[发明专利]压力容器以及将压缩天然气加载到压力容器内的方法

说明书

本发明涉及一种压力容器以及将压缩天然气(CNG)加载到压力容器内的方法。一旦加载，压缩天然气可储存在压力容器内或者在该压力容器内运送到其它地方。

压缩天然气是天然气(通常为原态天然气)的一种形式，由此，在该压缩状态下(在室温(20摄氏度)下可能处于200到300巴的压力下，即，通常在250巴左右)，它可在这样的体积内进行储存和运送，该体积占据了大气压下气体将占据的体积的非常小的一部分。通常，体积减少约99％，即，气体占据了大气压下气体将占据的体积的也许仅1％或更少。因此，通过使用压力容器来运送CNG是商业上可行的选择，并且与使用管线来运送原态天然气相比，由于后者涉及的距离通常较长和/或管线须延伸跨越的洋或海的水域通常较深，所以前者可能是商业上优选的选择。

将天然气加压到这些容器内可直接通过使用气体在天然地下井中被发现时的气体高压来实现。在此情况下，可使用设置在钻机处的管道系统将气体从井直接注入容器内。然后，井的压力提供用于加载操作的所需压力梯度。然而，作为替代方案，可替代地采用机械压缩机来将天然气加压到容器内。那些压缩机可将天然气压缩到期望的储存压力，即，压力处于如上讨论的250巴的量级。

将CNG加载到容器内较佳的是快速的过程，这是因为许多容器将通常存在于运输车辆上，诸如船或油轮。于是，快速但可靠且安全地将CNG加载到压力容器内会因此大大有助于使得使用这种容器来运送CNG更经济、加载时间更短、船的装货更快。例如，如果在船上有200个容器需要依次加载并且如果每个容器花10分钟加载，则船的总装货时间将是33个小时。因此，将加载时间缩短为5分钟大大有助于运送效率。为此，通过将天然气快速加载到容器内来加载容器，并且这在加载容器的初始阶段中涉及允许加压的CNG从供给管线以快速和不受控的方式膨胀到“空的”容器内。在本领域中被称为节流(throttling)的该过程涉及天然气通过容器入口的快速绝热膨胀。然而，天然气在容器内的快速膨胀会使气体快速冷却并且也使容器的入口和围绕该注入点的区域快速冷却。这种冷却效应已熟知并且在科学文献中记载，并经常被称为“焦耳-汤姆逊”效应，下文中为JT效应。如由天然气湍流膨胀到压力容器内所引起那样，天然气的这种冷却会在加载过程一开始时非常迅速，这是因为此时压力变化最大。毕竟，“空的”容器将处于大气压或者处于至少比入流的CNG更显著接近于大气压的压力，由此压力梯度处于最大。

如上所建议那样，膨胀和冷却的天然气将易于冷却入口、即容器颈部以及容器的围绕该入口的内壁。它们还将冷却容器的其余部分，但由于容器的这些其它部分不太接近于膨胀点因此冷却(剧烈)程度不同。

入口周围的冷却会造成容器材料暴露于极低温度以及跨越整个容器的较大温度梯度。这在外面温度已经非常低、即零下摄氏度的情况下尤其有问题，这种情况会在某些钻机区域内或者一年中的某些时段中出现。容器内壁的最接近该入口(或者如果采用多于一个入口来加载CNG则为多个入口)的区域将尤其暴露于这些低温，并且由于接近于膨胀点而具有相对于容器的更远侧区域(即具有CNG膨胀的最湍流部分的区域)的温度梯度。此外，由于这些入口区域通常呈“颈部”形状，诸如呈瓶颈形状，在整个容器壁上的温度梯度会造成容器壁内的应力和应变－相对较小直径的颈部将由于其温度降低而试图收缩，而周围部分将试图以不同速率收缩。

当使材料冷却时，其材料特性会改变，从而通常使部件/壁更脆性。此外，离岸地和近岸地储存和运送CNG的经验表明：加载和卸载CNG的反复循环以及通过由此产生的JT效应对容器的反复冷却会造成使容器的入口和周围壁、即最暴露于膨胀(以及由此冷却)气体的区域逐步劣化或者可能甚至是脆裂，并且这会造成材料特性的改变。

在金属压力容器的情况下，降低的强度或者其它改变的特性使得通常在微裂纹或其它可能更严重缺陷的可接受度方面的容忍度减小。毕竟，它们会具有造成容器的灾难性失效、即容器爆裂的可能性。

同样，金属容器也会只是由于疲劳而失效，这种疲劳是由反复加载和卸载容器产生的循环应力和应变造成的，并且较冷环境将减少疲劳寿命。

在复合材料压力容器的情况下，脆化问题不太可能造成大规模开裂和灾难性失效，但开裂仍会最可能出现在基质材料内(通常为聚合物树脂)，这通常造成微裂纹，以及由此带来有问题的CNG泄漏。然而，这些失效均被归类为容器入口和/或壁的“JT脆化”，并且通常起初在其内部区域内显现，并且由此看起来是需要更换该容器的容器机械失效，但更换是个昂贵过程，因为每个容器都是昂贵的物品。