KR20230118925A - 가스 저장 및 수송 장치 - Google Patents

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KR20230118925A
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패트릭 존 피츠 패트릭
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글로벌 하이드로겐 벤쳐스 피티와이 엘티디
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Abstract

선체와 선체에 길이 방향으로 수용되는 탱크를 갖는 가스 수송 선박 및 선체 내에 탱크를 구성하는 방법. 용기는 수소 또는 기타 가스 및 액체와 같은 유체를 운반하도록 설계된다. 탱크는 인접한 층과 연결되지 않은 복수의 층을 갖는다. 탱크는 상부와 바닥부에서 용기와 접촉한다. 상부 연결부, 예를 들어 갑판 구조 연결부는 처짐을 방지하기 위해 탱크를 지지한다. 탱크는 실질적으로 선박의 길이에 대응할 수 있고 전방 격벽과 후방 격벽 사이에 위치할 수 있다. 두 개의 탱크는 길이 방향 격벽에 의해 분리되어 서로 인접하게 배치될 수 있다. 각 층에는 여러 절두 원추형 섹션으로 구성된 전방 및 후방 단부 캡이 있다. 확장을 허용하기 위해 탱크 측면에 공간이 제공된다. 탱크는 선박 구조와 통합되어 선박에 추가 강도를 제공한다.

Description

가스 저장 및 수송 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 12월 11일에 출원된 "가스 저장 및 수송 장치(APPARATUS FOR GAS STORAGE AND TRANSPORT)"라는 발명의 명칭을 가진 미국 가특허출원 제63/124,325호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 이에 의해 참조로서 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 선박 또는 바지선에 의한 수소 및 천연 가스 수송과 같은 유체, 즉 기체 및 액체의 저장 및 수송을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
수소는 이산화탄소 배출을 줄이는 중요한 연료가 되고 있다. 수소가 필요한 곳보다 훨씬 저렴한 비용으로 수소를 생산할 수 있는 곳이 있다. 예를 들어, 호주는 일본보다 저렴한 비용으로 수소를 생산할 수 있다. 수역에 의해 저비용 공급이 수요로부터 분리되면 수소를 수송할 수 있는 선박에 대한 필요성이 발생된다. 선박을 통한 천연가스 수송이 기존 천연가스 생태계의 큰 부분을 차지하는 것처럼 수소의 대규모 해상 수송은 미래 수소 생태계의 중요한 부분이 될 것이다.
예를 들어, 해저 파이프라인을 통해, 액화 천연 가스로서 LNG 선박에 의해 또는 압축 천연 가스(CNG)로서 CNG 선박에 의해 수역을 가로질러 천연 가스를 수송하는 공지된 방법이 있다. 가스를 가스 하이드레이트 또는 디젤 유사 액체(GTL)로 변환하고 하이드레이트 또는 GTL을 선박으로 수송하는 것과 같은 다른 공지 방법이 있다. 현재, 수역을 가로지르는 천연가스의 거의 모든 수송은 해저 파이프라인이나 LNG선을 통해 수행된다.
수소는 대규모 선적에 대한 몇 가지 고유한 문제를 제기한다. 수소는 매우 가벼우며 운송을 위해 밀도를 높이려면 액화 또는 압축이 필요하다. 액화를 위해서는 수소를 약 -253°C까지 냉각해야 한다. 이것은 천연 가스를 액화하는 데 필요한 것보다 훨씬 차갑고 절대 영도(-273°C)에 가깝다. 이렇게 극도로 낮은 온도에서는 값비싼 액화 공정과 값비싼 격납 시스템이 필요하다. 수소의 압축은 잘 알려져 있으며 대부분의 수소는 액화가 아닌 압축 가스로 수송된다. 압축 수소용 용기는 일반적으로 강철 또는 합성물이다. 강철 컨테이너는 복합 컨테이너보다 상대적으로 저렴하지만 상당히 무겁다. 도로 운송의 경우 컨테이너의 중량이 매우 중요하지만, 선박 운송의 경우 강철에 대한 중량 패널티는 덜 중요하다. 강철에 압축 수소를 운송할 때 주요 관심사 중 하나는 수소 분자가 너무 작아 강철 구조에 들어갈 수 있고 시간이 지남에 따라 강철의 연성이 낮아진다는 것이다. 이 과정을 취성이라고 한다. 응력을 낮게 유지하거나 수소 취성에 저항하는 재료로 강철을 라이닝하는 것과 같은 취성을 방지하는 확립된 방법이 있다.
트럭에 의한 압축 및 액화 수소의 육상 수송은 잘 알려져 있다. 주로 수소 연료를 사용하는 상업용 차량 전용 차량을 위한 기존 수소 연료 스테이션이 있다. 선박을 통한 대규모 수소 수송은 아직 확립되지 않았지만 신흥 산업이다.
압축 수소를 바다로 운송하는 데 있어 주요 장애물 중 하나는 선박 또는 바지선 수송에 적합한 수소 격납 시스템의 비용이다. 따라서, 압축 수소(C-H2) 선박 또는 바지선의 전체 비용을 줄이는 방식으로 다량의 수소를 함유할 수 있고 특히 선박 및 바지선 상에 또는 내부에 설치하기에 적합한 압축 수소용 저장 시스템을 설계할 필요가 있다. 본 발명의 목적은 압축 수소 및 기타 가스를 운반하도록 설계된 선박 또는 바지선의 비용을 줄이는 것이다.
비용 효율적인 수소 운반선은 대량의 압축 수소를 운송하는 경제적 타당성을 크게 향상시킬 것이다.
본 발명은 특히 비액화 압축 수소의 해양 가스 수송에 관한 것이지만, 다른 가스를 수송하는 데 사용될 수도 있다. 본 발명은 천연 가스, 수소와 같은 순수한 가스, 또는 더 무거운 탄화수소가 액체인 부 천연 가스(rich natural gases)와 같은 액체와 가스의 조합을 운반할 수 있다. 본 발명은 또한 오일 및 천연 가스, 예를 들어 유정 유체(well fluids)와 같은 액체 및 가스의 조합을 운반할 수 있다.
일 실시예에서, 본 출원의 발명은 선박 또는 바지선의 선창에 포함된 대형 저장 탱크(들)를 구현한다. 바람직한 저장 시스템은 가스와 액체의 혼합물을 포함하는 다량의 압축 유체의 운송에 특히 적절하게 되어 있다. 부식성 유체와 기체 수소로 인한 취화로부터 보호해야 하는 내부 표면을 최소화하기 위해 압축 유체를 대형 탱크에 저장하는 것이 유용하다. 고압 유체를 저장하는 데 사용되는 탱크의 벽은 탱크 크기가 커질수록 점점 더 두꺼워져야 한다. 또한, 대형의 두꺼운 벽 탱크는 선박이나 바지선의 선체 내에서 지지되고 격납되어야 한다. 갑판에 장착된 무거운 탱크가 시스템의 무게 중심을 높이기 때문에 바지선이나 선박의 상부 갑판에 크고 무거운 탱크를 장착하면 안정성 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 화물 탱크가 선박 또는 바지선의 선체 내에 밀폐되는 것을 고려한다. 실린더가 동일한 체적 치수의 정사각형 또는 직사각형 모양보다 최대 응력이 적기 때문에 고압 탱크는 일반적으로 단면이 원통형이다.
선박에서 가능한 가장 큰 원통형 탱크는 선박 치수에 의해 제한된다. 가능한 한 가장 큰 탱크가 선박의 화물 구역 내에 포함될 수 있도록 하기 위해 횡단 격벽이 없어야 한다. 단일 강판으로 이러한 큰 직경의 실린더를 구성하려면 생산하기 매우 어렵고 원통 형상으로 구부리기 매우 어려운 판 두께가 필요하다. 따라서, 해결해야 하는 두 가지 주요 기술 문제는 다음과 같다:
1. 연결되지 않은 얇은 판을 사용하여 벽이 매우 두꺼운 탱크를 설계하고 구성하는 방법.
2. 압력으로 인한 탱크 팽창이 선박 구조를 손상시키는 것을 방지하는 방식으로 선박 구조 내에서 매우 무거운 대형 탱크를 효율적으로 지지하는 방법.
출원 발명은 이러한 각 기술적 문제를 새로운 방식으로 해결한다. 이하에서는 압축 수소를 운반하는 선박 응용을 중심으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 다른 기체 또는 기체와 액체의 혼합물을 운반하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명의 탱크는 또한 바지선 또는 다른 플로팅 구조의 선창 내에 배치될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 선박의 화물 구역은 이중벽 길이 방향 격벽에 의해 분리된 두 개의 긴 화물 구역으로 분할된다. 화물 구역에는 횡단 격벽이 없다. 두 개의 화물창의 각각에 위치한 하나의 대형 화물 탱크가 있다. 다른 실시예에서, 단일 탱크는 단일 선창을 형성하는 선체 내에 수용된다.
탱크는 연결되지 않은 여러 층, 예를 들어 3개 내지 10개 층으로 구성된다. 본 발명에서는 층간 100% 금속 대 금속 접촉을 보장할 필요가 없다. 오직 층이 대부분의 표면에 닿는 것이 중요하다. 하나의 플레이트를 다른 플레이트 위에 놓는 것만으로 얻을 수 있는 접촉의 양은 모든 층의 응력이 허용 한계 내에 있음을 보장하기에 충분하다. 출원 발명은 구성 과정을 크게 단순화하고 플라스틱 탄성 재료 특성에 의존하여 모든 층이 함께 작동하여 내부 압력으로 인한 응력에 저항하도록 한다.
다수의 개별 층으로 만들어진 탱크의 또 다른 중요한 이점은 한 층에 균열이 형성되더라도 그 균열이 자연스럽게 인접 층으로 진행되지 않는다는 점이다. 이는 하나의 두꺼운 벽으로 구성된 유사한 크기의 탱크에 비해 탱크의 안전성을 크게 향상시킨다.
최내 층은 다른 가스로 인한 수소 취성 또는 부식에 저항하도록 설계된다. 이 내부 층의 재료 특성은 화물 탱크에 포함되는 유체에 의해 결정된다. 후속 층은 시공성 및 제조 능력을 기반으로 설계된다. 일 예에서, 제안된 화물은 수소이다. 따라서, 예시적인 제1 최내 층은 수소 취성에 저항할 수 있는 스테인레스 강, 알루미늄 또는 플라스틱 층이다. 후속 층은 고강도 탄소강으로 만들 수 있다.
일련의 중첩된 얇은 층으로 이러한 대형 탱크를 구성하는 데 있어 한 가지 심각한 기술적 문제는 층이 자체 무게로 인해 처질 수 있다는 것이다. 일 실시예에서, 플레이트의 처짐은 선박의 상부 갑판 거더와 같은 선박의 구조물에 최외곽 층을 용접함으로써 방지된다. 이것은 가장 외곽 층을 지지하고 처지는 것을 방지한다. 상부 층이 처지지 않으므로 내부 층이 형상이 구속된 외부 층 내에 중첩되어 있기 때문에 내부 층이 변형되거나 처질 수 없으며, 즉 외부 층이 상단 갑판에 부착되어 처지는 것이 방지된다.
또 다른 기술적 과제는 탱크가 가압 중에 팽창함에 따라 선박 선체가 손상되는 것을 방지하는 것이다. 이를 방지하기 위해 선박의 측면 쉘과 탱크 사이에 틈이 남겨진다.
또 다른 기술적 과제는 쉽게 구성할 수 있는 탱크 단부 또는 헤드를 개발하는 것이다. 일반적으로, 압력 실린더의 헤드는 구형 또는 반구형이다. 직경이 큰 탱크의 경우, 이러한 헤드를 구성하는 것이 어렵고 비용이 많이 든다. 이 문제를 극복하기 위해 탱크 단부 또는 헤드는 원추형 섹션으로 구성되어 단일 곡률 플레이트를 여러 층으로 사용하여 구성할 수 있다. 이는 구성을 크게 단순화시키고 비용을 줄인다.
아래에 설명된 바람직한 실시예는 각각 단일 탱크를 갖는 좌현 및 우현 화물 섹션으로 길이 방향 격벽에 의해 분리된 화물창을 갖는 선박이다. 더 작은 선박이나 바지선의 경우, 길이 방향 격벽에 의해 분리되지 않은 단일 화물창과 화물창이 포함된 하나의 탱크를 가질 수 있다.
도 1은 탱크를 포함하는 선박의 개략적인 측면도이다.
도 2는 나란히 있는 탱크를 보여주는 도 1의 선박의 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따른 도 1 및 도 2의 선박 및 탱크의 단면도이다.
도 4는 도 1의 탱크의 전방 단부의 확대 측면도이다.
도 5는 각 층의 용접부를 보여주는 도 3의 상세부 5에 따른 도 1 내지 도 4의 탱크의 벽의 확대 단면도이다.
도 6은 탱크의 최상 층이 갑판 구조에 연결된 도 3의 확대된 대안적 단면도이다.
도 7은 탱크의 각 측면과 선박 구조 사이의 팽창 공간을 보여주는 도 3의 확대된 대안적 단면도이다.
도 8은 탱크가 갑판 구조와 분리된 선박 구조에 의해 지지되는 실시예를 도시하는 도 3의 확대된 대안적 단면도이다.
이제 도면을 참조하면, 가스 수송선(10)이 도시되어 있다. 가스 수송선(10)은 선체(20)를 포함하는 선박 구조물로 이루어진다. 선체(20)는 바닥 쉘(shell) 부분(22), 우현 쉘(shell) 부분(24) 및 좌현 쉘(shell) 부분(26)을 포함한다. 상부 갑판(28)은 우현 쉘 부분(24)과 좌현 쉘 부분(26) 사이에 걸쳐 있다. 전방 격벽(30)은 선체(20) 내에 위치하고 후방 격벽(32)은 선체(20) 내에 위치한다.
선체(20)는 길이 방향 격벽(34)에 의해 길이 방향으로 분할될 수 있다. 길이 방향 격벽(34)은 좌현 화물창(36)과 우현 화물창(38)을 분리한다. 좌현 화물창(36)과 우현 화물창(38)은 전방 격벽(30)과 후방 격벽(32) 사이에 위치한다. 우현 탱크(40)는 우현 화물창(38)에 위치한다. 우현 탱크(40)는 다층으로 구성된다. 일 실시예에서, 우현 탱크(40)는 6개의 층, 즉 외부 층(42), 제2 층(44), 제3 층(46), 제4 층(48), 제5 층(50), 제6 층(52) 및 라이너 층(54)으로 구성되며(예를 들어, 도 5 참조), 각 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)은 다음 세그먼트로 구성된다. 다른 수의 층, 예를 들어 3개 내지 10개의 층이 제공될 수 있다.
각각의 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)은 바디 세그먼트(40)를 포함한다(예를 들어, 도 4 참조). 바디 세그먼트(60)는 전방 단부(62) 및 후방 단부(64)를 갖는다. 바디 세그먼트(60)는 상부 반원통형 부분(66) 및 하부 반원통형 부분(68)으로 구성된다. 상부 반원통형 부분(66) 및 하부 반원통형 부분(68)은 좌현 바디 심 용접부(70) 및 우현 바디 심 용접부(72)로 서로 부착된다.
전방 단부 캡(74)은 바디 세그먼트(60)의 전방 단부(62)에 부착된다. 전방 단부 캡(74)은 다음의 절두 원추형 세그먼트와 캡으로 구성된다. 돔 구조와 같은 다른 구조도 가능하다.
이제 도 4를 참조하면, 각각의 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)은 제1 전방 좌현 심 용접부(도 4에는 도시되지 않음) 및 제1 전방 우현 심 용접부(88)를 통해 서로 연결된 상부 부분(82) 및 하부 부분(84)을 갖는 제1 절두 원추형 세그먼트(80)를 갖는다. 상부 부분(82) 및 하부 부분(84)은 구성의 용이성을 달성하기 위해 절두 원추형의 단일 곡률 층인 것이 바람직하다. 제1 전방 절두 원추형 세그먼트는 전방 에지(90) 및 후방 에지(92)를 갖는다. 후방 에지(92)는 제1 전방 원주 용접부(94)에 의해 바디 세그먼트(60)의 전방 단부(62)에 부착된다.
각각의 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)은 제2 전방 좌현 심 용접부(106) 및 제2 전방 우현 심 용접부(108)를 통해 서로 연결되는 상부 부분(102) 및 하부 부분(104)을 가진 제2 전방 절두 원추형 세그먼트(100)를 형성한다. 상부 부분(102) 및 하부 부분(104)은 구성의 용이성을 달성하기 위해 절두 원추형의 단일 곡률 층인 것이 바람직하다. 제2 전방 원추형 세그먼트(100)는 전방 에지(110) 및 후방 에지(112)를 갖는다. 제2 전방 절두 원추형 세그먼트(100)의 후방 에지(112)는 제2 전방 원주형 용접부(114)를 통해 제1 절두 원추형 세그먼트(80)의 전방 에지(90)에 부착된다.
각각의 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)은 제3 전방 좌현 심 용접부(126) 및 제3 전방 우현 심 용접부(128)를 통해 서로 연결되는 상부 부분(122) 및 하부 부분(124)을 가진 제3 전방 절두 원추형 세그먼트(120)를 형성한다. 상부 부분(122) 및 하부 부분(124)은 구성을 용이성을 달성하기 위해 절두 원추형의 단일 곡률 층인 것이 바람직하다. 제3 전방 절두 원추형 세그먼트(120)는 전방 에지(130) 및 후방 에지(132)를 갖는다. 제3 전방 절두 원추형 세그먼트(120)의 후방 에지(132)는 제3 전방 원주형 용접부(134)를 통해 제2 절두 원추형 세그먼트(100)의 전방 에지(110)에 부착된다.
각각의 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)은 제4 원주형 용접부(142)로 제3 전방 절두 원추형 세그먼트(120)의 전방 에지(130)에 부착된 전방 플레이트(140)를 형성한다.
후방 단부 캡(도 4에는 도시되지 않음)이 바디(60)의 후방 단부(64)에 부착된다. 후방 단부 캡은 바람직하게는 절두 원추형 세그먼트의 다중 층 및 전술한 전방 단부 캡(74)과 유사한 단부 캡으로 구성된다.
좌현 탱크(160)는 좌현 화물창(36)에 위치한다. 좌현 탱크(160)는 전술한 우현 탱크(40)와 유사한 구성을 갖는 것이 바람직하다.
선박(10)과 화물 격납 시스템은 ABS 규칙에 따라 크기가 정해진다. 격납 시스템은 CNG 선박에 대한 ABS 가이드라인의 제한 상태 조항에 따라 설계된다.
일 실시예에서, 화물 탱크(40, 160)는 100mm의 6개의 층과 30mm의 하나의 내부 층으로 구성된 630mm의 벽 두께를 가지면 직경이 20m이다. 설계 조건, 탱크 크기 및 화물에 따라 다른 벽 두께도 가능하다. 예시 벽 두께 범위는 20mm~200mm이고, 전체 두께 범위는 200mm~900mm이다. 보다 상세하게는, 벽 두께는 탱크의 크기 및 작동 조건에 따라 다르지만, 각 층에 대해 고려되는 벽 두께는 20 내지 200mm, 보다 구체적으로 70 내지 150mm, 보다 구체적으로 100 내지 120mm 범위이다. 전체 두께는 200 내지 900mm, 보다 구체적으로 400 내지 700mm, 보다 구체적으로 500mm 내지 600mm 범위이다. 설계 고려 사항에 따라 다른 두께가 필요할 수 있다.
예를 들어 각각 약 100mm의 벽 두께를 갖는(도 5의 상세부 A 참조) 서로의 내부에 다수의 실린더를 중첩함으로써 균열 성장에 대한 입증 가능한 적절한 저항을 제공하기에 충분한 벽 두께를 갖는 실린더의 제조가 용이하게 된다.
따라서, 벽은 여러 층, 예를 들어 두께는 30mm인 스테인레스 강 라이너(54)와 같이 취성에 저항하는 라이너를 가진 100mm 두께의 X80 강철의 6개 층과 같은 층(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)으로 구성된다. 스테인레스 강 라이너(54)는 X80 재료가 수소 취화되는 것을 방지하기 위해 제공된다. 알루미늄 및 플라스틱을 포함하여 취성에 저항하는 다른 가능한 라이너 재료가 가능하다. 도 5에 도시된 바와 같이 심 용접부(72 및 72a-e)로 지정된 각 층(42, 44, 46, 48, 50, 52 및 54)에 대한 심 용접부(72)와 같은 심 용접부가 도 5에 도시되어 있다.
균열 선단에서 응력이 감소하여 단일 실린더의 균열 성장이 정지되기 때문에 실린더 층의 중첩은 파괴 역학 문제에 대해 유리하다. 더 중요한 것은 균열이 연속성 부족으로 인해 인접 층으로 경계를 뛰어 넘을 수 없다는 것이다.
이러한 고압의 대형 탱크에서는 저장된 에너지가 매우 크다. 내피로성이 입증될 수 있지만 본 발명의 탱크는 균열이 발생하더라도 검사 사이에 임계 길이 이상으로 진행할 수 없도록 보장한다.
본 발명의 일부 이차적 이점은 설계 굽힘 모멘트로 인한 선박(10)의 갑판 응력이 동등한 크기의 탱커에서 있을 수 있는 것의 약 1/3 정도로 감소된다는 점이다. 이것은 선박 구조의 강철 중량 감소가 가능할 수 있음을 의미한다. 그들은 선박 강철 중량의 초기 추정에서 허용되지 않았다. 또한, 20미터 파이프 탱크(40, 160)의 길이 방향 응력(설계 파동 및 정수 모멘트로 인한)은 전단 응력과 마찬가지로 미미하다.
화물 격납 설계
격납 설계는 (주로) 두 가지 한계 상태, 즉 사용의 한계 상태(SLS) 및 피로의 한계 상태에 의해 제어된다.
선박(10)이 5일마다 선적-하역의 완전한 사이클을 갖는다면, 30년 동안 이것은 2,200 사이클에 이른다.
미국 선급 협회(American Bureau of Shipping(ABS))에서는 S-N 피로 곡선을 사용하여 설계 수명을 평가할 때 계수 10을 적용할 것을 요구한다. 또한, 사용된 곡선은 평균 고장선 아래의 3의 표준 편차를 보수적인 기반으로 해야 한다(일반적인 산업 표준인 2와 반대).
250bar에 대해, 피로 공식은 필요한 22,000회를 초과하는 24,000회 사이클을 산출한다.
선박 주요 세부사항
예시 선박(10)의 주요 특징은 다음과 같다:
LOA 340m
흘수선 325m
최대 너비 48m
주 갑판까지의 깊이 26m
만재 흘수 12.0m
경하 흘수 11.8m
만재 배수량 160,000톤
건현 14.0m
화물 중량 2,000톤
화물 체적 118,000m3
선박 강철 22,000톤의 EH36 강철
선박 대 화물 체적 비율 2.9:1 (평균 탱커는 1.5:1)
GM 8.5m
롤 주기 11초
선체 관성 4300m4
선체 계수 330m3
최대 갑판 응력 7ksi (허용 값의 약 30%)
예시 격납 설계
250바
항복 응력: 80ksi
OD: 20,000mm
벽 두께: 630mm
250bar에서 공칭 후프 응력 56ksi
수율에 대한 공칭 안전계수 1.4
길이: 225m (201m+12m+12m)
총 파이프 중량 133,000톤
(127,000톤의 80ksi 강철과 6,000톤의 스테인레스 강)
허용 압력 예시 계산
DNV 해저 파이프라인 시스템(Submarine Pipeline Systems) 코드 OS-F101 조항 D 400에 따라 안전 등급 높음에 대한 허용 가능한 SLS 설계 압력은 다음과 같다. 작동 압력(MAOP)은 이 값의 95%이다.
사용 (항복) 한계 상태에 대한 허용 설계 압력을 위한 공식은 다음과 같다:
설계 압력 = 2×tmin ÷ (OD - tmin) × αu- × fy× 2 ÷ 30.5÷ γsc ÷ γm
여기에서:
tmin = 임의의 지점에서 파이프의 최소 벽 두께
OD = 외경
fy = 최소 지정 항복 응력
αu = 재료 강도 계수 또는 0.96과 같음
γsc = 안전 등급 안전 계수와 같음. 이 경우, 최고 등급의 경우 1.308이다.
γm = 재료 안전 계수와 같음
위 공식에 숫자 값을 넣으면 다음과 같이 된다:
250바
설계 압력 = 2 × 24.8 ÷ (787.4-24.8) ×80,000 × 0.96 × 2 ÷ 1.732 ÷ 1.308 ÷ 1.15 = 3835psi. (264바)
0.95를 곱하면 MAOP가 3642psi가 된다. (251바)
예시 피로 평가
ABS는 적절한 S-N 곡선을 사용해서 설계 수명을 평가할 때 계수 10을 사용하도록 가이드라인에 표시하였으며, 이 곡선은 평균 고장선 아래의 3의 표준 편차를 보수적인 기반으로 한다 (일반적인 산업 표준인 2와 반대).
사이클 수와 응력 범위 사이의 관계는 다음과 같이 기술될 수 있다:
Log (N) = Log (C) - cδ - m Log (Fsr)
여기에서:
N = 응력 범위 Fsr에서 예상되는 실패에 대한 사이클 수
C = 해당 용접에 대한 평균 S-N 곡선과 관련된 상수
m = 평균 S-N 곡선의 역 기울기
c = 평균 아래의 표준 편차 수
δ = Log(N)의 표준편차
방정식에 수치를 삽입하면 다음이 생성된다:
250바 클래스 C 용접
Log10(N) = 14.034 - 3×0.204 - 3.5 Log (384) = 4.377
여기서 N은 104.377 = 24,000 사이클과 동일함
일 실시예에서, 손상 안정성 요구 사항은 주로 외부 이중 선체 측면 쉘에 있는 일부 수밀 격벽(30, 32)의 내부 연속성에 의해 충족되며, 여기서 이들은 실린더(40 및/또는 160)와 수밀 밀봉을 수행할 것이다.
일 실시예에서, 저장 탱크(40, 160) 내의 격실화는 필요한 경우 긴 실린더에 구획을 도입함으로써 달성된다.
일 실시예에서, 중첩된 탱크는 먼저 외부 하부 원형 섹션, 예를 들어 층(42)의 68(예를 들어, 도 4 참조)을 설치하여 구성되며, 상부 구조에 용접된다. 그런 다음, 층(44, 46, 48, 50, 52 및 54)의 나머지 하부 반원 부분은 중력에 의해 안착될 것이다. 바람직하게는, 쉘 사이에 용접 연결이 없다. 그런 다음, 상부 내부 반원 섹션(예: 66)은 하부 내부 섹션(예: 44, 46, 48, 50, 52 및 54)으로 하강되고, 내부 심 용접부(예: 70, 72)는 양쪽에서 완성된다. 그런 다음, 이것은 외부 상부 섹션(66)이 심 용접부(70, 72)를 통해 대응물에 심 용접될 때까지 단면 용접으로 계속된다. 위의 도 5의 상세부 A 참조.
각 섹션의 길이는 조선소의 크레인 용량에 따라 달라진다. 50미터 섹션의 무게는 약 1400톤이다. 100mm 두께의 하프 실린더의 D/t 비율이 매우 높기 때문에 저하용 선철, 유압, 및 온도 수단의 다양한 조합으로 심 용접을 위해 매우 쉽게 정렬할 수 있다. 단부 캡(74, 144)은 형성 및 끼워 맞춤을 돕기 위해 단일 곡률로 특별히 설계된다.
LNG용 모스형 탱크(Moss tank)는 적도의형 고리 지지대가 필요하다. 이는 내부 설계 압력이 너무 낮아 최종적인 쉘이 아래에서 자체 지지할 수 없기 때문이다. 그러나, 일 실시예에서, 출원인의 탱크(40, 160)는 예를 들어 모스형 탱크의 약 500배 이상의 작동 압력을 갖고 그 자체로 아래로부터 지지하기 쉬운 250바 실린더이다. 이 지지대는 굽힘 모멘트를 선박의 갑판(28) 및 바닥 쉘과 같은 선박 구조로 전달하기 위한 전단 전달 메커니즘으로도 작용한다. 모스형 탱크는 일반적으로 선박(10)과 통합되지 않는다. 출원인의 탱크(40, 160)는 완전히 통합되어 있으며 선박 구조의 일부의 가장 딱딱하고 강한 부분이다. 탱크(40, 160)의 상하를 갑판구조물과 같은 선박구조물에 용접함으로써 탱크(40, 160)는 선박의 주요 구조 요소가 되어 선박의 강도를 더하게 된다. 아마도 가장 좋은 비유는 상부 갑판이 화물 운반 부재가 아닌 부속품으로 부착된 2차 세계 대전 잠수함의 비유일 것이다. 탱크(40, 160)에 대한 주요 지지는 수평 및 길이 방향 거더 모두에서 기인한다. 횡단 지지는 위에서 설명한 횡단 거더 및 수밀 격벽(30, 32)에서 기인한다. 길이 방향 거더(상부 및 하부)는 갑판(28) 및 탱크 쉘에 대한 전단 전달 연결부로도 사용된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 탱크(40)의 외부 층(42)은 예를 들어 지지대(39)에 대한 용접에 의해 갑판(28)에 연결될 수 있다. 지지대(39)는 갑판(28)의 선박 구조의 일부인 것으로 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 그러나, 지지부(39)는 갑판(28)와 분리된 선박 구조로서 탱크(40)를 지지하기 위해 제공될 수 있다(예를 들어, 도 8 참조). 층(42, 44, 46, 48, 50, 52 및 54)의 처짐은 최외곽 층(42)을 지지대(39) 또는 선박(10)의 상부 갑판(28)의 거더에 용접함으로써 방지된다. 갑판(28)에 대한 연결은 최외곽 층(42)을 지지하고 처지는 것을 방지한다. 상부 층(42)이 처지지 않기 때문에, 내부 층(44, 46, 48, 50, 52 및 54)은 형상이 상부 갑판(28)에 대한 부착에 의해 구속되는 외부 층(42) 내에 중첩되기 때문에 변형되거나 처질 수 없다.
도 7에 도시된 바와 같이, 팽창 공간(43, 45)은 각각 탱크(60)와 선체(20)의 구조적 쉘 부분(24) 사이 및 탱크(40)와 길이 방향 격벽(34) 사이에 제공될 수 있다. 확장 갭 또는 공간(43, 45)은 탱크(40)가 가압 중에 팽창함에 따라 탱크(60)가 선박 선체(20)를 손상시키는 것을 방지한다.
바람직하게는, 중첩된 탱크는 어떤 식으로든 서로 연결되지 않는다. 그들은 튜브 안의 튜브이다. 단부가 없고 완벽하게 구성되어 있으면 미끄러져 나올 것이다. 간단한 굽힘 모멘트를 제공하는 자중 하에서 끝에서 끝까지 빔으로 연결되는 중첩된 튜브를 상상해 보라. 응력과 휨은 튜브의 관성을 기반으로 한다. 튜브가 밀착되어 있고 틈이 없으면 튜브의 전체 관성은 마치 단단한 것과 동일하다. 이는 여러 겹의 판을 서로 겹겹이 쌓는 것과는 완전히 다르다. 중첩된 튜브의 관성은 다음과 같이 계산된다:
관성 = π/64 (D1 4- D2 4+ D2 4-D3 4+D3 4………) = π/64 (204-18.744) =1800 m4
두 개의 탱크로 이것은 3600m4이다. 함께 작용하는 총 선체와 실린더 관성은 4300m4이므로 선박 강성의 약 80%는 화물 탱크(40, 160)에서 기인한다.
* * * *
따라서, 본 발명은 목적을 수행하고 상기 언급된 목적 및 이점뿐만 아니라 그 고유한 목적을 달성하는데 적합하다. 본 명세서의 목적을 위해 현재 바람직한 실시예가 설명되었지만, 다수의 변경 및 수정이 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 변경 및 수정은 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 내에 포함된다.
용어 "포함하는", "포함하는", "이루어지는" 및 이들의 문법적 변형은 하나 이상의 구성요소, 특징, 단계 또는 이들의 정수 또는 그룹의 추가를 배제하지 않으며 용어는 구성 요소, 기능, 단계 또는 정수를 지정하는 것으로 해석된다.
명세서 또는 청구범위가 "추가" 요소를 언급하는 경우, 이는 추가 요소가 하나 이상 존재하는 것을 배제하지 않는다.
청구범위 또는 명세서가 "하나의(a)" 또는 "하나의(an)" 요소를 언급하는 경우, 이러한 언급은 해당 요소의 하나만 존재하는 것으로 해석되지 않음을 이해해야 한다.
명세서에 구성 요소, 특징, 구조 또는 특성이 "할 수 있다(may)", "할 수 있다(might)", "할 수 있다(can)" 또는 "할 수 있다(could)"는 점이 포함된다는 사실이 명시되어 있는 경우, 해당 특정 구성요소, 특징, 구조 또는 특성이 포함되도록 요구되지 않는다는 점을 이해해야 한다.
본 발명의 방법은 선택된 단계 또는 작업을 수동, 자동 또는 이들의 조합을 수행하거나 완료함으로써 구현될 수 있다.
"방법"이라는 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 실무자에게 공지되었거나 본 발명이 속하는 기술 분야의 실무자에 의해 공지된 방식, 수단, 기술 및 절차로부터 쉽게 개발되는 방식, 수단, 기술 및 절차를 포함하되 이에 국한되지 않는 주어진 작업을 수행하기 위한 상기 방식, 수단, 기법, 절차 등을 의미할 수 있다.
숫자가 뒤따르는 "적어도"라는 용어는 여기에서 그 숫자로 시작하는 범위의 시작을 나타내기 위해 사용된다(이는 정의되는 변수에 따라 상한이 있거나 상한이 없는 범위일 수 있음). 예를 들어, "적어도 1"은 1 또는 1 초과를 의미한다. 숫자가 뒤따르는 "최대"라는 용어는 본 명세서에서 그 숫자로 끝나는 범위의 끝을 나타내기 위해 사용된다(이는 정의되는 변수에 따라 1 또는 0을 그 하한으로 갖는 범위일 수 있거나 하한이 없는 범위일 수 있다). 예를 들어, "최대 4"는 4 또는 4 미만을 의미하고, "최대 40%"는 40% 또는 40% 미만을 의미한다.
본 문서에서 “(첫 번째 숫자) 내지 (두 번째 숫자)” 또는 “(첫 번째 숫자) - (두 번째 숫자)”로 범위를 기술할 때, 이는 하한이 첫 번째 숫자이고 상한이 두 번째 숫자인 범위를 의미한다. 예를 들어, 25 내지 100은 하한이 25이고 상한이 100인 범위를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 추가적으로, 범위가 주어진 경우, 문맥이 달리 지시하지 않는 한 그 범위 내의 모든 가능한 하위 범위 또는 간격이 또한 구체적으로 의도된다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 사양이 25에서 100의 범위를 나타내는 경우 이러한 범위는 또한 명시된 범위 내에서 가능한 하한 값과 상한 값의 조합, 예를 들어, 33-47, 60-97, 41-45, 28-96 등을 포함할 뿐만 아니라 26-100, 27-100 등, 25-99, 25-98 등과 같은 하위 범위를 포함하도록 의도된다. 정수 범위 값은 설명 목적으로만 이 단락에서 사용되었으며 소수 및 분수 값(예를 들어, 46.7 - 91.3)도 특별히 제외되지 않는 한 가능한 하위 범위 끝점으로 의도된 것으로 이해되어야 하는 점을 유의해야 한다.
두 개 이상의 정의된 단계를 포함하는 방법에 대해 본원에서 언급되는 경우, 정의된 단계는 임의의 순서로 또는 동시에 수행될 수 있고(문맥상 그 가능성을 배제하는 경우 제외), 방법은 또한 정의된 단계 중 임의의 단계 전, 정의된 단계 중 두 개 사이 또는 정의된 모든 단계 후에 수행되는 하나 이상의 다른 단계를 포함할 수 있다(문맥이 해당 가능성을 제외하는 경우 제외).
또한, 근사 관련 용어(예를 들어, "약", "실질적으로", "대략" 등)는 본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한 관련 기술에서 사용되는 통상적이며 관행적인 의미에 따라 해석되어야 함에 유의해야 한다. 본 개시 내에 특정 정의가 없고 관련 기술에서 일반적이고 관례적인 용법이 없는 경우, 이러한 용어는 기본 값의 ±10%로 해석되어야 한다.
따라서, 본 발명은 목적을 수행하고 상기 언급된 목적 및 이점뿐만 아니라 그 고유한 목적 및 이점을 달성하는데 적합하다. 본 발명의 장치는 여기에 첨부된 도면과 관련하여 특정한 바람직한 실시예를 참조하여 설명되고 예시되었지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명 개념의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 명세서에 도시되거나 제안된 것 외에도 다양한 변경 및 추가 수정이 가능하며, 발명 개념의 사상은 하기 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

Claims (28)

  1. 선체;
    상기 선체에 길이 방향으로 수용되고, 외부 층을 포함하는 복수의 층을 갖는 탱크; 및
    상기 탱크 위의 선박 구조;
    를 포함하며,
    상기 탱크의 상기 외부 층은 상기 선박 구조에 의해 지지되는,
    유체 수송 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선박 구조는 갑판을 지지하는, 유체 수송 선박.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선체 내의 전방 격벽; 및
    상기 선체 내의 후방 격벽;
    을 더 포함하고,
    상기 탱크는 상기 전방 격벽과 상기 후방 격벽 사이에 존재하는, 유체 수송 선박.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선체 내에 존재하고, 상기 선체를 좌현 화물창과 우현 화물창으로 분리하는 길이 방향 격벽; 및
    상기 좌현 화물창 및 상기 우현 화물창 중 하나에 존재하는 제2 탱크;
    를 더 포함하며,
    상기 탱크는 상기 제2 탱크에 의해 점유되지 않는 상기 좌현 화물창 및 상기 우현 화물창 중 하나에 존재하는, 유체 수송 선박.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 층은 3개 층과 10개 층 사이의 다수의 층을 포함하는, 유체 수송 선박.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 층은 내부 층을 추가로 포함하며;
    상기 내부 층은 취성에 저항하는 재료로 구성되는, 유체 수송 선박.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 층은 내부 층을 추가로 포함하며;
    상기 내부 층은 부식에 저항하는 재료로 구성되는, 유체 수송 선박.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 층은 내부 층 및 상기 내부 층과 상기 외부 층 사이의 중간 층을 더 포함하며, 상기 중간 층은 상기 탱크에 추가적인 강도를 제공하기 위한 것인, 유체 수송 선박.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 층의 각각은 전방 단부 캡 및 후방 단부 캡을 가지며;
    상기 각 층의 상기 전방 단부 캡 및 상기 후방 단부 캡은 다수의 절두 원추형 섹션으로 구성되는, 유체 수송 선박.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절두 원추형 섹션은 단일 곡률을 형성하는, 유체 수송 선박.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 층 중 적어도 하나는 전방 단부 및 후방 단부를 갖는 바디 세그먼트, 상부 반원통형 세그먼트, 및 하부 반원통형 세그먼트를 갖고, 상기 상부 반원통형 세그먼트 및 상기 하부 반원통형 세그먼트는 좌현 바디 심 용접부와 우현 바디 심 용접부로 서로 부착되고;
    전방 단부 캡은 상기 바디 세그먼트의 상기 전방 단부에 인접하며;
    후방 단부 캡은 상기 바디 세그먼트의 상기 후방 단부에 인접한, 유체 수송 선박.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탱크의 상기 외부 층은 상부, 바닥부, 좌현측 및 우현측을 갖고;
    상기 탱크의 상기 상부는 선박 구조에 접촉하고;
    상기 탱크의 상기 바닥부는 선박 구조에 접촉하며;
    상기 탱크의 팽창을 수용하기 위해 상기 좌현측과 선박 구조 사이 및 상기 우현측과 선박 구조 사이에 공간이 제공되는, 유체 수송 선박.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탱크의 상기 복수의 층의 각각은 상기 탱크의 인접 층에 연결되지 않는, 유체 수송 선박.
  14. 선체; 및
    상기 선체에 길이 방향으로 수용되고, 외부 층을 포함하는 복수의 층을 갖는 탱크;
    를 포함하며,
    상기 복수의 층의 각각은 상기 탱크가 다수의 절두 원추형 세그먼트로 구성된 단부 캡을 갖는, 유체 수송 선박.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 선박은 상기 탱크 위에 구조를 포함하며;
    상기 탱크의 상기 외부 층은 상기 구조물에 의해 지지되는, 유체 수송 선박.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구조는 갑판을 지지하는, 유체 수송 선박.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 선체 내의 전방 격벽; 및
    상기 선체 내의 후방 격벽;
    을 더 포함하며,
    상기 탱크는 상기 전방 격벽과 상기 후방 격벽 사이에 존재하는, 유체 수송 선박.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 선체 내에 존재하고, 상기 선체를 좌현 화물창과 우현 화물창으로 분리하는 길이 방향 격벽; 및
    상기 좌현 화물창 및 상기 우현 화물창 중 하나에 존재하는 제2 탱크;
    를 더 포함하며,
    상기 탱크는 상기 제2 탱크에 의해 점유되지 않는 상기 좌현 화물창 및 상기 우현 화물창 중 하나에 존재하는, 유체 수송 선박.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 층은 3개 층과 10개 층 사이의 다수의 층을 포함하는, 유체 수송 선박.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 층은 내부 층을 추가로 포함하며;
    상기 내부 층은 취성에 저항하는 재료로 구성되는, 유체 수송 선박.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 층은 내부 층을 추가로 포함하며;
    상기 내부 층은 부식에 저항하는 재료로 구성되는, 유체 수송 선박.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 층은 내부 층 및 상기 내부 층과 상기 외부 층 사이의 중간 층을 더 포함하며, 상기 중간 층은 상기 탱크에 추가적인 강도를 제공하기 위한 것인, 유체 수송 선박.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 절두 원추형 섹션은 단일 곡률을 형성하는, 유체 수송 선박.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 층 중 적어도 하나는 전방 단부 및 후방 단부를 갖는 바디 세그먼트, 상부 반원통형 세그먼트, 및 하부 반원통형 세그먼트를 갖고, 상기 상부 반원통형 세그먼트 및 상기 하부 반원통형 세그먼트는 좌현 바디 심 용접부와 우현 바디 심 용접부로 서로 부착되고;
    전방 단부 캡은 상기 바디 세그먼트의 상기 전방 단부에 인접하며;
    후방 단부 캡은 상기 바디 세그먼트의 상기 후방 단부에 인접한, 유체 수송 선박.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 탱크의 상기 외부 층은 상부, 바닥부, 좌현측 및 우현측을 갖고;
    상기 외부 층의 상기 상부는 선박 구조에 접촉하고;
    상기 외부 층의 상기 바닥부는 선박 구조에 접촉하며;
    상기 탱크의 팽창을 수용하기 위해 상기 좌현측과 선박 구조 사이 및 상기 우현측과 선박 구조 사이에 공간이 제공되는, 유체 수송 선박.
  26. 제14에 있어서,
    상기 탱크의 상기 복수의 층의 각각은 상기 탱크의 인접 층에 연결되지 않는, 유체 수송 선박.
  27. 선박의 선체 내에 다층 탱크를 구성하는 방법으로서,
    선체에 반원통형 외부 하부 섹션을 설치하고 상기 외부 하부 섹션을 상기 선체에 부착하는 단계;
    내부 하부 섹션을 포함하는 하나 이상의 반원통형 하부 섹션을 상기 외부 하부 섹션 내에 설치하는 단계;
    상기 내측 하부 섹션에 반원통형 내측 상부 섹션을 설치하고 내부 실린더를 형성하기 위해 상기 내측 상부 섹션을 상기 내측 하부 섹션에 양측에서 용접하는 단계;
    상기 반원통형 하부 섹션의 대응 부분과 정합하기 위해 하나 이상의 반원통형 상부 섹션을 설치하고 복수의 내포된 실린더를 형성하기 위해 각 정합 쌍을 양측에서 용접하는 단계; 및
    복수의 중첩된 탱크를 형성하기 위해 상기 복수의 중첩된 실린더의 각각에 단부 캡을 설치하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  28. 유체 수송용 선박을 강화하는 방법으로서,
    선박의 선체 내에 길이 방향으로 상부 및 바닥부를 갖는 외부 층을 가지는 다층 탱크를 위치시키는 단계;
    상기 외부 층의 상기 바닥부를 상기 다층 탱크 아래의 선박 구조에 고정하는 단계; 및
    상기 다층 탱크 위의 선박 구조에 상기 외부 층의 상기 상부를 고정하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 고정하는 단계는 상기 다층 탱크가 상기 선박의 구조적 요소가 되게 하기 위해 상기 다층 탱크를 상기 선박 구조와 통합하여 상기 선박에 강도를 추가하는, 방법.
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