CN104105918A - 具有金属内衬和两个不同材料的纤维层的压力容器 - Google Patents

具有金属内衬和两个不同材料的纤维层的压力容器 Download PDF

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P·雷东迪
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Abstract

本发明涉及一种用于装纳或运输加压的气体的压力容器。具体地说，涉及用于装纳或运输压缩天然气的那种容器。本发明还涉及一种在陆上或海上装储或运输气体的方法。而且，本发明涉及一种用于运输气体尤其是压缩天然气的载运工具。

Description

具有金属内衬和两个不同材料的纤维层的压力容器
发明领域
本发明涉及用于装纳或运输被加压的气体的压力容器，更具体地说，涉及用于装纳或运输压缩天然气(CNG)的那种容器。
本发明还涉及一种在陆上或海上装储或运输气体的方法。而且，本发明涉及一种用于运输气体尤其是压缩天然气的载运工具。
发明背景
用于装纳或运输加压气体的常规压力容器通常都是用不锈钢制成的，因而重量很重。不锈钢的成本相当高，尽管它有耐腐蚀的性质，但它却不大适于用在海运载运工具上——海运船舶有一个基于其浮力的承载限制，船舶的承载能力的好大一部分被它的物理重量亦即其“空重”占去了。
还有，在海运载运工具上，不可避免的含盐海水飞溅会造成压力容器的不锈钢和船体结构的碳钢之间讨厌而漫长的电化学耦合。这种耦合将导致所谓的海上腐蚀，长此以往，这样的腐蚀将使电位差较高的或称负电性较强的金属性能恶化。
要解决的技术问题
所以，本发明的目的是克服或减轻已有压力容器的至少一个缺点。
具体地说，本发明的一个目的是提供一种更能耐受海运载运工具上的环境条件的压力容器。
发明内容
在本发明的第一方面，提供一种尤其适用于CNG的装纳或运输的压力容器。这种压力容器沿着其大部分长度具有大体上圆柱形的形状，并有至少一个用于气体加载和卸载以及用于排空液体的开口。这种压力容器包括一个金属内衬、一个处于金属内衬的外面并与之毗邻的第一纤维层、以及一个处于第一纤维层的外面并与之毗邻的第二纤维层。第一纤维层和第二纤维层是用不同材料制成的。
金属内衬是气体不可渗透的和/或耐腐蚀的。
金属内衬的材料可以是钢、不锈钢、镍基合金、二相钢、铝、铝合金、钛、以及钛合金之一。
每个纤维层都是用包绕在金属内衬上的纤维制成的。
第一纤维层可包括碳纤维。
第二纤维层可包括玻璃纤维。
这种压力容器，其内侧和外侧沿着其大部分长度都可以是大体上圆柱形的。
这种压力容器的内径可在0.5m到5m之间。
这种压力容器的内径可在1.5m到3.5m之间。
这种压力容器还可包括一个用于进入和/或检验容器的内部的人孔。优选的是，人孔设在容器的顶上。人孔可以是24英寸(60cm)或与之相当的人孔，以便由一个人爬进容器进行内部检验。人孔应有封闭措施，以便能密封地封闭人孔开口。
优选的是，所有压力容器有相同的高度，但为了适应船舶甲板的由诸如船体曲度造成的高低不同，某些压力容器可以有不同的高度。
按照本发明的第二方面，提供一种采用至少一个如上所述的压力容器在陆上或水上装储或运输气体尤其是CNG的方法。
本发明的第三方面提供一种用于运输气体尤其是CNG的载运工具，其包括至少一个如上所述的压力容器。
这种气体载运工具可以是船，或某些其它类型的运输工具，诸如卡车或铁路车辆。
在这种气体载运工具中，各压力容器是互连的。
本发明的优点
本发明的压力容器，与等效的钢质压力容器相比，可降低单位生产成本。
本发明的压力容器，与钢质压力容器相比，还可降低各压力容器和运输它们的海运载运工具之间的电化学耦合。
本发明的再一个优点是，与等效的钢质压力容器相比，可降低压力容器的重量。船在一定的排水量下有一定的浮力，压力容器重量的降低可允许船装运更多的流体。
附图说明
下面将以纯粹举例的方式参照附图描述本发明的这些和其它特点，各附图中：
图1是本发明的压力容器的一个实施例的示意剖视图；
图2是一个示意立体图，其表示出排列在一个模块里的本发明的各压力容器之间的互连管路；
图3是表示在一个模块里排成行的各压力容器之间的互连管路的示意侧视图；
图4是表示在一个模块里排成行的各压力容器之间的互连管路的示意俯视图；
图5示意地表示出一个切过船体的横断面，其表示出两个并列的模块；以及
图6是最顶上的管路的更详细示意图。
本发明的详细说明
CNG运输领域的日益增高的容量和效率要求，以及为之所用的钢质气瓶的普遍应用，一直在促使钢质气瓶向结构更厚发展，这通常导致这些器具很重，或者说，这些器具能装运的气体对装运系统的重量比很低。这种情况可通过采用先进且更轻的结构材料诸如复合结构来克服。
所以，某些已有的解决办法已在采用复合结构来减轻这类器具的重量，但现有复合结构的尺度和构造，由于例如所用材料的局限，尚未做到优化。例如，小型气瓶或非传统形状的容器的应用往往导致较低的气体运输效率(较小的容器可能导致较高的非占用空间比)，以及导致更难以检验容器的内部。而且，采用部分包覆(例如环箍状包覆的气瓶)仅覆盖容器的圆柱形部分而不包覆其两端，将导致在容器的被包覆部分和容器的裸露的金属壳端部之间有一个界面，这进而将导致诸如腐蚀问题。
同样，一个连续的结构部件上的各材料之间的过渡通常构成较为薄弱的区域，进而出现容易产生疲劳的许多点。
本专利所述的压力容器制造成有一个内侧的金属内衬1，其能够液压地或流体地装纳原态气体。设置金属内衬1，不必考虑给容器提供CNG运输、装载和卸载过程中需要的结构强度。
金属内衬1应该是耐腐蚀的且能够装运未经处理或未经加工的气体，因此其材料应该是不锈钢、铝、或其它耐腐蚀合金。
就不锈钢而言，优选的是但不限于采用奥氏体不锈钢，诸如AISI 304、314、316或316L(均为含碳百分比低的)。
就其它合金而言，推荐但不限于采用耐腐蚀的镍基合金或铝基合金。
这种构造还允许压力容器装运其它气体，诸如CO2限量达14％摩尔和/或H2S限量达1.5％摩尔的天然气(甲烷)，以及诸如H2和/或CO2气体。但优选的是用于运输CNG。
CNG可能包含各种以多变的混合比存在的组成部分，某些组分以其气相存在，而另一些以液相存在，或以气液混合相存在。这些组成部分典型地包括下列化合物中的一种或几种：C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、C6H14、C7H16、C8H18、C9+等碳氢化合物、CO2和H2S，加上可能以液态存在的甲苯、柴油和辛烷。
优选的是，金属内衬1的强度只要足以承受容器制造过程引起的应力就够了，诸如在纤维包绕过程中作用于其上的应力。而加压气体运输所需的结构强度是由外部复合材料层2、3来提供。
按照图示的实施例，包绕在金属内衬1上的第一纤维层2是碳/石墨基的纤维增强聚合物。它大体上完全包覆着容器(包括容器两端的大部分)，并且它布置成能提供使用中所需的结构强度。优选的是但不限于采用拉伸强度为3.200MPa或更高、和/或杨氏模量为230GPa或更高的碳纤维纱线。有利的是，每根纱线可以有12,000或24,000或48,000根细丝。
按照图示的实施例，第二纤维层3起隔热和保护作用。在使用中，它与外部环境直接接触。由于这些原因，外表的第二纤维层3最好是一种玻璃纤维基的聚合物或纤维增强聚合物，以充分利用其在腐蚀性和海洋环境中的惰性，以及利用其因很低的传热性而具有的隔热性能。优选的是但不限于采用E-玻璃纤维或S-玻璃纤维。优选的是，这些纤维有1,000MPa或更高的拉伸强度和/或70GPa或更高的杨氏模量。
复合材料的基体，不管复合材料层如何考虑，最好是热固性或热塑性聚合物树脂。确切地说，如果是热固性的，其可以是环氧基树脂，或者是乙烯酯基或聚酯基树脂。与其它可能的结构安排包括传统的钢质结构安排相比，这可降低成本。
包在金属内衬1上的外部复合材料层2、3的制造，优选的是，采用一种包绕技术。从生产工时来看，这可达到很高的效率。而且，可以达到很好的纤维定向精确性。还有，可以达到很好的质量一致性。
优选的是，把增强纤维以一定的回弹张力包绕在一个芯轴上。这里，内衬就是典型的芯轴。这样，内衬就构成这一技术方法的阳模。包绕典型地是在纤维已经预先在树脂里浸渍了之后进行。优选的是，这样就可把浸渍了的纤维一层一层地包绕在金属内衬上，直至针对给定的直径达到所需的厚度。例如，对于6m的直径：对碳纤维基的复合材料来说，所需厚度可能是约350mm；而对玻璃纤维基复合材料来说，所需厚度可能是约650mm.
由于本发明优选地涉及基本上全包覆的压力容器10，所以在制造过程中优选的是采用一个多轴十字头(multi-axis crosshead)。
优选的是，制造过程包括用外部结构复合材料层2、3覆盖压力容器10的两端的至少大部分
在采用热固性树脂的情况中，可以在纤维贴附之前用一个浸渍筐，用于先浸渍纤维，而后把纤维实实在在地包绕在金属内衬1上。
在采用热塑性树脂的情况中，为了使树脂恰在触及芯轴之前是熔化的，可在纤维贴附之前加热树脂，或先用热塑性树脂浸渍纤维而后将其作为复合材料贴附在金属内衬1上。为了使树脂恰在纤维和树脂复合材料触及金属内衬1之前是熔化的，可以再次加热树脂而后贴附纤维。
压力容器10有一个开口7(此处可设置一个盖帽或连接器)，用于气体加载和卸载以及用于排空液体。它位于容器的底端12并且可以是口径12英寸(30cm)的开口，用于连接管路。
压力容器10还有一个在其顶端11的开口6。其表示为一个18英寸(45cm)宽或更大的进出人孔，诸如一个有已密封的或可密封的盖板的人孔(或更优选的是一个24英寸(60cm)的人孔)。优选的是人孔按照ASME(美国机械工程师协会)标准来设置。此开口最好是设有一个可将其密封地封闭的封闭措施。此开口还允许在压力容器10处于停用状态时由诸如一个人通过此开口或称人孔爬进容器内进行内部检验。
本发明的压力容器可以布置在船体里的模块或称隔室40内，如图2所示，并通过诸如管路61互连起来，用于装载和卸载操作。在一种优选的构造中，这样的模块或称隔室40有4个侧边(是四边形的)并内装多个压力容器10。一个模块或称隔室40里的压力容器10的数目应根据容器的直径或模块或称隔室40的形状和尺寸来选择。而一艘船上的模块或称隔室40的数目应根据船体的结构约束来选择。所有模块或称隔室40是不是同一尺寸或形状的并不重要，同样，安装在它们里面的压力容器也不必是同一尺寸和形状或相同数目的。
压力容器10在模块或称隔室40里安排成一个规则的阵列，在图示的实施例中，是一个4x7的阵列。同一尺寸的或不同尺寸的模块里也可以安排不同规模的阵列(也就是安排不同尺寸的压力容器)，为恰当地适应船体的尺度和形状，可选择或设计各种安排。
为了便于外部检验，模块或称隔室40里各压力容器10之间的距离应至少是380mm，或更优选的是至少600mm。这些距离也为容器装载加压气体时的膨胀留出空间——在容器装满加压气体时其体积可能膨胀2％或更大(环境温度的变化也会引起容器体积的变化)。
优选的是，各模块或称隔室40之间的距离，或位于外侧的容器10A和模块或称隔室40的侧壁或边界40A之间的距离，或各相邻的模块或称隔室40的各毗邻外侧容器之间的距离(诸如在没有实体的侧壁将相邻的模块或称隔室40隔开的情况中)都应至少是600mm，更优选的是至少1m，这也是为了便于进行外部检验，和/或允许容器膨胀。
可用一个用于从每个压力容器10的底部12进行装载和卸载操作的管路系统，诸如最好是通过12英寸(30cm)的那个开口7，把每一排(或列)压力容器互连起来。再通过诸如机动操作的阀门连接至各主干集管。
各集管可以有不同的压力等级，例如3个等级(高压——例如250巴，中压——例如150巴，以及低压——例如90巴)，还应有一个吹除集管和一个用于惰性气体保护的氮气集管。
如图4所示，优选的是，各压力容器10安放成竖立的，优选的是由专用支撑物或架子支撑着，或用束带束牢就位。用支撑物(未示)保持住各压力容器10是为了防止各容器相互相对地水平移动。为此目的，可采用夹具、支撑架或其它常规的压力容器保持系统，诸如用环箍或束带稳固每个容器的圆柱形主体部分。
支撑物应设计成能适应容器的膨胀，例如其可以有某种程度的弹性。
已经发现，容器的竖立安装，在承受船舶运动产生的动态载荷时，几乎不会发生什么危险情况，和/或便于模块或称隔室40里可能需要进行的单个容器的更换(可以将需要更换的容器向上吊出来，无需拆移其它容器)，和/或节省拆装时间。容器的竖立安放还可使可能出现的凝结液体在重力作用下下落到容器的底部，进而通过每个压力容器10的底部12处的12英寸开口7把液体从容器泄放出去。
有利的是，气体的装卸也是从压力容器10的底部来进行。
由于多数管路和阀门都是安装在模块40的底部附近，整个布置的重心将是在一个很低的位置，这特别有利于改善海上航行时或气体运输过程中的稳定性，因此是推荐的或说是优选的。
优选的是，将各模块或称隔室40保持在一种可控制的环境中，以氮气充满各容器10和模块侧壁40A之间，这样有助于预防火灾。或者，可将发动机的废气用于这种惰性气体保护功能，因为其成分主要是CO2。
对于同样的装运总容积，将压力容器10的个体尺寸最大化，诸如将其制成为直径达例如6m、长度达30m，可允许设计者减少容器的总数，并可降低连接和互连管路的复杂性，进而减少可能存在的漏泄点数目——漏泄点通常出现在诸如焊缝、接头和歧管连接处等薄弱部位。优选的容器排列，需要容器直径至少为2m。
可以采用与气体装卸的互连相同的连接方式在旁边设置一个专用于储存液体(诸如凝结液)的模块，把所有模块40全都连接于它，以便来自它们的这种液体都能流向这个专用模块——一艘船上通常有多个模块。
有利的是，将气体装卸管路通过装有阀门的歧管连接于至少一个计量系统、加热系统和/或吹除和清扫系统。优选的是，这些系统都是由一个分布式控制系统(DCS)遥控操作的。
管路直径优选的是如下所述：
18英寸，用于三个专用于CNG装卸的主干集管(低压、中压和高压)。
24英寸，用于吹除CNG管线。
6英寸，用于向模块供给惰性气体的管路。
10英寸，用于吹除惰性气体的管路。
10英寸，用于可装运的液体的装卸的专用管路。
优选的是，所有模块都应备有适当的符合国际法规、标准和规则的防火系统。
被运输的CNG典型地是处于60巴以上的压力下，还有可能超过100巴、150巴、200巴或250巴，最高可达300巴或350巴。
实施例
1.耐腐蚀的金属内衬是用拉伸强度为至少500MPa、含碳量低于或等于0.08％的AISI 316不锈钢制成，其外包覆着拉伸强度为3,200MPa或更高以及优选的杨氏模量为230GPa或更高的碳纤维基结构复合材料，碳纤维的每根纱线有利地含有12,000、24,000或48,000根细丝，以及出于隔热的考虑，外面的第二层是由拉伸强度为至少80MPa、传热系数约为0.2W·m-1·K-1的非增强环氧树脂制成。
2.耐腐蚀的金属内衬是用拉伸强度为至少500MPa、含碳量低于或等于0.08％的AISI 316不锈钢制成，其外包覆着拉伸强度为3,200MPa或更高以及优选的杨氏模量为230GPa或更高的碳纤维基结构复合材料，碳纤维的每根纱线有利地含有12,000、24,000或48,000根细丝，以及出于隔热的考虑，外面的第二层是由采用E-玻璃纤维或S-玻璃纤维的、拉伸强度为建议的1,000MPa或更高、杨氏模量为建议的70GPa或更高、用传热系数约为0.2W·m-1·K-1的环氧树脂浸渍了的玻璃纤维基复合材料制成。
3.耐腐蚀的金属内衬，其外包覆着拉伸强度为3,200MPa或更高以及优选的杨氏模量为230GPa或更高的碳纤维基结构复合材料，碳纤维的每根纱线有利地含有12,000、24,000或48,000根细丝，以及出于隔热的考虑，外部第二层是由采用E-玻璃纤维或S-玻璃纤维的、拉伸强度为建议的1,000MPa或更高、杨氏模量为建议的70GPa或更高、用传热系数约为0.2W·m-1·K-1的环氧树脂浸渍了的玻璃纤维基复合材料制成，以及出于隔热的考虑，还增加了一个用拉伸强度为至少80MPa以及传热系数约为0.2W·m-1·K-1的非增强环氧树脂制成的外表第三层。这一构造可使容器有更高的热稳定性，使被运输气体的温度梯度为更低。
本文描述的压力容器可装运不同种类的气体，诸如直接来自自钻井的原态气体，包括原态天然气，例如经压缩的原态CNG、或RCNG、或H2、或CO2、或经加工的天然气(甲烷)、或原态或经部分加工的天然气，例如CO2限量达14％摩尔、H2S限量达1,000ppm的天然气，或含有H2和CO2杂质或其它杂质或腐蚀性杂质的天然气。但是，优选的用途是运输CNG，包括原态CNG、部分地加工的CNG或清洁的CNG，所谓清洁的就是处理到符合终端用户例如商业、工业或居民使用的一个标准。
CNG可能包含以多变的混合比存在的各种组成部分，某些组分以其气相存在，而另一些组分以液相存在，或以气液混合相存在。这些组成部分典型地包括下列化合物中的一种或几种：C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、C6H14、C7H16、C8H18、C9+等碳氢化合物、CO2和H2S，加上可能以液态存在的甲苯、柴油和辛烷，以及其它杂质/物种。
无疑，熟悉本技术领域的人能够做出许多其它有效的替换方案。所以应能理解，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖熟悉本技术领域的人显而易见的、属于权利要求书的精神和范围内的所有变型。

Claims (15)

1.一种压力容器(10)，其尤其适用于装储或运输压缩天然气，该压力容器具有沿着其大部分长度的大体上圆柱形的形状，以及至少一个用于气体加载和卸载以及用于排空液体的开口(7)，所述压力容器包括：
金属内衬(1)；
处于所述内衬外面并与之毗邻的第一纤维层(2)；以及
处于所述第一纤维层外面并与之毗邻的第二纤维层(3)，其中，所述第一纤维层和所述第二纤维层是用不同材料制成。
2.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述内衬是气体不可渗透且耐腐蚀的。
3.如前面任一权利要求所述的压力容器，其中，所述金属内衬的材料可以是钢、不锈钢、镍基合金、二相钢、铝、钛、钛合金之一。
4.如前面任一权利要求所述的压力容器，其中，每个纤维层都是用包绕在所述金属内衬上的纤维制成的。
5.如前面任一权利要求所述的压力容器，其中，第一纤维层(2)包括碳纤维。
6.如前面任一权利要求所述的压力容器，其中，第二纤维层(3)包括玻璃纤维。
7.如前面任一权利要求所述的压力容器，其沿着其大部分长度是大体上圆柱形的。
8.如前面任一权利要求所述的压力容器，其中，其内径是在0.5m到5m之间。
9.如权利要求8所述的压力容器，其中，所述内径是在1.5m到3.5m之间。
10.如前面任一权利要求所述的压力容器，它还包括一个用于进入和/或检验所述容器内部的人孔(6)。
11.一种包括多个如前面任一权利要求所述的可检验压力容器(10)的模块或称隔室，各所述压力容器互相连接，用于进行气体的加载和卸载操作。
12.一种用于陆路或水路运输气体尤其是压缩天然气的方法，其采用至少一个如权利要求1至10之任一所述的压力容器或如权利要求11所述的模块或称隔室。
13.一种用于运输气体尤其是压缩天然气的载运工具，其包括至少一个如权利要求1至10之任一所述的压力容器或如权利要求11所述的模块或称隔室。
14.如权利要求13所述的载运工具，其中，所述载运工具是船。
15.如权利要求13或14所述的载运工具，其中，各所述压力容器是互相连接的。
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