JP5153313B2 - 流体収容用タンクの封止障壁の実際の多孔質度を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、液化ガスなどの流体用の熱絶縁された流体収容タンクおよび「メンブレンタンク」として知られているタンクの技術分野に関する。この種のタンクはメタンタンカーなどの輸送容器の外殻内に装備される。

さらに詳細には、本発明はこのタンクの封止層の１つの実際の多孔質度を測定する方法に関する。

添付図１を参照して、このタンクの壁の構造を簡単に説明する。図１は液化ガスを収容するタンクの壁断面の概要図である。

液化ガスＧ、例えばメタンはタンク２０内に貯蔵され、その壁２は任意の適切な固定手段を用いて容器の外殻１に固定される。

容器の外殻は単一外殻またはさらに一般的には二重外殻構造とすることができる。図１において、参照符号１は外殻の内部壁を指す。これはタンクの支持構造として働き、以降、本明細書および請求項でそのように呼ばれる。

壁２は支持構造１からタンク内部に向かって、
第２熱絶縁層６、
第２封止障壁５、
第１熱絶縁層４、および
第１封止障壁３
を含む。

熱絶縁層４および６に用いられる材料は、多孔質構造を有するポリウレタン発泡体などの細胞質絶縁材料と、層を剛性化する合板とすることができる。

第１および第２絶縁層４および６の目的は、蒸発速度を制限するために外部環境に対して液化ガスを熱的に絶縁して低温に保つことである。例として、メタンは約−１６０℃の温度で輸送される。

第２封止障壁５は、例えば、熱絶縁層４と６との間に接着された可撓性または硬質シートの形態を取る材料から構成される。材料の一例として、商品名「Ｔｒｉｐｌｅｘ」として知られている材料を挙げることができ、これは、２枚のガラス繊維の間に挟まれた連続的な薄い金属シートを含む。

第１封止障壁３は金属条板の組み立て体から形成することができる。

液化ガスＧと直接接触する第１封止障壁３の目的は、液化ガスの収容を確実にするためであり、第２封止障壁５は同じ役割を有するが、この第１封止障壁３を通過する漏洩がある場合にのみ作用する。

最後に、第２熱絶縁層６は、例えば、図示されないピンおよび／または接着剤ビーズによって支持構造１に固定することができる。

さらに、添付図２に示すように、不活性気体、例えば気体状態の窒素または乾燥空気が第１および第２絶縁層４、６の自由空間４０、６０中に導入され、この気体は制御された圧力に保たれる。

「自由空間」は、絶縁材料および取り付け手段によって占拠されない容積を意味する。詳細には、この絶縁層４および６を構成する絶縁材料の隣接要素間に自由空間４０、６０が存在する。

図２は、液化ガス用貯蔵タンク２０および不活性気体の圧力制御手段の概要を示す。

第２熱絶縁層６の自由空間６０内の不活性気体の圧力は、この気体用の供給弁６０１と排出弁６０２によって制御され、これらの２つの弁は層６に関して「第２」と呼ばれる。

同様に、第１熱絶縁層４の自由空間４０内の不活性気体の圧力は、この気体用の供給弁４０１と排出弁４０２によって制御され、これらの２つの弁は「第１」弁として知られている。

これらの弁はまた、図に示されない制御システムによって制御される。

第２封止障壁５が完全に漏洩防止型（ｌｅａｋ−ｐｒｏｏｆ）であれば第１と第２の２つの空間（エンクロージャ）には流体連絡がない。

この第２封止障壁５の一体性は重要であり、第１封止障壁３の損傷の際に容器の安全性を保証するために制御される。

絶縁層４、６に存在する不活性気体は絶縁層の自由空間を所定の選択された圧力に維持し、自由空間に液化ガスＧの漏れがないことをチェックするために用いられる。

この目的のために、不活性気体のサンプルを周期的にまたは連続的に採取し、サンプル気体を分析してタンク２０で輸送される気体Ｇを含まないことを検証する。言い換えれば、例えば、窒素がメタンを含まないことを確認するためにチェックが行われる。

第２封止障壁５の一体性を検証する知られている技術は、「正規化多孔質面積」測定すなわちＮＰＡとして当業者に知られている測定の実施からなる。

「正規化多孔質面積」（ＮＰＡ）は、「液化ガスが外殻の支持構造に達することを防止するが、気体（気体状で）はそれを通過できるようにその品質（多孔質性）が許容されるものとなされる、５０００ｍ^２の封止障壁の全ての漏れと同じ上記液化ガスＧの漏れを与える１つの孔の面積に等しい値」と定義される。

それは平方メートル（ｍ^２）で表される。

実際には、この測定はタンク２０が空で周囲温度と大気圧のとき行われる。

第２熱絶縁層６の自由空間は真空下、すなわち、１０２０ミリバール（約１０^５Ｐａ）程度の通常の大気圧に対して約−５００ミリバール（−５．１０^４Ｐａ）に置かれる。次いで、第２熱絶縁層６の自由空間が通常の大気圧に対して−４５０ミリバールから通常の大気圧に対して−３００ミリバールに上昇する所要時間の測定が行われる。

次いで、以下の式を適用して、正規化多孔質面積（ＮＰＡ）の値の計算が行われる。
不活性気体が２１℃の窒素であるとき、
Ｎ．Ｐ．Ａ＝（１，１８８×１０^−３×Ｖ_ＩＳ）／（Ａ_ＳＢ×ΔＴ）
不活性気体が２１℃の空気であるとき、
Ｎ．Ｐ．Ａ＝（１，２１０×１０^−３×Ｖ_ＩＳ）／（Ａ_ＳＢ×ΔＴ）
式中、Ａ_ＳＢは関係するタンクの第２封止障壁５の面積であり（ｍ^２で表される）、
Ｖ_ＩＳは第２熱絶縁層６内の自由容積（自由空間）であり（ｍ^３で表される）、
ΔＴは圧力が通常の大気圧に対して−４５０ミリバールから通常の大気圧に対して−３００ミリバールに上昇する所要時間（時間で表される）である。

次に、この値を経時的にタンク中で行われる冷凍サイクル数に応じて変化する参照値と比較する。このようにしてタンクが必要な安全基準を継続して満足するかどうかを決定することが可能である。

しかしながら、封止障壁５の一体性をチェックするこの技術は、タンク２０が空でありタンクが周囲温度であるとき、容器の運転期間を除く容器が技術的に停止状態にあるときだけ実施できることを意味する。

ここで、容器の停止期間はコスト高であり、僅かであり間隔が遠いので、最小にしなければならない。

したがって、本発明の目的は、容器を技術的な停止状態にする必要がなく、液化ガスの貯蔵タンクを排出して周囲温度にする必要がなく、タンクの第２封止障壁の実際の多孔質性測定を容器の運転中に実施することのできる方法を提供することである。したがって、本目的は、第２封止障壁の漏洩防止品質を実時間で確認できることである。

この目的のために、本発明は、容器の支持構造に組み込まれ、「メンブレンタンク」として知られている、液化ガスなどの流体を収容するための熱絶縁されたタンクの壁の、液体と気体のための「第２」と呼ばれる封止障壁の１つの実際の多孔質度を測定する方法に関し、このタンクは、液体および気体に対して漏洩防止型であり、タンクに収容された流体に直接接触する「第１」と呼ばれる障壁、およびこの第２障壁のいずれかの側に配置された、「第１」および「第２」層と呼ばれる２つの熱絶縁層を含み、第２絶縁層はこの支持構造に固定されるように設計され、不活性気体が第１と第２の２つの熱絶縁層の各々の自由空間内に存在し、第１と第２の２つの熱絶縁層の各々の自由空間内の圧力が、「第１」供給弁および排出弁と呼ばれる弁、およびこの不活性気体用の「第２」供給弁および排出弁として知られている弁によってそれぞれ制御される。

本発明によれば、方法は、
（ａ）測定を可能にするように、第１絶縁層の自由空間内の圧力を参照値の範囲内に維持し、および第２絶縁層の自由空間内の圧力を、圧力差ΔＰだけ上記第１絶縁層の自由空間内に存在する値以外の圧力に維持するように上記弁の開閉を制御する段階と、
（ｂ）第２層の気体の供給弁と排出弁が閉じられ、タンクの使用条件が一定に保たれる少なくとも一期間、第２絶縁層の自由空間内の少なくとも圧力Ｐと絶対温度Ｔの値の２つの異なる瞬間を測定して、第２絶縁層の自由空間内の平均圧力Ｐ_ｍと平均温度Ｔ_ｍの計算を可能にする段階と、
（ｃ）以下の式、

（式中、ｄＰ／ｄｔは第２絶縁層の自由空間内の圧力Ｐの変化率であり、Ｖは第２絶縁層の自由空間内の容積であり、Ｍは不活性気体の分子質量であり、Ｒは理想気体定数である）を用いて、上記第２封止障壁の実際の多孔質度ＰＯを計算する段階からなる段階を含む。

単一または組み合わせた本発明の他の利点および非制限的な特性によれば、第２絶縁層の自由空間内の温度変化ｄＴ／ｄｔ、および同じ空間に取り込まれた周期的または連続的な監視サンプルに起因する圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）_ＰＲＥを勘案して、ｄＰ／ｄｔ測定に補正が行われて、
（ｄＰ／ｄｔ）_ｃ＝（ｄＴ／ｄｔ×Ｐ_ｍ／Ｔ_ｍ）＋（ｄＰ／ｄｔ）_ＰＲＥが得られ、
上記第２封止障壁の実際の多孔質度（ＰＯ）は以下の式を用いて計算される。

段階（ａ）の間に、上記供給弁と排出弁は第１絶縁層の自由空間内の圧力を通常の大気圧に近い値に維持するように制御され、第２絶縁層の自由空間内の圧力を正の圧力差ΔＰだけ上記第１絶縁層の自由空間内に存在する圧力を超える値に維持する。

上記供給弁と排出弁および不活性気体用の第２供給弁と排出弁の開閉は、圧力差ΔＰが約０．５〜４ミリバール（５０〜４００Ｐａ）であるように制御され、
上記供給弁と排出弁および不活性気体用の第２供給弁と排出弁の開閉は、圧力差ΔＰが約２〜４ミリバール（２００〜４００Ｐａ）であるように制御され、
第２気体供給弁は、圧力差ΔＰが２００Ｐａ未満のとき開かれ、圧力差ΔＰが３００Ｐａに近いとき閉じられ、不活性気体用の第２排出弁は圧力差ΔＰが４００Ｐａを超えるとき開かれ、圧力差ΔＰが３００Ｐａに近いとき閉じられ、
不活性気体は窒素である。

本発明の他の特徴および利点は、情報のためだけであり、非制限的に本発明の可能な一実施形態を示す添付図面を参照して、以下の説明から明らかになるであろう。

本発明によれば、第１絶縁層４の自由空間４０内の圧力および第２絶縁層６の自由空間６０内の圧力は、測定の安定性を達成するように、以下に述べる基準にしたがって制御され、その間、上記第２絶縁層６の自由空間内の圧力と温度を広範囲で安定に測定することが可能になる。

さらに詳細には、不活性気体用の供給弁４０１、６０１と排出弁４０２、６０２の開閉は、第１絶縁層４の自由空間４０内の圧力を参照範囲の値に維持するように制御され、第２絶縁層６の自由空間６０内の圧力が圧力差ΔＰだけ上記第１絶縁層４の自由空間内に存在する値以外の圧力に維持するように制御される。

弁４０１、６０１、４０２、６０２の開閉は、第１絶縁層４の自由空間４０内の圧力を通常の大気圧に近い値に維持し、第２絶縁層６の自由空間６０内の圧力が正の圧力差ΔＰだけ上記第１絶縁層４の自由空間内に存在する値を超える圧力に維持するように制御されることが好ましい。

この場合、第２絶縁層６の自由空間は測定の実施中、第１絶縁層４の自由空間に対して過圧される。

さらに詳細には、第２絶縁層６の自由空間と第１絶縁層４の自由空間との間の圧力差ΔＰは、０．５ミリバール（５０Ｐａ）〜４ミリバール（４００Ｐａ）、またはさらに良好には２ミリバール（２０Ｐａ）〜４ミリバール（４００Ｐａ）であるように制御される。

図３はこの制御図を示す。

図の左側は、パスカル（Ｐａ）で表した圧力差ΔＰによる、第２供給弁６０１の開放パーセントを示し、図の右側は第２排出弁６０２の開放パーセントを示す。

実際には、第２供給弁６０１は、圧力差ΔＰが２００Ｐａ未満のとき、あるパーセントｘで開かれ、圧力差ΔＰが３００Ｐａに近いとき閉じられ、３００Ｐａ未満の値ｉ、例えば２６０Ｐａに近いとき閉じられるのが好ましい。さらに、第２排出弁６０２は、圧力差ΔＰが４００Ｐａを超えるときあるパーセントｘで開かれ、差が３００Ｐａに近いとき閉じられ、３００Ｐａを超える値ｊ、例えば３４０Ｐａに近いとき閉じられるのが好ましい。

弁６０１、６０２の開閉を制御するこの方法は十分長い期間を得るのに用いられ、この期間中に上記弁６０１、６０２が閉じられる。

これらの弁６０１、６０２が閉じられ、および／またはタンク２０の使用条件が安定して維持される少なくとも一期間中、２つの異なる瞬間に少なくとも以下の項目が測定される。

第２絶縁層６の自由空間内の圧力Ｐと絶対温度Ｔの値、続いて、以降は平均圧力Ｐ_ｍおよび平均絶対温度Ｔ_ｍと称される値、これらの異なる圧力の平均および異なる絶対温度の平均の計算が行われる。

「タンクの安定な使用条件」は、液化ガスを収容していないタンクの冷凍、その中に液化ガスを収容しているタンク、タンク内の安定な冷却条件、タンクの加熱など、タンクの温度および／または圧力要因が一定に保たれるタンクの運転期間を意味する。

次に、不活性気体がタンクの壁を貫通して漏洩している孔の面積を意味するタンクの実際の多孔質度を計算することが可能である。

本明細書および請求項において、以降に用いられる単位は国際システムのものであり、圧力はパスカル、時間は秒、容積はｍ^３、温度はケルビン、実際の多孔質度はｍ^２で表される。

不活性気体は理想気体であり、等温気体であり、音速以下で流れ、非圧縮性であると仮定する。

第２絶縁層６と第１絶縁層４との間に流れる気体の速度は、ベルヌーイの法則によって定義される。

式中、ΔＰ＝前に定義した圧力差であり、ρ＝気体の容積質量または密度である。

ρは以下の理想気体の法則によって求められる。
ρ＝Ｍ×Ｐ／Ｒ×Ｔ
式中、Ｍは気体の分子質量であり、
Ｐは第２絶縁層６の自由空間内の圧力であり、
Ｒは理想気体定数であり、
Ｔは第２絶縁層６の自由空間内の気体の絶対温度である。

次いで、これは、

を与える。

第２絶縁層６の自由空間内の容積変化率は、
ｄＶ／ｄｔ＝ｖ×ＰＯ（ｂ）であり、
式中、ｖは流体の速度であり、ＰＯは第２封止障壁５の実際の多孔質度に等価である孔の面積である。

第２絶縁層６の自由空間内の圧力変化率は、この位置での温度が一定であると仮定すれば、ＰＶ＝定数の導関数から得られる。
Ｐ（ｄＶ／ｄｔ）＋Ｖ（ｄＰ／ｄｔ）＝０
ｄＰ／ｄｔ＝−Ｐ／Ｖ（ｄＶ／ｄｔ）（ｃ）

上記３つの式（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から、ＰＯと第２絶縁層６の自由空間内の圧力Ｐの変化率ｄＰ／ｄｔとの間の関係が導かれ、これは、

である。

実際には、圧力Ｐと温度の値は平均であり、上記式において、ＰとＴは平均圧力Ｐ_ｍと平均絶対温度Ｔ_ｍにそれぞれ置き換えることができる。

実際の多孔質度は、

が得られる。

さらに、第２絶縁層（６）の自由空間の温度変化ｄＴ／ｄｔ、およびこの同じ層内のチェックの目的のために周期的または連続的なサンプル採取（例えば、不活性気体中のメタンの存在のチェック）による圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）_ＰＲＥを考慮に入れたければ、測定されたｄＰ／ｄｔの値を修正して、補正された値（ｄＰ／ｄｔ）_ｃが得られ、これは以下の式、
（ｄＰ／ｄｔ）_ｃ＝（ｄＴ／ｄｔ×Ｐ_ｍ／Ｔ_ｍ）＋（ｄＰ／ｄｔ）_ＰＲＥ
である。

したがって、式、

が得られる。

本発明による方法は、容器を技術的に停止することなくチェックを行うために用いられる。これらのチェックは、タンクが装填状態であろうとまたは空状態であろうと、「安定」な任意の期間中に行うことができる。その結果、それらははるかに頻繁に実時間で実施することができる。

得られた多孔質度の値は、特に、容器が既に数回の冷凍とこれらのタンクの再加熱サイクルが行われたとき、より実際に近く、容器の動作に近い値に相当する。

いくつかの測定例を以下に与える。

これらの測定は、窒素が音速以下で流れ、非圧縮性の理想的な等温気体として機能すると仮定して、窒素で行われた。

理想気体定数Ｒの値は８３１４であり、分子質量Ｍの値は２９である。

得られた結果を以下の表に示す。

貯蔵タンクの壁の断面を示す図である。 液化ガス用貯蔵タンクの断面およびこのタンクの壁内に存在する気体の圧力を制御する手段を示す図である。 第１層の自由空間内に存在する圧力に対する、第２絶縁層の自由空間内に存在する圧力の圧力差ΔＰによる、第２絶縁層の自由空間内の不活性気体の供給弁と排出弁の開閉パーセントを示すグラフである。

符号の説明

１ 支持構造
２ タンクの壁
３ 第１封止障壁
４ 第１絶縁層
５ 第２封止障壁
６ 第２絶縁層
２０ タンク
４０ 第１絶縁層の自由空間
６０ 第２絶縁層の自由空間
４０１ 第１供給弁
４０２ 第１排出弁
６０１ 第２供給弁
６０２ 第２排出弁

Claims (7)

1. 容器の支持構造（１）に組み込まれ、「メンブレンタンク」として知られている、液化ガスなどの流体を収容するための熱絶縁されたタンクの壁（２）の、液体と気体のための「第２」と呼ばれる封止障壁（５）の１つの実際の多孔質度を測定する方法であって、前記タンクが、液体および気体に対して漏洩防止型であり、タンクに収容された流体に直接接触する「第１」と呼ばれる障壁（３）、および前記第２障壁（５）のいずれかの側に配置された、「第１」および「第２」層と呼ばれる２つの熱絶縁層（４、６）を含み、第２絶縁層（６）が前記支持構造（１）に固定されるように設計され、不活性気体が第１（４）と第２（６）の２つの熱絶縁層の各々の自由空間（４０、６０）内に存在し、第１（４）と第２（６）の２つの熱絶縁層の各々の自由空間内の圧力が、「第１」供給（４０１）弁および排出（４０２）弁と呼ばれる弁、および前記不活性気体用の「第２」供給（６０１）弁および排出（６０２）弁と呼ばれる弁によってそれぞれ制御され、前記弁（４０１、４０２、６０１、６０２）の開閉が、第１絶縁層（４）の自由空間（４０）内の圧力を参照値の範囲内に維持し、および第２絶縁層（６）の自由空間（６０）内の圧力を、前記第１絶縁層（４）の自由空間（４０）内に存在する圧力とは圧力差ΔＰだけ異なる値に維持するように制御され、方法が、
   （ａ）第２層（６）の気体の供給（６０１）弁と排出（６０２）弁が閉じられ、タンクの使用条件が一定に保たれる少なくとも一期間、第２絶縁層（６）の自由空間（６０）内の少なくとも圧力Ｐと絶対温度Ｔの２つの異なる瞬間の値を測定して、第２絶縁層の自由空間（６０）内の平均圧力Ｐ_ｍと平均温度Ｔ_ｍの計算を可能にする段階と、
   （ｂ）以下の式、
   

   

   （式中、ｄＰ／ｄｔは第２絶縁層（６）の自由空間（６０）内の圧力Ｐの変化率であり、Ｖは第２絶縁層（６）の自由空間（６０）内の容積であり、Ｍは不活性気体の分子質量であり、Ｒは理想気体定数である）を用いて、前記第２封止障壁（５）の実際の多孔質度ＰＯを計算する段階とを含むことを特徴とする、方法。
2. 第２絶縁層（６）の自由空間（６０）内の温度変化ｄＴ／ｄｔおよび同じ空間に取り込まれた周期的または連続的な監視サンプルに起因する圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）_ＰＲＥを勘案して、ｄＰ／ｄｔ測定に補正が行われて、
   （ｄＰ／ｄｔ）_ｃ＝（ｄＴ／ｄｔ×Ｐ_ｍ／Ｔ_ｍ）＋（ｄＰ／ｄｔ）_ＰＲＥが得られ、
   前記第２封止障壁（５）の実際の多孔質度（ＰＯ）が以下の式、
   

   

   を用いて計算されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１供給（４０１）弁と排出（４０２）弁および不活性気体用の第２供給（６０１）弁と排出（６０２）弁の開閉が、第１絶縁層（４）の自由空間（４０）内の圧力を通常の大気圧に近い値に維持し、第２絶縁層（６）の自由空間（６０）内の圧力を、前記第１絶縁層（４）の自由空間（４０）内に存在する圧力を正の圧力差ΔＰだけ超える値に維持するように制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１供給（４０１）弁と排出（４０２）弁および不活性気体用の第２供給（６０１）弁と排出（６０２）弁の開閉が、圧力差ΔＰが約０．５〜４ミリバール（５０〜４００Ｐａ）であるように制御されることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の方法。
5. 前記第１供給（４０１）弁と排出（４０２）弁および不活性気体用の第２供給（６０１）弁と排出（６０２）弁の開閉が、圧力差ΔＰが２〜４ミリバール（２００〜４００Ｐａ）であるように制御されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 第２気体供給弁（６０２）が、圧力差ΔＰが２００Ｐａ未満のとき開かれ、圧力差ΔＰが３００Ｐａに近いとき閉じられ、不活性気体用の第２排出弁が、圧力差ΔＰが４００Ｐａを超えるとき開かれ、圧力差ΔＰが３００Ｐａに近いとき閉じられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 不活性気体が窒素であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

Images