CN117836221A - 液化氢罐及其设计方法 - Google Patents

Abstract

搭载于船舶的液化氢罐具备收纳液化氢的内罐和包围内罐的外罐，内罐和外罐中的至少一方为防泄漏罐，防泄漏罐具有在罐寿命期间初始缺陷不会传播至超过壁的厚度的一半的壁厚。

Description

液化氢罐及其设计方法

技术领域

本公开涉及搭载在输送液态氢的船舶(以下称为液化氢运输船)上的液化氢罐的结构及液化氢罐的设计方法。

背景技术

作为液化氢运输船的货物罐，已知有具备收纳液化氢的内罐、包围内罐的外罐、以及内罐与外罐的罐之间的绝热层的货物罐。在专利文献1中，公开了液化氢运输船的货物罐的一例。

运输液化气体的船舶的设计制造要求遵循国际规则IGC代码(非专利文献1)。现用的IGC代码是以输送LPG、LNG等液化气体的船舶为对象的，液化氢运输船未作为IGC代码的应用对象，对于液态氢没有规定运输方面的要求。

已知搭载于船舶的货物罐的裂纹扩展的主要原因是由于船体的摇晃而对货物罐反复作用的载荷所产生的动态应力。根据基于IGC代码的C型罐的设计方式，考虑到安全率，设计蒸气压Po被设定得足够高，因此最小设计压力也变高，为了具备与该最小设计压力对应的强度，罐的壁厚设计得足够大。其结果是，罐的动态变动应力充分小，所设想的初始缺陷的扩展也成为相对于壁厚足够小的设计，因此未设想液体货物的泄漏，没有义务设置二次防护壁。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO2014/174820

非专利文献

非专利文献1：国际海事组织，《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则(IGC代码)》第4章货物围护，2014年5月22日采用

发明内容

发明所要解决的课题

对于容积超过20000m³的大型液化气运输用独立型货物罐，一直适用IGC代码规定的C型罐以外的罐(即A型罐或B型罐)的设计方式。基于IGC代码的C型罐的设计方式主要仅适用于容积为20000m³以下的小型的罐。其理由是，若将基于IGC代码的C型罐的设计方式应用于大型的罐，则与最小设计压力对应的罐的壁厚会超过可实现的数值范围。

本公开是鉴于以上的情况而完成的，其目的在于，在实现极低温的液化氢的大量输送时，提出一种在搭载于船舶的液化氢罐中，无论该液化氢罐的规模如何都能够实现防止液态或者气态的氢的泄漏的结构以及设计方法。

用于解决课题的手段

本发明的液化氢罐是搭载于船舶的液化氢罐，其特征在于，其具备收纳液化氢的内罐和包围上述内罐的外罐，上述内罐和上述外罐中的至少一方为防泄漏罐，上述防泄漏罐具有在罐寿命期间初始缺陷不会传播至超过壁的厚度的一半的壁厚。

另外，本公开的液化氢罐的设计方法是搭载于船舶的液化氢罐的设计方法，该液化氢罐具备收纳液化氢的内罐和包围上述内罐的外罐，上述液化氢罐的设计方法的特征在于，

将上述内罐和上述外罐中的至少一方设为防泄漏罐，

通过第一处理器取得上述防泄漏罐的罐寿命、上述防泄漏罐的初始缺陷的大小、上述防泄漏罐的温度、上述防泄漏罐的应力扩大系数以及在上述防泄漏罐中产生的应力，通过疲劳裂纹扩展解析来求出与上述罐寿命对应的重复数的上述应力引起的上述初始缺陷的裂纹扩展量，

通过第二处理器取得所求出的上述裂纹扩展量以及上述防泄漏罐的设计壁厚，在上述裂纹扩展量未扩展至超过上述设计壁厚的一半的情况下，将上述设计壁厚判定为适当，在上述裂纹扩展量扩展至超过上述设计壁厚的一半的情况下，将上述设计壁厚判定为不适当，

决定上述防泄漏罐的壁厚，使得壁厚为被判断为适当的上述设计壁厚以上。

发明的效果

根据本公开，能够提供一种在搭载于船舶的液化氢罐中，无论该液化氢罐的规模如何都能够实现防止液态或气态的氢的泄漏的结构及设计方法。

附图说明

图1是搭载了本发明的一实施方式的液化氢罐的船舶的概略构成图。

图2是液化氢运输船的横截面图。

图3是表示防泄漏罐的设计装置的构成的图。

图4是防泄漏罐的设计装置的功能框图。

具体实施方式

接着，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是搭载了本公开的一实施方式的液化氢罐3的船舶1的概略构成图。图1所示的船舶1具备船体2和搭载于船体2的四个液化氢罐3。本实施方式的液化氢罐3是液化氢运输用的货物罐，船舶1是液化氢运输船。液化氢罐3在本实施方式中沿船的长度方向排列，但在船的宽度较宽的情况下也可以沿船的宽度方向排列。另外，搭载于船体2的液化氢罐3的数量可以是一个，也可以是两个以上的复数个。

在本实施方式中，四个液化氢罐3具有实质上相同的结构。在本实施方式中，液化氢罐3构成为多层罐。但是，在船舶1搭载有复数个液化氢罐3的情况下，复数个液化氢罐3也可以分别具有不同的结构。

图2是船舶1的横截面图。如图1和图2所示，液化氢罐3具备收纳液化氢的内罐4和包围内罐4的外罐5。内罐4的容积超过20000m³且为50000m³以下，液化氢罐3被分类为比较大型的罐。

内罐4具备大致球形的内罐主体41。在内罐4也可以设置从内罐主体41向上突出的内罐顶。外罐5具备大致球形的外罐主体51。在外罐5也可以设置从外罐主体51向上突出的外罐顶。但是，内罐主体41和外罐主体51不一定必须是球形，也可以是在水平方向上长的圆筒形状、或者是在铅垂方向上长的圆筒形状。或者，内罐主体41和外罐主体51也可以是立方体状、长方体状。

内罐4和外罐5在罐的厚度方向上分开。将内罐4与外罐5的罐之间称为“第一区域31”。在第一区域31形成有第一绝热层。第一绝热层由填充于第一区域31的第一气体和绝热材料构成。

填充了第一气体的第一区域31实质上成为大气压或低真空状态。第一气体为氢气或氦气。大气压表示约10⁵Pa，但第一区域31有时因温度、船体2的摇晃等而压力发生变动，因此在本说明书及权利要求书中，“实质上大气压”可以包括约10⁵Pa、和在压力变动的范围内高于约10⁵Pa的气压。另外，低真空状态是指与大气压相比为低压且10⁵Pa至10²Pa之间的气压。在第一气体为氢气的情况下，内罐4的气相部与第一区域31也可以连通，以使在内罐4中产生的气化气体流入第一区域31。需要说明的是，如上所述本实施方式的液化氢罐3不是真空绝热方式，但也可以在第一区域31配置绝热层且使该第一区域31为真空，由此在内罐4与外罐5之间设置真空绝热层。

船体2具有向上开口的复数个货舱21。复数个货舱21在船的长度方向上排列，货舱21彼此由壁22隔开。而且，在货舱21的内部收纳内罐4和外罐5的下部。外罐5的上部由罐罩6覆盖。外罐5被形成货舱21的作为船体2的构成要素的壁22和罐罩6包围。将外罐5与罐罩6以及货舱21的壁22之间称为“第二区域32”。在第二区域32形成第二绝热层。第二绝热层由配置在外罐5的外壁的周围的绝热材料和填充于第二区域32的第二气体构成。

填充了第二气体的第二区域32实质上为大气压。虽然没有特别限定，但第二区域32可以比第一区域31的压力高。第二气体包含氮气等非活性气体和干燥空气中的至少一者。例如，也可以在第二区域32填充干燥空气，在第二绝热层保持非活性气体。

在各货舱21的内部设置在船的长度方向上相互分开的一对裙部25。裙部25支撑外罐5。另外，在内罐4与外罐5之间设置有支撑内罐主体41的一对支撑部件35。在本实施方式中，在支撑部件35的延长线上配置裙部25，但支撑部件35和裙部25的配置不限于本实施方式。

[液化氢罐3的罐形式]

在此，对液化氢罐3的罐形式进行详细说明。

外罐5构成为独立于船体2的独立型罐，液化氢罐3整体为独立型罐。独立型罐是指自支撑型的罐，不构成船体结构的一部分，且在船体强度上不是不可或缺的。

内罐4和外罐5中的至少一方为防泄漏罐。防泄漏罐具有在罐寿命期间初始缺陷不会传播至超过壁的厚度的一半的壁厚。这样的防泄漏罐由于所设想的初始缺陷的扩展相对于壁厚(壁厚)足够小，因此未设想防泄漏罐中收纳的液体或气体的泄漏。在未设想所收纳的液体或气体的泄漏的观点上，如此规定的防泄漏罐相当于由IGC代码规定的C型罐。

在本实施方式中，内罐4和外罐5双方为防泄漏罐。在本实施方式的液化氢罐3中，在内罐4中收纳液化氢，且在内罐4与外罐5的第一区域31中填充氢气，因此难以区分第一区域31的氢气是来自内罐4的泄漏、还是预先填充于第一区域31的气体。这样，由于难以检测来自内罐4的液化氢的泄漏，所以特别要求在内罐4不发生液态氢的泄漏的结构。因此，希望至少内罐4为防泄漏罐。在内罐4是防泄漏罐、外罐5不是防泄漏罐的情况下，对于外罐5的断裂强度的要求水平下降，能够使外罐5的板厚变薄，因此导致物量成本削减。另外，在本实施方式中，为了不使第一区域31的可燃性的氢气从外罐5泄漏，希望外罐5为防泄漏罐。另外，在外罐5为防泄漏罐、且在第一区域31填充了氢气以外的第一气体或第一区域31为真空的情况下，内罐4也可以不是防泄漏罐。

[液化氢罐3的防泄漏罐的设计方法]

在此，详细说明构成液化氢罐3的内罐4和外罐5中的防泄漏罐的设计方法。

图3是防泄漏罐的设计装置8的概略构成图。防泄漏罐的设计方法使用设计装置8来实施。设计装置8由至少一台计算机80构成。各计算机80具备处理器81和存储有由处理器81执行的程序、信息等的存储器82。存储器82以能够进行信息的读取及写入的方式与处理器81连接。另外，处理器81可以连接有输入装置、输出装置、辅助存储装置以及通信接口等。本说明书中公开的设计装置8的功能可以如下执行：使用以执行所公开的功能的方式构成或编程的通用处理器、专用处理器、集成电路、ASIC(Application Specific IntegratedCircuits：专用集成电路)、现有的电路和/或包含它们的组合的电路或处理电路来执行。处理器包含晶体管或其他电路，因此被视为处理电路或电路。在本公开中，电路、组件或单元是执行所列举的功能的硬件。硬件可以是本文所公开的硬件，或者也可以是以执行所列举的功能的方式编程或构成的其他已知的硬件。在把硬件当做电路的一种的处理器的情况下，电路、单元或组件是硬件和软件的组合，软件用于构成硬件和/或处理器。

图4是设计装置8的功能框图。设计装置8具备应力解析部84、求出裂纹扩展量的疲劳裂纹扩展解析部85、求出应力扩大系数的应力扩大系数解析部86、判定部87、壁厚决定部88的各功能部。复数个功能部可以构成为单一的计算机80，复数个功能部也可以构成为分散于多个计算机80。

在实施防泄漏罐的设计方法时，由设计装置8设定设计壁厚。设计壁厚是任意的值，但在作为防泄漏罐的壁板能够实施的值的范围内设定。例如，如果防泄漏罐的壁板是钢板，则设计壁厚设定在60mm以下的范围；如果防泄漏罐的壁板是非铁钢板，则设计壁厚可以设定在80mm以下的范围。

防泄漏罐的设计方法包括：(1)应力解析步骤、(2)应力扩大系数解析步骤、(3)裂纹扩展解析步骤、(4)判定步骤、以及(5)壁厚决定步骤。其中，壁厚决定步骤也可以由设计者而不是壁厚决定部88进行。

(1)应力解析步骤

船舶1在海洋的波浪中航行，因此在船体2的表面作用有由波浪引起的变动压力。船体2因该变动压力而摇晃，由于摇晃的加速度，由作为货物的液态氢的惯性力引起的变动载荷作用于防泄漏罐。由于该变动载荷，在防泄漏罐中产生变动的应力、即动态应力。应力解析部84求出这样因船体2的摇晃而在防泄漏罐、特别是防泄漏罐的焊接部产生的应力。

应力解析部84的应力解析的方法没有特别限定，除了有限元法等数值解析方法以外，还可例示出模拟等。例如，应力解析部84能够取得由航行中的波浪引起的船体2的摇晃、船体2受到的波浪等引起的变动载荷，将该变动载荷加载于包括船壳结构、防泄漏罐结构以及罐支撑结构在内的船舶1整体的数值解析模型，求出通过进行数值解析而推定的产生应力(防泄漏罐的产生应力分布)。在防泄漏罐结构中编入有设定壁厚作为参数。变动载荷、数值解析模型可以预先提供给应力解析部84。变动载荷可以基于船舶1的航路的状况通过模拟求出，或者实验性地求出。

(2)应力扩大系数解析步骤

应力扩大系数解析部86求出裂纹的应力扩大系数(防泄漏罐的应力扩大系数分布)。各种应力扩大系数的解析方法是公知的。应力扩大系数解析部86的应力扩大系数解析方法没有特别限定，可例示出有限元法等数值解析方法。应力扩大系数解析部86使用例如包括由应力解析部84求出的产生应力、包括焊接部形状的防泄漏罐结构、防泄漏罐的初始缺陷的大小、裂纹形状的数值解析模型，通过基于有限元法的弹性应力解析来求出裂纹的应力扩大系数。应力扩大系数解析部86也可以根据防泄漏罐的解析部位而改变解析方法。

(3)裂纹扩展解析步骤

疲劳裂纹扩展解析部85通过疲劳裂纹扩展解析来求出防泄漏罐的初始缺陷的裂纹扩展量。疲劳裂纹扩展解析部85的疲劳裂纹扩展解析的方法没有特别限定，除了有限元法等数值解析方法以外，还可例示出模拟等。例如，疲劳裂纹扩展解析部85取得防泄漏罐的罐寿命、防泄漏罐的材料的断裂韧性、解析部位的应力扩大系数、以及解析部位的产生应力，将它们加载于疲劳裂纹扩展解析模型来进行数值解析，由此能够求出罐寿命期间的初始缺陷的裂纹扩展量。与罐寿命、初始缺陷的大小、防泄漏罐的温度、防泄漏罐的材料的断裂韧性等罐结构相关的信息被预先提供给疲劳裂纹扩展解析部85。初始缺陷的大小可以是与实际可能存在的初始缺陷的大小相当的任意的值。罐寿命可以是与船舶1的寿命相当的任意的值。基于罐寿命，能够推定罐寿命期间的产生应力的重复数。防泄漏罐的温度是在内罐4中收纳有液化氢时的防泄漏罐的温度。断裂韧性可以使用在内罐4中收纳有液化氢时的防泄漏罐的温度下的材料的断裂韧性。解析部位的应力扩大系数可以使用由应力扩大系数解析部86计算出的值。解析部位的产生应力可以使用由应力解析部84算出的应力。

(4)判定步骤

判定部87在设计壁厚满足“在罐寿命期间初始缺陷不传播至超过壁的厚度的一半的壁厚”这一要件的情况下判定为“适当”，除此以外判定为“不适当”。具体而言，判定部87获取由疲劳裂纹扩展解析部85求出的罐寿命期间的初始缺陷的裂纹扩展量，在裂纹扩展量不超过设计壁厚的一半的情况下(即，裂纹扩展量为设计壁厚的一半以下的情况下)将该设计壁厚判定为适当，在裂纹扩展量超过设计壁厚的一半的情况下将该设计壁厚判定为不适当。

(5)壁厚决定步骤

壁厚决定部88决定防泄漏罐的壁厚，使得壁厚为由判定部87判断为适当的设计壁厚以上。设计具有如此决定的壁厚的防泄漏罐。

在以上说明的防泄漏罐的设计方法中，基于裂纹扩展量进行判定设计壁厚是否适当，但除此以外，也可以根据是否发生失稳断裂(unstable fracture)来判定设计壁厚是否适当。在该情况下，应力扩大系数解析部86求出初始缺陷仅扩展了由疲劳裂纹扩展解析部85求出的裂纹扩展量的裂纹(即，罐寿命期间的裂纹)的应力扩大系数作为失稳断裂的判定指标。在该判定指标为断裂韧性值以上的情况下，预期在罐寿命期间会发生失稳断裂。因此，判定部87取得判定指标和防泄漏罐的材料的断裂韧性值，在判定指标为断裂韧性值以上的情况下将设计壁厚判定为不适当，在判定指标小于断裂韧性值的情况下将设计壁厚判定为适当。

[总结]

本公开的实施方式的液化氢罐3搭载于船舶1，其特征在于，具备收纳液化氢的内罐4和包围内罐4的外罐5，内罐4和外罐5中的至少一方是防泄漏罐，防泄漏罐具有在罐寿命期间初始缺陷不会传播至超过壁的厚度的一半的壁厚。

在上述液化氢罐3中，内罐4和外罐5双方可以是防泄漏罐。

在上述液化氢罐3中，在内罐4与外罐5的罐之间填充有氢气，内罐4可以为防泄漏罐。

在上述液化氢罐3中，内罐4与外罐5的罐之间填充有氢气，外罐5可以为防泄漏罐。

根据上述构成的液化氢罐3，即使在该液化氢罐3所具备的防泄漏罐中存在初始缺陷，在罐寿命期间该初始缺陷的扩展也相对于壁厚足够小，因此未设想防泄漏罐中所收纳的液体或气体的泄漏。在未设想所收纳的液体或气体的泄漏的观点上，这样的防泄漏罐相当于由IGC代码规定的C型罐。因此，防泄漏罐以及具备该防泄漏罐的液化氢罐3可以省略二次防护壁。

在上述液化氢罐3中，内罐4的容积可以超过20000m³且为50000m³以下。

这样，即使液化氢罐3是上述那样的比较大型的罐，也能够具备规定的防泄漏功能，并且成为能够实际建造的壁厚。

另外，本实施方式的液化氢罐3的设计方法的特征在于，

通过第一处理器(疲劳裂纹扩展解析部85)取得防泄漏罐的罐寿命、防泄漏罐的初始缺陷的大小、防泄漏罐的温度、防泄漏罐的应力扩大系数、以及防泄漏罐中产生的应力，通过疲劳裂纹扩展解析求出与罐寿命对应的重复数的应力引起的初始缺陷的裂纹扩展量，

通过第二处理器(判定部87)取得所求出的裂纹扩展量和防泄漏罐的设计壁厚，在裂纹扩展量未扩展至超过设计壁厚的一半的情况下将设计壁厚判定为适当，在裂纹扩展量扩展至超过设计壁厚的一半的情况下将设计壁厚判定为不适当，

决定防泄漏罐的壁厚，使得壁厚为被判断为适当的设计壁厚以上。

需要说明的是，第一处理器和第二处理器可以是物理上相同的处理器，也可以是相互独立的处理器。

根据上述的液化氢罐3的设计方法，能够设计在现实的壁厚的范围内不发生所收纳的气体或液体的泄漏的罐。

上述液化氢罐3的设计方法可以进一步包括：

通过第三处理器(应力扩大系数解析部86)求出在罐寿命期间从初始缺陷扩展的裂纹的应力扩大系数作为判定指标，

通过第四处理器(壁厚决定部88)取得防泄漏罐的材料的断裂韧性值，在判定指标为断裂韧性值以上的情况下，预期在罐寿命的期间会发生失稳断裂，因此将设计壁厚判定为不适当。

需要说明的是，应力扩大系数的计算可以针对经过罐寿命期间后的最终的裂纹形状进行，也可以针对在罐寿命期间中扩展的裂纹形状依次进行。另外，第一至第四处理器可以是物理上相同的处理器，也可以是相互独立的处理器。

根据上述的设计方法，基于是否产生失稳断裂来进一步判断所设计的壁厚是否适当，因此能够设计更可靠地防止泄漏的罐。

在上述实施方式中，内罐4一般被分类为大型罐，但内罐4也可以为20000m³以下的被分类为小型的罐，该内罐4也可以是防泄漏罐。即，本公开的液化氢罐3的结构以及设计方法并不受罐的规模的限制，可以应用于小型罐或超过50000m³的大型罐。

在上述实施方式中，液化氢罐3为货物罐，但本公开所涉及的液化氢罐3的结构及设计方法也可以应用于搭载于船舶1的燃料罐。在该情况下，船舶1不限定于液化氢运输船。

本公开的上述的讨论是出于例示和说明的目的而展示的，并非意图将本公开限定于本说明书所公开的方式。例如，在上述的详细说明中，本公开的各种特征以使本公开合理化的目的汇总为一个实施方式。但是，本公开所包含的复数个特征能够与上述讨论的内容以外的代替的实施方式、构成或方式组合。

Claims (6)

1.一种液化氢罐，其搭载于船舶，其中，

所述液化氢罐具备收纳液化氢的内罐和包围所述内罐的外罐，所述内罐和所述外罐中的至少一方是防泄漏罐，所述防泄漏罐具有在罐寿命期间初始缺陷不会传播至超过壁的厚度的一半的壁厚。

2.根据权利要求1所述的液化氢罐，其中，所述内罐和所述外罐双方为所述防泄漏罐。

3.根据权利要求1所述的液化氢罐，其中，在所述内罐与所述外罐的罐之间填充有氢气，所述内罐是所述防泄漏罐，且所述外罐不是所述防泄漏罐。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的液化氢罐，其中，所述内罐的容积超过20000m³且为50000m³以下。

5.一种液化氢罐的设计方法，所述液化氢罐具备收纳液化氢的内罐和包围所述内罐的外罐，所述液化氢罐搭载于船舶，其中，

将所述内罐和所述外罐中的至少一方作为防泄漏罐，

通过第一处理器取得所述防泄漏罐的罐寿命、所述防泄漏罐的初始缺陷的大小、所述防泄漏罐的温度、所述防泄漏罐的应力扩大系数以及在所述防泄漏罐中产生的应力，通过疲劳裂纹扩展解析求出与所述罐寿命对应的重复数的所述应力引起的所述初始缺陷的裂纹扩展量，

通过第二处理器取得所求出的所述裂纹扩展量以及所述防泄漏罐的设计壁厚，在所述裂纹扩展量未扩展至超过所述设计壁厚的一半的情况下，将所述设计壁厚判定为适当，在所述裂纹扩展量扩展至超过所述设计壁厚的一半的情况下，将所述设计壁厚判定为不适当，

决定所述防泄漏罐的壁厚，使得壁厚为被判断为适当的所述设计壁厚以上。

6.根据权利要求5所述的液化氢罐的设计方法，其中，

通过第三处理器求出在罐寿命期间中从所述初始缺陷扩展的裂纹的应力扩大系数作为判定指标，

通过第四处理器取得所述防泄漏罐的材料的断裂韧性值，在所述判定指标为所述断裂韧性值以上的情况下，预期在所述罐寿命的期间会发生失稳断裂，因此将所述设计壁厚判定为不适当。