CZ9904558A3

CZ9904558A3 - Systémy pro pozemní rozvážku zkapalněného zemního plynu

Info

Publication number: CZ9904558A3
Application number: CZ455899A
Authority: CZ
Inventors: Ronald R Bowen; Moses Minta
Original assignee: Exxonmobil Upstream Res Co
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2001-05-16

Abstract

Systémy jsou určeny pro pozemní rozvážku stlačeného zkapalněného zemního plynu při tlaku přibližně od 1035 kPa do přibližně 7590 kPa a teplotě přibližně od -123 °C do přibližně -62 °C vozidly. Systémy mají nejméně jeden zásobník (10) zhotovený z materiálu, kterýmje ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa a teplotu přechodu z tažného do křehkého stavu nižší než přibližně -73 °C.

Description

Systémy pro pozemní rozvážku zkapalněného zemního plynu

Oblast vynálezu

Předložený vynález se týká systémů pro pozemní rozvážku zkapalněného zemního plynu (PLNG) a zvláště takových systémů majících zásobníky, které jsou zhotoveny z ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).

Dosavadní stav

V následující specifikaci jsou používány různé termíny. Z tohoto důvodu je bezprostředně před patentovými nároky umístěn slovníček výrazů.

Mnoho zdrojů zemního plynu je situováno v odlehlých oblastech velmi vzdálených od jakýchkoliv odbytišť plynu. Někdy je k přepravě vyprodukovaného plynu k dispozici potrubí vedoucí do těchto odbytišť. V případě, že je potrubní přeprava do těchto odbytišť neproveditelná, musí se často zemní plyn pro přepravu do odbytiště zkapalnit. LNG se obvykle přepravuje ve speciálně stavěných lodních tankerech, pak se v příhodném importním terminálu poblíž obchodního centra skladuje a zplynuje. Zařízení používané pro zkapalnění, přepravu, skladování a zplynění zemního plynu je obecně velmi nákladné; typický konvenční projekt pro zkapalněný zemní plyn stojí od 5 do 10 miliard dolarů včetně nákladů na projekci. Typický projekt na zkapalněný zemní plyn „na zelené louce“ vyžaduje zásobu plynu okolo 280 Gm³ (10 TCF (trilionů kubických stop)) a odběrateli zkapalněného zemního plynu jsou obecně velké závody. Často bývají objevené zdroje zemního plynu ve vzdálených oblastech menší než 280 Gm³ (10 TCF ). I ty zdroje zemního plynu splňující minimální požadavky na 280 Gm³ (10 TCF ) s 20 letým nebo delším dlouhodobým využíváním vyžadují ode všech, tj. od dodavatele, dopravce a velkoodběratele LNG, ekonomický výrobní postup, skladování a přepravu zemního plynu ve zkapalněném stavu. Tam, kde mají odběratelé LNG alternativní zdroje plynu jako je plyn z potrubí, není často smluvní distribuční řetězec LNG schopný konkurence.

• ·

- 2 Smluvní závod LNG vyrábí LNG při teplotách okolo -162 °C (-260 °F) za atmosférického tlaku. Zemní plyn proudí do smluvního závodu na LNG o tlaku od přibližně od 4830 kPa (700 psia) do přibližně 7600 kPa (1100 psia) a teplotách přibližně od 21 °C (70°F) do přibližně 38 °C (100 °F). Ke snížení teploty zemního plynu na velmi nízkou výstupní teplotu okolo -162 °C (260 °F) je zapotřebí ve dvoustupňovém procesu závodu LNG až 350000 koňských sil chladicího výkonu. Při běžném zpracování zemního plynu zkapalňováním musí být dostatečně odstraněny voda, oxid uhličitý, sloučeniny obsahující síru jako je sirovodík, další kyselé plyny, npentan a těžší uhlovodíky včetně benzenu až na úroveň ppm, protože by tyto sloučeniny vymrzaly a způsobovaly problémy spojené z ucpáváním zpracovatelského zařízení. Zařízení na zpracování plynu smluvního závodu LNG musí mít úpravárenské zařízení na odstraňování oxidu uhličitého a kyselých plynů. Opravárenské a zpracovatelské zařízení využívá charakteristické chemické a fyzikální rozpouštědlové regenerační postupy a to vyžaduje značné kapitálové investice. V porovnání s jinými zařízeními v závodě jsou také v tomto porovnání vysoké provozní náklady. K odstranění vodních par jsou nutné dehydrátory se suchou náplní jako jsou molekulární síta. K odstraňování uhlovodíků majících tendenci ucpávat zařízení se používají vypírací kolony a frakcionační zařízení. Ve smluvních závodech LNG se také odstraňuje rtuť, protože způsobuje závady zařízení zhotovených z hliníku. Po zpracování zemního plynu se odstraňuje přítomný dusík, kterého může být v zemním plynu přítomno velké množství, protože ten během přepravy běžného LNG nezůstává v kapalné fázi a není žádoucí, aby byl v místě dodání v kontejnerech LNG v parách přítomen.

Zásobníky, potrubí a další zařízení používaná ve smluvních závodech LNG jsou většinou zhotoveny alespoň částečně z hliníku nebo oceli obsahující nikl (např. 9 % hmotn. niklu) a musejí nezbytně odolávat křehkému lomu při extrémně nízkých provozních teplotách. Vedle jejich využití ve smluvních závodech se většinou na LNG lodích a v importních terminálech používají nákladné materiály s velkou odolností proti křehkému lomu při nízkých teplotách včetně hliníku a komerční oceli obsahující nikl (např. 9% hmot.).

Typická LNG loď používá ke skladování LNG během přepravy velké kulové ·· ···· · * ·· ♦ · · · ·· 4 ···· ··· · · · ···· • · 9 4 9 4 4 4 4 9 9 4

- 3 zásobníky známé jako Mossovy koule. Taková loď stojí běžně více jak 230 milionů dolarů. Typický projekt k výrobě LNG na Středním Východě a přeprava LNG na Dálný Východ může vyžadovat 7 až 8 takových lodí v celkové ceně okolo 1,6 až 2,0 miliard dolarů.

Jak lze z dřívější diskuse usoudit, je pro zpracování, skladování a přepravu LNG do odbytišť ze vzdálených zdrojů nutný ekonomičtější systém, který by mohl účinněji konkurovat alternativním dodávkám energií. Dále je požadován systém ke komercializaci malých vzdálených zdrojů zemního plynu, který by byl jinak neekonomický. Navíc je nutný takový ekonomičtější plynofikační a distribuční systém, kterým by se mohl LNG stát pro menší spotřebitele ekonomicky atraktivnější. Z toho vyplývá, že primárním předmětem předloženého vynálezu je zajištění ekonomičtějšího systému pro zpracování, skladování a přepravu LNG ze vzdálených zdrojů do odbytišť a podstatné snížení prahové velikosti jak rezerv, tak požadavků trhu tak, aby byl úkol s LNG ekonomicky realizovatelný. Jednou cestou k naplněni tohoto předmětu je postup s LNG o vyšších tlacích a teplotách než se používá v běžných LNG závodech, tj. pro tlaky vyšší než je atmosférický tlak a teplotu vyšší než -162 °C (-260 °F). Obecná koncepce zpracování, skladování a přepravy LNG při zvýšených tlacích a teplotách byla již v průmyslových publikacích diskutována, avšak tyto publikace obecně uvádějí přepravní zásobníky zhotovené z ocelí obsahujících nikl (např. 9% hmotn.) nebo z hliníku; ty splňují sice konstrukční požadavky, avšak jsou vyrobeny z drahých materiálů. Například na straně 162 až 164 knihy Natural gas by sea [Zemní plyn po moři] The development of a New Technoogy, publikované Witherby & Co. Ltd., první vydání 1979, druhé vydání 1993 diskutuje Roger Ffooks přestavbu lodě pro posádku Sigalpha na přepravu jak MLG (plyn zkapalněný pod středním tlakem) při 1380 kPa (200 psig) a -115 °C (-175 °F), tak CNG (stlačený zemní plyn) při 7935 kPa (1150 psig) a -60 °C (-75 °F). Pan Ffooks ukazuje, že přesto, že jde o technickou možnost, nenajde ohlas u „kupujících“ žádná z těchto dvou koncepcí pro své vysoké náklady na skladování. Ve sdělení podle pana Ffookse bylo předmětem řešení CNG, tj. pro teplota -60 °C (-75 °F), a konstrukčním cílem byla nízkolegovaná svařitelná, kalená a popuštěná ocel s dobrou pevností (760 MPa (110 ksi)) a dobrou odolností proti lomu za provozních • · • · · · ···· ·· ·· ·· ··

- 4 podmínek. (Viz „A new process for the transportation of natural gas“ [Nové postupy pro přepravu zemního plynu] od R.J.Broekera, International LNG Conference, Chicago, 1968). Toto sdělení také poukazuje na to, že hliníkové slitiny byly pro účely MLG, tj. pro teploty nižší než -115 °C (-175 °F) nejlevnějšími slitinami. Pan Ffooks také v Oceán Phoenix Transport uvádí na str. 164 zásobníky z 9 % niklové oceli nebo hliníkové slitiny pracující při mnohem nižším tlaku 414 kPa (60 psig) a ukazuje, že tato koncepce nenabízí dostatečné technické nebo finanční výhody k tomu, aby se zkomercializovaia. Viz též: (i) US patent 3,298,805, který pro výrobu zásobníků pro přepravu stlačeného zemního plynu uvádí použití oceli s 9% niklu nebo vysoce pevnou hliníkovou slitinu; a (ii) US patent 4,182,254, který uvádí zásobníky z oceli s 9 % niklu nebo podobnou ocel pro přepravu LNG při teplotách od -100 °C (-148 °F) do -140 °C (-220 °F) a tlacích od 4 do 10 atmosfér (tj. od 407 kPa (59 psia) do 1014 kPa (147 psia)); (iii) US patent 3,232,725, který uvádí přepravu zemního plynu v jednofázovém stavu husté kapaliny při teplotě nižší než -62 °C (-80 °F), nebo v některých případech -68 °C (-90 °F) a tlaku nejméně 345 kPa (50 psi) nad tlakem plynu při bodu varu při provozní teplotě s použitím zásobníků zhotovených z takových materiálů jako je ocel s obsahem 1 až 2 procenta niklu, která byla kalena a popouštěna tak, aby zajistila výslednou mez pevnosti v tahu dosahující 120000 psi; a (iv) „Marině Transportation of LNG at Intermediate Temperature“ [Námořní přeprava LNG při přechodové teplotě], CME březen 1979, od C.P.Bennetta, který uvádí případ studie přepravy LNG při tlaku 3,1 MPa (450 psi) a teplotě -100 °C (-140 °F) s použitím skladovací cisterny zhotovené z oceli s 9 % Ni nebo kalené a popouštěné oceli s 3,5 % Ni o tloušťce stěn 9 1/2 palce.

Přes všechny tyto koncepce diskutované v publikacích není podle našich vědomostí LNG běžně komerčně zpracováván, skladován a přepravován při tlacích podstatně vyšších než je atmosférický tlak a teplotě podstatně vyšší než -162 °C (-260 °F). To je patrně z toho důvodu, že systém pro zpracování, skladování a distribuci LNG při takových tlacích a teplotách jak po moři, tak po souši nebyl ekonomicky a komerčně dostupný.

Oceli obsahující nikl používané pro konstrukční aplikace při kryogenních teplotách, tj. oceli s obsahem niklu vyšším než přibližně 3 % hmotn. mají nízkou hodnotu DBTT • · • · • ·

- 5 (hodnotu houževnatosti zde definovanou), ale také relativně nízkou pevnost v tahu. Typické komerčně dostupné oceli s 3,5 % hmotn. Ni, 5,5 % hmotn. Ni a 9 % hmotn. Ni mají DBTT okolo -100 °C (-155 °F), -155 °C (-250 °F) a 175 °C (-280 °F) a pevnost v tahu až do 485 MPa (70 ksi), 620 MPa (90 ksi) a 830 MPa (120 ksi). K dosažení těchto kombinací pevnosti a houževnatosti musejí oceli projít obecně nákladným zpracováním, např. dvojím žíháním. V případě aplikací pro kryogenní teploty se průmyslově běžně využívá komerčních niklových ocelí, pro jejich dobrou houževnatost při nízkých teplotách, avšak mají relativně nízké meze pevnosti v tahu. Pro nosné konstrukce a kryogenní teplotu vyžaduje obecně namáhaná konstrukce nadměrnou tloušťku oceli. Kombinace vysoké ceny a tloušťky oceli vede používání niklových ocelí pro namáhané konstrukce a kryogenní teplotu k celkově vysokým nákladům.

Pět prozatímních přihlášek amerických patentů („Přihlášky PLNG patentů“) nazvaných „Zdokonalený systém pro zpracování, skladování a přepravu zkapalněného zemního plynu“ popisuje zásobníky a tankery pro skladování a námořní přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku v širokých mezích od přibližně 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a při teplotě v širokém rozmezí od přibližné -123 °C (-190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F). Poslední přihláška jmenovaného patentu PLNG má datum priority 14. květen 1998 a je přihlašovateli označena spisovým číslem 97006P4 a Patentovým úřadem USA (“USPTO) číslem přihlášky 60/085467. První ze jmenovaných patentů přihlašovatelů má datum priority 20. červen 1997 a je USPTO označen číslem přihlášky 60/050280. Druhá ze jmenovaných patentových přihlášek PLNG má datum priority 28. červenec 1997 a je označena USPTO číslem přihlášky 60/053966. Třetí ze jmenovaných přihlášek patentů má datum priority 19. prosinec 1997 a je USPTO označena číslem přihlášky 60/068226. Čtvrtá jmenovaných přihlášek patentů má datum priority 30. březen 1998 a je USPTO označena číslem přihlášky 60/079904. Přihlášky patentů však nepopisují systém pro pozemní přepravu PLNG vozidly. Tak, jak se zde používá termínu „pozemní přeprava PLNG vozidly“, je tím míněn rozvoz PLNG z centrálního zpracovatelského nebo skladovacího zařízení ke konečnému spotřebiteli nebo do skladovacího zařízení hlavně pozemní cestou, jako například

- 6 nákladním autem, železničním vagónem nebo čluny, po silnicích, železničních tratích a vnitrozemských vodních cestách.

LNG se běžně rozváží z centrálního zpracovatelského nebo skladovacího zařízení ke konečnému spotřebiteli nákladním autem, železničním vagónem nebo člunem po silnicích, železničních tratích a vnitrozemských vodních cestách. Další kryogenní kapaliny, například kapalný kyslík, kapalný vodík a kapalné helium se také těmito způsoby běžně přepravují. Trh LNG vzrostl zvláště v posledních letech z toho důvodu, že spalování zemního plynu je čistý proces. K pokrytí těchto požadavků trhu mohou být dodávky vyrobeného zemního plynu ve formě PLNG pro konečného spotřebitele v porovnání s LNG výhodné, protože PLNG je zpracován ekonomičtěji, avšak za předpokladu, že jsou prostředky pro přepravu a dodávání PLNG dostupné. Při porovnání s CNG jde navíc u PLNG o vyšší hustotu, která se projeví ve vyšší hmotnosti produktu nebo energii na daný objem.

K budování komerčních zásobníků kapalin jako je zemní plyn nemají obvykle používané uhlíkaté oceli odpovídající lomovou houževnatost při kryogenních teplotách, tj. teplotách nižších než -40 °C (-40 °F). Jiné materiály než uhlíkaté oceli s lepší lomovou houževnatostí při kryogenní teplotě, např. výše uvedené komerční oceli obsahující nikl (3,5% hmotn. Ni až 9% hmotn. Ni) s pevností v tahu přibližně do 830 MPa (120 ksi), hliník (AI-5083 nebo AI-5085) nebo nerezová ocel se již tradičně používají pro komerčně vyráběné zásobníky, které jsou namáhány provozem za kryogenní teploty. Někdy jsou používány i zvláštní materiály jako jsou slitiny titanu a speciální kompozity s tkaným skleněným vláknem impregnovaným epoxidem. Zásobníky zhotovované z těchto materiálů však nemají často při tradičních tloušťkách materiálu odpovídající pevnost, např. při tloušťce 2,5 cm (1 palec) tak, aby v nich mohly být kryogenní kapaliny, takže stěny tyto zásobníků musejí být zesilovány, aby se dosáhlo požadované pevnosti. Takto přidaná hmotnost, kterou je nutno nést a přepravovat často značně zvyšuje náklady projektu. Tyto materiály jsou navíc dražší než standardní uhlíkaté oceli. Zvýšené náklady na nosníky a přepravu silnostěnných zásobníků v kombinaci se zvýšenými náklady na materiál pro výrobu činí tyto projekty často ekonomicky neatraktivní. Tyto nevýhody činí běžně komerčně * · φ · • » ·«· ·

- 7 dostupné materiály ekonomicky pro výrobu zásobníků a systémů pro pozemní rozvoz PLNG neatraktivní. Objev zásobníků vhodných pro námořní přepravu PLNG, tak, jak to bylo diskutováno u přihlášek patentů PLNG, kombinovaný s běžnými možnostmi zpracování PLNG ukazují na významnou potřebu ekonomicky atraktivní pozemní přepravy PLNG vozidly. Značná část nákladů na pozemní rozvoz vozidly jde na vrub investičních nákladů spojených s konstrukcí a výrobou převozných zásobníků. Významné snížení nákladů na převozné zásobníky by se obrazilo ve zlepšení ekonomiky pozemní přepravy PLNG, rovněž tak jako LNG i dalších kryogenních kapalin.

Dostupnost cenově příznivějších zdrojů zemního plynu přepravovaného a distribuovaného v kapalné formě dává značnou výhodu možnosti využívat zemního plynu jako zdroje paliva. Dále bude uveden popis existujících a objevujících se aplikací využívajících zemní plyn jako energii, který významně přispívá k dostupnosti ekonomičtějších systémů pozemní přepravy a rozvozu zemního plynu ve formě PLNG.

LNG je běžně dopravován jako náklad ke splnění požadavků na dodávku paliva do vzdálených míst, kde neexistuje distribuční infrastruktura pro zemní plyn. Místní podmínky činí přepravovaný LNG konkurenční ekonomickou alternativou k plynovým rozvodům u mnoha velkých energetických projektů. Alaskan gas company navrhla projekt za 200 milionů dolarů pro dálkové plnící systémy LNG pro sedmnáct obcí na jižní Aljašce. Společnost také očekává, že bude převážet LNG 300 mil od závodu na zkapalňování na Cook Inlet do Fairbanksu počínaje listopadem 1997. Ve východní Arizoně ukázala předběžná realizační studie, že základní vzdálená dodávací stanice LNG může nabídnout řešení atraktivní levné energie velkému počtu izolovaných obcí nemajících běžný přístup k plynovému vedení. K přepravě LNG mohou být využívány navíc nákladní auta, lodě a železniční vagony. To představuje nové trendy pro velkoobjemovou přepravu LNG a její využívání s možností jejího podstatného růstu a zvláště se zdokonalenou ekonomikou přepravního systému. Objevující se PLNG technologie může vytvořit ekonomicky přínosné podmínky pro využívání PLNG jako paliva v těchto a dalších podobných pozemních aplikacích, pokud bude k dispozici více ekonomických prostředků pozemní přepravy PLNG.

·· 4«

4 4 4

4 4

4444 ·4

4444

44 i 9 >

4 4 4 4 • 4 · 4

4 4 4

- 8 Za druhé, převážení LNG pro splnění požadavků určitých výrobních závodů začíná být také konkurenční ekonomickou alternativou. Posledním příkladem je společnost Hampton, New Hampshire, která ustoupila od kontraktu na dodávku propanu a podpořila exkluzivní využívání LNG k pohonu 4000 HP generátoru k výrobě elektřiny a provozu dvou provozních výparníků LNG. Zde opět zlepšení nákladů na rozvoz vyústilo ve zvýšený počet podobných aplikací.

Dále vzrůstá využívání „přenosných potrubních vedení“ - systémů přepravitelných výparníků LNG k udržování plynulé nepřerušované dodávky plynu. To pomáhá plynárenským společnostem předcházet výpadkům a pokračovat v dodávce zemního plynu zákazníkům i během špiček, které jsou v chladných zimních dnech, při nouzových dodávkách při poškozeném podzemním potrubí, údržbě plynového systému, atd. Podle konkrétní aplikace může být LNG výparník instalován nebo umístěn na strategickém místě distribučního systému zemního plynu a zastoupit provozní dodávku v případě, že nákladní cisterna LNG provádí plnění. Podle našich vědomostí neexistují žádné komerční nákladní cisterny pro přepravu PLNG do takovýchto výparníků pro dodávku dalšího plynu během špiček nahrazujících LNG. Existují konečně plány na to, aby běžní i budoucí hlavní dovozci LNG v Asii nabízeli velké množství LNG jako palivo pro vozidla (až 20% importu). V závislosti na místních podmínkách může být rozvoz LNG do čerpacích stanic nejatraktivnějším ekonomickým přínosem. Pokud konkrétně neexistuje infrastruktura pro distribuci plynu, může taková úsporná konstrukce cisterny PLNG na přepravu (nákladními auty, železničními vozy, nebo loděmi po již existující síti silnic, železničních a vodních cest) vytvořit atraktivnější a ekonomickou alternativu.

Aby mohly zdroje zemního plynu účinněji konkurovat alternativním dodávkám energií, musí existovat ekonomické systémy pro rozvoz PLNG pozemními vozidly. Vedle toho nastává potřeba, aby existovaly ekonomické systémy pozemního rozvozu LNG a dalších kryogenních kapalin. Pokud se zde dále používá termínu „přepravní cisterna“, je tím míněn jakýkoliv prostředek pro pozemní rozvoz PLNG, LNG a dalších kryogenních kapalin bez omezení, zda jde o automobilovou nákladní, železniční nebo lodní cisternu.Konkrétním předmětem předloženého vynálezu je tudíž zajištění ekonomického

- 9 systému pozemního rozvozu LNG při podstatně vyšších tlacích a teplotách než u konvenčních systémů LNG. Dalším předmětem předloženého vynálezu je zajištění takových systémů skládacích zásobníků a dalších komponentů, které jsou zhotovovány z materiálů majících odpovídající pevnost a lomovou houževnatost, aby mohly obsahovat jmenovaný stlačený zkapalněný zemní plyn.

Podstata vynálezu

V souladu s výše uvedeným předmětem předloženého vynálezu jsou uváděny systémy pro pozemní přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) vozidly při tlacích v oboru od přibližně 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotách v oboru od přibližně -123 °C (-190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F). Systémy podle tohoto vynálezu mají zásobníky a další komponenty zhotovované z ultra vysoce pevných nízkolegovaných ocelí obsahujících méně než 9 % hmotn. niklu a majících odpovídající pevnost a lomovou houževnatost, aby mohly obsahovat stlačený zkapalněný zemní plyn. Ocel má ultra vysokou pevnost, např. pevnost v tahu (jak je zde definována) vyšší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT (jak je zde definována) nižší než asi -73 °C (-100 °F).

Přehled obrázků

Pro lepší pochopení předloženého vynálezu bude vhodný odkaz na následující podrobný popis a připojené výkresy, ve kterých:

Obr. 1 schematicky znázorňuje zásobník skladovací a přepravní cisterny podle předloženého vynálezu;

Obr. 2 znázorňuje závěsný systém zásobníku skladovací a přepravní cisterny podle předloženého vynálezu;

Obr. 3A znázorňuje infrastrukturu pozemní rozvoz PLNG vozidly podle předloženého vynálezu;

Obr. 3B znázorňuje infrastrukturu pozemní rozvoz PLNG vozidly podle předloženého vynálezu;

Obr. 4A znázorňuje diagram závislosti kritické hloubky trhliny při dané délce trhliny

···· • ·

- 10 jako funkci lomové houževnatosti CTOD a zbytkového napětí; a

Obr. 4B znázorňuje geometrii (délku a hloubku) trhliny.

Vynález bude popisován v souvislosti s předmětem vynálezu, kterému se dává přednost, avšak musí se rozumět, že se tím předmět vynálezu nikterak neomezuje. Na druhé straně se vynálezem požaduje pokrytí všech alternativ, modifikací a ekvivalentů, které může v duchu a ve svém rozsahu tento vynález zahrnovat tak, jak to je definováno v připojených patentových nárocích.

Podrobný popis vynálezu

Předložený vynález se týká systémů pro pozemní rozvoz PLNG vozidly. Systémy jsou určeny pro rozvoz stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) o tlaku od přibližně 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě od přibližně -123 °C (190 °F) do přibližně -62 °C (80 °F) a spočívají v tom, že systémy mají zásobníky a další komponenty zhotovené z ultra vysoce pevné nízkolegované oceli s obsahem niklu nižším než 9 % hmotn. a mající pevnost v tahu větší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F). Systémy určené dále pro rozvoz stlačeného zkapalněného zemního plynu při tlacích od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 4830 kPa (700 psia) a teplotě od přibližně -112 °C (-170 °F) do přibližně -79 °C (-110 °F) spočívají v tom, že mají zásobníky a další komponenty, které (i) jsou zhotoveny z ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a (ii) mají odpovídající pevnost a lomovou houževnatost, aby mohly obsahovat stlačený zkapalněný zemní plyn. Přepravní cisterna zařízená pro přepravu PLNG dále spočívá vtom, že tato jmenovaná přepravní cisterna je zhotovena z materiálů, kterými jsou ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu větší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než okolo -73 °C (-100 °F), nebo alespoň jeden akumulační zásobník je zhotoven z (i) z materiálů, kterými jsou ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a (ii) mající odpovídající pevnost v tahu tak, aby v něm mohl být stlačený zemní plyn.

*··· • · · · * · · 9 9 · • 99 · · ₉ · 9 · ♦ • · · · · » · · · 9 9 ·

- 11 Příklady provedení

Zásobníky.

Klíčem k vytvoření systémů podle předloženého vynálezu jsou zásobníky vhodné k tomu, aby se mohly použít v přepravních cisternách k přepravě PLNG při tlacích od přibližně 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě od přibližně -123 °C (-190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F). PLNG je vyráběn a přepravován přednostně při tlacích od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě od přibližně -112 °C (-170 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F). Je lépe, pokud je PLNG vyráběn a přepravován při tlacích od přibližně 2415 kPa (350 psia) do přibližně 4830 kPa (700 psia) a teplotě od přibližně -101 °C (-150 °F) do přibližně -79 °C (-110 °F). Vůbec nejlépe je nejnižší hodnota tlaku a teploty PLNG přibližně 2760 kPa (400 psia) a přibližně -96 °C (-140 °F). Zásobník je vybaven tak, aby mohl obsahovat a přepravovat PLNG a vyznačuje se tím, že je zhotoven z ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než -73 °C (100 °F).

Zásobník podle tohoto vynálezu je konstruován tak, aby se minimalizovalo vnikání tepla do skladovaného PLNG, tj., aby se minimalizovalo vypařování skladovaného PLNG tak, aby v dodávce zůstala většina skladovaného PLNG v kapalném stavu. V jednom z řešení používajícím Dewarův princip sestává zásobník z vnitřní nádoby zavěšené ve vnější nádobě oddělené od vnější nádoby prostorem, který je evakuován nebo obsahuje izolaci. S odkazem na obr. 1 tohoto vynálezu sestává řešení zásobníku 10 z vnitřní nádoby 11. která obsahuje PLNG 12 a obklopené vnější nádobou 13. Prostor 14 mezi vnitřní nádobou H a vnější nádobou 13 je na počátku evakuován a je nejlépe, pokud je udržován pod vakuem k minimalizaci tepelných ztrát konvekcí. Vakuum se udržuje předně zajištěním těsnosti technologií odborníkům známou. Vnější povrch 15 vnitřní nádoby 11 má povrchovou úpravu s vysokou odrazivostí nebo jinou povrchovou úpravu k minimalizaci převodu tepla zářením do vnitřní nádoby 1T Pouze za účelem příkladu, který nijak tento vynález neomezuje, může být k minimalizaci převodu tepla zářením do vnitřní nádoby 11. pokryt vnější povrch 15 jednovrstvým mylarem pokrytým hliníkem. Prostor 14 může ·> 9999

9 ·

• · ·

• ·

- 12 být k minimalizaci převodu tepla jak vyzařováním, tak konvekcí do vnitřní nádoby H alternativně naplněn vícevrstvovou izolací (na obr. 1 neznázorněno). Úniky tepla vedením se navíc přednostně minimalizují (i) minimalizací počtu prostupů do vnitřní nádoby H a tudíž i počtu tepelných mostů, (ii) použitím vysoce izolujících materiálů, a (iii) promyšlenou konstrukcí podpěrných závěsných členů systému. Jak je na obr. 1 znázorněno, do vnitřní nádoby 11 jsou nezbytné minimálně dva proniky. Pro napouštění a vypouštění kapalného produktu do vnitřní nádoby 11 a z ní je nutné plnicí a vypouštěcí vedení 17 a otvor 16. Odvětrávací vedení 19 a jeho otvor 18 jsou nutné k vypouštění par vytvořených jako důsledek vnikání tepla do vnitřní nádoby H. Tyto otvory 16 a 18, plnicí a vypouštěcí vedení 17 a odvětrávací vedení 19 jsou zdroji vnikání tepla do vnitřní nádoby 11 K minimalizaci vedení tepla se plnicí a vypouštěcí vedení 17 a odvětrávací vedení 19 navrhují o minimální tloušťce stěny a maximální délce. K prohlídkám a údržbě je vnitřní nádoba 11 opatřena přístupovým otvorem 20. Přístupový otvor se přednostně zakrývá bezpečně přišroubovaným víkem 20a. Nejlepší je, pokud se prostor 14 mezi vnitřní nádobou 11 a vnější nádobou 13 minimalizuje. Stěna vnitřní nádoby H se nejlépe izoluje ze strany vnější nádoby 1_3, např. tak, aby se stěny navzájem nedotýkaly. Jedním způsobem, jak tuto izolaci provést, je umístění rozpěr 14a. přednostně izolačních rozpěr, mezi stěnou vnitřní nádoby H a stěnou vnější nádoby 13. V jednom z řešení se požadované délky odvětrávacího vedení 19 docílí opatřením výstupkem 23 na vnější nádobě 13 k prodloužení prostoru 14 okolo odvětrávacího vedení 19. Příslušný ohyb odvětrávacího vedení 19 může být adekvátním prodloužením délky odvětrávacího vedení 1_9, které ještě umožní případné smrštění při ochlazení. Proti šplouchání se vkládají přepážky (na obr. 1 neznázorněno) tlumící pohyb PLNG 12 během přepravy.

Závěsný systém

Jiným žádoucím komponentem přepravní cisterny podle tohoto vynálezu jako přídavného zařízení k výše uvedeným akumulačním zásobníkům sloužícím ke skladováni a přepravě PLNG je závěsný systém. Závěsný systém zajišťuje přednostně vnitřní nádobě a jejímu obsahu oporu proti statické zátěži, pokud jde o stacionární cisternu a proti dynamické zátěži, pokud je přepravní cisterna v pohybu.

*> ···«

- 13 Běžná zátěž zrychlením specifikovaná pro konstruování závěsného systému velkých akumulačních zásobníků kryogenních kapalin na návěsech nebo nákladních cisternách je: jedno g pro vertikální směr vzhůru, čtyň g pro vertikální směr dolů, dvě g pro příčný směr a čtyři g pro podélný směr (kde g je místní tíhové zrychlení). Jedním způsobem, jak zajistit pevnost opěr potřebnou pro takové namáhání je zvýšení průřezových ploch konstrukčních opěrných členů; zvýšení plochy průřezu má však za důsledek nežádoucí zvýšení rychlosti vedení tepla do vnitřní nádoby. Pro minimalizaci vnikání tepla vedením do vnitřní nádoby je nutno kriticky zvážit konstrukci opěrného systému.

Nyní k obr. 2, kde je uveden příklad závěsného systému zásobníku 10, a to aniž by tím byl nějak tento vynález omezen, kde je znázorněno použití napnutých opěrných tyčí 21. V tomto zvláštním případě je k výrobě opěrných tyčí 21 k podepření vnitřní nádoby 1_1 použit materiál s malou vodivostí tepla (jako je plast G-10) namáhaný přednostně na tah. Opěrné kroužky 22 jsou upraveny pro připojení opěrných tyčí 21 k vnější stěně vnitřní nádoby 11 a k vnitřní stěně vnější nádoby 13. V jednom z řešení jsou s opěrnými kroužky 22 použity k tepelné izolaci plastové podložky (na obr. 2 neznázorněno) pro případ, že tepelná vodivost opěrných tyčí 21 je velká, aby se tak minimalizovalo vnikání tepla do vnitřní nádoby 11, nebo aby se alespoň omezilo vnikání tepla do vnitřní nádoby H, nebo aby toto vnikání nebylo vyšší než je cílová hodnota. Způsoby pro stanovení této cílové hodnoty vnikání tepla a jak tuto hodnotu omezit na hodnotu nižší než je tato cílová hodnota mohou odbornici stanovit podle tohoto návodu nebo podle oborových norem. U běžných přepravních návěsů pro velké zásobníky je dynamické zatížení opěrných tyčí 21 proměnné a důležité. Tyto faktory, rovněž tak jako další faktory odborníkům známé se při konstruování akumulačních zásobníků podle předloženého vynálezu berou v potaz přednostně.

Bezpečnostní systém

Podle obr. 1 se akumulační zásobníky W podle předloženého vynálezu přednostně vybavují bezpečnostním zařízením. Odvětrávací vedení 19 vnitřní nádoby 11 se vybavuje tlakovým bezpečnostním ventilem 24 a bezpečnostní trhací pojistkou 25. Bezpečnostní trhací pojistka 25 (na obr. 1 neznázorněno) může být také umístěna v prostoru 14 mezi vnitřní nádobou a vnější nádobou 13.

·» ·· ♦ · · · • · · » 9 · • · · · · · ·> *»·· • * · ·

- 14 Plnění a vyprazdňování

Počáteční plnění:

Opět podle obr. 1: plnicí a vypouštěcí vedení 17 se používá k plnění vnitřní nádoby U zásobníku 10 PLNG. Před počátečním plněním je normálně vnitřní nádoba 11 zásobníku 10 na atmosférickém tlaku a okolní teplotě. Počáteční plnění vnitřní nádoby H se nejlépe provádí předepsanou posloupností, aby se umožnilo vnitřní nádobě 11 dosáhnout teplotní rovnováhy pro požadovanou skladovací teplotu PLNG. V jednom z řešení předepsaná následnost zahrnuje tyto kroky v uvedeném pořadí. Nejprve se ve vychlazovacím cyklu vnitřní nádoby 11 ponechají páry PLNG ze zdroje PLNG natékat do vnitřní nádoby H vedením připojeným k odvětrávacímu vedení 19 převádějícím páry (na obr. 1 neznázorněno). Plynový sběrač 27 rozptyluje páry PLNG proudící do vnitřní nádoby 11 a minimalizuje náraz par PLNG na stěny vnitřní nádoby IT Toto natékání par PLNG pokračuje do té doby, než teplota vnitřní nádoby 11 dosáhne předem stanovené teploty. Předem stanovená teplota se odvozuje předně z vychlazovací křivky a teplotních kontrakčních charakteristik materiálu, z kterého je vnitřní nádoba 11 zhotovena a odborníci ji mohou stanovit podle oborových norem. Průtokem par PLNG se současně ustaví tlak ve vnitřní nádobě 11. V závěrečné fázi vychlazovacího cyklu se dále do vnitřní nádoby 11 nechá přitékat kapalný PLNG. Přiváděči vedení kapaliny (na obr. 1 neznázorněno) ze zdroje PLNG je připojeno k plnicímu a vypouštěcímu vedení 17. V jednom z řešení podle předloženého vynálezu se na zdroji PLNG používá k čerpání kapalného PLNG do vnitřní nádoby 11 zásobníku 10 nejméně jednoho kryogenniho čerpadla, nejlépe s malým průtokem, přednostně nižším než 0,76 m³.min'¹ (200 galonů za minutu). Tak, jak kapalný PLNG dále vychlazuje vnitřní nádobu 11, kapalný PLNG se vypařuje a přispívá k ustavení tlaku. Po dosažení předem nastaveného tlaku na základě rozdílu tlaku mezi vnitřní nádobou 11 a zdrojem PLNG změní průtok par PLNG směr přes odvětrávací vedení 19 směrem do zdroje PLNG. Jakmile teplota v ···· ·· t* • ♦) • ·>

♦ t 9Í • · ·· * · 9

9 9

- 15 zásobníku dosáhne předem stanovené hodnoty, tj. po ukončení vychlazovacího cyklu, začne se do vnitřní nádoby 11 zásobníku 10 ze zdroje PLNG čerpat kapalný PLNG nejlépe průtokem alespoň okolo 0,76 m³.min'¹ (200 galonů za minutu), vytěsňujíc v podstatě z vnitřní nádoby 11 stejný objem par PLNG zpět do zdroje PLNG. Při tomto řešení pokračuje čerpání kapalného PLNG a vytěsňování par PLNG do té doby, než kapalný PLNG ve vnitřní nádobě 11 dosáhne předem stanoveného množství nebo objemu, např. podle údaje čidla sledujícího výšku hladiny, kterým je například laděný hustoměr (na výkresech neznázorněno), kdy se začnou provádět následující operace v jakémkoliv vhodném pořadí: (i) čerpání kapalného PLNG se zastaví, (ii) zastaví se průtok kapalného PLNG plnicím a vypouštěcím vedením 17. např. uzavřením ventilu (na obr. 1 neznázorněno) na plnicím a vypouštěcím vedení 17, (iii) plnicí a vypouštěcí vedení 17 se odpojí od přiváděcího vedení kapaliny, (iv) uzavře se průtok par PLNG odvětrávacího vedení 19. např. zavřením ventilu (na obr. 1 neznázorněno), a (v) odvětrávací vedení 19 se odpojí od přívodního vedení. Tak jako obecně u všech kryogenních akumulačních zásobníků musí během plnění a po jeho ukončení zůstat 10 % parního prostoru zásobníku 10 volných, jak je odborníkům zabývajícím se skladováním kryogenních kapalin známo.

Opětné plnění a vykládka

Opět s odkazem na obr. 1, se používá plnicí a vypouštěcí vedení 17 k plnění zásobníku 10 PLNG. Přívodní vedení kapaliny (na obr. 1 neznázorněno) ze zdroje PLNG se připojí k plnicímu a vypouštěcímu vedení 17. V jednom z řešení podle předloženého vynálezu se u zdroje PLNG používá alespoň jednoho kryogenního čerpadla (na obr. 1 neznázorněno) k čerpání kapalného PLNG do vnitřní nádoby 11 zásobníku 10 nejlépe průtokem alespoň okolo 0,76 rrP.min'¹ (200 galonů za minutu). Páry PLNG z vnitřní nádoby 11 se vracejí do zdroje PLNG přes přívodní vedení par (na obr. 1 neznázorněno) připojeného k odvětrávacímu vedení 19. Také při tomto řešení je k vyprazdňování kapalného PLNG z vnitřní nádoby 11 vybaveno místo určené k vyprazdňování (na obr. 1 neznázorněno) kapalného PLNG přes plnicí a vypouštěcí vedení 17 alespoň jedním kryogenním čerpadlem, přičemž se páry PLNG vracejí do vnitřní nádoby H přes odvětrávací vedení 19. Tlaková rovnováha

4444 ··

4 4 9

4 9 9 4 »

9 4 4 φ

4 4 ·4 4

4 9 4 4

4944 99 44

- 16 je udržována přímým propojením kapalné a parní fáze ve vnitřní nádobě H i v zařízení, do kterého se vyskladňuje. Při tomto řešení pokračuje čerpání kapalného PLNG a výměna par PLNG až do té doby, než je ve skladovacím zásobníku vyskladňovacího zařízení dosaženo předem stanoveného množství nebo objemu, např. podle údaje čidla sledujícího výšku hladiny, kdy se začnou provádět následující operace v jakémkoliv vhodném pořadí: (i) čerpání kapalného PLNG se zastaví, (ii) zastaví se průtok kapalného PLNG plnicím a vypouštěcím vedením 17, např. uzavřením ventilu (na obr. 1 neznázorněno) na plnicím a vypouštěcím vedení 17, (iii) plnicí a vypouštěcí vedení 17 se odpojí od přiváděcího vedení kapaliny, (iv) uzavře se průtok par PLNG odvětrávacím vedením 19, např. zavřením ventilu odvětrávacího vedení T9 (na obr. 1 neznázorněno), a (v) odvětrávací vedení 19 se odpojí od přívodního vedení.

Výše popsané vyskladňovací schéma se používá u aplikací týkajících se vyskladnění PLNG z přepravní cisterny do akumulačního zásobníku PLNG nebo zásobníků. Mezi tyto aplikace patří například, a to aniž by tím byl nějak tento vynález omezen, použití PLNG jako palivo pro vozidla, skladování ve vzdáleném zařízení pro následné použití jako paliva nebo skladování ve výrobním závodě pro následné využití buď jako paliva nebo v dalším napájecím zařízení. U těch aplikací, kde není možné skladovat PLNG jako kapalinu se PLNG vypaří, například, a to aniž by tím byl nějak tento vynález omezen, pro přímou spotřebu jako palivo, nebo se uskladní jako plyn nebo se vede do potrubí. V takových případech se uskladňovací zařízení vybaví vypouštěcím zařízením. Typický výparníkový systém v místě příjmu nebo vypouštění zahrnuje kryogenní čerpadlo pro vyskladnění PLNG z přepravní cisterny a čerpání kapaliny až na požadovaný dodávací tlak, pokud to je vyžadováno, a vypařovací systém k převedení kapaliny na páru. To jsou standardní položky každému odborníkovi známé.

Ocel pro zhotovování zásobníků a dalších komponentů

Pro zhotovení zásobníků a dalších komponentů podle tohoto vynálezu může být použita jakákoliv ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9% hmotn. niklu mající odpovídající houževnatost k tomu, aby mohla obsahovat kryogenní kapaliny jako je PLNG při teplotách provozních podmínek podle známých principů lomové mechaniky, jak je zde popsáno. Příkladem oceli, kterou se však • 9

9

999·

vynález neomezuje, je svařitelná, ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9% hmot. niklu mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa (120 ksi) a odpovídající houževnatost k prevenci vzniku lomu, tj. závadám, které mohou nastat za podmínek provozu při kryogenních teplotách. Jiným příkladem oceli pro použití podle předloženého vynálezu, aniž by se tím nějak tento vynález omezoval, je svařitelná ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 3% niklu a mající pevnost v tahu nejméně 1000 MPa (145 ksi) a odpovídající houževnatost k zabránění vzniku lomu, tj. závadám, které mohou nastat za provozu při kryogenních teplotách. Tyto oceli uvedené jako příklad mají DBTT nižší než -73 °C (-100 °F). Pokrok v technologii ocelí v poslední době umožnil výrobu nových ultra vysoce pevných nízkolegovaných ocelí s vynikající houževnatostí při kryogenních teplotách. Například tři US patenty přiznané Koo, et al., 5,531,842; 5,545,269; a 5,545,270 popisují nové oceli a způsoby zpracování těchto ocelí na ocelové plechy s pevností v tahu okolo 830 MPa (120 ksi), 965 MPa (140 ksi) a vyšší. Zde popsané oceli a způsoby jejich zpracování byly zdokonaleny a modifikovány, aby bylo umožněno zkombinování vhodného složení a způsobu zpracování k výrobě ultra vysoce pevných nízkolegovaných ocelí s vynikající odolností za kryogenních teplot jak v základní oceli, tak v tepelně namáhané zóně (HAZ) při svařováni. Tyto ultra vysoce pevné nízkolegované oceli zvýšily hodnotu houževnatosti nad normu komerčně používaných dostupných ultra vysoce pevných nízkolegovaných ocelí. Zdokonalené oceli jsou popsány v dosud projednávané prozatímní patentové US přihlášce nazvané „Ultra vysoce pevné oceli s vynikající houževnatostí za kryogenní teploty“, s datem priority 19. prosince 1997 a US patentovým úřadem („USPTO“) registrovanou pod prozatímním číslem přihlášky 60/068194; v dosud projednávané prozatímní patentové US přihlášce nazvané „Ultra vysoce pevné vyzrálé [ausaged] oceli s vynikající houževnatostí za kryogenní teploty“, s datem priority 19. prosince 1997 a USPTO registrovanou pod prozatímním číslem přihlášky 60/068252; v dosud projednávané prozatímní patentové US přihlášce nazvané „Ultra vysoce pevné dvoufázové oceli s vynikající houževnatostí za kryogenní teploty“, s datem priority 19. prosince 1997 a USPTO registrovanou pod prozatímním číslem přihlášky ·» 4» 44 4444 ·4 44 • 444 4) 4 · 4·4·

444 4> · 444·

44 4, 4 444 44 · ·· 4444 4 ··· • •44 44 ·· 44 44 44

- 18 60/068816 (společně označené „Patentové přihlášky ocelí“).

Nové oceli popsané v Patentových přihláškách ocelí a dále popsané na příkladech jsou zvláště vhodné pro zhotovování zásobníků pro skladování a přepravu PLNG podle tohoto vynálezu, s tím, že oceli mají následující charakteristiky a to přednostně u ocelových desek o tloušťce 2,5 cm (1 palec) a tlustějších: (i) DBTT nižší než -73 °C (-100 °F) lépe nižší než přibližně -107 °C (-160 °F) pro základní ocel a zónu ovlivněnou svarem (HAZ); (ii) pevnost v tahu větší než 830 MPa (120 ksi), lépe větší než 860 MPa (125 ksi) a nejlépe větší než 900 MPa (130 ksi); (iii) vynikající svařitelnost; (iv) dostatečně homogenní mikrostrukturu a vlastnosti v průřezu celé tloušťky; a (v) zlepšenou houževnatost nad komerčně dostupnou normalizovanou hodnotu ultra vysoce pevných nízkolegovaných ocelí. Ještě lepší je, pokud tyto oceli mají pevnost v tahu větší než přibližně 930 MPa (135 ksi) nebo větší než 965 MPa (140 ksi) nebo větší než 1000 MPa (145 ksi).

První příklad oceli

Jak je uvedeno výše, dosud společně projednávaná předběžná patentová přihláška US s datem priority 19. prosinec 1997 nazvaná „Ultra vysoce pevné oceli s vynikající houževnatostí za kryogenní teploty“, a USPTO registrovaná pod prozatímním číslem přihlášky 60/068194 předkládá popis ocelí vhodných pro využiti podle předloženého vynálezu. Tento způsob je určen pro přípravu ultra vysoce pevných ocelových plechů s mikrostrukturou obsahující převážně popouštěný jemnozrnný jehlicový martenzit, popouštěný jemnozrnný dolní bainit nebo jejich směs vyznačující se tím, že sestává z těchto kroků: (a) ohřívání ocelové tabule na dostatečně vysokou teplotu k (i) podstatné homogenizaci ocelové tabule, (ii) k podstatnému rozpuštění všech karbidů a karbonitridů niobu a vanadu v ocelové tabuli a (iii) k vytvoření jemných austenitických zrn v ocelové tabuli; (b) ztenčení ocelové tabule za tepla na ocelový plech jedním nebo více průchody válcovací stolicí v první teplotní oblasti, ve které austenit rekrystalizuje; (c) dalšího ztenčení ocelového plechu za tepla jedním nebo více průchody válcovací stolicí ve druhé teplotní oblasti pod teplotou T_nr a nad transformační teplotou Ar₃; (d) kalení ocelového plechu při rychlosti ochlazování od 10 °C za sekundu do 40 °C za sekundu (18 °F.s'¹ až 72 °F.s'¹) až do teploty při ·· ·· • · · · • · ·

4 9

4 4

4 4 44

44

4 4 4

9 4 ·

4 4 4

4 ·»··

- 19 zastavení kalení pod transformační teplotou M_s plus 200 °C (360 °F); (e) zastavení kalení; a (f) popouštění ocelového plechu při popouštěcí teplotě od přibližně 400 °C (752 °F) až do transformační teploty Aci, lépe až do této teploty, avšak nezahrnující tuto transformační teplotu Aci, po dostatečně dlouhou dobu tak, aby nastala precipitace vytvrzujících částic, tj. jedné nebo více modifikací mědi ε, M02C nebo karbidů a karbonitridů niobu a vanadu. Doba potřebná k tomu, aby nastala precipitace vytvrzujících částic závisí předně na tloušťce ocelového plechu, složení ocelového plechu a popouštěcí teplotě a stanovit ji může pracovník zkušený oboru. (Viz slovníček definic, týkající se převážně termínů vytvrzující částice, teplota T_nr, transformační teplota Ar₃, M_s a Aci a Mo₂C.)

K zajištění houževnatosti při okolní a kryogenní teplotě, musí mít ocel podle tohoto prvního příkladu přednostně mikrostrukturu sestávající převážně z popouštěného jemně zrnitého dolního bainitu, jemně zrnitého jehlicového martenzitu nebo jejich směsi. Nejlépe je, když se minimalizuje tvorba křehkých složek jako je horní bainit, dvojčatový martenzit a MA. Tak, jak se v tomto prvním příkladu a v patentových nárocích používá termínu „převážně“, míní se tím alespoň 50 % obj. Lepší je, pokud struktura obsahuje nejméně od 60 % do 80 % obj. popouštěného jemně zrnitého dolního bainitu, jemně zrnitého jehlicového martenzitu nebo jejich směsi. Vůbec nejlepší je, pokud mikrostruktura obsahuje nejméně 90 % obj. popouštěného jemně zrnitého dolního bainitu, jemně zrnitého jehlicového martenzitu nebo jejich směsi. Vůbec nejlepší je, pokud mikrostruktura obsahuje 100 % obj. popouštěného jemně zrnitého jehlicového martenzitu.

Ocelové tabule zpracovávané podle tohoto prvního příkladu se vyrábějí na zakázku a sestávají například ze železa a dalších legujících prvků o složení uvedeném v následující tabulce I:

99

9 9 ·

9 9

9999 ·· • · 9 99 9

- 20 * · ♦ · ♦ · * 9 9

9 • 9 99 • 9 9 · • 9 9 ·

9 9 ·

9 9 9

Tabulka I
Legující prvek	Rozsah (% hmotn.)
uhlík (C)	0,04-0,12, lépe 0,04 - 0,07
mangan (Mn)	0,5-2,5, lépe 1,0-1,8
nikl (Ni)	1,0-3,0, lépe 1,5-2,5
měď (Cu)	0,1 -1,5, lépe 0,5-1,0
molybden (Mo)	0,1 -0,8, lépe 0,2-0,5
niob (Nb)	0,02-0,1, lépe 0,03-0,05
titan (Ti)	0,008 - 0,03, lépe 0,01 - 0,02
hliník (Al)	0,001 - 0,05, lépe 0,005 - 0,03
dusík (N)	0,002 - 0,005, lépe 0,002 - 0,003

Vanad (V) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 0,10 % hmotn. a lépe od přibližně 0,02 % hmotn. do přibližně 0,05 % hmotn.

Chrom (Cr) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 1,0 % hmotn. a lépe od přibližně 0,2 % h. do přibližně 0,6 % hmotn.

Křemík (Si) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 0,5 % hmotn. a lépe od přibližně 0,01 % hmotn. do přibližně 0,05 % hmotn., avšak nejlépe od přibližně 0,05 % hmotn. do 0,1 % hmotn.

Bor (B) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 0,0020 % hmotn. a lépe od přibližně 0,0006 % hmotn. do přibližně 0,0010 % hmotn.

Ocel přednostně obsahuje nejméně 1 % hmotn. niklu. Obsah niklu v oceli může být zvýšen nad 3 % hmotn., pokud to zlepší parametry po svařování. Očekává se, že přídavek každého 1 % hmotn. niklu sníží DBTT oceli o 10 °C (18 °F). Dává se přednost tomu, aby obsah niklu byl nižší než 9 % hmotn., lépe méně než 6 % hmotn. Obsah niklu se minimalizuje hlavně proto, aby se snížila cena oceli. Pokud se obsah niklu zvýší nad přibližně 3 % hmotn, lze snížit obsah manganu pod přibližně 0,5 % hmotn. až k 0,0 % hmotn. Pojato šířeji, dává se proto přednost tomu, aby obsah manganu byl přibližně do 2,5 % hmotn.

·· ···»

- 21 ··

99

9 9 9

9 9 9 • 9 9 9

Ostatní zbylé prvky se pokud možno v oceli minimalizují. Obsah fosforu (P) je přednostně nižší než 0,01 % hmotn. Obsah síry (S) je přednostně nižší než 0,004 % hmotn. Obsah kyslíku (O) je přednostně nižší než 0,002 % hmotn.

Poněkud podrobněji bude popsán postup úpravy oceli podle tohoto prvního příkladu tvářením ocelových tabulí o složení zde popsaném: tabule se ohřívají na teplotu od přibližně 955 °C až přibližně do 1065 °C (1750 °F až 1950 °F); tabule se válcují za tepla na plech jedním nebo více průchody tak, aby se v první teplotní oblasti, kdy rekrystalizuje austenit dosáhlo 30 až 70 procentního ztenčení, tj. přibližně nad teplotou T_nr a dále se plechy v jednom nebo více průchodech válcují za tepla na přibližně 40 až 80 % ztenčení při teplotě druhé oblasti přibližně pod teplotu T_nr a přibližně nad transformační teplotu Ar₃. Horké vyválcované plechy se potom zakalí rychlostí okolo 10 °C za sekundu až 40 °C za sekundu (18 °F.s'¹ - 72 °F.s’¹) na vhodnou QST (jak je definována ve slovníčku) přibližně pod transformační teplotu M_splus 200 °C (360 °F) kdy kalení skončí. V jednom z případů tohoto prvního příkladu se potom ocelový plech nechá ochladit na okolní teplotu. Tento postup se používá k vytvoření mikrostruktury sestávající převážně z jemně zrnitého jehlicového martenzitu, jemně zrnitého dolního bainitu nebo jejich směsi, avšak je lepší, pokud obsahuje 100% jemně zrnitého jehlicového martenzitu.

Takto přímo kalený martenzit v ocelích podle prvního příkladu má vysokou pevnost, avšak jeho houževnatost lze zlepšit popouštěním při vhodné teplotě přibližně od 400 °C (752 °F) výše až k transformační teplotě Aer Popouštění oceli v tomto rozsahu teplot vede také ke zmenšení pnutí vzniklého kalením, což naopak vede ke zlepšení houževnatosti. Zatímco popouštění může zlepšit houževnatost oceli, vede běžně ke značné ztrátě pevnosti. V tomto vynálezu se obvyklá ztráta pevnosti vzniklá popouštěním kompenzuje ovlivněním disperzním precipitačním kalením. Disperzního kalení způsobeného jemným měděným precipitátem a směsnými karbidy a/nebo karbonitridy se využívá k optimalizaci pevnosti a houževnatosti během popouštění martenzitické struktury. Jedinečné složení ocelí podle tohoto prvního příkladu umožňuje popouštění v širokém rozmezí od přibližně 400°C do přibližně 650 °C (750 °F až 1200 °F) bez jakékoliv význačné ztráty pevnosti z kalení.

·*» φφφφ φ · φ

• Φ • · φ • φ ♦ φ • φ

Φ··· ·· φφ » φ • φ φ φ • φ φ φφ φφ φφ • φ φ φ φ φ φ φ > φ φ φ φ • φ φ φ φφ <*·

- 22 Ocelové plechy se přednostně popouštějí při popouštěcí teplotě od teplot nad přibližně 400 °C (752 °F) až pod transformační teplotu Aci po dostatečně dlouhou dobu k tomu, aby nastala precipitace vytvrzujících částic (jak jsou zde definovány). Tento postup usnadňuje transformaci mikrostruktury ocelových plechů na převážně popouštěný jemnozrnný jehlicový martenzit, popouštěný jemnozrnný dolní bainit, nebo jejich směs. Doba dostatečná na to, aby způsobila precipitaci vytvrzujících částic opět závisí hlavně na tloušťce ocelového plechu, složení oceli a na popouštěcí teplotě, kterou zkušený odborník může stanovit.

Druhý příklad oceli

Jak je uvedeno výše, dosud projednávaná předběžná patentová přihláška US s datem priority 19. prosinec 1997 nazvaná „Ultra vysoce pevné vyzrálé [ausaged] oceli s vynikající houževnatostí za kryogenní teploty“, a USPTO registrovaná pod prozatímním číslem přihlášky 60/068252 předkládá popis dalších ocelí vhodných pro využití podle předloženého vynálezu. Tento způsob zajišťuje přípravu ultra vysoce pevných ocelových plechů s mikrolaminární mikrostrukturou obsahující od přibližně 2 % obj. do přibližně 10 % obj. vrstevnatého filmového austenitu a přibližně od 90 % do přibližně 98 % obj. převážně jemnozrnného jehlicového martenzitu a jemnozrnného dolního bainitu, a sestává z těchto kroků: (a) zahřívání ocelové tabule na dostatečně vysokou teplotu k (i) podstatné homogenizaci ocelové tabule, (ii) rozpuštění v podstatě všech karbidů a karbonitridů niobu a vanadu obsažených v ocelové tabuli a (iii) vytvoření zárodečných jemných austenitických zrn v ocelové tabuli; (b) ztenčení ocelové tabule za tepla na ocelový plech jedním nebo více průchody válcovací stolicí v první teplotní oblasti, ve které austenit rekrystalizuje; (c) dalšího ztenčení ocelového plechu za tepla jedním nebo více průchody válcovací stolicí ve druhé teplotní oblasti pod teplotou T_nr a nad transformační teplotou Ar₃; (d) kalení ocelového plechu rychlostí přibližně od 10 °C za sekundu do přibližně 40 °C za sekundu (18 °F až 72 °F) až do teploty pro zastavení kalení (QST), která je pod transformační teplotou M_s plus 100 °C (180 °F) a přibližně nad transformační teplotu M_s; a (e) zastavení kalení. V jednom z případů způsob tohoto druhého • ·

- 23 příkladu oceli obsahuje dále krok ponechávající ocelový plech chladnout na vzduchu z teploty QST na okolní teplotu. V jiném případě obsahuje dále způsob tohoto druhého příkladu oceli krok v ponechání ocelového plechu na izotermické teplotě QST po dobu 5 minut před tím, než se začne ochlazovat vzduchem na okolní teplotu. Ještě v dalším případě obsahuje dále způsob tohoto druhého příkladu oceli krok pomalého ochlazování ocelového plechu s teploty QST rychlostí menší než 1,0 °C za sekundu (1,8 °F.s'¹) po dobu až 5 minut před tím, než se ponechá ochlazovat na vzduchu na okolní teplotu. Ještě v dalším případě způsob podle tohoto vynálezu dále obsahuje krok pomalého ochlazování ocelového plechu s teploty QST rychlostí menší než 1,0 °C za sekundu (1,8 °F.s‘¹) po dobu až 5 minut před tím, než se ponechá ochlazovat na vzduchu na okolní teplotu. Tento způsob úpravy usnadní transformaci mikrostruktury ocelového plechu na přibližně 2 % obj. až 10 % obj. vrstevnatého filmového austenitu a přibližně 90 % obj. až 98 % obj. převážně jemnozrnného jehlicového martenzitu a jemnozrnného dolního bainitu. (Viz slovníček definic, týkající se převážně termínů teplota T_nr, a transformační teplota Ar₃ a M_s).

K zajištění houževnatosti při okolní a kryogenní teplotě, musí jehlice v mikrolaminární mikrostruktuře přednostně sestávat z dolního bainitu nebo martenzitu. Nejlepší je, když se minimalizuje tvorba složek působících křehkost jako je horní bainit, dvojčatový martenzit a MA. Tak, jak se v tomto druhém příkladu a v patentových nárocích používá termínu „převážně“, míní se tím alespoň 50 % obj. Zbývající mikrostruktura může obsahovat další jemnozrnný dolní bainit, další jemnozrnný jehlicový martenzit nebo ferrit. Lepší je, pokud struktura obsahuje přibližně nejméně od 60 % obj. do přibližně 80 % obj. dolního bainitu nebo jehlicového martenzitu. Ještě lepší je, pokud mikrostruktura obsahuje nejméně přibližně 90 % obj. dolního bainitu nebo jehlicového martenzitu.

- 24 Ocelové tabule zpracovávané podle tohoto druhého příkladu se vyrábějí na zakázku a vyznačují se tím, že v jednom z příkladů obsahují železo a další legující prvky nejlépe o složení uváděném v následující tabulce II:

Tabulka II

Legující prvky uhlík (C) mangan (Mn) nikl (Ni) měď (Cu) molybden (Mo) niob (Nb) titan (Ti) hliník (Al) dusík (N)

Rozsah (% hmotn.)

0,04-0,12, lépe 0,04-0,07 0,5-2,5, lépe 1,0-1,8 1,0-3,0, lépe 1,5-2,5 0,1 -1,0, lépe 0,2-0,5 0,1 - 0,8, lépe 0,2 - 0,4 0,02-0,1, lépe 0,02-0,05 0,008 - 0,03, lépe 0,01 - 0,02 0,001 - 0,05, lépe 0,005 - 0,03 0,002 - 0,005, lépe 0,002 - 0,003

Chrom (Cr) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 1,0 % hmotn. a lépe od přibližně 0,2 % hmotn. do přibližně 0,6 % hmotn.

Křemík (Si) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 0,5 % hmotn. a lépe od přibližně 0,01 % hmotn. do přibližně 0,5 % hmotn., avšak nejlépe od přibližně 0,05 % hmotn. do 0,1 % hmotn.

Ocel přednostně obsahuje nejméně 1 % hmotn. niklu. Obsah niklu v oceli může být zvýšen nad 3 % hmotn., pokud to zlepší parametry po svařování. Předpokládá se, že přídavek každého 1 % hmotn. niklu sníží DBTT oceli o 10 °C (18 °F). Dává se přednost tomu, aby obsah niklu byl nižší než 9 % hmotn., lépe méně než 6 % hmotn. Obsah niklu se minimalizuje ponejvíce proto, aby se snížila cena oceli. Pokud se obsah niklu zvýší nad přibližně 3 % hmotn., lze snížit obsah manganu pod přibližně 0,5 % hmotn. až k 0,0 % hmotn. Pojato šířeji, dává se proto přednost tomu, aby obsah manganu byl přibližně do 2,5 % hmotn.

• ·

- 25 Ostatní zbylé prvky se pokud možno v oceli minimalizují. Obsah fosforu (P) je přednostně nižší než 0,01 % hmotn. Obsah síry (S) je přednostně nižší než 0,004 % hmotn. Obsah kyslíku (O) je přednostně nižší než 0,002 % hmotn.

Poněkud podrobněji bude popsán postup zpracování oceli podle tohoto druhého příkladu tvářením ocelových tabulí o složení zde popsaném: tabule se ohřívají na teplotu přibližně od 955 °C až přibližně do 1065 °C (1750 °F až 1950 °F); tabule se válcují za tepla na plech jedním nebo více průchody tak, aby se v první teplotní oblasti, kdy rekrystalizuje austenit, dosáhlo 30 až 70 procentního ztenčení, tj. přibližně nad teplotu T_nr a dále se plechy v jednom nebo více průchodech válcují za tepla na přibližně 40 až 80 % při teplotě druhé oblasti přibližně pod teplotu T_nr a nad transformační teplotu Ar3. Horké vyválcované plechy se potom zakalí rychlostí okolo 10 °C za sekundu až 40 °C za sekundu (18 °F.s'¹ až 72 °F.s‘¹) na vhodnou teplotu QST přibližně pod transformační teplotu Ms plus 100 °C (180 °F), a nad transformační teplotu MSl kdy kalení skončí. V jednom z případů tohoto druhého příkladu se ocelový plech po zakalení nechá ochladit z teploty QST na okolní teplotu. V jiném případě tohoto druhého příkladu oceli se ocelový plech po ukončeném kaleni nechá po nějakou dobu na izotermické teplotě při QST, nejlépe do přibližně 5 minut a potom se nechá ochlazovat na vzduchu na okolní teplotu. V ještě jiném případě se ocelový plech po ukončeném kalení nechá ochlazovat pomaleji než probíhá normální ochlazování vzduchem, tj. rychlostí 1 °C za sekundu (1,8 °F.s‘¹), nejlépe po dobu do přibližně 5 minut. V ještě jiném případě se ocelový plech nechá ochlazovat z teploty QST pomaleji než probíhá normální ochlazování vzduchem, tj. teplotním spádem 1 °C za sekundu (1,8 °F.s'¹), nejlépe po dobu do přibližně 5 minut. V neposledním případě tohoto druhého příkladu oceli je transformační teplota Ms okolo 350 °C (662 °F) a tudíž transformační teplota M_s plus 100 °C (180 °F) je okolo 450 °C (842 °F).

- 26 Ocelový plech může být udržován v podstatě izotermálně na QST jakýmkoliv vhodným způsobem zkušeným odborníkům známým, jako je umístění tepelné rohože přes ocelový plech. Ocelový plech se může pomalu ochlazovat po ukončení kalení jakýmkoliv vhodným způsobem zkušeným odborníkům známým, jako je umístění izolační rohože přes ocelový plech.

Třetí příklad ocelí

Jak je uvedeno výše, dosud projednávaná předběžná patentová přihláška US s datem priority 19. prosinec 1997 nazvaná „Ultra vysoce pevné dvoufázové oceli s vynikající houževnatostí za kryogenní teploty“, a registrovanou USPTO pod číslem přihlášky 60/068816 předkládá popis ocelí vhodných pro využití podle předloženého vynálezu. Tento způsob zajišťuje přípravu ultra vysoce pevných plechů z dvoufázové oceli s mikrostrukturou obsahující přibližně od 10 % obj. do 40 % obj. první fáze, která je v podstatě 100 % obj. ferritem (tj. v podstatě čistá nebo „základní“) a přibližně od 60 % obj. do 90 % obj. druhé fáze převážně jemnozrnného jehlicového martenzitu, jemnozrnného dolního bainitu nebo jejich směsi, a že tento způsob sestává z těchto kroků: (a) zahřívání ocelové tabule na dostatečně vysokou teplotu k (i) podstatné homogenizaci ocelové tabule, (ii) podstatného rozpuštění karbidů a karbonitridú niobu a vanadu v ocelové tabuli a (iii) vytvoření jemných zárodečných austenitických zrn v ocelové tabuli; (b) ztenčení ocelové tabule za tepla na ocelový plech jedním nebo více průchody válcovací stolicí v první teplotní oblasti, ve které austenit zrekrystalizuje; (c) dalšího ztenčení ocelového plechu za tepla jedním nebo více průchody válcovací stolicí ve druhé teplotní oblasti pod teplotou T_nr a nad transformační teplotou Ar₃; (d) dalšího ztenčení ocelového plechu za tepla jedním nebo více průchody válcovací stolicí v třetí teplotní oblasti pod transformační teplotou Ar₃ a nad transformační teplotou Αη (tj. oblast interkritické teploty); (e) kalení jmenovaného ocelového plechu rychlostí přibližně od 10°C za sekundu do přibližně 40 °C za sekundu (18 °F.sec'¹ až 72 °F.sec¹) až do teploty pro zastavení kalení (QST), která je nejlépe pod transformační teplotou M_s plus 200° C (360 °F); a (f) zastavení jmenovaného kalení. V jiném případě tohoto třetího příkladu oceli bude

- 27 QST nejlépe přibližně pod transformační teplotou M_s plus 100 °C (180 °F) a lépe přibližně pod 350 °C (662 °F). V jednom z případů tohoto třetího příkladu oceli je možno ocelový plech ponechat ochlazovat na okolní teplotu po kroku (f). Toto zpracování usnadní transformaci mikrostruktury ocelového plechu na přibližně od 10 % obj. do 40 % obj. první ferritické fáze a od přibližně 60 % obj. do 90 % obj. druhé fáze s převažujícím jemnozrnným jehlicovým martenzitem, jemnozrnným dolním bainitem nebo jejich směsí. (Viz slovníček definic pro termíny teplota T_nr, a transformační teplota Ar₃a Αη.)

Pro zajištění houževnatosti při okolní a kryogenní teplotě, sestává mikrostruktura druhé fáze oceli tohoto třetího příkladu převážně z jemně zrnitého dolního bainitu, jemně zrnitého jehlicového martenzitu nebo jejich směsi. Nejlépe je, když se podstatně zminimalizuje tvorba křehkých složek jako je horní bainit, dvojčatový martenzit a MA v druhé fázi. Tak, jak se v tomto třetím příkladu a v patentových nárocích používá termínu „převážně“, míní se tím alespoň 50 % obj. Zbývající mikrostruktura druhé fáze může obsahovat další jemnozrnný dolní bainit, další jemnozrnný jehlicový martenzit nebo ferrit. Lepší je, pokud mikrostruktura druhé fáze obsahuje přibližně nejméně od 60 % obj. do přibližně 80 % obj. dolního bainitu, jehlicového martenzitu nebo jejich směsi. Ještě lepší je, pokud mikrostruktura druhé fáze obsahuje nejméně přibližně 90 % obj. dolního bainitu, jehlicového martenzitu nebo jejich směsi.

Ocelové tabule zpracovávané podle tohoto třetího příkladu se vyrábějí na zakázku a vyznačují se tím, že v jednom z možných případů obsahují železo a další legující prvky nejlépe o složení uváděném v následující tabulce lil:

- 28 Tabulka III

Legující prvek uhlík (C) mangan (Mn) nikl (Ni) niob (Nb) titan (Ti) hliník (Al) dusík (N)

Rozsah (% hmotn.)

0,04-0,12, lépe 0,04 - 0,07 0,5 - 2,5, lépe 1,0-1,8 1,0-3,0, lépe 1,5-2,5 0,02-0,1, lépe 0,02 - 0,05 0,008 - 0,03, lépe 0,01 - 0,02 0,001 - 0,05, lépe 0,005 - 0,03 0,002 - 0,005, lépe 0,002 - 0,003

Chrom (Cr) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 1,0 % hmotn. a lépe od přibližně 0,2 % hmotn. do přibližně 0,6 % hmot.

Molybden (Mo) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 0,8 % hmotn. a lépe od přibližně 0,1 % hmotn. do přibližně 0,3 % hmotn.

Křemík (Si) se někdy přidává do ocel přednostně až do koncentrace okolo 0,5 % hmotn. a lépe od přibližně 0,01 % hmotn. do přibližně 0,5 % hmotn., avšak nejlépe od přibližně 0,05 % hmotn. do 0,1 % hmotn.

Měď (Cu) se někdy přidává do oceli přednostně v rozmezí koncentrací od přibližně 0,1 % hmotn. přibližně do 1,0 % hmotn., lépe od přibližně 0,2 % hmotn. do přibližně 0,4 % hmotn.

Bor (B) se někdy přidává do oceli přednostně až do koncentrace okolo 0,0020 % hmotn. a lépe od přibližně 0,0006 % hmotn. do přibližně 0,0010% hmotn.

Ocel přednostně obsahuje nejméně 1 % hmotn. niklu. Obsah niklu v oceli může být zvýšen nad 3 % hmotn pokud to zlepší parametry po svařování. Očekává se, že přídavek každého 1 % hmotn. niklu sníží DBTT oceli o 10 °C (18 °F). Dává se přednost tomu, aby obsah niklu byl nižší než 9 % hmotn., lépe nižší než 6 % hmotn. Obsah niklu se minimalizuje ponejvíce proto, aby se snížila cena oceli. Pokud se obsah niklu zvýší nad přibližně 3 % hmotn., lze snížit obsah manganu pod přibližně 0,5 % hmotn. až k 0,0 % hmotn. Pojato šířeji, dává se proto přednost tomu, aby obsah manganu byl přibližně do 2,5 % hmotn.

• 9

- 29 Ostatní zbylé prvky se v oceli pokud možno minimalizují. Obsah fosforu (P) je přednostně nižší než 0,01 % hmotn. Obsah síry (S) je přednostně nižší než 0,004 % hmotn. Obsah kyslíku (O) je přednostně nižší než 0,002 % hmotn.

Poněkud podrobněji bude popsán postup zpracování oceli podle tohoto třetího příkladu tvářením ocelových tabulí o složení zde popsaném: tabule se ohřívají na teplotu přibližně 955 °C až přibližně 1065 °C (1750 °F až 1950 °F); tabule se válcují za tepla na plech jedním nebo více průchody tak, aby se v první teplotní oblasti, kdy rekrystalizuje austenit, dosáhlo 30 až 70 procentního ztenčení, tj. přibližně nad teplotou T_nr a dále se horké plechy v jednom nebo více průchodech válcují na přibližně 40 až 80 % při teplotě druhé oblasti přibližně pod teplotou T_nr a nad transformační teplotou Ar₃ a válcování se zakončí jedním nebo dvěma průchody válcovací stolicí na přibližně 15 % až 50 % v oblasti interkritické teploty přibližně pod transformační teplotou Ar₃ a nad transformační teplotou Αη. Horké vyválcované plechy se potom zakalí rychlostí okolo 10 °C za sekundu až 40 °C za sekundu (18 °F.s‘¹ až 72 °F.s'¹) na vhodnou teplotu QST nejlépe přibližně pod transformační teplotu M_s plus 200 °C (360 °F), ve které končí kalení. V jiném případě příkladu podle tohoto vynálezu je QST nejlépe přibližně pod transformační teplotou M_s plus 100 °C (180 °F) a lépe přibližně pod 350 °C (662 °F). V jednom z případů tohoto třetího příkladu oceli se ocelový plech po ukončeném kalení ponechá ochladit na vzduchu na okolní teplotu.

Ve třech výše uvedených příkladech oceli se dává přednost tomu, aby byl obsah niklu nižší než přibližně 3,0 % hmotn., lépe méně než přibližně 2,5 % hmotn., ještě lépe méně než přibližně 2,0 % hmotn., avšak nejlépe méně než přibližně 1,8 % hmotn. proto, aby se minimalizovaly náklady na ocel, protože nikl je drahá legura. Další vhodné oceli v souvislosti s předloženým vynálezem jsou popsány v jiných publikacích popisujících ultra vysoce pevné, nízkolegované oceli obsahující méně než přibližně 1 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu větší než 830 MPa (120 ksi) a vynikající houževnatost za nízké teploty. Takové oceli jsou například popsány v přihlášce evropského patentu publikovaného 5. února 1997 s číslem mezinárodní přihlášky PCT/JP96/00157 a publikačním číslem mezinárodního patentu WO 96/23909 (08.08.1996 Gazette 1996/36) (takové oceli mají přednostně obsah mědi • · · · » · · · · · • · · · · · · · · · • · ··· · ··· · · * ····

- 30 od 0,1 % hmotn. do 1,2 % hmotn.) a v přihlášce US patentu, který je dosud v řízení s datem priority 28. červenec 1997 a nazvaný „Ultra vysoce pevné svařitelné oceli s vynikající houževnatostí při ultra nízkých teplotách“ označené USPTO číslem přihlášky 60/053915.

Pro všechny oceli, na které bylo výše odkazováno, tak, jak odborníci vědí, zde použitý termín „procento ztenčení“ se rozumí procento ztenčení tloušťky ocelové * tabule nebo plechu v porovnání se stavem před tímto ztenčováním, na které je odkazováno. Pouze pro vysvětlení, aniž by tím byl nějak vynález omezován, ocelová tabule o tloušťce přibližně 25,4 cm (10 palců) se může ztenčit o přibližně 50 % (50 procentní ztenčení) v první teplotní oblasti na tloušťku přibližně 12,7 cm (5 palců), potom ztenčit přibližně o 80 % (80 procentní ztenčení) v druhé teplotní oblasti na tloušťku přibližně 2,5 cm (1 palec). Opět pouze pro vysvětlení, aniž by tím byl nějak vynález omezován, ocelová tabule o tloušťce přibližně 25,4 cm (10 palců) se může ztenčit o přibližně 30 % (30 procentní ztenčeni) v první teplotní oblasti na tloušťku přibližně 17,8 cm (7 palců), potom ztenčit přibližně o 80 % (80 procentní ztenčení) v druhé teplotní oblasti na tloušťku přibližně 3,6 cm (1,4 palce) a potom ztenčit přibližně o 30 % (30 procentní ztenčení) ve třetí teplotní oblasti na tloušťku 2,5 cm (1 palec). Pokud je zde použito termínu „tabule“, míní se tím kus oceli mající jakékoliv rozměry.

Jak odborníci jistě rozumí, u kterékoliv oceli na niž bylo výše odkazováno, se ocelová tabule vyhřeje vhodnými prostředky za účelem zvýšení teploty v podstatné části celé tabule, lépe úplně celé tabule na požadovanou teplotu, např. umístěním tabule do pece po určitou dobu. Patřičná teplota zahřátí, jaká se má použít pro kteroukoliv z výše uvedených ocelí o patřičném složení, může být stanovena zkušeným odborníkem buď pokusně nebo výpočtem na vhodném modelu. Teplota pece a nutná ohřívací doba nutná ke zvýšení teploty podstatné části celé tabule, lépe celé tabule na požadovanou teplotu, může být navíc určena odborníkem podle údajů ze standardních oborových publikací.

9© ©©«9 ·9 • ·· 9 • 9 ©

9 ·

9© ···· · 9 9 9 · 9 9

- 31 Jak tomu odborníci jistě rozumí, teplota T_nr definující hranici mezi rekrystalizační oblastí a nerekrystalizační oblastí pro kteroukoliv z výše uvedených ocelí závisí na chemickém složení oceli a zvláště na teplotě opětného ohřátí před válcováním, obsahu uhlíku, obsahu niobu a míry ztenčení válcováním. Odborníci mohou stanovit tyto teploty pro každé složení oceli buď pokusně nebo výpočtem na modelu. Podobně transformační teploty Aci, Αη, Ar₃ a M_s na které je zde odkazováno mohou být odborníky stanoveny buď pokusně nebo výpočtem na modelu.

Jak tomu odborníci jistě rozumí, jsou teploty na něž se následně odkazuje při popisu postupu podle tohoto vynálezu, vyjma teploty opětného ohřevu, na kterou se ohřeje celá tabule, teplotami měřenými na povrchu oceli. Povrchová teplota oceli se může například měřit optickým pyrometrerm, nebo jiným vhodným zařízením pro měření povrchové teploty oceli. Rychlost ochlazování, na níž se zde odkazuje, se týká středu nebo místa nejblíže středu tloušťky plechu; teplota při zastavení kalení (QST) je nejvyšší nebo v podstatě nejvyšší dosažená teplota na povrchu plechu po ukončení kalení, protože dochází k převodu tepla ze středu tloušťky plechu. Během pokusného zjišťování tepla oceli o složení podle zde uvedených příkladů se termočlánek umístí například do středu nebo dostatečně do středu tloušťky ocelového plechu, aby se mohla změřit teplota ve středu a povrchová teplota se měří optickým pyrometrem. Zaznamená se korelace mezi teplotou ve středu a povrchovou teplotou, a ta se použije při následném zpracování materiálu o stejném složení nebo v podstatě stejném složení tak, že se teplota ve středu stanoví pomocí povrchové teploty. Požadovaná teplota a průtok kalicí kapaliny k provedení požadovaného zrychleného ochlazování může být odborníkem stanovena podle standardních referenčních oborových publikací.

Odborník má požadované znalosti a zkušenosti k využití zde uváděných informací k tomu, aby vyrobil ultra vysoce pevné plechy nízkolegované oceli mající vhodnou pevnost v tahu a houževnatost pro použití při zhotovování zásobníků a dalších komponentů podle předloženého vynálezu. Existují i další vhodné oceli nebo budou později vyvinuty. Všechny takové oceli zapadají do rozsahu předloženého vynálezu. Odborník má požadované znalosti a zkušenosti k využití zde uváděných informací k •4 4444

4

4 4

4994 44

4 · • 4 4 4

4 44

- 32 tomu, aby vyrobil ultra vysoce pevné plechy nízkolegované oceli mající upravenou tloušťku v porovnání s příklady tlouštěk zde uvedených tak, aby takto vyrobené ocelové plechy měly ještě vhodnou vysokou pevnost a vhodnou houževnatost při kryogenních teplotách pro použití v systémech podle předloženého vynálezu. Odborník může využívat informace zde uvedené k výrobě ocelových plechů o tloušťce přibližně 2,54 cm (1 palec) a o vhodné vysoké pevnosti a vhodné houževnatosti při kryogenních teplotách pro jejich využití pro zhotovování nádrží a dalších komponentů podle předloženého vynálezu. Existují i další vhodné oceli nebo budou později vyvinuty. Všechny takové oceli zapadají do rozsahu předloženého vynálezu.

Pokud se ke zhotovení zásobníků a dalších komponentů podle tohoto vynálezu použijí dvoufázové oceli, zpracovávají se přednostně takovým způsobem, aby doba, po kterou se ponechávají za tímto účelem v oblasti interkritických teplot k vytvoření dvoufázové struktury uběhla před zrychleným ochlazováním nebo kalením. Postupu, kterému se dává přednost, je vytváření dvoufázové struktury během chlazení oceli mezi transformační teplotou Ar₃ a transformační teplotou Αη. Další předností ocelí používaných pro zhotovení zásobníků podle tohoto vynálezu je to, že mají pevnost v tahu větší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než -73° (-100°C) až po urychleném ochlazování nebo kalení, tj. bez jakéhokoliv dalšího zpracování vyžadujícího opětný ohřev oceli jako je například temperování. Je lépe, pokud pevnost v tahu hotových ocelí po kalení nebo ochlazení je vyšší než přibližně 860 MPa (125 ksi) a ještě lépe, pokud je vyšší než přibližně 900 MPa (130 psi). U některých aplikací se dává přednost ocelím majícím po dokončení kalení nebo ochlazení pevnost v tahu větší než přibližně 930 MPa (135 ksi) nebo vyšší než přibližně 965 MPa (140 ksi) nebo vyšší než přibližně 1000 MPa (145 ksi).

- 33 ···· • · * • · ♦ · 9

9 9

Způsoby spojování při zhotovování zásobníků a dalších komponentů

Pro zhotovování zásobníků a dalších komponentů podle předloženého vynálezu jsou zapotřebí vhodné způsoby spojování ocelových plechů. Předpokládá se, že vhodnými jsou všechny způsoby spojování zajišťující odpovídající pevnost a houževnatost podle předloženého vynálezu. Pro zhotovování zásobníků a dalších komponentů podle předloženého vynálezu se dává přednost svařování, které zajistí odpovídající pevnost a lomovou houževnatost k tomu, aby tyto zásobníky a další komponenty mohly obsahovat kapalinu, nebo aby mohla tato kapalina být přepravována. Takové svařovací způsoby předně vyžadují vhodný svarový drát, vhodný použitelný plyn, vhodný svařovací postup a vhodný způsob práce při svařování. Ke spojení ocelových plechů může být použito například jak obloukové svařování kovem pod ochrannou atmosférou (GMAW), tak svařování wolframovými elektrodami v inertním plynu (TIG), kteréjsou obě známé v ocelářském průmyslu a to za předpokladu, že se používá vhodné kombinace svarového drátu a plynu.

Prvním příkladem svařování je obloukové svařování kovem pod ochrannou atmosférou (GMAW), kterého se používá ke zhotovení svarů materiálu obsahujícího železo a okolo 0,07 % hmotn. uhlíku, okolo 2,05 % hmotn. manganu, okolo 0,32 % hmotn. křemíku, okolo 2,20 % hmotn. niklu, okolo 0,45 % hmotn. ohromu, okolo 0,56 % hmotn. molybdenu, méně než okolo 110 ppm fosforu a méně než 50 ppm síry. Svary se provádějí na ocelích jako jsou výše uvedené oceli za použití argonu jako ochranného plynu obsahujícího méně než 1 % hmotn. kyslíku. Příkon svařovacího tepla se pohybuje v rozmezí od přibližně 0,3 kJ.mm'¹ do přibližně 1,5 kJ.mm'¹ (7,6 kJ.palec'¹ až 38 kJ.palec'¹). Svařování tímto způsobem vytváří svarky (viz slovníček) o pevnosti v tahu vyšší než přibližně 900 MPa (130 ksi), lépe vyšší než přibližně 930 MPa (135 ksi), ještě lépe vyšší než přibližně 965 MPa (140 ksi), a nejlépe nejméně přibližně 1000 MPa (145 ksi). Svařování tímto způsobem poskytuje kov o DBTT pod přibližně -73 °C (-100 °F), lépe pod přibližně -96 °C (-140 °F), ještě lépe pod přibližně -106 °C (-160 °F) a nejlépe pod přibližně -115 °C (-175 °F).

Při jiném postupu svařování se používá postup GMAW k vytvoření kovového svaru materiálu obsahujícího železo a okolo 0,10 % hmotn. uhlíku (přednostně méně než přibližně 0,10 % hmotn. uhlíku, lépe od přibližně 0,07 do přibližně 0,08 % hmotn.

- 34 uhlíku), okolo 1,60 % hmotn. manganu, okolo 0,25 % hmotn. křemíku, okolo 1,87 % hmotn. niklu, okolo 0,87 % hmotn. chrómu, okolo 0,51 % hmotn. molybdenu, méně než okolo 75 ppm fosforu a méně než 100 ppm síry. Příkon svařovacího tepla se pohybuje v rozmezí od přibližně 0,3 kJ.mm'¹ do přibližně 1,5 kJ.mm'¹ (7,6 kJ.palec’¹až 38 kJ.palec’¹) a předehřívá se přibližně na 100°C (212°F). Svařování takových ocelí jako jsou výše uvedené oceli se provádí za použití ochranné atmosféry argonu obsahujícího méně než 1 % hmotn. kyslíku. Svařování tímto způsobem vytváří svarky o pevnosti v tahu vyšší než přibližně 900 MPa (130 ksi), lépe vyšší než přibližně 930 MPa (135 ksi), ještě lépe vyšší než přibližně 965 MPa (140 ksi), a nejlépe nejméně přibližně 1000 MPa (145 ksi). Svařování tímto způsobem poskytuje kov o DBTT pod přibližně -73 °C (-100 °F), lépe pod přibližně -96 °C (-140 °F), ještě lépe pod přibližně -106 °C (-160 °F) a nejlépe pod přibližně -115 °C (-175 °F).

Jiným příkladem je svařování wolframovými elektrodami v ochranné atmosféře inertního plynu (TIG), kdy se ke zhotovení kovových svarů využívá materiálů obsahujících železo a okolo 0,07 % hmotn. uhlíku (přednostně méně než přibližně 0,07 % hmotn. uhlíku), okolo 1,80 % hmotn. manganu, okolo 0,20 % hmotn. křemíku, okolo 4,00 % hmotn. niklu, okolo 0,5 % hmotn. chrómu, okolo 0,40 % hmotn. molybdenu, okolo 0,02 % hmotn. mědi, okolo 0,02 % hmotn. hliníku, okolo 0,010 % hmotn. titanu, okolo 0,015 % hmotn. zirkonu (Zr), méně než 50 ppm fosforu a méně než 30 ppm síry. Příkon svařovacího tepla se pohybuje v rozmezí od přibližně 0,3 kJ.mm'¹ do přibližně 1,5 kJ.mm'¹ (7,6 kJ.palec'¹ až 38 kJ.palec'¹) a předehřívá se přibližně na 100°C (212°F). Svary takových oceli jako jsou výše uvedené oceli za použití ochranné atmosféry argonu obsahujícího méně než 1 % hmotn. kyslíku. Svařování tímto způsobem vytváří svarky o pevnosti v tahu vyšší než přibližně 900 MPa (130 ksi), lépe vyšší než přibližně 930 MPa (135 ksi), ještě lépe vyšší než přibližně 965 MPa (140 ksi), a nejlépe nejméně přibližně 1000 MPa (145 ksi). Svařování tímto způsobem poskytuje svarový kov o DBTT pod přibližně -73 °C (-100 °F), lépe pod přibližně -96 °C (-140 °F), ještě lépe pod přibližně -106 °C (-160 °F) a nejlépe pod přibližně -115 °C (-175 °F).

Podobné složení svarových kovů jako je uvedeno v příkladech lze získat jak při svařovacím postupu GMAW, tak TIG. Je však nutno dodat, že svary TIG mají menší

9 9 9 9 9

9 9 9

9 9

99 9 9 9

9 · · · · · • 9 9 9 9 9 9

9 9 · · 9 9 · 9

99 9 · 99 9

99 99 99

- 35 obsah nečistot a jemnější mikrostrukturu než svary GMAW a tím zlepšují nízkoteplotní houževnatost.

Zkušeným odborníkům se zde dostalo dostatek informací a zkušeností k tomu, aby mohli provádět vysoce pevné svarové spoje nízkolegovaných ocelových plechů o vhodné vysoké pevnosti a lomové houževnatosti k využívání při zhotovování zásobníků a dalších komponentů podle předloženého vynálezu. Mohou existovat i jiné spojovací nebo svařovací postupy, nebo mohou být i později vyvinuty. Všechny takovéto spoje nebo svářovací postupy patří do rozsahu předloženého vynálezu.

Konstrukce zásobníků a dalších komponentů

Tímto se zajišťují zásobníky a další komponenty (i) zhotovené z materiálů, kterými jsou ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a (ii) mající odpovídající pevnost a lomovou houževnatost při kryogenní teplotě, aby v nich mohl být PLNG, a to tak, že se tímto popisem tento vynález nijak neomezuje; dále jde o nádrže a další komponenty zhotovené z materiálů, kterými jsou ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F); dále zásobníky a další komponenty (i) zhotovené z materiálů, kterými jsou ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 3 % hmotn. niklu a (ii) mající odpovídající a lomovou houževnatost, aby v nich mohl být PLNG; dále zásobníky a další komponenty (i) zhotovené z materiálů, kterými jsou ultra vysoce pevné nízkolegované oceli obsahující méně než 3 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu přesahující 1000 MPa (145 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F). Takové zásobníky a další komponenty jsou přednostně zhotoveny z ultra vysoce pevné nízkolegované oceli s vynikající houževnatostí při kryogenních teplotách, jak to je zde popisováno.

Zásobníky a další komponenty podle tohoto vynálezu jsou přednostně zhotovovány za samostatných plechů z ultra vysoce pevné oceli s vynikající lomovou houževnatostí za kryogenní teploty. Tam, kde to je možné, mají spoje zásobníků a dalších komponentů přibližně stejnou pevnost a houževnatost jako ultra vysoce pevné nízkolegované ocelové plechy. V některých případech lze pro místa s menším napětím ponechat o 5 % až 10 % sníženou pevnost. Spoje o vlastnostech, jimž se ·· ·· • · · · • · · • · · • · · ··· · 9 9 ·· ····

9 9

9 9 9

99

9 9 · • · · · • · · · • · · · ·· · ·

- 36 dává přednost, lze provádět kteroukoliv spojovací technologií. Spojovací technologie jsou zde popsány pod nadpisem „Způsoby spojování pro zhotovování zásobníků a dalších komponentů“.

Jak jistě bude zkušeným odborníkům známo, pro účely hodnocení lomové houževnatosti a kontroly lomivosti při konstruování zásobníků k ukládání stlačených kapalin za kryogenních teplot jako je PLNG, lze použít zkoušku vrubové houževnatosti podle Charpyho (CVN), zvláště při přechodové teplotě z tažného do křehkého stavu (DBTT). U strukturních ocelí odděluje DBTT dva lomové režimy. Při teplotách pod DBTT zkouška vrubové houževnatosti podle Charpyho ukazuje na nízkoenergetický štěpivý (křehký) lom, zatímco při teplotách nad DBTT ukazuje na vysokoenergetický tvárný lom. Zásobníky, které jsou zhotoveny ze svařované oceli pro ukládání PLNG a další operace za kryogenních teplot, musí mít DBTT (podle stanovení zkouškou vrubové houževnatosti podle Charpyho) hodně pod pracovní teplotou konstrukce, aby se předešlo křehkému lomu. V závislosti na konstrukci, pracovních podmínkách a/nebo požadavcích klasifikační skupiny pro kterou se používá, musí být odpovídající teplota DBTT o 5 až 30 °C (9 až 54 °F), nižší než je pracovní teplota.

Jak je odborníkům známo, provozní podmínky, které se berou v úvahu při konstruování zásobníků pro skladování a přepravu stlačených kryogenních kapalin jako je PLNG, zhotovovaných ze svařované oceli, jsou mimo jiné provozní tlak a teplota, rovněž tak jako další namáhání působící na ocel a svarky (viz slovníček). Ke stanovení lomové houževnatosti oceli a svarů lze použít normalizovaná mechanická měření lomivosti jako je (i) součinitel intenzity kritického napětí (Kic), který je měřením lomové houževnatosti při rovinném napětí, a (ii) změna rozměrů trhliny (CTOD), která může být používána k měření elasticko-plastické lomové houževnatosti, které jsou odborníkům známy. Ke stanovení maximální povolené velikosti trhliny pro zásobníky na základě na lomové houževnatosti ocelí a svarů (včetně HAZ) vystavených namáhání lze použít oborové kódy obecně používané pro popis struktury ocelí publikované například v publikaci BSI „Guidance on methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures“.

• 4

4« ···· • 4 4 4 • · 4

4 « «

4 4

4444 44 *4 4

4 4

4 «* • 4 4 4 ·· 44

44 • 4 4 4 > 4 4 4 • 4 4 4 4

4 4 · • 4 4 4

- 37 [Příručka metod hodnocení přijatelnosti trhlin struktur získaných tavným svařováním] často uváděné jako „PD 6493:1991“. Odborníci mohou vyvinout program kontroly lomivosti ke zmírnění možného vzniku lomů pomocí (i) vhodné konstrukce zásobníku minimalizující působící namáhání, (ii) patřičné výrobní kontroly jakosti k minimalizaci defektů, (iii) patřičné kontroly zátěžovými cykly působícími na zásobník, a (iv) patřičného kontrolního programu ke spolehlivému zjišťování trhlin a defektů zásobníků. Filozofii, které se podle systému tohoto vynálezu dává přednost je „netěsnost najít před poruchou“, odborníkům známou. Zde jsou tyto úvahy uváděny obecně jako „známé principy lomové mechaniky“.

Podle známých principů lomové mechaniky je dále uveden příklad postupu pro výpočet kritické hloubky trhliny pro danou délku trhliny pro využití k vytvoření kontrolního plánu pro lomy, který má předcházet vzniku lomů v zásobníku podle tohoto vynálezu, tento vynález však nikterak neomezující.

Obr. 4B znázorňuje trhlinu o délce 315 a hloubce 310. K výpočtu hodnot kritické velikosti trhliny se použije křivka 300 podle PD 6493 znázorněná na obr. 4A na základě těchto konstrukčních hodnot pro tlakové nádoby a nádrže:

Průměr nádoby: 4,57 m (15 stop)

Tloušťka stěny nádoby: 25,4 mm (1,00 palec)

Návrhový tlak: 3445 kPa (500 psi)

Povolené obvodové napětí: 333 MPa (48,3 ksi)

Pro účely tohoto příkladu se vyhodnocuje povrchová délka trhliny 100 mm (4 palce), např. osová trhlina situovaná ve švu svaru. S odkazem na obr. 4A, křivka 300 ukazuje hodnotu pro kritickou hloubku trhliny jako funkci lomové houževnatosti CTOD a vnitřního pnutí, pro úroveň vnitřního pnutí 15, 50 a 100 procentního namáhání na mezi trvalé deformace. Vnitřní pnutí může být způsobeno výrobou nebo svařováním; a PD 6493 doporučuje použití hodnoty vnitřního pnutí odpovídající 100% namáhání na mezi trvalé deformace ve svaru (včetně svaru HAZ), pokud není pnutí svaru odstraněno takovou technologií, jako je tepelné zpracování po svařování (PWHT) nebo mechanickým odlehčením namáhání.

··

- 38 Na základě lomové houževnatosti oceli CTOD při minimální provozní teplotě může být ustaven postup výroby zásobníků tak, aby se snížilo vnitřní pnutí a pro zjišťování a měření trhlin může být zaveden kontrolní program (jak pro počáteční kontrolu, tak kontrolu během provozu) pro porovnávání s kritickými hodnotami velikosti trhlin. V tomto případě, pokud má ocel při minimální provozní teplotě (měřeno na laboratorních vzorcích) houževnatost CTOD 0,025 mm a vnitřní pnutí je sníženo na 15 procent hodnoty namáhání na mez trvalé deformace, je kritická hodnota hloubky trhliny přibližně 4 mm (viz bod 320 na obr. 4A). Při dodržováni podobného výpočetního postupu, který je odborníkům znám, je možno stanovit kritickou hloubku trhliny pro různé délky trhliny rovněž tak jako pro různé geometrie trhlin. Při použití této informace lze vyvinout program kontroly jakosti a program kontrol (techniky, měřitelné rozměry trhlin, četnost) k zajištění toho, aby byly trhliny zjištěny a odstraněny před dosažením kritické hloubky nebo před vložením plánované zátěže. Na základě publikovaných empirických vztahů mezi CVN, Kic a CTOD lomové houževnatosti odpovídá obecně hodnota CTOD 0,025 mm hodnotě CVN okolo 37 J. Tento příklad však neomezuje žádným způsobem tento vynález.

Zásobníky a další komponenty vyžadující ohýbání ocele, např. do válcového tvaru u zásobníků nebo tvaru roury pro potrubí, se ocel ohýbá do požadovaného tvaru za okolní teploty, aby se předešlo škodlivému působení na vynikající houževnatost za kryogenní teploty. Pokud už ocel k dosažení požadovaného tvaru musí být po ohýbání ohřívána, ohřívá se na teplotu ne vyšší než přibližně 600 °C (1112 °F), aby se uchránil prospěšný vliv mikrostruktury, jak to je popsáno výše.

Systémy pro pozemní rozvoz PLNG vozidly

Na obr. 3A je znázorněno jedno řešení infrastruktury pozemního rozvozu PLNG vozidly podle předloženého vynálezu. PLNG se skladuje alespoň v jednom primárním zásobníku 30’ a v případě potřeby se rozváží přepravní cisternou 3T, po železnici 32 nebo lodí 33 do alespoň jednoho sekundárního akumulačního zásobníku 34. Dále se PLNG ze sekundárního akumulačního zásobníku 34 rozváží přepravní cisternou 31’ do distribučního místa 35, jako je například čerpací stanice.

• · · ·

- 39 Alternativně lze PLNG rozvážet přímo z alespoň jednoho primárního akumulačního zásobníku 30’ do distribučního místa 35. Při jednom z řešení se potom PLNG čerpá kryogenním čerpadlem 36 z distribučního místa do různých vozidel 37 ke spotřebě. Při jiném řešení není zapotřebí žádné čerpadlo, pokud je v distribučním místě 35 dostatečně vysoký tlak PLNG. Mezi vozidla 37 patří například letadla, automobily a vlaky, tím se však rozsah vynálezu neomezuje. V jiném příkladu nyní podle obr. 3B, se PLNG rozváží z alespoň jednoho primárního akumulačního zásobníku 30” přepravní cisternou 31”, která má jako příslušenství výparník (na obr. 3B neznázorněno) přímo do potrubí 38 nebo elektrárny 39. Podle jiného příkladu lze PLNG distribuovat jakýmkoliv jiným způsobem popsaným dále.

(1) Systémy pro rozvoz PLNG k uspokojení potřeb ve vzdálených místech Jsou zajišťovány systémy distribuce PLNG k uspokojení potřeb ve vzdálených místech. V jednom z řešení, a to aniž by tím byl nějak tento vynález omezen, zahrnuje systém rozvozu PLNG ke splnění potřeb ve vzdálených místech alespoň jednu přepravní cisternu mající alespoň jeden zásobník s plnicím a vypouštěcim vedením a odvětrávacím vedením podle předloženého vynálezu, nejméně jednu nádrž s plnicím a vypouštěcim vedením a odvětrávacím vedením podle předloženého vynálezu v místě určení a nejméně jedno kryogenní čerpadlo.

U takového nejjednoduššího případu se požadovaný objem paliva PLNG čerpá kryogenním čerpadlem do zásobníku na přepravní cisterně ze skladovacího místa paliva PLNG pomocí plnicího a vypouštěcího vedení připojeného na jedné straně k zásobníku a na druhé straně ke skladovacímu místu zatímco páry paliva PLNG proudí ze zásobníku paliva PLNG do akumulačního zásobníku paliva PLNG přes propojovací parní vedení tak, aby se vyrovnaly tlaky mezi zásobníkem a místem skladování PLNG paliva. Po ukončení převodu PLNG paliva odveze přepravní cisterna PLNG palivo do vzdáleného místa. Na vzdáleném místě určení se kapalné palivo PLNG převede ze zásobníku přepravní cisterny do akumulačního zásobníku na vzdáleném místě určení nebo se alternativně PLNG palivo ze zásobníku přepravní cisterny vede přes výparník, čímž dojde k převodu na plynné PLNG palivo, které se vede přímo ke koncovému spotřebiteli.

• v

- 40 (2) Systémy pro rozvoz PLNG k uspokojení potřeb výrobních závodů

Systémy zajišťují rozvoz PLNG k uspokojení potřeb výrobních závodů. Takové systémy jsou podobné systémům pro rozvoz PLNG k uspokojení potřeb na vzdálených místech, a zde je vzdáleným místem výrobní závod.

(3) Systémy rozvozu PLNG „přenosným potrubím“

Systémy zajišťují distribuci PLNG „přenosným potrubím“. Takové systémy jsou podobné systémům pro rozvoz PLNG k uspokojení potřeb na vzdálených místech, kde vzdáleným místem je přípojné místo k plynovému potrubí a kapalné palivo PLNG ze zásobníku se výparníkem odpaří tak, že vypařené palivo PLNG proudí přímo do plynového potrubí.

(4) Systémy rozvozu PLNG do čerpacích stanic pro vozidla

Systémy zajišťují rozvoz PLNG do čerpacích stanic pro vozidla. Takové systémy jsou podobné systémům pro rozvoz PLNG k uspokojení potřeb na vzdálených místech, kde vzdáleným místem je čerpací stanice pro vozidla.

Zásobníky a další komponenty výše popisovaných systémů pro pozemní rozvoz PLNG vozidly jsou zhotovovány z jakékoliv zde popsané vhodné ultra vysoce pevné nízkolegované oceli, rovněž tak jako z jakýchkoliv ocelí výše popsaných pod názvem „Oceli pro konstrukci komponentů a zásobníků“. Zásobníky a další komponenty se dimenzují podle potřeb projektu PLNG, ve kterých má být systém využíván. Odborníci mohou pro stanovení rozměrů, tlouštěk stěn, atd. zásobníků a dalších komponentů využívat v oboru dostupné normalizované konstruktérské praktiky. Systémy podle tohoto vynálezu jsou výhodně využívány pro ukládání, rozvoz a přepravu PLNG. Systémy podle tohoto vynálezu mohou být výhodně využívány (i) k ukládání a přepravě dalších stlačených kryogenních kapalin, (ii) k ukládání a přepravě stlačených nekryogenních kapalin, nebo (iii) k ukládání a přepravě dalších kryogenních kapalin za atmosférického tlaku.

• ·

- 41 Přední výhodou distribuce PLNG ke spotřebě, kterou systém podle tohoto vynálezu umožňuje, je v porovnání s distribucí LNG mnohem vyšší teplota PLNG. U identicky konstruovaného strojního systému PLNG je například proti systému LNG sníženo vyzařování tepla více než o 10 %, ztráty tepla konvekcí jsou sníženy více než o 30 % a převažující ztráty tepla vedením jsou sníženy o více než 30 %. To má za důsledek celkové zlepšení ekonomiky dodávek výrobku jak pro snížení ztrát výrobku pro jeho nižší rychlost odpařování, tak snížení nákladů na izolace při konstantní rychlosti odpařování. Při vyšších teplotách skladování PLNG se mohou namísto vakua nebo vícevrstvových izolací používat zvláště lacinější alternativní izolace jako jsou nadouvané pěny, plynem plněné prášky a vláknité materiály.

Zatímco předchozí vynález byl popisován jako jeden nebo více případů, kterým se dávala přednost, odborníci z oboru poznají, že lze provádět i různé další změny a úpravy než ty, které zde byly uvedeny, ovšem bez toho, že by tím byl nějak obcházen rozsah vynálezu, který je stanoven v následujících patentových nárocích.

- 42 • · · ·

Slovníček výrazů: Transformační teplota Acl

Transformační teplota Ac₃:

Transformační teplota Ar<

Transformační teplota Ar₃:

Kryogenní teploty:

CTOD:

CVN:

DBTT:

základní:

g:

teplota při které se začíná během zahřívání vytvářet austenit;

teplota, při které je během zahřívání ukončena přeměna ferritu na austenit;

teplota, při které se během ochlazování ukončuje přeměna austenitu na ferrit nebo ferrit plus cementit;;

teplota, při které během ochlazování začíná přeměna austenitu na ferrit;

teploty nižší než přibližně -40 °C (-40 °F);

změna rozměrů trhliny;

vrubová houževnatost podle Charpyho;

teplota přechodu z tažného do křehkého stavu odděluje dvě lomové charakteristiky u strukturních ocelí; při teplotě pod DBTT je tendence k nízkoenergetickým štěpným (křehkým) lomům, zatímco při teplotách nad DBTT je tendence k vysokoenergetickým tvárným lomům;

v podstatě 100 % obj.;

místní tíhové zrychlení;

« ·

Gm³:

GMAW:

vytvrzující částice:

HAZ:

oblast interkritické teploty:

Kic:

kJ:

kPa:

ksi:

nízkolegovaná ocel:

MA:

- 43 miliarda kubických metrů;

obloukové svařování kovem pod ochrannou atmosférou;

jedna nebo více ε-Cu, M02C nebo karbidy a karbonitridy niobu a vanadu;

zóna ovlivněná teplem;

přibližně od transformační teploty Aci do transformační teploty Ac₃ při ohřevu a přibližně od transformační teploty Ar₃ do přibližně transformační teploty An při ochlazování;

součinitel intenzity kritického napětí;

kilojoul;

tisíc Pascalů;

tisíc liber na čtvereční palec;

ocel obsahující železo a celkově méně než 10 % hmot. legujících přísad;

martenzit - austenit;

maximálně povolená velikost trhliny: kritická délka a hloubka trhliny;

• · · ·

	- 44 -
M02C:	forma karbidu molybdenu;
MPa:	milion Pascalů;
Transformační teplota M_s:	teplota při níž během ochlazování nastává transformace austenitu na martenzit;
PLNG:	stlačený zkapalněný zemní plyn;
převážně:	nejméně okolo 50 procent obj.;
ppm:	dílů na milion dílů;
psia:	liber na čtvereční palec - absolutní;
kalení:	0 urychlené ochlazování takovým způsobem, kdy vybraná kapalina zvýší rychlost ochlazování oceli oproti ochlazování na vzduchu;
rychlost kalení (ochlazování):	rychlost ochlazování ve středu nebo v podstatě ve středu tloušťky plechu;
Teplota při zastavení kalení:	nejvyšší nebo v podstatě nejvyšší teplota, které dosáhne povrch plechu, když se zastaví kalení, protože dochází k převodu tepla ze středu tloušťky plechu;
QST:	teplota při zastavení kalení;
tabule:	ocelový kus mající libovolné rozměry;

	• * * · ♦ * ··· ·· . ·..··..· - 45 -
přepravní cisterna:	jakýkoliv prostředek pozemního vozidla určeného k rozvozu PLNG, LNG nebo dalších kryogenních kapalin bez omezení, počítaje v to nákladní automobilové cisterny, železniční vagóny a lodě;
TCF:	trilion kubických stop;
pevnost v tahu:	při zkoušce pevnosti to je poměr zátěže k ploše původního průřezu;
svařování TIG:	svařování wolframovými elektrodami v ochranné atmosféře argonu;
Teplota T_nr:	teplota, pod níž austenit nerekrystalizuje;
USPTO:	[United States Patent and Trademark Office] Patentový úřad Spojených Států;
svarek:	svařený spoj včetně: (i) svarového kovu, (ii) zóny ovlivněné teplem (HAZ) a (iii) základního kovu v „bezprostřední blízkosti“ HAZ. Část základního kovu nacházející se v „bezprostřední blízkosti“ HAZ a tím i jako součást svarku se mění v závislosti na faktorech odborníkům známým, a to například, a aniž by tím byl vyčerpán výčet těchto položek, na šířce svarku, rozměrech svařovaného tělesa, počtu svarků, které se mají na předmětu vytvořit a vzdálenostech mezi svarky.

t λ

- 46 ?(/ W?Ý~·· ·«·· ·· ·· '-J

Claims

Patentové nároky

1. Zásobník vhodný k používání na přepravní cisterně pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku od přibližně 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě přibližně od -123 °C (-190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F), vyznačující se tím, že tento zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).
2. Zásobník vhodný k používání na přepravní cisterně pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě přibližně od -112 °C (-170 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F), vyznačující se tím, že jmenovaný zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu větší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně-73 °C (-100 °F).
3. Zásobník vhodný k používání na přepravní cisterně pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 4830 kPa (700 psia) a teplotě přibližně od -112 °C (-170 °F) do přibližně -79 °C (-110 °F), vyznačující se tím, že tento jmenovaný zásobník (i) je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a (ii) má odpovídající pevnost a lomovou houževnatost, aby mohl obsahovat stlačený zkapalněný zemní plyn.

« · · • · * • · *

- 47 4. Zásobník vhodný k používání na přepravní cisterně pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě přibližně od -112 °C (-170 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F), vyznačující se tím, že tento jmenovaný zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegované ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu nejméně okolo 1000 MPa (145 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).

5. Zásobník podle kteréhokoliv z nároků 1, 2, 3 nebo 4 vyznačující se tím, že jmenovaná ultra vysoce pevná nízkolegované ocel obsahuje méně než 5 % hmotn. niklu.

6. Zásobník vhodný k používání na přepravní cisterně pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě přibližně od -112 °C (-170 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F), vyznačující se tím, že tento jmenovaný zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegované ocel obsahující méně než 6 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu nejméně 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).

7. Zásobník vhodný k používání na přepravní cisterně pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu (PLNG) při tlaku od přibližně 1725 kPa (250 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě přibližně od -112 °C (-170 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F), vyznačující se tím, že tento jmenovaný zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegované ocel obsahující méně než 3 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu nejméně okolo 1000 MPa (145 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).

»ϊ * * ♦ % • * » • fc » • * * ·» ·*·· ♦ » · • * * • * » • · · »

- 48 8. Zásobník podle kteréhokoliv z nároků 1, 2, 3, 4, 5 (nárok 5 je vícenásobně závislým nárokem), 6 nebo 7 zhotovený ohýbáním a vzájemným spojováním množiny samostatných plechů ze jmenované ultra vysoce pevné nízkolegované oceli vyznačující se tím, že spoje jmenovaného zásobníku mají pevnost v tahu větší než přibližně 900 MPa (130 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).

9. Přepravní cisterna pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu při tlaku od přibližně 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotách přibližně od -123 °C (-190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F) vyznačující se tím, že jmenovaná přepravní cisterna má alespoň jednen zásobník zhotovený z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegované ocel obsahující méně než 9 % hmot. niklu a mající pevnost v tahu nejméně 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně-73 °C (-100 °F).

10. Přepravní cisterna podle nároku 9 vyznačující se tím, že jmenovaná vysoce pevná nízkolegované ocel obsahuje méně než 5 % hmot. niklu.

11. Přepravní cisterna podle nároku 9 mající vlastní výparník pro převedení jmenovaného stlačeného zkapalněného zemního plynu na plyn.

12. Způsob přepravy stlačeného zkapalněného zemního plynu z místa skladování do místa určení vyznačující se tím, že jmenovaný stlačený zkapalněný zemní plyn má tlak přibližně od 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotu přibližně od -123 °C (190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F) a jmenovaný způsob se skládá z těchto kroků: (a) přepravy jmenovaného stlačeného zkapalněného zemního plynu ve jmenované přepravní cisterně vyznačující se tím, že jmenovaná přepravní cisterna má alespoň jeden akumulační zásobník zhotovený z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegované ocel obsahující méně než 9 % hmot. niklu a mající pevnost v tahu nejméně 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně-73 °C (-100 °F).

• 4 44 » 4 4 4 • 4 4
4 4 4 •4 ·»··

- 49 13. Způsob podle nároku 12 obsahující dále krok:

(b) dodávání jmenovaného stlačeného zkapalněného zemního plynu do alespoň jednoho cílového akumulačního zásobníku ve jmenovaném místě určení vyznačující se tím, že cílový akumulační zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu nejméně okolo 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně-73 °C (-100 °F).

14. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že jmenovaná přepravní cisterna má vlastní výparník k přeměně jmenovaného stlačeného zkapalněného zemního plynu do plynného stavu.

13. Způsob podle nároku 12 obsahující dále ještě krok:

(c) dodávku jmenovaného plynu do plynového potrubí.

16. Systém pro přepravu stlačeného zkapalněného zemního plynu do místa určení vyznačující se tím, že jmenovaný stlačený zkapalněný zemní plyn má tlak přibližně od 1035 kPa (150 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotu přibližně od -123 °C (190 °F) do přibližně -62 °C (-80 °F), kdy tato jmenovaná alespoň jedna přepravní cisterna má alespoň jednen akumulační zásobník zhotovený z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 9 % hmotn. niklu a mající pevnost v tahu vyšší než 830 MPa (120 ksi) a DBTT nižší než přibližně -73 °C (-100 °F).

17. Způsob podle nároku 16 vyznačující se tím, že jmenovaná přepravní cisterna má vlastní výparník k přeměně jmenovaného stlačeného zkapalněného zemního plynu na plynné skupenství.

»4 44 4 >•44 4

4 4 4 4 • 4 4 · 4 »44· •4 44 ► 4 4 4 > 4 4 >

»44 4 ) 4 4 4

- 50 18. Zásobník pro skladování stlačeného zkapalněného zemního plynu při tlaku přibližně od 1725 kPa (250 psia) do přibližně 7590 kPa (1100 psia) a teplotě přibližně od -112 °C (170 ’F) do přibližně -62 °C (-80 °F), kdy tento jmenovaný zásobník je zhotoven z materiálu, kterým je ultra vysoce pevná nízkolegovaná ocel obsahující méně než 2 % hmotn. niklu a mající odpovídající pevnost v tahu a lomovou houževnatost, aby v něm mohl být stlačený zkapalněný zemní plyn.