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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Paneelsystem für den Bau
eines hermetisch abgeschlossenen und thermisch isolierten Tankbehälters, geeignet für den Transport
und die Lagerung von verflüssigten Gasen,
zum Beispiel von verflüssigtem
Erdgas (Liquefied Natural Gas, LNG).
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Für den Seetransport
des verflüssigten
Erdgases werden spezielle Tankschiffe, die die tiefkalte Ladung
dicht und thermisch isoliert gelagert transportieren können, verwendet.
Für die
Gestaltung der Tanks haben sich zwei unterschiedliche Konstruktionsprinzipien
durchgesetzt. Eine Gruppe dieser Tanks an Bord von Transportschiffen
sind selbsttragende Tanks. Sie sind nicht auf eine äußere tragende Struktur
angewiesen. Da sie vollständig
aus kältebeständigen metallischen
Werkstoffen bestehen, haben sie eine hohe Masse. Dies ist aus Fertigungs-
und Betriebskostengründen
sowie für
die Schiffsstabilität ungünstig.
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Nach
ihrer Bauform unterscheidet man sphärische und prismatische Tanks.
Die europäische
Patentschrift
EP0742139 („Flüssiggas-Transportschiff") stellt beispielsweise
einen verbesserten sphärischen Tank
vor. Sphärische
Tanks haben aufgrund ihrer Form sehr gute Festigkeitseigenschaften,
nutzen aber den Raum in der Schiffshülle nur unzureichend aus. Um
ein mit anderen Schiffstypen vergleichbares Volumen an Ladung zu
transportieren, müssen
die sphärischen
Tanks weit über
das Deck hinaus ragen, was den freien Platz an Deck verringert,
höhere
Ansprüche
an die Gewährleistung
der Schiffsstabilität stellt
sowie die Sicht über
das Deck verschlechtert.
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In
der Europäischen
Patentanmeldung
EP0619222 („Self-standing
liquefied gas storage tank and liquefied gas carrier ship therefor") wird ein prismatisches
Tanksystem beschrieben. Es passt sich besser an den Laderaum des
Schiffes an als ein sphärisches
Tanksystem. Dieser Vorteil wird jedoch mit aufwändigen inneren Verstärkungen
erkauft, um die nötige
strukturelle Festigkeit des Tanksystems zu erzielen.
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Diese
selbsttragenden Tanks werden in der Regel entweder außerhalb
der Schiffe gebaut und dann in diese eingesetzt, oder es werden
größere Teile
dieser Tanks vorgefertigt und im Schiff miteinander und mit dem
Schiff verbunden.
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Nachteil
des erstgenannten Montageverfahrens sind einerseits der hierzu erforderliche
hohe Flächenbedarf
zum Bau der Tanks und andererseits die große Hebekapazität, die nötig ist,
um die fertigen Tanks in das Schiff zu setzten. Nachteil des letztgenannten
Montageverfahrens ist der erhöhte
logistische und integrative Aufwand.
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Eine
andere Gruppe von Tanksystemen für den
Transport von tiefkalt verflüssigtem
Erdgas wird als Membrantanks bezeichnet. Diese Systeme sind nicht
selbsttragend, sondern in die Schiffsstruktur integriert. Das bedeutet,
dass die tragende Struktur des Tanks durch den Schiffsrumpf, das
Deck sowie die Querschotte gebildet wird. Die thermische Isolierung
erfolgt im Inneren der Tankstruktur durch zwei übereinander angeordnete Schichten
aus Isoliermaterial. Zwei so genannte Barrieren (Membranschichten)
dienen der Gewährleistung
der Dichtigkeit. Die innere (primäre) Membran bildet den eigentlichen
Ladungstank. Die zweite (sekundäre)
Membran liegt zwischen der ersten und zweiten Isolierschicht und dient
der Systemsicherheit.
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Durch
den Einsatz von Membranen aus dünnem
Material als Barrierewerkstoff wird eine geringere Masse von tieftemperaturbeständigen Werkstoffen benötigt als
bei den eingangs beschriebenen selbsttragenden Tanksystemen, weil
die tragende Funktion von Baugruppen übernommen wird, die außerhalb des
kalten Bereiches liegen.
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Für die Aufnahme
von mechanischen Spannungen aufgrund temperaturbedingter Längenänderungen
des Barrierematerials werden verschiedene konstruktive Maßnahmen
eingesetzt.
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Die
Patentschrift
DE 199 31 705 „In die Tragstruktur
eines Schiffs integrierter dichter und thermisch isolierender Tank
mit verbesserter Isoliersperre" beschreibt
einen Membrantank, der aus einer äußeren tragenden Struktur besteht,
die mit Isolier- und Barriereschichten innen ausgekleidet wird.
Die Isolierschicht wird aus Paneelen zusammengefügt, wobei die isolierenden
Paneele aus steifen Gehäusen,
z.B. aus Holzplatten, bestehen, welche mit dem Isoliermaterial,
z.B. einer perlitischen Schüttung,
gefüllt
sind. Die metallische Barriereschicht wird über eine mechanische Verbindung
elastisch an die Isolierschicht angebunden, wobei das Barrierematerial aus
metallischen Bahnen besteht, die auf die Isolierpaneele aufgetragen,
dort befestigt und untereinander verschweißt werden. Diese Vorgehensweise macht
eine Integration primärer
und sekundärer Schichten
in ein Bauteil unmöglich,
so dass jede Schicht separat installiert werden muss. Zuerst werden
die mit Isoliermaterial gefüllten
Kisten nebeneinander an die Tankwand montiert und bilden die sekundäre Isolierung.
Auf die sekundäre
Isolierschicht folgt die sekundäre
Barriereschicht, darauf wird die primäre Isolierschicht und auf dieser
die primäre
Barriereschicht befestigt. Es sind also für die Installation von je zwei
Barriere- und Isolierschichten mindestens vier Arbeitsgänge notwendig.
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Die
Schrift
EP573327 „Vorgefertigte,
flüssigkeitsdichtende
und thermisch isolierende Wandstruktur für Behälter für cryogene Fluide" beschreibt einen Membrantank,
der ebenfalls durch Auskleiden einer äußeren tragenden Struktur mit
isolierenden Paneelen entsteht. Dabei bestehen die isolierenden
Paneele aus einem Schichtaufbau aus einer äußeren steifen Trennwand (der
Bodenplatte des Paneels), einer inneren steifen Trennwand (der Deckplatte
des Paneels) und zwischen den Trennwänden angeordneten Polymerschaumisolierungen.
Nach der Montage der isolierenden Paneele mittels mechanischer Verbindungselemente
an die Innenseite der äußeren tragenden
Struktur werden die Löcher
im Isoliermaterial, durch welche die Befestigung des isolierenden Paneels
an der äußeren tragenden
Struktur realisiert wurde, mittels Stopfen aus Isoliermaterial verschlossen,
so dass die Isolierung eine geschlossene Schicht ergibt. Die zwischen
den Schichten der thermischen Isolierung befindliche sekundäre Barriereschicht
besteht aus einer dünnen
durchgehenden Verbundfolie aus Aluminium und glasfaserverstärktem Kunststoff.
Damit die sekundäre
Barriereschicht durchgängig
ist, müssen
die Barrierefolien aneinandergrenzender Paneele mittels Verbindungsstücken gasdicht
verbunden werden, was einen eigenen Arbeitsgang erfordert. An der
inneren Trennwand der isolierenden Paneele ist die biegsame und
dichte innere (primäre)
Barriereschicht (Sperre gegen Austritt von Ladung) befestigt. Diese
primäre
Barriereschicht besteht aus metallischem Material und wird auf die Innenseite
der Isolierplatten montiert, so dass sie dicht gegenüber der
Ladung ist. Die Verbindung der Einzelteile der primären Barriereschicht
erfolgt durch Schweißen.
Es sind also nach Befestigung der isolierenden Paneele weitere Arbeitsschritte
für das
Verfüllen der
Befestigungslöcher,
das Verbinden der sekundären
Barriereschicht und die Befestigung und Verbindung der inneren,
primären
Barriereschicht notwendig.
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Beiden
letztgenannten Systemen gemeinsam ist, dass die Isolier- und Barriereschichten
im Wesentlichen nacheinander im Schiff installiert werden. Dabei
sind umfangreiche manuelle Tätigkeiten, wie
z.B. das Verschweißen
der Nähte
der Barriereschichten, notwendig. Diese Vorgehensweise führt zu langen
Bauzeiten und damit verbundenen Kosten.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 26
48 211 „Isolierter
Behälter
für kryogene
Flüssigkeiten" ist ein System bekannt,
das die separate Installation von Schichten umgeht. In diesem System
sind die Bestandteile des Isolier- und Barriereschichtaufbaus in Verbundplatten,
die aus einem mit Isoliermaterial gefüllten Gehäuse bestehen, integriert. Durch
dieses Zusammenfassen kann der zuvor beschriebene unmittelbare Montageaufwand
reduziert werden, da die Verbundplatten vorgefertigt angeliefert
werden und alle wesentlichen Bestandteile des Schichtaufbaus enthalten.
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Dabei
wird aber keine durchgängige
Verbindung der Barriereschichten hergestellt, da die Gehäuse der
Verbundpaneele geschlossen sind und nur mittelbar durch ein Fugenelement
zwischen aneinandergrenzenden Verbundpaneelen verbunden werden.
Dabei sind primäre
und sekundäre
Barriereschicht nicht stofflich voneinander getrennt, was ein Risiko
für den
Betrieb eines solchen Tanks darstellt.
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Den
drei zuletzt genannten Systemen ist gemeinsam, dass erst nach der
Fertigstellung der äußeren tragenden
Struktur mit ihrer Montage begonnen werden kann. Dazu müssen aufwändige Gerüstsysteme,
die über
eine entsprechende hohe Tragfähigkeit
verfügen,
im Ladungsraum aufgestellt werden. Nach der Fertigstellung des Tanks
durch Montage der Isolier- und Barriereschichten an der Innenseite der äußeren tragenden
Struktur und der entsprechenden Verbindung der Isolier- und Barriereschichten
mit- und untereinander müssen
die Rüstungen durch
möglichst
kleine Öffnungen
im Tank, beispielsweise in der Tankdecke, sorgfältig entfernt werden, so dass
die schweren Gerüstbestandteile
keine Schäden
an der bereits fertig gestellten Tankauskleidung hervorrufen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Systeme durch
einen hinsichtlich Schichtaufbau und Montageablauf verbesserten Tankbehälter abzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein neuartiger, hoch integrierter Tankbehälter aus großformatigen
Sektionen zusammengesetzt wird, die die äußere tragende Struktur und
alle Isolier- und Barriereschichten bereits in einem Bauteil vereinen.
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Wird
der Tankbehälter
wie vorgeschlagen aus vorausgerüsteten
Sektionen zusammengesetzt, entfällt
zu großen
Teilen der Aufwand für
den Bau von schweren, hoch tragfähigen
Gerüsten.
Die Befestigung der Verbundpaneele an der Innenseite der Außenwände des
Tankbehälters
geschieht bereits vor dem Zusammenfügen der äußeren tragenden Struktur, so
dass nach dem Zusammenfügen
der Sektionen zum Behälter
im Wesentlichen nur noch die Fügestellen
der Sektionen nachbearbeitet und abgedichtet werden müssen, wofür weniger
und leichtere Hebekapazität
notwendig ist.
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Durch
die Integration aller Isolier- und Barriereschichten in einem Bauteil,
einem Verbundpaneel, von dem eines oder mehrere zur Bedeckung der
Sektion verwendet werden, ist es möglich, bereits bei der Herstellung
der vorausgerüsteten
Sektionen makroskopisch homogene Isolierschichten und durchgängige und
dichte Barriereschichten zu erhalten.
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Die
Aufbringung der Verbundpaneele auf die Innenseite der Außenwände des
Tankbehälters
erfolgt vorzugsweise nicht am selben Ort, an dem das Zusammenfügen der
vorausgerüsteten
Sektionen geschieht. Auf diese Weise können die Verbindungen der Verbundpaneele
mit der äußeren tragenden Struktur
sowie die Verbindungen der Verbundpaneele untereinander unter kontrollierten
Umgebungsbedingungen und in der vorteilhaftesten Lage der Tanksektion,
in der Regel horizontal, vorgenommen werden.
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Für die großen ebenen
Flächen
der Tankwandung werden vorzugsweise standardisierte Verbundpaneele,
so genannte Basispaneele, eingesetzt. Aneinandergrenzende Basispaneele
werden mit Hilfe von Fugenpaneelen miteinander verbunden.
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Ein
erfindungsgemäß gebauter
Behälter kann
auf Seeschiffen als Ladungstank für tiefkalt verflüssigtes
Gas verwendet werden, ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Es
sind auch andere Anwendungen für
mobile und stationäre
Tankeinheiten auf See und an Land sowie für die Luft- und Raumfahrt möglich.
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Die
Erfindung wird anhand des Ausführungsbeispiels
Ladungstank im Schiff näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische schematische Schnittdarstellung eines Behälters, welcher
aus Sektionen zusammengesetzt ist;
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2 eine
perspektivische schematische Darstellung eines Basispaneels;
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3 eine
perspektivische schematische Teildarstellung eines Tanks, zusammengesetzt
aus mit Basispaneelen belegten Sektionen, hervorgehoben sind besondere
Stellen der Tankinnenseite;
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4 eine
perspektivische schematische Schnittdarstellung von drei Übergängen zwischen Basispaneelen,
mit unterschiedlichen Stadien der Verbindung miteinander;
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5 eine
perspektivische schematische Detaildarstellung der Verbindung zwischen
zwei Basispaneelen und den dazugehörigen Kompensatoren in Barriere-
und Isolierschicht, Darstellung im Schnitt;
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6 eine
perspektivische schematische Detaildarstellung einer Einrichtung
zum Durchleiten eines Spülgases,
Darstellung im Ausbruch;
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7 eine
perspektivische schematische Darstellung einer mit Verbundpaneelen
vorausgerüsteten
Sektion;
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8 eine
perspektivische schematische Darstellung von vorausgerüsteten Sektionen
in verschiedenen Stadien des Zusammenbaus;
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9 eine
perspektivische schematische Darstellung einer schwimmenden Einheit
mit in die Schiffshülle
integrierten Tankbehältern,
diese sind hervorgehoben.
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In 1 ist
ein Schnitt durch einen Behälter (21)
zur Speicherung tiefkalt verflüssigter
Gas dargestellt, der aus einzelnen Sektionen (17) zusammengefügt ist,
die jeweils aus einem inneren Schichtaufbau aus primären (2)
und sekundären
(3) Barriere- und Isolierschichten und einer äußeren tragenden Struktur
(4) bestehen.
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Die
Sektionen (17) sind vorzugsweise eben gestaltet, so dass
durch das Zusammenfügen
der Sektionen (17) ein Behälter (21) mit Ecken
(5) und Kanten (6) entsteht, der auf seiner Innenseite
mit einem Schichtaufbau (2; 3) in Form von Verbundpaneelen
(1) bedeckt ist.
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In 2 ist
ein Verbundpaneel (1) beispielhaft in der Ausführungsform
Basispaneel (10) dargestellt. Andere Ausführungsformen
sind Eckenpaneel (7), Kantenpaneel (8) und Passpaneel
(9). Diese Ausführungsformen
werden in der nächsten
Figur, 3, dargestellt. Jedes Verbundpaneel (1)
enthält den
gesamten Schichtaufbau aus den notwendigen primären Schichten (2)
und sekundären
Schichten (3). Der Schichtaufbau der Verbundpaneele (1)
besteht aus der primären
Barriereschicht (2.1), die direkten Kontakt mit dem Tankinhalt
hat, der darauf folgenden primären
Isolierschicht (2.2), der sekundären Barriereschicht (3.1)
und der sekundären
Isolierschicht (3.2), welche alle flächig miteinander verbunden
sind. Dieser Schichtaufbau (2; 3) entsteht bereits während der
Fertigung des Verbundpaneels (1). Durch die Gestaltung
als kompaktes Bauteil kann der gesamte Schichtaufbau (2; 3)
in einem Arbeitsgang an die äußere tragende
Struktur (4) montiert werden. Das Basispaneel (10)
wird als Standardpaneel auf dem Großteil der inneren Oberfläche des
Behälters (21)
eingesetzt.
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In 3 ist
die Anordnung der Verbundpaneele (1 {7; 8; 9; 10}) über die
innere Oberfläche
des Behälters
(21) dargestellt. Der Behälter (21) ist hier aufgebrochen
dargestellt. Besondere Stellen sind hervorgehoben. Für die Ecken
(5) und Kanten (6) des Tanks werden vom Basispaneel
(10) abgeleitete Verbundpaneele, so genannte Eckenpaneele
(7) bzw. Kantenpaneele (8), gefertigt. An Stellen,
an denen ein Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen nötig ist,
insbesondere aber auch an den Fügestellen
der Sektionsstöße (20),
werden speziell auf die jeweilige Stelle angepasste, so genannte
Passpaneele (9) verwendet.
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In 4 sind
vier Verbundpaneele (1.1; 1.2; 1.3; 1.4)
nebeneinander angeordnet, wobei die Verbindung der Paneele miteinander
unterschiedlich weit fortgeschritten ist. Dabei ist über der
linken Fuge (11) zwischen den Paneelen (1.1) und
(1.2) noch keine Verbindung hergestellt. Über der
mittleren Fuge zwischen den Paneelen (1.2) und (1.3)
ist die sekundäre
Barriereschicht (3.1) bereits verbunden. Über der
rechten Fuge zwischen den Paneelen (1.3) und (1.4)
ist die primäre
Isolierschicht (2.2) geschlossen und die primäre Barriereschicht
(2.1) ebenfalls verbunden. Die Verbundpaneele (1.1; 1.2; 1.3; 1.4)
sind stufenförmig
gestaltet, d.h., die Elemente der primären Barriereschicht (2.1)
und primären
Isolierschicht (2.2) sind in Länge und Breite kleiner als
die Elemente der sekundären
Barriereschicht (3.1) und Isolierschicht (3.2),
so dass die sekundäre
Barriereschicht (3.1) während
der Montage zur Abdichtung der Paneelübergänge zugänglich bleibt. Diese Abdichtung erfolgt
unter Verwendung eines Verbindungsstreifens (12). Die verbleibende
Lücke,
die so genannte Fuge (11) in der primären Barriereschicht (3.1)
und primären
Isolierschicht (3.2) wird mit einem Fugenpaneel (13)
aufgefüllt.
Dieses besteht aus der primären
Barriereschicht (13.1) und der primären Isolierschicht (13.2).
Die Barriereschicht (13.1) des Fugenpaneels kann die Barriereschichten
(2.1) der Verbundpaneele (1) überlappen, so dass die Barriereschichten
(2.1) durch eine stoffschlüssige Verbindung abgedichtet werden
können.
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5 stellt
als Detail von 4 konstruktive Lösungen für die Kompensation
von Spannungen und Dehnungen im primären Schichtaufbau (2)
und sekundären
Schichtaufbau (3) dar. Die Barriereschichten (2.1; 3.1)
bestehen aus einem nichtmetallischem Werkstoff, vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoff.
In ihnen befinden sich so genannte Sicken (14), die eine
Verformung der Barriereschichten ohne deren Beschädigung zulassen.
In den Isolierschichten (2.2; 2.3) befinden sich
Spalten (15.1; 15.2), die sich vergrößern oder
verkleinern und so ebenfalls Verformungen zulassen können, ohne
dass eine Schädigung
des Isoliermaterials auftritt.
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In 6 sind
als Detail die Verbundpaneele (1) zum Teil aufgebrochen
dargestellt, so dass die Freiräume
zur Gasdurchleitung (16) zu sehen sind, die so gestaltet
sind, dass ein inertes Gas zu Überwachungszwecken
hindurchgeleitet werden kann. Diese Freiräume befinden sich entweder
an der Oberfläche
der primären
Isolierschicht (2.2), dann handelt es sich beispielsweise
um Aussparungen (16.1) oder die Freiräume befinden sich innerhalb
der primären
Isolierschicht (2.2), dann handelt es sich um Hohlräume, beispielsweise
Bohrungen (16.2). Wenn das Inertgas auf seinen Erdgasgehalt
hin untersucht wird, können
eventuelle Beschädigungen
der primären
Barriereschichten (2.1) erkannt werden. Diese Einrichtungen
befinden sich in der primären
Isolierschicht (2.2) zwischen der primären Barriereschicht (2.1)
und der sekundären
Barriereschicht (3.1). In der sekundären Isolierschicht (3.2)
kann ein entsprechender Aufbau vorgesehen werden.
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In 7 ist
eine Sektion (17) dargestellt, auf der die Vorausrüstung mit
dem für
die Tankisolierung notwendigen primären Schichtaufbau (2)
und sekundären
Schichtaufbau (3) erfolgt. Dabei werden ein oder mehrere
vorgefertigte Verbundpaneele (1) auf die äußere tragende
Struktur (4) der Sektion (17) aufgesetzt und gegebenenfalls
miteinander unter Einsatz von Fugenpaneelen (13) verbunden.
Die Verbundpaneele (1) bedecken die Struktur (4)
nicht vollständig,
so dass ein Abstand (18) zum Rand der Sektion (17) übrig bleibt.
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In 8 ist
dargestellt, wie diese Sektionen (17) zusammengesetzt werden.
Es entstehen entweder die Großsektionen
(23), die dann zum Tankbehälter (21) zusammengesetzt
werden, oder bereits der Tankbehälter
(21) selbst. Die freien Zwischenräume (19) an den Fügestellen
(20), die durch aneinandergrenzende Abstände (18)
entstehen, werden nach dem Verbinden der Sektionen (17)
untereinander durch Passpaneele (9), die zum Ausgleich
aufgetretener Ungenauigkeiten dienen und speziell angefertigt werden,
geschlossen.
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In 9 ist
eine schwimmende Einheit (22) dargestellt, die mit mehreren
Tankbehältern
(21) im Ladungstankbereich ausgerüstet ist. So eine schwimmende
Einheit kann ein Schiff, aber auch eine Offshore-Einheit, Barge
oder o.ä.
schwimmende Struktur sein.
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- 1
- Verbundpaneel
- 2
- primärer Schichtaufbau
- 2.1
- primäre Barriereschicht
- 2.2
- primäre Isolierschicht
- 3
- sekundärer Schichtaufbau
- 3.1
- sekundäre Barriereschicht
- 3.2
- sekundäre Isolierschicht
- 4
- äußere tragende
Struktur
- 5
- Ecke
des Tanks
- 6
- Kante
des Tanks
- 7
- Verbundpaneel,
Ausführungsform:
Eckenpaneel
- 8
- Verbundpaneel,
Ausführungsform:
Kantenpaneel
- 9
- Verbundpaneel,
Ausführungsform:
Passpaneel
- 10
- Verbundpaneel,
Ausführungsform:
Basispaneel
- 11
- Fuge,
eine durch den Stufenaufbau des Basispaneels entstehende Lücke in den
primären
Schichten
- 12
- Sekundärer Verbindungsstreifen
- 13
- Fugenpaneel
- 13.1
- primäre Barriereschicht
des Fugenpaneels
- 13.2
- primäre Isolierschicht
des Fugenpaneels
- 14
- Sicke
- 14.1
- Sicke
in der primären
Barriereschicht
- 14.2
- Sicke
in der sekundären
Barriereschicht
- 15
- Spalten
in den Isolierschichten
- 15.1
- Spalt
in der primären
Isolierschicht
- 15.2
- Spalt
in der sekundären
Isolierschicht
- 16
- Freiräume zur
Gasdurchleitung
- 16.1
- Aussparungen
zur Gasdurchleitung
- 16.2
- Hohlräume zur
Gasdurchleitung
- 17
- Sektion
- 18
- Abstand
zum Rand der Sektion
- 19
- Freie
Zwischenräume
- 20
- Fügestellen
der Sektionen
- 21
- Behälter
- 22
- Schwimmende
Einheit
- 23
- Großsektion