DE2946771A1 - Vorrichtung bei einer lagerung - Google Patents

Vorrichtung bei einer lagerung

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DE2946771A1
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EAST WEST MARINE
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Description

Patentanwälte Dipl. Ing. Hans-Jürgen Müller Dr. rer. nat. Thomas Berendt
Dr. - Ing. Hans Leyh 2 9 A 6 7 7
lucile-Grahn-Straß· 38 D 8 München 80
East-West Marine A/S Marsveien
1500 Moss, Norwegen
Vorrichtung bei einer Lagerung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung bei der Lagerung von im grossen ganzen zylindrischen liegenden Tanks an Bord eines Fahrzeuges, vorzugsweise für den Transport von verflüssigten Gasen mit niedriger Temperatur, welche eine Mehrzahl von Auflagern und um den Tankumkreis verlaufende Verstärkungen im Bereich der Auflager umfasst.
Auf Grund der bisher unbefriedigenden Lösungen zur Lagerung von grossen zylindrischen Tanks, z.B. für den Transport von LNG, wurden zylindrische Tanks bei grossen Fahrzeugen nicht eingesetzt. Obwohl zylindrische Tanks sowohl im Hinblick auf ihre Herstellung, als auch auf ihren Einbau an Bord von Fahrzeugen gegenüber beispielsweise kugelförmigen Tanks vorzuziehen wären, haben kugelförmige Tanks unter den unabhängigen Tanks für den Transport von LNG dominiert.
Zylindrische Tanks wurden bisher für Fahrzeuge mit bis etwa 15 000m Gesamtladetankvolumen eingesetzt, während Fahrzeuge mit kugelförmigen Tanks für den Transport von LNG mit einem Gesamttankvolumen bis etwa 130 000 m gebaut wurden.
Zur Lagerung von zylindrischen Tanks an Bord von kleineren existierenden Fahrzeugen ist der Einsatz von Sattellagern bekannt. Bei grösseren und sehr grossen Tanks hat diese Lösung indessen offensichtliche Schwächen, wie:
- Komplizierte Kraftübertragung zwischen Fundament und Ladetank· Insbesondere entstehen hohe örtliche Biegemomente in der Tankschale an den Lagerungsrändern, was eine grosse Schalenstärke bedingt.
- Die Vorausberechnung der Auflagefläche zwischen Tank und Fundament für alle vorkommenden Bedingungen ist sehr unsicher. Das bedeutet einen Unsicherheitsfaktor mit der Gefahr, dass Überlast und Risse im Tankwerkstoff vorkommen können, und die strengen Anforderungen der Klassifikationsgesellschaften auf eine genaue Vorberechnung der Spannungen und Ermüdungsverhältnisse in den Tankwerkstoffen können somit nicht befriedigt werden.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Lagerung der eingangs erwähnten Art, welche die obenerwähnten Mangel und Nachteile eliminiert und ferner den Einsatz von zylindrischen Tanks an Bord von Fahrzeugen mit einem gesamten Ladetankvolumen in der Grössenordnung von 200 000 bis 400 000 m ermöglicht.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Auflagersystems das derart eingerichtet ist, dass es statisch bestimmt ist, wobei
Einspannungsmomente wegen der Biegung des Rumpfes, zeB. bei Seegang, nicht auf die Tanks übertragen werden können und auch nicht auf Grund von Biegung des Tanks an sich vorkommen können; jede der vier Auflager erfindungsgemäss dazu vorbestimmt ist, einen oder mehrere der ggf. auftretenden waagerechten und lotrechten Kraftkomponenten aufzunehmen und eine Verschiebung des Tanks in den jeweiligen Kraftrichtungen zu hindern;
es dazu fähig ist, relative thermische Dreh- und lineare Bewegungen zu absorbieren, ohne dass dies eine Einführung von Einspannungsmomenten in die Auflager mitsich führt;
es eine gute thermische Isolation zwischen dem Tank und dem umgebenden Rumpf ergibt, und wobei es hindert, dass sich die Tanks beim Anfüllen des die Tanks umgebenden Raum mit Seewasser heben.
Das Auflagersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Paare von Auflagereinrichtungen umfasst, wobei jedes Auflager in zwei Hauptteile unterteilt ist, wobei der eine als "Tankteil" bezeichnete Teil mit dem Tank an einer charakteristischen Stelle der Peripherie und fluchtend mit inneren Verstärkungen verschweisst und der andere als "Rumpfteil" bezeichnete Teil mit dem Rumpf verbunden ist, dass der Tankteil und der Rumpfteil mittels eines Kugelgelenks miteinander verbunden sind und dass im Kugelgelenk eine thermische Isolation zwischen dem Rumpfteil und dem Tankteil vorgesehen ist.
Das wird erfindungsgemäss wie im Hauptanspruch angegeben erzielt. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Bei der Lagerung von einzelnen Tanks für verflüssigte Gase sind
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vier klassische technische Probleme zu berücksichtigen und zu lösen:
1. Hinreichende mechanische Festigkeit des Auflagers zur Übertragung aller vorkommenden statischen und dynamischen Kräfte vom Ladetank auf die Rumpfstruktur.
2. Möglichkeit einer thermischen Dehnung bei dem Auflager wegen stark variierenden TemperaturSchwankungen im Werkstoff der Ladetanks, während der umgebende Rumpfwerkstoff annähernd die jeweilige Umgebungstemperatur der Luft und See aufweist.
3. Das Auflagersystern muss eine Isolation zwischen Ladetank und angrenzender Rumpfstruktur schaffen, weil die Rumpfwerkstoffe vorraussetzungsweise nicht für die niedrigen Temperaturen der zu transportierenden Ladung abgemessen werden sollen.
4. Minimalisierung der Übertragung von durch die Verformung des Rumpfes bei Seegang erzeugten Kräften auf die Ladetanks.
Eine völlige Vermeidung einer derartigen gegenseitigen Beeinflussung ist nur bei einem statisch bestimmten Auflagersystem möglich.
5. Vorrichtungen die verhindern, dass sich der Tank frei bewegen kann, falls der den Tank umgebende Raum von Seewasser angefüllt wird.
Die vorliegende Erfindung sieht Lösungen sämtlicher grundlegender Probleme in einer neuen und wirksamen Weise vor und ermöglicht gleichzeitig eine einfache Herstellung und Installation der Tanks. Dies wird aus der nachstehenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles hervorgehen. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen schematischen lotrechten Längsschnitt und eine Draufsicht auf ein Tankfahrzeug mit zylindrischen Tanks,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäss gelagerten Tank,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2 in etwas grösserem Massstab,
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Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2 in etwas grösserem Masstab,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 3 in etwas vergrössertem Masstab,
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 3 in etwas vergrössertem Masstab,
Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6,
Fig. 8 einen vergrösserten Ausschnitt des linken Auflagers der Fig. 3,
Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 8,
Fig. 10 eine vergrösserte Einzelheit der Fig. 3,
Fig. 11 eine vergrösserte Einzelheit der Fig. 4, wie angegeben, und
Fig. 12 eine vergrösserte Einzelheit der Fig. 4, wie angegeben.
Das in Fig. 1 dargestellte Tankschiff weist sechs liegende zylindrische Ladetanks 2 auf. Die Längsachsen von fünf dieser Tanks sind querschiffs orientiert, während die Längsa'chse des sechsten Tanks längsschiffs orientiert ist.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist jeder Tank auf einem System von vier Auflagern A, B,C bzw. D gelagert, die jeweils paarweise an entgegengesetzten Tankenden vorgesehen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Auflager derart vorgesehen, dass sie technische Lösungen der fünf angegebenen klassischen Probleme darstellen, und jedem Auflager sind infolgedessen unterschiedliche Funktionen zugeteilt.
Diese charakteristische erfindungsgemässe Funktionsaufteilung ist in den nachstehenden Tabellen angegeben.
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Tabelle 1 Kraftübertragung
Auflagergattung
Reaktionskräfte
Anfüllen
Lotrecht Quer- Längs- des Ladeschiffs schiffs raums mit
Seewasser
Gegenseitige Beeinflussung Rumpf/Tank infolge Verformung des Rumpfes
A
B
C
D
Tabelle 2 Thermische Dehnung und Isolation
Auflager- Thermische Dehnung Thermische gattung Linear Drehung Isolation
A B C D
Freie Drehung oder anders gesagt, Vermeidung von Einspannungsmomenten in den Auflagern, ist erfindungsgemäss in sämtlichen vorkommenden Belastungsfällen erzielt, d.h.
- Bei Änderung des Tankdurchmessers wegen Änderungen der Temperatur im Tankwerkstoff
- Bei statischer und dynamischer Biegebeanspruchung des Tanks unter der Belastung des eigenen Gewichts
In diesen beiden Fällen wird sich der Tankteil des Auflagers im Kugelgelenk drehen, während der Rumpfteil des Auflagers unberührt bleibt.
- Bei Verformung des Rumpfbalkens, z.B. in grober See, dreht sich der Rumpfteil des Auflagers im Kugelgelenk, während der Tankteil unberührt bleibt.
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Die Vermeidung jeder gegenseitigen Beeinflussung zwischen Rumpf und Tank wie beschrieben ergibt folgende, sehr wichtige Vorteile:
- Geringe Gefahr einer Rissbildung im Tank mit grossen Konsequenzen, da einfachere und sichere Spannungs- und Ermüdungsanalysen des Tankwerkstoffes ermöglicht sind.
- Vermeidung von teilweise umfassenden örtlichen Verstärkungen in den Tanks zur Kompensation von zusätzlichen Beanspruchungen.
Wie aus den Tabellen hervorgeht, geben sämtliche Auflagerpunkte eine thermische Isolation zwischen Tank und Rumpf. Ferner erlauben sämtliche Auflager Drehung des Tanks gegenüber der Befestigung der Auflager im Fahrzeug und umgekehrt.
Sämtliche Auflager, abgesehen von A, erlauben eine lineare thermische Dehnung, aber in unterschiedlicher Weise, wie mit Pfeilen bei den Auflagern in Fig. 2 angedeutet. Somit erlaubt das Auflager B nur Drehung quer zur Längsachse des Tanks. Das Auflager C erlaubt Bewegung parallel mit der Tanklängsachse 3, während das Auflager D Bewegungen sowohl quer zu, als auch entlang der Längsachse erlaubt. Wenn sich der Ladetank 2 bei Abkühlung bzw. Erwärmung zusammenzieht, bzw. dehnt, wird der Tank derart gesteuert, dass seine Längsachse parallel verschoben wird, während das Auflager A festliegt.
Sämtliche Auflager sind im Stande lotrechte Kräfte aufzunehmen.
Wie am besten aus den Figuren 3 und 5 hervorgeht, ist der Tank 2 bei den Auflagern innen durch ein System aus Ringstegplatten 4 mit einer Flanschplatte 5 verstärkt. Die dabei gebildeten Räume Können vorteilhaft zum Führen von Leitungen 6 für Produkt, elektrische Kraft, Spülgas u.s.w. und für den Zugang zum Tankboden von einem Dom 7, beispielsweise mittels einer Leiter 8, dienen.
Die Abmessungen dieses Verstärkungssystems sind von den zu erwartenden äusseren Kräften und ggf. Biegemomenten abhängig. Die Grosse derartiger durch lotrechte Reaktionskräfte verrursachter Biegemomente ist von der örtlichen Lage der Auflager im Verhältniss zum Tankumkreis abhängig. Erfindunysgemäss sind die Auflager derart angebracht, dass die Richtung der Vertikalkraft 9 im wesentlichen
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die neutrale Achse 10 des Verstärkungssystems tangiert. Die auf Grund der Vertikalkräfte aufgebrachten äusseren Biegemomente sind derart auf ein Geringstes herabgesetzt.
Aus Rücksicht auf eine eventuelle Krängung und Rollen des Fahrzeuges ist das Auflagersystem für die Aufnahme von Querschiffskräften eingerichtet. Es ist ferner derart angebracht, dass auf die Tankstruktur übertragene Reaktionskräfte und Momente geringste Konsequenzen in Bezug auf eine örtliche Verstärkerung der Tankstruktur erhalten. Bei der dargestellten Anordnung der Auflagerungen erhält somit das äussere Biegemoment auf den Tank nur beschränkte Grosse. Wie aus Fig. 2 und der obenstehenden Tabelle 1 hervorgeht, sind die Auflager A und B im dargestellten Ausführungsbeispiel dazu fähig, Querschiffskräfte aufzunehmen.
Weil das Auflager A keine lineare thermische Relativbewegung zuzulassen braucht, wird die Fähigkeit des Aufnehmens von Querschiffskräften vom Tank einfach derart erzielt, dass der Rumpfteil des Auflagers direkt mit der Rumpfkonstruktion verschweisst ist. Das Auflager B muss eine bedingte thermische langschiffs Bewegung ermöglichen. Wie aus den Figuren 8 und 9 hervorgeht, ist dies durch ein Gleitsystern zwischen dem Rumpfteil der Auflagerung und natürliche Teile des Rumpfes bildenden Elementen, nebst angeschweissten Elementen, die verhindern dass sich der Tank in unerwünschter Richtung bewegen kann, erzielt.
Zur Herabsetzung der Reibungskräfte beim Gleiten kann ein Schmiersystem an den Gleitflächen vorgesehen oder Einlagewerkstoffe mit niedrigem Reibungsquotient können zwischengelegt werden. Es sei auch erwähnt, dass die Gleitbewegung während der Abkühlung des Tanks, d.h. wenn der Tank praktisch leer ist, erfolgen, wobei die auftretenden Reibungskräfte bescheidenen Umfanges sind.
Aus Rücksicht auf die Fahrzeugbewegung in grober See und auf mögliche Stösse gegen einen Kai oder dergl. sind die Tanks derart verankert, dass sie dynamische Kräfte in langschiffs Richtung aufnehmen können. Wie aus Fig. 2 und der obenerwähnten Tabelle 1 hervorgeht, wird diese Funktion von den Auflagern A und C bewältigt.
Bei den Auflagern C wird dies, wie aus den Figuren 4 und 11 hervor-
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/ff
geht, in ähnlicher Weise wie bei dem Auflager B erzielt, abgesehen
davon, dass die Elemente 14 eine gegenüber der in den Figuren 8
und 9 dargestellten Lage um 90° in der Waagerechten gedrehte Orientierung aufweisen.
Das Auflager D ist grundsätzlich in Fig. 12 dargestellt, woraus zu ersehen ist, dass der Rumpfteil des Auflagers in beiden waagerechten Richtungen frei gegenüber der Rumpfstruktur gleiten kann.
Freie Drehung oder Vermediung von Einspannungsmomenten bei sämtlichen Auflagern ist, wie bereits erwähnt, erfindungsgemäss mittels Zwischenschaltung eines Kugelgelenkes zwischen dem Rumpfteil und dem Tankteil jedes Auflagers erzielt.
In den Figuren 6 und 7 sind Lösungen dargestellt, die bei sämtlichen Auflagern gleich sind. Sie sind durch ein Kugelgelenk gekennzeichnet, das aus zwei gleichachsigen durch eine isolierende Zwischenlage getrennten Kugelschalen besteht, und wo die Mitte der Kugelschalen entlang der lotrechten Tangenten zur neutralen Achse der Verstärkerung liegt.
Die obere Kugelschale ist mit den äusseren Platten am Tank verschweisst und bildet mit diesen zusammen den Tankteil des Auflagers. Die Werkstoffgüte des ganzen Tankteils kann vorteilhaft die gleiche wie diejenige des restlichen Tanks sein.
Die Kugelschale 15 ist aus Rücksicht auf den Einbau entlang der Mittelebene 18 in zwei Teile aufgeteilt, und die beiden Teile sind am Flansch 19 mittels Bolzen verbunden. Die Platten 16 liegen in derselben Ebene wie die inneren Stegplatten 4 und dienen hauptsächlich zur Übertragung von lotrechten Kräften.
Die Platten 17 liegen in derselben Ebene wie die inneren Verstärkungsplatten 20 und dienen hauptsächlich zur Übertragung von parallel mit der Längsachse des Tanks 2 wirkenden Kräften.
Die zweite Kugelschale 21 hat ein gemeinsames Zentrum mit der ersten Kugelschale 15. Sie ist mit dem aus verschweissten Platten bestehenden Brackettensystem verschweisst und bildet mit diesem System zusammen den Rumpfteil des Auflagers.
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Zwischen der äusseren Kugelschale 15 und der inneren Kugelschale ist eine thermisch isolierende Zwischenlage 22 vorgesehen und somit durch zwei gleichachsige Kugelflächen begrenzt, die eine hinreichende Druckfestigkeit besitzen um allen auftretenden Kräften zu widerstehen» Die Zwischenlage 22 ist ebenfalls aus Einbaugründen entlang der Mittelebene 18 geteilt. Als Beispiel eines derartigen thermisch isolierenden und druckfesten Werkstoffes sei PTFE erwähnt .
Zwischen der Kugelschale 15 und der Zwischenlage 22 kann eine dünne Schicht aus rostfreiem Stahl vorgesehen sein, die in einer günstigen Weise zur Herabsetzung der Wärmeleckage durch das Auflagersystem beiträgt.
Weil die Temperatur in der inneren Kugelschale 21 und im Brackettensystem 11 viel höher als diejenige im Tank 2 sein wird, kann der Werkstoff in 21 und 11 hinsichtlich der Zähigkeit eine geringere und damit preiswertere Güte als derjenige des Tanks 2 aufweisen.
Durch die in den Figuren 6 und 7 dargestellte und oben beschriebene Anordnung des Kugelgelenks kann das System auch in hinreichendem Ausmass lotrechte aufwärtsgerichtete Kräfte aufnehmen und derart ein Anheben des Tanks 2 verhindern, falls der den Tank umgebende Raum mit Seewasser angefüllt wird.
Drehbewegungen oder freie Winkeländerungen an den Auflagern werden als Gleiten zwischen der Kugelschale 21 und der Zwischenlage 22 aufgenommen.
Der Tank 2 an sich und die Elemente 15,16 und 17 sind isoliert, nicht aber das Brackettensystem 11 und die innere Kugelschale 21. Derart werden alle "kalten" Flächen eine fortlaufende Isolation mit geringster Wärmeleckage als günstiges Ergebnis aufweisen. Die somit geschaffene thermisch isolierte Lagerung lässt nur geringe Wärmeleckage vom Fahrzeug zum Tank zu, wodurch ein Geringstes an chryogenen Werkstoffen ausserhalb des Tanks an sich benötigt wird.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    l.\ Vorrichtung bei der Lagerung von im grossen ganzen zylind-Ljrischen liegenden Tanks an Bord von Fahrzeugen, vorzugsweise für den Transport von verflüssigtem Gas mit niedriger Temperatur, die eine Mehrzahl von Auflagereinrichtungen und entlang der Tank-Peripherie verlaufende Verstärkungen im Bereich der Auflagereinrichtungen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tank (2) vier Auflagereinrichtungen (A, B, C,D) aufweist, dass jede Auflagereinrichtung (A,B, C,D) einen Tankteil und einen Rumpfteil umfasst, wobei der Tankteil mit dem Tank verschweisst und der Rumpfteil mit dem Rumpf verbunden ist, wobei die Rumpfteile der jeweiligen Auflagereinrichtungen unterschiedliche Beweglichkeit in der Waagerechten gegenüber dem Rumpf aufweisen, dass jeder Tankteil mit dem jeweiligen Rumpfteil mittels eines Kugelgelenks verbunden ist, und dass eine thermische Isolation (22) zwischen den dem Tankteil bzw. dem Rumpfteil zugeordneten Teilen (15,21) des Kugelgelenks vorgesehen ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt von jedem Kugelgelenk (15, 21,22) im grossen ganzen auf einer lotrechten Tangente (9) zur neutralen Achse (10) der Verstärkung (4,5) liegt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei von den Auflagereinrichtungen (A,B) zwecks Aufnahme der parallel mit der Längsachse (3) des Tanks (2) wirkenden Kräfte eingerichtet sind, während zwei (A, C) zwecks Aufnahme von normal zur Längsachse (3) wirkenden Kräften vorgesehen sind, wobei hinsichtlich linearer waagerechter Bewegung eine (A) fest, eine (B) zur quer zur Längsachse (3) des Tanks (2) beweglich, mindestens eine (C) parallel mit der Längsachse des Tanks beweglich und mindestens eine (D) sowohl parallel, als auch quer zur Längsachse beweglich ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenteile
    (21) der Kugelgelenke an den jeweiligen Tankteilen sitzen, einen Raumwinkel der grosser als TT ist einschliessen und entlang einer
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    mittigen Ebene (18) geteilt sind. 2946771
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rumpfteile der Auflagereinrichtungen (A, B,C,D) lotrecht unbeweglich mit dem Rumpf des Fahrzeuges verbunden sind.
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