СТЕНКА МЕМБРАННОГО РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ЖИДКОТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2025 года по МПК F17C3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области изготовления мембранных резервуаров для хранения и/или транспортировки криогенной текучей среды, которые герметичны и теплоизолированы, а более конкретно к изоляционной конструкции для таких резервуаров.

Уровень техники

Многочисленные эксперты и специалисты полагают, что за сжиженным природным газом (СПГ) будущее мировой энергетической отрасли. Логистические схемы СПГ постоянно развиваются и оптимизируются. Возможность перевозить топливо через океаны и континенты делает его уникальным и значительно расширяет зону применения. При транспортировке морем используются крупнотоннажные резервуары. Требования к резервуарам, в которых хранится СПГ, достаточно жесткие и регламентированы многочисленными нормативными документами. При строительстве хранилищ для СПГ используется только сталь с обязательным включением никеля. Этот выбор обусловлен прочностью конструкции и устойчивостью к низким температурам, а именно необходимостью снижения вероятности хрупкого излома при воздействии сверхнизких температурных режимов. Также применяются конструкции, использующие своеобразную двойную стену: внутренняя (мембрана), изготовленная из стали с содержанием никеля, и внешняя, которая может иметь альтернативные виды материалов. При этом в отношении двустенных конструкций постоянно ведется поиск для улучшения их требуемых свойств.

Одним из направлений развития технических решений в данной области техники является использование гофрированных мембран. Известно, что непроницаемая стенка, непосредственно контактирующая с криогенной жидкостью, должна обладать достаточной эластичностью, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие в результате, например, гидростатического давления, динамического давления (в случае перемещения груза), а также должна выдерживать тепловые сжатия и расширения. Технологии с применением волнообразных (гофрированных) мембран основаны на том, что гофры способны поглощать деформации мембран при термических нагрузках, действующих на стенки корпуса резервуара.

Примером такого выполнения может служить техническое решение, охарактеризованное в документе SU 293372 A3, опубл. 15.01.1971, и раскрывающее термоизоляционную стенку резервуара для жидкости, включающую внутреннюю герметичную гофрированную мембрану, расположенную на расстоянии от внешней оболочки. Техническим результатом изобретения является ликвидация теплопроводящих каналов, охлаждающих корпус. Для этого узлы, фиксирующие положение мембранного танка относительно жесткого корпуса, выполнены в виде жестких уголковых элементов с ребрами жесткости. Однако предложенному решению присущ недостаток, заключающийся в том, что конструкция резервуара недостаточно надежна в эксплуатации и не обеспечивает компенсацию термических напряжений.

В связи с этим был предложен ряд технических решений, позволяющих обеспечить надежность и более эффективную компенсацию термических напряжений за счет усовершенствования теплоизоляционных блоков.

Для снижения температурных напряжений предложено техническое решение, представленное в WO 2005095234 А1, опубл. 13.10.2005, которое раскрывает металлическую мембранную панель изолированного грузового танка СПГ, которая включает в себя множество прямоугольных единичных гофр, расположенных на панели так, чтобы они были расположены друг от друга на заранее определенном расстоянии. Каждый из множества прямоугольных единичных гофр состоит из пары поперечных выпуклых частей и пары продольных выпуклых частей, и имеет плавно изогнутые углы. Поперечные и продольные соединительные гофры соединяют множество прямоугольных единичных гофров друг с другом. Гофры могут иметь полукруглые, эллиптические или параболические формы сечения.

Техническим результатом данного решения является уменьшение зон концентрации локализованных напряжений, а также повышение эффективности сварки за счет уменьшения количества гофров на перекрывающихся сварных кромках соседней панели с металлической мембраной для уменьшения количества свариваемых изогнутых участков. Однако предложенное выполнение гофров не обеспечивает полную реализацию возможностей по снижению температурных напряжений в мембране.

Еще одним примером конструкции стенок мембранного резервуара для СПГ является техническое решение, представленное в документе KR 101908563 В1, опубл. 16.10.2018, которое раскрывает теплоизоляционную конструкцию резервуара для хранения криогенной жидкости, объединенную с внутренней стенкой резервуара для хранения. Конструкция содержит: множество теплоизоляционных плит, расположенных на внутренней стенке резервуара для хранения на расстоянии от друг друга; перемычку, протянутую между соседними теплоизоляционными плитами; элемент крышки, установленный на перемычке; и мембраны агрегата, закрепленные на теплоизоляционных плитах. Данное решение способствует минимизации концентрации напряжений на мембране резервуара.

Другой аспект совершенствования резервуаров для СПГ раскрыт в техническом решении, представленном в RU 2563563 С2, опубл. 20.09.2015, которое раскрывает элемент жесткости, предназначенный для заведения в высокий гофр в направлении к наружной поверхности листа. Гофрированный металлический лист приспособлен для образования непроницаемой мембраны резервуара большой емкости, предназначенного, например, под холодный жидкий продукт. Элемент жесткости имеет профилированную геометрию с постоянным сечением, что позволяет легко получать элемент требуемой длины путем разрезания длинномерного профилированного изделия.

Благодаря предложенным дополнительным элементам жесткости удается исключить или ограничить опасные пластические деформации, вызванные гидростатическим давлением содержащегося в резервуаре жидкого газа, а также ударами образующихся в нем волн при морской транспортировке.

Проблема надежности резервуара, использующего в своей конструкции мембрану, рассмотрена и в техническом решении, представленном в JP 2001058693 А, опубл. 06.03.2001, которое относится к мембранной конструкции резервуара для хранения низкотемпературного сжиженного газа. Боковые поверхности резервуара имеют восьмигранную форму, а весь резервуар представляет собой 10-гранную конструкцию. Этот резервуар жестко установлен во внешнем резервуаре с помощью теплоизоляционного материала, изготовленного из твердого уретана или подобного ему материала. На каждой боковой поверхности пары продольных гофров расположены в виде сетки в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. На нижней поверхности и потолочной поверхности пары длинноосных гофров расположены в виде сетки.

В резервуаре, описанном выше, во время охлаждения и нагревания, связанного с хранением низкотемпературного сжиженного газа СПГ, прямоугольная плоская пластинчатая часть имеет возможность углового перемещения, когда гофры расширяются и сжимаются, поглощая тепловые воздействия. Кроме того, в каждом углу нижней поверхности и поверхности потолка, треугольная плоская пластинчатая часть поворачивается, когда гофры расширяются и сжимаются, позволяя компенсировать термическую усадку и обеспечивать плавное продолжение усадки при повороте между каждой поверхностью пластины даже в углу, где сходятся такие прямоугольные поверхности пластин.

В результате обеспечены плавность характеристик теплового сжатия и расширения и возможность поглощать их без повреждений резервуара.

Наиболее близким техническим решением к предложенному, устраняющим указанные недостатки известных конструкций стенок мембранного резервуара и обеспечивающим максимальное снижение температурных напряжений, является раскрытая в KR 20050108692 А, опубл. 17.11.2005, мембранная металлическая стенка для теплоизолированного резервуара, изготавливаемая штамповкой. За счет оптимизации формы и расположения гофр, а также метода расположения мембранной металлической панели, достигнуто снижение уровня напряжения в рабочих условиях. Мембранная металлическая панель изготовлена из металла, менее хрупкого при низких температурах, и изготовлена так, чтобы облегчить расширение и сжатие в ответ на изменения температуры. Данное решение включает в себя множество поперечных гофр, образованных параллельно друг другу и сформированных под прямым углом к поперечным гофрам, при этом поперечные и продольные гофры не пересекаются друг с другом, а расположены под углом 90° друг к другу, а их концы расположены напротив середины соседних гофров. Кроме того, радиусы кривизны и размеры поперечного сечения гофра подобраны таким образом, чтобы снизить напряжение и повысить долговечность. В результате, применение данного решения позволяет повысить долговечность резервуара при одновременном снижении производственных затрат.

Недостатком вышеприведенных известных решений также является недостаточное снижение концентраторов напряжений, приводящих к образованию в этих местах повышенных значений напряжений, а следовательно, к снижению ресурса (долговечности). Причиной образования таких концентраторов напряжений является конструктивное выполнение стенки мембранного резервуара таким образом, что все еще имеются резкие изменения в ее геометрии, а именно малые радиусы скругления гофр, резкие переходы/перегибы.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в оптимизации конструкции непроницаемой стенки мембранного резервуара с целью увеличения ее усталостной долговечности, поскольку известные конструкции первичной мембраны содержат большое количество геометрических концентраторов напряжения, что в свою очередь ухудшает эксплуатационные характеристики такого резервуара.

Раскрытие изобретения

Для решения поставленной задачи минимизации напряжений герметичной стенки мембранного резервуара при воздействии криогенных температур настоящее изобретение предлагает конструкцию герметичной стенки мембранного резервуара, которая будет обладать увеличенной усталостной долговечностью относительно известных решений из уровня техники, т.е. которая будет способна воспринимать температурные деформации без ее дальнейшего разрушения за счет оптимизации взаимного сочетания конструктивных параметров.

Также предлагаемая стенка мембранного резервуара по изобретению обеспечивает простой и экономически выгодный способ ее изготовления.

Техническим результатом является обеспечение податливости стенки резервуара для восприятия температурных деформаций без разрушения за счет выполнения стеки резервуара с гофрами оптимальной формы и их взаимного расположения при обеспечении возможности выполнения штамповки такой стенки за одну операцию.

В соответствии с поставленными задачами предложена конструкция непроницаемой стенки мембранного резервуара, внутренняя поверхность которого находится в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой, выполненная из гибкого материала, которая представляет собой герметичную мембрану, содержащую первый набор параллельных друг другу волнообразных гофр и второй набор параллельных друг другу волнообразных гофр, выступающих со стороны внутренней поверхности резервуара, причем гофры первого набора имеют направление, перпендикулярное направлению гофр второго набора с образованием мест пересечения. В указанных местах пересечения одна из двух пересекающихся гофр выполнена прерывающейся с образованием с обеих сторон от гофры поперечного направления симметричных плавных закруглений (6,5), получаемых с помощью радиуса кривизны (6) скругления внутренней части гофры и внешнего радиуса кривизны (5) скругления гофры и переходящие в плоские пластически упрочненные участки (4), прилегающие к гофрам поперечного направления. При этом размер плоского участка (4), определяющий расстояние между основанием закругленного конца гофры и основанием боковой части перпендикулярной ей гофры, составляет от 10 до 50 мм. Радиус кривизны (3) скругления гофры у ее основания со стороны боковой поверхности составляет от 10 до 30 мм, а радиус кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой поверхности, обращенной к соседней гофре в месте их пересечения между собой, составляет от 60 до 80 мм, высота (8) гофры составляет от 30 до 60 мм. Отношение радиуса кривизны (6) скругления гофры у ее вершины со стороны концевой внутренней поверхности к радиусу кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой внешней поверхности равно 2,5±5%, а отношение расстояния (7) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до середины поперечного сечения перпендикулярной ей гофры к расстоянию (4) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до точки пересечения плоской поверхности с боковой поверхностью перпендикулярной ей гофры равно 3,2±5%. При этом прерывания гофр разных направлений выполнены чередующимися в шахматном порядке.

При этом каждая гофра такой мембраны выполнена с учетом снижения геометрических концентраторов напряжения, а также для упрощения процесса изготовления, поэтому она содержит помимо вышеуказанных радиусов кривизны (5, 6) скругления, имеющие направления вдоль гофры, также несколько радиусов изгиба в поперечном направлении гофры, такие как радиус кривизны (1) скругления около вершины внутренней части гофры, радиус кривизны (2) скругления ее боковой внутренней части и радиус кривизны (3) скругления боковой внешней части ее основания. Кроме этого, прерывания гофр разных направлений выполнены чередующимися в шахматном порядке, что также влияет на достижение технического результата.

При этом герметичная стенка предназначена для расположения в резервуаре таким образом, что ее гофрированная часть находится в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой (например, СПГ).

В одном варианте выполнения радиус кривизны (1) участка гофры, прилегающего к его вершине, составляет от 8 до 28 мм, а радиус кривизны (2) перехода между этим участком гофры и скруглением у основания гофры может быть одинаковым относительно оси симметрии гофры и составляет от 45 до 65 мм.

В одном варианте выполнения стенка образована из множества листов, соединенных внахлест, причем каждый лист имеет отформованные выступы, по крайней мере, на двух его боковых сторонах, служащие для вхождения соседних листов и проходящие по всей длине боковой стороны листа, включая и поверхность гофров.

В одном варианте выполнения все гофры могут иметь по существу полукруглое поперечное сечение, геометрия которых зависит от радиуса кривизны (1) скругления около вершины внутренней части гофры и радиуса кривизны (2) скругления ее боковой внутренней части.

В одном варианте выполнения все гофры могут иметь одинаковую форму и размеры по длине, ширине и высоте (8).

В одном варианте выполнения гофры первого набора и гофры второго набора могут быть расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, а расстояние (4) между гофрами первого набора может быть равно расстоянию (4) между гофрами второго набора.

В одном варианте выполнения гофры каждого набора могут проходить от одного края до другого края листа мембраны.

В одном варианте выполнения каждый из гофр первого набора может быть расположен перпендикулярно и точно по середине относительно мест пересечения гофр второго набора.

В одном варианте выполнения сварка гофрированных листов может осуществляться встык.

В одном варианте выполнения непроницаемая стенка может быть выполнена из нержавеющей стали.

В одном варианте выполнения гофры могут быть сформированы методом холодной штамповки за одну технологическую операцию.

В другом аспекте изобретения предложен герметичный и термоизолированный резервуар для хранения и/или транспортировки низкотемпературной текучей среды, в котором опорная стенка резервуара имеет многослойную структуру, содержащую последовательно расположенные: основной герметичный барьер, состоящий из стенки находящейся в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой, основной теплоизоляционный барьер, вспомогательную герметизирующую мембрану и вспомогательный теплоизоляционный барьер, причем вспомогательный теплоизоляционный барьер, вспомогательная герметизирующая мембрана и основной теплоизоляционный барьер по существу состоят из набора сборных панелей, зафиксированных на указанной опорной стенке резервуара, при этом опорная стенка резервуара содержит теплоизоляционные блоки, поддерживающие основной герметичный барьер.

Стенка, формирующая герметичный барьер указанного резервуара, выполнена из гибкого материала, содержит первый набор параллельных друг другу волнообразных гофр и второй набор параллельных друг другу волнообразных гофр, причем гофры первого набора имеют направление, перпендикулярное направлению гофрам второго набора с образованием мест пересечения, где в указанных местах пересечения одна из двух пересекающихся гофры выполнена прерывающейся, с образованием с обеих сторон от гофры поперечного направления симметричных плавных закруглений (6,5), переходящих в плоские участки (4), прилегающие к гофрам поперечного направления, причем прерывания гофр разных направлений выполнены чередующимися в шахматном порядке, размер плоского участка (4), представляющего собой расстояние между основанием закругленного конца гофры и основанием боковой части перпендикулярной ей гофры, составляет от 10 до 50 мм, радиус кривизны (3) скругления гофры у ее основания со стороны боковой поверхности составляет от 10 до 30 мм, радиус кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой поверхности, обращенной к соседней гофре в месте их пересечения между собой, составляет от 60 до 80 мм, высота (8) гофры составляет от 30 до 60 мм, отношение радиуса кривизны (6) скругления гофры у ее вершины со стороны концевой внутренней поверхности к радиусу кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой внешней поверхности равно 2,5±5%, а отношение расстояния (7) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до середины поперечного сечения перпендикулярной ей гофры к расстоянию (4) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до точки пересечения плоской поверхности с боковой поверхностью перпендикулярной ей гофры равно 3,2±5%.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлено изображение внешнего вида герметичного листа для изготовления непроницаемой стенки резервуара по изобретению.

На Фиг. 2 приведено схематическое изображение сечения гофрированного листа с обозначением конструктивных параметров герметичного листа для изготовления непроницаемой стенки по изобретению.

На Фиг. 3 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения на гофре, высота которой равна 75 мм.

На Фиг. 4 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр при отсутствии радиуса кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой внешней поверхности гофры, испытывающий воздействие криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 5 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр, содержащие радиусы кривизны (5,6), но при отсутствии плоского участка (4) под воздействием криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 6 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр, где размер плоского участка (4) составляет 70 мм, а расстояние (7) составляет 136 мм, под воздействием криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 7 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр, где размер плоского участка (4) составляет 84 мм, а расстояние (7) составляет 150 мм, под воздействием криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 8 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр, где радиус кривизны (5) составляет 80 мм, а радиус кривизны (6) составляет 100 мм, под воздействием криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 9 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр, где радиус кривизны (5) составляет 100 мм, а радиус кривизны (6) составляет 180 мм, под воздействием криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 10 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения узла пересечения гофр листа мембраны с конструктивными параметрами по изобретению при воздействии криогенной температуры -163°С.

На Фиг. 11 приведены результаты компьютерного моделирования гофрированного листа для изготовления герметичной стенки резервуара под термической нагрузкой -163°С, конструкция которой сочетает в себе оптимальные параметры гофр по изобретению.

Осуществление изобретения

Поставленная задача решается за счет изменения геометрии гофр и их взаимного расположения относительно друг друга.

Как показано на Фиг. 1, лист (100) уплотнительной мембраны содержит два набора параллельных друг другу волнообразных гофр полукруглого сечения, причем гофры первого набора (101) перпендикулярны направлению гофр второго набора (102) и проходят от одного края листа уплотнительной мембраны до другого. В местах пересечения перпендикулярных гофр одна из двух пересекающихся гофр прерывается, а другая остается непрерывной, но прерывается в следующем, соседнем месте пересечения, образуя рисунок, сходный с шахматным переплетением волокон ткани. Каждый лист (100) имеет отформованные выступы (103) по крайней мере на двух его боковых сторонах, служащие для вхождения соседних листов и проходящие по всей длине боковой стороны листа, включая и поверхность гофров.

При этом в каждом месте пересечения от остающейся непрерывной гофры поперечного направления, прерывающаяся гофра формирует симметричную с обеих сторон плавную концевую линию сгиба, переходящую в плоский пластически упрочненный участок в направлении поперечных гофр.

Согласно одному варианту осуществления изобретения остающаяся непрерывной гофра расположена в месте пересечения точно посередине между закругленными концами прерывающейся перпендикулярной гофры. Именно такое взаимно-симметричное расположение двух наборов гофр относительно друг друга позволяет полностью компенсировать деформации, возникающие в стенке резервуара из-за температурного градиента.

На Фиг. 2 обозначены все основные конструктивные параметры герметичного листа для изготовления непроницаемой стенки, которые играют существенную роль в достижении технического результата.

В показанном варианте осуществления изобретения концевая линия сгиба гофры образована путем плавного перехода с помощью двух радиусов кривизны скругления. Так, прерывание гофры в продольном направлении начинается с помощью радиуса (6) от ее вершины относительно внутренней поверхности и заканчивается у ее основания с помощью внешнего радиуса (5) как показано на Фиг. 2.

Согласно изобретению, все гофры имеют по существу полукруглое поперечное сечение, сформированное тремя радиусами кривизны: радиус кривизны (1) скругления около вершины внутренней части гофры, радиус кривизны (2) скругления боковой внутренней части гофры и радиус кривизны (3) скругления у основания со стороны внешней боковой поверхности гофры.

Важную роль в распределении термических деформаций играют размер плоского участка (4), определяющий расстояние между основанием закругленного конца гофры и основанием боковой части перпендикулярной ей гофры, а также высота (8) самой гофры.

На Фиг. 3-11 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения на гофре, с цветовой палитрой, где синий цвет соответствуют наименьшему уровню напряжений, а красный наибольшему, в соответствии со шкалой значений, приведенных в МПа.

На Фиг. 3 приведены результаты компьютерного моделирования, которые демонстрируют уровень напряжения на гофре, высота (8) которой равна 75 мм. На Фиг. 3 видно, что наибольшие концентраторы напряжения с такой высотой (8) гофры расположены на боковых частях гофры, характеризующиеся радиусом кривизны (2), а также у ее вершины с радиусом кривизны (1). Расчетным путем было определено, что оптимальным значением величины (8), обеспечивающим минимальные напряжения мембраны, является диапазон от 30 до 60 мм. При выполнении гофры высотой (8) более 60 мм (как на Фиг. 3) наблюдаются существенное увеличение уровня напряжения на боковых участках гофры, а также около ее вершины. При высоте гофры (8) менее 30 мм наблюдается недостаточность компенсации термических деформаций, которая определяется при компьютерном моделировании по превышению напряжений на плоских участках мембраны.

На Фиг. 4 приведены результаты компьютерного моделирования узла пересечения гофр при отсутствии радиуса кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой внешней поверхности гофры, испытывающий воздействие криогенной температуры -163°С. Видно, что на конце гофры у ее основания возникают высокие напряжения из-за термической деформации, которые являются потенциальным местом разрушения листа мембраны. Выполнение гофр с радиусом кривизны (5) позволяет избежать возникновения такого рода напряжений.

Анализ результатов многочисленных расчетов по определению влияния геометрии гофр и их взаимного расположения на распределение нагрузки по всей поверхности герметичной стенки показал, что также существует взаимосвязь между значением радиуса кривизны (6) скругления вершины внутренней концевой поверхности гофры и радиусом кривизны (5) скругления у основания внешней концевой поверхности гофры.

Расчетным путем было определено, что существует зависимость между величинами (5) и (6). Оптимальным с точки зрения возникновения напряжений значением отношения радиуса кривизны (6) скругления гофры у ее вершины с внутренней стороны концевой поверхности к радиусу кривизны (5) скругления гофры у ее основания с внешней стороны концевой поверхности является значение 2,5±5%. При увеличении данного соотношения увеличиваются напряжения на участке вдоль продольной концевой линии сгиба гофры, что в свою очередь приводит к уменьшению усталостной долговечности стенки.

При выборе конструкции гофрированного листа, у которого значение отношения радиуса кривизны (6) скругления гофры у ее вершины с внутренней стороны концевой поверхности к радиусу кривизны (5) скругления гофры у ее основания с внешней стороны концевой поверхности будет менее 2,5±5%, для герметичной стенки мембранного резервуара не будет обеспечиваться компенсация всех термических деформаций, возникающих в стенке резервуара при сжатии и растяжении металла.

Кроме того, расчетным путем было также определено, что существует еще одна взаимосвязь между конструктивными параметрами герметичной стенки, которые напрямую влияют на достижение технического результата. Такими параметрами являются расстояние (7) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до середины поперечного сечения перпендикулярного ему гофры и расстояние (4) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до точки пересечения плоской поверхности с боковой поверхностью перпендикулярной ей гофры. Данные параметры определяют процентное соотношение плоской части и выпуклой в герметичной стенке резервуара.

На Фиг. 5 показано, что при отсутствии плоской части (4), расположенной между концевой частью гофры первого набора относительно перпендикулярной ей гофры второго набора возникают высокие концентрации напряжений в обозначенных местах при воздействии криогенной температуры, где красный цвет соответствует наибольшему уровню напряжения. Наличие большого количества концентраторов напряжений приводит к скорейшему разрушению такой стенки в местах пересечения гофр (2, 3, 5) при ее эксплуатации. Поэтому для снижения концентрации в таких местах целесообразно предусмотреть плоский участок (4) с целью увеличения усталостной долговечности герметичной мембраны. Стоит отметить, что наличие плоских участков также технологически упрощает изготовление листов мембраны. Однако при подборе величины (4) необходимо учитывать способность мембраны воспринимать и компенсировать все термические деформации.

Расчетным путем была выявлена взаимосвязь между величинами (7) и (4), которая усиливает технический результат. На Фиг. 6 и 7 показан уровень напряжения узла пересечения гофр, где размер плоского участка (4) составляет 70 мм и 84 мм, а расстояние (7) составляет 136 мм и 150 мм, соответственно. Таким образом, соотношения размеров участков (7) и (4) для этих мембран составляет 1,94 и 1,79, соответственно. Результаты моделирования подтверждают, что при величине указанного соотношения менее 3,2 наблюдается возникновение напряжений на концевых участках гофры в местах пересечения гофр, а также на прилегающих к ним боковых участках мембраны.

При этом при выполнении герметичной стенки резервуара, у которой отношение расстояния (7) к расстоянию (4) равно 3,2±5%, будут полностью компенсированы температурные деформации с максимально возможным равномерным распределением напряжения по всей поверхности непроницаемой мембраны, как показано далее со ссылкой на Фиг. 10.

На Фиг. 8 и 9 показан уровень напряжения узла пересечения гофр, где радиус кривизны (5) составляет 80 мм и 100 мм, а радиус кривизны (6) составляет 100 мм и 180 мм, соответственно. Таким образом, соотношения размеров радиусов (5) и (6) для этих мембран составляет 1,25 и 1,8, соответственно. Результаты моделирования подтверждают, что при величине указанного соотношения менее 2,5 наблюдается возникновение напряжений на концевых участках гофры в местах пересечения гофр, а также на прилегающих к ним боковых участках мембраны.

На Фиг. 10 и 11 представлено распределение напряжений узла пересечения гофр для одного примера мембраны по изобретению, у которой радиус кривизны (5) равен 70 мм, а радиус кривизны (6) равен 180 мм. При использовании конструкции герметичной стенки по изобретению максимальные напряжения наблюдаются в зоне радиусного перехода от гофр к плоской части, но при этом их распределение является равномерным, а значит нет потенциально опасных мест для разрушения непроницаемой стенки при термической деформации.

Примером выполнения герметичной стенки по изобретению может быть стенка из гофрированных металлических листов из нержавеющей стали марки 304L, которая содержит два набора параллельных друг другу волнообразных гофр полукруглого сечения, причем гофры первого набора перпендикулярны направлению гофр второго набора и расположены симметрично относительно друг друга и точно по середине в местах их пересечения. Причем в указанных местах пересечения одна из пересекающейся гофры прерывается с образованием с обеих сторон от гофры поперечного направления симметричных плавных закруглений, переходящих в плоские участки (4), прилегающие к гофрам поперечного направления. При этом все гофры имеют одинаковую форму и размеры. В одном неограничивающем примере радиус кривизны (1) скругления около вершины внутренней части гофры равен 18 мм, радиус кривизны (2) скругления боковой внутренней части гофры равен 55 мм, радиус кривизны (3) скругления у основания со стороны внешней боковой поверхности гофры равен 20 мм, плоский участок (4) равен 30 мм, радиус кривизны (5) равен 70 мм, радиус кривизны (6) равен 180 мм, расстояние (7) равно 96 мм, а высота (8) гофры равна 50 мм. При выборе данных параметров, отношение радиуса кривизны (6) скругления гофры у ее вершины с внутренней стороны концевой поверхности к радиусу кривизны (5) скругления гофры у ее основания с внешней стороны концевой поверхности составляет 2,57, а отношение расстояния (7) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до середины поперечного сечения перпендикулярной ему гофры к расстоянию (4) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до точки пересечения плоской поверхности с боковой поверхностью перпендикулярной ей гофры равно 3,2.

На Фиг. 11 приведены результаты компьютерного моделирования гофрированного листа с вышеуказанными параметрами, которые иллюстрируют преимущество предлагаемой конструкции герметичной стенки. Для этого показан один лист мембраны, содержащий несколько узлов пересечения гофр с распределением напряжения по всей поверхности мембранного листа в рабочем режиме. Преимущество состоит в податливости конструкции герметичной стенки воспринимать температурные деформации, возникающие вследствие контакта с низкотемпературной средой, с увеличенной усталостной долговечностью такой герметичной стенки по причине равномерного распределения нагрузки по всей внутренней поверхности резервуара.

Листы непроницаемой мембраны по изобретению могут быть использованы для создания конструкции непроницаемой стенки (герметичного барьера) для внутренней облицовки мембранного термоизолированного резервуара для хранения и/или транспортировки криогенной текучей среды. Такая непроницаемая стенка может состоять из множества листов уплотнительной мембраны по изобретению, например, из нержавеющей стали, соединенных между собой путем сварки с формированием зон краевого перекрытия для полной герметизации стенки. Указанная стенка может находиться в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой.

Каждый лист непроницаемой стенки может иметь отформованные выступы на боковых сторонах по всей длине. Такие выступы позволяют осуществлять сварку соседних листов внахлест путем наложения краевой зоны одного листа поверх краевой зоны соседнего листа.

Однако, в одном варианте выполнения сварка листов друг с другом может осуществляться встык. В таком случае в мембранных листах будут отсутствовать вышеуказанные отформованные выступы.

Настоящее изобретение также относится к герметичному и термоизолированному резервуару для хранения и/или транспортировки низкотемпературной текучей среды, в котором стенка резервуара имеет многослойную структуру, содержащая последовательно основной теплоизоляционный барьер, вспомогательную герметизирующую мембрану и вспомогательный теплоизоляционный барьер. Вспомогательный теплоизоляционный барьер, вспомогательная герметизирующая мембрана и основной теплоизоляционный барьер по существу состоят из набора сборных панелей, зафиксированных на опорной стенке резервуара, при этом каждая сборная панель содержит последовательно нижнюю и верхнюю жесткую плиту, первый слой теплоизоляции, заключенный между этими жесткими плитами, который формирует с жесткими плитами элемент вспомогательного теплоизоляционного барьера, непроницаемую накладку, которая полностью накрывает верхнюю жесткую плиту первого слоя теплоизоляции, будучи приклеенной к верхней жесткой плите первого слоя теплоизоляции, и которая формирует элемент вспомогательной герметизирующей мембраны, второй слой теплоизоляции, который накрывает центральную зону первого слоя теплоизоляции и непроницаемую накладку, и жесткую плиту, накрывающую второй слой теплоизоляции и формирующую со вторым слоем теплоизоляции элемент основного теплоизоляционного барьера, в котором две жесткие плиты, первый слой теплоизоляции и непроницаемая накладка сборной панели имеют первый прямоугольный контур, тогда как второй слой теплоизоляции с жесткой плитой имеют второй прямоугольный контур меньших размеров, чем первый прямоугольный контур, в результате чего второй слой теплоизоляции с жесткой плитой не накрывают краевую зону непроницаемой накладки вдоль четырех краев первого прямоугольного контура. При этом сборные панели размещены бок о бок на опорной конструкции, параллельно друг другу. Краевая зона непроницаемой накладки первой сборной панели в каждом случае примыкает к краевой зоне непроницаемой накладки второй сборной панели. Кроме того, стенка резервуара имеет теплоизоляционные блоки, накрытые жесткой плитой, размещенные между вторыми слоями теплоизоляции двух примыкающих сборных панелей, довершая основной изоляционный барьер между двумя сборными панелями. В результате чего жесткие плиты изоляционных блоков и жесткие плиты сборных панелей формируют по существу сплошную стенку, способную поддерживать основной герметичный барьер по изобретению, который находится в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой.

Крепление основного герметичного барьера к теплоизоляционным панелям может быть осуществлено путем приварки каждого из четырех углов герметичного листа к анкерной пластине, расположенной на верхней жесткой плите верхнего теплоизоляционного слоя. Такое крепление является нежестким, благодаря чему краевые зоны гофрированных листов не будут испытывать высоких термических напряжений.

С точки зрения несущей способности предлагаемая конфигурация непроницаемой стенки по сравнению с известными из уровня техники характеризуется снижением уровня напряжений, и, как следствие, увеличение усталостной долговечности такой стенки по причине использования в своей конструкции плавных форм и переходов.

Выполнение гофр в предложенной конфигурации позволяет изготовить герметичную металлическую стенку, которая будет равномерно распределять нагрузку по всей поверхности стенки резервуара, что, в свою очередь, повышает ее надежность в части герметичности и уменьшает риск разрушения при воздействии высоких давлений и температурного градиента из-за увеличения ее усталостной долговечности. Продольные и поперечные гофры по изобретению, которые выступают по направлению к внутренней поверхности резервуара, обеспечивают достаточную гибкость конструкции стенки для восприятия температурных деформаций под воздействием нагрузок, в частности, нагрузок, вызванных термическим сжатием и растяжением.

Кроме того, процесс изготовления первичной мембраны также ускоряется и облегчается за счет упрощения или исключения конструкции узла «пересечения» ряда гофр. Отсутствие дополнительных элементов жесткости сокращает время изготовления герметичной мембраны, но за счет взаимного расположения мест разрыва гофр в шахматном порядке, характеристики прочности и упругой деформации при этом не ухудшаются.

Выполнение гофр с полукруглым поперечным сечением и с одинаковыми радиусами кривизны позволяет изготавливать листы мембраны для герметичной стенки резервуара методом холодной штамповки всего за одну технологическую операцию, поскольку в предлагаемой конструкции гофры не пересекаются, а также листы мембраны не содержат острых углов и резких переходов.

Волнообразные гофры являются выпуклыми относительно основной плоскости герметичного листа, но это не исключает наличия в отдельных местах их поверхности, вогнутых или других участков.

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к производству герметичных и теплоизоляционных резервуаров для криогенной текучей среды. Непроницаемая стенка резервуара содержит два перпендикулярных друг другу набора параллельных волнообразных гофр. В местах пересечения каждая из двух пересекающихся гофр выполнена прерывающейся с образованием с обеих сторон симметричных плавных закруглений, переходящих в плоские участки, при этом прерывания гофр разных направлений выполнены чередующимися в шахматном порядке. Техническим результатом является обеспечение податливости стенки резервуара для восприятия температурных деформаций без разрушения за счет выполнения стеки резервуара с гофрами оптимальной формы и их взаимного расположения при обеспечении возможности выполнения штамповки такой стенки за одну операцию. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Стенка мембранного резервуара, внутренняя поверхность которого находится в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой, выполненная из гибкого материала,

которая содержит первый набор параллельных друг другу волнообразных гофр и второй набор параллельных друг другу волнообразных гофр,

причем гофры первого набора имеют направление, перпендикулярное направлению гофрам второго набора с образованием мест пересечения,

причем в указанных местах пересечения одна из двух пересекающихся гофр выполнена прерывающейся, с образованием с обеих сторон от гофры поперечного направления симметричных плавных закруглений (6, 5), переходящих в плоские участки (4), прилегающие к гофрам поперечного направления,

причем размер плоского участка (4), представляющего собой расстояние между основанием закругленного конца гофры и основанием боковой части перпендикулярной ей гофры, составляет от 10 до 50 мм,

радиус кривизны (3) скругления гофры у ее основания со стороны боковой поверхности составляет от 10 до 30 мм,

радиус кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой поверхности, обращенной к соседней гофре в месте их пересечения между собой, составляет от 60 до 80 мм,

высота (8) гофры составляет от 30 до 60 мм,

отношение радиуса кривизны (6) скругления гофры у ее вершины со стороны концевой внутренней поверхности к радиусу кривизны (5) скругления гофры у ее основания со стороны концевой внешней поверхности равно 2,5±5%,

отношение расстояния (7) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до середины поперечного сечения перпендикулярной ей гофры к расстоянию (4) от точки пересечения плоской поверхности с концом гофры до точки пересечения плоской поверхности с боковой поверхностью перпендикулярной ей гофры равно 3,2 ±5%,

при этом прерывания гофр разных направлений выполнены чередующимися в шахматном порядке.

2. Стенка по п. 1, в которой радиус кривизны (1) участка гофры, прилегающего к его вершине, составляет от 8 до 28 мм, а радиус кривизны (2) перехода между этим участком гофры и скруглением (3) у основания гофры может быть одинаковым относительно оси симметрии гофры и составляет от 45 до 65 мм.

3. Стенка по п. 1, в которой стенка образована из множества листов, соединенных внахлест, причем каждый лист имеет отформованные выступы, по крайней мере, на двух его боковых сторонах, служащие для вхождения соседних листов и проходящие по всей длине боковой стороны листа, включая и поверхность гофров.

4. Стенка по п. 1, в которой гофры имеют по существу полукруглое поперечное сечение.

5. Стенка по любому из пп. 1-4, в которой все гофры имеют одинаковую форму и размеры по длине, ширине, высоте и радиусу кривизны.

6. Стенка по любому из пп. 1-5, в которой гофры первого набора и гофры второго набора расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

7. Стенка по п. 6, в которой расстояние между гофрами первого набора равно расстоянию между гофрами второго набора.

8. Стенка по любому из пп. 1-7, в которой гофры проходят от одного края до другого края пластины.

9. Стенка по любому из пп. 1-8, в которой каждая гофра расположена в местах пересечений точно посередине между плавным закруглением гофры поперечного направления.

10. Стенка по любому из пп. 1-9, которая выполнена из нержавеющей стали.

11. Стенка по любому из пп. 1-10, в которой гофры сформированы методом холодной штамповки.

12. Стенка по любому из пп. 1-11, состоящая из множества листов, соединенных между собой путем сварки для полной герметизации стенки.

13. Герметичный и термоизолированный резервуар для хранения и/или транспортировки низкотемпературной текучей среды, в котором опорная стенка резервуара имеет многослойную структуру, содержащую последовательно расположенные:

основной герметичный барьер, состоящий из стенки по п. 1, находящейся в непосредственном контакте с низкотемпературной жидкотекучей средой,

основной теплоизоляционный барьер,

вспомогательную герметизирующую мембрану и

вспомогательный теплоизоляционный барьер,

причем вспомогательный теплоизоляционный барьер, вспомогательная герметизирующая мембрана и основной теплоизоляционный барьер по существу состоят из набора сборных панелей, зафиксированных на указанной опорной стенке резервуара,

при этом опорная стенка резервуара содержит теплоизоляционные блоки, поддерживающие основной герметичный барьер.