КРИОГЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР
CRYOGENIC TANK

Область техники
Настоящее изобретение относится к криогенному резервуару для хранения текучей среды низкотемпературного сжижения, такой как сжиженный природный газ (liquefied natural gas - LNG), сжиженный нефтяной газ (liquefied petroleum gas - LPG), сжиженный этилен (liquefied ethylene gas - LEG) и др.
Предпосылки к созданию изобретения
Как показано на фиг.5, криогенный резервуар для хранения вышеописанной текучей среды низкотемпературного сжижения обычно выполнен в виде двойной конструкции, включающей в себя внутренний резервуар 3, внешний резервуар 6 и изоляцию 14, расположенную между ними. Кроме того, боковая стенка внешнего резервуара 6 содержит встроенный блок внешнего корпуса 13, обладающего герметичностью, для предотвращения проникания влаги снаружи, и защитную стенку 4 для предотвращения рассеивания или диффузии текучей среды L низкотемпературного сжижения наружу, когда жидкость L случайно вытекает из внутреннего резервуара 3.
В соответствии с конструкцией, обычно используемой в качестве такого криогенного резервуара с двойной конструкцией, его внутренний резервуар 3 выполнен в виде металлического резервуара, а его внешний резервуар 6 состоит из внешнего корпуса 13, выполненного в виде конструкции с металлической облицовкой, и защитной стенки 4, выполненной из бетона.
Более конкретно, внутренний резервуар 3 выполнен в виде стальной емкости, изготовленной, например, из стали с 9%-ным содержанием никеля (стали с 9% Ni), обладающей высокой плотностью при сверхнизких температурах, для того чтобы хранить в ней текучую среду низкотемпературного сжижения (при температуре примерно -160°С в случае LNG)(см. патентный документ 1). Защитная стенка 4 внешнего резервуара 6 выполнена, например, из бетона, для того чтобы временно предотвращать утечку текучей среды L низкотемпературного сжижения, когда или если данная текучая среда L вытекает из внутреннего резервуара 3. В качестве данного бетона применяется предварительно напряженный бетон (pre-stressed concrete - PC), обладающий повышенной прочностью за счет приложения сжимающего усилия к бетону. Кроме того, на внутренней поверхности бетонной защитной стенки, образующей внешний резервуар 6, предусмотрен холодостойкий рельеф, образованный из стеклянной сетки, пенополиуретана или др. То есть, когда текучая среда L низкотемпературного сжижения входит в непосредственный контакт с внутренней поверхностью бетона внутреннего резервуара 6, это может привести к образованию трещины в результате резкого изменения температуры бетонной поверхности вследствие непосредственного контакта, причем данная трещина не позволит защитной стенке выполнять предназначенную ей функцию. Для устранения такого недостатка предназначен упомянутый рельеф (см. патентный документ 2).
[Патентный документ 1] Заявка «Kohai» на патент Японии №Hei.10-101191.
[Патентный документ 2] Заявка «Kohai» на патент Японии №2002-284288.
Раскрытие изобретения
Цель, достигаемая посредством изобретения
В случае криогенных резервуаров, раскрытых в патентном документе 1 и патентном документе 2, описанных выше, поскольку внутренний резервуар 3 выполнен из дорогого металла, такого как сталь с 9% Ni, данные резервуары имели недостаток - высокую стоимость материала.
Кроме того, как описано выше, если внутренний резервуар 3 выполнен из металла, такого как сталь с 9% Ni, а внешний резервуар 6 выполнен из бетона, то для внутреннего резервуара 3 и внешнего резервуара 6 применялись разные конструкции, а также разные материалы. В результате этого, управление монтажом относительно усложненное, и монтаж требует большого опыта, а также значительного времени.
Настоящее изобретение создано для устранения вышеописанных проблем, и его целью является создание криогенного резервуара с двойной конструкцией для хранения сверхнизкотемпературной жидкости, с усовершенствованием, которое обеспечивает упрощение его конструкции и быстроту монтажа и обеспечивает уменьшение стоимости монтажа и материала, а также обеспечивает высокую надежность.
Решение
Для достижения вышеупомянутой цели, в соответствии с отличительным признаком настоящего изобретения, создан криогенный резервуар с двойной конструкцией, содержащей внутренний резервуар для хранения в нем текучей среды низкотемпературного сжижения, внешний резервуар, охватывающий нижнюю часть и корпус внутреннего резервуара, и изоляцию, расположенную между внутренним резервуаром и внешним резервуаром,
причем упомянутый внутренний резервуар включает в себя внутреннюю емкость с дном, выполненную из бетона, и внутренний холодостойкий рельеф, покрывающий внутреннюю поверхность внутренней емкости; и
упомянутый внешний резервуар включает в себя внешнюю емкость с дном, выполненную из бетона, и внешний холодостойкий рельеф, покрывающий внутреннюю поверхность внешней емкости.
В соответствии с вышеописанным отличительным признаком текучая среда низкотемпературного сжижения содержится во внутренней емкости, выполненной из бетона, внутренняя поверхность которой покрыта внутренним холодостойким рельефом. При этом передача холодного тепла из текучей среды низкотемпературного сжижения может быть надлежащим образом предотвращена посредством внутреннего холодостойкого рельефа, посредством чего внутренняя емкость, выполненная из бетона, может быть надлежащим образом защищена. В результате этого, несмотря на конструкцию, образующую внутренний резервуар из бетона, образование значительной разности температур в корпусе может быть ограничено, тем самым предотвращая образование трещины, так что текучая среда низкотемпературного сжижения может надежно храниться в течение заданного периода времени.
Кроме того, поскольку внутренний резервуар выполнен преимущественно из бетона, а не из такого относительно дорогого материала, как сталь с 9% никелем, стоимость материала может быть уменьшена. Кроме того, поскольку внутренний и внешний резервуары могут иметь по существу одинаковую конструкцию, монтаж и управление монтажом криогенного резервуара в целом могут быть упрощены. Например, может быть уменьшен период монтажа, соответственно уменьшая стоимость монтажа. При этом можно уменьшить расходы, требующиеся для решения проблемы, которая возникает вследствие того, что материалы, используемые для образования внутреннего резервуара и внешнего резервуара, разные. Кроме того, может быть надлежащим образом использован опыт, обычно накапливаемый в отношении внешнего резервуара.
Кроме того, поскольку между внутренним резервуаром и внешним резервуаром предусмотрена изоляция, проникновение тепла снаружи в текучую среду низкотемпературного сжижения может быть надлежащим образом ограничено.
По вышеупомянутым причинам, теперь стало возможным внести в криогенный резервуар усовершенствование, которое обеспечивает уменьшение периода времени и стоимости, требующихся для его монтажа и которое обеспечивает надежное хранение низкотемпературной сжиженной текучей среды в течение длительного периода времени.
В соответствии с другим отличительным признаком криогенного резервуара настоящего изобретения упомянутый внутренний холодостойкий рельеф включает в себя стеклянную сетку, которая входит в контакт с текучей средой низкотемпературного сжижения, и пенополиуретан, на поверхности которого предусмотрена стеклянная сетка и который расположен на стенке внутренней емкости.
В соответствии с вышеописанным отличительном признаком внутренний холодостойкий рельеф состоит по существу из пенополиуретана в качестве изоляционного материала, и стеклянная сетка предусмотрена на поверхности пенополиуретана и действует как материал, упрочняющий поверхность. Причем данная стеклянная сетка обладает высокой стойкостью к механическому напряжению, обусловленному холодным тепловым ударом. Таким образом, когда текучая среда низкотемпературного сжижения входит в непосредственный контакт с пенополиуретаном, стеклянная сетка эффективно предотвращает образование трещины в нем. В результате этого, поверхность пенополиуретана в качестве изоляционного материала может быть эффективно упрочнена посредством стеклянной сетки, и возникновение повреждения пенополиуретана вследствие холодного теплового удара может быть надлежащим образом ограничено. Пенополиуретан обладает отличными теплоизоляционными характеристиками, чтобы надлежащим образом защитить бетонную внутреннюю емкость.
В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения
упомянутый внутренний холодостойкий рельеф содержит холодостойкий рельеф, выполненный за одно целое с и покрывающий всю внутреннюю поверхность упомянутой внутренней емкости, и упомянутый холодостойкий рельеф включает в себя стеклянную сетку, которая входит в контакт с текучей средой низкотемпературного сжижения, и пенополиуретан, предусмотренный на поверхности упомянутой стеклянной сетки и расположенный на стенке упомянутой внутренней емкости;
упомянутый внешний холодостойкий рельеф включает в себя холодостойкий рельеф на стороне нижней части, предусмотренный на внутренней поверхности нижней части упомянутой внешней емкости, и холодостойкий рельеф на стороне корпуса, предусмотренный на внутренней поверхности корпусной части упомянутой внешней емкости, причем упомянутый холодостойкий рельеф на стороне нижней части выполнен из перлитобетона, а упомянутый холодостойкий рельеф на стороне корпуса включает в себя стеклянную сетку, которая входит в контакт с текучей средой низкотемпературного сжижения, и пенополиуретан, предусмотренный на поверхности упомянутой стеклянной сетки и расположенный на стенке упомянутой внутренней емкости.
В соответствии с криогенным резервуаром настоящего изобретения внутренний резервуар предназначен для хранения текучей среды низкотемпературного сжижения в режиме низкой температуры. Тогда как внешний резервуар, как также описано выше, предназначен для предотвращения диффузии или утечки любого количества текучей среды низкотемпературного сжижения, которая может случайно вылиться из внутреннего резервуара. В соответствии с вышеописанной конструкцией настоящего изобретения, когда внутренний резервуар и внешний резервуар имеют по существу одинаковую конструкцию, вся нагрузка текучей среды низкотемпературного сжижения и внутреннего резервуара должна приходиться на нижнюю часть внешнего резервуара. При этом внутренний холодостойкий рельеф образован в виде холодостойкого рельефа, выполненного за одно целое с и покрывающего всю внутреннюю поверхность внутренней емкости, для того чтобы обеспечить требуемые характеристики хранения и в максимально возможной степени минимизировать влияние холодного тепла на бетон, образующий внутреннюю емкость.
С другой стороны, что касается внешнего холодостойкого рельефа, то его функция поделена между холодостойким рельефом на стороне нижней части, предусмотренным на внутренней поверхности нижней части внешней емкости, и холодостойким рельефом на стороне корпуса, предусмотренным на внутренней поверхности корпусной части внешней емкости, так что на стороне нижней части обеспечивается достаточная эффективность сдерживания холодного тепла, а принимаемые нагрузки могут быть выдержаны в достаточной степени. При этом холодостойкий рельеф на стороне нижней части может быть выполнен из материала, обладающего высокими теплоизоляционными характеристиками и прочностью при нагрузке. Например, предпочтительно может быть использован перлитобетон. При этом может быть создан криогенный резервуар, обладающий высокой надежностью.
Кроме того, в вышеописанной конструкции, предпочтительно, поверх холодостойкого рельефа на стороне нижней части, выполненного из перлитобетона, расположено нижнее основание для внутренней емкости, выполненное из бетона, через изоляцию, содержащую перлитобетон в полой трубчатой форме, как показано на фиг.2, и зернистый перлит, загруженный в полую часть.
В соответствии с упомянутой конструкцией, как видно из нижней части криогенного резервуара, рельеф бетона, образующий внешнюю емкость, рельеф перлитобетона, образующий холодостойкий рельеф на стороне нижней части, рельеф зернистого бетона, образующий изоляцию, и рельеф бетона, образующий внутреннюю емкость, расположены в данном указанном порядке.
В соответствии с данным изобретением можно получить очень надежный криогенный резервуар, способный эффективно выдерживать холодную тепловую нагрузку и весовую нагрузку, не используя относительно дорогую сталь с 9% Ni, которая обычно используется для образования внутреннего резервуара.
В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения арматурный стержень, встроенный в бетон, образующий внутреннюю емкость, представляет собой арматурный стержень без V-образного надреза на 1 мм, который удовлетворяет указанным ниже условиям (а) и (b) при расчетной самой низкой рабочей температуре, которая выше или равна -160°С и ниже или равна 20°С.
Условие (а): удлинение при разрыве без надреза (расстояние 100 мм или более между точками замера, удаленными на 2d или более от места разрыва) должно быть больше или равно 3,0%, где d - диаметр арматурного стержня; и
условие (b): коэффициент чувствительности к надрезу (notch sensibility ratio - NSR) должен быть больше или равен 1,0.
Математическая формула 1
Ссылаясь на несколько конкретных примеров температуры бетона, образующего внутреннюю емкость, в случае LNG, имеющего температуру -165°С, температура бетона может быть равной 150°С, как показано на фиг.4. Поэтому стандартный арматурный стержень, выполненный по промышленным стандартам Японии (Japanese Industrial Standards - JIS), не может быть использован для бетона, образующего внешнюю емкость. Вместо этого, для определения его рабочей температуры проводили испытания при удлинении надреза в соответствии с европейским стандартом EN14620 (European standard: Разработка и изготовление возводимых на месте вертикальных цилиндрических стальных резервуаров с плоским дном для хранения охлажденных газов с рабочими температурами от 0°С до -165°С, 2006) и использовали арматурный стержень, который удовлетворяет конкретным значениям, связанным с «удлинением при разрыве без надреза» и «коэффициентом чувствительности к надрезу». Например, для использования при температуре -165°С вполне пригоден арматурный стержень, который был подвергнут обработке посредством деактивации алюминия с материалом из доменной печи.
Кстати, при вышеупомянутых испытаниях на удлинение надреза верхние предельные значения «удлинения при разрыве без надреза» и «коэффициента чувствительности к надрезу» арматурного стержня для использования в бетоне, образующем внутреннюю емкость, будут ограничены предельными значениями физических свойств материала (т.е. арматурного стержня с обработкой посредством деактивации алюминия). Таким образом, если данная величина больше или равна конкретному нижнему предельному значению, то может быть использован любой имеющийся арматурный стержень, который имеет величину, которая больше или равна данному конкретному нижнему предельному значению.
Испытания на удлинение надреза
При оценке прочности на разрыв и вязкости арматурного стержня, проводят испытания на удлинение при использовании арматурного стержня с V-образным надрезом на 1 мм или без надреза при расчетной самой низкой рабочей температуре (от -160°С до 20°С). При этом арматурный стержень должен удовлетворять следующим требованиям:
(а): удлинение при разрыве без надреза (100 мм или более расстояние между точками замера, удаленными на 2d или более от места разрыва) должно быть больше или равно 3,0%, где d - диаметр арматурного стержня; и
(b): коэффициент чувствительности к надрезу (NSR) должен быть больше или равен 1,0.
Математическая формула 1
В результате описанного выше может быть получен недорогой и, тем не менее, очень надежный криогенный резервуар, в котором для образования его внутренней емкости используется преимущественно бетон, а не металл для низкой температуры.
С другой стороны, ссылаясь на несколько конкретных примеров температуры бетона, образующего внешнюю емкость, в случае LNG, имеющего температуру -165°С, температура бетона равна примерно 13°С, как показано на фиг.3. И даже при возникновении утечки жидкости, температура все же равна примерно -12°, как показано на фиг.4, которая равна или выше чем -20°С и относительно близка к комнатной температуре. Поэтому для данного бетона, образующего внешнюю емкость, может быть вполне пригоден стандартный бетон для арматурного стержня, соответствующий, например, JIS G3112.
В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения упомянутый внутренний резервуар включает в себя внутреннюю емкость, верхняя часть которой является открытой, и предусмотрена также потолочная плита для уплотнения верхнего отверстия и куполообразная крыша для накрытия сверху внешнего резервуара, включая потолочную плиту; и
в корпусной части упомянутая изоляция, образованная между упомянутым внутренним резервуаром и упомянутым внешним резервуаром, содержит твердую изоляцию, и на стороне куполообразной крыши потолочной плиты предусмотрена изоляция, образованная из твердой изоляции; и
внутри упомянутой куполообразной крыши предусмотрен воздушный теплоизоляционный рельеф.
В соответствии с вышеописанной отличительной конструкцией, если внутренний резервуар выполнен в виде резервуара с открытым верхом, то может быть предусмотрена потолочная плита, а сверху от нее может быть предусмотрена куполообразная крыша. При этом на корпуса предусмотрена теплоизоляция между внутренним резервуаром и внешним резервуаром с твердой изоляцией, а на обратной стороне и верхней стороне потолочной плиты предусмотрены также рельефы твердой изоляции для ограничения проникновения тепла во внутренний резервуар снаружи.
При использовании криогенный резервуар настоящего изобретения поддерживается в нормальном температурном режиме, во время его монтажа и перед введением текучей среды низкотемпературного сжижения. Причем во время введения текучей среды низкотемпературного сжижения некоторое количество LNG будет диффундировать преимущественно из верхней части криогенного резервуара, для того чтобы в достаточной степени уменьшить температуру внутри криогенного резервуара (охлаждать), после чего текучая среда низкотемпературного сжижения будет постепенно загружена с нижней стороны криогенного резервуара. А именно, во время охлаждения, во внутреннем резервуаре, его нижняя часть и корпусная часть, соединенная с данной нижней частью, будут подвергаться быстрому охлаждению от нормальной температуры до температуры текучей среды низкотемпературного сжижения. В процессе данного охлаждения внутренняя емкость будет подвергаться деформации от формы, показанной на фиг.8(а), до формы, показанной на фиг.8(b). То есть, что касается нижней части, то происходит выгибающая деформация, когда ее периферийные крайние участки будут подниматься относительно центрального участка, а что касается корпусной части, то сторона нижней части и сторона конца отверстия будут иметь уменьшенные диаметры, а центральный участок в вертикальном направлении резервуара будет выпучиваться радиально наружу. При возникновении такой деформации, что касается нижней части, то нижняя сторона в вертикальном направлении резервуара подвергается растягивающему напряжению, тогда как в центральном участке, в окрестности и верхней стороне центрального участка, состояние растягивающего напряжения может возникать на стороне внешнего диаметра.
Кроме того, в корпусной части существует вероятность возникновения деформации вследствие деформации, обусловленной разностью температур между внешней и внутренней стороной корпусной части. Причем на стыке между корпусной частью и нижней частью существует вероятность возникновения проникающей трещины вдоль вертикального направления корпусной части вследствие ограничения, обусловленного разностью жесткости между ними.
Вообще говоря, бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но низкой прочностью на растяжение. В этом случае, с учетом введения текучей среды низкотемпературного сжижения, что касается нижней части и корпусной части, то предпочтительно, чтобы напряжение, приложенное к соответствующей части, было ограничено напряжением сжатия или ограниченной зоной.
Ниже будет описана конструкция, способная реализовать такое напряженное состояние.
Корпусная часть
В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения на верхнем крае отверстия корпусной части внутренней емкости образована корпусная часть на стороне отверстия, имеющая большую толщину по сравнению с корпусной частью на стороне нижней части.
В соответствии с вышеописанным, благодаря наличию корпусной части со стороны отверстия, имеющей увеличенную толщину у верхнего края отверстия, можно ограничить деформацию на верхнем крае отверстия и ограничить растягивающее напряжение, возникающее во время введения текучей среды низкотемпературного сжижения в пределах ограниченной зоны. В результате этого можно создать корпусную часть, в частности участок от центрального участка в вертикальном направлении резервуара до участка выше его, который может иметь увеличенную способность выдерживать нагрузку.
Таким образом, можно получить очень надежный криогенный резервуар, который обладает высокой способностью выдерживать температурную нагрузку, обусловленную холодным теплом во время введения текучей среды низкотемпературного сжижения.
По вышеописанным причинам предпочтительно корпусная часть со стороны отверстия образована так, что она поднимается вверх от промежуточного высокого положения корпусной части в направлении высоты резервуара.
Кроме того, предпочтительно корпусная часть со стороны отверстия образована в виде цилиндрической толстой части, продолжающейся вниз от верхнего края отверстия. При использовании такой цилиндрической толстой части способность выдерживать нагрузку криогенного резервуара может быть улучшена при относительно простой конструкции.
На фиг.9 показано деформированное состояние криогенного резервуара в соответствии с фиг.8. При данной конструкции внутренняя емкость деформируется от формы, показанной на фиг.9(а), до формы, показанной на фиг.9(b).
Нижняя часть
В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения нижняя часть внутренней емкости выполнена в виде плоского ровного участка, имеющего заданную толщину; причем при нормальном температурном режиме перед введением текучей среды низкотемпературного сжижения центральный участок нижней части выполнен в виде центральной выпуклой формы, которая проходит вверх в направлении высоты резервуара относительно корпусной части, соединяющейся с ее периферийным крайним участком.
При упомянутой конструкции, в которой центральный участок нижней части образован в виде центральной выпуклой формы, которая продолжается вверх в направлении высоты резервуара относительно корпусной части, соединяющейся с ее периферийным крайним участком, даже если в нижней части возникает деформация во время приема текучей среды низкотемпературного сжижения, появляющееся в результате этого растягивающее напряжение может быть ограничено в пределах контролируемой зоны. Таким образом, способность выдерживать нагрузку нижней части может быть увеличена.
В результате можно получить очень надежный криогенный резервуар, обладающий высокой способностью выдерживать холодную тепловую нагрузку и весовую нагрузку во время введения текучей среды низкотемпературного сжижения.
Кроме того, в качестве меры, направленной на достижение упомянутой цели, предпочтительно
нижняя часть внутреннего резервуара выполнена в виде плоской ровной нижней части, имеющей заданную толщину; и
.
арматурный стержень, введенный в нижнюю часть, расположен ниже вертикального центра середины поперечного сечения нижней части в направлении высоты резервуараВ качестве альтернативы арматурный стержень может быть расположен так, что он выгибается вниз. В этом случае достигается дополнительный эффект ограничения деформации нижней части.Примером такого арматурного стержня является сталь, обеспечивающая предварительное напряжение для бетона, и др.
Если арматурный стержень расположен ниже вертикального центра середины поперечного сечения нижней части в направлении высоты резервуара, то даже при возникновении деформации, описанной выше со ссылкой на фиг.8, данный арматурный стержень способен предотвратить такую деформацию в бетоне и ограничить величину деформации изгиба (величину деформации, продолжающейся к нижней стороне нижней части). В результате можно удерживать возникающее растягивающее напряжение в пределах ограниченной зоны, следовательно, может быть увеличена способность выдерживать нагрузку нижней части. То есть можно получить очень надежный криогенный резервуар, обладающий высокой способностью выдерживать холодную тепловую нагрузку во время введения текучей среды низкотемпературного сжижения.
Таким образом, с учетом эффекта арматурного стержня предпочтительно бетон представляет собой предварительно напряженный бетон с увеличенной стойкостью к растягивающему усилию при приложении сжимающего усилия к бетону.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в разрезе криогенного резервуара в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг.2 представляет собой увеличенный вид изоляции в разрезе, выполненном по линии II-II, показанной на фиг.1,
Фиг.3 представляет собой схему распределения температуры корпуса во время нормальной работы,
Фиг.4 представляет собой схему распределения температуры корпуса в аварийной ситуации (утечки),
Фиг.5 представляет собой вид в разрезе обычного криогенного резервуара,
Фиг.6 представляет собой вид в разрезе, показывающий криогенный резервуар в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения,
Фиг.7 представляет собой вид в разрезе, показывающий криогенный резервуар в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения,
Фиг.8 представляет собой пояснительную схему, показывающую деформированное состояние обычного криогенного резервуара во время приема низкотемпературной сжиженной текучей среды, и
Фиг.9 представляет собой пояснительную схему, показывающую деформированное состояние криогенного резервуара настоящего изобретения во время приема низкотемпературной сжиженной текучей среды.
Вариант осуществления изобретения
Ниже криогенный резервуар в соответствии с настоящим изобретением будет описан подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.
Как показано на фиг.1, криогенный резервуар 100 в соответствии с настоящим изобретением представляет собой криогенный резервуар 100 с двойной конструкцией, включающий в себя внутренний резервуар 3 для хранения в нем LNG L (например, текучей среды низкотемпературного сжижения при температуре приблизительно -160°С), внешний резервуар 6 для охватывания нижней части и корпуса внутреннего резервуара 3 снаружи и изоляцию 14, расположенную между внутренним резервуаром 3 и внешним резервуаром 6. Внутренний и внешний резервуары 3 и 6 имеют приблизительно цилиндрическую форму с открытой верхней частью и емкостью, образованной в ней. То есть в криогенном резервуаре 100 настоящего изобретения внутренний резервуар 3 и внешний резервуар 6, охватывающий его снаружи, имеют форму полого цилиндра, и во внутреннем резервуаре 3 может храниться LNG L.
Хотя это будет более подробно описано ниже, внутренний резервуар 3 состоит по существу из внутренней емкости 1, выполненной из бетона и приспособленной для хранения в ней LNG L, и внутреннего холодостойкого рельефа 2, покрывающего внутреннюю поверхность внутренней емкости 1. Внешний резервуар 6 состоит по существу из внешней емкости 4, выполненной из бетона и приспособленной для охватывания внутреннего резервуара 3, и внешнего холодостойкого рельефа 5, покрывающего внутреннюю поверхность внешней емкости 4. Таким образом, при данной конструкции криогенный резервуар 100 настоящего изобретения способен хранить в себе низкотемпературный LNG L в течение длительного периода времени.
Вверху внутреннего резервуара 3 и внешнего резервуара 6 предусмотрена крышка 8 для защиты их содержимого снаружи. Данная крышка 8 включает в себя, в порядке от ее нижней стороны, потолочную плиту 9, обладающую высокой стойкостью к низкой температуре, связанной с LNG L, изоляцию 10 для ограничения передачи холодного тепла за пределы внутреннего резервуара 3 и куполообразную крышу 11, образующую, относительно изоляции 10, пространство, предназначенное для заполнения газом, испаренным из LNG L. Данная куполообразная крыша 11 выполнена так, что ее крайняя периферийная часть находится в контакте с верхней поверхностью внешнего резервуара 6, и предусмотрено множество стоек 12, проходящих перпендикулярно вверх.
В качестве материала для образования потолочной плиты 9 вполне может быть использован алюминиевый сплав, обладающий высокой стойкостью к холодному теплу. В качестве изоляции 10 вполне может быть использован материал, обладающий относительно низкой теплопроводностью, такой как стекловата. В качестве материала для образования куполообразной крыши 11 и стоек 12 вполне может быть использован относительно дешевый материал, такой как углеродистая сталь, и др.
Внутренний резервуар 3 состоит по существу из внутренней емкости 1, выполненной из бетона и приспособленной для хранения в ней LNG L, и внутреннего холодостойкого рельефа 2, покрывающего внутреннюю поверхность внутренней емкости 1. Более конкретно, во внутренней емкости 1 нижняя часть 1а (соответствующая «нижнему основанию») внутренней емкости, образующая нижнюю поверхность, которая является горизонтальной поверхностью, состоит из армированного бетона (reinforced concrete - RC). При этом корпусная часть 1b внутренней емкости, образующая боковую стенку, которая представляет собой перпендикулярную поверхность, выполнена из РС. RC и РС представляют собой бетоны с увеличенной стойкостью к растягивающему напряжению. При использовании таких бетонов, даже при возникновении растягивающего напряжения, обусловленного холодного теплового удара низкотемпературного LNG L, может быть ограничено возникновение трещин или др.
Арматурный стержень, образующий RC, представляет собой арматурный стержень, который соответствует конкретным значениям, показанным ниже, когда проводились вышеописанные испытания на удлинение надреза в соответствии с EN14620 (описанным выше) при использовании образцов с V-образным надрезом на 1 мм или без надреза. Например, для использования при температуре -165°С вполне пригоден арматурный стержень, который был подвергнут обработке посредством деактивации алюминия с материалом из доменной печи.
Испытания на удлинение надреза
При оценке вязкости и жесткости арматурного стержня проводят испытания на удлинение с использованием арматурного стержня с V-образным надрезом на 1 мм или без надреза при расчетной самой низкой рабочей температуре (от -160°С до 20°С). При этом арматурный стержень должен удовлетворять следующим требованиям (условиям):
условие (а): удлинение при разрыве без надреза (100 мм или более расстояние между точками замера, удаленными на 2d или более от места разрыва) должно быть больше или равно 3,0%, где d - диаметр арматурного стержня; и
условие (b): коэффициент чувствительности к надрезу (NSR) должен быть больше или равен 1,0.
Математическая формула 1
В результате может быть получен недорогой и, тем не менее, очень надежный криогенный резервуар, в котором для образования его внутренней емкости используется преимущественно бетон, а не металл для низкой температуры.
Кстати, при вышеупомянутых испытаниях на удлинении надреза верхние предельные значения «удлинения при разрыве без надреза» и «коэффициента чувствительности к надрезу» арматурного стержня для использования в бетоне, образующем внутреннюю емкость, будут ограничены предельными значениями физических свойств материала (т.е. арматурного стержня с обработкой посредством деактивации алюминия). Таким образом, если данная величина больше или равна конкретному нижнему предельному значению, то может быть использован любой имеющийся арматурный стержень, который имеет величину, которая больше или равна данному конкретному нижнему предельному значению.
С другой стороны, ссылаясь на несколько конкретных примеров температуры бетона, образующего внешнюю емкость, в случае LNG, имеющего температуру -165°С, температура бетона равна примерно 13°С, как показано на фиг.3. Даже при возникновении утечки жидкости температура все же равна примерно -12°, как показано на фиг.4, которая равна или выше чем -20°С и относительно близка к комнатной температуре. Поэтому для данного бетона, образующего внешнюю емкость, может быть вполне пригоден стандартный бетон для арматурного стержня, соответствующего, например, JIS G3112.
Внутренний холодостойкий рельеф 2 предусмотрен для ограничения передачи холодного теплового удара или изменения температуры, вызванного низкотемпературным природным газом L, на внутренней поверхности внутренней емкости 1 (стороне LNG L на фиг.1). Внутренний холодостойкий рельеф 2 образован из пенополиуретана 2а, обладающего относительно низкой теплопроводностью, и стеклянной сетки 2b, размещенной на поверхности пенополиуретана в качестве материала, упрочняющего поверхность. Данная стеклянная сетка 2b обладает высокой стойкостью к напряжению, связанному с холодным тепловым ударом, таким образом способна предотвратить возникновение повреждения, такого как трещина, в пенополиуретане 2а.
При вышеописанных конструкциях холодный тепловой удар или изменение температуры, вызванное низкотемпературным LNG L, может быть эффективно поглощено пенополиуретаном 2а, и передача его во внутреннюю емкость 1 может быть эффективно ограничена. Кроме того, поскольку стеклянная сетка 2b упрочняет поверхность пенополиуретана 2а, создан внутренний холодостойкий рельеф 2, способный эффективно предотвратить возникновение повреждения, такого как трещина.
В случае если текучей средой низкотемпературного сжижения, которая должна храниться в криогенном резервуаре 100, является LNG L (имеющий температуру -160°С), толщина пенополиуретана 2а и шаг стеклянной сетки 2b определяются следующим образом.
Например, данная толщина установлена так, что она больше или равна 30 мм и меньше 100 мм, чтобы в достаточной степени ограничить передачу холодного теплового удара, вызванного LNG L, во внутренний резервуар 1, выполненный из бетона. При этом пенополиуретан 2а выполнен с возможностью обеспечения надлежащего теплоизоляционного эффекта в течение длительного периода времени.
Шаг стеклянной сетки 2b установлен равным 2 мм, для того чтобы надлежащим образом ограничить возникновение повреждения, такого как трещина, в поверхности пенополиуретана 2а. При этом, предпочтительно, шаг стеклянной сетки 2b в том ее участке, который должен подвергаться непосредственному воздействию LNG L, установлен равным 10 мм, при этом ее угловые участки в корпусе и нижней части должны быть выполнены в виде обшивки из стеклоткани. При этом возникновение трещины или др. в пенополиуретане 2а может быть эффективно предотвращено, и даже если трещина возникает, ее распространение к периферии может быть ограничено относительно небольшой зоной.
В конечном итоге, толщина внутреннего холодостойкого рельефа 2 установлена таким образом, чтобы предотвратить локальное снижение температуры при определенной скорости поступления LNG L в случае, если LNG L (имеющий температуру -160°С) перемещается во внутреннюю емкость 1.
Ниже будет описан способ образования холодостойкого рельефа 2.
Хотя это не показано, для образования пенополиуретана 2а, образующего внутренний холодостойкий рельеф 2, вдоль внутренней поверхности внутреннего резервуара 3 устанавливают гондолу, и некоторое количество пенополиуретана напыляют на внутреннюю поверхность внутренней емкости 1 до заданной толщины. Затем на полученной в результате напыления поверхности осуществляют операцию механической обработки для придания ей гладкости и затем на нее напыляют некоторое количество липкого вещества, к которому приклеивают стеклянную сетку 2b, тем самым образуя заданный холодостойкий рельеф.
В соответствии с другим возможным способом стеклянную сетку 2b в виде рулона прикрепляют к гондоле, установленной вдоль внутренней поверхности внутреннего резервуара 3, и затем лист стеклянной сетки 2а разматывают до заданной толщины на внутреннюю поверхность внутренней емкости 1, и между ними равномерно размещают некоторое количество пенополиуретана, тем самым образуя заданный холодостойкий рельеф целиком (см. патентный документ 2).
Ниже будет описан внешний резервуар 6. Внешний резервуар 6 также использует конструкцию, в основном подобную конструкции внутреннего резервуара 3.
То есть внешний резервуар 6 состоит по существу из внешней емкости 4, выполненной из бетона, и внешнего холодостойкого рельефа 5, покрывающего внутреннюю поверхность (сторону внутренней емкости 1 на фиг.1) данной внешней емкости 4.
Во внешней емкости 4 нижняя часть 4а внешней емкости, образующая нижнюю поверхность, выполнена из армированного бетона (RC), а корпусная часть 4b внешней емкости, образующая корпусную часть, выполнена из РС.
Ссылаясь далее на внешний холодостойкий рельеф 5, внутренняя поверхность (холодостойкий рельеф на стороне нижней части) нижней части 4а внешней емкости выполнена из перлитобетона 5а, который представляет собой неорганическое вещество, обладающее высокими теплоизоляционными характеристиками, а внутренняя поверхность корпусной части 4b внешней емкости (холодостойкий рельеф на стороне корпуса) выполнена из пенополиуретана 5b и стеклянной сетки 5с, выполняющей функцию материала, упрочняющего поверхность.
Между внешней емкостью 4 и внешним холодостойким рельефом 5 предусмотрен внешний корпус 13, выполненный из металла и имеющий прямолинейную структуру. Данный внешний корпус 13, выполненный из металла и имеющий прямолинейную структуру, служит для предотвращения проникновения влаги снаружи в изоляцию 14.
Кстати, структура и способ образования внешнего холодостойкого рельефа 5 по существу аналогичны структуре и способу образования внутреннего холодостойкого рельефа 2, описанным выше, и поэтому их описание не приводится.
Внутренний холодостойкий рельеф 2 выполнен в виде холодостойкого рельефа, образованного за одно целое со всей внутренней поверхностью внутренней емкости 1 и покрывающим ее всю. С другой стороны, внешний холодостойкий рельеф 5 состоит из холодостойкого рельефа на стороне нижней части, предусмотренного на внутренней поверхности нижней части внешней емкости, и холодостойкого рельефа на стороне корпуса, предусмотренного на внутренней поверхности корпусной части внешней емкости 4.
При вышеописанной конструкции, даже если LNG L вытечет из внутреннего резервуара 3, данная вытекшая текучая среда может быть надлежащим образом удержана на внутренней стороне внешнего резервуара 6, тем самым предотвращая ее утечку за пределы внешнего резервуара 6.
Как описано выше, между внутренним резервуаром 3 и внешним резервуаром 6 предусмотрена изоляция 14 для ограничения диффузии холодного тепла LNG L за пределы внутреннего резервуара 3. Для данной изоляции 14, между корпусной частью 1b внутреннего резервуара и корпусной частью 4b внешнего резервуара вполне может быть использован перлитобетон 15 (как пример твердой изоляции) в полой цилиндрической форме и пеностекло или перлитобетон 14b и др. (пример твердой изоляции). Кстати, помимо полого участка А вышеописанного полого цилиндрического перлитобетона 15, перлитобетон 16 помещают также в участок В за пределами упомянутого полого участка.
При этом передача холодного тепла LNG L может быть ограничена внутренним резервуаром 3, посредством изоляции 14, предусмотренной на внешней стороне данного внутреннего резервуара 3.
Ниже будут описаны различные условия криогенного резервуара 100 в соответствии с настоящим изобретением, отдельно для его нормального рабочего режима и аварийного режима со ссылкой на фиг.3 и фиг.4, соответственно. Кстати, на фиг.3 и 4 внешний корпус 13, расположенный в корпусе внешнего резервуара, между внешней емкостью 4 и внешним холодостойким рельефом 5, не показана, поскольку она непосредственно не связана с теплоизоляционными характеристиками. При нормальном рабочем режиме, во внутреннем резервуаре хранится некоторое количество LNG L. Ссылаясь на температуры, если температура LNG L равна -165,0°С, то температура внешней поверхности внутреннего холодостойкого рельефа 2 равна -150,1°С, а температура внешней поверхности внутренней емкости 1 равна примерно -148,0°. То есть температура внутреннего резервуара 3 по существу равна температуре LNG L. Что касается размера внутреннего резервуара 3, то при уменьшении температуры данный размер уменьшается по сравнению с размером во время режима комнатной температуры. Кроме того, при наличии внутреннего холодостойкого рельефа 2 образование локальной разности температур в связи с введением/выведением LNG L ограничено.
С другой стороны, что касается изоляции 14, предусмотренной на периферии внутреннего резервуара 3, то ее внешняя температура равна 1,0°, тогда как его внутренняя температура сохраняется на уровне -148,0°С, таким образом, передача холодного тепла LNG L за пределы внутреннего резервуара 3 эффективно ограничена. Поэтому внешний резервуар 6 поддерживается при температуре относительно близкой к температуре за пределами внешнего резервуара 6, поэтому степень сжатия или др., возникающая в нем, относительно мала. По этой причине, с учетом сжатия, обусловленного изменением температуры, на радиально внутренней стороне относительно внешнего резервуара размещен внутренний резервуар 3.
Кстати, изоляция 14, расположенная между внутренним резервуаром 3 и внешним резервуаром 6, эффективно ограничивает передачу горячего тепла за пределы внешнего резервуара 6 с наружной стороны внутрь данного внешнего резервуара 6.
Ниже будет описан аварийный режим со ссылкой на фиг.4. В данном случае термин «аварийный» относится к такой ситуации, как возникновение утечки LNG L, вызванной образованием по какой-либо причине трещины или др. повреждения во внутреннем резервуаре 3 после его использования в течение длительного периода времени.
В таком аварийном режиме, который показан на фиг.4, LNG L будет вытекать из внутреннего резервуара 3. Данный LNG L временно удерживается внешним резервуаром 6, состоящим из внешней емкости 4 и внешнего холодостойкого рельефа 5. В частности, поскольку внешний холодостойкий рельеф 5 ограничивает холодный тепловой удар и/или локальное изменение температуры, внешняя емкость 4 выполнена из поперечно предварительно напряженного бетона (РС), обладающего герметичностью, и нижняя часть 4а внешней емкости предусмотрена в нижней части и выполнена из армированного бетона (RC), то утечка LNG L за пределы внешнего резервуара 6 эффективно предотвращается. При этом LNG L будет испаряться под действием горячего тепла с внешней стороны внешнего резервуара 6. Данный испаренный природный газ будет проникать за пределы внешнего резервуара 6 через газодиффузионный клапан (не показанный), тем самым предотвращая приложение к внешнему резервуару 6 избыточного давления, вызываемого испаренным газом. Таким образом, даже при аварийном режиме, LNG L может надлежащим образом храниться в криогенном резервуаре 100 по меньшей мере в течение заданного периода времени.
Другие варианты осуществления
Ниже будут описаны некоторые другие варианты осуществления настоящего изобретения.
(А) В вышеописанном варианте осуществления низкотемпературный сжиженный газ был описан как LNG L. Однако любой другой низкотемпературный сжиженный газ также может храниться надлежащим образом. Например, LPG, LEG также могут храниться надлежащим образом и эффективно.
(В) В вышеописанном варианте осуществления криогенный резервуар 100 настоящего изобретения был описан как содержащий крышку 8 в его верхней части. Однако возможна также любая другая конструкция. Например, криогенный резервуар может быть выполнен в виде полого цилиндрического резервуара, в котором внутренний резервуар 3 или внутренний и внешний резервуары 3 и 6 включает (включают) верхнюю концевую часть, выполненную за одно целое с ним (см. фиг.6). Кроме того, что касается конструкции крышки 8, наиболее предпочтительна вышеописанная потолочная куполообразная крыша 11, содержащая изоляцию 10. Однако вместо потолочной куполообразной крыши 11 может быть использована крышка 8, имеющая куполообразную конструкцию, выполненную из холодостойкого металлического материала.
(С) В криогенном резервуаре 100, показанном в вышеописанном варианте осуществления, внутренний резервуар 3 имеет структуру, толщина которой является одинаковой по всей ее вертикальной длине. Вместо этого, как показано на фиг.7, для того чтобы эффективно ограничить образование растягивающего напряжения во время приема текучей среды L низкотемпературного сжижения, те участки, которые, наиболее вероятно, будут вызывать значительную изгибную деформацию, могут быть выполнены с увеличенной толщиной. То есть в верхнем крае отверстия корпусной части 1b внутренней емкости внутреннего резервуара 3, в качестве такого участка с увеличенной толщиной может быть образована корпусная часть 3f со стороны отверстия, таким образом деформация верхнего края отверстия корпусной части 1b внутренней емкости внутреннего резервуара 3 может быть эффективно ограничена, и степень деформации, обусловленной напряжением от холода, может быть уменьшена, тем самым обеспечивая увеличенную прочность. В примере, показанном на фиг.7, 1/3 часть в вертикальном направлении резервуара имеет в 1,5 раза большую толщину, тем самым образуя так называемое «кольцевое утолщение».
(D) Кроме того, как описано выше со ссылкой на фиг.8, нижняя часть 1а внутренней емкости склонна деформироваться таким образом, что центральная часть «оседает» относительно периферийной крайней части во время приема текучей среды L низкотемпературного сжижения. Для того чтобы предотвратить это, возможны следующие решения. А именно, (а) при нормальном температурном режиме перед введением текучей среды низкотемпературного сжижения, центральный участок нижней части выполнен в виде центральной выпуклой формы, которая проходит вверх в направлении высоты емкости относительно корпусной части, соединяющейся с ее периферийной концевой частью. Данное решение способно облегчить упомянутую проблему. Кроме того, возможно решение (b), которое показано на фиг.7, когда арматурный стержень 3i, введенный в нижнюю часть, может быть расположен над вертикальным центром (обозначенным штрихпунктирной линией) середины поперечного сечения нижней части в направлении высоты емкости. Данное решение также способно облегчить упомянутую проблему.
(Е) В вышеописанном варианте осуществления изоляция 14 расположена равномерно по всей вертикальной длине корпусной части 1b внутренней емкости. В этом случае, когда текучую среду L низкотемпературного сжижения вводят в криогенный резервуар 100, текучая среда должна постепенно перемещаться из нижней части в верхнюю часть криогенного резервуара 100. Следовательно, можно предусмотреть изоляцию 14 с увеличенной толщиной рядом с нижней частью корпусной части 1b внутренней емкости и разместить тонкую изоляцию 14 или вообще не предусматривать никакой изоляции 14 рядом с верхней ее частью. Данная конструкция обеспечивает очень высокую способность выдерживать охлаждающую нагрузку, связанную с введением текучей среды L низкотемпературного сжижения в криогенный резервуар 100.
Промышленная применимость
Криогенный резервуар в соответствии с настоящим изобретением может быть эффективно использован в качестве криогенного резервуара, способного хранить текучую среду низкотемпературного сжижения в течение длительного периода времени, при этом уменьшая время и затраты, требующиеся для его монтажа.
Описание ссылочных позиций
1 - внутренняя емкость
2 - внутренний холодостойкий рельеф
2а - пенополиуретан
2b - стеклянная сетка
3 - внутренний резервуар
4 - внешняя емкость
5 - внешний холодостойкий рельеф
5а - перлитобетон
5b - пенополиуретан
5с - стеклянная сетка
6 - внешний резервуар
9 - потолочная плита
10 - изоляция
11 - куполообразная крыша
14 - изоляция
L - LNG (пример текучей среды низкотемпературного сжижения)
100 - криогенный резервуар
3f - утолщенная часть