont libérées Par conséquent,pumilesteStms produites lorsque la résine thermoplastique est encore refroidie du point de transition vitreuse #2 à la température du GNL, 2 seules sont produites les tensions correspondant à la différence entre les contraction B et À, avec la diminution subite des contraintes produites.Comme la courbe caractéristique OAB est concave vers le bas, presque toutes les tensions correspondant à la contraction thermique #B B sont gelées, si bien que (#B - #A) /#B) est considérablement inférieur en comparaison de ( #3 - #2 )/( #3 - #1 ). Par conséquent, le point de transition vitreuse de la résine thermoplastique est utilisé de façon très adroite dans l'étude de l'agencement des matériaux des réservoirs cryogéniques selon la présente invention Plus particulièrement, les contraintes thermiques produites dans les matériaux lorsque ces derniers sont refroidis à 63, tandis que leur contraction thermique libre est restreinte sont bien inférieures aux contraintes thermiques produites dans les matériaux lorsqu'ils sont refroidis et que leur contraction thermique est permise. Certains exemples de la présente invention sont maintenant expliqués EXEMPLE 1 Lorsqu'une couche de polyéthylène mousse, ayant un point de transition vitreuse de l'ordre de -100 C, et une multiplication par gonflement de l'ordre de 15 fois, fut refroidie de la température ambiante à -1960C, sa contraction thermique libre étant permise, cette dernière était de l'ordre de 2,5 à 3,0o. Lorsque le polyéthylène était expansé de 2,5 à 3,0% à -196cC, jusqu'à sco dimensions originales à la température ambiante, la contrainte thermique produite était de 15 à 20 kg/cm2. Lorsque le polyéthylène fut refroidi de la température ambiante à - 1960C, tandis que les deux côtés de la feuille de polyéthylène étaient fixés de façon à empêcher la contraction thermique libre, la contrainte thermique produite était de l'ordre de un tiers de la contrainte thermique lorsque la contraction thermique libre était permise. Par ailleurs, lorsque la retenue était relâchée, la contraction était aussi faible que 1,0%. EXEMPLE 2 le pourtour d'une feuille de polyéthylène mousse ayant 1 m x 1 m, se composant de deux feuilles jointes le long de l'axe, fut fixé ou retenu par un cadre de bois tandis que la feuille fut refroidie par de l'azote liquéfié. Le joint se rompit et des craquelures furent observées après refroidissement. Cependant, la largeur des craquelures était de l'ordre de 5 mm ou plus, ce qui était considérablement moindre en comparaison de la contraction thermique. Comme on peut le voir dans les exemples ci-dessus, lorsqu'un point de transition vitreuse d'une résine thermoplastique est utilisé, on peut réduire remarquablement la contraction à une basse température, si bien que l'on peut considérablement améliorer la liberté de forme. Ainsi, la forme pratique des réservoirs cryogéniques du type à isolement interne peut bien être facilitée On a entrepris selon la présente invention, une autre expérience dans laquelle un réservoir peu profond de l'ordre de 9m2, fait de la felnilode polyéthylène mousse ci-dessus, enduite d'une feuille de contre-plaqué dont le coefficient de contraction thermique est bien inférieur à celui de la feuille de polyéthylène fut refroidi par de l'azote liquéfié, et on a trouvé que cet agencement peu être utilisé de façon satisfaisante dans la pratique En plus des procédés décrits ci-dessus pour retenir les éléments en résine thermoplastique, divers procédés peuvent être utilisés tant que les éléments sont retenus de façon qu'ils ne se contractent pas d'une grandeur prédéterminée. Les éléments de retenue ne sont pas limités aux feuilles en contre-plaqué ou analogue, mais divers matériaux comme le bois, le verre, les aciers à forte teneur en nickel et autres peuvent être utilisés Par ailleurs, il n'est pas nécessaire de maintenir toutes les surfaces des éléments en résine thermoplastique, mais les éléments de retenue peuvent etre espacés les uns des autres.Ou bien les éléments en résine thermoplastique peuvent être divisés en petits éléments d'une aire appropriée, et lesoôtés de chaque élément divisé sont maintenus par les éléments de retenue. En se reportant maintenant à la figure 4, les procédés pratiques pour maintenir les éléments en résine thermoplastique seront décrits. Un ou plusieurs éléments A retenant la contraction thermique sont placés surie sommet ou à proximité du sommet d'un élément 2A qui est soumis à une contraction thermique. Par ailleurs, bien que cela ne soit pas illustré, les éléments de retenue peuvent etre fixés aux surfaces latérales de l'élément 2A. De plus, les éléments 2A et les éléments de retenue 3A peuvent être agencés de toute façon appropriée. La figure 5(A) montre que le sommet de l'élément 2A est couvert de l'élément de retenue 3A tandis que la figure 5(B) montre que les éléments de retenue 3A, dont l'aire de surface est bien inférieure à l'aire de surface de 11 élément 2A, et qui peuvent avoir toute forme appropriée comme un carré ou un triangle, sont arrangés sur ou entre les éléments 2A Bes éléments 3A peuvent être reliés aux éléments 2A avec des adhésifs appropriés ou des joints mécaniques, ou par fusion. L'élément de retenue 3A peut être fixé sur toute la surface de l'élément 2A, ou des petits éléments de retenue 3A peuvent être localement fixés selon tout motif et de toute façon souhaitée Par ailleurs, les éléments de retenue 3A peuvent directement être fixés l'élément 2A, ou certains matériaux appropriés peuvent être interposés entre les éléments de retenue 3A et l'élément 2A. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIOBS 1 Réservoir cryogénique caractérisé en ce qu'au moins une couche de résine thermoplastique ayant un point de transition vitreuse légèrement supérieur à la température du liquide conservé dans ledit réservoir, recouvre l'enveloppe dudit réservoir, de façon que la contraction thermique libre de ladite couche de résine thermoplastique puisse être retenue. 2. Réservoir selon la revendication I caractérisé en ce qu' un élément de retenue, pour retenir la contraction thermique libre est fixé sur toute la surface de la couche précitée de résine thermoplastique 3 Réservoir selon la revendication 1 caractérisé en ce qu' un certain nombre d'éléments deretenue ayant des configurations appropriées, pour retenir la contraction thermique libre, sont localement fixés à la couche précitée de résine thermoplastique. 4. Réservoir selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un élément d'isolement thermique est interposé entre la couche précitée de résine thermoplastique et l'enveloppe précitée dudit réservoir. 5. Réservoir selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enveloppe précitée est enduite d'au moins une couche de résine thermoplastique pouvant résister à une température inférieure à -1000C du liquide conservé dans ledit réservoir. 6. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche précitée est faite en polyéthylène mousse ou en son copolymère. 7. Réservoir selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément retenue précité est fait en bois et/ou contreplaqué. 8 Réservoir selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément deretenue précité estXacéàmoinsde50mmen dessous du niveau du liquide conservé dans ledit réservoir 9 Réservoir selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément de retenue précité est fixé sur toute la surface de la couche précitée de. résine thermoplastique avec un adhésif. 10 Réservoir selon la revendication 3 caractérisé en ce que les éléments de retenue précités sont faits en bois et/ou en contre-plaque 1 1 Réservoir selon la revendication 3 caractérisé en ce que les éléments de retenue précités sont placés à moins de 50 mm du niveau du liquide conservé dans ledit réservoir. 12 Réservoir selon la revendication 3 caractérisé en ce que les éléments de retenue précités sont fixés à la couche précitée de résine thermoplastique avec un adhésif