МЕМБРАННАЯ ГРУЗОВАЯ ЕМКОСТЬ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
MEMBRANE CARGO CAPACITY FOR LIQUEFIED NATURAL GAS TRANSPORTATION AND STORAGE

Изобретение относится к области транспортного судостроения, средствам морской транспортировки и хранения сжиженного природного газа (СПГ) и касается вопроса создания мембранной грузовой емкости для его транспортировки и хранения.
Известна мембранная грузовая емкость для транспортировки и хранения СПГ, состоящая из составной оболочки, образующей герметичный и термоизолированный резервуар, встроенный в несущую конструкцию судна (европейские патенты №248721 и №573327). Резервуар содержит два герметичных барьера, причем первичный барьер находится в контакте с веществом, содержащимся в резервуаре, а вторичный барьер расположен между первичным барьером и несущей конструкцией; вышеупомянутые герметичные барьеры чередуются с двумя термоизолирующими барьерами (первичным и вторичным).
Патенты Франции №1376525 и №1379651, а также патент Российской Федерации 2282101, опубл. 20.08.2006, бюллетень №23 (прототип) описывают конструкцию мембранной грузовой емкости, содержащую в качестве первичного герметичного барьера контактирующие с СПГ металлические пластины с волнистыми гофрами, на поверхности которых сформированы две серии волн, между которыми расположены плоские поверхности. Первая серия расположена перпендикулярно к волнам второй серии. Волны одной серии имеют высоту, меньшую, по сравнению с волнами второй серии, так, что волны первой серии прерываются при их пересечении с волнами второй серии.
Недостатками такого конструктивного решения является низкая прочность и надежность первичного герметичного барьера при внешних силовых воздействиях и перепадах температуры при заливании и опорожнении грузовой емкости. Эти недостатки обусловлены следующими причинами:
- глубоким пластическим деформированием листов первичного барьера при его изготовлении, связанным с необходимостью (для достижения требуемой формы изделия) образования в нем больших остаточных деформаций и напряжений, вызванных локальным растяжением и сжатием, которые весьма негативно сказываются в дальнейшем на статической и усталостной прочности барьера;
- появлением значительных локальных напряжений в зонах глубокого пластического деформирования при статических и динамических внешних воздействиях со стороны перевозимой (хранимой) жидкости, а также при температурных воздействиях, связанных с заполнением (опорожнением) грузовой емкости жидкостью.
Наличие такого недостатка особенно негативно сказывается при создании больших грузовых емкостей, а также при эксплуатации частично заполненных емкостей, сопряженной с появлением слошинга (биения СПГ о боковые стенки резервуара во время транспортировки), и выражается в потере герметичности конструкции, в пластическом деформировании волнистых гофров в зоне их пересечения и в увеличении вероятности появлений в ней усталостных трещин. Увеличение толщины пластин не ведет к ликвидации недостатков конструкции, поскольку увеличивает материалоемкость конструкции, снижает гибкость герметичного барьера, которая необходима (особенно в районе пересечения волнистых гофров) для обеспечения возможности термического сжатия и растяжения пластин без риска нарушения герметичности.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности и надежности мембранной грузовой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа, уменьшение вероятности нарушения ее герметичности.
Для достижения указанного технического результата предлагаются следующие решения. По изобретению первичный герметичный барьер грузовой емкости выполнен в виде гофрированной однослойной или двухслойной пластины, причем гофры имеют волнообразную форму, а вершины и впадины волн образуют форму зигзага. При однослойном исполнении пластина выполняется из нержавеющей стали или алюминиевого сплава, при двухслойном исполнении металлическая пластина с внутренней стороны емкости имеет стеклопластиковый слой, представляющий собой обформовку металлической пластины. Отдельные гофрированные пластины, образующие первичный герметичный барьер, соединены между собой, причем металлические листы соединены с помощью сварки (преимущественно внахлест). С внутренней стороны пластина соприкасается с сжиженным природным газом. С внешней стороны волнообразные лунки пластины заполнены пористым синтетическим материалом. В качестве заполнителя может использоваться композиция на основе полиуретана или поливинилхлорида, сферопластик, пенопласт, либо паста на основе рубленного стекловолокна и связующего.
Выполнение герметичного первичного барьера в виде пластины с волнистыми зигзагообразными гофрами обеспечивает его высокую податливость при перепадах температуры, связанных с заливанием газа в грузовую емкость или с ее опорожнением, а также низкий уровень температурных напряжений в конструкции барьера. Наличие заполнителя в лунках с внешней стороны первичного барьера обеспечивает низкий уровень напряжений в конструкции барьера, обусловленных статическими и динамическими силовыми воздействиями жидкости. Отсутствие зон пересечения гофров (их непрерывность) обеспечивает при одинаковой материалоемкости более высокий уровень прочности предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом. Наличие с внутренней строны емкости обформовки металлического листа герметичного первичного барьера стеклотканью (преимущественно биаксиальной, либо квадроакспальной) второго стеклопластикового слоя дает возможность применения при изготовлении герметичного первичного барьера малой толщины металлической пластины (фольги) и существенно повышает теплоизоляционные свойства этого барьера.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны:
- фрагмент емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа, являющейся прототипом предлагаемого изобретения (фиг.1);
- внутренняя поверхность герметичного первичного барьера грузовой емкости-прототипа (фиг.2);
- фрагмент предлагаемой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа (фиг.3);
- внутренняя поверхность первичного герметичного барьера предлагаемой грузовой емкости (фиг.4);
- вид в плане первичного герметичного барьера предлагаемой емкости (фиг.5);
- сечение первичного герметичного барьера по А-А, расположение которого указано на фиг.5, при однослойном исполнении гофрированной пластины (фиг.6);
- сечение первичного герметичного барьера по Л-А, расположение которого указано на фиг.5, при двухслойном исполнении гофрированной пластины (фиг.7);
- сечение первичного герметичного барьера по Б-Б, расположение которого указано на фиг.5, при однослойном исполнении гофрированной пластины (фиг.8);
- сечение первичного герметичного барьера по Б-Б, расположение которого указано на фиг.5, при двухслойном исполнении гофрированной пластины (фиг.9);
- рациональный способ расположения гофрированных пластин, соединенных между собой при сварке герметичного первичного барьера грузовой емкости (фиг.10).
Перечни конструктивных элементов 1-5 для прототипа и предлагаемой конструкции аналогичны (фиг.1, 3). Емкость для транспортировки и хранения сжиженного газа содержит первичный герметичный барьер 1, вторичный герметичный барьер 2, первичный теплоизоляционный барьер 3, вторичный теплоизоляционный барьер 4. Емкость закреплена на силовой конструкции 5 корпуса судна. Первичный герметичный барьер включает гофрированную металлическую пластину 6 и заполнитель лунок с внешней стороны барьера 7.
Достижение технического результата с помощью предлагаемого исполнения емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа осуществляется следующим образом. При перепадах температур, связанных с заливанием газа в грузовую емкость или с ее опорожнением, температурное расширение или сужение элементов металлических пластин герметичного первичного барьера сопровождается их изгибом в районах вершин и впадин волновых поверхностей гофров и пренебрежимо малым растяжением или сжатием серединных поверхностей пластин. В результате цепные температурные напряжения в пластине крайне малы, а изгибные температурные напряжения не могут достигать значительных величин вследствие малости толщины пластины. Высокая податливость заполнителя лунок, обусловленная значительно более низкими значениями упругих характеристик полимерных материалов по сравнению с металлическими, обеспечивает низкий уровень температурных напряжений в заполнителе. Вместе с тем, он эффективно передает давление жидкости на первичный теплоизоляционный барьер, исключая появление больших напряжений в металлической пластине, вызванных этим давлением.
Рекомендуется соединение отдельных пластин герметичного барьера по боковым кромкам с помощью сварки таким образом, чтобы соседние пластины имели взаимно перпендикулярные направления ориентации гофров (при этом пластины с различной ориентацией гофров располагаются в шахматном порядке), что способствует дальнейшему снижению температурных напряжений.
Таким образом, предлагаемая конструкция корпуса судна позволяет снизить уровень напряженности элементов первичного герметичного барьера, обеспечить повышение надежности и прочности мембранной грузовой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа и уменьшить вероятность нарушения ее герметичности, что выгодно отличает ее от прототипа.