KR20010014042A - 차량에 의한 액화 천연 가스의 육로 배급 시스템 - Google Patents

차량에 의한 액화 천연 가스의 육로 배급 시스템 Download PDF

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KR20010014042A
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엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

본 발명은 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도 환경에서 가압 액화 천연 가스를 차량으로 육로 배급하기 위한 시스템에 관한 것이다. 당해 시스템은 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강으로부터 제조된 하나 이상의 컨테이너를 포함한다.

Description

차량에 의한 액화 천연 가스의 육로 배급 시스템{Systems for vehicular, land-based distribution of liquefied natural gas}
다양한 용어가 다음 명세서에서 정의된다. 편의상, 용어 해설은 본원에서 청구의 범위 바로 앞에 제공되어 있다.
천연 가스의 다수의 원료는 가스의 어떠한 상업 시장으로부터도 멀리 떨어진 원거리 지역에 위치해 있다. 때로는 파이프라인이 생성된 천연 가스를 상업 시장으로 운송하는데 사용될 수 있다. 상업 시장으로의 파이프라인 운송이 가능하지 않은 경우, 생성된 천연 가스는 종종 시장으로 운송하기 위한 LNG로 가공된다. LNG는 전형적으로는 특수 제작된 유조선(tanker ship)을 통하여 운송한 다음 저장하고 시장 부근의 반입 종착지에서 재기화시킨다. 천연 가스를 액화, 운송, 저장 및 재기화시키는데 사용되는 장치는 일반적으로 매우 고가이며; 전형적인 통상의 LNG 사업에는 산지 개발 비용을 포함하여 50억 내지 100억 달러가 들 수 있다. 전형적인 "기본" LNG 사업은 약 280Gm3[10TCF(1조ft3)]의 최소 천연 가스 자원을 필요로 하고, LNG 고객은 일반적으로 대규모 공익 사업체이다. 종종, 원거리 지방에서 발견되는 천연 가스 자원은 280Gm3(10TCF) 미만이다. 최소 280Gm3(10TCF)을 만족하는 천연 가스 자원 기지의 경우에도, 천연 가스를 LNG로서 경제적으로 가공, 저장 및 운송하는데에는 관련된 모두, 즉 LNG 공급업자, LNG 운송업자 및 대규모 LNG 공익 사업체 고객으로부터 20년 이상의 매우 장기간의 위탁을 받을 필요가 있다. 잠재적인 LNG 고객이 파이프라인 가스와 같은 대체 가스 원료를 갖고 있는 경우에는 통상적인 일련의 LNG 운반이 종종 경제적으로 경쟁력 있지 않다.
통상적인 LNG 플랜트에서는 약 162℃(-260℉)의 온도에서 대기압하에 LNG를 생산한다. 전형적인 천연 가스 스트림은 통상의 LNG 플랜트로 약 4830kPa(700psia) 내지 약 7600kPa(1100psia)의 압력 및 약 21℃(70℉) 내지 약 38℃(100℉)의 온도에서 들어간다. 약 350,000냉동마력 이하가 통상적인 2열 LNG 플랜트에서 천연 가스 온도를 약 -162℃(-260℉)의 매우 낮은 방출구 온도로 강하시키는데 필요하다. 물, 이산화탄소, 황 함유 화합물(예: 황화수소), 기타 산 기체, n-펜탄 및 벤젠을 포함하는 중탄화수소가 통상적인 LNG 가공 동안에 백만분율(ppm) 농도 미만으로 천연 가스로부터 실질적으로 제거되어야 하며, 그렇지 않으면 이들 화합물이 냉동되어 가공 장치에서 막히는 문제를 유발할 것이다. 통상적인 LNG 플랜트에서는 가스 처리 장치가 이산화탄소 및 산 기체를 제거하는데 필요하다. 가스 처리 장치는 전형적으로는 화학적 및/또는 물리적 용매 재생성 방법을 사용하고 상당한 자본 투자를 필요로 한다. 또한, 작동 비용이 플랜트의 다른 장치에 비하여 많이 든다. 분자 씨브(sieve)와 같은 건식 상 탈수기는 수증기를 제거하는데 필요하다. 스크럽 컬럼(scrub column) 및 분류 장치는 막히는 문제를 유발하는 경향이 있는 탄화수소를 제거하는데 사용된다. 수은도 알루미늄으로 제조된 장치에 고장을 일으킬 수 있기 때문에 통상적인 LNG 플랜트에서 제거한다. 추가로, 천연 가스에 존재할 수 있는 대부분의 질소는 질소가 통상적인 LNG의 운송 동안에 액체 상에 잔류하지 않을 것이고 운반시에 LNG 컨테이너에 질소 증기를 함유하는 것은 바람직하지 않기 때문에 가공 후에 제거한다.
통상의 LNG 플랜트에서 사용되는 컨테이너, 파이핑 및 기타 장치는 전형적으로는 적어도 부분적으로 알루미늄 또는 니켈 함유 강(예: 니켈 9중량%)으로부터 제조하여 극히 차가운 가공 온도에서 필요한 파괴 인성을 제공한다. 알루미늄 및 상업용 니켈 함유 강(예: 니켈 9중량%)을 포함하고 저온에서의 파괴 인성이 우수한 고가의 재료는 통상적인 플랜트에서 사용하는 이외에, 전형적으로 LNG 선박 안 및 반입 종착지에서 LNG를 함유하는데 사용한다.
전형적인 통상의 LNG 선박은 모스 구(Moss sphere)로 공지된 큰 구형 컨테이너를 사용하여 운송 동안에 LNG를 저장한다. 이러한 선박은 현재 각각 약 2억 3천만 달러 이상이 든다. 중동 지역에서 LNG를 제조하여 이를 극동 지역으로 운송하는 전형적인 통상적 사업은 약 16억 달러 내지 20억 달러의 총 경비에 해당하는 7 내지 8척의 이들 선박이 필요하다.
상기 논의로부터 결정될 수 있는 바와 같이, 원거리의 천연 가스 자원이 대체 에너지 공급물에 비해 더욱 유효하게 경쟁력을 갖추도록 LNG를 상업 시장으로 가공, 저장 및 운송하기 위한 더욱 경제적인 시스템에 대한 요구가 존재한다. 더욱이, 개발하기에 비경제적인 덜 원거리의 천연 가스 자원을 상업화시키는 시스템이 요구된다. 또한, LNG가 경제적으로 소규모 고객의 관심을 끌 수 있도록 하기 위하여 더욱 경제적인 기체화 및 배급 시스템이 요구된다.
결과적으로, 본 발명의 제1 목적은 LNG를 원거리 원료로부터 상업 시장으로 가공, 저장 및 운송하기 위한 더욱 경제적인 시스템을 제공하고, LNG 사업을 경제적으로 실행 가능하게 하는데 필요한 보존성 및 시장 둘 다의 원 크기를 실질적으로 감소시키는 것이다. 이들 목적을 성취하는 하나의 방법은 통상적인 LNG 플랜트에서 수행되는 것보다 더 높은 압력 및 온도, 즉 대기압 초과의 압력 및 -162℃(-260℉) 초과의 온도에서 LNG를 가공하는 것일 것이다. 상승된 압력 및 온도에서 LNG를 가공, 저장 및 운송하는 일반적인 개념이 산업 문헌에서 논의된 바 있지만, 이들 문헌에는 일반적으로 니켈 함유 강(예: 니켈 9중량%) 또는 알루미늄으로부터 운송 컨테이너를 제조하는 것이 논의되어 있으며, 니켈 함유 강과 알루미늄은 모두 설계 필요조건을 만족시킬 수 있지만 매우 고가의 물질이다. 예를 들면, 문헌[NATURAL GAS BY SEA The Development of a New Technology, published by Witherby & Co. Ltd., first edition 1979, second edition 1993, pp. 162 - 164]에서 로저 푹스(Roger Ffooks)는 1380kPa(200psig) 및 -115℃(-175℉)에서 MLG(중간 조건 액화 가스)를 운반하거나 7935kPa(1150psig) 및 -60℃(-75℉)에서 가공된 CNG(압축 천연 가스)를 운반하는 리버티 수송선 씨그알파(Sigalpha)의 전환을 논의하고 있다. 푹스는 두 개념이 기술적으로는 증명되었지만, 대체로 높은 저장 비용으로 인하여 이중 어느것도 "소비자"를 찾지는 못했다는 것을 밝히고 있다. CNG 서비스에 대해 푹스가 참조한 주제에 대한 논문에 따르면, 즉 -60℃(-75℉)에서 설계 목표는 강도가 우수하고(760MPa(110ksi)) 작동 조건에서 파괴 인성이 우수한 저합금, 용접성, 급냉된 단강이다. [참조: "A new process for the transportation of natural gas" by R. J. Broeker, International LNG Conference, Chicago, 1968] 당해 논문에는 또한 알루미늄 합금이 MLG 서비스에 대한 합금, 즉 -115℃(-175℉)의 매우 낮은 온도의 합금중 최저 비용이 든다고 나타나 있다. 또한, 푹스는 164면에서, 약 414kPa(60psig)의 매우 저압에서 작동하는, 9% 니켈 강 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있는 탱크를 갖는 오션 피닉스 트랜스포트(Ocean Phoenix Transport) 디자인을 논의하고, 역시 당해 개념도 상업화하기에 충분한 기술적 또는 재정적 이점을 제공하지 않는 것으로 드러났다는 것을 밝히고 있다. 또한 다음을 참조한다: (i) 압축 천연 가스 운송용 컨테이너를 제조하기 위한 9% 니켈 함량의 강 또는 고강도 알루미늄 합금의 용도가 논의되어 있는 미국 특허 제3,298,805호; 및 (ii) -100℃(-148℉) 내지 -140℃(-220℉)의 온도 및 4 내지 10기압(즉, 407kPa(59psia) 내지 1014kPa(147psia))의 압력에서 LNG를 운송하기 위한 9% 니켈 및 유사 강의 탱크가 논의되어 있는 미국 특허 제4,182,254호; (iii) 급냉되고 단련되어 120,000psi에 근접한 최종 인장 강도를 보장하도록 한 1 내지 2% 니켈 강과 같은 물질로부터 제조된 컨테이너를 사용한, -62℃(-80℉) 정도, 일부 경우에는 -68℃(-90℉)의 온도 및 작동 온도에서의 가스의 비점 압력 345kPa(50psi) 초과의 압력에서의, 농축 상 단일 유체 상태의 천연 가스의 운송이 논의되어 있는 미국 특허 제3,232,725호; 및 (iv) 3.1MPa(450psi)의 압력 및 -100℃(-140℉)의 온도에서 벽 두께가 9 1/2in이고 9% Ni 강 또는 3 1/2% Ni 급냉된 단강으로부터 제조된 저장 탱크를 사용하는 LNG 운송의 사례 연구가 논의되어 있는 문헌["Marine Transportation of LNG at Intermediate Temperature" CME March 1979, by C. P. Bennett].
이들 개념은 산업 문헌에 논의되어 있지만, 본 발명자들이 아는 바로는, LNG는 현재 사실상 대기압 초과의 압력 및 -162℃(-260℉) 초과의 온도에서는 상업적으로 가공하고, 저장하고, 운송되지 않고 있다. 이는 해로 및 육로 모두를 통하여, 이러한 압력 및 온도에서 LNG를 가공하고, 저장하고, 운송하고, 배급하기 위한 경제적인 시스템이 아직까지 시판된 적이 없다는 사실 때문일 것이다.
극저온 구조 적용에 편리하게 사용되는 니켈 함유 강, 예를 들면 니켈 함량이 약 3중량% 초과인 강은 DBTT(본원에서 정의된 바와 같은 인성 척도)가 낮지만, 인장 강도가 상대적으로 낮다. 전형적으로, 시판중인 Ni 3.5중량% 강, Ni 5.5중량% 강 및 Ni 9중량% 강은 DBTT가 각각 약 -100℃(-150℉), -155℃(-250℉) 및 -175℃(-280℉)이고, 인장 강도가 각각 약 485MPa(70ksi), 620MPa(90ksi) 및 830MPa(120ksi) 이하이다. 강도와 인성의 이들 조합을 달성하기 위하여, 이러한 강은 일반적으로 고가의 가공, 예를 들면, 이중 어닐링 처리를 수행한다. 극저온 적용의 경우, 공업적으로는 현재 이의 저온에서의 우수한 인성 때문에 상업용 니켈 함유 강을 사용하지만, 이의 상대적으로 낮은 인장 강도에 입각하여 설계해야 한다. 설계는 일반적으로 하중 지지성 극저온 용도에 대해 과도한 강 두께를 필요로 한다. 따라서, 하중 지지성 극저온 용도로 이러한 니켈 함유 강을 사용하는 것은 필요한 강 두께와 함께 강의 높은 비용으로 인하여 고가인 경향이 있다.
각각 발명의 명칭이 "액화 천연 가스를 가공, 저장 및 운송하기 위한 개선된 시스템"인 5개의 동시 계류중인 미국 가특허원("PLNG 특허원")에는 약 1035kPa(150psi) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 넓은 범위의 압력 및 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 넓은 범위의 온도에서 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 저장하고 해양 수송하기 위한 컨테이너 및 유조선이 기재되어 있다. 가장 최근의 상기 PLNG 특허원은 우선일이 1998년 5월 14일이며, 출원인에 의해서는 도켓 번호 제97006P4호로서, 미국 특허상표청("USPTO")에 의해서는 출원 번호 제60/085467호로서 인증되어 있다. 상기 제1 PLNG 특허원은 우선일이 1997년 6월 20일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/050280호로서 인증되어 있다. 상기 제2 PLNG 특허원은 우선일이 1997년 7월 28일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/053966호로서 인증되어 있다. 상기 제3 PLNG 특허원은 우선일이 1997년 12월 19일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/068226호로서 인증되어 있다. 상기 제4 PLNG 특허원은 우선일이 1998년 3월 30일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/079904호로서 인증되어 있다. 그러나, PLNG 특허원에는 PLNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 시스템이 기재되어 있지 않다. 본원에서 사용된 바와 같이, "차량에 의한 PLNG의 육로 배급"은 PLNG를 주로 육로로, 예를 들면 존재하는 도로, 철로 및 내륙 수 시스템을 통해 트럭, 궤도차 또는 짐배로 중앙 가공 또는 저장 설비로부터 최종 사용자 또는 저장 설비로 배급함을 의미한다.
LNG는 존재하는 도로, 철로 및 내륙 수 시스템을 통하여 트럭, 궤도차 또는 짐배로 중앙 가공 또는 저장 설비로부터 최종 사용자 위치로 정기적으로 배급한다. 기타 극저온 유체(예: 액체 산소, 액체 수소 및 액체 헬륨)도 이러한 수단에 의해 정기적으로 배급된다. LNG에 대한 시장은 특히 천연 가스의 청정 연소 특성 때문에 최근 성장해왔다. 이러한 증가하는 시장 수요를 만족시키기 위하여, PLNG의 형태로 제조된 천연 가스의 운반은 LNG와 비교하여 PLNG를 운송하고 운반하기 위한 경제적인 수단이 사용가능한 경우 PLNG가 더욱 경제적으로 가공되기 때문에 최종 사용자에게 이익일 수 있다. 추가로, CNG와 비교하여, PLNG의 더 높은 액체 밀도는 주어진 용적에 대한 더 높은 생성물 질량 또는 에너지로 변환된다.
시판중인 유체용 컨테이너를 제조하는데 일반적으로 사용되는 탄소 강은 극저온, 즉 약 -40℃(-40℉) 미만의 온도에서 적합한 파괴 인성을 갖지 않는다. 극저온 파괴 인성이 탄소 강보다 우수한 기타 물질, 예를 들면, 인장 강도가 약 830MPa(120ksi) 이하인 상업용 니켈 함유 강(Ni 3 1/2 내지 9중량%), 알루미늄(Al-5083 또는 Al-5085) 또는 스테인레스 강은 통상적으로 극저온 조건에 노출시키는 시판중인 컨테이너를 제조하는데 사용된다. 또한, 때로는 티탄 합금과 같은 특수 물질 및 특정 에폭시 함침된 직포 유리섬유 복합재가 사용된다. 그러나, 이들 물질로부터 제조된 컨테이너는 종종 기존의 벽 두께, 예를 들면 약 2.5cm(1in)에서 가압 극저온 유체를 함유하기에 적합한 강도가 결핍되어, 이러한 컨테이너의 벽 두께는 강도를 더하기 위하여 증가시켜야 한다. 이는 종종 사업에 상당한 비용을 추가하면서, 지지되고 운송되어야 하는 컨테이너에 중량을 부가한다. 추가로, 이러한 물질은 표준 탄소 강보다 더욱 고가인 경향이 있다. 제조용 물질의 증가된 비용과 함께 두꺼운 벽의 컨테이너의 지지 및 운송에 부가된 비용으로 종종 사업은 경제적으로 흥미롭지 않게 될 수 있다. 이들 단점으로 현재 시판중인 물질은 PLNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 컨테이너 및 시스템을 제조하는데 있어서 경제적으로 흥미롭지 않게 된다. PLNG의 가공에 대한 현재의 가능성과 함께 PLNG 특허원에 논의된 바와 같은 PLNG의 해양 운송에 적합한 컨테이너의 발견으로, 경제적으로 흥미로운 차량에 의한 PLNG의 육로 배급 시스템에 대한 요구를 두드러지게 할 수 있다. 차량으로 육로 배급하기 위한 비용의 상당 부분은 차량 컨테이너 설계 및 가공과 관련된 주요 비용이다. 차량 컨테이너 비용의 현저한 비용 감소는 궁극적으로 LNG 및 기타 극저온 유체 뿐만 아니라, PLNG의 차량에 의한 육로 운송의 경제적 면에서 전체적인 향상으로 전환될 것이다.
액체 형태로 운송되고 배급되는 천연 가스의 더욱 비용 효율적인 원료의 유효성으로 연료원으로서의 천연 가스 사용력이 현저히 진보될 것이다. 다음은 에너지용으로 천연 가스를 사용하고, PLNG 형태의 천연 가스 운송 및 배급용의 더욱 경제적인 시스템의 유효성으로 현저하게 유리할, 현존하는 최근에 등장한 적용의 간략한 설명이다.
LNG는 천연 가스 배급에 대한 하부구조가 존재하지 않는 원거리 위치에서의 연료 요구를 충족시키기 위해 정기적으로 트럭 운반된다. 추가로, 국부적 조건은 운송된 LNG가 점점 몇가지 주요 에너지 사업에 대한 가스 파이프라인에 대해 경쟁력 있는 경제적 대체품이 되도록 한다. 알래스카의 한 가스 회사는 동남부 알래스카에서의 17개 지역에서 원거리 LNG 기본적재 시스템에 대한 2억달러 사업을 제안하였다. 그 회사는 또한 LNG를 트럭으로 1997년 11월에 시작하여 쿡 인렛(Cook Inlet)의 액화 플랜트로부터 페어뱅크스(Fairbanks)까지 300마일 운반할 것으로 기대하고 있다. 동부 아리조나에서, 최근의 실행성 연구는, 원거리 기본적재 LNG 공급 설비가 가스 파이프라인으로 과유동하지 않고 다수의 고립된 지역으로 흥미로운 저비용 에너지 용액을 공급할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 트럭 및 짐배 외에도, 궤도차가 또한 LNG를 운송하는데 사용될 수 있다. 이는 사실상 성장할 잠재성이 있는 대용적 LNG 운송 및 사용에서의 신경향을 나타낸다. 최근 등장한 PLNG 기술은 PLNG를 차량으로 육로 배급하는 더욱 경제적인 수단이 유효한 경우, 이들 및 기타 유사한 육로용 적용에서 연료로서 PLNG의 사용을 경제적으로 가능하게 할 수 있을 것이다.
두번째로, 특정한 제조 플랜트의 연료 요구를 만족시키는 LNG의 트럭 운반은 또한 경쟁력 있는 경제적 대체방법이 되어 왔다. 가장 최근의 예는 뉴 햄프셔의 햄프톤(Hampton, New Hampshire)의 한 회사로, 이 회사는 대체물로서의 프로판으로의 가스 공급 계약으로부터 LNG를 독점적으로 사용하도록 전환시켜 전력 발생용 4,000마력 엔진을 구동시키고 기화 LNG에서 2개의 가공 보일러를 작동시켰다. 역시, 배급 비용상의 추가의 개선점으로 더욱 많은 수의 유사한 적용이 초래될 것이다.
추가로, 연속적인 중단되지 않는 가스 공급을 유지하는 '휴대용 파이프라인' - 운송 가능한 LNG/기화기 - 시스템의 사용이 점점 증가하고 있다. 이는 가스 회사가 서비스 중단을 피하는데 도움이 되고 추운 겨울날, 손상된 지하 파이프로 인한 비상 사태, 가스 시스템상의 유지 등과 같은 최고 수요 기간 동안 고객에게 천연 가스를 계속해서 유동시키는 것이다. 특정 용도에 따라, LNG 기화기는 천연 가스 배급 시스템 상의 전략점에 설치하거나 위치시킬 수 있고, 작동 조건을 보장하는 경우, LNG 유조차(tanker-truck)를 도입하여 기화된 LNG를 제공하도록 한다. 현재 본 발명자들이 알기로는, 최고 수요 동안 추가의 가스를 제공하기 위한 이러한 기화기로 LNG 대신 PLNG을 운송하기 위한 상업용 유조차는 전혀 없다.
마지막으로, 아시아에서 현재와 미래의 주요 LNG 수입업자중 몇몇이 차량 연료로서의 LNG 사용에 가장 많은 잠재력을 제공하는 사업을 갖고 있다(수입량의 20% 정도). LNG를 연료 보급지로 트럭 운반하는 것은 국부적 조건에 따라 가장 흥미로운 경제적 선택일 수 있다. 특히, 가스 배급에 대한 존재하는 하부구조의 부재시, 비용 효율적인 탱커 설계로 (존재하는 도로, 철로 및 내륙 수 시스템을 통한 트럭, 궤도차 또는 짐배에 의한) PLNG 배급은 더욱 흥미롭고 경제적인 대체방법이 될 수 있다.
원거리 천연 가스 자원을 대체 에너지 공급물과 비교하여 더욱 효율적으로 경쟁력 있도록 하는, PLNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 경제적 시스템에 대한 요구가 존재한다. 또한, 차량으로 LNG 및 다른 극저온 유체를 육로 배급하기 위한 더욱 경제적인 시스템에 대한 요구가 존재한다. 이하에서 사용되는 바와 같이, 용어 "유조차"는 탱커 트레일러, 제한 없이 궤도차 및 짐배를 포함하는, PLNG, LNG 또는 기타 극저온 유체를 차량으로 육로 배급하기 위한 어떠한 수단도 포함하는 것을 의미한다.
그러므로, 본 발명의 특별한 목적은 통상적인 LNG 시스템에 걸쳐 사실상 증가된 압력 및 온도에서 LNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 경제적인 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖는 재료로부터 제조되는 저장 컨테이너 및 기타 구성품을 갖는 이러한 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 상기 기술된 목적과 일치하게, 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia) 범위의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉) 범위의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 차량으로 육로 배급하기 위한 시스템이 제공된다. 본 발명의 시스템은 상기 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖고 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 컨테이너 및 기타 구성품을 갖는다. 당해 강은 초고강도, 예를 들면, 인장 강도(위에서 정의한 바와 같음)가 830MPa(120ksi) 초과이고, DBTT(위에서 정의한 바와 같음)가 -73℃(-100℉) 미만이다.
본 발명은 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 차량으로 육로 배급하기 위한 시스템, 더욱 구체적으로는, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강으로부터 제조되는 컨테이너를 포함하는 이러한 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 이점은 하기의 상세한 설명 및 다음 첨부된 도를 참조하여 더욱 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명에 따르는 유조차 저장 및 운송 컨테이너를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 따르는 유조차 저장 및 운송 컨테이너에 대한 서스펜션 시스템(suspension system)을 나타낸 것이고,
도 3a은 본 발명에 따르는, PLNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 하부구조를 나타낸 것이고,
도 3b는 본 발명에 따르는, PLNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 하부구조를 나타낸 것이고,
도 4a는 CTOD 파괴 인성 및 잔류 응력의 함수로서, 주어진 흠 길이에 대한 임계 흠 깊이의 플롯을 나타낸 것이며,
도 4b는 흠의 기하(길이 및 깊이)를 나타낸 것이다.
본 발명은 이의 바람직한 양태와 관련하여 설명할 것이지만, 본 발명이 이로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 반대로, 본 발명은 첨부한 청구의 범위에서 정의한 바와 같이, 본 발명의 의도 및 영역 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 변경 및 동등물을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명은 PLNG를 차량으로 육로 배급하기 위한 시스템에 관한 것이다. 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 배급하기 위한 시스템이 제공되며, 여기서 이 시스템은 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 컨테이너 및 기타 구성품을 갖는다. 추가로, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 4830kPa(700psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -79℃(-110℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 배급하기 위한 시스템이 제공되며, 여기서 이 시스템은 (i) 니켈 9중량%를 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되고, (ii) 상기 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖는 컨테이너 및 기타 구성품을 갖는다. 추가로, PLNG를 운송하기 위한 유조차가 제공되며, 여기서 유조차는 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 하나 이상의 저장 컨테이너, 또는 (i) 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되고, (ii) 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖는 하나 이상의 저장 컨테이너를 갖는다.
컨테이너
본 발명의 시스템을 달성하는 해답은 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 PLNG를 운송하기 위한 유조차에 사용하기에 적합한 컨테이너에 있다. 바람직하게는, PLNG는 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia) 범위의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉) 범위의 온도에서 제조하여 운송한다. 더욱 바람직하게는, PLNG는 약 2415kPa(350psia) 내지 약 4830kPa(700psia) 범위의 압력 및 약 -101℃(-150℉) 내지 약 -79℃(-110℉) 범위의 온도에서 제조하여 운송한다. 더더욱 바람직하게는, PLNG에 대한 압력 및 온도 범위의 하한선은 약 2760kPa(400psia) 및 약 -96℃(-140℉)이다. PLNG를 저장하고 운송하기 위한 컨테이너가 제공되며, 여기서 당해 컨테이너는 인장 강도가 830MPa(120ksi)이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도의, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된다.
바람직하게는 본 발명의 컨테이너는 저장된 PLNG로의 열 누출을 최소화하도록, 즉 저장된 PLNG의 기화를 최소화하도록 설계하여, 대부분의 저장된 PLNG가 운반용 액체 상태로 잔존하도록 한다. 듀워(Dewar) 개념을 이용한 하나의 양태에서, 컨테이너는 외부 용기 내에 서스펜딩되어, 진공되거나 절연재를 함유한 공간에 의해 외부 용기와 분리된 내부 용기로 제조되어 있다. 도 1을 참조하면, 당해 양태의 컨테이너(10)는 내부 용기(11)를 포함하고, 이는 PLNG(12)를 함유하고, 외부 용기(13)에 의해 둘러싸여 있다. 내부 용기(11)과 외부 용기(13) 사이의 공간(14)은 초기에 진공시켜 바람직하게는 대류로 인하여 열 누출을 최소화하도록 진공하에 유지시킨다. 진공은 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 기술을 사용하여, 주로 기밀을 보장함으로써 유지된다. 고방사율 피복 또는 기타 표면 처리를 내부 용기(11)의 외부 표면(15)에 제공하여 내부 용기(11)로의 내부 방사 열 이동을 최소화한다. 본 발명을 제한하지 않고, 오로지 예를 들려는 목적에서, 외부 층(15)은 알루민화 마일라의 단층 랩으로 피복하여 내부 용기(11)로의 방사선 열 전이를 최소화시킬 수 있다. 또 다른 방법으로, 공간(14)을 다층 절연재(도 1에 나타내지 않음)의 패킹으로 충전시켜 내부 용기(11)로의 방사선 및 대류 열 이동을 둘 다 최소화시킬 수 있다. 추가로, (i) 내부 용기(11)로의 투과수를 최소화시켜 열전도 통로의 수를 최소화시킴으로써, (ii) 고 절연 물질을 사용함으로써, 그리고 (iii) 지지 서스펜션 시스템 원의 신중한 설계에 의해서 열전도 누출이 최소화된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 내부 용기(11)로의 최소 2개의 투과가 필요하다. 충전 및 배출 라인(17) 및 이에 대한 통로(16)는 액체 제품을 내부 용기(11)로 및 컨테이너(10)로부터 적재시키고 하적하는데 필요하다. 통기 라인(19) 및 이에 대한 통로(18)는 내부 용기(11)로의 열 누출의 결과 형성된 증기를 방출하는데 필요하다. 이들 통로(16) 및 (18), 충전 및 배출 라인(17) 및 통기 라인(19)은 내부 용기(11)로의 열 누출의 근원이다. 열전도 누출을 최소화하기 위하여, 충전 및 배출 라인(17) 및 통기 라인(19)는 바람직하게는 벽 두께를 최소화하고 길이를 최대화하도록 설계된다. 내부 용기(11)로의 액세스 맨웨이(access manway)(20)가 검사 및 유지를 목적으로 하여 제공된다. 액세스 맨웨이(20)는 바람직하게는 안전하게 볼팅(bolting)된 덮개(20a)로 덮여있다. 바람직하게는, 내부 용기(11)과 외부 용기(13) 사이의 공간(14)은 최소화된다. 그러나, 내부 용기(11)의 벽은 바람직하게는 외부 용기(13)의 벽으로부터 분리되어, 예를 들면, 벽이 서로 접촉하지 못하도록 한다. 이러한 분리를 입증하기 위한 한가지 방법은 스페이서(14a), 바람직하게는 절연 스페이서를 내부 용기(11)의 벽과 외부 용기(13)의 벽 사이에 위치시키는 것이다. 하나의 양태에서, 통기 라인(19)의 목적하는 길이는 외부 용기(13)에서 스탠드-오프(23)를 제공하여 통기 라인(19) 주위의 공간(14)을 연장시킴으로써 달성된다. 또 다른 방법으로, 통기 라인(19)에서의 적합한 굴곡은 통기 라인(19)의 길이를 증가시키기에 적합해야 하고 냉각하는 동안의 수축을 여전히 염두에 두어야 한다. 안티-슬로쉬 배플(anti-slosh baffle)(도 1에 나타내지 않음)은 바람직하게는 통과 동안의 PLNG(12)의 이동을 줄이기 위하여 제공된다.
서스펜션 시스템
PLNG를 저장하고 운송하기 위한 상기 언급된 저장 컨테이너 외에도, 본 발명의 유조차의 또 다른 바람직한 구성품은 서스펜션 시스템이다. 바람직하게는, 서스펜션 시스템은 유조차가 고정성인 경우 이의 정지 하중에 대한 내부 용기 및 함량의 지지를 제공하고, 유조차가 이동성인 경우 동적 하중에 대한 내부 용기 및 함량의 지지를 제공한다. 트레일러 또는 유조차 위의 큰 극저온 유체 저장 컨테이너용 서스펜션 시스템에 명시된 전형적인 가속 하중은: 수직 상향에 대해 1g, 수직 하향에 대해 4g, 수평 방향에 대해 2g, 종방향에 대해 4g(여기서, g은 중력으로 인한 국부적 가속이다)이다. 이러한 하중을 지지하는데 사용되는 강도를 제공하는 한가지 방법은 구조적 지지 원의 횡단면적을 증가시키는 것이지만, 횡단면적의 증가는 젼형적으로 내부 용기에 대한 열전도율의 바람직하지 않은 증가를 초래한다. 지지 시스템의 이러한 신중한 설계는 내부 용기로의 열전도 유출을 최소화시키는데 결정적이다.
본 발명을 제한하지 않고 이제 도 2를 참조하면, 컨테이너(10)에 대한 서스펜션 시스템은 신장하에 지지 봉(21)의 사용을 나타낸다. 이러한 특정 예에서, 열전도도는 낮지만강도가 높은 물질(예: G-10 플라스틱)이 지지 내부 용기(21)에 대한 지지 봉(21)을 가공하는데 사용되고 바람직하게는 신장에서만 적재된다. 지지 환(22)은 내부 용기(11)의 외부 벽 및 외부 용기(13)의 내부 벽에 지지 봉(21)을 부착하는데 제공된다. 하나의 양태에서, 열 분리를 위하여 설계된 플라스틱 세척기(도 2에 나타내지 않음)가 지지 환(22)을 따라 사용되어, 지지 봉(21)이 너무 높아서 내부 용기(11)로의 열 누출을 최소화할 수 없거나, 내부 용기(11)로의 열 누출을 최소한 목표값으로 제한하지 못하는 경우 열 분리를 제공한다. 열 누출에 대하여 목표 값을 측정하는 방법 및 목표 값으로 열 누출을 제한하는 방법은 제공된이러한 기술 및 표준 공업 문헌의 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정할 수 있다. 큰 컨테이너에 대한 전형적인 운송 트레일러에 대하여, 지지 봉(21)에 대한 동적 하중은 변화하고 실질적일 것이다. 이들 인자 뿐만 아니라, 당해 기술분야의 숙련가에게 친숙한 다른 인자는 본 발명에 따르는 저장 컨테이너의 설계가 고려된 것이다.
안전 시스템
도 1을 다시 참조하면, 안전 장치는 바람직하게는 본 발명에 따라 저장 컨테이너(10)에 제공된다. 전형적으로는 내부 용기(11), 압력 경감 밸브(24) 및 파열 디스크 어셈블리(25)는 통기 라인(19) 위에 직렬로 제공된다. 파열 디스크 어셈블리(도 1에 나타내지 않음)는 또한 내부 용기(11) 및 외부 용기(13) 사이의 공간(14)에 제공될 수 있다.
적재 및 하적 작업
초기 충전 작업:
도 1을 다시 참조하면, 충전 및 배출 라인(17)이 컨테이너(10)의 내부 용기(11)를 PLNG로 충전시키는데 사용된다. 초기 충전 전에, 컨테이너(10)의 내부 용기(11)는 전형적으로 대기압 및 주변 온도에 있다. 내부 용기(11)의 초기 충전은 바람직하게는 내부 용기(11)를 참작하는 규정된 순서에 따라 수행하여 목적하는 PLNG 저장 온도에서 열평형에 이르도록 한다. 하나의 양태에서, 규정된 순서는 기술된 순서로 다음 단계를 포함한다. 우선, 내부 용기(11)에 대한 냉각 순환에서, 증기 PLNG를 PLNG 원료로부터 증기 이동 라인(도 1에 나타내지 않음)을 통하여 내부 용기(11)로 유동시킨다. 기체 헤더(27)을 제공하여 증기 PLNG 유동을 내부 용기(11)로 분산시키고 내부 용기(11)의 벽에 대한 증기 PLNG의 함침을 최소화시킨다. 증기 PLNG의 유동은 내부 용기(11)의 온도가 예비 설정된 온도 값에 이를때까지 지속한다. 예비 설정된 온도 값은 내부 용기(11)가 제조되는 재료의 냉각 곡선 및 열적 수축 특성으로부터 주로 유도되고, 표준 공업 문헌을 참조로 하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다. 내부 용기(11)의 압력은 증기 PLNG의 유동에 의해 동시에 증강된다. 그 다음, 액체 PLNG는 냉각 순환의 최종 상에 대하여 내부 용기(11)로 유동시킨다. PLNG 원료로부터의 액체 이동 라인(도 1에 나타내지 않음)은 충전 및 배출 라인(17)에 연결된다. 본 발명의 하나의 양태에서, PLNG 원료에서의 하나 이상의 극저온 펌프(도 1에 나타내지 않음)는 액체 PLNG를 컨테이너(10)의 내부 용기(11)로, 바람직하게는 저유량에서, 바람직하게는 약 .76m3/min(200gallons/min) 훨씬 미만으로 펌핑시키는데 사용된다. 액체 PLNG를 추가로 내부 용기(11)로 냉각시킴에 따라, 액체 PLNG는 기화시켜 압력 증강에 기여한다. 증기 PLNG의 유동은 압력이 내부 용기(11)와 PLNG 원료 사이의 압력차를 기준으로 하여 예비 설정된 압력 값에 이른 후 통기 라인(19)을 통하여 PLNG 원료로 역전된다. 컨테이너(10)의 온도가 예비 설정된 작동 온도 값에 이르렀을 때, 즉 냉각 순환이 완료되었을 때, 액체 PLNG를 PLNG 원료로부터 컨테이너(10)의 내부 용기(11)로 바람직하게는 약 .76m3/min(200gallons/min) 이상의 유량에서, 내부 용기(11)로부터 다시 PLNG 원료로 사실상 동일한 용적의 증기 PLNG를 치환시켜 펌핑시킨다. 하나의 양태에서, 액체 PLNG의 펌핑 및 증기 PLNG의 치환은, 내부 용기(11) 속의 액체 PLNG가 예를 들면, 조정된 농도계 (도에 나타내지 않음)와 같은 농도 감지기에 의해 검출된 바와 같이, 예비 설정된 양 또는 용적에 이를때까지 지속하고, 이때 다음 작업을 임의의 적당한 순서로 수행한다: (i) 액체 PLNG의 펌핑을 중단하고, (ii) 충전 및 배출 라인(17)을 통한 액체 PLNG의 유동을 예를 들면, 충전 및 배출 라인(17)의 밸브(도 1에 나타내지 않음)를 폐쇄시킴으로써 중지시키고, (iii) 충전 및 배출 라인(17)을 액체 이동 라인으로부터 분리시키고, (iv) 통기 라인(19)을 통한 증기 PLNG의 유동을 예를 들면, 통기 라인(19)의 밸브(도 1에 나타내지 않음)를 폐쇄시킴으로써 중지시키며, (v) 통기 라인(19)을 증기 이동 라인으로부터 분리시킨다. 극저온 유체 저장 컨테이너로는 일반적으로, 극저온 유체 저장 기술분야의 숙련가에게는 익숙한 바와 같이, 적재하는 동안과 이의 완료시 바람직하게는 최소 약 10% 증기 공간이 컨테이너(10)에서 유효하다.
재충전/하적 작업:
도 1을 다시 참조하면, 충전 및 배출 라인(17)은 PLNG로 컨테이너(10)을 충전시키는데 사용한다. PLNG 원료로부터의 액체 이동 라인(도 1에 나타내지 않음)은 충전 및 배출 라인(17)에 연결시킨다. 본 발명의 하나의 양태에서, PLNG 원료에서 하나 이상의 극저온 펌프(도 1에 나타내지 않음)는 컨테이너(10)의 내부 용기(11)로 액체 PLNG를 바람직하게는 약 .76m3/min(200gallons/min) 이상의 유량으로 펌핑시키는데 사용된다. 내부 용기(11)로부터의 증기 PLNG는 통기 라인(19)에 연결된 증기 이동 라인(도 1에 나타내지 않음)을 통해 PLNG 원료로 회귀한다. 이 양태에서도 역시, 액체 PLNG를 내부 용기(11)로부터 하적하기 위하여, 하나 이상의 극저온 펌프를 하적 설비(도 1에 나타내지 않음)에 제공하여 충전 및 배출 라인(17)을 통하여 액체 PLNG를 펌핑시키면서 증기 PLNG를 통기 라인(19)을 통하여 내부 용기(11)로 회귀시킨다. 압력 평형은 내부 용기(11) 및 하적 설비의 액체와 증기 상의 직접 상호연결에 의하여 유지한다. 이러한 양태에서, 액체 PLNG의 펌핑 및 증기 PLNG의 치환을, 하적 설비에서 저장 컨테이너의 액체 PLNG가 예를 들면, 농도 감지기에 의해 검출되는 바와 같이, 예비 설정된 양 또는 용적에 이를때까지 지속하고, 이때 다음 작업을 임의의 적당한 순서로 수행한다: (i) 액체 PLNG의 펌핑을 중단하고, (ii) 충전 및 배출 라인(17)을 통한 액체 PLNG의 유동을 예를 들면, 충전 및 배출 라인(17)의 밸브(도 1에 나타내지 않음)를 폐쇄시킴으로써 중지시키고, (iii) 충전 및 배출 라인(17)을 액체 이동 라인으로부터 분리시키고, (iv) 통기 라인(19)을 통한 증기 PLNG의 유동을 예를 들면, 통기 라인(19)의 밸브(도 1에 나타내지 않음)를 폐쇄시킴으로써 중지시키며, (v) 통기 라인(19)을 증기 이동 라인으로부터 분리시킨다.
상기 기술된 하적 계획은 PLNG를 유조차로부터 PLNG 저장 컨테이너 또는 컨테이너들로 하적시킴을 수반하는 용도에 사용된다. 이러한 용도은 예를 들면, 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 차량용 연료로서 PLNG를 사용하거나, 연료로서 후속적인 용도로 원거리 설비에서 저장하거나, 연료 또는 다른 공급 원료로서 후속적인 용도로 제조 설비에서 저장하는 것을 포함한다. 액체로서 저장이 유효하지 않는 용도에 대해서는, PLNG를 기화시켜 예를 들면, 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 직접 연료 요구를 충족시키거나, 기체로서 저장하거나, 파이프라인에 공급한다. 이러한 경우, 기화 시스템은 바람직하게는 하적 위치에 제공된다. 수용 위치 또는 하적 위치에서의 전형적인 기화 시스템은 유조차로부터 PLNG를 하적하고, 필요한 운반 압력으로 액체를 펌핑시키기 위한 극저온 펌프, 및 필요한 경우 액체를 증기로 전환시키기 위한 기화 시스템을 포함할 것이다. 이들은 당해 기술분야의 어떠한 숙련가에게도 공지되어 있는 표준 항목들이다.
컨테이너 및 기타 구성품을 제조하기 위한 강
본원에 기술된 바와 같은 파쇄 기계의 공지된 원리에 따라, 작업 조건에서, PLNG와 같은 극저온 유체에 대한 적합한 인성을 갖고 니켈을 9중량% 미만 함유하는 어떠한 초고강도의, 저합금 강이 본 발명의 컨테이너 및 기타 구성품을 제조하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 사용하기 위한 강의 예는, 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 극저온 온도 작업 조건에서, 파괴 개시, 즉 실패의 경우를 방지하는 적합한 인성을 가지며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 용접성, 초고강도의 저합금 강이다. 본 발명에 사용하기 위한 또다른 강의 예는 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 인장 강도가 1000MPa(145ksi) 초과이고 극저온 온도 작업 조건에서, 파괴 개시, 즉 실패의 경우를 방지하는 적합한 인성을 가지며 니켈을 3중량% 미만 함유하는 용접성, 초고강도의, 저합금 강이다. 바람직하게는 이들 강의 예는 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이다.
강 제조 기술의 최근의 진보로, 탁월한 극저온 인성을 갖는 신규한 초고강도의, 저합금 강을 제조할 수 있게 되었다. 예를 들면, 쿠(Koo) 등에 허여된 3개의 미국 특허 제5,531,842호, 제5,545,269호 및 제5,545,270호에는, 신규한 강, 및 이러한 강을 가공하여 인장 강도가 약 830MPa(120ksi), 965MPa(140ksi), 그 이상인 강판을 제조하기 위한 방법이 기재되어 있다. 상기 문헌에 기재된 강 및 가공 방법은 개선되고 변형되어 조합 강 화학 및 용접되는 경우 베이스 강 및 열 영향하의 구역 모두에 탁월한 극저온 인성을 갖는 초고강도, 저합금 강을 제조하기 위한 공정을 제공하여 왔다. 이들 초고강도, 저합금 강은 또한 표준 시판중인 초고강도, 저합금 강보다 인성이 개선되었다. 개선된 강은 "극저온 인성이 탁월한 초고강도 강"을 발명의 명칭으로 하고, 우선일이 1997년 12월 19일이며, 출원 번호 제60/068194호로 미국 특허 및 상표청("USPTO")에 의해 인증된, 동시 계류중인 미국 가명세서 특허원; "극저온 인성이 탁월한 초고강도 오세이지드 강(ausaged steel)"을 발명의 명칭으로 하고, 우선일이 1997년 12월 19일이며, 출원 번호 제60/068252호로 USPTO에 의해 인증된, 동시 계류중인 미국 가명세서 특허원; "극저온 인성이 탁월한 초고강도 이중상 강"을 발명의 명칭으로 하고, 우선일이 1997년 12월 19일이며, 출원 번호 제60/068816호로 USPTO에 의해 인증된, 동시 계류중인 미국 가명세서 특허원(집합적으로는, "강 특허원"임)에 기재되어 있다.
강 특허원에 기재되고, 추가로 하기의 실시예에 기재된 신규한 강은, 당해 강이 바람직하게는 두께가 약 2.5cm(1in)인 강판에 대하여 다음 특성을 갖는다는 점에서 본 발명의 PLNG를 저장하고 운송하기 위한 컨테이너를 제조하는데 특히 적합하다: (i) 베이스 강에서 및 용접 HAZ에서, DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -107℃(-160℉) 미만이고, (ii) 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과, 바람직하게는 약 860MPa(125ksi) 초과, 더욱 바람직하게는 약 900MPa(130ksi) 초과이며, (iii) 용접성이 뛰어나고, (iv) 전체 두께 미세구조 및 특성이 사실상 균일하며, (v) 표준의, 시판중인, 초고강도 저합금 강에 걸친 인성이 개선되었다. 더더욱 바람직하게는, 이러한 강은 인장 강도가 약 930MPa(135ksi) 초과, 약 965MPa(140ksi) 초과, 또는 약 1000MPa(145ksi) 초과이다.
강의 제1 실시예
위에서 논의한 바와 같이, 우선일이 1997년 12월 19일이고, "극저온 인성이 탁월한 초고강도 강"을 발명의 명칭으로 하며, USPTO에 의해 출원 번호 제60/068194호로 인증된 동시계류중인 미국 가명세서 특허원에는, 본 발명에 사용하기에 적합한 강이 기재되어 있다. 여기서, (a) (i) 강 슬랩을 실질적으로 균질화시키고, (ii) 강 슬랩 중의 니오븀 및 바나듐의 실질적으로 모든 탄화물 및 탄질화물을 용해시키며, (iii) 강 슬랩 중의 미세 초기 오스테나이트 그레인을 달성하기에 충분히 높은 재가열 온도로 강 슬랩을 가열하는 단계, (b) 강 슬랩을 환원시켜 오스테나이트가 재결정하는 제1 온도 범위에서 1회 이상의 열간 압연 통과로 강판을 형성하는 단계, (c) 대락 Tnr온도 미만 Ar3변환 온도 초과의 제2 온도 범위에서 1회 이상 열간 압연 통과로 강판을 추가로 환원시키는 단계, (d) 강판을 약 10 내지 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 대략 Ms변환 온도 + 200℃(360℉) 미만의 급냉 정지 온도(QST)로 급냉시키는 단계, (e) 급냉을 중단하는 단계, 및 (f) 강판을 약 400℃(752℉) 내지 대략 Ac1변환 온도 이하, 바람직하게는 Ac1변환 온도 미만의 단련 온도에서 경화 입자, 즉 하나 이상의 ε-구리, Mo2C 또는 니오븀 및 바나듐의 탄화물 및 탄질화물을 침강시키기에 충분한 시간 동안 단련하는 단계를 포함하는, 주로 단련 미립화 라스 마르텐사이트, 단련 미립화 저 배나이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 미세구조를 갖는 초고강도 강판을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 경화 입자를 침강시키기에 충분한 시간은 강판의 두께, 강판의 화학 및 단련 온도에 주로 좌우되고, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다. (주로, 경화 입자, Tnr온도, Ar3, Ms 및 Ac1변환 온도 및 Mo2C의 정의에 대해서는 용어 해설을 참조한다.)
주변 온도 및 극저온 온도 인성을 보장하기 위하여, 이러한 강의 제1 실시예에 따르는 강은 바람직하게는 주로 단련 제1 미분화 하부 배나이트, 단련 미분화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물로 구성된 미세구조를 갖는다. 상부 배나이트, 쌍을 이루는 마르텐사이트 및 MA와 같은 취성 성분의 형성을 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 강의 제1 실시예 및 청구의 범위에 사용된 바와 같이 용어 "주로"는 약 50용적% 이상을 의미한다. 더욱 바람직하게는, 미세구조는 단련 미세화 하부 배나이트, 단련 미세화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 60 내지 약 80용적% 포함한다. 더더욱 바람직하게는, 미세구조는 단련 미세화 하부 배나이트, 단련 미세화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 90용적% 이상 포함한다. 더욱 바람직하게는, 미세 구조는 미세화 라스 마르텐사이트를 실질적으로 100% 포함한다.
이러한 강의 제1 실시예에 따라 가공된 강 슬랩은 통상적인 방식으로 제조하고, 하나의 양태에서, 철 및 다음 합금 원소를 다음 표 I에 나타낸 중량 범위로 포함한다.
합금 원소 범위(중량%)
탄소(C) 0.04 내지 0.12, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 0.07
망간(Mn) 0.5 내지 2.5, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.8
니켈(Ni) 1.0 내지 3.0, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5
구리(Cu) 0.1 내지 1.5, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.0
몰리브덴(Mo) 0.1 내지 0.8, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.5
니오븀(Nb) 0.02 내지 0.1, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 0.05
티탄(Ti) 0.008 내지 0.003, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.02
알루미늄(Al) 0.001 내지 0.05, 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.003
질소(N) 0.002 내지 0.005, 더욱 바람직하게는 0.002 내지 0.003
때로는 바나듐(V)을 바람직하게는 약 0.10중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.02 내지 약 0.05중량%로 강에 첨가한다.
때로는 크롬(Cr)을 바람직하게는 약 1.0중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6중량%로 강에 첨가한다.
때로는 규소(Si)를 바람직하게는 약 0.5중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.5중량%, 더더욱 바람직하게는 약 0.05 내지 0.1중량%로 강에 첨가한다.
때로는 붕소(B)를 바람직하게는 약 0.0020중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.0006 내지 약 0.0010중량%로 강에 첨가한다.
강은 바람직하게는 니켈을 약 1중량% 이상 함유한다. 강의 니켈 함량은 용접 후 성능을 강화시킬 필요가 있을 경우 약 3중량% 초과로 증가시킬 수 있다. 니켈을 각각 1중량% 첨가하면 강의 DBTT를 약 10℃(18℉) 강하시키는 것으로 예상된다. 니켈 함량은 바람직하게는 9중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 6중량% 미만이다. 니켈 함량은 바람직하게는 최소화하여 강의 비용을 최소화시킨다. 니켈 함량이 약 3중량% 초과로 증가하는 경우, 망간 함량은 약 0.5 내지 0.0중량%로 감소시킬 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서는, 망간 약 2.5중량% 이하가 바람직하다.
추가로, 잔사는 바람직하게는 강에서 실질적으로 최소화시킨다. 인(P) 함량은 바람직하게는 0.01중량% 미만이다. 황(S) 함량은 바람직하게는 0.004중량% 미만이다. 산소(O) 함량은 바람직하게는 0.002중량% 미만이다.
다소 상세히 설명하자면, 강의 제1 실시예에 따르는 강은 다음에 기술된 목적하는 조성물의 슬랩을 형성하여 제조한다: 슬랩을 약 955 내지 약 1065℃(1750 내지 1950℉)의 온도로 가열하고; 슬랩을 열간 압연하여 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위, 즉 대략 Tnr온도 초과에서 약 30 내지 약 70% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 강판을 형성하고, 강판을 대략 Tnr온도 미만이고 대략 Ar3변환 온도 초과의 온도인 제2 온도 범위에서 약 40 내지 약 80% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 강을 추가로 열간 압연한다. 이어서 열간 압연 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도에서 대략 Ms변환 온도 + 200℃(360℉) 급냉하고, 이때 급냉을 종결한다. 이러한 강의 제1 실시예의 하나의 양태에서, 그다음 강판을 주위 온도로 공냉시킨다. 이러한 공정은 바람직하게는 주로 미분화 라스 마르텐사이트, 미분화 하부 배나이트 또는 이들의 혼합물을 포함하거나, 더욱 바람직하게는 실질적으로 100% 미분화 라스 마르텐사이트를 포함하는 미세구조를 생성하는데 사용된다.
강의 제1 실시예에 따르는 이렇게 직접 급냉된 강의 마르텐사이트는 강도가 높지만 이의 인성은 약 400℃(752℉) 초과 대략 Ac1변환 온도 이하의 적합한 온도에서 단련하여 개선시킬 수 있다. 이러한 온도 범위 내의 강의 단련은 또한 차례로 인성을 증가시키도록 유도하는 급냉 응력의 감소로 유도된다. 단련이 강의 인성을 강화시키는 반면, 이는 통상적으로 강도의 실질적 손실을 유도한다. 본 발명에서, 단련으로부터 통상적인 강도 손실은 침강물 분산 경화를 유발함으로써 상쇄된다. 미세한 구리 침강물 및 혼합된 탄화물 및/또는 탄질화물로부터의 분산 경화는 마르텐사이트 구조를 단련하는 동안 강도 및 인성을 최적화시키는데 사용된다. 이러한 강의 제1 실시예의 강의 단일 화학은 급냉 강도의 어떠한 현저한 손실도 없이 약 400 내지 650℃(750 내지 1200℉)의 넓은 범위 내에서 단련을 허용한다. 당해 강판은 바람직하게는 약 400℃(752℉) 초과 Ac1변환 온도 미만의 단련 온도에서 경화 입자(본원에서 정의된 바와 같음)의 침강을 초래하기에 충분한 시간 동안 단련한다. 이러한 공정은 강판의 미세구조를 주로 단련 미분화 라스 마르텐사이트, 단련 미분화 하부 배나이트 또는 이들의 혼합물로 변환시키는 것을 용이하게 한다. 역시, 경화 입자를 침강시키기에 충분한 시간은 주로 강판의 두께, 강판의 화학 및 단련 온도에 좌우되고, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다.
강의 제2 실시예
위에서 논의한 바와 같이, 우선일이 1997년 12월 19일이고, "극저온 인성이 탁월한 초고강도 오세이지드 강"을 발명의 명칭으로 하며, USPTO에 의해 출원 번호 제60/068252호로 인증된, 동시계류중인 미국 가명세서 특허원에는 본 발명에 사용하기에 적합한 다른 강이 기재되어 있다. 여기서, (a) (i) 강 슬랩을 실질적으로 균질화시키고, (ii) 강 슬랩 중의 니오븀 및 바나듐의 실질적으로 모든 탄화물 및 탄질화물을 용해시키며, (iii) 강 슬랩 중의 미세 초기 오스테나이트 그레인을 달성하기에 충분히 높은 재가열 온도로 강 슬랩을 가열하는 단계, (b) 강 슬랩을 환원시켜 오스테나이트가 재결정하는 제1 온도 범위에서 1회 이상의 열간 압연 통과로 강판을 형성하는 단계, (c) 대락 Tnr온도 미만 Ar3변환 온도 초과의 제2 온도 범위에서 1회 이상 열간 압연 통과로 강판을 추가로 환원시키는 단계, (d) 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 대략 Ms변환 온도 + 100℃(180℉) 미만의 급냉 정지 온도(QST)로 급냉시키는 단계, (e) 급냉을 중단하는 단계를 포함하는, 오스테나이트 필름 층 약 2 내지 약 10용적% 및 주로 미분화 마르텐사이트 및 미분화 하부 배나이트의 라스 약 90 내지 약 98용적%를 포함하는 미세 적층 미세구조를 갖는 초고강도 강판을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 하나의 양태에서, 당해 강의 제2 실시예의 방법은 강판을 QST로부터 주위 온도로 공냉시키는 것을 허용하는 단계를 포함한다. 또 다른 양태에서, 당해 강의 제2 실시예의 방법은 강판을 주위 온도로 공냉시키기 전에 약 5분까지 QST에서 실질적으로 등온적으로 강판을 유지하는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에서, 당해 강의 제2 실시예는 강판을 주위 온도로 공냉시키기 전에 약 5분 이하 동안 약 1.0℃/sec(1.8℉/sec) 미만의 속도에서 QST로부터 강판을 서서히 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에서, 본 발명의 방법은 강판을 주위 온도로 공냉시키기 전에 약 5분 이하 동안 약 1.0℃/sec(1.8℉/sec) 미만의 속도에서 QST로부터 강판을 서서히 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다. 이러한 공정은 강판의 미세구조를 오스테나이트 필름 층 약 2 내지 약 10용적% 및 주로 미분화 마르텐사이트 및 미분화 하부 배나이트의 라스 약 90 내지 약 98용적%로 변환시키는 것을 용이하게 한다. (주로, Tnr온도, Ar3, 및 Ms 변환 온도의 정의에 대해서는 용어 해설을 참조한다.)
주변 온도 및 극저온 온도 인성을 보장하기 위하여, 미세 적층체 미세구조의 라스는 바람직하게는 하부 배나이트 또는 마르텐사이트를 포함한다. 상부 배나이트, 쌍을 이루는 마르텐사이트 및 MA와 같은 취성 성분의 형성을 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 당해 강의 제2 실시예 및 청구의 범위에 사용된 바와 같이 용어 "주로"는 약 50용적% 이상을 의미한다. 미세구조의 잔여물은 추가의 미분화 하부 배나이트, 추가의 미분화 라스 마르텐사이트 또는 페라이트를 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 미세구조는 배나이트 또는 마르텐사이트를 약 60 내지 약 80용적% 포함한다. 더더욱 바람직하게는, 미세구조는 하부 배나이트 또는 라스 마르텐사이트를 약 90용적% 이상 포함한다.
이러한 강의 제2 실시예에 따라 가공된 강 슬랩은 통상적인 방식으로 제조하고, 하나의 양태에서, 철 및 다음 합금 원소를 다음 표 II에 나타낸 중량 범위로 포함한다.
합금 원소 범위(중량%)
탄소(C) 0.04 내지 0.12, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 0.07
망간(Mn) 0.5 내지 2.5, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.8
니켈(Ni) 1.0 내지 3.0, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5
구리(Cu) 0.1 내지 1.0, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.5
몰리브덴(Mo) 0.1 내지 0.8, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.4
니오븀(Nb) 0.02 내지 0.1, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.05
티탄(Ti) 0.008 내지 0.003, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.02
알루미늄(Al) 0.001 내지 0.05, 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.003
질소(N) 0.002 내지 0.005, 더욱 바람직하게는 0.002 내지 0.003
때로는 크롬(Cr)을 바람직하게는 약 1.0중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6중량%로 강에 첨가한다.
때로는 규소(Si)를 바람직하게는 약 0.5중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.5중량%, 더더욱 바람직하게는 약 0.05 내지 0.1중량%로 강에 첨가한다.
때로는 붕소(B)를 바람직하게는 약 0.0020중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.0006 내지 약 0.0010중량%로 강에 첨가한다.
강은 바람직하게는 니켈을 약 1중량% 이상 함유한다. 강의 니켈 함량은 용접 후 성능을 강화시킬 필요가 있을 경우 약 3중량% 초과로 증가시킬 수 있다. 니켈을 각각 1중량% 첨가하면 강의 DBTT를 약 10℃(18℉) 강하시키는 것으로 예상된다. 니켈 함량은 바람직하게는 9중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 6중량% 미만이다. 니켈 함량은 바람직하게는 최소화하여 강의 비용을 최소화시킨다. 니켈 함량이 약 3중량% 초과로 증가하는 경우, 망간 함량은 약 0.5 내지 0.0중량%로 감소될 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서는, 망간 약 2.5중량% 이하가 바람직하다.
추가로, 잔사는 바람직하게는 강에서 실질적으로 최소화시킨다. 인(P) 함량은 바람직하게는 약 0.01중량% 미만이다. 황(S) 함량은 바람직하게는 약 0.004중량% 미만이다. 산소(O) 함량은 바람직하게는 약 0.002중량% 미만이다.
다소 상세히 설명하자면, 강의 제2 실시예에 따르는 강은 다음에 기술된 바와 같이 목적하는 조성의 슬랩을 형성하여 제조한다: 슬랩을 약 955 내지 약 1065℃(1750 내지 1950℉)의 온도로 가열하고; 슬랩을 열간 압연하여 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위, 즉 대략 Tnr온도 초과에서 약 30 내지 약 70% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 강판을 형성하고, 강판을 대략 Tnr온도 미만이고 대략 Ar3변환 온도 초과의 온도인 제2 온도 범위에서 약 40 내지 약 80% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 추가로 열간 압연한다. 이어서 열간 압연 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도에서 대략 Ms변환 온도 + 100℃(180℉) 급냉하고, 이때 급냉을 종결한다. 이러한 강의 제2 실시예의 하나의 양태에서, 급냉을 종결한 후 강판을 QST로부터 주위 온도로 공냉시킨다. 당해 강의 제2 실시예의 또 다른 양태에서, 급냉을 종결한 후 강판을 바람직하게는 약 1분 이하 동안 QST에서 실질적으로 등온적으로 유지한 다음, 주위 온도로 공냉시킨다. 또 다른 양태에서는 강판을 바람직하게는 약 5분 이하 동안 공냉 속도보다 더 느린 속도, 즉 1℃/sec(1.8℉/sec) 미만의 속도로 서서히 냉각시킨다. 당해 강의 제2 예의 하나 이상의 양태에서는, Ms변환 온도는 약 350℃(662℉)이고, 따라서 Ms 변환 온도 + 100℃(180℉)는 약 450℃(842℉)이다.
강판은 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 바와 같이, 어떠한 적합한 수단에 의해서도 예를 들면, 강판에 걸쳐 열 블랭킷을 위치시킴으로써 QST에서 실질적으로 등온적으로 유지될 수 있다. 강판은 급냉이 어떠한 적합한 수단에 의해 종결된 후에, 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 바와 같이, 예를 들면 절연 블랭킷을 강판에 걸쳐 위치시킴으로써 서서히 냉각시킬 수 있다.
강의 제3 실시예
위에서 논의한 바와 같이, 우선일이 1997년 12월 19일이고, "극저온 인성이 탁월한 초고강도 이중상 강"을 발명의 명칭으로 하며, USPTO에 의해 출원 번호 제60/068816호로 인증된, 동시계류중인 미국 가명세서 특허원에는 본 발명에 사용하기에 적합한 다른 강이 기재되어 있다. 여기서, (a) (i) 강 슬랩을 실질적으로 균질화시키고, (ii) 강 슬랩 중의 니오븀 및 바나듐의 실질적으로 모든 탄화물 및 탄질화물을 용해시키며, (iii) 강 슬랩 중의 미세 초기 오스테나이트 그레인을 달성하기에 충분히 높은 재가열 온도로 강 슬랩을 가열하는 단계, (b) 강 슬랩을 환원시켜 오스테나이트가 재결정하는 제1 온도 범위에서 1회 이상의 열간 압연 통과로 강판을 형성하는 단계, (c) 대략 Tnr온도 미만 Ar3변환 온도 초과의 제2 온도 범위에서 1회 이상 열간 압연 통과로 강판을 추가로 환원시키는 단계, (d) 대략 Ar3변환 온도 미만 대략 Ar1변환 온도 초과의 제3 온도 범위(즉, 상호임계 온도 범위)에서 1회 이상의 열간 압연 통과로 상기 강판을 추가로 환원시키는 단계, (e) 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 대략 Ms변환 온도 + 200℃(360℉) 미만의 급냉 정지 온도(QST)로 급냉시키는 단계, (f) 급냉을 중단하는 단계를 포함하는, 실질적으로 100용적%(즉, 실질적으로 순수 또는 "본질적으로")의 제1 상 약 10 내지 약 40용적% 및 주로 미분된 라스 마르텐사이트, 미분된 하부 배나이트 또는 이들의 혼합물의 제2 상 약 60 내지 약 90용적%를 포함하는 미세구조를 갖는 초고강도, 이중상 강판을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 당해 강의 제2 실시예의 또 다른 양태에서, QST는 바람직하게는 대략 Ms변환 온도 100℃(180℉) 미만, 더욱 바람직하게는 약 350℃(662℉) 미만이다. 당해 강의 제3 실시예의 하나의 양태에서는, 강판을 단계(f) 후에 주위 온도로 공냉시킨다. 이러한 공정은 강판의 미세구조를 페라이트의 제1 상 약 10 내지 약 40용적% 및 주로 미분화 라스 마르텐사이트, 미분화 하부 배나이트 또는 이들의 혼합물 약 60 내지 약 90용적%로 변환시키는 것을 촉진한다. (Tnr온도, Ar3및 Ar1변환 온도의 정의에 대해서는 용어 해설을 참조한다.)
주변 온도 및 극저온 온도 인성을 보장하기 위하여, 강의 제3 실시예의 강의 제2 상의 미세구조는 주로 미분화 하부 배나이트, 미분화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 제2 상의 상부 배나이트, 쌍을 이루는 마르텐사이트 및 MA와 같은 취성 성분의 형성을 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 당해 강의 제3 실시예 및 청구의 범위에 사용된 바와 같이 용어 "주로"는 약 50용적% 이상을 의미한다. 제2 상 미세구조의 잔여물은 추가의 미분화 하부 배나이트, 추가의 미분화 라스 마르텐사이트 또는 페라이트를 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 제2 상의 미세구조는 미분화 하부 배나이트, 미분화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 60 내지 약 80용적% 포함한다. 더더욱 바람직하게는, 제2 상의 미세구조는 미분화 하부 배나이트, 미분화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 90용적% 이상 포함한다.
이러한 강의 제3 실시예에 따라 가공된 강 슬랩은 통상적인 방식으로 제조하고, 하나의 양태에서, 철 및 다음 합금 원소를 바람직하게는 다음 표 III에 나타낸 중량 범위로 포함한다.
합금 원소 범위(중량%)
탄소(C) 0.04 내지 0.12, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 0.07
망간(Mn) 0.5 내지 2.5, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.8
니켈(Ni) 1.0 내지 3.0, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5
니오븀(Nb) 0.02 내지 0.1, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.05
티탄(Ti) 0.008 내지 0.03, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.02
알루미늄(Al) 0.001 내지 0.05, 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.003
질소(N) 0.002 내지 0.005, 더욱 바람직하게는 0.002 내지 0.003
때로는 크롬(Cr)을 바람직하게는 약 1.0중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6중량%로 강에 첨가한다.
때로는 몰리브덴(Mo)을 바람직하게는 약 0.8중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.1 내지 약 0.3중량%로 강에 첨가한다.
때로는 규소(Si)를 바람직하게는 약 0.5중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.5중량%, 더더욱 바람직하게는 약 0.05 내지 0.1중량%로 강에 첨가한다.
때로는 구리(Cu)를 바람직하게는 약 0.1 내지 약 1.0중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.4중량%의 범위로 강에 첨가한다.
때로는 붕소(B)를 바람직하게는 약 0.0020중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.0006 내지 약 0.0010중량%로 강에 첨가한다.
강은 바람직하게는 니켈을 약 1중량% 이상 함유한다. 강의 니켈 함량은 용접 후 성능을 강화시킬 필요가 있을 경우 약 3중량% 초과로 증가시킬 수 있다. 니켈을 각각 1중량% 첨가하면 강의 DBTT를 약 10℃(18℉) 강하시키는 것으로 예상된다. 니켈 함량은 바람직하게는 9중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 6중량% 미만이다. 니켈 함량은 바람직하게는 최소화하여 강의 비용을 최소화시킨다. 니켈 함량이 약 3중량% 초과로 증가하는 경우, 망간 함량은 약 0.5 내지 0.0중량%로 감소될 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서는, 망간 약 2.5중량% 이하가 바람직하다.
추가로, 잔사는 바람직하게는 강에서 실질적으로 최소화시킨다. 인(P) 함량은 바람직하게는 0.01중량% 미만이다. 황(S) 함량은 바람직하게는 0.004중량% 미만이다. 산소(O) 함량은 바람직하게는 0.002중량% 미만이다.
다소 상세히 설명하자면, 강의 제3 실시예에 따르는 강은 다음에 기술된 바와 같이 목적하는 조성의 슬랩을 형성하여 제조한다: 슬랩을 약 955 내지 약 1065℃(1750 내지 1950℉)의 온도로 가열하고; 슬랩을 열간 압연하여 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위, 즉 대략 Tnr온도 초과에서 약 30 내지 약 70% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 강판을 형성하고, 대략 Tnr온도 미만이고 대략 Ar3변환 온도 초과의 온도인 제2 온도 범위에서 약 40 내지 약 80% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 강판을 추가로 열간 압연하며, 대략 Ar3변환 온도 미만 대략 Ar1변환 온도 초과의 상호임계 온도 범위에서 약 15 내지 약 50% 환원을 제공하는 1회 이상의 통과로 강판의 압연을 종결한다. 이어서 열간 압연 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도에서 적합한 급냉 중지 온도(QST)로 바람직하게는 대략 Ms변환 온도 + 200℃(360℉)로 급냉하고, 이때 급냉을 종결한다. 본 발명의 또 다른 양태에서, QST는 바람직하게는 Ms변환 온도 100℃(180℉), 더욱 바람직하게는 약 350℃(662℉) 미만이다. 당해 강 제3 예의 하나의 양태에서는, 강판을 급냉 종결한 후에 주위 온도로 공냉시킨다.
상기 강의 세가지 예에서, Ni는 고가의 합금 원소이기 때문에, 강중의 Ni 함량은 강의 비용을 실질적으로 최소화하기 위하여 바람직하게는 3.0중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 2.5중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 2.0중량% 미만, 더더욱 바람직하게는 약 1.8중량% 미만이다.
본 발명에 관련하여 사용하기에 적합한 다른 강은 니켈을 약 1중량% 미만 함유하고, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고, 저온 인성이 탁월한 초고강도, 저합금 강이 기재되어 있는 다른 문헌에 기재되어 있다. 예를 들면, 이러한 강은 1997년 2월 5일에 공개되고 국제 출원 번호가 제PCT/JP96/00157호이고 국제 공개 번호가 제WO 96/23909호(08.08.1996 Gazette 1996/36)(이러한 강은 바람직하게는 구리 함량이 0.1 내지 1.2중량%임)이며 우선일이 1997년 7월 28일인 계류중인 미국 가명세서 특허원에서는 "초저온 인성이 탁월한 초고강도 용접성 강"을 발명의 명칭으로 하여 USPTO에 의해 출원 번호 제60/053915호로서 인증된 유럽 특허원에 기재되어 있다.
상기 언급된 강중 어느 것에 대해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 본원에서 사용된 "두께의 감소율(%)"은 언급된 감소 이전에 강 슬랩 또는 강판의 두께상의 감소율(%)을 나타낸다. 단지 설명하기 위해서이고 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 두께가 약 25.4cm(10in)인 강 슬랩은 제1 온도 범위에서 약 12.7cm(5in)의 두께로 약 50% 감소(50% 감소)한 다음, 제2 온도 범위에서 약 2.5cm(1in)의 두께로 약 80% 감소(80% 감소)할 수 있다. 역시, 설명하기 위해서이고 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 약 25.4cm(10in)의 강 슬랩은 제1 온도 범위에서 약 17.8cm(7in)의 두께로 약 30% 감소(30% 감소)하고, 제2 온도 범위에서 약 3.6cm(1.4in)의 두께로 약 80% 감소(80% 감소)한 다음, 제3 온도 범위에서 약 2.5cm(1in)의 두께로 약 30% 감소(30% 감소)할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "슬랩"은 임의의 치수의 강 조각을 의미한다.
상기 언급된 강중 어느 것에 대해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 강 슬랩은 바람직하게는 실질적으로 전체 슬랩, 바람직하게는 전체 슬랩의 온도를 목적하는 재가열 온도로 상승시키기 위한 적합한 수단에 의해서 예를 들면, 일정 기간 동안 슬랩을 노에 위치시킴으로써 재가열된다. 상기 언급된 강 조성중 어느것에 대해서도 사용되어야 하는 특정 재가열 온도는 당해 기술분야의 숙련가에 의해 실험으로 또는 적합한 모델을 사용한 계산으로 용이하게 측정될 수 있다. 추가로, 실질적으로 전체 슬랩, 바람직하게는 전체 슬랩의 온도를 목적하는 재가열 온도로 상승시키는데 필요한 노 온도 및 재가열 시간은 포준 산업 문헌을 참조하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 용이하게 측정할 수 있다.
상기 언급된 강중 어느 것에 의해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 재결정 범위 및 재결정하지 않는 범위 사이의 경계를 정의하는 온도, Tnr온도는 강의 화학, 더욱 구체적으로는 압연 전의 재가열 온도, 탄소 농도, 니오븀 농도 및 암연 통과에서 제공되는 환원량에 좌우된다. 당해 기술분야의 숙련가는 이러한 온도를 각각의 강 조성에 대하여 실험으로 또는 모델 계산으로 측정한다. 게다가, 본원에서 언급된 Ac1, Ar1, Ar3및 Ms변환 온도는 실험으로 또는 모델 계산으로 각각의 강 조성에 대하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 결정될 수 있다.
상기 언급된 강중 어느 것에 대해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 실질적으로 전체 슬랩에 적용되는 재가열 온도를 제외하고는, 본 발명의 가공 방법을 기술하는데 대하여 언급된 후속적인 온도는 강의 표면에서 측정된 온도이다. 강의 표면 온도는 광학 고온계를 사용하여 또는 강의 표면 온도를 측정하기에 적합한 기타 장치에 의하여 측정할 수 있다. 본원에서 언급된 냉각 속도는 판 두께의 중앙에서 또는 실질적으로 중앙에서의 속도이고; 급냉 중단 온도(QST)는 판의 중간 두께로부터 전달된 열 때문에, 급냉이 중단된 후에 판의 표면에 이르는 가장 높거나 실질적으로 가장 높은 온도이다. 예를 들면, 본원에 제공된 실시예에 따르는 강 조성의 실험적 열의 가공 동안에, 열전대를 중앙 온도 측정에 대한 강판 두께의 중앙 또는 실질적으로 중앙에 위치시키는 한편, 표면 온도는 광학 고온계를 사용하여 측정한다. 중앙 온도 및 표면 온도 사이의 상호관계는 동일하거나 실질적으로 동일한 강 조성의 후속적인 가공 동안에 사용하기 위하여 전개되어 중앙 온도가 표면 온도의 직접 측정을 통하여 결정될 수 있도록 한다. 또한, 목적하는 가속화 냉각 속도를 달성하는 냉각 유체의 필요 온도 및 유량은 표준 산업 문헌을 참조하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다.
당해 기술분야의 숙련가는 본 발명의 컨테이너 및 다른 구성품을 제조하는데 사용하기 위한 적합한 고강도 및 적합한 극저온을 갖는 강판을 여전히 제조하면서, 본원에 제공된 실시예에 따라 제조되는 강판의 두께와 비교하여 개질된 두께를 갖는 초고강도, 저합금 강판을 제조하는 본원에 제공된 정보를 사용하는 필수적인 지식 및 기술을 갖고 있다. 예를 들면, 당해 기술분야의 숙련가는 본 발명의 컨테이너 및 다른 구성품을 제조하는데 사용하기 위한, 두께가 약 2.54cm(1in)이고 적합한 고강도 및 적합한 극저온 인성을 갖는 강판을 제조하는 본원에서 제공된 정보를 사용할 수 있다. 다른 적합한 강이 이후에 존재하거나 개발될 수 있다. 이러한 모든 강은 본 발명의 영역 내에 있다.
이중상 강이 본 발명에 따라 컨테이너를 제조하는데 사용되는 경우, 이중상 강은 바람직하게는 강이 이중상 구조를 생성하기 위한 상호임계 온도 범위에서 유지되는 동안의 일정 기간이 냉각 또는 급냉 단계를 촉진시키기 전에 존재하는 방법으로 가공된다. 바람직하게는 당해 공정은 이중상이 Ar3변환 온도 내지 대략 Ar1변환 온도의 강을 냉각시키는 동안 형성되도록 한다. 본 발명에 따르는 컨테이너의 제조에 사용하기 위한 강에 대하여 추가로 바람직하게는, 강은 인장 강도가 830MPa(120ksi)이고 DBTT가 가속화된 냉각 또는 급냉 단계의 완료시, 즉 단련과 같은 강의 재가열을 필요로 하는 어떠한 추가의 가공도 없이, 약 -73℃(-100℉) 미만이다. 더욱 바람직하게는 급냉 또는 냉각 단계의 완료시 강의 인장 강도는 약 860MPa(125ksi) 초과, 더욱 바람직하게는 900MPa(130ksi) 초과이다. 일부 출원에서는, 급냉 또는 냉각 단계의 완료시 인장 강도가 약 930MPa(135ksi) 초과이거나, 약 965MPa(140ksi) 초과이거나, 약 1000MPa(145ksi) 초과인 강이 바람직하다.
컨테이너 및 기타 구성품을 제조하기 위한 접합방법
본 발명의 컨테이너 및 기타 구성품을 제조하기 위하여 강판을 접합하는 적합한 방법이 요구된다. 본 발명에 사용되기에 충분한 강도 및 인성을 접합부에 부여하는 모든 접합방법이 적합한 것으로 간주된다. 바람직하게는, 함유되거나 운송되는 유체를 함유하기에 충분한 강도 및 파괴 인성을 제공하기에 적합한 용접 방법이 본 발명의 컨테이너 및 기타 성분들을 제조하는데 사용된다. 바람직하게는, 이러한 용접 방법은 적합한 소모성 와이어, 접합한 소모성 가스, 적합한 용접방법 및 적합한 용접과정을 포함한다. 예를 들면, 강 가공 산업분야에 널리 공지되어 있는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW)과 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접은 적합한 소모성 와이어-가스 조합물이 사용되는 조건하에 둘 다 강판 접합에 사용될 수 있다.
용접방법의 제1 예에서, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 방법은 철과 탄소 약 0.07중량%, 망간 약 2.05중량%, 규소 약 0.32중량%, 니켈 약 2.20중량%, 크롬 약 0.45중량%, 몰리브덴 약 0.56중량%, 인 약 110ppm 미만 및 황 약 50ppm 미만을 포함하는 용접 금속 화학 조성물을 제조하는 데 사용된다. 산소 약 1중량% 미만을 갖는 아르곤계 차폐 가스를 사용하여 상술한 강중의 하나와 같은 강에 대해 용접을 수행한다. 용접열 도입량은 약 0.3 내지 약 1.5kJ/mm(7.6 내지 38kJ/in)의 범위이다. 이러한 방법에 의한 용접은, 인장 강도가 약 900MPa(130ksi) 초과, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 초과, 이보다 더 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 용접부(용어해설 참조)를 제공한다. 추가로, 이러한 방법에 의한 용접은, DBTT가 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 106℃(-160℉) 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만인 용접 금속을 제공한다.
용접방법의 또 다른 예에서, GMAW 방법은 철과 탄소 약 0.10중량%(바람직하게는 탄소 약 0.10중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.07 내지 약 0.08중량%), 망간 약 1.60중량%, 규소 약 0.25중량%, 니켈 약 1.87중량%, 크롬 약 0.87중량%, 몰리브덴 약 0.51중량%, 인 약 75ppm 미만 및 황 약 100ppm 미만을 포함하는 용접 금속 화학 조성물을 제조하는 데 사용된다. 용접열 도입량은 약 0.3 내지 약 1.5kJ/mm(7.6 내지 38kJ/in)의 범위이며, 약 100℃(212℉)의 예열이 사용된다. 산소 약 1중량% 미만을 갖는 아르곤계 차폐 가스를 사용하여 상술한 강 중의 하나와 같은 강에 대해 용접을 수행한다. 이러한 방법에 의한 용접은, 인장 강도가 약 900MPa(130ksi) 초과, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 초과, 이보다 더 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 용접부를 제공한다. 추가로, 이러한 방법에 의한 용접은, DBTT가 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 106℃(-160℉) 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만인 용접 금속을 제공한다.
용접방법의 또 다른 예에서, 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG) 방법은 철과 탄소 약 0.07중량%(바람직하게는 탄소 약 0.07중량% 미만), 망간 약 1.80중량%, 규소 약 0.20중량%, 니켈 약 4.00중량%, 크롬 약 0.5중량%, 몰리브덴 약 0.40중량%, 구리 약 0.02중량%, 알루미늄 약 0.02중량%, 타타늄 약 0.010중량%, 지르코늄(Zr) 약 0.015중량%, 인 약 50ppm 미만 및 황 약 30ppm 미만을 포함하는 용접 금속 화학 조성물을 제조하는 데 사용된다. 용접열 도입량은 약 0.3 내지 약 1.5kJ/mm(7.6 내지 38kJ/in)의 범위이며, 100℃(212℉)의 예열이 사용된다. 산소 약 1중량% 미만을 갖는 아르곤계 차폐 가스를 사용하여 상술한 강 중의 하나와 같은 강에 대해 용접을 수행한다. 이러한 방법에 의한 용접은, 인장 강도가 약 900MPa(130ksi) 초과, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 초과, 이보다 더 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 용접부를 제공한다. 추가로, 이러한 방법에 의한 용접은, DBTT가 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 106℃(-160℉) 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만인 용접 금속을 제공한다.
실시예에 언급된 유사한 용접 금속 화학 조성물은 GMAW 또는 TIG 용접방법을 사용하여 제조될 수 있다. 그러나, TIG 용접은 GMAW에 비해 불순물의 함량이 더 낮고 미세구조가 보다 고도로 정제되어 저온 인성이 개선된다.
당해 분야의 숙련가들은, 본 발명의 컨테이너와 기타 구성품들을 제조하는데 사용하기 위한 적합한 높은 강도 및 파괴 인성을 갖는 접합물을 제조하기 위한 초고강도 저합금 강판을 용접하기 위해 본원에서 제공된 정보를 사용하는 필수 지식 및 기술을 사용한다. 기타 적합한 접합 및 용접 방법은 현존하거나 추후 개발될 수 있다. 이러한 모든 접합 또는 용접 방법은 본 발명의 범주 내에 포함된다.
컨테이너 및 기타 구성품들의 제조
본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, (i) 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되며, (ii) 극저온 유체, 특히 PLNG를 내장하기에 충분한 강도와 극저온 파괴 인성을 갖는 컨테이너 및 기타 구성품들이 제공되며, 추가로 인장강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는 컨테이너 및 기타 구성품들이 제공되고, 추가로 (i) 니켈을 약 3중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되고, (ii) 극저온 유체, 특히 PLNG를 내장하기에 충분한 강도와 극저온 파괴 인성을 갖는 컨테이너 및 기타 구성품들이 제공되며, 추가로 니켈을 약 3중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되며 인장강도가 약 1000MPa(145ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만인 컨테이너 및 기타 구성품들이 제공된다. 이러한 컨테이너 및 기타 구성품들은 본원에서 기재되는 우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 저합금 강으로부터 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 컨테이너 및 기타 구성품들은 우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 저합금 강으로부터 제조되는 것이 바람직하다. 적용 가능한 경우, 컨테이너와 기타 구성품들의 접합부는 초고강도 저합금 강과 거의 동일한 강도 및 인성을 갖는 것이 바람직하다. 어떤 경우에는, 강도를 약 5 내지 약 10% 낮게 조절하는 것이 보다 낮은 응력의 위치에 대해 정당화될 수 있다. 바람직한 특성을 갖는 접합부는 적합한 접합 기술에 의해 제조될 수 있다. 예시적인 접합기술이 "컨테이너 및 기타 구성품을 제조하기 위한 접합방법"라는 부제하에 본원에 기술되어 있다.
당 분야의 숙련가에게 익숙한 바와 같이, 차피 V-노치(CVN) 시험이 PLNG와 같은 가압 극저온 유체를 운송하는 컨테이너의 설계에 있어서 파괴 인성 평가와 파괴 제어의 목적으로, 특히 연성-취성 전이 온도(DBTT)를 사용함으로써, 사용될 수 있다. DBTT는 구조적인 강에서 2가지 파괴 체제를 나타낸다. DBTT 미만의 온도에서, 차피-V-노치 시험의 실패는 저에너지 분해(취성) 파괴에 의해 발생하는 경향이 있는 반면, DBTT 초과의 온도에서의 실패는 고에너지 연성 파괴에 의해 발생하는 경향이 있다. PLNG를 운송하고 기타 적하물을 운송하는 극저온 서비스를 위해 용접 강으로부터 제조된 컨테이너는 차피 V-노치 시험에 의해 측정되는 DBTT가 취성 실패를 피하기 위해 구조물의 서비스 온도보다 훨씬 낮은 온도이어야 한다. 설계, 서비스 조건 및/또는 적용 가능한 분류 단체의 요건에 따라, 요구되는 DBTT 온도 범위는 서비스 온도보다 5 내지 30℃(9 내지 54℉) 정도 낮을 수 있다.
당해 분야의 숙련가들에게 익숙한 바와 같이, PLNG와 같은 가압 극저온 유체를 저장 및 운송하기 위한 용접 강으로부터 제조되는 컨테이너의 설계시 고려되는 작동조건은 기타 조건들 중에서도 작동 압력과 작동 온도 뿐만 아니라 강 또는 용접부(용어해설 참조)에 부과될 수 있는 추가의 응력을 포함한다. (i) 평면-변형 파괴 인성의 척도인 임계 응력 강도 인자(KIC) 및 (ii) 탄성-가소성 파괴 인성의 척도로 사용될 수 있는 균열 말단 개방 변위(crack tip opening displacement; CTOD)와 같은 당해 분야의 숙련가들에게 익숙한 표준 파괴 역학적 특성을 사용하여 강 및 용접부의 파괴 인성을 측정할 수 있다. 예를 들면, 흔히 "PD 6493 : 1991"로 인용되는 문헌[BSI publication "Guidance on methods for assessing the acceptablility of flaws in fusion welded structues"]에 제시된 바와 같은 강 구조 설계에 통상 허용되는 산업 코드를 사용하여 강 및 용접부(HAZ 포함)의 파괴 인성과 컨테이너에 부과되는 응력을 토대로 컨테이너의 최대로 허용 가능한 흠 크기를 측정할 수 있다. 당 분야의 숙련가는 (i) 부과되는 응력을 최소화하는데 적합한 컨테이너 설계, (ii) 결함을 최소화하기 위한 적합한 제조 품질 제어, (iii) 컨테이너에 부과되는 라이프 사이클 하중 및 압력의 적합한 제어 및 (iv) 컨테이너의 흠 및 결함을 신뢰성있게 검출하는 적합한 조사 프로그램을 통해 파괴 개시를 완화시키는 파괴 제어 프로그램을 개발할 수 있다. 본 발명의 시스템에 바람직한 설계 철학은 당해 분야의 숙련가들에게 익숙한 바와 같이 "실패 전 누출"이다. 이러한 고찰은 일반적으로 "파괴 역학의 공지된 원리"로서 본원에서 인용된다.
다음은 본 발명에 따르는 컨테이너에서 파괴 개시를 방지하기 위한 파괴 제어 계획에 사용되는 소정의 흠 길이에 대한 임계 흠 깊이를 계산하기 위한 과정에서 상기한 파괴 역학의 공지된 원리를 적용하는 비제한적 실시예이다.
도 4B는 길이가 315이고 깊이가 310인 흠을 도시한 것이다. PD6439를 사용하여 가압 용기 또는 컨테이너에 대한 다음 설계 조건을 토대로 도 4A에 도시한 임계 흠 크기 플롯 300에 대한 수치를 계산한다:
용기 직경 : 4.57m(15ft)
용기 벽 두께: 25.4mm(1.00in)
설계 압력: 3445kPa(500psi)
허용 가능한 후프 응력: 333MPa(48.3ksi)
이러한 실시예의 목적상, 표면 흠 길이, 예를 들면, 용접 봉합부에 위치한 축상 흠이 100mm(4in)로 측정된다. 이제 도 4A를 참조하면, 플롯 300은 잔여 응력 수준이 항복 응력의 15%, 50% 및 100%인 경우, 임계 흠 깊이의 수치를 CTOD 파괴 인성과 잔여 응력의 함수로서 나타낸다. 잔여 응력은 제조 및 용접으로 인해 발생될 수 있고, PD6493은, 용접후 가열처리(PWHT) 또는 역학적 응력 해제와 같은 기술을 사용하여 용접부에서 응력이 제거되지 않은 한, 용접부(HAZ 포함)의 항복 응력의 100%를 잔여 응력 수치로 사용할 것을 추천한다.
최저 서비스 온도에서 강의 CTOD 파괴 인성을 기준으로 하여, 컨테이너 제조는 잔여 응력을 감소시키도록 조절할 수 있으며, 임계 흠 크기에 대한 대조용으로 흠을 검측하기 위한 조사 프로그램(초기 조사 및 서비스 도중의 조사 둘 다에 대한 프로그램)을 가설할 수 있다. 이러한 경우의 예에서, 강의 CTOD 인성(실험실의 시료를 사용하여 측정한 값)이 최저 서비스 온도에서 0.025mm이고 잔여 응력이 강 항복 강도의 15%로 감소되는 경우, 임계 흠 깊이의 값은 약 4mm이다(도 4A의 포인트 320 참조). 유사한 계산 과정을 따라, 당 분야의 숙련가들에게 널리 공지된 바와 같이, 임계 흠 깊이는 각종 흠의 기하학적 형태 뿐만 아니라 각종 흠 길이에 대해 측정될 수 있다. 이러한 정보를 사용하여, 품질 제어 프로그램 및 조사 프로그램(기술, 검측 가능한 흠 치수, 빈도)이 개발되어 흠이 임계 흠 깊이에 도달하기 전 또는 설계 하중에 적용되기 전에 검측 및 조치되도록 할 수 있다. CVN, KIC및 CTOD 파괴 인성 사이의 공개된 실험 상관 관계를 토대로, CTOD 인성 0.025mm는 통상 약 37J의 CVN과 상관 관계에 있다. 이러한 실시예들은 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않는다.
강의 굴곡, 예를 들면, 컨테이너용 원통형 또는 파이프용 관형으로의 굴곡이 요구되는 컨테이너 및 기타 구성품에 대해, 강은 강의 우수한 극저온 인성에 치명적인 영향을 미치지 않도록 주변 온도에서 목적하는 형상으로 굴곡시키는 것이 바람직하다. 강이 굴곡 후 목적하는 형태를 취하도록 가열시켜야 하는 경우, 강은 상술한 바와 같은 강 미세구조의 유리한 효과를 보존하기 위해 약 600℃(1112℉) 이하의 온도로 가열한다.
이러한 컨테이너 및 기타 구성품과 관련된 독특한 이점을 이하에 상세하게 기술하였다.
차량에 의한 PLNG의 육로 배급 시스템
도 3A를 참고로 하여, 본 발명에 따라 차량에 의해 PLNG를 육로 배급하기 위한 기본 시설의 한 양태가 도시되어 있다. PLNG를 하나 이상의 1차 저장 컨테이너(30')에 저장하고, 유조차(31'), 철도 차량(32) 또는 짐배(33)에 의해 하나 이상의 2차 저장 컨테이너(34)로 배급한다. 이후, PLNG를 유조차(31')에 의해 2차 저장 컨테이너(34)로부터 충전소와 같은 배급 위치(35)로 배급한다. 또한, PLNG를 하나 이상의 1차 저장 컨테이너(30')로부터 배급 위치(35)로 직접 배급한다. 하나의 양태에서는, PLNG를 후속적으로 극저온 펌프(36)를 통해 배급 위치(35)로부터 각종 차량(37)으로 펌핑하여 소비한다. 다른 양태에서는, 배급 위치(35)에서의 PLNG의 높은 압력으로 인해 펌프가 필요하지 않다. 차량(37)은, 예를 들면, 비행기, 버스, 자동차 및 궤도차를 포함하지만, 이로 인해 본 발명이 제한을 받지는 않는다. 다른 예에서, 새로이 도 3b를 참조하면, PLNG를 하나 이상의 1차 저장 컨테이너(30')로부터 증기화 장치(도 3b에는 도시되지 않음)를 탑재한 유조차(31')에 의해 파이프라인(38) 또는 발전소(39)로 직접 배급한다. 다른 예에서는, PLNG를 후술되는 시스템 중의 임의의 하나를 통해 배급할 수 있다.
(1) 원거리 위치에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템
원거리 위치에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템이 제공된다. 한 양태에 있어서, 이로 인해 본 발명이 제한을 받지는 않지만, 원거리 위치에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템은 본 발명에 따르는 충전 및 배출 라인과 배기 라인이 장착된 하나 이상의 컨테이너를 갖는 하나 이상의 유조차, 원거리에 위치하는 본 발명에 따르는 충전 및 배출 라인과 배기 라인이 장착된 하나 이상의 컨테이너 및 하나 이상의 극저온 펌프를 포함한다.
이러한 시스템의 가장 단순한 양태에 있어서, 소정 용적의 액체 PLNG 연료는한쪽은 컨테이너에 다른 한쪽은 PLNG 연료 저장 위치에 접속되어 있는 충전 및 배출 라인을 통해 PLNG 연료 저장 위치로부터 유조차 상의 컨테이터에 극저온 펌프에 의해 펌핑되는 반면, 증기 PLNG 연료는 상호연결된 배기 라인을 통해 컨테이너로부터 PLNG 연료 저장 위치로 유동되어 컨테이너와 PLNG 연료 저장 위치 사이의 압력 평형을 이룬다. PLNG 연료 전달이 종결되는 경우, 유조차는 PLNG 연료를 원거리 위치로 운송한다. 원거리 위치에서, 액체 PLNG 연료는 유조차 상의 컨테이너로부터 원거리 위치의 저장 컨테이너로 전달되거나, 아니면 액체 PLNG 연료가 유조차 상의 컨테이너로부터 증기화 장치를 통해 증기 PLNG 연료로 변형된 다음, 최종 사용 위치에 직접 전달된다.
(2) 제조 플랜트에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템
제조 플랜트에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 원거리 위치에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템과 유사하며, 여기서 원거리 위치는 제조 플랜트이다.
(3) PLNG의 '휴대용 파이프라인' 배급 시스템
PLNG의 '휴대용 파이프라인' 배급 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 원거리 위치에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템과 유사하며, 여기서 원거리 위치는 가스 파이프라인에 대한 가스 도입 연결 장소이고 컨테이너로부터의 액체 PLNG 연료가 기화 장치에서 기화되어 기화된 PLNG 연료는 가스 파이프라인으로 직접 유동한다.
(4) 차량의 연료 보급소에 대한 PLNG 배급 시스템
차량의 연료 보급소에 대한 PLNG 배급 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 원거리 위치가 차량의 연료 보급소인 원거리 위치에서의 연료 수요를 충족시키기 위한 PLNG 배급 시스템과 유사하다.
상술한 바와 같은 차량에 의한 PLNG의 육로 배급 시스템의 컨테이너 및 기타 구성품은 "구성품 및 컨테이너를 제조하기 위한 강"이란 부제하에 상술한 강 중의 임의의 강과 같은 본원에 기재된 적합한 초고강도 저합금 강으로부터 제조된다. 컨테이너 및 기타 구성품은 시스템이 사용되는 PLNG 사업의 수용에 따라 치수가 정해진다. 당 분야의 숙련가는 컨테이너 및 기타 구성품에 대한 필요 치수, 벽 두께 등을 측정하기 위해 당 산업 분야에서 입수할 수 있는 문헌 및 표준 공업 실시를 이용할 수 있다.
본 발명의 시스템은 PLNG를 내장하고 분배/운송하는 데 유리하게 사용된다. 추가로, 본 발명의 시스템은 (i) 기타 가압 극저온 유체를 내장 및 운송하거나, (ii) 극저온이 아닌 가압 유체를 내장 및 운송하거나, (iii) 대기압에서 극저온인 유체를 내장 및 운송하는데 유리하게 사용된다.
본 발명의 시스템에 의해 가능한 소비용 PLNG 배급의 1차적인 이점은, LNG 배급에 비해, PLNG의 온도가 훨씬 더 높다는 점이다. 예를 들면, PLNG는 LNG과 동일한 역학 시스템 설계에 대해, 방사열 누출이 10% 넘게 감소되고, 대류열 누출이 30% 넘게 감소되며, 주요 전도열 누출이 30% 넘게 감소된다. 이는 낮은 비등 증발 속도로 인해 제품 손실이 감소되거나 일정한 비등 증발 속도에 대한 단열 비용이 감소됨으로써 제품 운반의 경제성 면이 전체적으로 개선되는 결과를 가져온다. 특히, 보다 높은 PLNG 저장 온도에서, 팽창된 발포체, 가스 충전 분말 및 섬유상 물질과 같은 보다 값싼 대체 단열제가 진공 또는 다층 단열 대신 사용될 수 있다.
전술한 발명은 하나 이상의 바람직한 양태의 견지에서 기술되었지만, 기타 변형이 후술되는 청구범위에 나타낸 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
용어해설:
Ac1변환 온도: 오스테나이트가 가열 동안 형성되기 시작하는 온도;
Ac3변환 온도: 페라이트에서 오스테나이트로의 변환이 가열 동안 완료되는 온도;
Ar1변환 온도: 오스테나이트에서 페라이트 또는 페라이트와 세멘타이트로의 변환이 냉각 동안 완료되는 온도;
Ar3변환 온도: 오스테나이트가 냉각 동안 페라이트로 변환되기 시작하는 온도;
극저온: 약 -40℃(-40℉) 미만의 온도;
CTOD: 균열 말단 개방 변위;
CVN: 챠피-V-노치;
DBTT(연성에서 취성으로의 전이 온도): 구조적인 강철에서 2개의 파괴 양식을 나타내고; DBTT 이하의 온도에서는 저에너지 균열(취성) 파괴에 의해 파단이 발생하는 경향이 있는 반면, DBTT 이상의 온도에서는 고에너지 연성 파괴에 의해 파단이 발생하는 경향이 있다;
본질적으로: 실질적으로 100용적%;
g: 중력으로 인한 국부적 가속도
Gm3: 십억 입방 미터;
GMAW: 가스 금속 아크 용접;
경화 입자: 하나 이상의 ε-구리, Mo2C, 또는 니오븀 및 바나듐의 탄화물 및 탄질화물;
HAZ: 열 영향 지대;
임계간 온도 범위: 가열시의 약 Ac1변환 온도 내지 약 Ac3변환 온도, 및 냉각시의 약 Ar3변환 온도 내지 약 Ar1변환 온도;
KIC: 임계 응력 강도 계수;
kJ: 킬로줄;
kPa: 천 파스칼;
ksi: 제곱 인치당 천 파운드;
저합금 강: 철과 총 합금 부가물 약 10중량% 미만을 함유하는 강;
MA: 마르텐사이트-오스테나이트;
최대 허용가능한 흠 크기: 임계 흠 길이 및 깊이;
Mo2C: 탄화몰리브덴 형태;
MPa: 백만 파스칼;
Ms변환 온도: 냉각 동안 오스테나이트가 마르텐사이트로 변환되기 시작하는 온도;
PLNG: 가압 액화 천연 가스;
주로: 약 50용적% 이상;
ppm: 백만분의 1;
psia: 절대 평방 인치당 파운드;
급냉: 공기 냉각에 반대하여, 강철의 냉각 속도를 증가시키는 경향에 대해 선택된 유체를 사용하는 임의의 수단에 의해 촉진된 냉각;
급냉(냉각) 속도: 판 두께의 중심 또는 실질적으로 중심에서의 냉각 속도;
급냉 중지 온도: 판의 중간 두께로부터 전달된 열로 인해, 급냉을 중지한 후, 판의 표면에 도달된 가장 높은 또는 실질적으로 가장 높은 온도;
QST: 급냉 중지 온도;
슬라브: 임의의 치수를 갖는 강편;
유조차: 유조차, 철도 차량 및 짐배를 포함하지만 이에 제한되지는 않는, PLNG, LNG 또는 기타 극저온 유체를 차량에 의해 육로 배급하는 임의의 수단;
TCF: 1조 입방 피트;
인장 강도: 인장 시험에서, 원 횡단면적에 대한 최대 부하 비율;
TIG 용접: 텅스텐 불활성 가스 용접;
Tnr온도: 오스테나이트가 재결정화되지 않는 온도 이하의 온도;
USPTO: 미국 특허 상표청; 및
용접부: (i) 용접 금속, (ii) 열 영향 지대(HAZ) 및 (iii) HAZ의 "인접"에서의 기재 금속을 포함하는 용접된 연결부. HAZ의 "인접"내인 것으로 간주되어서 용접부의 일부인 기제 금속의 부분은 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 요소, 예를 들면, 이로서 제한되는 것은 아니나, 용접부의 넓이, 용접되는 품목의 크기, 품목을 제조하는데 요구되는 용접부의 수 및 용접부간의 거리에 따라 다양하다.

Claims (18)

  1. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는, 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차(tanker truck)에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  2. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  3. (i) 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되고, (ii) 상기 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖는, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 4830kPa(700psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -79℃(-110℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  4. 인장 강도가 약 1000MPa(145ksi) 이상이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 초고강도 저합금 강이 니켈을 약 5중량% 미만 함유하는 컨테이너.
  6. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 약 6중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  7. 인장 강도가 약 1000MPa(145ksi) 이상이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 약 3중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  8. 제1항 내지 제7항(여기서, 제5항은 다수 종속항이다) 중의 어느 한 항에 있어서, 접합부의 인장 강도가 900MPa(130ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인, 초고강도, 저합금 강의 복수의 개별 판을 함께 접합시킴으로써 제조되는 컨테이너.
  9. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는 하나 이상의 저장 컨테이너를 갖는, 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 유조차.
  10. 제9항에 있어서, 초고강도, 저합금 강이 니켈을 약 5중량% 미만 함유하는 유조차.
  11. 제9항에 있어서, 가압 액화 천연 가스를 기체로 전환시키기 위한 차내 기화 장치를 갖는 유조차.
  12. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 하나 이상의 저장 컨테이너를 갖는 유조차로 가압 액화 천연 가스를 운송하는 단계(a)를 포함하여, 가압 액화 천연 가스의 압력이 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)이고 온도가 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)인, 저장 위치로부터 목적지 위치까지 가압 액화 천연 가스를 운송하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된, 목적지 위치의 하나 이상의 최종 사용 저장 컨테이너로 가압 액화 천연 가스를 운반하는 단계(d)를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 유조차가 가압 액화 천연 가스를 기체로 전환시키기 위한 차내 기화 장치를 갖는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 가스를 파이프라인으로 운반하는 단계(c)를 추가로 포함하는 방법.
  16. 인장 강도가 830MPa(120ksi)이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도, 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 하나 이상의 저장 컨테이너를 갖는 하나 이상의 유조차를 포함하는, 압력이 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)이고 온도가 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를 목적지 위치로 운송하기 위한 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 하나 이상의 유조차가 가압 액화 천연 가스를 기체로 전환시키기 위한 차내 기화 장치를 갖는 시스템.
  18. 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖고 니켈을 약 2중량% 미만 함유하는 저합금, 고강도 강으로부터 제조되는, 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 온도에서 가압 액화 천연 가스를 저장하기 위한 컨테이너.
KR1019997012072A 1997-06-20 1998-06-18 차량에 의한 액화 천연 가스의 육로 배급 시스템 KR100358828B1 (ko)

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US5028097P 1997-06-20 1997-06-20
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