[发明专利]液化天然气罐和容器系统

说明书

本发明涉及一种用于液化天然气(LNG)的货罐。

发明背景

设计成用于装载液化天然气(LNG)的船舶是世界上承载货物的最昂贵的一种船舶。这是因为LNG相对很轻，其比重小于0.5，因此为了使货舱达到给定的重量，就需要有较大的体积，并且需要极低的温度以便在足够低的压力下保持LNG处于液态以利于商业上的长期海上航行。LNG不能在相对高的温度下在压力罐中运输。LNG可在稍高于大气压的正气压下运输，并且其蒸发温度大约为负260华氏度(负160摄氏度)。所有的容器系统必须由能够承受极低温度的材料构成，并能够承受从周围环境(建造时的)条件到工作条件的较宽范围的温度变化，还应形成有效的温度隔离，以防止热气流入以及船舶基壳结构受到不希望的冷却作用。现在采用的每一种容器系统都会用不同的方法，通常是采用不同的材料来达到这些苛刻的要求。已有技术中用于装载液化天然气(LNG)的海上船舶中的容器系统通常被分为两类：独立的罐，它们通常是自支撑的并仅安装在基座上，以将它们及其内含物的重力和其它力传递给周围的壳结构，因此它们能够被设置在离开壳结构一段距离处的货舱中；另一种是“膜式罐”(“membrane tank”)，这种罐完全位于环绕的壳结构上，以保持它们的形状和完整性并吸收由其内含物所产生的所有静压力，因此必须在几乎所有点上与周围的壳结构紧密接触。

用于所有LNG容器系统的主要材料都比传统的造船钢铁贵很多。尽管含9％镍的钢和不锈钢也是适合的金属，但独立罐通常由铝合金制成。独立罐的强度足够大，以单独承受静压和动压力并通过基座支撑系统将这些力传递给周围的壳结构，并承受由室温和LNG货舱工作温度之间的温度差所引起的热应力。膜式容器系统通常由不锈钢或者殷钢、即热膨胀系数很小的高镍含量合金制成。尽管这些材料在单位重量上的成本要比一般独立罐的铝合金高，但是它们能够制成更佳的系统，因为它们相对较薄并使膜片的重量较轻，这种膜片无法独自承受作用力，仅能依靠承载隔离系统向壳结构传递力。通常，独立罐对铝合金的需要要比膜式系统对不锈钢或殷钢的需要量要多得多。用于膜式容器系统的承载热隔离物必须能够向壳结构传递静压和动压负载。用于膜式罐的承载隔离系统通常比独立罐系统中安装的热隔离系统更复杂且花费更高。

与壳结构分离开的独立罐系统通常在容器系统(罐加上隔离物)和壳结构之间设计有足够的空间，使人员能够进出，以检查、维护和修理隔离物的外表面以及船舶双壳结构的内表面。而与壳结构紧密接触的膜式容器系统不能够使人员进行这种进出运动，因此对隔离系统或者内壳结构的检修难于完成并很昂贵。

现在已发现有几种设计方式是可以接受的，这些方案中包括了相对较贵但适于低温(冷冻)应用的材料，人们试图通过达到材料数量与材料价格、壳体和容器(罐和隔离物)系统设计的复杂性和所需劳动力密集程度之间的平衡而使之具有竞争性。对于周围船舶壳体结构上的冲击也是决定应用于船体结构中的任何LNG容器系统的整体经济性的重要因素。

世界市场上用于LNG货罐的通常设计形式是独立的球罐。在一艘船上通常放置有四个或者五个大型球罐，每一球罐均由圆柱体或者圆环支撑，而后者依次由船壳底部支撑。球罐必须达到国家和国际有关标准下的LNG船舶的B类状态，该标准一般意味着商业球罐已经经过分析计算以表示失效前的泄漏情况。对于B类的罐子来说，现在的标准仅需要局部的第二道阻挡物(barrier)，即公知的滴水盘。虽然考虑到球罐具有最大的体积-面积比来储存液体，并且其整个表面上的应力均相同，但是用它来作为货罐也具有严重的缺陷。它们必须具有一个强度足够大的壁以承担静压，这会增加重量和费用。球罐的壁的厚度通常在30-60mm的范围内。它们的形状与船的形状不匹配。罐的上部高出主甲板大约15m。这会提高船的重心，增加了风力作用下的不稳定性，还需要一个提高很多的后桥，使之在罐的上方可见。象通常所需要的那样，为了使船能够在上部装载货物，必须在甲板上增加很多便于行动的结构--例如梯子、人行栈桥和管道。冬天在高纬度地区作业是很危险的，因为甲板上会结有厚冰。球本身并不是独立的，所谓的独立球罐包括有一个明显的支撑系统。这样，尽管叫作“独立罐”(“free-standing”)，但如果球罐包括支撑系统，它实际上仅仅是独立竖立罢了。