Brevet FR2303230A1 — publié le 19761001

La présente invention concerne un systéme appartenant a la catégorie des cuves a membrane cryogénique et isolation rigide dont il existe plusieurs formes déj brevetées. les éléments constitutifs de ces cuves utilisées dans les navires méthaniers et les réservoirs cryogéniques terrestres sont schématisés sur la figure 1: -une membrane étanche mince et relativement flexible 1, en contact avec le fluide cryogénique, reposant sur une paroi rigide 2, constituée de matériaux thermiquement isolants, capables detransmettre a l'enceinte extérieure porteuse 3 tous les efforts appliqués sur la membrane par le fluide cryogénique. Ce concept fait partie du domaine connu.l'invention en est une formenouvelle. Dans la plupart des systèmes connus, les éléments préfabriqués (boites remplies de perlite, panneaux sandwiches en balsa, -ou en mousse de plastique) constituant la paroi isolante rigide, sont de faible dimension et séparés par des joints de dilatation qui permettent aussi d'épouser les déformations de la coque des navires a la ser. Pour des raisons de sécurité en cas d'avarie de la membrane cryogénique, une barrière secondaire continue constituée par un matériau rçsistant aux basses températures, est incluse dans l'épaisseur de la paroi isolante. Cette barrière secondaire a pour but de recueillir les fuites éventuelles de liquide cryogénique.Elle est donc étanche aux liquides et capable de transmettre a 11 enceinte porteuse par l'intermédiaire de la partie extérieure de la paroi isolante tous les efforts qui s'appliquent normalement à la membrane cryogénioue. Dans les systèmes connus cette barrière secondaire est constituée soit par une tole mince, soit par un contreplaqué mince, soit encore par une couche mince de plastique renforcé.L'espace compris entre l'enceinte porteuse et la barrière secondaire est généralement appelé espace d'isolation. I1 est perméable aux gaz. La partie de la paroi isolante comprise entre la barrière secondaire et la membrane cryogénique est appelé espace interbarrières et est également perméable aux gaz.Les membranes cryogenloues connues (tole Invar, Inox gaufré, plastique armé) sont généralement mises en place après montage de l'isolation dans l'enceinte porteuse. Ces membranes cryogéniques sont fixes sur l'isolation rigide au moyen d'attaches mécaniques divers-s auxquelles elles sont soudées ou collées. Cet assemblage exige la manipulation et la mise en place d'un très grand nombre d'éléments (cornires, languettes, goujons, écrous,etc..). Pour ces raisons, la construction de cuves cryogéniques est extrèmement onéreuse et exige un temps de montage important.Pour reluire le cout de la construction, diverses méthodes ont été proposées, oui éliminent l'un des éléments constitutifs du systbme précédemment défini. Par exemple, la membrane cryogénique étanche peut ètre éliminée. La sécurité du système repose alors entièrement sur l'efficacité de la pression interne du gaz résultant de la vaporisation dans les vides de l'isolation d'une faible quantité de liouide cryogénique ayant pénétré dans la couche superficielle interne de l'isolation. Dans ce système, qui n'appartient pas a la catégorie des cuves a membrane cryogénique, il est difficile de réaliser un équilibre parfait entre la pression du gaz et la poussée hydrostatique du liquide , quelle que soit la variation de celle ci sous l'effet des mouvements du navire.Rn outre, l'isolation saturée de gaz combustible exige un dégazage très poussé a chaque inspection des cuves. Le système faisant l'objet de la présente invention évite ces deux types inconvénients. Contrairement aux systèmes connus de cuves a membrane cryogénique, il est constitué de panneaux compostes de longueur suffisante rouir couvrir la totalité de l'une des dimensions de la cuve, par exemple la hauteur.Ces panneaux préfabriqués en usine incorporent dans leur structure tous les éléments principaux, a savoir : membrane cryogénique, barrir secondaire, isolation rigide, Le mode de fabrication t les machines nécessaires pour la production en surie de ces panneaux font l'objet d'une invention séparée.A l'intérieur de cha@ue cuve contrairement aux systèmes connus de construction des cuves a membrane cryogénique, la manipulation et la pose des anneaux préfabriqués sont @éaliseés au moyen de tours élévatrices mobiles montes sur des rails fixés temporairement au fond de l'enceinte porteuse.Le mode de fixation as anneaux pr fabriqués diffre sensiblerent de celui es systèmes connus e cuves a membrane cryogénique par le fait qu'il ne met en oeuvre aucune attache grande que celle des systèmes connus.En effet la barriere secondaire possede une triple etancheité,qui s'ajoute à celle de la membrane cryogénique métallique. La membrane cryogénique est constituée par une bande de tole mince en Invar ou en alliage de titane de type Alpha, dont les bords sont repliés et découpés comme sur la figure 2, ou la membrane est représentée en 4. La barrière secondaire est constituée par un sandwich composé de deux couches de tissu de fibres de verre 5 et 6 enduites de résine polyurethane ou chlorure de poly vynile ou epoxyde, et séparées par une mousse de plastique 7 rigide a cellules fermées, armée de fibres de verre 8 et constituée soit par une résine polyurethane expansée, soit par une résine de chlorure de polyvynile expansée. Chacun des trois élé gents du sandwich est imperméable aux liquides. L'épaisseur de la couche de Mousse peut atteindre 30 ou 40 cm selon le degré d'isolation désiré.Les fibres de verre 8 constituant 11 armature de cette tousse de plastique sont inclinées par rapport aux deux couches de tissu de verre 5 et 6 qui les encadrent. Elles sont disposées selon au moins trois directions principales faisant entre elles respectivement des angles voisins de 900 Le role de ces fibres de verre est de transmettre les efforts thermiques et hydrostatiques reçus par la face froide de l'isolation jusqu' à la face chaude de celle ci. Ce sandwich est équivalent du point de vue mécanique à une poutre composite dont les deux semelles seraient les tissus de verre imprégnés et l'ame la mousse plastique armée. An cours de la fabrication de cette poutre, les fibres de verre constituant l'ame sont soumises à une forte tension de sorte que la mousse rigide qui les entoure se trouve précontrainte en compression lorsque la tension extérieure sur les fibres de verre n'est plus appliquée. Cet ensemble constitue la paroi isolante rigide indiquée en 2 sur lesehéma de principe figure 1. Les tranches latérales de la mousse plastique armée sont biseautées comme indiqué sur la figure 2; l'angle d'inclinaison correspond à l'une des directions principales des fibres d'armature.Au cours de la préfabrication en usine des panneaux composites dont la section est représentée sur la figure 2 , les extrémités des panneaux sont coupées à la longueur voulue.La tole 4 est relevée et découpée aux extrémités des panneaux comme indiqué sur la figure 3. Les parties pliées sont soudées l'une sur 1' autre -en utilisant un procédé de soudure convenable(soudure à l'arc sous gaz inerte, ou soudure par plasma). L'emplacement des cordons de soudure est indiqué en 9 et 10 sur la figure 3. On réalise ainsi un cadre soudé rigide constitué d'une part par les bordures latérales repliées 11 de la bande de tole, et d'autre part par les extrémités relevées et soudées 12.Bien que constitués d'éléments légers, les panneaux préfabriqués présentent une rigidité propre qui permet de les manipuler aisément, mème quand ils sont de grande longueur, par exemple 20 m x 0,50 m x 0,30 m. Au cours de la fabrication des panneaux, les qualités mécaniques et thermiques ainsi que l'étanchéité des différents éléments sont vérifiées avant emballage et expédition.Les panneaux préfabriqués sont expédiés sur le site de montage (chantier naval ou chantier de construction du réservoir terrestre) par des containers spéciaux dont les parois d'extrémité sont munies d'attaches qui rendent solidaires pendant le transport les extrémités des panneaux préfabriqués avec les faces extrèmes du container. La section de chaque container est telle qu'il est possible de le descendre verticalement par les ouvertures d'accès existant sur le haut de l'enceinte porteuse à équiper.A l'intérieur de chaque cuveZig.7, contrairement aux systèmes connus de construction de cuves membrane cryogénique, la mise en place des panneaux est effectuée sans échaffaudage fixe, au moyen de tours élévatrices mobiles.14. Celles ci prennent appui sur le fond et le plafond de l'enceinte porteuse lorsque la tour est en position de travail.Chåque tour14 est munie de quatre bras iobile0horizontaux télescopiques 15 équilibrés par des 21 contrepoids 20 et reliés à la tour par des dispositifs élévateur Après ouverture du container, chaque panneau suspendu verticalement entre les faces extrèmes de celui ci, est saisi individuellement par deux ou trois des bras d'une tour et amené en position le long d'une des faces de l'enceinte porteuse, pour y ètre fixé. le quatrième bras de la tour porte une nacelle @@ permettant @ un ouvrier de controler la manutention.le mème bras peut également ètre muni d'outils dont le déplacement dans un plan parfaitement défini est réalisé rar la combinaison es cuve ments verticaux et horizontaux du dispositif élévateur et du ras télescopique respectivement.Au moyen d'une spatule dentelée 18 fixée à l'extrémité de l'un des bras, on étale en cordons paral22 lèles sur l'enceinte porteuse un adhésif permettant de fixer chaque panneau en position indépendamment des irregularités de la surface porteuse. lies intervalles séparant les cordons d'adhésif constituent une série de canaux permettant une circulation de gaz derrière chaque panneau Pour accélerer la prise et le durcisse ment de l'adhésif après mise en place des panneaux, on établit ainsi une circulation d'air chaud derrière chacue panneau:Lorsque la cuve a' membrane cryogénique est en service, ces mèmes canaux sont balayés par un gaz inerte et sec.L'analyse continue des teneurs en eau du gaz sortant après balayage permet de déceler et de localiser les fuites éventuelles de l'enceinte porteuse. Dans le cas de cuves prismatiques pour méthaniers, il est néces saire d'utiliser le long des arètes de l'enceinte porteuse des panneaux conposites préfabriçués de section particulière. Celle ci est indiquée sur la figure 4 qui com-orte les éléments suivants: tole membrane 4 incurvée au centre avec un large rayon de courbure, sandwich de tissu de verre 5 et 6 et mousse plastique 7 armée de fibres de verre 8. La face externe de l'isolation présente la forme d'un dièdre dont l'angle est aussi voisin que possible de celui de l'arète sur laquelle le panneau sera fixe.Aux sommets de la cuve prismatique, des pièces composites utilisant les mê- mes matériaux sont utilisées (voir figure 5). lia tole membrane repliée 4 est en alors remplacée par une pièce emboutie 13,flexible, multi-lobée en mème métal.L'ordre dans lequel ces différentes @ièces et panneaux sont mis en place au moyen des tours élévatrices est le suivant: premièrement les pièces aux @@mmets, puis les panneaux d'arète, et enfin les panneaux plans.Les tranches biseautees sont collees entre elles de façon a realiser un joint etanche.Les bords repliés des toles des panneaux adjacents sont soudes l'un à l'autre par un cordon continu formant joint étanche. La onction des toles d'arète aux extrémités des panneaux perpendiculaires est effectuée au moyen d'un joint métallique d'expansion 23 repré- senté sur la figure . Ce joint est obtenu par pliage d'une tole d'Invar identique à celle utilisée dans les panneaux préfabriqués. La liaison du joint d'expansion au panneau d'arète et aux bords relevés des panneaux perpendiculaires est constituée par un cor -don de soudure étanche. Ces soudures sont réalisées au moyen d'une machine automatique portée par le bras télescopique de la tour et guidée par les bords relevés des panneaux.Les principaux éléments des dispositifs de manutention utilisés pour toutes les opérations précédemment décrites sont représentés sur la figure 7. La tour élévatrice 14 est munie e quatre bras télescopiques indépendants 15. Elle repose sur des rails 16 et prend appui sur le plafond au moyen de vérins l7.Pour mettre en place les panneaux au plafond, il est nécessaire d'utiliser deux tours par cuve au minimum. Pour cette opération, les bras télescopiques des deux tours sont reliés entre eux de façon à constituer des plateformes ayant la longueur totale de la cuve. pien entendu, la pr ente invention n'est pas limitée aux modes Ce réalisation décrits mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. n particulier, les dispositifs de manutention peuvent aussi être constitués par divers outillages mobiles portés par les différents niveaux d'un échaffaudage fixe, lorsque des conditions particu- livres en permettent l'emploi de manière économique. Le système, l'outillage, la méthode de construction, objets de l'invention, peuvent ètre utilisés pour la réalisation de cuves cryogéniques de toutes formes et de toutes dimensions. La densit et l'épaisseur de mousse ainsi que le pourcentage en poids des fibres de verre utilisées pour constituer les panneaux composites seront déterminés en fonction de la densité ces licui- des cryogéniques contenus, des accélérations auxcuelles ils sont soumis, et du taux d'évaporation spécifié, Le croix de l'alliage utilisé pour les toles membranes depend de la température de service et du caractÈre corrosif ou non des fluides cryogéniques considérés. Ceux ci incluent le gaz naturel liquéfié, l'ethane liquide, l'éthylène liquide, l'azote liquide, l'oxygène liquide, le propane liquide, le propylène liquide, et tous autres fluides cryogénioues. R E V N I) I C A T I O N S I- Système, outillage, et méthode de construction permettant la réalisation rapide et économique de cuves cryogéniques pour navires methaniers et réservoirs terrestres ae fluides cr-ogénioues, ,caractérisés par l'emploi de panneaux préfabriqués de grande longueur comportant une membrane cryogénique métallique et une paroi isolante rigide servant aussi de barrière secondaire imperméable, dont l'assemblage ne nécessite pas d'attaches mécaniques ni d' échaffaudages traditionnels. 2- Système suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que la paroi isolante rigide est constituée de mousse de plastique précontrainte au moyen de fibres de serre incluses dans la mousse. 3- Système suivant la revendication l caractérisé par le fait que les bords repliés et découpés de la membrane cryogénique métallique sont inclus dans la paroi isolante rigide au cours de la préfabrication des panneaux, avec lesquels ils forment un ensemble rigide. 4- Système suivant la revendication q caractérisé par le fait que l'adhésif utilisé pour fixer les panneaux préfabriqués est disposé en cordons parallèles dtépais- seur variable dont la surface regardant vers l'intérieur de la cuve est géométriquement définie par les mouvements des outils applicateurs et indépendante des irrégularités de la surface de ltenceinte porteuse, 5- Système suivant la revendication 4 caractérisé par le fait que l'outillage nécessaire pour réaliser la mise en place et le collage des panneaux, la soudure et le controle des divers éléments, est-porté par des dispositifs de manutention mobiles. 6- Système suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que la membrane cryogénique- à l'extrémi- té des panneaux est découpée, pliée et soudée de façon à former un cadre rigide sur lequel sera ensuite soudé un joint de cilatation reliant l'extrémité des panneaux à la membrane du panneau d'arète qui leur est adjacent ou la membrane d'une pièce de sommet de cuve. 7- Système suivant la revendication 6 caractérisé par le fait que les membranes des panneaux adjacents sont soudées entre elles antomaticuement au moyen d'une machine appuyée sur les borts repliés desdites membranes et supportées par l'uns des bras indépendants des dispositifs de manutention mobiles. e- Système suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que la précontrainte est appliquée a la mousse sur ses faces par l'intermédiaire de deux nappes parallèles de. tissu de verre imprégnées de résine , et entre lesquelles sont tendues des fibres de verre disposées selon au moins trois directions principales obliques. 9- Système suivant la revendication 4 caractérisé par le fait que l'espace entre les cordons adhésifs constitue un passage pour la circulation de gaz chauds destinés en particulier 2 accélérer le durcissement de l'adhésif nendant le montage. 10-Système suivant la revendication 6 caractérisé par le fait que la membrane des pièces de sommet de cuves prismatiques est constituée par une pièce emboutie,flexible présentant au moins trois lobes arrondis,accrochée en son centre a l'isolation rigide.