ES2321080T3 - Recipientes mejorados y metodos para contener fluidos a presion usando fibras reforzadas y metodos para obtener tales recipientes. - Google Patents

Recipientes mejorados y metodos para contener fluidos a presion usando fibras reforzadas y metodos para obtener tales recipientes. Download PDF

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Abstract

Un recipiente (5) adecuado para almacenar un fluido a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho recipiente: a) un forro (10) que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y b) una vasija (12) que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, caracterizado porque dichos materiales compuestos tienen un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a través del grosor de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz.

Description

Recipientes mejorados y métodos para contener fluidos a presión usando fibras reforzadas y métodos para obtener tales recipientes.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a recipientes mejorados y a métodos para contener fluidos a presión, y a métodos para obtener tales recipientes. Más particularmente, la presente invención se refiere a recipientes que comprenden un forro que se autosoporta y una sobre-envoltura de material compuesto que soporta carga, por lo cual se proporcionan medios para evitar sustancialmente la ruptura del recipiente durante cambios de temperatura entre la temperatura ambiente y alrededor de -123ºC, y a métodos para contener fluidos a presión usando tales recipientes, y a métodos para obtener tales recipientes. En algunas realizaciones, la invención se refiere a recipientes mejorados y a métodos para almacenar gas natural licuado a presión (PLNG). Tal recipiente se conoce desde el documento US-A-6145692.
Antecedentes de la invención
En la siguiente memoria descriptiva se definen diversos términos. Por conveniencia, se proporciona aquí, inmediatamente antes de las reivindicaciones, un Glosario de términos.
La patente de los Estados Unidos de América nº 6.085.528 (la "Patente de PLNG"), titulada "Sistema mejorado para procesar, almacenar y transportar gas natural licuado", describe recipientes y vasijas de transporte para el almacenamiento y transporte marino de gas natural licuado a presión (PLNG) a una presión en el intervalo amplio de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura en el intervalo amplio de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC. Los recipientes descritos en la Patente de PLNG se construyen de aceros de baja aleación, con resistencia ultra-elevada, que contienen menos de 9% en peso de níquel, y que tienen resistencias a la tracción mayores que 830 MPa y unas DBTT (una medida de la tenacidad, como se define en el Glosario) menor que alrededor de -73ºC. Como se discute en la Patente de PLNG, a las presiones y temperaturas de funcionamiento preferidas de la invención descritas allí, se puede usar acero con un contenido de níquel de alrededor de 3½% en peso en las áreas de operación más frías de una planta de PLNG para las tuberías e instalaciones del proceso, mientras que generalmente se requiere para el mismo equipo en una planta de LNG convencional (es decir, una planta para producir LNG a presión atmosférica y alrededor de -162ºC) acero con un contenido de níquel de 9% en peso, más caro, o aluminio. Preferiblemente, los aceros de baja aleación, de alta resistencia, con resistencia y tenacidad en la fractura adecuadas en las condiciones de funcionamiento de la planta de PLNG, se usan para construir las tuberías y componentes asociados (por ejemplo, bridas, válvulas, y accesorios), vasijas a presión, y otro equipo de la planta de PLNG, a fin de proporcionar una ventaja económica con respecto a una planta de LNG convencional. La patente de los Estados Unidos de América nº 6.212.891 (la "Patente de los Componentes del Proceso"), titulada "Componentes del proceso, recipientes y tuberías adecuadas para contener y transportar fluidos a temperaturas criogénicas", describe componentes del proceso, recipientes, y tuberías adecuados para contener y transportar fluidos a temperaturas criogénicas. Más particularmente, la Patente de los Componentes del Proceso describe componentes del proceso, recipientes y tuberías que se construyen a partir de aceros de baja aleación, de resistencia ultra-elevada, que contienen menos de 9% en peso de níquel y que tienen resistencias a la tracción mayores que 830 MPa y unas DBTT menores que alrededor -73ºC. La patente de los Estados Unidos nº 6.460.721 (la "Patente de Recipientes con Forro que no Soporta Cargas"), titulada "Sistemas y métodos para producir y almacenar gas natural licuado a presión", describe recipientes y vasijas de transporte para el almacenamiento y transporte marino de gas natural licuado a presión (PLNG) a una presión en el intervalo amplio de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura en el intervalo amplio de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC. Los recipientes descritos en la Patente de Recipientes con Forro que no Soporta Cargas se construyen a partir de (a) una vasija que soporta carga, hecha de un material compuesto, siendo dicha vasija adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC; y (b) un forro que sustancialmente no soporta cargas, en contacto con dicha vasija, proporcionando dicho forro una barrera sustancialmente impermeable a dicho gas natural licuado a presión.
La Patente de PLNG y la Patente de los Componentes del Proceso utilizan aceros de baja aleación, de resistencia ultra-elevada, como el tema conector entre la planta de PLNG y los recipientes usados para almacenar y transportar el PLNG. Si el uso de los aceros para construir los recipientes no proporcionase un medio comercialmente viable para almacenar y transportar el PLNG en vasijas marinas, entonces cualquier uso de los aceros en la planta carecería de sentido, puesto que no habría ningún mecanismo para transportar comercialmente el PLNG producido por la planta. A la inversa, aunque el uso de los aceros en la planta de PLNG genera algunos ahorros económicos con respecto a las operaciones de LNG convencionales, el beneficio económico más sustancial deriva de la enorme simplificación (y consiguientes reducciones de coste) en la planta. Debido a su diseño relativamente simple, la planta de PLNG es sustancialmente más barata que una planta de LNG convencional de capacidad similar. Adicionalmente, aunque el uso de los aceros en el sistema de transporte de PLNG es comercialmente viable y genera algunos ahorros económicos con respecto a las operaciones de LNG convencionales, el peso de los recipientes de acero es elevado en comparación con el de su carga de PLNG, dando como resultado un factor de comportamiento (PF) de carga-capacidad de carga relativamente bajo. El PF para recipientes de almacenamiento de fluidos comprimidos se refiere a la presión ejercida por la carga (P) al volumen (V) del recipiente y el peso (W) del recipiente mediante la ecuación PF=PV/W. Lo que actualmente falta en el sistema de PLNG de todo acero (es decir, planta más transporte) es una combinación de la planta de PLNG con un coste bajo, un PF mas elevado, un sistema de transporte a base de un recipiente que sea capaz de manipular el PLNG.
Para construir vasijas a presión sobreenvueltas con material compuesto de peso ligero se usan fibras de alto rendimiento, que ofrecen relaciones de resistencia a peso elevadas. Tales vasijas a presión de peso ligero se han usado ampliamente en la industria aeroespacial y para sistemas de mantenimiento de la vida, tales como aparatos de respiración de emergencia para bomberos profesionales, mineros, y trabajadores de rescate. Estas vasijas a presión también se usan para oxígeno portátil para aplicaciones médicas y para tripulantes de cabina y pasajeros. Seal et al. (patente U.S. nº 5.822.838) describe las dos tecnologías principales usadas en el diseño de tales sistemas de contención de gas a alta presión. El primer enfoque, el más prevalente, usa forros metálicos delgados (por ejemplo aluminio) que se deforman durante el ciclo del servicio debido a que cada ciclo de presión da como resultado una tensión de la fibra/material compuesto mayor que el límite elástico (o capacidad elástica) del forro. Esto limita generalmente el ciclo de vida del forro, y por tanto de la vasija a presión. En este enfoque, el forro no soporta cargas; esencialmente no proporciona contribución para llevar la carga estructural, sino sólo sirve como una barrera de permeación para el gas para la vasija a presión. Tales forros están típicamente unidos al material compuesto. En el segundo enfoque, se selecciona para el forro un material con un intervalo elástico mayor con relación a la tensión de la fibra durante el servicio a presión. Esto aumenta la vida del forro, puesto que el forro sigue siendo elástico durante los ciclos de presión de funcionamiento. También se requiere que el forro comparta la carga estructural, y por lo tanto se caracteriza por soportar carga. Típicamente, el material compuesto se aplica sólo en la dirección del aro, puesto que el forro debe de ser suficientemente grueso para que funcione en el intervalo elástico. Seal et al. prefieren un forro de titanio. Tanto la patente U.S. 5.577.630 (Blair et al.) como la patente U.S. 5.798.156 (Mitlitsky et al) describen vasijas a presión de material compuesto, forradas, para almacenar y transportar gas natural comprimido.
El uso en el servicio criogénico de tales vasijas a presión sobreenvueltas con material compuesto introduce otro problema inherente en el diseño, debida la diferencia en el CTE, o coeficiente de expansión o contracción térmica, del material del forro y del material compuesto. Los valores típicos de CTE son alrededor de -5,6 x 10^{-7} m/m/K para un material compuesto de fibra de carbono, alrededor de 3,3 x 10^{-6} m/m/K para material compuesto de fibra de vidrio, y alrededor de 7,2 x 10^{-6} m/m/K para el aluminio. A medida que una vasija a presión de material compuesto típica se enfría hasta temperaturas criogénicas, el forro, que es típicamente de aluminio, tiende a contraerse más que el material compuesto, provocando que el forro se separe de los devanados y provocando subsiguientemente la ruptura prematura. Los enfoques innovadores para resolver el problema del CTE son el objeto de varias patentes, por ejemplo la patente U.S nº 4.835.975 (Windecker), la patente U.S. nº 3.830.180 (Bolton), la patente U.S. nº 4.073.400 (Brook et al). Por ejemplo, Windecker (patente U.S. nº 4.835.975) propone usar un forro de acero con bajo contenido de carbón (que tiene un CTE de alrededor de 3,1 x 10^{-6} m/m/K) y un material compuesto de fibra de vidrio que tiene un CTE comparable, para evitar el problema.
La patente U.S. 3.830.180 ("Bolton") explica el uso de una configuración de vasija cilíndrica de material compuesto de doble pared para el transporte de LNG regular, es decir, LNG a presión atmosférica y a temperaturas de alrededor de -162ºC. Sin embargo, la pared interna, que soporta carga, de la vasija de Bolton se diseña para una presión máxima de aproximadamente 0,34 a 0,41 MPa, y de este modo la vasija de Bolton no es adecuada para el transporte y almacenamiento de PLNG. Además, Bolton no trata sobre el material del forro, sino que propone el uso de un material plástico, tal como una tubería de FRP (tubería de plástico reforzado con fibra), u otro material adecuado "capaz de soportar una exposición y esfuerzo a temperaturas criogénicas" para la construcción de las paredes interna y externa de la vasija; sin embargo, el uso de FRP necesita el uso de un forro, puesto que la resina para el FRP se microagrietará a temperaturas criogénicas y no será impermeable al producto, como será familiar para los expertos en la técnica.
S.G. Ladkany, en "Composite Aluminium-Fiber-glass Epoxy Pressure Vessels for Transportation of LNG at Intermediate Temperature", publicado en Advances in Cryogenic Engineering, Materials, volumen 28 (Proceedings of the 4^{th} International Cryogenic Materials Conference), San Diego, California, USA, 10 de agosto de 1981-14 de agosto de 1981, describe el diseño de vasijas a presión para el transporte de gas natural licuado (LNG) en condiciones de presión y temperatura entre las condiciones críticas, 191 K, 4,69 MPa, y condiciones atmosféricas, 106 K, 0,1 MPa. El diseño de Ladkany consiste en una vasija de aluminio de 47 mm de grosor, reforzada circunferencialmente con capas de 17 mm de grosor de epoxi de fibra de vidrio de resistencia elevada, o capas de 51 mm de grosor de sobreenvoltura de poliéster de vidrio poltruido y endurecidas para que no se produzca alabeo mediante marcos circunferenciales que se colocan a intervalos de 2,16 m. Los marcos que proporcionan rigidez también se usan para soportar estructuralmente y sujetar la vasija puesta libremente en pie durante el transporte y el funcionamiento. Los forros metálicos para la vasija a presión enrollada con aro comparten carga, y no están unidos a la sobreenvoltura de material compuesto. Por lo tanto, los marcos que proporcionan rigidez son necesarios para la resistencia al alabeo, lo que añade complejidad al diseño y limita el tamaño de la vasija a presión. Ladkany opta por una vasija a presión de aluminio soldada, para contener el LNG a temperatura intermedia.
La patente U.S. 5.499.739 (Greist III et al) trata sobre un forro termoplástico obtenido de un material de nylon 6 o nylon 11 modificado, para uso en una vasija a presión para controlar la permeación del gas y permitir el funcionamiento a temperaturas bajas, cuyo extremo bajo es -40ºC. La patente U.S. 5.658.013 (Bees et al.) trata sobre un tanque de combustible para vehículos para conservar y suministrar un combustible tanto líquido como gaseoso, y sugiere que se podrían usar en su construcción materiales completamente compuestos, o reforzados con fibra de vidrio. Los combustibles líquidos explicados en la patente son combustibles líquidos convencionales a temperatura y presión ambiente. Tanto Bees et al. como Mitlitsky et al., previamente citados, proponen forros a base de polímeros, revestidos con metal, que proporcionan mejora adicionales en los factores de comportamiento de sustancias/vasijas. Sin embargo, la complejidad y por tanto el coste elevado del proceso de deposición metálica y del proceso de fabricación del forro hace a los tanques/vasijas de Bees et al. y Mitlitsky et al. adecuados principalmente para aplicaciones en las que la capacidad maximizada para llevar una carga es el objetivo principal y, de este modo, el peso bajo del tanque/vasija es de gran valor. La patente U.S. 5.695.839 (Yamada et al.) describe un recipiente de material compuesto que tiene una propiedad de barrera para gas, en el que el material de envasado para constituir tal recipiente tiene una estructura en láminas, y se dispone o se interpone en la estructura en láminas una capa de un material, tal como una hoja metálica de aluminio. Sin embargo, ninguno de los recipientes explicados en estas publicaciones se diseñan para que contengan fluidos que están a temperaturas menores que -40ºC y presiones elevadas, tales como las temperaturas y presiones de PLNG.
El gas natural licuado convencional ("LNG") se transporta típicamente por mar a temperaturas de -162ºC y a presión atmosférica usando tanques esféricos o casi esféricos (a menudo denominados esferas de Moss) hechos de aluminio o acero capaces de un servicio criogénico. La presión de servicio para estos tanques esféricos es demasiado baja para la aplicación de PLNG. El diseño de tanques muy grandes para la presión de servicio de PLNG usando materiales convencionales presenta retos de fabricación debido a los grosores excepcionalmente grandes de material requeridos. Los recipientes para almacenar y transportar PLNG como se describe en la patente de PLNG se construyen a partir de aceros de baja aleación, de resistencia ultra-elevada. Sin embargo, a pesar de la elevada resistencia de los aceros usados en la construcción de los recipientes de PLNG descritos en la patente de PLNG, el peso de un sistema de contención usando estos recipientes será elevado con relación a la carga, y restringirá el diseño del barco a través de parámetros tales como el calado y estabilidad. Además, estos recipientes probablemente serán cilíndricos y tendrán diámetros pequeños, con relación a un recipiente de LNG con forma de esfera de Moss típico, y de este modo probablemente requerirán una interconexión con materiales de grado criogénico en un número más pequeño de recipientes para simplificar la carga y la descarga. Además, la disposición de los recipientes cilíndricos probablemente afectará al diseño geométrico del barco, afectando al coeficiente de bloque del barco y por tanto incrementando el requisito de potencia, y obstruyendo la visibilidad desde el cuarto de máquinas. Como se usa aquí, el coeficiente de bloque del barco se define como V/(L)(B)(T), en el que V el volumen de fluido desplazado por el barco, L es la longitud entre las perpendiculares del barco, B es el haz del barco y T es el calado del barco.
La Patente del Forro que no Soporta Carga propone un diseño de sistema de contención alternativo basado en recipientes de material compuesto de altas prestaciones, de bajo peso, con forros que no soportan carga. El peso reducido mejora el diseño del barco, eliminando restricciones relacionadas con el peso. Sin embargo, la complejidad de fabricación de los recipientes de material compuesto forrados de forma delgada limita el tamaño y geometría de los recipientes, e incrementa de ese modo la complejidad de los requisitos de las tuberías e impacto sobre el diseño geométrico del barco.
A pesar de los avances mencionados anteriormente en la tecnología, incluso aquellos que proporcionan sistemas y métodos para producir y almacenar gas natural licuado a presión (PLNG), sería ventajoso tener recipientes mejorados y métodos para almacenar y transportar PLNG.
Por lo tanto, un objeto de esta invención es proporcionar tales recipientes y métodos mejorados. Otros objetos de esta invención serán manifiestos mediante la siguiente descripción de la invención.
Sumario de la invención
En una realización de esta invención, se proporciona un recipiente adecuado para almacenar un fluido a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho recipiente: (a) un forro que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga, en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y teniendo dichos materiales compuestos un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a través del grosor de dicha vasija que soporta carga, a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz. En una realización, dicha vasija que soporta carga de dicho coeficiente tiene una capa de sobreenvoltura más externa que consiste esencialmente en fibras de carbono o de un material que proporciona un comportamiento de reptación similar al que proporcionarían las fibras de carbono. En otra realización, el elemento (b) de dicho recipiente se sustituye por lo siguiente: (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y comprendiendo de dichos materiales compuestos un material intermedio en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, en el que dicho material intermedio tiene una resistencia por esfuerzo al cizallamiento adecuado para evitar sustancialmente la fractura de dicho recipiente durante los cambios de temperatura entre la temperatura ambiente y alrededor de -123ºC. En otra realización, dicho forro que se autosoporta de dicho recipiente se obtiene de un material que consiste esencialmente de aluminio y un elemento (b)se sustituye por lo siguiente: (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, (v) polietileno de peso molecular ultra-elevado. En otra realización, dicho forro que se autosoporta de dicho recipiente se obtiene de un material que consiste esencialmente en un acero que tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa y una temperatura de transición de dúctil a frágil menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor tras la soldadura, y el elemento (b) se sustituye por lo siguiente: (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuesto, y siendo adecuada para soportar presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida y (v) polietileno de peso molecular ultra-elevado.
El recipiente de esta invención se puede usar para almacenar un gas natural licuado a presión, a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa, y a una temperatura alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC.
También se proporciona un método para obtener un recipiente adecuado para almacenar un fluido a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho método las etapas de: (a) construir un forro que se autosoporta, siendo adecuado dicho forro que se autosoporta para proporcionar una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y teniendo dichos materiales compuestos un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a través de los grosores de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz. En otra realización, la etapa (b) de dicho método se sustituye por lo siguiente: (b) sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo adecuada dicha vasija que soporta carga para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y comprendiendo dichos materiales compuestos un material intermedio en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, en el que dicho material intermedio tiene una resistencia o esfuerzo al cizallamiento adecuado para sustancialmente evitar la fractura de dicho recipiente durante los cambios de temperatura entre la temperatura ambiente y alrededor de -123ºC. En otra realización de dicho método, dicho forro que se autosoporta de la etapa (a) se obtiene de un material que consiste esencialmente en aluminio, y la etapa (b) se sustituye por lo siguiente: (b) sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultra-elevado. En otra realización de dicho método, dicho forro que se autosoporta de la etapa (a) se obtiene de un material que consiste esencialmente en un acero que tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa, y una temperatura de transición dúctil a frágil menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor tras la soldadura, y la etapa (b) se sustituye por lo siguiente: (b) sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultra-elevado.
También se proporciona un método para obtener un recipiente (i) adecuado para almacenar un gas natural licuado a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho método las etapas de: (a) construir un forro que se autosoporta, siendo dicho forro que se autosoporta adecuado para proporcionar una barrera sustancialmente impermeable a dicho gas natural licuado a presión; y (b) sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y teniendo dichos materiales compuestos un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica que dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a lo largo del grosor de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz.
En aún otra realización de esta invención, se proporciona un método para almacenar un gas natural licuado a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC comprendiendo dicho método las etapas de contender dicho gas natural licuado a presión en al menos un recipiente, comprendiendo dicho al menos un recipiente (a) un forro que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho gas natural licuado a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y teniendo dichos materiales compuestos un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a lo largo del grosor de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz. En otra realización de dicho método, dicho al menos un recipiente comprende (a) un forro que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y comprendiendo dichos materiales compuestos un material intermedio en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, en el que dicho material intermedio tiene una resistencia o esfuerzo al cizallamiento adecuado para evitar sustancialmente la fractura de dicho recipiente durante cambios entre la temperatura ambiente y alrededor de -123ºC. En otra realización de dicho método, dicho al menos un recipiente comprende (a) un forro que se autosoporta, hecho de un material que consiste esencialmente de aluminio y que proporciona una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultra-elevado. En otra realización de dicho método, dicho al menos un recipiente comprende (a) un forro que se autosoporta hecho de un material que consiste esencialmente en un acero que tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa y una temperatura de transición de dúctil a frágil menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor tras la soldadura, y que proporciona una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida y (v) polietileno de peso molecular ultra-elevado.
A diferencia del enfoque convencional que usa un forro que no soporta carga, el diseño del recipiente de esta invención usa un forro metálico que se autosoporta sobreenvuelto con fibras de material compuesto de altas prestaciones con una resina criogénica. Como se usa aquí, la expresión "que se autosoporta" con relación a un forro significa que es capaz de mantener su integridad estructural mientras soporta su propio peso. Una vez que se aplica la sobre-envoltura, el material compuesto proporciona una resistencia adicional al alabeo para el recipiente. Por ejemplo, haciendo referencia a la Fig. 6, que es una gráfica que tiene una abscisa 60 que representa el grosor del forro en milímetros, y una ordenada 61 que representa la presión de colapso en libras por pulgada al cuadrado, la línea 62 muestra la línea de presión crítica, la línea 63 muestra la presión de colapso para un forro que tiene un diámetro de 10 metros, la línea 64 muestra la presión de colapso para un forro que tiene un diámetro de 20 metros, y la línea 65 muestra la presión de colapso para un forro que tiene un diámetro de 40 metros. Se pueden usar otros criterios, además de la presión de colapso, para determinar si un forro de un recipiente se autosoporta, como es familiar para los expertos en la técnica. Como se usa aquí, la expresión "altas prestaciones", con relación a materiales compuestos o fibras, significa que tiene una resistencia a la tracción mayor que alrededor de 3401 MPa y un módulo mayor que alrededor de 136054 MPa. Una realización comprende un tanque esférico básico para LNG, sobreenvuelto con un material compuesto de altas prestaciones para proporcionar los requisitos de integridad estructural para el recipiente de PLNG. Las ventajas y características de esta invención se describen más claramente en lo siguiente.
El propio forro proporciona el soporte estructural principal para las fuerzas impuestas por la tensión en las fibras a medida que se envuelven sobre el forro. Las fibras que se envuelven sobre el forro contribuyen al soporte. El forro puede soportar algo de las cargas ejercidas por los fluidos a presión y a temperatura criogénica contenidos en el recipiente. Como es familiar para los expertos en la técnica, los detalles del diseño, tales como el grosor del forro, o el porcentaje de carga que soportará el forro, se determinan por el experto en la técnica basándose en los materiales que comprenden el forro y la sobreenvoltura de material compuesto, y en otros factores que son familiares para los expertos en la técnica.
En segundo lugar, se proporcionan varios enfoques de diseño innovadores para resolver las diferencias de CTE entre el forro metálico y el material compuesto. En una realización, las diferencias de CTE se gradúan mediante el uso de materiales intermedios de matriz-fibra que tienen un CTE sustancialmente igual que el CTE del forro en la interfaz con el forro, y que disminuyen gradualmente el CTE a medida que aumenta la distancia. En otra realización, la capa de sobreenvoltura más externa consiste esencialmente en fibras de carbono para un comportamiento mejorado de reptación, o de un material que proporcione un comportamiento similar de reptación como el que proporcionarían las fibras de carbono. El diseño de material de matriz-fibra comprende una mezcla de fibra híbrida entre capas, en la que se mezclan dentro de la capa (o apilamiento) fibras de carbono y de vidrio. Esto tiene el efecto beneficioso añadido de lograr una buena compactación para el material compuesto. Una variación de este enfoque híbrido es el mezclamiento entre capas, mediante el cual se usan capas alternantes de diferentes fibras. Una tercera variación implica una fracción de resina diferente para los laminados: los laminados adyacentes al forro tienen una fracción de resina mayor que los laminados más lejos del forro, y la fracción de resina en los laminados que se extienden más lejos del forro se reduce gradualmente a medida que aumenta la distancia desde el forro. La resina se puede formular especialmente con propiedades de CTE personalizadas, para potenciar el comportamiento de cada capa de material compuesto o laminado. En el caso en el que se use un forro de aluminio, este enfoque reconoce la relativamente gran diferencia de CTE entre el aluminio y la fibra de carbono, una fibra preferida para este diseño debido a su mejor comportamiento de reptación, y la diferencia relativamente pequeña de CTE entre el aluminio y la fibra de vidrio. Como se usa aquí, el término "reptación" significa esfuerzo dependiente del tiempo provocado por tensión.
En otra realización, el forro que se autosoporta se diseña para soportar las cargas críticas de alabeo para la aplicación. En consecuencia, la interfaz entre el forro metálico y la sobreenvoltura de material compuesto se deja sin unir. Esto difiere de los diseños de recipientes de materiales compuestos forrados convencionales, en los que el forro que no soporta carga se une a la sobreenvoltura de material compuesto con un adhesivo que puede soportar el cizallamiento de la interfaz asociado con la aplicación; esto se hace para mitigar la fractura del forro, evitando la separación del forro de la sobreenvoltura de material compuesto.
En aún otra realización, la capa de sobreenvoltura más externa consiste esencialmente en fibras de carbono para un comportamiento de reptación mejorado, o un material que proporcione un comportamiento similar de reptación como el que proporcionarían las fibras de carbono. Una capa intermedia de predominantemente fibra de vidrio se coloca entre la sobreenvoltura de fibra de carbono más externa y el forro hecho de aluminio capaz de servicio criogénico. El proceso de auto-fretaje se una para proporcionar un esfuerzo previo compresivo residual en el forro hasta un grado que desvía la contracción térmica diferencial del sistema. Sin la capa intermedia de fibra de vidrio, el esfuerzo previo compresivo residual sería inadecuado para desviar la contracción diferencial mucho más elevada entre el aluminio y el carbono. Los siguientes datos para un diseño de vasija a presión esférica que usa aluminio 5083-0, ilustra este punto. Se desarrolló una interfaz que soporta una presión de 34 kPa de tensión entre el aluminio y el material compuesto de fibra de carbono cuando la vasija a presión se enfrió hasta -95ºC. Esto resulta después de una presión de auto-fretaje de 5,78 MPa, seguido de una presión de prueba de 5,1 MPa, ambas a temperatura ambiente. La presión de soporte correspondiente tras volver a unir desde la presión de prueba 340 kPa en compresión. El vidrio asegura una presión de soporte positiva en la interfaz, evitando de ese modo la fisura de la línea de unión. La baja resistencia a la fluencia del aluminio, limita el preesfuerzo compresivo residual inducido en el forro después del proceso de auto-fretaje.
En otra realización de esta invención, la capa de sobreenvoltura más externa consiste esencialmente en fibras de carbono para un comportamiento de reptación mejorado, o un material que proporciona un comportamiento de reptación similar al que proporcionarían las fibras de carbono. El forro usa un material de elevada resistencia a la fluencia, permitiendo de ese modo que se induzca un preesfuerzo compresivo residual mucho mayor. Este preesfuerzo mayor desplaza esencialmente la contracción diferencial entre el forro y el carbono, y esencialmente no se requiere en la interfaz ningún material intermedio, tal como fibra de vidrio o adhesivo entre el forro y el material compuesto de carbono. Además de la elevada resistencia a la fluencia, el material debe tener una tenacidad adecuada a baja temperatura. Preferiblemente, tal material con elevada resistencia a la fluencia tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa y una temperatura de transición de dúctil a frágil ("DBTT") menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor ("HAZ") después de la soldadura, si la hay. Los materiales ejemplares que cumplen los requisitos de resistencia a la fluencia y DBTT se exponen en las Publicaciones Internacionales n^{os} WO 99/32672, WO 00/39352, WO 99/32670, WO 00/40764, WO 99/32671, WO 00/37689, y WO 99/05335, y en las patentes U.S. n^{os} 6251198, 6254698, 6066212, 6159312, y 6264760. En las Publicaciones Internacionales n^{os} WO 01/63974, WO 99/05335, y WO 00/56498, y en las patentes U.S. n^{os} 6114656 y 6336583 se exponen técnicas de soldadura útiles para unir tales aceros. Otros aceros y técnicas de soldadura adecuados pueden existir o se pueden desarrollar después. Todos los citados aceros y técnicas de soldadura están dentro del alcance de la presente invención. Al final de la Descripción Detalla de Invención se proporciona un ejemplo no limitante de acero para forro y soldadura.
El diseño propuesto tiene varias ventajas con respecto al sistema de contención PLNG convencional a base de acero, incluyendo lo siguiente: (i) se simplifica el proceso de fabricación; (ii) el peso del sistema de contención se reduce, lo que impacta favorablemente en el diseño del barco de transporte; (iii) los requisitos de tuberías del producto se simplifican tremendamente; (iv) el esquema de carga se simplifica también; y (v) se reduce el requisito de aislamiento.
Descripción de los dibujos
Las ventajas de la presente invención se comprenderán mejor haciendo referencia a la siguiente descripción detallada y a los dibujos que se acompañan, en los que:
La Fig. 1 es una sección transversal de un recipiente según esta invención que tiene una geometría esférica;
La Fig. 2A es una vista frontal en sección transversal de un recipiente según esta invención que tiene una geometría esférica y está localizado en el casco de una vasija de transporte de PLNG;
La Fig. 2B es una vista lateral en sección transversal de una disposición en un casco de vasija de transporte de PLNG de varios recipientes según esta invención que tienen geometrías esféricas;
La Fig. 2C es una vista superior en sección transversal de una disposición en un casco de vasija de transporte de PLNG de varios recipientes según esta invención que tienen geometrías esféricas;
La Fig. 3 es una sección trasversal de un recipiente según esta invención que tiene una geometría esferoidal oblonga;
La Fig. 4 es una sección transversal de un recipiente según esta invención que tiene semicúpulas geodésicas-isotensoides unidas a una sección cilíndrica relativamente corta;
La Fig. 5 ilustra con vistas en corte una realización de un recipiente según esta invención que tiene una geometría cilíndrica y semicúpulas geodésicas-isotensoides;
La Fig. 6 es una gráfica que muestra la relación entre la presión de colapso del forro del recipiente, el grosor del forro del recipiente, y el diámetro del forro del recipiente;
La Fig. 7A es una vista frontal en sección transversal de una disposición en un casco de vasija de transporte de PLNG de recipientes situados horizontalmente según esta invención, que tienen geometrías cilíndricas;
La Fig. 7B es una vista lateral en sección transversal de una disposición en un casco de vasija de transporte de PLNG de recipientes situados horizontalmente según esta invención, que tienen geometrías cilíndricas;
La Fig.7C es una vista superior en sección transversal de una disposición en un casco de vasija de transporte de PLNG de recipientes situados horizontalmente según esta invención, que tienen geometrías cilíndricas;
La Fig. 8A ilustra una gráfica de profundidad crítica de un defecto para una longitud dada del defecto, en función de la tenacidad a la fractura de CTOD y de esfuerzo residual; y
La Fig. 8B ilustra la geometría (longitud y profundidad) de un defecto.
Aunque la invención se describirá en relación con estas realizaciones preferidas, se entenderá que la invención no está limitada a ellas. Por el contrario, se pretende que la invención cubra todas las alternativas, modificaciones y equivalentes que se puedan incluir dentro del espíritu y alcance de la presente descripción, como se define mediante las reivindicaciones anejas.
Descripción detallada de la invención Sobreenvoltura de material compuesto
La sobreenvoltura de material compuesto en un recipiente según esta invención proporciona preferiblemente el soporte estructural principal para las cargas de funcionamiento. La sobreenvoltura de material compuesto es preferiblemente un sistema de material que comprende fibras de altas prestaciones en una matriz de resina capaz de un servicio a temperatura criogénica. Como se usa aquí, "temperatura criogénica" significa cualquier temperatura de alrededor de -62ºC y más fría. Un ejemplo de tal resina es la resina criogénica epoxídica CTD 525. Para esta invención se han diseñado dos clases de sistemas de material.
La primera clase de sistemas de material comprende: (i) una fibra de altas prestaciones, seleccionada preferiblemente de las siguientes fibras (carbono, vidrio, kevlar, aramida, UHMWP); y (ii) una resina termo-endurecible (tal como la resina criogénica epoxídica CTD-525). Una realización usa fibra de carbono de altas prestaciones tal como TORAY T-700, GRAFIL 34-600 o ZOLTEK PANEX 35 para un mejor comportamiento de reptación. Esta primera clase de sistema de material se caracteriza por un valor constante de CTE. Por ejemplo, el valor medio de CTE, medido para un laminado de carbono/resina epoxídica entre la temperatura ambiente y -73ºC, es 1,1 x 10^{-7} m/m/K. Este valor da como resultado típicamente un desemparejamiento con varios forros metálicos y particularmente con aluminio y los aceros de elevada resistencia a la fluencia expuestos aquí, es decir, aceros que tienen una residencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa.
La segunda clase de sistemas de material se caracteriza por valores personalizables de CTE, y comprende combinaciones de fibras (mezclando diferentes fibras tales como vidrio y carbono) con diversas combinaciones de resina. Las combinaciones de resina pueden comprender resinas sustancialmente puras, así como resinas con aditivos diseñados para afectar al CTE de la resina. Mediante la optimización juiciosa de los parámetros, tales como la relación de fibras, la fracción de resina, y el contenido de aditivo, se obtiene un valor de CTE preferido. Los valores de CTE medidos representativos son, por ejemplo sin limitar aquí esta invención, 7,2 x 10^{-6} m/m/K para el aluminio, 18,8 x 10^{-6} m/m/K para resina pura, y 1,1 x 10^{-7} m/m/K para carbono. El procedimiento de optimización requerido es familiar para los expertos en la técnica basándose en los parámetros de comportamiento deseados de recipiente a construir. Además, los diferentes laminados de la sobreenvoltura se ajustan a diferentes valores del CTE, dando como resultado una gradación del CTE desde la interfaz con el forro hacia la superficie exterior de la sobreenvoltura. Esta gradación se diseña para lograr un esfuerzo aceptable entre láminas. Este valor aceptable se puede determinar a partir de técnicas analíticas tales como el análisis de elementos finitos detallado (análisis de FEA), como es familiar para los expertos en la técnica.
El uso de la segunda clase de materiales permite el uso de materiales de forro con cualquier característica del CTE. Al contrario, el valor fijo del CTE característico de la primera clase de materiales restringe su uso a forros que aproximen mucho sus CTE, tales como forros hechos de INVAR. El valor medio del CTE para INVAR es del mismo orden de magnitud que el carbono 5,0 x 10^{-7} m/m/K, en comparación con 1,1 x 10^{-7} m/m/K. Otro aspecto de esta invención es el uso de un material intermedio, con una capacidad elevada para el esfuerzo, es decir, una capacidad de absorción de la energía de tensión mayor que alrededor de 34 Julios por metro cuadrado, en la interfaz entre el forro y el sistema de material de la primera clase.
Forro metálico
El forro metálico de un recipiente según esta invención sirve preferiblemente para tres funciones principales: (i) proporciona una barrera impermeable para el fluido contenido; (ii) proporciona el soporte estructural principal requerido durante el proceso de bobinado debido a la tensión en las fibras; y (iii) proporciona un soporte estructural al menos parcial para la carga de funcionamiento. Además, el forro proporciona al menos parcialmente un soporte estructural para las cargas de funcionamiento impuestas por la presión interna debido al PLNG, así como cargas externas tales como las debidas a los movimientos del barco.
Haciendo referencia a la Fig.5, una realización de un recipiente 5 según esta invención comprende una vasija 12 de material compuesto y un forro 10 hecho de un material sustancialmente impermeable, tal como aluminio o los aceros de resistencia a la fluencia expuestos aquí, es decir, aceros que tienen una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa, que proporciona una barrera para PLNG contenido en el recipiente 5. En esta realización, la vasija 12 de material compuesto soporta la carga estructural, incluyendo la carga de presión interna, del recipiente 5. El forro 10 está rodeado completamente por la vasija 12 de material compuesto, y por lo tanto es una vasija a presión completamente envuelta. Se puede diseñar una alternativa envuelta con aros, en cuyo caso el forro 10 tiene un tamaño para que soporte toda la carga en las secciones de semicúpula. El recipiente 5 se protege preferiblemente mediante un revestimiento 14 externo hecho de un material capaz de proteger a la vasija 12 de material compuesto de la humedad, ácidos, rayos ultravioletas y otros peligros medioambientales, según sea necesario. Por ejemplo, sin limitar esta invención, el revestimiento 14 más externo se podría fabricar de poliuretano. El recipiente 5 también puede incluir la provisión para un sistema de soporte. Por ejemplo, se puede proporcionar una protuberancia de refuerzo (no mostrada en la Fig. 5) en el extremo inferior del recipiente 5, para que haga de interfaz con una cubierta de soporte (no mostrada en la Fig. 5). El diseño de la cubierta de soporte puede tener cualquier diseño típico, como será familiar para los expertos en la técnica. Preferiblemente, cualquier protuberancia de refuerzo añadida se enrolla integralmente con la vasija 12 de material compuesto. Esto proporciona un beneficio económico significativo, y también una resistencia estructural e integridad de la interfaz mejoradas entre un sistema de soporte y un recipiente 5. Se proporciona una boquilla 20, preferiblemente en un extremo superior del recipiente 5, para permitir penetraciones en el recipiente 5, por ejemplo para la carga o descarga de PLNG. En una realización, la boquilla 20 deriva de una protuberancia metálica (no mostrada en la Fig. 5) instalada antes de enrollar el material compuesto que forma la vasija 12 de material compuesto. La protuberancia metálica se sobre-envuelve con el material compuesto proporcionando una interfaz estanca a pérdidas y de elevada resistencia para el acceso en el recipiente 5.
En una realización alternativa, una orientación horizontal para recipientes según esta invención sobre una vasija 90 de transporte marino maximiza el volumen de carga y da como resultado un casco más delgado en la vasija 90 de transporte, como se ilustra en la Fig. 7A - Fig. 7C. Refiriéndose ahora a la Fig. 7B, las longitudes de los recipientes 92 orientados horizontalmente se definen preferiblemente de forma que cada recipiente 92 se pueda soportar en dos puntos, por ejemplo los puntos 93 y 94. A la vista del movimiento complejo de una vasija 90 de transporte de PLNG, se prefiere un sistema simple de soporte de dos puntos para los recipientes 92 orientados horizontalmente, como será familiar para los expertos en la técnica. También como será familiar para los expertos en la técnica, el sistema de soporte de dos puntos impone limitaciones sobre las longitudes de los recipientes 92. Cuando un proyecto requiere una capacidad de almacenamiento mayor que la proporcionada por recipientes de las longitudes permitidas por un sistema de soporte de dos puntos, un incremento moderado en la complejidad del sistema de soporte permite el uso de recipientes de mayores longitudes.
Como se ilustra en la Fig. 1, un recipiente 1 según esta invención, que comprende un forro 3 que se autosoporta y una sobreenvoltura 2 de material compuesto, puede tener una forma esférica. El recipiente 1 puede incluir una boquilla 4 para permitir penetraciones en el recipiente 1. Haciendo referencia ahora a la Fig. 2A - Fig. 2C, para una realización de cuatro recipientes 24 esféricos según esta invención a bordo de un barco 22 y que porta alrededor de 200.000 metros cúbicos de producto de PLNG, se ha encontrado que los siguientes parámetros geométricos para el forro (por ejemplo, el forro 3 que se autosoporta según se ilustra en la Fig. 1) satisfacen los requisitos del barco y de la carga así como los requisitos funcionales expuestos anteriormente del forro.
Diámetro - alrededor de 46 metros
Material del forro - aleación de aluminio 5.083-0.
Resistencia a la fluencia - alrededor de 190 MPa.
Grosor medio - alrededor de 45 mm
Contracción térmica unitaria (UTC) a 27ºC hasta -95ºC - alrededor de 0,256% o 2,56 mm/m.
La elección de aluminio en esta realización da como resultado un desemparejamiento sustancial del coeficiente de expansión térmica con una sobreenvoltura de carbono (UTC < 0,02%). Por lo tanto, el sistema de material compuesto preferido se escoge del conjunto en el que se personalicen diferentes laminados de la sobreenvoltura a diferentes valores de CTE, dando como resultado una gradación del CTE desde la interfaz del forro hacia la superficie exterior de la sobreenvoltura.
Haciendo referencia nuevamente a las Fig. 2A - Fig. 2C, para una realización alternativa de esta invención para los cuatro recipientes 24 esféricos en un barco 22 que lleva alrededor de 200.000 metros cúbicos de producto, se ha encontrado que los siguientes parámetros geométricos para el forro satisfacen los requisitos del barco y de la carga, así como los requisitos funcionales expuestos anteriormente del forro.
Diámetro - alrededor de 46 metros
Material del forro - INVAR-36 (aleación de hierro con 36% de níquel)
Resistencia a la fluencia - alrededor de 236,7 MPa
Resistencia a la rotura - alrededor de 432,7 MPa
Grosor medio - alrededor de 35 mm
Contracción térmica unitaria (UTC) hasta alrededor de 27ºC hasta alrededor de -162ºC - alrededor de 0,03% o 0,3 mm/m
Esta realización alternativa se diseña para un desemparejamiento mínimo del CTE con el sistema de material básico, tal como un sistema de fibra de carbono-epoxi como se define anteriormente.
En otra realización alternativa se ha encontrado que los siguientes parámetros geométricos para el forro satisfacen los requisitos de barco y de carga, así como los requisitos funcionales expuestos anteriormente del forro:
Diámetro - alrededor de 46 metros
Material del forro - un acero de elevada resistencia a la fluencia, como se explica aquí
Resistencia a la fluencia - alrededor de 816 MPa
Grosor medio - alrededor de 25,4 mm
Contracción térmica unitaria (UTC) a 27ºC hasta -95ºC - alrededor de 0,128% o 1,28 mm/m
Esta realización alternativa permite un esfuerzo previo compresivo residual mayor en el forro, para compensar la diferencia en contracción térmica entre el forro y la sobreenvoltura de carbono.
Una geometría alternativa, con respecto a la geometría esférica, para esta realización, es un cilindro con semicúpulas geodésicas-isotensoides. Un contorno geodésico-isotensoide es un contorno de cúpula en el que los filamentos se colocan en rutas geodésicas, de forma que los filamentos exhibirán tensiones uniformes a lo largo de su longitud bajo la carga de presión. La ruta geodésica es la distancia más corta entre dos puntos en una superficie. En consecuencia, esta geometría da como resultado un requisito reducido de la fibra (alrededor de 30% menor) con respecto a la configuración esférica. Además, el cilindro en forma de cúpula geodésica-isotensoide tiene una forma más eficaz para la utilización del espacio que una esfera. Haciendo referencia ahora a la Fig. 4, un recipiente 40 que tiene semicúpulas 41 geodésicas-isotensoides unidas a una sección 45 cilíndrica relativamente corta comprende un forro 43 que se autosoporta y una sobreenvoltura 42 de material compuesto. El recipiente 40 puede tener una boquilla 44. Haciendo referencia ahora a la Fig.3, un recipiente 30 que tiene una geometría esferoidal oblonga comprende un forro 33 que se autosoporta y una sobreenvoltura 32 de material compuesto. El recipiente 30 puede tener una boquilla 34.
Los beneficios del sistema de contención del material compuesto de esta invención para PLNG incluyen los siguientes. El diseño del barco se puede optimizar para la geometría y dimensiones de longitud de los recipientes de PLNG. El sistema de contención de material compuesto de esta invención se puede fabricar para las dimensiones únicamente largas requeridas para el transporte de PLNG, es decir, proporcionando una estructura que se autosoporta para un proceso de fabricación de enrollado de filamentos. También, el sistema se comporta estructuralmente en condiciones criogénicas debido a que se emparejan adecuadamente las diferencias de CTE entre el forro y el material de sobreenvoltura de material compuesto.
Ejemplo de acero de forro y soldadura
Como se describe en la patente U.S. nº 6066212 (y en la Publicación Internacional nº WO 99/32671 correspondiente), se proporciona un método para preparar una plancha de acero de fase dual, de resistencia ultra-elevada, que tiene una microestructura que comprenden alrededor de 10% en volumen hasta alrededor de 40% en volumen de una primera fase de sustancialmente 100% (es decir, sustancialmente pura o "esencialmente") de ferrita, y alrededor de 60% en volumen hasta alrededor de 90% en volumen de una segunda fase de martensita de listón de granos finos, bainita inferior de grano fino, o sus mezclas, en el que el método comprende las etapas de (a) calentar una plancha de acero hasta una temperatura de recalentamiento suficientemente elevada para (i) homogeneizar sustancialmente la plancha de acero, (ii) disolver sustancialmente todos los carburos y carbonitruros de niobio y vanadio en la plancha de acero, y (iii) establecer granos finos iniciales de austenita en la plancha de acero; (b) reducir la plancha de acero para formar una placa de acero en una o más pasadas por el rodillo caliente en un primer intervalo de temperatura en el que recristaliza la austenita; (c) reducir adicionalmente la plancha de acero en una o más pasadas de rodillo caliente en un segundo intervalo de temperatura por debajo de alrededor de la temperatura de T_{nr} y por encima de alrededor de la temperatura de transformación Ar_{3}; (d) reducir adicionalmente dicha plancha de acero en una o más pasadas por el rodillo caliente en un tercer intervalo de temperatura por debajo de alrededor de la temperatura de transformación Ar_{3} y por encima de alrededor de la temperatura de transformación Ar_{1} (es decir, el intervalo de temperatura intercrítica); (e) enfriar dicha placa de acero a una temperatura de enfriamiento de alrededor de 10ºC por segundo hasta alrededor de 40ºC por segundo hasta una temperatura de parada de enfriamiento (QST) preferiblemente por debajo de alrededor de la temperatura de transformación M_{s} más 200ºC; y (f) detener dicho enfriamiento. En otra realización de este ejemplo de acero, la QST está preferiblemente por debajo de alrededor de la temperatura de transformación M_{s} más 100ºC, y más preferiblemente está por debajo de alrededor de 350ºC. En una realización de este ejemplo de acero, la plancha de acero se deja enfriar al aire hasta la temperatura ambiente después de la etapa (f). Este procesamiento facilita la transformación de la microestructura de la plancha de acero hasta alrededor de 10% en volumen hasta alrededor de 40% en volumen de una primera fase de ferrita, y alrededor de 60% en volumen hasta alrededor de 90% en volumen de una segunda fase de martensita de listón predominantemente de grano fino, bainita inferior de grano fino, o sus mezclas. (Véase el Glosario para las definiciones de temperatura de T_{nr} o de las temperaturas de transformación Ar_{3}, Ar_{1}, y M_{s}).
Para asegurar una tenacidad a temperatura ambiente y criogénica, la microestructura de la segunda fase en aceros de este ejemplo de aceros, comprende predominantemente bainita inferior de grano fino, martensita de listón de grano fino, o sus mezclas. Es preferible minimizar sustancialmente la formación de constituyentes que proporcionen fragilidad, tales como bainita superior, martensita gemela y MA en la segunda fase. Como se usa en este ejemplo de acero, y las reivindicaciones, "predominantemente" significa al menos alrededor de 50 por ciento en volumen. El resto de la microestructura de la segunda fase puede comprender bainita inferior de grano fino adicional, martensita de listón de grano fino adicional, o ferrita. Más preferiblemente, la microestructura de la segunda fase comprende al menos alrededor de 60 por ciento en volumen hasta alrededor de 80 por ciento en volumen de bainita inferior de grano fino, martensita de listón de grano fino, o sus mezclas. Incluso más preferiblemente, la microestructura de la segunda fase comprende al menos alrededor de 90 por ciento en volumen de bainita inferior de grano fino, martensita de listón de grano fino, o sus mezclas.
Para obtener un acero según este ejemplo, se fabrica una tableta de acero de manera habitual y comprende hierro y los siguientes elementos formadores de aleación, preferiblemente en los intervalos de porcentajes en peso indicados en lo siguiente: 0,04-0,12 de carbón (C), más preferiblemente 0,04-0,07 C; 0,5-2,5 de manganeso (Mn), más preferiblemente 1,0-1,8 Mn; 1,0-3,0 de níquel (Ni), más preferiblemente 1,5-2,5 de N; 0,02-0,1 de niobio (Nb), más preferiblemente 0,02-0,05 de Nb; 0,008-0,03 de titanio (Ti), más preferiblemente 0,01-0,02 de Ti; 0,001-0,05 de aluminio (Al), más preferiblemente 0,005-0,03 de Al; y 0,002-0,005 de nitrógeno (N), más preferiblemente 0,002-0,003 de N. Algunas veces se añade al acero cromo (Cr) preferiblemente hasta alrededor de 1,0% en peso, y más preferiblemente alrededor de 0,2% en peso hasta alrededor de 0,6% en peso. Algunas veces se añade al acero molibdeno (Mo) preferiblemente hasta alrededor de 0,8% en peso y más preferiblemente alrededor de 0,1% en peso hasta alrededor de 0,3% en peso. Algunas veces se añade al acero silicio (Si), preferiblemente hasta alrededor de 0,5% en peso, más preferiblemente alrededor de 0,01 en peso hasta alrededor de 0,5% en peso, e incluso más preferiblemente alrededor de 0,05% en peso hasta alrededor de 0,1% en peso. Algunas veces se añade al acero cobre (Cu), preferiblemente en el intervalo de alrededor de 0,1% en peso hasta alrededor de 1,0% en peso, más preferiblemente en el intervalo de alrededor de 0,2% en peso hasta alrededor de 0,4% en peso. Algunas veces se añade al acero boro (B), preferiblemente hasta alrededor de 0,0020% en peso, y más preferiblemente alrededor de 0,0006% en peso hasta alrededor de 0,0010% en peso. El acero contiene preferiblemente al menos alrededor de 1% en peso de níquel. El contenido de níquel del acero se puede incrementar por encima de alrededor de 3% en peso si se desea potenciar el comportamiento tras la soldadura. Se espera que cada adición de 1% en peso de níquel reduzca la DBTT del acero en alrededor de 10ºC. El contenido de níquel es preferiblemente menor que 9% en peso, más preferiblemente menor que alrededor de 6% en peso. El contenido de níquel se minimiza preferiblemente a fin de minimizar el coste del acero. Si el contenido de níquel se incrementa por encima de alrededor de 3% en peso, el contenido de manganeso se puede disminuir por debajo de alrededor de 0,5% en peso hasta 0,0% en peso. Por lo tanto, en sentido amplio, se prefiere hasta alrededor de 2,5% en peso de manganeso.
Adicionalmente, preferiblemente los compuestos residuales se minimizan sustancialmente en el acero. El contenido de fósforo (P) es preferiblemente menor que alrededor de 0,01% en peso. El contenido de azufre (S) es preferiblemente menor que alrededor de 0,004% en peso. El contenido de oxígeno (O) es preferiblemente menor que alrededor de 0,002% en peso.
En un detalle en cierto modo mayor, un acero según este ejemplo de acero se prepara formando una tableta de la composición deseada; calentando la tableta hasta una temperatura desde alrededor de 955ºC hasta alrededor de 1065ºC; laminando en caliente la tableta para formar la plancha de acero en una o más pasadas proporcionando alrededor de 30 por ciento hasta alrededor de 70 por ciento de reducción en un primer intervalo de temperatura en el que recristaliza la austenita, es decir, por encima de alrededor de la temperatura de T_{nr}, laminando en caliente adicionalmente la plancha de acero en una o más pasadas proporcionando alrededor de 40 por ciento hasta alrededor de 80 por ciento de reducción en un segundo intervalo de temperatura por debajo de alrededor de la temperatura de T_{nr} y por encima de alrededor de la temperatura de transformación Ar_{3}, y laminando finalmente la plancha de acero en una o más pasadas para proporcionar alrededor de 15 por ciento hasta alrededor de 50 por ciento de reducción en el intervalo de temperatura intercrítica por debajo de alrededor de la temperatura de transformación de Ar_{3} y por encima de alrededor de la temperatura de transformación Ar_{1}. La plancha de acero laminada en caliente se enfría entonces a una velocidad de enfriamiento de alrededor de 10ºC por segundo hasta alrededor de 40ºC por segundo hasta una temperatura de parada en frío (QST) preferiblemente por debajo de alrededor de la temperatura de transformación M_{s} más 200ºC, en cuyo momento se termina el enfriamiento. En otra realización de este ejemplo, la QST está preferiblemente por debajo de alrededor de la temperatura de transformación M_{s} más 100ºC, y está más preferiblemente por debajo de alrededor de 350ºC. En una realización de este ejemplo de acero, la plancha de acero se deja enfriar al aire hasta la temperatura ambiente después de que se termina el enfriamiento.
Como se entiende por los expertos en la clínica, como se usa aquí, "porcentaje de reducción en grosor" se refiere a porcentaje de reducción en el grosor de la tableta de acero o de la plancha de acero antes de la reducción citada. Para los fines de explicación solamente, sin limitar de este modo este ejemplo, una tableta de acero de alrededor de 25,4 cm de grosor se puede reducir alrededor de 50% (una reducción de 50 por ciento), en un primer intervalo de temperatura, hasta un grosor de alrededor de 12,7 cm, y después se reduce alrededor de 80% (una reducción de 80 por ciento), en un segundo intervalo de temperatura, hasta un grosor de alrededor de 2,5 cm. Nuevamente, para fines de explicación solamente, sin limitar de ese modo este ejemplo, una tableta de acero de alrededor de 25,4 cm se puede reducir alrededor de 30% (una reducción de 30 por ciento) en un primer intervalo de temperatura, hasta un grosor de alrededor de 17,8 cm, y después se reduce alrededor de 80% (una reducción de 80 por ciento) en un segundo intervalo de temperatura, hasta un grosor de alrededor de 3,6 cm, y después se reduce alrededor de 30% (una reducción de 30 por ciento) en un tercer intervalo de temperatura, hasta un grosor de 2,5 cm. Como se usa aquí, "tableta" significa una pieza de acero que tiene cualquier dimensión.
Para este acero ejemplar, como se entiende por los expertos en la técnica, la tableta de acero se recalienta preferiblemente mediante un medio adecuado para elevar la temperatura de sustancialmente toda la tableta, preferiblemente toda la tableta, hasta la temperatura de recalentamiento deseada, por ejemplo colocando la tableta en un horno durante un período de tiempo. La temperatura de recalentamiento específica que se debería de usar se puede determinar fácilmente por una persona experta en la técnica, ya sea mediante experimento o mediante cálculo usando modelos adecuados. Adicionalmente, la temperatura del horno y el tiempo de recalentamiento necesarios para elevar la temperatura de sustancialmente toda la tableta, preferiblemente toda la tableta, hasta la temperatura de recalentamiento deseada se puede determinar fácilmente por una persona experta en la técnica mediante referencia a las publicaciones estándar de la industria.
Para este acero ejemplar, como se entiende por los expertos en la técnica, la temperatura que define la frontera entre el intervalo de recristalización y el intervalo de no recristalización, la temperatura Tar, depende de la química del acero, y más particularmente de la temperatura de recalentamiento antes del laminado, la concentración de carbono, la concentración de niobio y la cantidad de reducción dada en las pasadas de laminado. Las personas expertas en la técnica pueden determinar esta temperatura para cada composición de acero, ya sea mediante experimento o mediante cálculo con modelo. Igualmente, las temperaturas de transformación Ar_{1}, Ar_{3} y M_{s} citadas aquí se pueden determinar por las personas expertas en la técnica ya sea mediante experimentación o mediante cálculo con modelos.
Para este ejemplo de acero, como se entiende por los expertos en la técnica, excepto para la temperatura de recalentamiento, que se aplica a sustancialmente toda la tableta, las temperaturas subsiguientes citadas para describir los métodos de procesamiento de este ejemplo son temperaturas medidas en la superficie del acero. La temperatura de la superficie del acero se puede medir mediante el uso de un pirómetro óptico, por ejemplo, o mediante cualquier otro dispositivo adecuado para medir la temperatura superficial del acero.
Las velocidades de enfriamiento citadas aquí son aquellas en el centro, o sustancialmente en el centro, del grosor de la plancha; y la Temperatura de Parada de Enfriamiento (QST) es la temperatura más elevada, o sustancialmente la más elevada, alcanzada en la superficie de la plancha, después de que se detiene el enfriamiento, debido a que el calor se transmite desde el grosor medio de la plancha. Por ejemplo, durante el procesamiento de calores experimentales de una composición de acero según los ejemplos proporcionado aquí, se coloca en el centro un termopar, o sustancialmente en el centro, del grosor de la plancha de acero para la medida central de la temperatura, mientras que la temperatura de la superficie se mide mediante el uso de un pirómetro óptico. Se desarrolla una correlación entre la temperatura del centro y la temperatura de la superficie para uso durante un procesamiento subsiguiente de la misma, o sustancialmente la misma, composición de acero, de forma que la temperatura del centro se puede determinar vía una medida directa de la temperatura de la superficie. También, la temperatura requerida y el caudal del fluido refrigerante para lograr la velocidad de enfriamiento acelerada deseada se pueden determinar por la persona experta en la técnica mediante referencia a publicaciones estándar de la industria.
Una persona experta en la técnica tiene el conocimiento necesario y la habilidad para usar la información proporcionada aquí para producir planchas de acero de baja aleación, de resistencia ultra-elevada, que tienen una resistencia y tenacidad elevadas adecuadas para uso en forros de construcción según la presente invención.
Una persona experta en la técnica tiene el conocimiento y la pericia necesarios para usar la información proporcionada aquí para producir planchas de acero de baja aleación, de resistencia ultra-elevada, que tienen grosores modificados, en comparación con los grosores de las planchas de acero producidas según los ejemplos proporcionados aquí, a la vez que aún producen planchas de acero que tienen una resistencia elevada adecuada y una tenacidad a temperaturas criogénicas adecuada para uso en los forros de la presente invención. Otros aceros adecuados pueden existir o se pueden desarrollar en lo sucesivo. Todos los citados aceros están dentro del alcance de la presente invención.
Cuando se usa un acero de fase dual en la construcción de forros para recipientes sobre-envueltos con material compuesto según esta invención, el acero de fase dual se procesa preferiblemente de tal manera que el período de tiempo durante el cual el acero se mantiene en el intervalo de temperatura intercrítica con el fin de crear la estructura de fase dual se produce antes de la etapa de enfriamiento o paralización acelerada. Preferiblemente, el procesamiento es tal que la estructura de fase dual se forma durante el enfriamiento del acero entre la temperatura de transformación Ar_{3} hasta alrededor de la temperatura de transformación Ar_{1}. Una preferencia adicional para aceros usados en la construcción de forros según esta invención es que el acero tenga una resistencia a la fluencia mayor que 690 MPa y una DBTT menor que alrededor de -73ºC al terminar la etapa de enfriamiento o paralización acelerada, es decir, sin ningún procesamiento adicional que requiera un recalentamiento del acero, tal como el templado. Más preferiblemente, la resistencia a la fluencia del acero con la terminación de la etapa de paralización al enfriamiento es mayor que alrededor de 690 MPa.
A fin de unir un acero para construir un forro según la presente invención, se requiere un método adecuado para unir las planchas de acero. Se considera adecuado cualquier método de unión que proporcionará uniones con una resistencia y tenacidad adecuadas para la presente invención. Preferiblemente, se usa un método de soldadura adecuado para proporcionar una resistencia y tenacidad en la fractura adecuadas para contener el fluido que es contenido o transportado para construir los forros de la presente invención. Tal método de soldadura incluye preferiblemente un alambre consumible adecuado, un gas consumible adecuado, un proceso de soldadura adecuado y un procedimiento de soldadura adecuado. Por ejemplo, para unir las planchas de acero se pueden usar tanto una soldadura mediante arco metálico gaseoso (GMAW) y una soldadura mediante gas inerte de volframio (TIG), las cuales son ambas bien conocidas en la industria de la fabricación de aceros, con la condición de que se use una combinación de alambre-gas consumibles adecuados.
En un primer método de soldadura ejemplar, el proceso de soldadura mediante arco metálico gaseoso (GMAW) se usa para producir una química metálica soldada que comprende hierro y alrededor de 0,07% en peso de carbono, alrededor de 2,05% en peso de manganeso, alrededor de 0,32% en peso de silicio, alrededor de 2,20% en peso de níquel, alrededor de 0,45% en peso de cromo, alrededor de 0,56% en peso de molibdeno, menos de alrededor de 110 ppm de fósforo, y menos de alrededor de 50 ppm de azufre. La soldadura se fabrica en un acero, tal como cualquiera de los aceros descritos anteriormente, usando un gas de apantallamiento a base de argón con menos de alrededor de 1% en peso de oxígeno. La entrada de calor de la soldadura está en el intervalo de alrededor de 0,3 kJ/mm hasta alrededor de 1,5 kJ/mm. La soldadura mediante este método proporciona un soldado (véase el Glosario) que tiene una resistencia a la tracción mayor que alrededor de 900 MPa, preferiblemente mayor que alrededor de 930 MPa, más preferiblemente mayor que alrededor de 965 MPa, e incluso más preferiblemente al menos alrededor 1000 MPa. Además, la soldadura mediante este método proporciona un metal soldado con una DBTT por debajo de alrededor de -73ºC, preferiblemente por debajo de alrededor de -96ºC, más preferiblemente por debajo de alrededor de -106ºC, e incluso más preferiblemente por debajo de alrededor de -115ºC.
En otro método de soldadura de soldadura ejemplar, el proceso de GMAW se usa para producir una química de metal soldado que comprende hierro y alrededor de 0,10% en peso de carbono (preferiblemente menor que alrededor de 0,10% en peso de carbono, más preferiblemente de alrededor de 0,07 hasta alrededor de 0,08% peso de carbono), alrededor de 1,60% en peso de manganeso, alrededor de 0,25% en peso de silicio, alrededor de 1,87% en peso de níquel, alrededor de 0,87% en peso de cromo, alrededor de 0,51% en peso de molibdeno, menos de alrededor de 75 ppm de fósforo, y menos de alrededor de 100 ppm de azufre. La entrada de calor de soldadura está en el intervalo de alrededor de 0,3 kJ/mm hasta alrededor de 1,5 kJ/mm, y se usa un precalentamiento de alrededor de 100ºC. La soldadura se obtiene en un acero, tal como cualquiera de los aceros descritos anteriormente, usando un gas de apantallamiento a base de argón con menos de alrededor de 1% en peso de oxígeno. La soldadura mediante este método proporciona un soldado que tiene una resistencia a la tracción mayor que alrededor de 900 MPa, preferiblemente mayor que alrededor de 930 MPa, más preferiblemente mayor que alrededor de 965 MPa, e incluso más preferiblemente al menos alrededor 1000 MPa. Adicionalmente, la soldadura mediante este método proporciona un metal soldado con una DBTT por debajo de alrededor de -73ºC, preferiblemente por debajo de alrededor de -96ºC, más preferiblemente por debajo de alrededor de -106ºC, e incluso más preferiblemente por debajo de alrededor de -115ºC.
En otro método de soldadura ejemplar, se usa el proceso de soldadura mediante gas inerte de volframio (TIG) para producir una química de metal soldado que contiene hierro y alrededor de 0,07% en peso de carbono (preferiblemente menor que alrededor de 0,07% en peso de carbono), alrededor de 1,80% en peso de manganeso, alrededor de 0,20% en peso de silicio, alrededor de 4,00% en peso de níquel, alrededor de 0,5% en peso de cromo, alrededor de 0,40% en peso de molibdeno, alrededor de 0,02% en peso de cobre, alrededor de 0,02% en peso de aluminio, alrededor de 0,010% en peso de titanio, alrededor de 0,015% en peso de circonio (Zr), menos de alrededor de 50 ppm de fósforo, y menos de alrededor de 30 ppm de azufre. La entrada de calor de soldadura está en el intervalo de alrededor de 0,3 kJ/mm hasta alrededor de 1,5 kJ/mm, y se usa un precalentamiento de alrededor de 100ºC. La soldadura se obtiene en un acero, tal como cualquiera de los aceros descritos anteriormente, usando un gas de apantallamiento a base de argón con menos de alrededor de 1% en peso de oxígeno. La soldadura mediante este método proporciona un soldado que tiene una resistencia a la tracción mayor que alrededor de 900 MPa, preferiblemente mayor que alrededor de 930 MPa, más preferiblemente mayor que alrededor de 965 MPa, e incluso más preferiblemente al menos alrededor 1000 MPa. Además, la soldadura mediante este método proporciona un metal soldado con una DBTT por debajo de alrededor de -73ºC, preferiblemente por debajo de alrededor de -96ºC, más preferiblemente por debajo de alrededor de -106ºC, e incluso más preferiblemente por debajo de alrededor de -115ºC.
Se pueden obtener químicas de metal soldado similares a las mencionadas en los ejemplos usando cualquiera de los procesos de soldadura de GMAW o TIG. Sin embargo, se anticipa que las soldaduras mediante TIG tienen un contenido de impurezas menor y una microestructura mucho más refinada que las soldaduras mediante GMAW, y de este modo tenacidades mejoradas a baja temperatura.
Una persona experta en la técnica tiene el conocimiento y la pericia requeridos para usar la información proporcionada aquí para soldar planchas de acero de aleación baja, de resistencia ultra-elevada, para producir uniones que tienen una resistencia y una tenacidad en la fractura elevadas adecuadas para uso en la construcción de los forros de la presente invención. Pueden existir o se pueden desarrollar después otros métodos de unión o de soldadura adecuados. Tales métodos de unión o soldadura están dentro del alcance de la presente invención.
Como será familiar para los expertos en la técnica, las condiciones de funcionamiento tomadas en consideración en el diseño de los forros de recipientes sobreenvueltos con materiales compuestos construidos a partir de un acero soldado para almacenar y transportar fluidos criogénicos a presión, tales como PLNG, incluyen, entre otros, la presión y temperatura de funcionamiento, así como esfuerzos adicionales que es probable que se impongan sobre el acero y las soldaduras (véase el Glosario). Las mediciones mecánicas de fractura estándares, tales como (i) el factor de intensidad de esfuerzo crítico (K_{IC}), que es una medida de la tenacidad en la fractura frente al esfuerzo en el plano, y (ii) el desplazamiento de abertura de la punta de grieta (CTOD), que se pueden usar para medir la tenacidad en la fractura de plásticos elásticos, que son familiares por los expertos en la técnica, se pueden usar para determinar la tenacidad en la fractura del acero y de las soldaduras. Los códigos de industria generalmente aceptables para el diseño de estructuras de acero, por ejemplo, como se presentan en la publicación BSI "Guidance on methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures", a menudo denominado como "PD 6493 : 1991", se pueden usar para determinar los tamaños máximos permitidos de defectos para el forro basándose en la tenacidad en la fractura del acero y soldadura (incluyendo HAZ) y los esfuerzos impuestos sobre el forro. Una persona experta en la técnica puede desarrollar un programa de control de la fractura para mitigar el inicio de la fractura mediante (i) el diseño apropiado del forro para minimizar esfuerzos impuestos, (ii) el control de calidad de la fabricación apropiado para minimizar los defectos, (iii) el control apropiado de las cargas de ciclo de vida y presiones aplicados al forro, y (iv) un programa de inspección apropiado para detectar de forma fiable defectos e imperfecciones en el forro. Una filosofía de diseño preferida para el sistema de la presente invención es "gotear antes de romper", como es familiar para los expertos en la técnica. Estas consideraciones generalmente se denominan aquí como "principios conocidos de mecánica de fracturas".
Lo siguiente es un ejemplo no limitante de aplicación de estos principios conocidos de mecánica de fractura en un procedimiento para calcular la profundidad de defecto crítica para una longitud de defecto dada para uso en un plan de control de fractura para evitar el inicio de fractura en un forro según esta invención.
La Fig. 8B ilustra un defecto de una longitud 315 de defecto y una profundidad 310 de defecto. Se usó PD6493 para calcular los valores para la gráfica 300 del tamaño crítico de defecto mostrada en la Fig. 8A (que tiene una abscisa 302 que representa la tenacidad en la fractura CTOD en mm, y una ordenada 301 que representa la profundidad de defecto crítica en mm) basándose en las siguientes condiciones de diseño para una vasija a presión o un forro según esta invención:
Diámetro de vasija: 4,57 m
Grosor de la pared de la vasija: 25,4 mm
Presión de diseño: 3445 kPa
Esfuerzo de aro permitido: 333 MPa
Para los fines de este ejemplo, se supone una longitud de defecto superficial de 100 mm, por ejemplo un defecto axial localizado en una soldadura de costura. Refiriéndose ahora a la Fig. 8A, la gráfica 300 muestra el valor para una profundidad de defecto crítica como una función de la tenacidad en la fractura CTOD y del esfuerzo residual, para niveles de esfuerzo residual de 15 por ciento de esfuerzo de fluencia (línea 303), 50 por ciento de esfuerzo de fluencia (línea 304), y 100 por cien de esfuerzo de fluencia (línea 305). Los esfuerzos residuales se pueden generar debido a la fabricación y soldadura; y PD6493 recomienda el uso de un valor de esfuerzo residual de 100 por cien de esfuerzo de fluencia en las soldaduras (incluyendo la soldadura HAZ), excepto que las soldaduras estén aliviadas de su esfuerzo usando técnicas tales como un tratamiento tras el calor de soldadura (PWHT) o un alivio del esfuerzo mecánico.
Basándose en la tenacidad de la fractura de CTOD del acero a la temperatura de servicio mínima, la fabricación del forro se puede ajustar para reducir los esfuerzos residuales, y se puede implementar un programa de inspección (tanto para la inspección inicial como para la inspección en el servicio) para detectar y medir defectos por comparación frente al tamaño crítico de defectos. En este ejemplo, si el acero tiene una tenacidad de CTOD de 0,025 mm a la temperatura de servicio mínima (según se mide usando probetas de laboratorio), y los esfuerzos residuales se reducen en 15 por ciento de la resistencia a la fluencia del acero, entonces el valor para la profundidad de defecto crítica es aproximadamente 4 mm (véase el punto 320 en la Fig. 8A). Tras procedimientos de cálculos similares, como son bien conocidos por los expertos en la técnica, se pueden determinar las profundidades de defecto críticas para diversas longitudes de defecto, así como diversas geometrías de defecto. Usando esta información, se puede desarrollar un programa de control de calidad y un programa de inspección (técnicas, dimensiones detectables de defectos, frecuencia) para asegurar que se detectan y se remedian los defectos antes de alcanzar la profundidad crítica de defecto, o antes de la aplicación de las cargas de diseño. Basándose en las correlaciones empíricas publicadas entre CVN, K_{IC} y la tenacidad en la fractura CTOD, la tenacidad de CTOD de 0,025 mm generalmente se correlaciona con un valor de CVN de alrededor de 37 J. Este ejemplo no pretende limitar de ningún modo esta invención.
Para forros que requieren la flexión del acero, por ejemplo en una forma cilíndrica, el acero se flexiona preferiblemente en la forma deseada a temperatura ambiente a fin de evitar afectar de forma perjudicial la excelente tenacidad a temperatura criogénica del acero. Si el acero se debe de calentar para lograr la forma deseada tras la flexión, el acero se calienta preferiblemente a una temperatura no mayor que alrededor de 600ºC, a fin de conservar los efectos beneficiosos de la microestructura del acero como se describe anteriormente.
Aunque esta invención es muy adecuada para el almacenamiento y transporte de PLNG, no está limitada a esto; más bien, esta invención es adecuada para el almacenamiento y transporte de cualquier fluido, incluyendo fluidos criogénicos, fluidos a presión, y fluidos a presión criogénicos. Adicionalmente, aunque la invención se ha descrito en términos de una o más realizaciones preferidas, se entenderá que se pueden realizar otras modificaciones sin separarse del alcance de la invención, que se expone en las reivindicaciones más abajo.
Glosario de términos
Temperatura de transformación Ar_{1:} la temperatura a la que se completa durante el enfriamiento la transformación de austenita en ferrita, o en ferrita más cementita;
Temperatura de transformación Ar_{3}: la temperatura a la que la austenita comienza a transformarse en ferrita durante el enfriamiento;
CNG: gas natural comprimido;
Coeficiente de expansión o contracción térmica: el incremento en volumen de un volumen unitario de un sólido para una elevación de temperatura de 1º a presión constante;
Reptación: tensión dependiente del tiempo causada por el esfuerzo;
Temperatura criogénica: cualquier temperatura de alrededor de -62ºC y más fría;
CTE: coeficiente de expansión o contracción térmica;
DBTT (Temperatura de Transición de Dúctil a Frágil): delinea los dos regímenes de fractura en aceros estructurales; a temperaturas por debajo de la DBTT, la ruptura tiende a producirse mediante fractura por escisión a baja energía (frágil), mientras que a temperaturas por encima de la DBTT, la ruptura tiende a ocurrir mediante fractura dúctil de alta energía.
Comportamiento elevado: con respecto a materiales compuestos o fibras, significa que tiene una resistencia a la tracción mayor que alrededor de 3410 MPa, y un módulo mayor que alrededor que alrededor de 136054 MPa;
INVAR: un material que consiste esencialmente en hierro y níquel.
ksi: miles de libras por pulgada al cuadrado.
LNG: gas natural licuado a presión atmosférica y alrededor de -162ºC;
Temperatura de transformación M_{s}: la temperatura a la que comienza durante el enfriamiento la transformación de austenita en martensita;
msi: millones de libras por pulgada al cuadrado;
Patente de Recipientes con Forro que no Soporta Carga: patente U.S. nº 6.460.721.
PLNG: gas natural licuado a presión, a una presión en el amplio intervalo de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa, y a una temperatura en el amplio intervalo de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC;
Patente de PLNG: patente U.S. nº 6.085.528:
Patente de Componentes del Proceso: patente U.S. nº 6.212.891;
psi: libras por pulgada al cuadrado.
Que se autosoporta: con respecto a un forro, significa que es capaz de mantener su integridad estructural a la vez que soporta su propio peso;
Coeficiente de bloque del barco: V/(L)(B)(T) en el que V es el volumen de fluido desplazado por el barco, L es la longitud entre las perpendiculares del barco, B es el haz del barco y T es el perfil del barco;
Temperatura T_{nr}: la temperatura por debajo de la cual no cristaliza la austenita;
Soldadura: una junta soldada, que incluye: (i) el metal soldado, (ii) la zona afectada por el calor (HAZ), y (iii) el metal base en la "vecindad cercana" de la HAZ. La porción del metal base que se considera en la "vecindad próxima" de la HAZ, y por lo tanto una parte de la soldadura, varía dependiendo de factores conocidos por los expertos en la técnica, por ejemplo, sin limitación, la anchura de la soldadura, el tamaño del artículo que se soldó, el número de soldaduras requeridas para fabricar el artículo y la distancia entre soldaduras.

Claims (15)

1. Un recipiente (5) adecuado para almacenar un fluido a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho recipiente:
a)
un forro (10) que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y
b)
una vasija (12) que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC,
caracterizado porque dichos materiales compuestos tienen un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a través del grosor de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz.
2. Un recipiente según la reivindicación 1, en el que dicha vasija que soporta carga tiene una capa de sobre-envoltura más externa que consiste esencialmente en fibras de carbono o en un material que proporciona un comportamiento de reptación similar al que proporcionarían las fibras de carbono.
3. Un recipiente según la reivindicación 1, en el que el elemento (b) se sustituye por lo siguiente:
b)
una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y comprendiendo dichos materiales compuestos un material intermedio en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, en el que dicho material intermedio tiene una resistencia o esfuerzo al cizallamiento adecuado para evitar sustancialmente la ruptura de dicho recipiente durante cambios de temperatura entre la temperatura ambiente y alrededor de -123ºC.
4. Un recipiente según la reivindicación 1, en el que dicho forro que se autosoporta se obtiene de un material que consiste esencialmente en aluminio, y el elemento (b) se sustituye por lo siguiente:
b)
una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, seleccionándose dichos materiales compuestos que comprenden fibras del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultraelevado.
5. Un recipiente según la reivindicación 1, en el que dicho forro que se autosoporta se obtiene de un material que consiste esencialmente en acero que tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa, y una temperatura de transición de dúctil a frágil menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor después de la soldadura, y el elemento (b) se sustituye por lo siguiente:
b)
una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultraelevado.
6. Uso del recipiente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, para almacenar un gas natural licuado a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC.
7. Un método para obtener un recipiente (5) adecuado para almacenar un fluido a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho método las etapas de:
a)
construir un forro (10) que se autosoporta, siendo dicho forro que se autosoporta adecuado para proporcionar una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y
b)
sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija (12) que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC,
caracterizado porque dichos materiales compuestos tienen un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a través el grosor de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia desde dicha interfaz.
8. Un método según la reivindicación 7, en el que la etapa (b) se sustituye por lo siguiente:
b)
sobre-envolver dicho forro que se autosoporta con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y comprendiendo dichos materiales compuestos un material intermedio en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, en el que dicho material intermedio tiene una resistencia o esfuerzo al cizallamiento adecuadas para evitar sustancialmente la fractura de dicho recipiente durante cambios en la temperatura entre la temperatura ambiente y alrededor de -123ºC.
9. Un método según la reivindicación 7, en el que dicho forro que se autosoporta de la etapa (a) se obtiene de un material que consiste esencialmente en aluminio, y la etapa (b) se sustituye por lo siguiente:
b)
sobre-envolver dicho forro que se autosoporta, con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultraelevado.
10. Un método según la reivindicación 7, en el que dicho forro que se autosoporta de la etapa (a) se obtiene de un material que consiste esencialmente en un acero que tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa y una temperatura de transición de dúctil a frágil menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor tras la soldadura, y la etapa (b) se sustituye por lo siguiente:
b)
sobre-envolver dicho forro que se autosoporta, con materiales compuestos adecuados para formar una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, siendo dicha vasija que soporta carga adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultraelevado.
11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, para obtener un recipiente adecuado para almacenar un gas natural licuado a presión a una presión de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC.
12. Un método para almacenar un gas natural licuado a presión a una presión de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y a una temperatura de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dicho método las etapas de contener dicho gas natural licuado a presión en al menos un recipiente (5), comprendiendo dicho al menos un recipiente (a) un forro (10) que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho gas natural licuado a presión; y (b) una vasija (12) que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, caracterizado porque dichos materiales compuestos tienen un coeficiente de expansión térmica (i) que es sustancialmente el mismo que el coeficiente de expansión térmica de dicho forro que se autosoporta en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, y (ii) que disminuye gradualmente a lo largo del grosor de dicha vasija que soporta carga a medida que aumenta la distancia del de dicha interfaz.
13. Un método según la reivindicación 12, en el que dicho al menos un recipiente comprende (a) un forro que se autosoporta, proporcionando dicho forro que se autosoporta una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, y comprendiendo dichos materiales compuestos un material intermedio en la interfaz con dicho forro que se autosoporta, en el que dicho material intermedio tiene una resistencia o esfuerzo a cizallamiento adecuadas para evitar sustancialmente la ruptura de dicho recipiente durante cambios de temperatura entre la temperatura ambiente y alrededor de
-123ºC.
14. Un método según la reivindicación 12, en el que dicho al menos un recipiente comprende (a) un forro que se autosoporta, hecho en un material que consiste esencialmente en aluminio y que proporciona una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga a partir de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultraelevado.
15. Un método según la reivindicación 12, en el que dicho al menos un recipiente comprende (a) un forro que se autosoporta hecho de un material que consiste esencialmente en un acero que tiene una resistencia a la fluencia de al menos alrededor de 690 MPa y una temperatura de transición de dúctil a frágil menor que alrededor de -62ºC en el material base y en su zona afectada por el calor tras la soldadura, y que proporciona una barrera sustancialmente impermeable a dicho fluido a presión; y (b) una vasija que soporta carga en contacto con dicho forro que se autosoporta, obteniéndose dicha vasija que soporta carga de materiales compuestos, y siendo adecuada para soportar presiones de alrededor de 1035 kPa hasta alrededor de 7590 kPa y temperaturas de alrededor de -123ºC hasta alrededor de -62ºC, comprendiendo dichos materiales compuestos fibras seleccionadas del grupo que consiste en (i) carbono, (ii) vidrio, (iii) kevlar, (iv) aramida, y (v) polietileno de peso molecular ultraelevado.
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