СУДНО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА И СПОСОБ ЕГО СТРОИТЕЛЬСТВА
SHIP FOR TRANSPORTATION OF LIQUEFIED NATURAL GAS AND METHOD OF ITS CONSTRUCTION

Изобретение относится к области транспортного судостроения, средствам морской транспортировки и хранения сжиженного природного газа (СПГ) и касается вопроса создания судна-газовоза и грузовой емкости для транспортировки и хранения СПГ.
При морской транспортировке СПГ на судах-газовозах используются вкладные самоподдерживающиеся емкости (танки) типа SPB, разработанные японской фирмой IHI (SPB судно для перевозки сжиженного газа «Полярный орел» LNG. // Рекламный проспект фирмы «IHI MARINE UNITED INC» Япония, 2006), представляющие собой прочную конструкцию с внутренним набором и наружной изоляцией, соответствующую по форме внутреннему пространству судового отсека. У емкости нет прямого контакта с внутренним дном и внутренним бортом судна. Между танком и корпусом судна имеется зазор (пространство доступа), что способствует легкости осмотра. Опорные конструкции танка устанавливаются между дном судна и дном емкости. Они содержат упругие элементы (деревянные клетки типа доковых), которые снижают передаваемые на танк SPB деформации от общего изгиба корпуса и изгиба днищевого перекрытия. Имеются также податливые упоры против смещений танка при качке. Отсутствие жестких соединений между корпусом судна и танком SPB обеспечивает отсутствие температурных напряжений.
Вкладные емкости типа SPB чаще изготавливаются из нержавеющей стали (или из высоколегированной никелем стали - 9% Ni), либо из алюминия.
В большинстве случаев конструкция SPB выполняется по продольной системе набора. В пределах танка устанавливается обычно одна отбойная поперечная переборка, в диаметральной плоскости также может быть установлена прочная или отбойная переборка, если ее нет, устанавливается мощная рамная балка. Для поддержания рамных шпангоутов устанавливается два или более горизонтальных шельфа.
Изоляция устанавливается на гладкую наружную поверхность танка SPB. Вторичный барьер устанавливается на нижней части поверхности танка, обеспечивая стекание просочившихся капель СПГ в поддон.
Недостатком вкладных самоподдерживающихся емкостей типа SPB является большой вес и обусловленная наличием пространства доступа малая (по сравнению с мембранными грузовыми емкостями) утилизация объема судна, снижающая его экономическую эффективность, низкая эффективность вторичного барьера, служащего не для предотвращения протекания СПГ из герметичной емкости, а всего лишь для его сбора.
Известна также 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.
Мембранные емкости по прототипу представляют собой мембраны с изоляцией, опирающиеся на внутренний борт, внутреннее дно и соприкасающиеся с палубой. Их достоинством является высокая степень утилизации объема судна и невысокая стоимость транспортировки СПГ. К недостаткам таких емкостей принято относить малую прочность и надежность, связанную с наличием прямого контакта с корпусом.
К недостаткам способа строительства судов-газовозов с такими емкостями относится высокая стоимость работ, обусловленная большим объемом монтажа мембранных емкостей, и большая продолжительность строительства, связанная с необходимостью завершения на первой стадии строительства основных работ по созданию корпуса, а затем, на второй стадии, монтажа на нем мембранных емкостей, причем продолжительности этих стадий сопоставимы.
Недостатками такого конструктивного решения емкости является низкая прочность и надежность первичного и вторичного герметичных барьеров при внешних силовых воздействиях (при явлении слошинга в резервуарах, т.е. биения СПГ о боковые стенки резервуара во время транспортировки, при волновых и ледовых воздействиях на судно, при аварийных столкновениях газовоза с другими судами или навигационными препятствиями), а также при перепадах температуры в процессе заливания или опорожнения грузовой емкости. Эти недостатки обусловлены следующими причинами:
- наличием интенсивного гидродинамического воздействия сжиженного газа на боковые и потолочные поверхности резервуара при слошинге;
- 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;
- наличием относительно жестких конструкций теплоизоляции в виде ящиков с заполнителем, смещаемых друг относительно друга при аварийном повреждении корпуса и не препятствующих развитию такого повреждения. Подобное смещение способно при повреждении корпуса привести к нарушению герметичности как первичного, так и вторичного барьеров.
Наличие таких недостатков особенно негативно сказывается при создании больших грузовых емкостей, а также при эксплуатации частично заполненных емкостей, сопряженной с появлением в условиях волнения слошинга и выражается в потере герметичности конструкции, в пластическом деформировании материала первичного и вторичного барьеров и в увеличении вероятности появления в них усталостных трещин. Увеличение толщины пластин герметичных барьеров не ведет к ликвидации недостатков конструкции, поскольку увеличивает материалоемкость конструкции, снижает податливость (гибкость) барьеров, которая необходима (особенно в районе пересечения волнистых гофров изоляции типа mark) для обеспечения возможности термического сжатия и растяжения пластин без риска нарушения герметичности.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности и надежности грузовой емкости для транспортировки и хранения сжиженного газа, уменьшение вероятности нарушения ее герметичности, сокращение затрат на строительстве и его продолжительности.
Указанная задача решается благодаря тому, что судно для транспортировки сжиженного природного газа, включающее установленные на корпусе с помощью податливых опор емкости для хранения и транспортировки сжиженного природного газа, содержащие термоизолированные оболочки, состоящие из нескольких слоев, по меньшей мере, два из которых являются металлическими и герметичными, причем один из них находится в контакте со сжиженным газом и подкреплен набором и переборками, имеет следующие отличия: металлические герметичные слои выполнены из соединенных сваркой полых алюминиевых панелей с образованием многослойной оболочки, при этом многослойная оболочка образует совместно с соединенными с ней набором и переборками прочную конструкцию емкости, а между корпусом судна и прочной конструкцией емкости расположена многослойная теплоизоляция из легкодеформируемых элементов с полыми областями.
А также, многослойная теплоизоляция емкости из легкодеформируемых элементов содержит полости и выполнена в виде соединенных между собой многослойных полых податливых панелей из полимерного композиционного материала, причем панели содержат две наружные обшивки и амортизирующие (податливые) элементы в виде, по крайней мере, одной пластины, расположенной внутри панели между обшивками, а также соединяющие их диафрагмы, которые смещены друг относительно друга.
А также, многослойная теплоизоляция емкости из легкодеформируемых элементов с полыми областями выполнена из стеклопластика, при этом полые области заполнены волокнистой минеральной ватой.
А также, многослойная теплоизоляция емкости из легкодеформируемых элементов с полостями выполнена в виде крупногабаритных блоков, крепящихся на корпусе судна.
Кроме того, указанная задача решается благодаря тому, что способ строительства судна для транспортировки сжиженного природного газа с установленными на его корпусе помощью податливых опор емкостями для хранения сжиженного газа, содержащие термоизолированные оболочки, состоящие из нескольких слоев, по меньшей мере, два из которых являются металлическими и герметичными, причем один из них находится в контакте с СПГ и подкреплен набором и переборками, состоящий из последовательного изготовления корпуса судна, изготовления и монтажа на корпусе отдельных элементов с образованием многослойной теплоизоляции, изготовления и монтажа на корпусе герметичной оболочки, образующей совместно с приваренными к ней набором и переборками прочную конструкцию емкости сжиженного природного газа, имеет следующие отличия: изготовление корпуса судна, прочных конструкций емкостей СПГ и крупногабаритных блоков теплоизоляции ведется одновременно и раздельно, затем производится монтаж на корпусе судна крупногабаритных блоков теплоизоляции в отсеках судна, после чего производится монтаж прочных конструкций емкостей СПГ как готовых модулей.
А также, установка прочных конструкций емкостей выполнена с деформированием элементов теплоизоляции, расположенных на бортах и поперечных переборках судна, и с образованием натяга в соединении этих конструкций с теплоизоляцией.
По изобретению первичный и вторичный герметичные барьеры грузовой емкости выполнены в виде экструзионных или прессованных полых панелей из алюминиевого сплава, содержащих внутренний и наружный слои, соединенные наклонными элементами. Полости панелей выполняют в виде герметичных объемов, заполненных инертным газом и снабженных анализаторами природного газа, сигнализирующими об обнаружении его утечки.
Панели образуют трехслойную оболочку, соответствующую форме внутреннего пространства отсека газовоза. С внутренней стороны оболочка соединена с набором и одной или несколькими переборками (поперечной и продольной). Оболочка, набор и переборки образуют прочную конструкцию емкости. С наружной стороны оболочки (между ней и корпусом) располагается тепловая изоляция, также соответствующая форме внутреннего пространства отсека.
Между прочной конструкцией емкости и корпусом газовоза могут также располагаться дополнительные (по отношению к теплоизоляции) упругие опоры (упоры). Опоры между дном судна и дном емкости могут быть выполнены в виде упругих деревянных клеток (типа доковых), либо из блоков, изготовленных из пенопласта высокой плотности. Блоки могут иметь стеклопластиковые обкладки и армирование. Возможно использование панелей с наружными обшивками из стеклопластика. Обшивки соединены между собой на клею внутренним стеклопластиковым слоем, имеющем в поперечном сечении трапециевидную форму. Внутренние полостей панелей заполнены пенопластом высокой плотности.
В верхней и нижней частях емкости могут быть установлены податливые упоры, препятствующие ее смещениям при качке. Упоры могут иметь такое же исполнение как и опоры.
В первом варианте исполнения тепловая изоляция может быть выполнена из панелей, крепящихся к поверхности грузовых танков при помощи фиксаторов или клея и состоящих из минеральной ваты волокнистого исполнения (заключенной в оболочку из стеклопластика), вспененного эбонита или пенопласта малой плотности.
Тепловая изоляция может быть выполнена во втором варианте исполнения в виде многослойной полой податливой панели из стеклопластика, содержащей две наружные обшивки и амортизирующие элементы в виде, по меньшей мере, одной пластины, расположенной внутри панели между наружными обшивками, а также соединяющие их диафрагмы, причем последние с верхней и нижней сторон амортизирующих элементов, смещены относительно друг друга в поперечном сечении панели. Внутренние полости панели могут быть заполнены податливым заполнителем (минеральной ватой волокнистого исполнения). Диафрагмы могут быть расположены вертикально, причем их ширина переменна по высоте отсека. Она уменьшается с увеличением расстояния от второго дна судна таким образом, что при опускании грузовой емкости в процессе ее монтажа происходит под действием сил веса деформирование амортизирующих элементов и посадка емкости на свое место в отсеке газовоза с образованием горизонтальных сил натяга, увеличивающегося по мере опускания емкости.
Выполнение первичного и вторичного герметичных барьеров в виде оболочки, сваренной из полых алюминиевых панелей, снижает трудоемкость изготовления герметичных барьеров, повышает их прочность и снижает массу прочной конструкции емкости по сравнению с аналогичной конструкцией емкости типа SPB. Заполнение полостей панели инертным газом и сигнализаторами его утечки повышает безопасность перевозки СПГ.
Наличие внутреннего набора прочной конструкции и переборок обеспечивает многократное снижение нагрузок на конструкции и их массу.
Выполнение теплоизоляции в виде деформируемых элементов с высокой податливостью обеспечивает защиту прочной конструкции емкости от повреждения при аварийных ситуациях (столкновениях с судами и крупными ледовыми образованиями, посадках на мель).
Посадка прочного корпуса емкости на место в отсеке судна с натягом создает противодействие давлению СПГ в емкости и повышает ее прочность и надежность.
Отсутствие прямой передачи усилий от корпуса газовоза на герметичные барьеры через теплоизолирующие коробки из фанеры (как это принято на прототипе) позволяют повысить эксплуатационную надежность теплозащиты, ее теплоизолирующие свойства и безопасность емкости в целом. Сущность изобретения поясняется рисунками, где показаны:
схема поперечного сечения газовоза с предлагаемой грузовой емкостью (фиг. 1);
один из вариантов поперечного сечения полой алюминиевой панели для изготовления оболочки прочной конструкции предлагаемой грузовой емкости для транспортировки и хранения СПГ (фиг. 2);
элемент предлагаемой теплоизоляции в виде многослойной податливой панели из стеклопластика (фиг. 3).
Известная грузовая емкость типа SPB содержит прочный корпус, защищенный теплоизоляционным слоем и установленный в отсеке корпуса газовоза с помощью опор, таким образом, что между емкостью и корпусом газовоза находится пространство доступа, используемое для осмотра прочного корпуса.
Мембранная грузовая емкость типа Mark III имеет структурированную оболочку, закрепленную на корпусе газовоза, состоящую из гофрированного первичного и вторичного герметичных металлических барьеров, разделенных между собой слоями теплоизоляции.
Предлагаемая грузовая емкость для перевозки и хранения СПГ (фиг. 1) содержит прочный алюминиевый корпус емкости, включающий полую алюминиевую панель 1 (фиг. 2), набор борта 2, набор днища 3, набор верхней платформы 4, переборку с обшивкой 5 и набором с шельфами 6. Прочный алюминиевый корпус емкости установлен на корпусе 7 газовоза с помощью опор 8, таким образом, что между емкостью и корпусом газовоза расположена податливая теплоизоляция 9, которая во втором варианте исполнения может иметь вид панели (многослойной полой или заполненной теплоизоляционным материалом), содержащей две обшивки 10 и 11 и податливые элементы в виде, по крайней мере, одной пластины 12, расположенной внутри панели, а также соединяющие их диафрагмы 13, места, закрепления которых на податливом элементе смещены друг относительно друга.
При деформировании прочного корпуса емкости в результате резкого изменения его температуры, а также при аварийном упругопластическом деформировании корпуса газовоза, происходит деформирование податливого теплоизоляционного слоя, сопровождающееся большими относительными перемещениями его обкладок (обшивок). Такое деформирование предотвращает повреждение и разрушение прочного корпуса емкости и утечку СПГ.
Во втором варианте исполнения, в случае использования в теплоизоляционном слое податливых многослойных панелей, происходит значительный изгиб амортизирующих элементов (пластин) внутри панели, способствующий упругому смещению обшивок панелей друг относительно друга и приданию панелям пониженной жесткости.
Достижение технического результата с помощью предлагаемого исполнения емкости для транспортировки и хранения СПГ осуществляется следующим образом.
При перепадах температур, связанных с заливанием газа в грузовую емкость или с ее опорожнением, температурное расширение или сужение прочной конструкции емкости не приводит к появлению температурных напряжений, деформаций и перемещений, поскольку последние легко компенсируются деформированием податливой конструкции теплоизоляции.
Наличие двух герметичных барьеров в виде прочной и надежной многослойной оболочки исключает необходимость создания пространства доступа, дает возможность контроля утечки газа и достижения оптимальной толщины теплоизоляционного слоя, исключающей высокую интенсивность испарения СПГ при перевозке и хранении.
Предлагаемый способ строительства судна-газовоза отличается тем, что изготовление корпуса судна, прочных конструкций грузовых емкостей и крупногабаритных блоков теплоизоляции ведется одновременно (параллельно), а не последовательно (как это принято при создании судов-газовозов с мембранными грузовыми емкостями для транспортировки и хранения СПГ), затем производится монтаж на корпусе блоков теплоизоляции в отсеках судна, после чего производится монтаж прочных конструкций емкостей для перевозки и хранения СПГ.
Таким образом, предлагаемые конструкции емкости для транспортировки и хранения СПГ и оформление ее сопряжения с корпусом газовоза, позволяют снизить нагрузки при слошинге, повысить прочность и надежность грузовой емкости и уменьшить вероятность нарушения ее герметичности, уменьшить объем и стоимость монтажа элементов герметичных барьеров и теплоизоляции, что выгодно отличает эти емкости от прототипа. Предлагаемый способ строительства судна-газовоза позволяет вести одновременное (параллельное) изготовление корпуса судна, прочных конструкций грузовых емкостей и конструкций теплоизоляции, что сокращает продолжительность и стоимость строительства газовоза.