NO342347B1

NO342347B1 - Anvendelse av et komposittmateriale som en barriere under kryogene betingelser.

Info

Publication number: NO342347B1
Application number: NO20092525A
Authority: NO
Inventors: Franciscus Antonius Henri Janssen; Levinus Marinus De Mul
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2018-05-07
Also published as: CN101548129B; CA2670920C; EP2100073A1; BRPI0719424A2; JP2010511845A; US8678225B2; US20100078439A1; BRPI0719424B1; KR20090096433A; DK2100073T3; AU2007328923B2; CN101548129A; AU2007328923A1; ATE462922T1; EP2100073B1; JP5312344B2; KR101506192B1; DE602007005696D1; NO20092525L; CA2670920A1

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse angår anvendelse av et komposittmateriale som fluidbarriere under kryogene betingelser, hvor komposittmateriale har: (a) Youngs strekkmodul lavere enn 50 GPa og (b) bruddtøyning på minst 5 % ved værelsesbetingelser. Oppfinnelsen angår videre en sandwich og et beholdersystem for et kryogent fluid, omfattende komposittmaterialet.

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår anvendelse av et komposittmateriale som en barriere, spesielt en fluidbarriere, under kryogene betingelser, hvor komposittmaterialet har bestemte egenskaper. Oppfinnelsen angår også en sandwich hvor komposittmaterialet anvendes, samt beholdersystemer så som beholdere, rørledninger, tanker, kar, ledninger og kaverner, hvor komposittmaterialet anvendes.

Fluidbarrierer for anvendelse under kryogene betingelser, så som lagertanker og rørledninger, er ment å forhindre utsiving av det kryogene fluid mot materialene bak barrieren. Typisk er konvensjonelle fluidbarrierer basert på spesielle materialer som har tilsvarende egenskaper, så som nikkel-stål eller spesielle fiberforsterkede komposittmaterialer. Eksempler på slike spesielle fiberforsterkede komposittmaterialer innbefatter dem som består av varmherdende plastmatriksmaterialer (så som epoksy og polyuretaner) forsterket med strukturfibrer så som grafitt, glass så som S2-glass og E-glass, og polyetylen med ultrahøy molekylvekt.

Som et eksempel, så beskrives i WO 2006/003192 A1 anvendelse av en fluidbarriere i en termisk isolert beholder for å lagre kondensert gass, så som LNG (flytende naturgass), flytende nitrogen, oksygen eller karbondioksid, eller flytende hydrogen. Fluidbarrieren beskrevet i WO 2006/003192 omfatter et plastmateriale, så som polyuretan eller epoksy, eller en kombinasjon derav. Om ønsket kan fluidbarrieren være forsterket ved å inkorporere glassfibrer.

Selv om fluidbarrieren ifølge WO 2006/003192 A1 allerede fungerer tilfredsstillende, så er det funnet at anvendelse av fluidbarrierer basert på slike komposittmaterialer kan resultere i at det innføres høye spenninger som det må tas hensyn til i den totale konstruksjonen. I noen tilfeller kan dette lede til mekanisk svikt i fluidbarrieren og/eller hele konstruksjonen.

Den foreliggende oppfinnelse er rettet mot anvendelse av et komposittmateriale som en fluidbarriere under kryogene betingelser som angitt i krav 1. I henhold til foreliggende oppfinnelse er det videre tilveiebrakt en sandwich for anvendelse som en barriere, særlig en fluidbarriere under kryogene betingelser som angitt i krav 9 og et beholdersystem for et kryogent fluid som angitt i krav 11.

Det er et mål med den foreliggende oppfinnelse å minimere problemet ovenfor. Det er videre et mål å tilveiebringe et alternativt materiale for anvendelse som en fluidbarriere under kryogene betingelser, så som under -30 ºC, under -100 ºC eller til og med under -150 ºC.

Det er videre et mål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe forbedrede beholdersystemer, så som beholdere, rør, tanker, kar, ledninger og kaverner for kryogene fluider.

Ett eller flere av de ovennevnte eller andre mål kan bli oppnådd i henhold til den foreliggende oppfinnelse ved å tilveiebringe anvendelse av et komposittmateriale som en fluidbarriere under kryogene betingelser, hvor komposittmaterialet har:

(a) Youngs strekkmodul lavere enn 50 GPa ved værelsesbetingelser, og (b) en bruddtøyning på minst 5 % ved værelsesbetingelser.

I EP 0465252 A1 beskrives en beholder eller ledning for komprimert og/eller kryogen gass, som omfatter en gassimpermeabel syntetisk polymer som danner en gassbarriere. Strukturfibrer kan være innbakt i den gassimpermeable syntetiske polymeren for å danne et komposittmateriale. Typisk har komposittmaterialet lav tøyning og høy modul. Når det fremstilles ved å anvende egnede strukturfibrer nevnt i patentspesifikasjonen, vil komposittmaterialene typisk ha en Youngs modul på over 50 GPa.

I US 6962672 beskrives et høytrykkskar spesielt for en rommaskin. Den indre huden i trykkaret kan være av et polyamid som har Youngs modul mellom 1 og 2 GPa. Bruddtøyningen er ikke nevnt og dessuten er den indre huden ikke en kompositt. Rundt huden er det viklet en forsterkende vinding fremstilt for eksempel av karbonfiber eller aramidfibrer solgt under navnet "Kevlar". Disse materialer i de forsterkende vindinger har en svært høy Youngs modul.

Fortrinnsvis er Youngs strekkmodul mindre enn 40 GPa og fortrinnsvis over 1,0 GPa, mer foretrukket over 2,0 GPa.

Fortrinnsvis blir Youngs strekkmodul bestemt i henhold til DIN EN ISO 527 ved værelsesbetingelser, som er standard atmosfærebetingelser i henhold til ISO 554, spesielt ved de anbefalte atmosfærebetingelser, dvs. ved 23 ºC, 50 % relativ fuktighet og et trykk mellom 86 og 106 kPa.

Fortrinnsvis er bruddtøyningen ved værelsesbetingelser over 8 %, mer foretrukket over 10 % og enda mer foretrukket over 15 %. Typisk er bruddtøyningen ved værelsesbetingelser ikke høyere enn 75 %.

Bruddtøyningen bestemmes i henhold til DIN EN ISO 527 ved værelsesbetingelser.

Spenningen i et materiale er relatert til materialets Youngs strekkmodul og materialets termiske ekspansjonskoeffisient, og for kryogene materialer har det hittil vært ansett at lavspenningsmaterialer ikke kan anvendes for kryogene fluider på grunn av de signifikante endringer i temperaturer som opptrer ved bruk. Imidlertid er det med den foreliggende oppfinnelse uventet funnet at anvendelse av et komposittmateriale som har en relativ lav Youngs strekkmodul er anvendelig for kryogene fluider.

Anvendelse av slike komposittmaterialer reduserer de termisk induserte spenninger i fluidbarrierematerialet samt i eventuell bærerstruktur, og derved er det mulig å velge fra et bredere spekter med materialer for denne bærerstrukturen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er et " komposittmateriale" et konstruksjonsmateriale fremstilt av to eller flere materialbestanddeler med forskjellige fysiske eller kjemiske egenskaper og som forblir separate og distinkte på et makroskopisk nivå i den ferdige strukturen. Komposittmaterialets Youngs strekkmodulverdi kan avhenge av de relative mengder av de anvendte materialer. En fagmann på området vil lett forstå hvordan man kan variere volumfraksjoner av de forskjellige komponenter i komposittmaterialet for å skreddersy de ønskede egenskaper.

I én utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er kompositten en monomaterialkompositt, dvs. et komposittmateriale dannet av to lag som omfatter det samme materialet, for eksempel to lag av et orientert termoplastmateriale som er smeltet sammen ved forhøyet temperatur og trykk slik at det dannes en matriks av en termoplast fordelt mellom og i lagene med orientert termoplast. Slik det er kjent av fagfolk på området, så er forhøyet trykk, spesielt hydrostatisk trykk, viktig for å regulere det orienterte termoplastmaterialets smeltetemperatur. I monomaterialkompositten kan det videre i materialet også være inkorporert ett eller flere additiver som er kjemisk forskjellige.

I en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er komposittmaterialet et plastmatriksmateriale som er forsterket med en armering, fortrinnsvis hvor armeringen er minst delvis inkorporert i plastmatriksmaterialet. Plastmatriksmaterialet kan således fungere som en kontinuerlig fast fase hvor armeringen er innbakt. Det er ingen spesifikke begrensninger med hensyn til forholdet mellom plastmatriksmaterialet og armeringen.

Armeringen kan være i form av kuttede eller kontinuerlige fibrer, flak eller partikler, men er fortrinnsvis konvertert til et materiale som har en tekstillignende struktur, så som filt, vevnad, roving, tekstil, strikket eller tråklet struktur.

Videre er det foretrukket at armeringen er valgt blant naturlige og termoplastiske materialer, eller en kombinasjon derav. Naturmaterialet kan omfatte fibrer som innbefatter vegetabilske fibrer, så som kokosbast, bomull, lin, jute, flax, ramie, sisal og hamp, og dyrefibrer så som saueull, hestehår og silke.

Fortrinnsvis omfatter armeringen et termoplastmateriale. Fortrinnsvis omfatter termoplastmaterialet for armeringen et polyolefin valgt blant polyetylen, polypropylen, polybutylen, polymetylpenten, polyisobuten eller en kopolymer eller terpolymer derav, fortrinnsvis polypropylen.

Armeringen kan også være valgt blant en lang rekke materialer som innbefatter karbonfibrer, glassfibrer og polymerfibrer, så lenge det resulterende komposittmateriale har Youngs strekkmodul lavere enn 50 GPa og en bruddtøyning som er minst 5 %.

Fortrinnsvis har armeringen en bruddtøyning på minst 5 % bestemt i henhold til DIN EN ISO 527 ved værelsesbetingelser, mer foretrukket er bruddtøyningen ved værelsesbetingelser over 8 %, enda mer foretrukket over 10 % og mest foretrukket over 15 %. Typisk er bruddtøyningen ved værelsesbetingelser ikke høyere enn 75 %.

Plastmatriksmaterialet som anvendes i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan velges blant en lang rekke materialer, så som polymermaterialer innbefattende polyester, polykarbonat, vinylester, epoksy, fenolmaterialer, polyimid, polyamid og andre, så lenge det resulterende komposittmateriale har Youngs strekkmodul som er mindre enn 50 GPa. Imidlertid er det foretrukket at plastmatriksmaterialet har en Youngs strekkmodul på 0,1-5,0 GPa bestemt i henhold til DIN EN ISO 527 ved værelsesbetingelser.

Plastmatriksmaterialet innbefatter fortrinnsvis et termoplastmateriale eller et varmherdende materiale.

I henhold til en særlig foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er plastmatriksmaterialet et termoplastmateriale. En fordel med termoplastmaterialet er at det lett kan formes. Fortrinnsvis omfatter termoplastmaterialet et polyolefin valgt blant polyetylen, polypropylen, polybutylen, polymetylpenten, polyisobuten eller en kopolymer eller terpolymer derav, så som EPDM, fortrinnsvis polypropylen.

Mono-materialkompositten er fortrinnsvis et termoplastmateriale hvor både et orientert termoplastmateriale, så som en forsterkende fiberfase, og en matriks mellom det orienterte termoplastmateriale, omfatter, fortrinnsvis består hovedsakelig av, eller mer foretrukket består av, den samme termoplastpolymer. Binding oppnås gjennom kontrollert overflatesmelting av det orienterte termoplastmateriale. Mono-materialkomposittens fysiske egenskaper, så som Youngs strekkmodul og termisk ekspansjonskoeffisient (CTE), kan bli regulert gjennom graden av smelting påført i prosessen, hvilket bestemmer volumforholdet mellom orientert/uorientert termoplastmateriale, også betegnet fiber/matriks-forholdet.

Tilvirkningsmåten for disse mono-materialkompositter er kjent i faget og er for eksempel beskrevet i US patentsøknad publikasjon nr. 2005/0064163; B. Alcock et al. (2007), Journal of Applied Polymer Science, vol. 104, 118-129; og B. Alcock et al. (2007), Composites: Part A ("applied science and manufacturing"), vol. 38, 147-161.

I tilvirkningsprosessen anvendes typisk orienterte termoplastiske polymerfibrer i forskjellige former: ensrettet opplegging, vevd tekstil eller kuttede fibrer/ikke-vevd filt. Slik det er kjent i faget er det viktig å regulere fibrenes smeltetemperatur gjennom hydrostatisk trykk. Fibrene blir oppvarmet ved forhøyet trykk til en temperatur som er under deres smeltepunkt ved det forhøyede trykket, men som er over smeltetemperaturen ved et lavere trykk. Trykkreduksjon i kontrollert tid resulterer i smelting av fibrene, som starter på fiberoverflaten. Denne overflatesmelting under regulert trykk fulgt av krystallisering produserer den konsoliderte strukturen.

En alternativ kjent prosess innebærer anvendelse av en spesiell koekstrudering av matriksmaterialet rundt orienterte termoplastiske materialstrenger, så som fibrer. Denne prosessen med koekstrudering og båndsveising har fordeler fremfor konvensjonelle forseglingsprosesser på grunn av det store forseglingsvinduet (130-180 ºC) uten tap av materialegenskaper.

Fortrinnsvis vil mono-materialkompositten omfatte, mer foretrukket bestå hovedsakelig av, enda mer foretrukket bestå av, et polyolefin valgt blant polyetylen, polypropylen, polybutylen, polymetylpenten, polyisobuten og en kopolymer eller en terpolymer derav, så som EPDM, mer foretrukket polypropylen.

Komposittmaterialet skal bli anvendt som en fluidbarriere under kryogene betingelser, det vil si under -30 ºC, mer foretrukket ved temperaturer under -100 ºC, eller til og med under -150 ºC. En slik temperatur (under -100 ºC, fortrinnsvis under -150 ºC, typisk -160 ºC) er egnet for flytende naturgass (LNG).

For formålene med denne beskrivelse er en kryogen væske en flytende gass som er blitt gjort flytende ved å senke temperaturen til kryogene betingelser. Et kryogent fluid innbefatter en kryogen væske, en gass som holdes under kryogene betingelser og et superkritisk fluid som holdes under kryogene betingelser. En fluidbarriere er en barriere som er egnet for kryogene fluider. Kryogene betingelser for formålene med denne beskrivelse betyr temperaturer som er lavere enn -30 ºC, fortrinnsvis lavere enn -100 ºC, mer foretrukket lavere enn -150 ºC. Komposittmaterialet anvendes fortrinnsvis ved temperaturer under -100 ºC, mer foretrukket under -150 ºC, fordi på denne måte kan fordelene med å anvende komposittmaterialer med disse egenskaper blir fullt ut utnyttet.

Fortrinnsvis har komposittmaterialet en bruddtøyning på minst 3 % bestemt i henhold til DIN EN ISO 527 ved -196 ºC (i flytende nitrogen), mer foretrukket minst 5 %, enda mer foretrukket minst 6 %, enda mer foretrukket over 8 %, og enda mer foretrukket over 10 %.

Komposittmaterialet har fortrinnsvis en termisk ekspansjonskoeffisient som er mindre enn 250 ∙ 10<-6>m/m/ ºC ved 40 ºC. Mer foretrukket er komposittmaterialet orientert og komposittmaterialet har en termisk ekspansjonskoeffisient som er mindre enn 250 ∙ 10<-6>m/m/ ºC ved 40 ºC i komposittmaterialets orienteringsretning.

Videre har komposittmaterialet en termisk ekspansjonskoeffisient som fortrinnsvis er mindre enn 100 ∙ 10<-6>m/m/ ºC ved -60 ºC. Mer foretrukket er komposittmaterialet orientert og komposittmaterialet har en termisk ekspansjonskoeffisient som er mindre enn 100 ∙ 10<-6>m/m/ ºC ved -60 ºC i komposittmaterialets orienteringsretning.

Den termiske ekspansjonskoeffisient kan hensiktsmessig bli bestemt i henhold til ISO11359-2 i temperaturområdet mellom -60 ºC og 70 ºC ved termisk-mekanisk analyse (TMA).

Med et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes anvendelse av fluidbarrieren i et beholdersystem, ved lagring, behandling, transport eller fremføring av et kryogent fluid, så som en flytende gass, innbefattende, men ikke begrenset til, LNG, flytende nitrogen, oksygen, karbondioksid og hydrogen. Slik anvendelse kan være temporær eller permanent, på land eller offshore, over jorden, over vann, under vann eller under jorden, eller en kombinasjon derav. Slik anvendelse kan også være oppstrøms og/eller nedstrøms i forhold til annen apparatur, innretninger, enheter eller systemer i enhver del av et anlegg eller en innretning for å oppbevare, lagre, behandle, transportere og/eller overføre et kryogent fluid. Dette innbefatter ett eller flere av kondensasjonsanlegg, en eksport-, laste-, transport-, losse-, import- eller sluttbruksinnretning, eller en del derav.

Slik bruk innbefatter, men er ikke begrenset til, følgende anvendelser: lagring og transport av kryogene fluider (rene eller blandede) for bruk ved temperaturer under -30 ºC, fortrinnsvis ved temperaturer under -100 ºC, mer foretrukket ved temperaturer under -150 ºC, innbefattende tanker (dvs. bulklagring) ved eksport- og importterminaler, skipning og fremføringselementer som rør og slanger,

oppbevaring av kryogene fluider i tanker på land og til havs, hvor tankene har enhver geometrisk utforming innbefattende (vertikale) syllindriske tanker, prismatiske tanker, ellipsoidiske tanker og sfæriske tanker,

lagring på land og til havs eller transport av kryogene fluider i beholdere, flyttbare containere, verkstedstilvirkede containere, flyttbare tanker og cargotanker, underjordisk lagring innbefattende kaverner, så som fjellkaverner eller underjordiske beholdere (eksempler på slike er diskutert i artikkelen til Eric Amantini, Emmanuel Chanfreau og Ho-Yeong Kim med tittel "The LNG storage in lined rock cavern" i Gastech (2005)),

trykksatte eller ikke-trykksatte kar for temporær eller permanent lagring av kryogene fluider,

trykksatte eller ikke-trykksatte kar for transport (på land, på sjø eller i luft med enhver innretning) av kryogene fluider, hvor karet har enhver geometrisk utforming, innbefattende, men ikke begrenset til, (vertikale) syllindriske, prismatiske, ellipsoidiske og sfæriske utforminger,

strømmende transport eller fremføring i fleksible eller stive rør innbefattende på land og til havs, over vann, i vann eller under vann, innbefattende rør, rørseksjoner, rørledninger, rørsystemer, slanger, stigerør og forskjellig utstyr og detaljer.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes også et beholdersystem for et kryogent fluid, omfattende minst ett lag med et komposittmateriale som definert foran, beholdersystemet omfatter fortrinnsvis én eller flere fra gruppen omfattende: beholder, tank, rør, kar, ledning og kavern.

Eksempler på slike beholdersystemer og deres anvendelse er beskrevet foran. Rør innbefatter rørledninger eller rørseksjoner, som er kontinuerlige eller har bestemte lengder.

Ett bestemt eksempel på et beholdersystem er en beholder for lagring av et kryogent fluid, hvor beholderen minst omfatter:

- en lastbærende struktur i form av et ytre skall,

- på innsiden av det ytre skall én eller flere fluidbarrierer omfattende et komposittmateriale som definert foran.

Et annet bestemt eksempel på beholdersystem er et rør for transport av et kryogent fluid, hvor det minst omfatter:

en lastbærende struktur i form av et ytre skall, fortrinnsvis av et plastmateriale, på innsiden av det ytre skall en fluidbarriere som omfatter et komposittmateriale som definert foran, særlig et materiale som har Youngs strekkmodul lavere enn 50 GPa bestemt i henhold til DIN EN ISO 527 ved atmosfærebetingelser.

Spesielt kan et slikt rør omfatte:

én eller flere konsentriske, indre fluidbarrierer rundt en sentral fluidledning, et ytre konsentrisk lag, og eventuelt minst ett ringrom mellom minst én indre fluidbarriere og det ytre konsentriske lag, hvor ringrommet eller ringrommene (40) er fylt med én eller flere termiske isolatorer.

Et slikt rør kan omfatte to, tre eller fire indre fluidbarrierer, med et ringrom mellom hvert nabosett av to indre fluidbarrierer og mellom den ytterste indre fluidbarriere og det ytterste konsentriske lag, fortrinnsvis er minst to av ringrommene fylt med to eller flere forskjellige termiske isolatorer.

Egnede termiske isolatorer er kjent i faget og innbefatter forskjellige skum og geler, så som mikrogel eller mikroterm (en mikroporøs blanding av keramisk pulver og fibrer).

I én utførelsesform av et slikt rør er minst én indre fluidbarriere forlengbar, fortrinnsvis er alle indre fluidbarrierer forlengbare slik at de kan ta opp langsgående endringer i røret på grunn av temperaturendringer når et kryogent fluid er til stede.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes også en sandwich for anvendelse som en barriere, spesielt en fluidbarriere, under kryogene betingelser, hvor den omfatter et komposittmateriale som definert her og et strukturelt bærerlag. En slik sandwich kan omfatte ethvert antall lag, generelt to eller tre, og et beholdersystem i følge den foreliggende oppfinnelse kan omfatte én eller flere slike sandwicher som har samme eller forskjellig konstruksjon med hensyn til materialer og bredder. Egnede bredder for en sandwich ifølge den foreliggende oppfinnelse kan være i området 1-50 mm.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes også en sandwich for anvendelse som en barriere, spesielt en fluidbarriere, under kryogene betingelser, hvor den omfatter et lag med et isolasjonsmateriale og en bærer som omfatter et komposittmateriale som definert foran. Isolasjonsmaterialet er fortrinnsvis ett eller flere av isolatorene nevnt her.

Utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet og illustrert med henvisning til de følgende ikke-begrensende tegninger, som viser:

figur 1 viser skjematisk et tverrsnitt av et rør ifølge den foreliggende oppfinnelse, for transport av et kryogent fluid så som LNG,

figurer 2 til 4 viser skjematisk tverrsnitt av tre ytterligere rør i henhold til ytterligere utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse, for transport av et kryogent fluid så som LNG,

figur 5 viser skjematisk et tverrsnitt av en beholder for lagring av et kryogent fluid, og

figur 6 viser skjematisk et tverrsnitt av en sandwich i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

De samme henvisningstall henviser til tilvarende strukturelementer.

Det skal nå henvises til figur 1. Figur 1 viser skjematisk et tverrsnitt av et rør 2 for transport av kryogene væsker, så som LNG, LPG og flytende nitrogen. Røret 2 omfatter et lastbærende ytre skall 30 og en fluidbarriere 10 på innsiden av det lastbærende ytre skall 30, konsentrisk rundt en sentral fluidledning 100.

Det lastbærende ytre skall 30 kan være fremstilt av et metallmateriale, så som nikkelstål eller betong, men er fortrinnsvis fremstilt av et stivt plastmateriale, så som karbonarmert epoksymateriale eller glassarmert epoksymateriale.

Fluidbarrieren 10 er fremstilt av et komposittmateriale som har Youngs strekkmodul lavere enn 50 GPa. Et eksempel på et egnet materiale for fluidbarrieren 10 er et komposittmateriale bestående av et polypropylenmatriksmateriale forsterket med polypropylenfibrer, dvs. et komposittmateriale av én enkelt polymer. Et slikt komposittmateriale kan anskaffes som sådant, for eksempel "Curv C100A" (kan skaffes fra Propex Fabrics, Gronau, Tyskland), og som har en Youngs strekkmodul på 3,2 GPa bestemt i henhold til DIN EN ISO 527 ved værelsesbetingelser.

Et annet eksempel på et egnet komposittmateriale er et komposittmateriale bestående av polypropylenfibrer koekstrudert med en polyetylen-polypropylenblanding. Det koekstruderte materiale er smeltet slik at det danner matriksen for kompositten, markedsført under varemerket "PURE" (kan skaffes fra Lankhorst Pure Composites B.V., Sneek, Nederland). Youngs strekkmodul ved værelsesbetingelser var ca. 6,4 GPa og bruddtøyningen var 10 % for dette komposittmaterialet.

Andre egnede komposittmaterialer er beskrevet av A. Pegoretti et al., "Flexural and interlaminar mechanical properties of unidirectional liquid crystalline singlepolymer composites", Composite Science and Technology 66 (2006) s. 1953-1962, idet innholdet i denne innlemmes her gjennom henvisning.

I tabell I nedenfor er det listet opp et antall egenskaper for det ovennevnte komposittmateriale "Curv C100A".

Tabell I

Den termiske ekspansjonskoeffisient ble bestemt i henhold til ISO11359-2 i temperaturområdet mellom -60 ºC og 70 ºC ved termisk-mekanisk analyse (TMA). Målinger ble utført både i fiberretningen og vinkelrett på fiberretningen. Andre målinger ble utført i henhold til metodene angitt ovenfor.

En fagmann på området vil forstå at rørsamlingen 2 kan, i tillegg til det ytre skall 30 og fluidbarrieren 10, omfatte ytterligere komponenter så som ytterligere lag mellom det ytre skall 30 og fluidbarriere 10, ytre belegg på det ytre skall 30, etc.

Ett slikt eksempel er vist på figur 2 som viser et rør som, konsentrisk fra en sentral fluidledning 100, har en første fluidbarriere 10, et første ringrom 40 og et ytre konsentrisk lag 30, som generelt er strukturmessig båret av de indre deler av røret 2a. Ringrommet 40 kan være fylt med én eller flere termiske isolatorer, generelt skum eller geler, så som aerogeler, mikroskum, etc.

Figur 3 viser et ytterligere eksempel på et rør 2b som, konsentrisk fra en sentral fluidledning 100, omfatter en første indre fluidbarriere 10, et første ringrom 40, en andre fluidbarriere 11, et andre ringrom 41 og så et ytre konsentrisk lag 30. Den første og den andre fluidbarriere 10, 11, kan ha samme eller forskjellig sammensetning, og det første eller andre ringrom 40, 41, kan omfatte den samme eller forskjellige termiske isolatorer.

Figur 4 viser et annet eksempel på figur 2c som konsentrisk omfatter fra en sentral fluidledning 100, en første, andre og tredje fluidbarriere 10, 11, 12, og et ytre konsentrisk lag 30, og et første, andre og tredje ringrom 40, 41, 42, mellom disse.

Typisk vil et rør 2a som eksemplifisert på figur 2, konsentrisk omfatte minst: en sentral fluidledning 100 som har en diameter i området 50-1500 mm, fortrinnsvis 250-1000 mm, mer foretrukket 500-900 mm,

en første indre fluidbarriere 10 som har en tykkelse i området 1-10 mm, et første ringrom 40 som har en tykkelse i området 25-250 mm, og

et ytre konsentrisk lag 30 som har en tykkelse i området 25-250 mm.

Figur 5 viser skjematisk et tverrsnitt av en termisk isolert beholder 200 for lagring av et kryogent fluid. Beholderen 200 omfatter en lastbærende struktur i form av et ytre skall 215 som består av en bunnplate 220 og en sidevegg 230. I utførelsesformen på figur 5 er bunnplaten 220 og sideveggen 230 av betong. For fullstedighets skyld skal nevnes at beholderen 200 innbefatter et tak (ikke vist) som er isolert og som kan danne en del av det strukturmessig ytre skall 215.

Beholderen 200 innbefatter videre minst to termisk isolerende beholderlag, dvs. et "indre beholderlag" 240 og et "ytre beholderlag" 250, som er festet til den innvendige overflate på strukturskallet 215.

Hvert beholderlag 240 og 250 innbefatter paneler av et isolasjonsmateriale (f.eks. et skummet plastmateriale så som PVC eller PUR).

Videre omfatter beholderen 200 to damp- og væsketette fluidbarrierer 210, én er i kontakt med den flytende gass 205 inneholdt i beholderen 200, og én er mellom det indre beholderlag 240 og det ytre beholderlag 250. Fluidbarrieren 210 er fremstilt av et komposittmateriale som definert her, et egnet eksempel på dette er gitt i tabell I ovenfor.

Fluidbarrierene 210, beholderlagene 240, 250 og ytterskall 210 kan være fiksert til hverandre på enhver hensiktsmessig måte, så som spraying, liming, mekanisk fiksering, smeltesveising, etc., slik det er kjent i faget.

Figur 6 viser skjematisk et tverrsnitt av en sandwich 300 i henhold til den foreliggende oppfinnelse, som kan bli anvendt i en rørsamling, 2, 2a, 2b, 2c eller en lagertank 200 som eksemplifisert i de ovennevnte figurer 1 til 5. Sandwichen 300 omfatter et lag 320 av et termisk isolasjonsmateriale så som PVC, PUR, etc., og en fluidbarriere 310 fremstilt av komposittmaterialet definert her. Fluidbarrieren 310 kan være festet til platen 300 ved hjelp av adhesiv binding, sveising eller smelting eller på enhver annen hensiktsmessig måte, slik det er kjent i faget.

En fagmann på området vil lett forstå at mange modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra rammen for oppfinnelsen.

Claims

Patentkrav

1. Anvendelse av et komposittmateriale som en fluidbarriere under kryogene betingelser, hvor komposittmaterialet har:

(a) Youngs strekkmodul lavere enn 50 GPa ved værelsesbetingelser, og

(b) en bruddtøyning på minst 5 % ved værelsesbetingelser.

2. Anvendelse ifølge krav 1, hvor komposittmaterialet har en termisk ekspansjonskoeffisient som er mindre enn 250 ∙ 10<-6>m/m/ ºC ved 40 ºC.

3. Anvendelse ifølge krav 1 eller 2, hvor komposittmaterialet har en bruddtøyning på minst 3 % ved -196 ºC.

4. Anvendelse ifølge ett eller flere av de foregående krav, hvor komposittmaterialet har en termisk ekspansjonskoeffisient som er mindre enn 100 ∙ 10<-6>m/m/ ºC ved -60 ºC.

5. Anvendelse ifølge ett eller flere av de foregående krav, hvor komposittmaterialet omfatter en mono-materialkompositt eller et plastmatriksmateriale forsterket med et armeringsmateriale.

6. Anvendelse ifølge krav 5, hvor mono-materialkompositten er et termoplastisk materiale, hvor både et orientert termoplastisk materiale, så som en forsterkende fiberfase, og en matriks mellom det orienterte termoplastiske materiale, omfatter de samme termoplastiske polymer.

7. Anvendelse ifølge krav 5, hvor komposittmaterialet omfatter et plastmatriksmateriale forsterket med et armeringsmateriale, og armeringsmaterialet har en bruddtøyning på minst 5 %.

8. Anvendelse ifølge ett eller flere av de foregående krav, ved innelukkelse, lagring, behandling, transport eller fremføring av et kryogent fluid.

9. Sandwich for anvendelse som en barriere, særlig en fluidbarriere, under kryogene betingelser,

k a r a k t e r i s e r t v e d at den omfatter et komposittmateriale som definert i ett eller flere av kravene 1 til 7, og et strukturmessig bærerlag.

10. Sandwich (300) for anvendelse som en barriere, særlig en fluidbarriere, under kryogene betingelser,

k a r a k t e r i s e r t v e d at den omfatter et lag (320) av et isolasjonsmateriale og en barriere (310) som omfatter et komposittmateriale som definert i ett eller flere av kravene 1 til 7.

11. Beholdersystem for et kryogent fluid,

k a r a k t e r i s e r t v e d at det omfatter minst ett lag av et komposittmateriale definert i ett eller flere av kravene 1 til 7.

12. Beholdersystem ifølge krav 11, hvor det er en beholder (200) for lagring av et kryogent fluid (205), hvor beholderen (200) minst omfatter:

- en lastbærende struktur i form av et ytre skall (215),

- på innsiden av det ytre skall (215) én eller flere fluidbarrierer (210) som omfatter et komposittmateriale som definert i ett eller flere av kravene 1 til 7.

13. Beholdersystem ifølge krav 11, hvor det er et rør (2) for transport av et kryogent fluid, hvor det minst omfatter:

én eller flere konsentriske indre fluidbarrierer (10) rundt en sentral fluidledning (100), hver enkelt av de indre fluidbarrierer (10) omfatter et komposittmateriale som definert i ett eller flere av kravene 1 til 7,

et ytre konsentrisk lag (30), og

eventuelt minst ett ringrom (40) mellom minst én indre fluidbarriere (10) og det ytre konsentriske lag (30), hvor det minst ene ringrom (40) er fylt med én eller flere termiske isolatorer.

14. Beholdersystem ifølge krav 13, hvor det omfatter to, tre eller fire indre fluidbarrierer (10, 11, 12, 13), med et ringrom (40, 41, 42, 43) mellom minst ett nabosett av to indre fluidbarrierer og/eller mellom den ytterste indre fluidbarriere (11, 12, 13) og det ytterste konsentriske lag (30).

15. Beholdersystem ifølge krav 13, hvor det omfatter to, tre eller fire indre fluidbarrierer (10, 11, 12, 13), med et ringrom (40, 41, 42, 43) mellom hvert sett med to indre fluidbarrierer og mellom den ytterste indre fluidbarriere (11, 12, 13) og det ytre konsentriske lag (30).