多層壓力容器的製造方法
2023-05-09 12:29:06 1
多層壓力容器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於容納或運輸加壓氣體的壓力容器。更具體地說，本發明涉及用於容納或運輸壓縮天然氣的此類容器。本發明還涉及一種近岸或離岸儲存或運輸氣體的方法。此外，本發明涉及一種用於運輸氣體、尤其是壓縮天然氣的運載工具。
【專利說明】多層壓力容器
【技術領域】
[0001]本發明涉及船隻中用於容納或運輸加壓氣體的壓力容器。更具體地說，本發明涉及用於容納或運輸壓縮天然氣(CNG)的此類容器。
[0002]本發明還涉及一種近岸或離岸儲存或運輸氣體的方法。此外，本發明涉及一種用於運輸氣體(具體而言，壓縮天然氣)的運載工具。
【背景技術】
[0003]用於容納或運輸加壓氣體的常規壓力容器通常僅基於鋼製成且十分笨重。然而，鋼的成本是相當大的，由此不管其抗腐蝕性如何都難以應用於航海運載工具——航海容器具有基於運載工具浮力的承載極限，大部分所述承載容量由容器的物理重量(即，容器的「空載」重量)佔據。
[0004]此外，在航海運載工具上，不可避免的鹽水噴霧會在壓力容器中的不鏽鋼與用於船隻結構的碳鋼之間產生不需要的且長時間的電耦合。這種耦合會產生所謂的海水腐蝕，隨時間推移這樣會由於更大的電負性差值或更強的電負性而損壞金屬。
[0005]待解決的技術問題
[0006]因此本發明旨在克服或緩解已知壓力容器的缺點中的至少一個缺點。
[0007]具體而言，本發明的目的是提供對航海運載工具上的惡劣條件有更強抵抗力的壓力容器。
【發明內容】
[0008]本發明的第一方面涉及一種具體而言用於壓縮天然氣容納或運輸的壓力容器。所述壓力容器具有在其大部分長度上的通常圓柱形形狀以及用於氣體加載和卸載以及用於液體排空的至少一個開口。壓力容器包括非金屬內部塗層、金屬襯裡；以及至少一個外部纖維層。
[0009]優選地所述開口處於容器的底部。優選地，所述容器是豎直站立的，以使其圓柱形部分基本上是豎直的。
[0010]非金屬內部塗層可以優選地是基本上惰性的。
[0011]非金屬內部塗層可以有利地具有至少不鏽鋼那樣的防腐蝕性。
[0012]非金屬內部塗層可以選自包括以下項的群組:HDPE、環氧樹脂、PVC等。
[0013]金屬襯裡可以是抗酸性氣體腐蝕的。
[0014]金屬襯裡可以由低碳鋼製成。
[0015]纖維層可以由纏繞在金屬襯裡周圍的纖維製成。
[0016]纖維層可以包括碳纖維。
[0017]壓力容器可以進一步包括插入在金屬襯裡與碳纖維層之間的絕緣層。
[0018]絕緣層可以是氣體可滲透層。
[0019]纖維層可以包括玻璃纖維。
[0020]壓力容器可以進一步包括插入在金屬襯裡與纖維層之間的氣體可滲透層。
[0021 ] 氣體可滲透層可以包括玻璃纖維。
[0022]壓力容器可以進一步包括連接到氣體可滲透層上的氣體檢測器，用於檢測氣體滲漏。
[0023]壓力容器沿著其大部分長度在內部和外部可以基本上呈圓柱形形狀。
[0024]容器的內徑可以在0.5米至5米之間。
[0025]容器的內徑可以在1.5米至3.5米之間。
[0026]壓力容器可以包括用於進入和/或檢查容器內部的人孔。優選地，所述人孔位於容器的頂部。所述人孔可以是24英寸(60釐米)的人孔或等效物，用於允許(例如)通過人爬進容器中進行內部檢查。所述人孔可以具有用於允許其開口的密封閉合的閉合裝置。
[0027]多個可檢查的壓力容器(10)可以布置在模塊或隔室中，並且所述壓力容器可以互連用於加載和卸載操作。
[0028]優選地，所述容器都具有相同高度。然而，一些容器可能具有不同高度以適應可變的底板條件，例如，船隻船體的曲率。
[0029]根據本發明的第二方面，提出一種用於近岸或離岸儲存或運輸氣體、尤其是壓縮天然氣的方法。所述方法提供用於使用根據本發明的第一方面的前述構造中的任一者的至少一個壓力容器。
[0030]本發明的第三方面涉及一種用於運輸氣體、尤其是壓縮天然氣的運載工具，其包括根據本發明的第一方面的前述構造中的任一者的至少一個容器。
[0031]氣體運輸運載工具可以是船隻或某種其他形式的運輸裝置，例如，卡車或火車。
[0032]在氣體運輸運載工具中，壓力容器可以互連。
[0033]本發明的優點
[0034]與等效的鋼容器相比，根據本發明的壓力容器可以在產生中降低單位成本。
[0035]與鋼容器相比，根據本發明的壓力容器還可以減少容器與運輸這些容器的航海運載工具之間的電耦合。
[0036]本發明的另一優點可以是:與等效的鋼容器相比，壓力容器的重量減小，由於船隻具有針對給定位移的給定浮力，因此減小的重量使船只能夠運載更大體積的流體。
[0037]此外，本發明可以在壓力容器內使用價格低廉的碳鋼，同時仍保持其抗腐蝕性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]現在將參考附圖僅通過實例描述本發明的這些和其他特徵，其中:
[0039]圖1是根據本發明的壓力容器的第一實施例的示意截面圖。
[0040]圖2是根據本發明的壓力容器的第二實施例的示意截面圖。
[0041]圖3是根據本發明的壓力容器的第三實施例的截面的詳細示意圖。
[0042]圖4是示出布置在模塊中的根據本發明的容器之間的互連管道的示意性透視圖；
[0043]圖5是示出在模塊內排列的容器之間的互連管道的示意側視圖；
[0044]圖6是示出在模塊內排列的容器之間的互連管道的示意俯視圖；
[0045]圖7示意性地示出通過船體的截面，其示出並排布置的兩個模塊；以及
[0046]圖8不意性地不出頂側管道系統的更多細節圖。
【具體實施方式】
[0047]在CNG運輸領域中不斷增加的容量和效率需求以及因此鋼瓶的普遍使用會引起開發具有較厚結構的鋼瓶，所述具有較厚結構的鋼瓶通常產生笨重的裝置或具有較低的運輸氣體與容納系統的質量比的裝置。這種影響可以通過使用例如複合結構等高級且較輕的材料來克服。
[0048]因此一些現有的解決方案已使用複合結構來降低裝置的重量，但是例如，由於所使用材料的局限性，因此複合結構的尺寸和構造未得到最優化。例如，使用小鋼瓶或非傳統形狀的容器就運輸的氣體而言通常會導致較低的效率(較小容器可能導致較高的未佔據的空間比)，並且使得更加難以檢查容器的內部。此外，使用用於僅覆蓋容器的圓柱形部分而不是容器兩端的局部包封(例如，環形包封的鋼瓶)會導致存在於容器的包封部分與容器的末端之間的僅暴露金屬殼的界面。那樣也可能導致腐蝕等問題。
[0049]而且，連續結構件中的材料之間的過渡通常構成較弱區域，因此在該點中更可能出現故障。
[0050]如圖1所示，根據本發明的容器10由能夠進行液壓或流體容納的內部金屬襯裡2組成。金屬襯裡2的內部在內部塗覆有非金屬層1，例如，能夠承受原料氣體的聚合物層。金屬襯裡2不需要以在CNG運輸、加載和卸載階段過程中提供結構目標的形式來提供。
[0051]金屬襯裡2在內部塗覆有非金屬防腐蝕層I並且所述襯裡能夠運載未經處理或未經加工的氣體。優選的材料可以是具有較薄聚合物非金屬層I的塗覆有碳鋼的金屬襯裡2，所述非金屬層例如為環氧樹脂、HDPE(高密度聚乙烯)或PVC(聚氯乙烯)。優選地，所述金屬襯裡具有50MPa或更高的抗拉強度。優選地，所述金屬襯裡具有3GPa或更高的楊氏模量。優選地，所述金屬襯裡能夠基本上是化學惰性的。優選地，所述金屬襯裡對許多化學成分(包含氯化物)具有抗腐蝕性。
[0052]此結構還使容器10能夠運載其他氣體，例如，具有高達14%摩爾的二氧化碳容許量、高達1.5%摩爾的硫化氫容許量的天然氣(甲烷)或氫氣或二氧化碳氣體。然而，優選的用途是CNG運輸。
[0053]CNG可以包含具有可變混合物比率的多種潛在組成部分，一些呈氣相併且另一些呈液相，或氣相和液相的混合。那些組成部分典型地包括以下化合物中的一者或多者:c2H6、C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16> C8H18、C9+碳氫化合物、CO2和H2S,可能加上液態的甲苯、柴油和辛燒。
[0054]金屬襯裡2優選地僅需要強度足以承受由容器的製造過程產生的機械應力，例如，當塗覆外部纖維層3時強加在其上的機械應力。這是因為在氣體的加壓運輸過程中的結構支承替代地由外部纖維層3提供。
[0055]在金屬襯裡2是碳鋼的情況下，其可以選自以下項:API(美國石油組織)5L X42或X60或具有350MPa或更高的優選抗拉強度的ASTM(美國材料試驗協會)A516。
[0056]外部纖維層3可以優選地選自基於碳/石墨纖維的纖維增強聚合物，其有利地完全包封容器10 (包含容器末端)並且在服務過程中提供結構貢獻。
[0057]當碳纖維用於外部纖維層3中時，優選地(但不限於此)使用具有3，200MPa或更高的優選抗拉強度和/或230GPa或更高的優選楊氏模量的碳紗線。所述紗線可以有利地具有每根紗線12，000,24, 000或48，000根單纖維。
[0058]複合材料基體優選地是熱固性聚合物樹脂或熱塑性聚合物樹脂。更確切地說，如果使用熱固性樹脂，則優選地其應該是環氧樹脂，或可替代地乙烯基酯或聚酯基樹脂。這也可以實現成本降低。
[0059]由於包括碳/環氧複合材料的外部纖維層3與用於金屬襯裡2的鋼一樣是導電的，因此有利地是提供具有隔離性質的額外絕緣複合層，從而避免可能的電耦合。
[0060]這種絕緣層可以有利地由嵌入環氧樹脂中的玻璃纖維製成，因此與外部層的樹脂相匹配。論及玻璃纖維，優選地(但不限於)使用E型玻璃或S型玻璃纖維。然而優選地，玻璃纖維具有1，OOOMPa或更高的建議抗拉強度和/或70GPa或更高的楊氏模量。
[0061]或者，如圖2所示，其可以用於塗覆聚合物塗層作為絕緣層4。在此實施例中，所述絕緣層位於襯裡2與纖維層3之間。絕緣層4可以有利地選自環氧樹脂、HDPE (高密度聚乙烯)或PVC(聚氯乙烯)等材料。優選地，塗層具有50MPa或更高的抗拉強度和/或3GPa或更高的楊氏模量。
[0062]通常僅需要承受壓縮應力的絕緣層4可以具有多孔特徵，S卩，在氣體從鋼襯裡洩漏的情況下所述絕緣層可對氣體為可滲透的。絕緣層4隨後可以有利地進一步包括集成的氣體檢測裝置，所述氣體檢測裝置能夠在氣體從襯裡2洩漏的情況下發出警報。圖3示意性地示出與此種裝置的連接，所述裝置可以整合到容器的壁中。此種裝置可以通過到達船隻上其他地方的接收單元(通常在壓力容器附近)的無線發射來操作。
[0063]所述金屬襯裡2 (第一層)上方的外部複合層3的製造優選地涉及一種纏繞技術。就生產時間而言，這可以潛在地提供較高效率。此外，所述纏繞技術可以在纖維的定向上潛在地提供較高精確度。此外，其可以提供良好的質量再現性。
[0064]增強纖維優選地用反張力纏繞在心軸上。所述心軸通常是襯裡。因此所述襯裡構成此技術的陽模。通常在纖維已預先浸潰在樹脂中之後進行纏繞。因此，浸潰纖維優選地在所述金屬襯裡上方分層沉積，直到達到給定直徑的所希望厚度為止。例如，對於6m的直徑，碳基複合材料所希望的厚度可以是約350_或玻璃基複合材料所希望的厚度可以是約650mmo
[0065]由於本發明優選地涉及一種基本上完全包封的壓力容器10，因此用於纖維的多軸十字頭優選地用於製造過程中。
[0066]所述過程優選地包含用結構外部複合層3覆蓋壓力容器10的大部分末端11、12。
[0067]在使用熱固性樹脂的情況下，可以在纖維沉積之前使用浸潰籃，用於在將纖維實際上纏繞在金屬襯裡2周圍之前浸潰所述纖維。
[0068]在使用熱塑性樹脂的情況下，可以在纖維沉積之前加熱所述樹脂，以便在樹脂剛好到達心軸之前熔化所述樹脂，或者在纖維作為複合材料沉積在金屬襯裡上之前用熱塑性樹脂浸潰所述纖維。在沉積纖維之前再次加熱所述樹脂，以便在纖維和樹脂複合物剛好到達金屬襯裡2之前熔化所述樹脂。
[0069]壓力容器10可以配備有用於氣體加載和卸載以及用於液體排空的開口 7(此處配備有帽蓋或連接器)。所述開口可以安置在容器10的任一端11、12處，但是如圖所示，所述開口優選地處於底端12處。所述開口可以是用於連接到管道系統上的12英寸(30cm)的開口。
[0070]容器10在頂端11處還具有開口 6並且其有利地呈至少18英寸(45cm)寬的出入人孔的形式，例如，具有密封或可密封蓋的出入人孔(或更優選地為24英寸^Ocm)的人孔)。其優選地根據ASME(美國機械工程師協會)的標準來提供。優選地，所述開口配備有閉合裝置，所述閉合裝置允許氣體運輸過程中開口的密封閉合，但在未使用容器10時所述閉合裝置允許例如由人通過開口/人孔6爬進容器中進行內部檢查。
[0071]圖4圖示了模塊或隔室40中的多個容器的布置。壓力容器10可以布置在船體中(參見圖6)處於模塊或隔室40中並且容器10可以例如經由管道系統61互連以用於加載和卸載操作。在優選構造中，此類模塊或隔室40具有四個邊緣(四邊形的)並且容納多個容器10。所選擇的容器的數目將取決於容器直徑或形狀和模塊或隔室40的尺寸。此外，模塊或隔室的數目將取決於用於容納所述模塊或隔室40的船體的結構限制。所有模塊或隔室的尺寸或形狀沒有必要相同，並且同樣地這些模塊或隔室不需要容納相同尺寸或形狀的壓力容器或相同數目的壓力容器。
[0072]容器10可以處於模塊或隔室內的規則陣列中，在所說明的實施例中為4x7陣列。不管在相同模塊(即，具有不同尺寸的壓力容器)或在不同尺寸的模塊中，也預期其他陣列尺寸，並且布置可以選擇或設計成恰當地配合在船體中。
[0073]出於外部檢查能力的原因，優選的是模塊或隔室40內的容器10之間的距離至少為380mm或更優選地為至少600mm。這些距離還考慮到在加載有加壓氣體時容器膨脹的空間，在加載時容器體積可能膨脹2%或以上(並且環境溫度的變化也可以使得容器改變其體積)。
[0074]再次出於外部檢查能力的原因，和/或為了允許容器膨脹，優選地模塊或隔室40之間或外部容器1A與模塊或隔室40的壁或邊界40A之間，或鄰近的模塊或隔室40的相鄰外部容器(例如，其中沒有物理壁分離鄰近的模塊或隔室40)之間的距離將至少為600mm，或更優選地為至少lm。
[0075]仍參考圖4，每個壓力容器行(或列)用從每個容器10的底部12 (例如，通過優選地12英寸(30cm)的開口 7)到總集管(例如，通過電動閥)的用於加載和卸載操作的管道系統60互連。
[0076]總集管可以包括各種不同的壓力等級，例如其中的三個(高-例如250巴，中-例如150巴以及低-例如90巴)加上一個吹除集管以及一個用於惰化目的氮氣集管。
[0077]而且如圖4所示，容器10優選地豎直安裝於(優選地)專用支架或託架上，或通過綑紮在適當位置豎直地安裝。所述支架(未圖示)固持所述容器10，以避免容器相對於彼此的水平移位。夾具、託架或其他常規的壓力容器保持系統可以用於此目的，例如，固定每個容器的主要圓柱體的環或帶。
[0078]所述支架可以設計成適應容器膨脹，例如，通過具有一些彈性。
[0079]當容器10豎直安裝時，所述容器在由船隻運動引起的隨後動態加載中具有較小臨界性。此外，在必要時，豎直布置使單個容器在模塊或隔室40中更容易移位，所述容器可以在不需要首先從上方移除其他容器的情況下被取出。這種構造還可以潛在地縮短安裝時間。將容器10安裝在豎直位置也使冷凝液體能夠在重力影響下落到底部，由此可從容器中卸載，例如，使用每個容器10的底部處的12英寸的開口 7。
[0080]氣體的卸載也將有利地從容器10的底部進行。
[0081]在大部分管道和閥60朝向模塊的底部安裝的情況下，整個布置的重心也將位於推薦的或優選的較低位置，尤其用於改善在海上或在氣體運輸期間的穩定性。
[0082]模塊或隔室40優選地保持在具有存在於容器10與模塊的壁40A之間的氮氣的受控環境中，由此降低火災隱患。或者，發動機廢氣由於其成分富含CO2,因此可以用於此種惰化功能。
[0083]通過最大化單個容器10的尺寸，例如，通過使容器直徑(例如)多達6米以及長度長達30米，可以減少用於容納相同總體積所需的容器10的總數，這進而可以降低連接和管道間複雜度，因此減少通常出現在較弱位置(焊接點、接合點以及歧管)中的可能洩漏點的數目。優選的布置需要至少2 m的直徑。
[0084]通過使用用於氣體儲存的相同概念的互連，可以留出一個專用模塊用於液體儲存(例如，冷凝物)。因此模塊40潛在地全部連接在一起，以允許此類液體從其他模塊40到專用模塊的分布——船隻通常具有多個模塊。
[0085]進出氣體儲存管道可以通過閥連接的歧管有利地與計量、加熱和/或吹除系統以及清掃系統中的至少一者相連接。所述進出氣體儲存管道可以優選地由分布式控制系統(DCS)遠程激活。
[0086]管道直徑優選地如下:
[0087]18英寸。用於專用於CNG加載/卸載的三個總集管(低壓、中壓以及高壓)。
[0088]24英寸。用於吹除CNG管路。
[0089]6英寸。用於將惰性氣體饋送到模塊的管道。
[0090]10英寸。用於吹除惰性氣體管路。
[0091]10英寸。用於專用於可能的液體加載/卸載的管道。
[0092]如國際規程、標準和規則所預期，所有模塊優選地配備有足夠的滅火系統。
[0093]運輸的CNG通常處於超過60巴的壓力下，並且可能超過100巴、150巴、200巴或250巴，並且可能在300巴或350巴達到峰值。
[0094]本文所述的壓力容器可以運載多種氣體，例如，直接來自鑽井的原料氣體，包含原料天然氣，例如當壓縮時的原料CNG或RCNG，或H2，或CO2,或處理後的天然氣(甲烷)，或原料或經部分加工的天然氣，例如，具有高達14%摩爾的CO2容許量、高達1，OOOppm的H2S容許量，或H2和CO2氣體雜質，或其他雜質或腐蝕性的物質。然而，優選的用途是CNG運輸，即，所述CNG是經處理達到可遞送給終端用戶(例如，商業、工業或住宅)的標準的原料CNG、經部分加工的CNG或純淨的CNG。
[0095]CNG可以包含具有可變混合物比率的多種潛在組成部分，一些呈氣相併且另一些呈液相，或氣相和液相的混合。那些組成部分通常包括以下化合物中的一者或多者:c2H6、C3H8、C4Hltl、C5H12、C6H14、C7H16、C8H18、C9+碳氫化合物、CO2和H2S,加上可能的液態甲苯、柴油和辛烷，以及其他雜質/物質。
[0096]毫無疑問技術人員將想到許多其他有效的替代方式。應理解，本發明不限於所描述的實施例並且涵蓋屬於所附權利要求書的精神和範圍內的對本領域的技術人員顯而易見的修改。
【權利要求】
1.一種具體而言用於壓縮天然氣容納或運輸的壓力容器(10)，所述壓力容器具有在所述壓力容器大部分長度上的大體上圓柱形形狀以及至少一個開口(7)，所述開口用於氣體加載和卸載以及用於液體排空，所述壓力容器包括: 非金屬內部塗層⑴； 金屬襯裡⑵；以及 至少一個外部纖維層(3)。
2.根據權利要求1所述的壓力容器，其特徵在於，所述非金屬內部塗層(I)基本上是化學惰性的。
3.根據權利要求2所述的壓力容器，其特徵在於，所述非金屬內部塗層(I)具有至少不鏽鋼那樣的防腐蝕性。
4.根據權利要求1或2所述的壓力容器，其特徵在於，所述非金屬內部塗層(I)選自包括以下項的群組:高密度聚乙烯、環氧樹脂、聚氯乙烯。
5.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述金屬襯裡(2)是抗酸性氣體腐蝕的。
6.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述金屬襯裡(2)由低碳鋼製成。
7.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述纖維層(3)由纏繞在所述金屬襯裡(2)周圍的纖維製成。
8.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述纖維層(3)包括碳纖維(2)。
9.根據權利要求8所述的壓力容器，其特徵在於，進一步包括插入在所述金屬襯裡(2)與所述碳纖維層(3)之間的絕緣層(4)。
10.根據權利要求9所述的壓力容器，其特徵在於，所述絕緣層(4)是氣體可滲透層。
11.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述纖維層(4)包括玻璃纖維。
12.根據權利要求11所述的壓力容器，其特徵在於，進一步包括插入在所述金屬襯裡(2)與所述玻璃纖維層(3)之間的氣體可滲透層(4)。
13.根據權利要求10或12所述的壓力容器，其特徵在於，所述氣體可滲透層(4)包括玻璃纖維。
14.根據權利要求10、12或13所述的壓力容器，其特徵在於，進一步包括氣體檢測器(5)，所述氣體檢測器連接到所述氣體可滲透層(4)上，用於檢測氣體洩漏。
15.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述壓力容器(10)沿著其大部分長度基本上是圓柱形形狀。
16.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，所述容器(10)的內徑在0.5米至5米之間。
17.根據權利要求8所述的壓力容器，其特徵在於，所述容器(10)的所述內徑在1.5米至3.5米之間。
18.根據前述權利要求中任一權利要求所述的壓力容器，其特徵在於，進一步包括用於進入和/或檢查所述容器(10)的內部的人孔(6)。
19.一種模塊或隔室，其包括多個根據前述權利要求中任一權利要求所述的可檢查的壓力容器(10)，所述壓力容器互連用於加載和卸載操作。
20.一種使用至少一個根據權利要求1至18中任一權利要求所述的壓力容器或根據權利要求19所述的模塊或隔室在近岸或離岸儲存或運輸氣體、尤其是壓縮天然氣的方法，所述氣體容納在其壓力容器內。
21.一種用於運輸氣體、尤其是壓縮天然氣的運載工具，所述運載工具包括至少一個根據權利要求1至18中任一權利要求所述的容器(10)或根據權利要求19所述的模塊或隔室。
22.根據權利要求21所述的運載工具，其特徵在於，所述運載工具是船隻。
23.根據權利要求21或22所述的運載工具，其特徵在於，存在多個壓力容器(10)並且這些壓力容器是互連的。
【文檔編號】F17C1/00GK104220802SQ201180076347
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2011年12月5日 優先權日:2011年12月5日
【發明者】F·內蒂斯, P·雷東迪, V·N·託馬瑟利 申請人:藍波股份有限公司