CN105143035B - 具有曲率变化部的独立式罐及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无需增加板厚便能够减小在边界部即焊接部附近产生局部的弯曲应力的独立式罐及其制造方法。本发明的独立式罐(1)具有至少一个沿构成罐的板材(2、3)的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部，所述曲率较小的一侧的板材(2)的内周面及外周面两者与所述曲率较大的一侧的板材(3)的内周面及外周面不在同一水平面上，所述曲率较小的一侧的板材(2)的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材(3)的板厚中心，向半径方向内侧或半径方向外侧偏心。

Description

具有曲率变化部的独立式罐及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种搭载于船舶或海洋结构物等的独立式罐，并涉及在罐外形上具有曲率变化部，且内部储存有液体燃料(例如液化天然气或液化石油气体等高压气体)的独立式罐及其制造方法。
背景技术
作为独立式罐，例如已知有专利文献1、2中记载的独立式罐。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开平6-300192号公报
专利文献2：日本专利公开平5-240400号公报
专利文献3：日本专利第4119813号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
于是，在专利文献1～3中记载的独立式罐，即具有呈圆筒形状的圆筒部101和呈半球形状的镜板102的如图9所示的独立式罐103中，如图10所示，通常圆筒部101的内周面101a和镜板102的内周面102a在同一水平面上(内表面一致)，在圆筒部101的两端，通过焊接接合镜板102。
并且，如图11所示，有时也通过使圆筒部101的外周面101b和镜板102的外周面102b在同一水平面上(外表面一致)，而在圆筒部101的两端，通过焊接接合镜板102。
然而，搭载有液体燃料(例如液化天然气或液化石油气体等高压气体)的独立式罐，从罐内部受到由货物的自重或晃动产生的应力、以及由高压气体的膨胀产生的应力。当如图10所示的内表面一致时，在圆筒部101与镜板102的边界部(焊接部)附近，如图11所示的外周面101b、102b的应力也比内周面101a、102a的应力大，如图11所示的外表面一致时，在圆筒部101与镜板102的边界部(焊接部)附近，内周面101a、102a的应力比外周面101b、102b的应力大。即，如图10所示的内表面一致和图11所示的外表面一致时，在圆筒部101与镜板102的边界部(焊接部)附近，在内周面101a、102a与外周面101b、102b之间产生应力差，在圆筒部101与镜板102的边界部(焊接部)附近产生局部的弯曲应力。并且，该局部的弯曲应力还达到圆筒部101与镜板102的边界部(焊接部)，会降低边界部(焊接部)的疲劳寿命。并且，为了减小该局部的应力，只要增加圆筒部101及镜板102的板厚(加厚)即可，但是在工作机械的性能上，若圆筒部101及镜板102(尤其是圆筒部101)的板厚成为某一厚度以上，则存在不易制作，且导致制造成本变得过高的问题。
本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种不增加板厚便能够降低在曲率变化部(构成罐的板材的曲率发生变化的边界部)附近产生的局部的弯曲应力的独立式罐及其制造方法。
用于解决技术课题的手段
本发明为了解决上述问题而采用了以下方式。
本发明的第1实施方式所涉及的独立式罐，具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部，其中，所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大一侧的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，向半径方向内侧或半径方向外侧偏心。
根据上述第1实施方式所涉及的独立式罐，在曲率较小的一侧的板材的内周面与曲率较大的一侧的板材的内周面在同一水平面上时、以及曲率较小的一侧的板材的外周面与曲率较大的一侧的板材的外周面在同一水平面上时，罐的曲率变化部中在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差更加减小。
由此，无需增加板厚便能够减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力。
上述独立式罐中，更理想的是所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，比在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧偏心。
根据这种独立式罐，在曲率变化部，在罐外表面产生的应力必定(始终)大于在罐内表面产生的应力。
由此，在龟裂或裂纹等进入罐时，由于从罐外表面侧进入，因此能够从罐外表面侧容易且迅速地发现龟裂或裂纹等。
在上述独立式罐中，更理想的是所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心，比在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧，偏心相当于罐的制作误差量的范围。
根据这种独立式罐，在罐的曲率变化部，在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差更加减小。
由此，能够更加减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力。
在上述独立式罐中，更理想的是从所述曲率变化部起，曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于曲率较大的一侧的板材的板厚中心向半径方向外侧偏心，以便成为在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置。
根据这种独立式罐，曲率变化部中在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等，且在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差成为零，从而能够更加减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力。
在上述独立式罐中，更理想的是所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的接合部，从所述曲率较小的一侧的板材与所述曲率较大的一侧的板材的所述曲率变化部，向所述曲率较大的一侧的板材一侧偏移。
根据这种独立式罐，能够避免局部的弯曲应力集中在曲率较小的一侧的板材和曲率较大的一侧的板材的接合部附近，并能够延长接合部的疲劳寿命。
在上述独立式罐中，更理想的是所述曲率较小的一侧的板材呈圆筒形状，所述曲率较大的一侧的板材为镜板。
更理想的是上述独立式罐搭载于船舶或海洋结构物。
本发明的第2实施方式所涉及的船舶搭载于上述任一个独立式罐。
根据上述第2实施方式所涉及的船舶，由于搭载有无需增加板厚便能够减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力的独立式罐，因此能够避免船体重量的增加，并且能够提高船舶的可靠性。
本发明的第3实施方式所涉及的独立式罐的制造方法为，具有制造至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部的独立式罐的方法，其中，该方法具备：准备工序，准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，且所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，向半径方向内侧或半径方向外侧偏心；及接合工序，接合所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材。
根据利用上述第3实施方式所涉及的独立式罐的制造方法而制造的独立式罐，在曲率较小的一侧的板材的内周面与曲率较大的一侧的板材的内周面在同一水平面上时、以及曲率较小的一侧的板材的外周面与曲率较大的一侧的板材的外周面在同一水平面时，罐的曲率变化部中在罐外表面产生的应力与罐内表面产生的应力之差更加减小。
由此，无需增加板厚便能够减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力。
本发明的第4实施方式所涉及的独立式罐的制造方法为，制造具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部的独立式罐的方法，其中，所述方法具备：准备工序，准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，且所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，比罐外表面产生的应力和罐内表面产生的应力变得相等的位置更靠近半径方向外侧偏心；及接合工序，接合所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材。
根据利用上述第4实施方式所涉及的独立式罐的制造方法制造的独立式罐，曲率变化部中在罐外表面产生的应力必定(始终)大于在罐内表面产生的应力。
由此，在龟裂或裂纹等进入到罐时，由于从罐外表面侧进入，因此能够从罐外表面侧容易且迅速地发现龟裂或裂纹等。
本发明的第5实施方式所涉及的独立式罐的制造方法为，制造具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部的独立式罐的方法，其中，所述方法具备：准备工序，准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，且所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，比罐外表面产生的应力和罐内表面产生的应力变得相等的位置更靠近半径方向外侧偏心相当于罐的制作误差量的范围；及接合工序，接合所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的工序。
根据利用上述第5所涉及的独立式罐的制造方法而制造的独立式罐，罐的曲率变化部中在罐外表面产生的应力与罐内表面产生的应力之差更加减小。
由此，能够更加减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力。
本发明的第6实施方式所涉及的独立式罐的制造方法为，制造具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部的独立式罐的方法，其中，所述方法具备：准备工序，准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，且所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，向半径方向外侧偏心，以便成为在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力变得相等的位置；及接合工序，接合所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的工序。
根据利用上述第6实施方式所涉及的独立式罐的制造方法制造的独立式罐，曲率变化部中在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等，且在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差成为零，从而能够更加减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力。
在上述独立式罐的制造方法中，更理想的是将所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的接合部，从所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的所述曲率变化部，向所述曲率较大的一侧的板材一侧偏移。
根据这种独立式罐的制造方法，能够避免局部的弯曲应力集中在曲率较小的一侧的板材与曲率较大的一侧的板材的接合部附近，并能够延长接合部的疲劳寿命。
发明效果
根据利用本发明所涉及的独立式罐及其制造方法而制造的独立式罐，无需增加板厚便能够减小在曲率变化部附近产生的局部的弯曲应力，并起到提高独立式罐的疲劳寿命的效果。
附图说明
图1是放大表示本发明的一实施方式的独立式罐的主要部分的剖视图。
图2是将镜板的内径R设为5500mm、将圆筒部的厚度(板厚)h设为50mm、将镜板的厚度(板厚)H设为25mm，并表示利用有限元法进行解析的结果的图表。
图3是将镜板的内径R设为5500mm、将圆筒部的厚度(板厚)h设为50mm、将镜板的厚度(板厚)H设为25mm，并表示利用一般的理论公式获得的结果(理论值)的图表。
图4是放大表示为了导出图3所示的结果(理论值)而使用的独立式罐的主要部分的剖视图。
图5是补充为了导出图3所示的结果(理论值)而使用的独立式罐的概要、图3所示的记号的含义的图。
图6是放大表示本发明的另一实施方式所涉及的独立式罐的主要部分的剖视图。
图7是表示本发明的另一实施方式所涉及的独立式罐整体的剖视图。
图8是放大表示本发明的另一实施方式所涉及的独立式罐的主要部分的剖视图。
图9是为了说明本发明的问题而使用的图，是表示独立式罐整体的外形的图。
图10是为了说明本发明的问题而使用的图，是放大表示被设成内表面一致的独立式罐的主要部分的剖视图。
图11是为了说明本发明的问题而使用的图，是放大表示被设成外表面一致的独立式罐的主要部分的剖视图。
具体实施方式
以下，参考图1及图2，对本发明的一实施方式所涉及的独立式罐进行说明。
本实施方式所涉及的独立式罐1在其内部储存有液化天然气等，如图1所示，具有：呈圆筒形状的圆筒部(曲率较小的一侧的板材)2；及封闭圆筒部2的两端开口，且呈半球形状的镜板(曲率较大的一侧的板材)3。
并且，如图1及图2所示，在本实施方式所涉及的独立式罐1中，以圆筒部2的中性轴(具体而言，具有恒定厚度的部分(除去板厚发生变化(增加或减少)的部分(迁移部4)的部分)的中性轴)2a比镜板3的中性轴3a更靠近半径方向外侧(外周面侧)偏心(偏离)2mm的方式，通过焊接而被接合。
另外，图1中的符号5为焊接部，符号6为曲率变化部(分界：边界)。
在此，图2所示的图表中，将镜板3的内径R设为5500mm、将圆筒部2的厚度(板厚)h设为50mm、将镜板3的厚度(板厚)H设为25mm，并示出利用有限元法进行解析的结果。从该结果可知，当偏心量δ为-2.0mm时，即如图1所示，若使圆筒部2的中性轴(具体而言，具有一定厚度的部分(除去板厚发生变化(增加或减少)的部分(迁移部4)的部分)的中性轴)2a比镜板3的中性轴3a更靠近半径方向外侧(外周面侧)偏心(偏离)2mm，则在圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5，在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等，且在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差成为零，在圆筒部101和镜板102的焊接部(边界部)5附近不会产生局部的弯曲应力。
在此，“偏心量”是指圆筒部2的板厚中心相对于镜板3的板厚中心的偏心量。
并且，从如图2所示的图表可知，与偏心量δ为+12.5mm且成为外表面一致时相比，在偏心量δ为-12.5mm且成为内表面一致时，在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差较小。
另外，图3所示的图表中，如图4所示那样使圆筒部101的中性轴101c和镜板102的中性轴102c不偏心而一致(中性轴一致)，且镜板102接合于圆筒部101的两端，如图5所示，将镜板102的内径R设为5500mm、将圆筒部101的厚度(板厚)h设为50mm、将镜板102的厚度(板厚)H设为25mm，并表示利用一般的理论公式而获得的结果(理论值)。从该结果可知，在圆筒部101与镜板102的边界部(焊接部)附近，在罐内表面产生的轴向应力Is(内表面)大于在罐外表面产生的轴向应力Is(外表面)，这与图2所示的解析结果，即偏心量δ为0mm时在罐内表面产生的应力大于罐外表面产生的应力的情况一致。
接着，对本实施方式所涉及的独立式罐1的制造方法进行说明。
本实施方式所涉及的独立式罐1的制造方法具备：准备工序，准备如下板材，作为圆筒部2，圆筒部2的内周面2b比成为内表面一致的位置更靠近半径方向内侧偏心，且圆筒部2的外周面2c比成为外表面一致的位置更靠近半径方向外侧偏心，并且圆筒部2的外周面2c以成为圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5上的罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置的方式向半径方向外侧偏心；及接合工序，通过焊接而接合镜板3和圆筒部2。
根据利用本实施方式所涉及的独立式罐1及其制造方法制造的独立式罐1，图2中用黑色圆点标记所示，在圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5上，在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等，在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差成为零，从而能够消除在圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5附近产生的局部的弯曲应力。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，根据需要能够适当地实施变形和变更。
例如，如图6所示，也可以使焊接部5从圆筒部2与镜板3的曲率变化部6向镜板3的顶部侧偏移。
由此，能够避免局部的弯曲应力集中在圆筒部2与镜板3的焊接部(接合部)5附近，并能够延长焊接部(接合部)5的疲劳寿命。
另外，图6中的虚线表示的是切削加工前的圆筒部2的原来的形状。
并且，本发明不仅适用于形成为如图8所示那样的外形的独立式罐，而且只要是具有曲率变化的边界部的罐便能够适用，例如也能够适用于如图7所示那样的搭载于液化气体运输船的扁平球状罐(非球形罐11的曲率R变化的边界部12、13、14、15。
另外，在上述实施方式中，以圆筒部2的中性轴(具体而言，具有一定厚度的部分(去除板厚发生变化(增加或减少)的部分(迁移部4)的部分)的中性轴)2a比镜板3的中性轴3a更靠近半径方向外侧(外周面侧)偏心(偏离)2mm的方式通过焊接而被接合，即圆筒部2的外周面2c以成为圆筒部2与镜板3的边界部上的罐外表面产生的应力和罐内表面产生的应力相等的位置的方式向半径方向外侧偏心，将其作为一个具体例已举例说明，但是本发明并不限定于此，例如如图8所示，圆筒部2的内周面2b比成为内表面一致的位置更靠近半径方向内侧偏心，并且圆筒部2的外周面2c比成为外表面一致的位置更靠近半径方向外侧偏心，即也可以将偏心量δ设为大于-12.5mm且小于+12.5mm。
由此，在圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5，在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差，与内表面一致以及外表面一致时相比减小，仅据此无需增加板厚便能够减小在焊接部(边界部)5附近产生的局部的弯曲应力。
并且、圆筒部2的内周面2b比成为内表面一致的位置更靠近半径方向内侧偏心，并且圆筒部2的外周面2c比成为外表面一致的位置更靠近半径方向外侧偏心，并且为了比圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5中罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧偏心，也可以设偏心量δ为大于-12.5mm且小于-2.0mm以下。
由此，在圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5，在罐外表面产生的应力必定(始终)高于在罐内表面产生的应力，因此在龟裂或裂纹等进入圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5时，由于从罐外表面侧进入，因此从罐外表面侧能够容易且迅速地发现龟裂或裂纹等。
另外，圆筒部2的内周面2b比成为内表面一致的位置更靠近半径方向内侧偏心，并且比考虑到制作误差的位置更靠近半径方向内侧偏心，且圆筒部2的外周面2c比成为外表面一致的位置更靠近半径方向外侧偏心，即在将制作误差设为±3mm时，也可以将偏心量δ设为-8.0mm以上且-2.0mm以下。
由此，在圆筒部2与镜板3的焊接部(边界部)5，在罐外表面产生的应力与在罐内表面产生的应力之差更加减小，因此能够更加减小在焊接部(边界部)5附近产生的局部的弯曲应力。
另外，在上述实施方式中，将圆筒部2和镜板3通过焊接而接合的独立式罐作为一个具体例进行了说明，但是本发明并不限定于此，例如如图8所示，能够适用于圆筒部2和镜板3并没有通过焊接而接合的独立式罐，即圆筒部2和镜板3由一个物体制作的独立式罐。
符号说明
1-独立式罐，2-圆筒部，2a-中性轴，2b-内周面，2c-外周面，3-镜板，3a-中性轴，5-焊接部(边界部)，6-曲率变化部(分界：边界)。

Claims (11)

1.一种独立式罐，具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部，其中，
所述曲率较小的一侧的板材的内周面以及外周面两者与所述曲率较大一侧的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，比在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧偏心。
2.根据权利要求1所述的独立式罐，其中，
所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，比在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧，偏心与罐的制作误差量的范围相当的量。
3.一种独立式罐，具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部，其中，
所述曲率较小的一侧的板材的内周面以及外周面两者与所述曲率较大一侧的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心向半径方向外侧偏心，以便成为在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的独立式罐，其中，
所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的接合部，从所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的所述曲率变化部，向所述曲率较大的一侧的板材一侧偏移。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的独立式罐，其中，
所述曲率较小的一侧的板材呈圆筒形状，所述曲率较大的一侧的板材为镜板。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的独立式罐，其中，
所述独立式罐搭载于船舶或海洋结构物。
7.一种搭载有权利要求1至5中任一项所述的独立式罐的船舶。
8.一种独立式罐的制造方法，所述独立式罐具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部，所述独立式罐的制造方法具备：
第一工序，准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心，比在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧偏心；及
第二工序，接合所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材。
9.根据权利要求8所述的独立式罐的制造方法，其中，
所述第一工序是如下工序：准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心比在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置更靠近半径方向外侧，偏心与罐的制作误差量的范围相当的量。
10.一种独立式罐的制造方法，所述独立式罐具有至少一个沿构成罐的板材的轴向的曲率沿轴向发生变化的曲率变化部，所述独立式罐的制造方法具备：
第一工序，准备如下板材，即所述曲率较小的一侧的板材的内周面及外周面两者与所述曲率较大的板材的内周面及外周面不在同一水平面上，所述曲率较小的一侧的板材的板厚中心相对于所述曲率较大的一侧的板材的板厚中心向半径方向外侧偏心，以便成为在罐外表面产生的应力和在罐内表面产生的应力相等的位置；及
第二工序，接合所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的独立式罐的制造方法，其中，
使所述曲率较小的一侧的板材和所述曲率较大的一侧的板材的接合部从所述曲率较小的一侧的板材与所述曲率较大的一侧的板材的所述曲率变化部向所述曲率较大的一侧的板材一侧偏移。
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