РЕЗЕРВУАР ДЛЯ СЖИЖЕННОГО ГАЗА С ЦЕНТРАЛЬНОЙ ВТУЛКОЙ В ДОННОЙ СТРУКТУРЕ
LIQUEFIED GAS TANK WITH CENTRAL SLEEVE IN BOTTOM STRUCTURE

Мировая потребность в энергии требует транспортировки большого количества топлива из областей, в которых его находят, потребителю. Одной из самых чистых и широко распространенных форм энергии для практического использования на сегодняшний день является природный газ. Основные месторождения природного газа обычно располагаются далеко от основных потребительных рынков, и, таким образом, существует необходимость в транспортировке природного газа для потребителей из месторождений. Трубопроводная транспортировка является одной из рассматриваемых возможностей, тем не менее транспортировка по трубопроводу является довольно дорогой и неприменима к транспортировке на большие расстояния. Судовая транспортировка, таким образом, остается практическим решением для транспортировки газа, в частности транспортировки сжиженного газа.
Настоящее изобретение, в общем, относится к резервуарам для сжиженного газа, таким как резервуары для СПГ или резервуары для СНГ, хотя в настоящем описании используется общий термин криогенный резервуар. СПГ обычно хранят в резервуаре при температуре кипения около -163°С при атмосферном давлении, непрерывно выпаривая метан. Для уменьшения выпаривания можно попытаться уменьшить термальный приток через стенку резервуара выполнением изоляционного слоя вокруг стенок резервуара. Стенки резервуара должны поддерживаться и стабилизироваться, но все такие структурные поддерживающие части могут проводить тепло в резервуар и, таким образом, приводить к нежелательным потерям от испарения. Таким образом, желательно уменьшить общее сечение структурных поддерживающих частей, проходящих через изоляционный слой, для уменьшения притока тепла. Основной проблемой резервуаров для СПГ и других криогенных резервуаров является температурное сжатие, которое имеет место во время изначального охлаждения и заполнения резервуара, и возможное температурное расширение резервуара при удалении СПГ из резервуара вследствие испарения или при опорожнении резервуара.
Резервуары с СПГ часто переоборудуют на построенных ранее судах или танкерах, но они могут быть также непосредственно установлены на установках, таких как плавучие системы добычи, хранения и выгрузки (FPSO) и плавучие установки для хранения и регазификации (FSRU). Для этих применений простота установки является критическим моментом для уменьшения стоимости, как и доступность пространства на палубах. Кроме того, существует определенное количество наземных применений криогенных резервуаров в промышленном использовании. Различные применения представляют различные проблемы, которые требуется решить, причем некоторыми из основных проблем являются температура, летучесть и токсичность газов. Для этих применений было предложено несколько конструкций резервуаров, каждая из которых имеет преимущества и недостатки.
При выполнении процесса криогенного заполнения донная пластинчатая структура и стеночная структура резервуара будут сжиматься при охлаждении резервуара ниже температуры окружающей среды. Донная пластинчатая структура и нижняя часть периферии стеночной структуры резервуара будут сжиматься в первую очередь, затем, вследствие теплопроводности и непосредственного контакта жидкости и испаренного газа со стенкой, стенка резервуара будет охлаждаться и сжиматься при заполнении резервуара жидким природным газом. В частности, для судовых резервуаров для СПГ, но также для некоторых наземных резервуаров, требуется предотвращение бокового перемещения резервуара относительно основания во время охлаждения. Для судовых резервуаров эта боковая устойчивость важна во время плавания. Криогенные внутренние резервуары должны быть сконструированы таким образом, чтобы они выдерживали тепловое сжатие резервуара по отношению к опорам. Это происходит из-за низкой температуры криогенной жидкости, которая, естественно, ниже температуры самого резервуара и опор, к которым он прикреплен. Дополнительно к сжатию резервуара, которое происходит при заполнении резервуара криогенной жидкостью, будет иметь место соответствующее расширение резервуара при его опорожнении.
Дифференциальное тепловое сжатие может привести к напряжениям в стеночной облицовочной пластине резервуара, стеночной опорной структуре резервуара и в опорной структуре отсека. Напряжения в облицовочной пластине резервуара для СПГ могут вызвать трещины, которые могут привести к утечке СПГ, которая является критической из-за опасности возгорания и взрыва и из-за токсичности метана. Повреждение резервуара и результирующая утечка криогенного газа на судне может, кроме того, привести к катастрофическому крушению судна, так как металлоконструкции таких суден не рассчитаны на воздействие таких низких температур.
Для кораблей и других судов имеет место главная проблема, связанная с колебаниями поверхности СПГ из-за воздействия волн на судно или из-за перемещения самого судна. Колебание поверхности может привести к повреждениям резервуара, и резервуар, таким образом, должен быть спроектирован с возможностью выдерживания действий, связанных с плесканием топлива. Настоящее изобретение описывает практическое решение некоторых из вышеупомянутых проблем.
Уровень техники
В патенте США 2905352 описана предыдущая попытка образования стабилизированной системы резервуара, выполненной с возможностью размещения в корпусе судна, причем система резервуара является неподвижной внутри судна, при этом допуская сжатие и расширение резервуара в ответ на изменение температуры. Под резервуаром выполняют направляющее устройство в дне судна, содержащее продольно расположенные пазы, проходящие в продольном направлении судна, при этом резервуар, имеющий соответствующие шпонки, прикрепленные к его днищу, выполнен с возможностью размещения на дне судна, и шпонки резервуара вставляют в пазы.
В патенте США 3612333 описано дополнительное развитие идеи, предложенной в вышеупомянутом патенте США 2905352, причем шпонки, пазы для шпонок и опоры несущего элемента расположены у днища контейнера, при этом шпонки расположены на линиях, в основном соответствующих продольным и поперечным центровым линиям резервуара.
В патенте США 4013030, выданном Стэффорду, «Опора для судовых резервуаров СПГ», описана опорная система резервуара, расположенная вокруг круглой горизонтальной секции резервуара. Опорная система содержит множество идентичных опорных узлов, расположенных на расстоянии вокруг круглой горизонтальной секции резервуара. Каждый опорный узел соединен с резервуаром и с основанием. Каждый опорный узел имеет втулку в днище для опоры на соответствующую цилиндрическую втулку. Втулки расположены на опорной конструкции судна и могут перемещаться в радиальном направлении, а не в боковом относительно резервуара. Это допускает сжатие и расширение резервуара, при этом предотвращая боковое перемещение всего резервуара.
В патенте США 5531178, выданном Аэйбу и др., «Опорная структура для отдельно стоящего резервуара для хранения в транспортном судне сжиженного газа» описан призматический резервуар для сжиженного газа, расположенный в отсеке для резервуара с донными опорами под резервуаром, которые позволяют резервуару расширяться и сжиматься в боковых направлениях. Опорная структура снабжена фиксаторами продольного перемещения вдоль поперечной линии, которая предотвращает перемещение всего резервуара в продольном направлении судна, и фиксаторы бокового перемещения, расположенные вдоль осевых линий судна для предотвращения перемещения резервуара в направлении правого/левого борта. Для опоры резервуара предназначено множество опорных точек, проектирование которых значительно усложняет установку резервуара. Опоры увеличат вес конструкции, и, кроме того, опоры были бы расположены несимметричным образом. Недостаток симметрии приведет к неравномерному распределению нагрузки во время охлаждения. Конструкция также будет передавать моментную нагрузку конструкции судна.
В патенте США 6971537 описаны опорные конструкции полумембранных стенок резервуара, причем опорные узлы обеспечивают вертикальную опору для стенок резервуара, допуская при этом относительное перемещение в горизонтальном направлении. Такая конструкция вызовет по всем стенкам резервуара существенные точечные нагрузки, которые являются нежелательными. Конструкция является сложной и дорогой, таким образом, она увеличивает время установки и стоимость, а также усложняет преобразование более старых судов в танкеры для СПГ.
В патенте Германии 1506761 описан способ транспортировки СПГ, причем множество резервуаров располагают в виде одного узла внутри корпуса судна, и указанный узел поддерживается множеством стоек, некоторые из которых расположены по периферии резервуара, при этом предусмотрена по меньшей мере одна центральная стойка. Конструкция делает необходимыми поперечные переборки, которые могут регулировать нагрузку на верхнюю часть резервуаров в результате бортовой качки. Это увеличит вес, стоимость и сложность конструкции резервуара.
В патенте Германии 1781041 «Танкер для транспортировки сжиженного газа» описана аналогичная опорная конструкция для призматического резервуара, в которой фиксатор продольного перемещения расположен под центром резервуара, а фиксаторы бокового перемещения расположены под центральными участками носовой и кормовой частей резервуара. Расстояния между участком опорной структуры фиксаторов и донной структурой резервуара фиксаторов выполнены с возможностью вмещения блокирующих прокладок, которые блокируются на месте при сжатии резервуара во время процесса охлаждения при заполнении резервуара сжиженным газом. Вдоль правой и левой стороны отсека резервуара фиксаторы бокового перемещения также снабжены такими блокирующими прокладками для зацепления резервуара с опорной структурой при охлаждении. Это чрезвычайно сложная конструкция, и она требует очень точного согласования для достижения требуемой устойчивости. Таким образом, резервуар будет очень дорогим. Кроме того, такая конструкция будет передавать нагрузки на конструкцию судна от резервуара, которые являются неконтролируемыми и в некоторой степени непредсказуемыми. При нагреве выше заданной температуры резервуара в режиме работы на холоде блокирующие прокладки выйдут из зацепления, и резервуар будет неконтролируемым образом подвержен бортовой качке в отсеке резервуара.
В патенте США 3064612, выданном Гарднеру, «Транспортные конструкции для текучих сред», описано транспортное средство для СПГ с призматическими резервуарами, продолжающимися, по существу, полностью по траверзу. В патенте, выданном Гарднеру, описан резервуар для сжиженного газа с донной структурой резервуара, поддерживающей стеночную структуру резервуара, расположенную по периферии донной структуры резервуара, согласно ограничительной части независимого пункта приложенной формулы изобретения. Каждый резервуар поддерживается опорным узлом резервуара, который является жестким вместе с конструкцией судна, допуская при этом относительное скользящее перемещение каждого поддерживаемого резервуара в продольном направлении, но фиксируя каждый резервуар у осевой линии судна. Кроме того, каждый резервуар снабжен боковыми опорными блоками, расположенными между правой и левой сторонами резервуара и правой и левой внутренними сторонами внутреннего корпуса, соответственно. Опорный узел резервуара содержит продольно расположенный кильсонный элемент вдоль осевой линии корпуса. Кильсонный элемент снабжен U-образными фиксаторами для удержания днища и боковых скользящих элементов из гетинакса, расположенных вдоль продольного киля под днищем резервуара, позволяя резервуару расширяться и сжиматься в продольном направлении.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предпринимается попытка решить по меньшей мере некоторые из вышеупомянутых технических проблем и предлагается резервуар для сжиженного газа с донной структурой резервуара, поддерживающей стеночную структуру резервуара, расположенную по периферии донной структуры резервуара, причем донная структура снабжена центральной донной втулкой резервуара, выполненной с возможностью удержания фиксатором донной втулки на опорном структурном основании резервуара, при этом центральная донная втулка резервуара выполнена с возможностью обеспечения, по существу, всех радиальных удерживающих усилий в направлениях, параллельных донной структуре резервуара.
Дополнительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Преимущества изобретения
Первым преимуществом изобретения является то, что вся поддержка резервуара со сжиженным газом в боковом направлении осуществляется центральной втулкой, таким образом, не требуется поддержка в боковом направлении криогенного резервуара, таким образом, не создаются «холодные мосты» через изоляционный слой, окружающий стенку резервуара, таким образом, изоляция является в большей степени сплошной и ее легче установить. Кроме того, при необходимости, изоляция легче удаляется, например, при осмотре резервуара или отсека резервуара или при ремонте или модификации резервуара.
Вторым преимуществом изобретения является то, что благодаря тому, что резервуар прикреплен к одной единственной исходной точке с помощью центральной втулки, все сжатия резервуара относительно отсека резервуара во время охлаждения криогенного резервуара будут иметь место в основном в радиальном направлении относительно этой единственной втулки. Это допущение на радиальное расширение или сжатие, обеспечиваемое вертикальными фиксаторами, предусмотренными для донной структуры резервуара, таким образом, облегчает механическое согласование криогенного резервуара с отсеком резервуара и облегчает нагрев криогенного резервуара до температуры окружающей среды. Не требуется никаких специальных соображений для согласования боковых опор вдоль стенок криогенного резервуара, мешающих известным криогенным резервуарам.
Третьим преимуществом изобретения благодаря вертикальным фиксаторам, расположенным по периферии донной структуры резервуара, является то, что вертикальные усилия, действующие со стороны стенки резервуара вследствие колебания поверхности груза, бортовой качки судна, килевой качки и даже посадки на мель или столкновения, направлены от нижней части стеночной структуры, по существу, прямо вниз через край донной структуры и вниз к вертикальным фиксаторам, прикрепленным к опорной структуре судового резервуара. Таким образом, нежелательные сдвиговые усилия в донной структуре резервуара (и в стеночной структуре), возникающие в известных резервуарах, большей частью исключаются.
Четвертым преимуществом изобретения в варианте осуществления, имеющем вертикальные фиксаторы, расположенные по периферии у наружных концов балок донной структуры резервуара, является то, что донная структура резервуара может иметь балочную структуру, расположенную на верхней части донной облицовочной пластины, и обеспечивает опущенный центр тяжести криогенного резервуара в судне, и дополнительно обеспечивает увеличенный объем резервуара по сравнению с резервуарами, имеющими наружную балочную структуру.
Еще одним преимуществом призматического резервуара по изобретению является то, что объем резервуара может быть значительно увеличен по сравнению с вертикальным цилиндрическим резервуаром. Обычный цилиндрический резервуар может вмещать около 18000 кубических метров, тогда как призматический резервуар может быть выполнен с возможностью использования сечения судна и может быть сооружен вдоль большего участка вдоль главной оси судна, таким образом, призматический резервуар обычно может вмещать около 35000 кубических метров, ограничиваясь при этом таким же сечением судна.
Краткое описание чертежей
Изобретение проиллюстрировано на сопроводительных чертежах, на которых:
Фиг.1а представляет собой эскиз цилиндрического варианта осуществления резервуара для сжиженного газа, именуемого далее криогенным резервуаром, по изобретению, причем резервуар виден немного со стороны резервуара, и под ним видна донная структура резервуара.
Фиг.1b представляет собой вид в перспективе призматического варианта осуществления криогенного резервуара по изобретению, причем резервуар виден слегка сверху и сбоку от продольной оси резервуара и судна.
Фиг.1с представляет собой упрощенный вид призматического варианта осуществления криогенного резервуара по изобретению, резервуар виден в изометрической проекции немного снизу, показывая основные элементы донной структуры такого призматического резервуара.
Фиг.2а представляет собой упрощенное вертикальное сечение через донную структуру резервуара по изобретению, причем резервуар расположен на опорном основании резервуара в отсеке резервуара. В данном варианте осуществления донная структура резервуара является так называемой внешней механической структурой с донной облицовочной пластиной, расположенной на балках донной структуры.
Фиг.3а, как и фиг.2а, представляет собой упрощенное вертикальное сечение через резервуар по изобретению, в котором облицовочная пластина цилиндрической стенки поддерживается вертикальными опорами, расположенными на концах радиальных балок донной структуры резервуара, причем цилиндрическая стенка и донная структура изолированы от днища и стенок отсека резервуара.
Фиг.3b представляет собой вид в перспективе, соответствующий фиг.2b и иллюстрирующий внутреннюю балочную стеночную структуру, установленную на так называемую наружную донную структуру резервуара.
Фиг.4 представляет собой вертикальное сечение нижнего участка упрощенного резервуара по изобретению, показывающее радиально расположенные вертикальные фиксаторы, расположенные для предотвращения подъема периферии донной структуры резервуара с опорной структурой резервуара, образующей днище отсека резервуара.
Фиг.5а представляет собой вид в перспективе примера вертикальных фиксаторов с консолями, расположенными для удержания вокруг нижней кромки радиальных балок донной структуры.
Фиг.5b представляет собой соответствующий вид в перспективе примера вертикальных фиксаторов, образующих перевернутые U-образные дуговые зажимные вертикальные опоры, прикрепленные к опорной структуре резервуара и расположенные над внешними концевыми участками горизонтальных балок донной структуры резервуара, проходящими за пределы периметра стенки резервуара.
Фиг 6а представляет собой вид в перспективе снизу горизонтальной плоскости варианта осуществления резервуара по изобретению с предотвращающими вращения фиксаторами для радиальной балочной структуры резервуара. Здесь предотвращающие вращение фиксаторы расположены приблизительно на половине радиуса от центра цилиндрического резервуара.
Фиг.6b представляет собой аналогичный вид в перспективе снизу горизонтальной плоскости другого варианта осуществления резервуара по изобретению с предотвращающими вращение фиксаторами, расположенными на расстоянии, почти равном длине балки, по радиусу, если считать от центра цилиндрического резервуара.
Фиг.7а представляет собой вид в перспективе и сечение корпуса судна с вертикальным цилиндрическим отсеком для резервуара, выровненным по центру центральной продольной переборки и с сечением изолированного криогенного цилиндрического резервуара по изобретению.
Фиг.7b представляет собой вид в перспективе и сечение корпуса судна с группой отсеков для призматических резервуаров вдоль осевой линии судна и с сечением такого изолированного криогенного призматического резервуара по изобретению.
На фиг.8 показаны сдвиговые силы, которые могут возникнуть в горизонтальной балке в донной структуре резервуара предшествующего уровня техники, если на него воздействует нескомпенсированная подъемная сила, действующая на стенку, стоящую в конце балки, при этом донная структура прикреплена где-то в другом месте вдоль донной структуры. Такие нескомпенсированные сдвиговые силы в донной структуре резервуара большей частью исключаются посредством изобретения.
Фиг.9а представляет собой крупный план консольного вертикального фиксатора для балки, данный чертеж соответствует консольному вертикальному фиксатору, показанному на фиг.5а, при этом балка показана только частично в сечении только нижней кромки.
Фиг.9b представляет собой крупный план консольного вертикального фиксатора для балки, данный чертеж соответствует перевернутым U-образным дуговым зажимным консольным вертикальным фиксаторам, показанным на фиг.5b, при этом показан наружный участок балки, а часть остальных участков показана пунктиром.
Фиг.10 представляет собой иллюстрацию препятствующей вращению опоры для радиальной балки.
Фиг.11а представляет собой упрощенный вид донной структуры цилиндрического резервуара по варианту осуществления изобретения, показывающий центральную втулку в донной структуре резервуара, радиальные H-образные балки, поддерживающие донную облицовочную пластину резервуара, и цилиндрическую стеночную структуру, проходящую над ближними наружными концами радиальных балок донной структуры, причем проходящие почти по периферии Н-образные балки проходят между радиальными балками. Консольные вертикальные фиксаторы расположены вблизи наружных концов и удерживают горизонтальные балки, и несколько групп таких консольных вертикальных фиксаторов, лежащих на более коротких радиусах, расположены ближе к центральной втулке.
Фиг 11b представляет собой почти аналогичный вид донной структуры цилиндрического резервуара по варианту осуществления изобретения, в котором используются перевернутые U-образные дуговые зажимные вертикальные фиксаторы для удержания наружных концов балок донной структуры резервуара. Такая конструкция проще и ясно демонстрирует вариант осуществления изобретения, соответствующий варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.4, и фиг.5b. Вертикальные фиксаторы, показанные на фиг.11а и фиг.11b, могут также играть роль предотвращающих вращение фиксаторов, предотвращающих вращательные моменты вокруг вертикальной оси, проходящей через центральную втулку или резервуар.
Фиг.11с представляет собой вид в перспективе вдоль центральной радиальной балки и является видом слегка снизу донной структуры криогенного резервуара по изобретению. Резервуар является призматическим, а донная балочная структура резервуара и вертикальные фиксаторы соответствуют в основном донной структуре резервуара, проиллюстрированной на фиг.11а.
Фиг.12а и Фиг.12b представляют собой виды в перспективе действующих сил, действующих со стороны резервуара (белые стрелки) и соответствующих противодействующих сил со стороны опорной системы резервуара. Центральная втулка передает силы, действующие вдоль балок донной структуры резервуара; предотвращающие вращение фиксаторы передают вращательные моменты, а вертикальные фиксаторы передают вертикальные силы.
Фиг.13 иллюстрирует различные поступательные и вращательные перемещения морского судна.
Фиг.14а представляет собой вид снизу и увеличенный вид сбоку варианта осуществления изобретения, показывающий консольные периферийные вертикальные опоры.
Фиг.14b представляет собой вид снизу и увеличенный вид сбоку варианта осуществления изобретения, показывающий перевернутые U-образные дуговые зажимные периферийные вертикальные опоры.
Фиг.15а представляет собой упрощенное вертикальное сечение через донную структуру резервуара по предпочтительному варианту осуществления изобретения с центральной втулкой охватывающего типа, приваренной между внутренними концами радиальных балок, причем центральная втулка насаживается на фиксатор центральной втулки охватываемого типа, прикрепленный к каркасу опорной балочной структуры для удержания резервуара.
Фиг.15b представляет собой упрощенное вертикальное сечение через донную структуру резервуара по альтернативному варианту осуществления изобретения с центральной втулкой охватываемого типа, приваренной между внутренними концами радиальных балок, причем центральная втулка вставляется в фиксатор центральной втулки охватывающего типа, прикрепленный к каркасу опорной балочной структуры для удержания резервуара.
Варианты осуществления изобретения
Изобретение представляет собой резервуар (1) для сжиженных газов, например, для сжиженного метана (СПГ), сжиженного этана, сжиженного пропана (СНГ) или других сжиженных газов. Резервуар (1) согласно изобретению предназначен для использования на корабле или другом морском судне. Термин корабль или морское судно, используемый в настоящем описании, дополнительно включает плавучие и полупогружные судна для нефтедобычи или хранения нефти. Кроме того, резервуар в соответствии с изобретением может быть размещен на неподвижных морских сооружениях. Описанный резервуар предназначен для использования под атмосферным давлением, но также учитываются находящиеся под избыточным давлением резервуары. Резервуар в соответствии с изобретением именуется ниже, в общем, криогенным резервуаром (1), но изобретение не ограничено резервуарами, использующимися в криогенном интервале температур, а ограничено сжиженными газами, такими как вышеуказанные. Резервуар (1) для сжиженного газа снабжен донной структурой (10) резервуара и стеночной структурой (11) резервуара, расположенной по периферии (15) донной структуры (10) резервуара. Стеночные стоечные балки (12) выполнены таким образом, что они составляют часть стеночной структуры (11) резервуара. Стеночная структура (11) резервуара будет, как правило, поддерживать верхнюю часть резервуара. Донная структура (10) резервуара снабжена, по существу, центрально расположенной донной втулкой (2) резервуара, причем донная втулка (2) выполнена с возможностью удержания на опорном основании (23) резервуара с помощью фиксатора (20) донной втулки, см. фиг.1, 2 и 7. Втулка (20) резервуара может обеспечивать опорные усилия в направлениях, по существу, параллельных плоскости донной структуры (10) резервуара.
Резервуар (1) в соответствии с изобретением допускает фиксацию резервуара посредством одноточечной втулки (2) донной структуры (10) резервуара, причем втулка (2) фиксируется фиксатором (20) втулки на донной опорной структуре (23) резервуара.
Перемещения большого судового резервуара при температурном сжатии от температуры окружающей среды до криогенной температуры могут быть значительными. Существенным преимуществом резервуара, боковое перемещение которого предотвращается закреплением с помощью одной центральной втулки, является то, что при охлаждении во время первоначального заполнения резервуара сжиженным газом возникают небольшие тепловые деформации или не возникают вообще, поскольку резервуар удерживается только в одной точке, остальные структуры, такие как балки (3) донной структуры (10) резервуара, удлиняются или сжимаются в направлениях, проходящих через эту центральную втулку (2).
Судно имеет шесть поступательных и вращательных степеней свободы: бортовая качка, килевая качка и рыскание являются примерами вращательных перемещений, вертикальная, продольная и поперечная качка - поступательных перемещений, см. фиг.13.
Согласно изобретению втулка (2), таким образом, обеспечит опору против сил, действующих в боковой плоскости резервуара, причем втулка (2) одна обеспечивает необходимое усилие в боковой плоскости для фиксатора (20) втулки резервуара на опорном основании (23). Это является улучшением предыдущих конструкций, имеющих множество шпонок, пазов для шпонок и тому подобного, причем каждая шпонка или паз для шпонки был выполнен для обеспечения опоры только в одном направлении. Втулка (2) должна быть расположена, в общем, близко к центру донной структуры (10) резервуара, чтобы избежать неустойчивости втулки. Другим преимуществом данной конструкции является то, что смещения в результате теплового расширения/сжатия возникают максимум только вдоль половины размера донной структуры резервуара, а не вдоль всей длины или диаметра донной структуры резервуара. Донная структура (10) резервуара может быть выполнена из одного сплошного куска материала, такого как бетон, или донная структура (10) резервуара может, предпочтительно, быть выполнена с использованием радиальных балок (3), как описано ниже.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения балки (3) проходят горизонтально и радиально от центральной втулки (2) и поддерживают или удерживают непроницаемые для текучей среды донные облицовочные пластины (113) резервуара (1). Вертикальные опоры (12) поднимаются от ближних наружных концов радиальных балок (3) и поддерживают облицовочные пластины (111) стеночной структуры (11) резервуара (1). Радиальные балки (3) обеспечивают опору основания резервуара, а также распределяют силы, действующие на резервуар по всему танкеру. Это важно, когда резервуар заполнен частично, так как могут иметь место значительные колебания поверхности из-за усилий, действующих на резервуар (1), например, из-за бортовой или килевой качки. Проблема возникает, в частности, когда резервуар (1) установлен на плавучем основании, таком как FPSO, или FSRU, или танкере с СПГ. Колебание поверхности может также возникнуть в наземных криогенных резервуарах вследствие сейсмических волн, и для наземных резервуаров крайне важно обеспечить резервуар, способный выдержать силы, вызванные сейсмической активностью (которые могут быть вызваны горизонтальными сейсмическими ускорениями около 1 g) и результирующее колебание поверхности.
Силы, действующие в боковом направлении вследствие относительных ускорений между опорным основанием (23) резервуара морского судна (30) и нагрузкой на СПГ из-за бортовой качки, килевой качки, продольной и поперечной качки, должны передаваться частично через стеночную структуру (11) резервуара, и ответные силы со стороны груза СПГ вследствие колебания поверхности и ускорений бортовой и килевой качки возрастут. Как указано выше, в частности, это проблема морских судов. В широких пределах бортовой, килевой, продольной и поперечной качек донная втулка (2), удерживаемая фиксатором (20) втулки на опорном основании (23) резервуара, будет удерживать резервуар (1) на месте. Донная структура (10) резервуара будет поддерживаться в вертикальном направлении иным способом, с помощью общей опорной структуры под резервуаром, а именно структурного опорного основания (23) резервуара. Структурное опорное основание (23) резервуара может быть образовано продольной центральной рамочной перегородкой и расположенными в боковом направлении продольными рамами судна вместе с поперечными рамами перегородки. Структурное опорное основание (23) резервуара снабжено фиксатором (20) втулки. Структурное опорное основание (23) резервуара должно также содержать донную облицовочную пластину на рамной конструкции, причем донная облицовочная пластина предназначена для поддержания донного изоляционного слоя под резервуаром для СПГ, через который проходит фиксатор (20) втулки и центральная втулка (2) и возможные фиксаторы других типов, описанные ниже, и, возможно, система трубопроводов.
Как показано на фиг.1а и 1b, криогенный резервуар (1) может быть расположен в щелевом отсеке для резервуара со стенкой (24). Хотя на фиг.1а проиллюстрирован цилиндрический резервуар, в объеме изобретения должны быть рассмотрены другие конфигурации, например, призматическая конфигурация любого типа, в частности прямоугольной формы, как показано на фиг.1b и 1с, и на фиг.11с. Выбор геометрии является конструкционным вопросом, которая хотя и является главной при проектировании самого судна, но не является главной для настоящего изобретения. Можно, например, предусмотреть сферический резервуар, причем донный участок стеночной структуры резервуара удаляют и заменяют в основном плоской донной структурой резервуара, обеспечиваемой таким образом. На такой донной структуре (10) резервуара может быть расположена центральная втулка (2) и, возможно, радиально расположенные балки (3) согласно варианту осуществления изобретения. Подробности расположения криогенного резервуара (1), расположенного в морском судне, показаны на фиг.2а, и на фиг.7а и 7b, и на фиг.11а, 11b и 11с. На фиг.2а также показаны некоторые элементы, показанные на фиг.1, такие как фиксатор (20) втулки судового резервуара на структурном опорном основании (23) резервуара паза для резервуара на судне. Фиг.3а и 3b иллюстрируют дополнительные элементы, такие как донная изоляция (8), цилиндрическая стеночная изоляция (18) и вертикальная ось (9) резервуара. Структурное опорное основание (23) резервуара служит для многих целей, тем не менее, одним из главных преимуществ использования такой системы является то, что резервуар может быть предварительно изготовлен на берегу и легко приподнимается и опускается в пазе для судового резервуара на фиксатор (20) втулки за одно простое действие. Это может существенно упростить установку криогенных резервуаров на судах. Это является существенным преимуществом, поскольку многие суда FPSU и FSRU являются судами с модифицированной поверхностью. Таким образом, модификация судна и конструирование криогенных резервуаров могут иметь место одновременно, а не последовательно. Аналогичным образом, если появляется необходимость в извлечении резервуаров для технического обслуживания, криогенный резервуар может быть просто поднят с судна. Это сильно отличается от дорогого и сложного технического обслуживания резервуаров с СПГ, известных из уровня техники.
Существенным преимуществом конструкции внутренних балок в донной структуре резервуара, как проиллюстрировано на фиг.1b, является то, что ниже расположена донная облицовочная пластина, таким образом, объем резервуара увеличен, а центр тяжести резервуара может быть опущен, обеспечивая преимущества как в экономии, так и в устойчивости.
Боковые силы между судном и сжиженным газом, в соответствии с изобретением, передаются в радиальном направлении через центральную втулку (2), через всю донную структуру (10), как и силы сжатия/растяжения через донную структуру (10), и дополнительно передаются в виде сдвиговых сил от донной структуры (10) резервуара к стеночной структуре (11) резервуара, которая установлена по периферии донной структуры (10) резервуара. Предполагается, что для конструкции резервуара по изобретению передаваемые силы лучше распределяются по конструкции резервуара и, таким образом, предотвращается образование трещин, в частности на нижнем периферийном переходе между донной облицовочной пластиной (113) резервуара и стеночной облицовочной пластиной (111) резервуара. Таким образом, напряжения вследствие бортовой качки, килевой качки и результирующее колебание поверхности могут быть уменьшены в резервуаре по изобретению      по сравнению с уровнем техники.
Согласно варианту осуществления изобретения донная структура (10) резервуара содержит, по меньшей мере, три, предпочтительно  четыре или более радиальных балки (3), прикрепленных своими радиально внутренними концами к центральной втулке (2). Радиальные балки (3) в предпочтительном варианте осуществления изобретения будут поддерживать вертикальные опоры (12), проходящие от ближних наружных концов радиальных балок (3). Непроницаемые облицовочные пластины (131, 111) предпочтительно образуют непроницаемую облицовку резервуара днища резервуара и стеночной структуры (10, 11) резервуара. Облицовочные пластины прикреплены к балочным и опорным структурам (3, 12). Стеночные структуры (10, 11) резервуара могут быть укреплены в направлениях по периферии стержнями, лентами или проводами или могут быть снабжены кольцевыми намотками из провода, или стекловолокна, арамидного волокна, углеродного волокна, или тому подобного, и резервуар может быть снабжен верхней периферией, соответствующей нижней периферии. Верхняя часть резервуара по изобретению не требует какого-либо бокового фиксатора, так как все поступательные и вращательные действующие - противодействующие передаваемые силы возникают в донной структуре резервуара.
Центральная втулка (2), по существу, не обеспечивает предотвращения перемещения резервуара (1) в вертикальном направлении. Хотя такую вертикальную фиксацию с помощью центральной втулки (2) можно представить, как проиллюстрировано на фиг.8, такая фиксация была бы непрямой по отношению к стеночной структуре (11) резервуара и включала бы передачу вертикальных сил от стеночной структуры (11) резервуара через нежелательные вертикальные сдвиговые силы в балках (3) донной пластинчатой структуры (11).
Центральная втулка (2) резервуара и соответствующий ей фиксатор (20) втулки резервуара предпочтительно регулируют только силы в горизонтальной плоскости при нейтральном положении судна. Согласно варианту осуществления изобретения, передача направленных вверх сил стеночных структур (11, 12) резервуара относительно днища (23) паза судового резервуара проводится через фиксаторы (4) вертикальных сил, расположенные между опорной структурой (23) днища паза и периферией (15) донной структуры резервуара, предпочтительно, внешними участками (35) балок (3) донной структуры (10) резервуара. В варианте осуществления изобретения фиксаторы (4) вертикальных сил содержат опорную пластину, приваренную или прикрепленную каким-либо другим образом к опорной структуре (23), с неподвижными опорными пластинами, приваренными к опорной плите, причем упомянутые неподвижные опорные пластины снабжены консолями (41) для обхвата нижних боковых кромок плоского лежащего H-образного сечения балки радиальных балок (3). Это проиллюстрировано на фиг.5а, 9а, 11а и 11с, 12а и 14а. Пластины с консолями (41) могут быть приварены на месте после опускания резервуара в его правильное положение на фиксатор (20) втулки в отсеке. Хотя показаны H-образные балки, как видно, может быть использована любая подходящая балочная структура.
В другом варианте осуществления изобретения фиксаторы (4) вертикальной силы содержат опорную пластину, приваренную или прикрепленную каким-либо другим образом к опорной структуре (23), с неподвижными опорными пластинами, приваренными к опорной пластине, причем неподвижные опорные пластины содержат перевернутые U-образные перемычки или дуги (42) для обхвата внешних участков (35) горизонтальных радиальных балок (3). Это проиллюстрировано на фиг.5b, 9b, 11b, 12b и 14b. Перевернутые U-образные вертикальные пластины (42) фиксатора также могут быть приварены на месте после опускания резервуара в его правильное положение на фиксатор (20) втулки в отсеке.
Фиг.5а и 5b иллюстрируют, что вертикально направленным подъемным силам, возникающим в стеночных структурах (11, 12) резервуара, будут противодействовать фиксаторы (4) вертикальной силы, расположенные непосредственно под стеночной структурой (11) резервуара и направленные в опорную структуру (23) судна. Таким образом, силам, вызываемым плесканием, и силам и ускорениям, вызываемым бортовой качкой, которые могут быть ощутимы при сильном волнении моря или при крене, появившемся в результате смещения нагрузки или в результате аварии, можно противодействовать, по меньшей мере, вплоть до заданного статического угла и для полного резервуара, например, при крене до 30 градусов на левый борт или правый борт.
До настоящего момента, основываясь на вышеизложенном, резервуар по изобретению может быть упрощенным образом описан как резервуар, удерживаемый на месте в боковом направлении посредством центральной втулки в донной структуре, и резервуар, смещение которого с опорной структуры или даже опрокидывание предотвращается посредством фиксаторов вертикальных сил, прижимающих нижний край цилиндрической стенки резервуара к расположенной ниже опорной структуре резервуара, как показано на фиг.4. Это предотвратит повреждение резервуара вследствие перемещений судна из-за бортовой, килевой, продольной и поперечной качки, включающих силы действия и противодействия в результате столкновений и посадки на мель.
Конкретная конструкция, приблизительно проиллюстрированная на фиг.9а и 9b, допустит продольное перемещение балок вследствие радиального теплового сжатия балок (3) и может быть также использована для предотвращения нежелательного относительного вращательного перемещения донной структуры (10) резервуара относительно расположенной ниже опорной структуры (23). Такие вращательные ускорения могут возникнуть из-за поворота судна, а также из-за волн, вызывающих рыскание, т.е. вращение судна вокруг вертикальной оси. Таким вращательным перемещениям резервуара (1) относительно судна можно противодействовать, применяя предотвращающие вращение фиксаторы (16), см. фиг.6а и 6b, фиг.10 (и фиг.11а, 11b и 11с). Различные силы, действующие на морское судно, показаны на фиг.13. Противодействующие силы, а также принцип работы резервуара показаны на фиг.12а и 12b.
Предотвращающие вращение фиксаторы (16) содержат вертикально расположенные боковые фиксирующие пластины (17), проходящие параллельно радиальным балкам (3), при этом пластины предназначены для опирания на боковые поверхности радиальных балок (3) и имеют нижнюю скользящую опору (28) для вертикального  поддержания нижней кромки (14) балки (3), причем скользящая опора (28) должна дополнительно иметь теплоизолирующие свойства.
Преимуществом варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.6а, является то, что предотвращающие вращение фиксаторы (16) отделены от втулки (2) резервуара и их роли различны: втулка (2) резервуара предназначена для предотвращения любого поступательного перемещения между резервуаром (1) и фиксатором (20) втулки на опорном структурном основании (23) резервуара судна, а предотвращающие вращение фиксаторы (16) предназначены для предотвращения вращения резервуара относительно судна. Такие вращательные силы могут быть вызваны поворотом судна, периодическим поворотом судна в результате рыскания, вызванного волнами, или плесканием.
Преимуществом варианта осуществления изобретения, проиллюстрированного на фиг.6b, является следующее: положение предотвращающих вращение фиксаторов (16), как показано на фиг.6а, может быть сдвинуто за пределы нижнего края (15) донной пластины (13) резервуара. Балочная структура является внутренней, и, таким образом, донная пластина может быть прикреплена привариванием к нижним участкам горизонтальных балок (3), таким образом оставляя только втулку (2) резервуара, образующую выемку в донной пластине. Кроме того, предотвращающие вращение фиксаторы (16), расположенные так, как показано на фиг.6b, обеспечивают два дополнительных преимущества: во-первых, они расположены на максимальном радиусе резервуара, таким образом они обеспечивают максимальный препятствующий вращению момент, и они не обязательно должны быть такими же жесткими, как фиксаторы, проиллюстрированные на фиг.6а, которые обеспечивают почти в два раза меньший препятствующий вращению момент; во-вторых, они расположены в точках конструкции вблизи конца балок, имея более или менее одинаковое основное радиальное расстояние (Rmaj) от центра резервуара, и непосредственно под стенкой (11) резервуара, содержащей вертикальные балки (12), обеспечивающие большую часть вращающего момента резервуара. Таким образом, удержание вращающего момента с помощью предотвращающих вращение фиксаторов (16) вблизи радиальных концов радиальных балок (3), как показано на фиг.6b, приведет к меньшему изгибающему моменту, действующему на радиальные балки (3), чем расположение предотвращающих вращение фиксаторов (16), расположенных на малом радиальном расстоянии (Rmin) вблизи середины радиальных балок (3), как показано на фиг.6а. Аналогичные доводы справедливы для вертикальных фиксаторов (4, 42), показанных на фиг.11b: они могут выдержать больший вращающий момент, в частности вокруг продольной оси судна, при расположении на максимальном радиальном расстоянии от центра донной структуры резервуара (т.е. втулки (2) резервуара), чем при других конструкциях опоры резервуара или фиксаторов, расположенных ближе к центру резервуара. Такие вертикальные фиксаторы резервуара, как на фиг.11b, таким образом, обеспечат такой же момент силы, приложенной к резервуару, по существу, как и фиксаторы резервуара, расположенные выше на любой стороне стенки резервуара, но не обладают недостатками таких фиксаторов, расположенных выше по стенке, как с механической, так и с температурной точек зрения.
В общем, расположение предотвращающих вращение фиксаторов (16), расположенных на радиальном расстоянии (Rmaj) за пределами стенки (11) резервуара и днища (13) резервуара, может обеспечить более низко расположенную донную структуру резервуара и, таким образом, больший объем резервуара и опущенный центр тяжести и лучший препятствующий вращению момент силы, чем предотвращающие вращение фиксаторы, расположенные ближе к центральной втулке (2), а также обеспечивает меньше структурных проникновений через изоляционный слой под днищем резервуара. В общем, предотвращающие вращение фиксаторы (16) будут составлять радиально противоположные пары, как показано на фиг.6b, поэтому во втулке (2, 20) резервуара момент не возникнет. Перевернутые U-образные вертикальные фиксаторы, показанные на фиг.11b, дополнительно обеспечивают опускание донной облицовочной пластины (113) резервуара для выполнения роли донной структуры (10) резервуара внутренней структуры и, тем самым, увеличивая объем резервуара таким же образом, как описано выше.
Фиг.8 иллюстрирует необходимость расположения вертикальных фиксаторов вблизи внешнего периметра резервуара, так что плечо силы между вертикальными силами от стенки резервуара и удерживающими вертикальными силами, действующими на донную структуру, становится коротким. Если плечо силы, действующей посредством стенок резервуара на донную структуру резервуара, нежелательно велико, как проиллюстрировано, в донной структуре резервуара могут произойти повреждения вследствие сдвиговых сил, с образованием трещин и возможной утечкой в результате.
Вышеописанный резервуар по изобретению должен иметь преимущества работы на море. Может поддерживаться низкая теплопередача благодаря тому, что любые опорные блоки или фиксаторы требуются только вблизи днища резервуара и конструктивные части не должны пересекать изоляционный слой на уровнях выше днища резервуара, таким образом, изоляционный слой вокруг всей конструкции стенки (11) может быть непрерывным. Это также упрощает проектирование конструкции криогенного резервуара.
Дополнительные логистические преимущества возникают из-за  того, что один или более резервуаров по изобретению, как описано выше, могут быть собраны одновременно со сборкой судна с пазами для отсеков, расположенных для приема резервуаров по изобретению. Резервуар (1) по изобретению может быть опущен в паз, центральная втулка (2) предназначена для попадания в фиксатор (20) втулки. Фиксаторы (4) вертикальных сил и возможные предотвращающие вращение фиксаторы (16) могут быть подготовлены к приему радиальных балок (3) и могут быть обеспечены посредством приваривания консолей (41) или перевернутых U-образных перемычек для обхвата радиальных балок (3).
В качестве альтернативы использованию фиксаторов (4) вертикальных сил для обхвата внешних участков радиальных балок (3), донная пластинчатая структура (10) и балки (3) могут быть охвачены радиально ориентированной направляющей (19) для взаимодействия с вертикальными фиксаторами (4). Такое расположение может позволить вращательное относительное перемещение криогенного резервуара, возможная конфигурация проиллюстрирована на фиг.4.
Согласно варианту осуществления изобретения вертикальные фиксаторы (4) могут быть расположены в виде клиньев (43) (проиллюстрировано на фиг.4), расположенных в стенке (24) отсека (25) резервуара, причем клинья (43) предназначены для поворота в стенку (24) отсека и от нее для блокирования наружных концов (35) балок (3) донной структуры (10) резервуара, когда резервуар (1) расположен на месте. Такие клинья (43) могут регулироваться из внешнего пространства вокруг отсека (25) резервуара, таким образом облегчая установку и съем резервуара на судне. Кроме того, это уменьшает необходимое пространство вокруг стеночной структуры (11) резервуара и периферии донной структуры (10) резервуара и улучшает доступный объем резервуара внутренней структуры резервуара, опускаемой в паз для резервуара на судне.
Преимуществом настоящего изобретения является то, что центральная втулка (2) резервуара имеет маленькую протяженность по сравнению с протяженностью донной структуры (10) резервуара. Таким образом, общее тепловое сжатие или расширение центральной втулки (2) будет относительно малым во время охлаждения или нагрева по сравнению со значительным сжатием или расширением, происходящим со всей донной структурой резервуара, по сравнению с днищем отсека при охлаждении или нагреве резервуара. Малая протяженность втулки (2) резервуара позволит закрепить втулку резервуара в одноточечном фиксаторе (20) также и при нагреве, что позволит судну плыть с пустым резервуаром, что было бы невозможным при использовании криогенного резервуара по патенту Германии 1781041.
Резервуар по изобретению, таким образом, решает некоторые из проблем, относящихся к тепловому сжатию, боковой фиксации, продольной фиксации, силам, вызывающим колебание поверхности, распределению сил, вызванных бортовой качкой, и устойчивости криогенных резервуаров.
Обычно в криогенном резервуаре располагают внутреннюю опору башенного типа, причем опора башенного типа удерживает вертикальные трубы для заполнения и опорожнения СПГ или других текучих сред в резервуар и из него, используя внутренние насосы и клапаны. Такими другими текучими средами могут быть азот, углекислый газ, СНГ и газоконденсаты. В варианте осуществления изобретения донная втулка (2) и фиксатор (20) втулки могут сами обеспечивать проходы для входа и/или выхода криогенных текучих сред, таким образом, обеспечивая легкий способ заполнения или опорожнения резервуара.
На Фиг.14а и 14b показан вид снизу и увеличенная вертикальная проекция вариантов осуществления изобретения, показывающих увеличенные периферийные вертикальные опоры (4), расположенные по периферии резервуара для обхвата нижних кромок радиальных балок (3), которые могут выполнять роль описанных выше предотвращающих вращение фиксаторов (16), излишних в таком случае. Такое расположение легче осуществить, проверить и установить, и оно может допускать плоское днище отсека резервуара.
На фиг.15а показано упрощенное вертикальное сечение через донную структуру резервуара согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения с центральной втулкой (20) охватывающего типа, приваренной между внутренними концами радиальных балок (3), причем центральная втулка насаживается на центральный фиксатор (20) втулки охватываемого типа, прикрепленный к каркасу опорной структуры (23) для удержания резервуара (1). Преимуществом центральной втулки (2) охватывающего типа, показанной на фиг.15а, является то, что в донной структуре (10) резервуара возникает меньше изгибающих моментов, чем при альтернативной центральной втулке (2') охватываемого типа, проиллюстрированной на фиг.15b ниже.
На фиг.15b показано упрощенное вертикальное сечение через донную структуру резервуара альтернативного варианта осуществления изобретения с центральной втулкой (2') охватываемого типа, приваренной между внутренними концами радиальных балок (3), причем центральная втулка (2') входит в центральный фиксатор (20') втулки охватывающего типа, который прикреплен к каркасу опорной конструкции (23) для удержания резервуара (1).