專利名稱：液化天然氣罐和容器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于液化天然氣(LNG)的貨罐。
背景技術：
設計成用于裝載液化天然氣(LNG)的船舶是世界上承載貨物的最昂貴的一種船舶。這是因為LNG相對很輕，其比重小于0.5，因此為了使貨艙達到給定的重量，就需要有較大的體積，并且需要極低的溫度以便在足夠低的壓力下保持LNG處于液態(tài)以利于商業(yè)上的長期海上航行。LNG不能在相對高的溫度下在壓力罐中運輸。LNG可在稍高于大氣壓的正氣壓下運輸，并且其蒸發(fā)溫度大約為負260華氏度(負160攝氏度)。所有的容器系統(tǒng)必須由能夠承受極低溫度的材料構成，并能夠承受從周圍環(huán)境(建造時的)條件到工作條件的較寬范圍的溫度變化，還應形成有效的溫度隔離，以防止熱氣流入以及船舶基殼結構受到不希望的冷卻作用?，F(xiàn)在采用的每一種容器系統(tǒng)都會用不同的方法，通常是采用不同的材料來達到這些苛刻的要求。已有技術中用于裝載液化天然氣(LNG)的海上船舶中的容器系統(tǒng)通常被分為兩類獨立的罐，它們通常是自支撐的并僅安裝在基座上，以將它們及其內含物的重力和其它力傳遞給周圍的殼結構，因此它們能夠被設置在離開殼結構一段距離處的貨艙中；另一種是“膜式罐”(“membrane tank”)，這種罐完全位于環(huán)繞的殼結構上，以保持它們的形狀和完整性并吸收由其內含物所產(chǎn)生的所有靜壓力，因此必須在幾乎所有點上與周圍的殼結構緊密接觸。
用于所有LNG容器系統(tǒng)的主要材料都比傳統(tǒng)的造船鋼鐵貴很多。盡管含9％鎳的鋼和不銹鋼也是適合的金屬，但獨立罐通常由鋁合金制成。獨立罐的強度足夠大，以單獨承受靜壓和動壓力并通過基座支撐系統(tǒng)將這些力傳遞給周圍的殼結構，并承受由室溫和LNG貨艙工作溫度之間的溫度差所引起的熱應力。膜式容器系統(tǒng)通常由不銹鋼或者殷鋼、即熱膨脹系數(shù)很小的高鎳含量合金制成。盡管這些材料在單位重量上的成本要比一般獨立罐的鋁合金高，但是它們能夠制成更佳的系統(tǒng)，因為它們相對較薄并使膜片的重量較輕，這種膜片無法獨自承受作用力，僅能依靠承載隔離系統(tǒng)向殼結構傳遞力。通常，獨立罐對鋁合金的需要要比膜式系統(tǒng)對不銹鋼或殷鋼的需要量要多得多。用于膜式容器系統(tǒng)的承載熱隔離物必須能夠向殼結構傳遞靜壓和動壓負載。用于膜式罐的承載隔離系統(tǒng)通常比獨立罐系統(tǒng)中安裝的熱隔離系統(tǒng)更復雜且花費更高。
與殼結構分離開的獨立罐系統(tǒng)通常在容器系統(tǒng)(罐加上隔離物)和殼結構之間設計有足夠的空間，使人員能夠進出，以檢查、維護和修理隔離物的外表面以及船舶雙殼結構的內表面。而與殼結構緊密接觸的膜式容器系統(tǒng)不能夠使人員進行這種進出運動，因此對隔離系統(tǒng)或者內殼結構的檢修難于完成并很昂貴。
現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)有幾種設計方式是可以接受的，這些方案中包括了相對較貴但適于低溫(冷凍)應用的材料，人們試圖通過達到材料數(shù)量與材料價格、殼體和容器(罐和隔離物)系統(tǒng)設計的復雜性和所需勞動力密集程度之間的平衡而使之具有競爭性。對于周圍船舶殼體結構上的沖擊也是決定應用于船體結構中的任何LNG容器系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性的重要因素。
世界市場上用于LNG貨罐的通常設計形式是獨立的球罐。在一艘船上通常放置有四個或者五個大型球罐，每一球罐均由圓柱體或者圓環(huán)支撐，而后者依次由船殼底部支撐。球罐必須達到國家和國際有關標準下的LNG船舶的B類狀態(tài)，該標準一般意味著商業(yè)球罐已經(jīng)經(jīng)過分析計算以表示失效前的泄漏情況。對于B類的罐子來說，現(xiàn)在的標準僅需要局部的第二道阻擋物(barrier)，即公知的滴水盤。雖然考慮到球罐具有最大的體積-面積比來儲存液體，并且其整個表面上的應力均相同，但是用它來作為貨罐也具有嚴重的缺陷。它們必須具有一個強度足夠大的壁以承擔靜壓，這會增加重量和費用。球罐的壁的厚度通常在30-60mm的范圍內。它們的形狀與船的形狀不匹配。罐的上部高出主甲板大約15m。這會提高船的重心，增加了風力作用下的不穩(wěn)定性，還需要一個提高很多的后橋，使之在罐的上方可見。象通常所需要的那樣，為了使船能夠在上部裝載貨物，必須在甲板上增加很多便于行動的結構--例如梯子、人行棧橋和管道。冬天在高緯度地區(qū)作業(yè)是很危險的，因為甲板上會結有厚冰。球本身并不是獨立的，所謂的獨立球罐包括有一個明顯的支撐系統(tǒng)。這樣，盡管叫作“獨立罐”(“free-standing”)，但如果球罐包括支撐系統(tǒng)，它實際上僅僅是獨立豎立罷了。
棱柱形罐避免了球罐的一些缺點。對于“棱柱形”，我們意指這些罐的形狀是根據(jù)船殼的輪廓設計的。在船體中間，罐可以是矩形體，并帶有六個平面(四個垂直側面，一個頂面或者頂部，一個底面或者底部)和前后垂直側面或者端部等。它們也可以具有向外擴口的平側面以更好地與殼體匹配。也就是說，罐頂部和罐底部的尺寸不必相同。這里所述的術語“垂直側面”包括這種擴口的側面。前面的罐可具有實際上為棱柱形的截面(或者如果在并排設置的情況下、罐僅占船體的一半，則其為半棱柱形截面)，其前端比后端窄。后部罐也可具有實際上為棱柱形的截面。
獨立豎立的棱柱形罐比球形罐可以更有效地利用甲板下的體積。它們避免了甲板上具有較高的結構以及隨之帶來的重心提高、風動作用和結冰等缺點，因此可以在阿拉斯加等高緯度地區(qū)應用。經(jīng)分析表明，這種類型的新型商業(yè)罐符合B類標準。但是，由于獨立的棱柱形罐包括重的板和大量使板在靜壓負載下不發(fā)生扭曲的支撐件，所以它們的重量和花費明顯增大。在達到最小的面積-體積比和同樣的靜壓負載方面，棱柱形罐比球形罐的效能要低。
不管是球形還是棱柱形的獨立罐，至少對于大多數(shù)部件，都能采用不需承載的隔離物。
還知道一種棱柱形膜式罐。膜式罐不能夠達到B類要求，這樣依據(jù)標準就需要完整的第二道阻擋物。這些罐不是獨立豎立的。對于雙層殼結構的LNG貨船來說，這種罐由船舶的內殼支撐。除了殼側面和底面，對于所有的LNG船來說，這些面必須是雙層結構，膜式罐還需要雙層的主甲板結構和雙層橫向隔板結構。膜式罐可比獨立罐輕很多。但是，它們必須通過承載隔離物在幾乎所有的點上與殼體和內部隔板相連。這具有嚴重的缺點，即使安裝具有很大難度(并增加了安裝費用)，并且限制了人員為了檢查、維護和修理而進入內殼的內部、第二道阻擋物和隔離物處。當內殼斷裂時，海水緩緩地流進隔離物，產(chǎn)生不利的作用，在某些情況下會使罐壁向內塌陷。因為從貨物區(qū)域進入內殼是不可能的，所以僅能從兩殼體之間檢查和修理內殼。為了檢查和修理而進入LNG罐的隔離物、第二道阻擋物和外表面處被有效地避免了。
已經(jīng)存在的各LNG容器系統(tǒng)彼此若想權衡使用則至少會出現(xiàn)一個嚴重的缺點。獨立罐，包括球形的和棱柱形的獨立罐，盡管能夠使人員進入容器系統(tǒng)和殼體，但需要厚、重和昂貴的板。棱柱形罐需要額外的支撐，球形罐則具有上面所討論的缺點。棱柱形膜式罐盡管避免了獨立罐的一些缺點，特別是重量和材料成本上的缺點，但又產(chǎn)生了無法進入船內殼內部和罐隔離物以及第二道阻擋物外部的缺點，并且也具有安裝費用高的缺點。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，LNG貨罐能夠克服獨立棱柱形罐在重量和費用方面的缺點，而且不會產(chǎn)生球罐在重量、費用、重心和其它方面的問題，同時對膜式罐無法進入內殼和罐外部的缺陷進行了很大的改進。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，輕質的LNG貨罐避免了膜式罐的安裝和進出難度，同時使膜式罐的重量和費用減少。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，輕質的棱柱形LNG貨罐是不獨立的，但在支撐結構和罐外部之間的進出方面仍有很大改進，而且不需要完整的第二道阻擋物，在罐的整個表面上也不需要膜式罐所需的承載隔離物。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一個棱柱形罐和支撐系統(tǒng)，我們稱作半膜結構，它們適于儲存和運輸液體。該棱柱形罐可以被隔離，以形成用于LNG和其它低溫應用場合的低溫容器系統(tǒng)。因此，本發(fā)明包括一個棱柱形LNG容器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個膜式貨罐，該貨罐包括隔離的壁，這些壁并不與支撐結構、例如船的內殼緊密接觸。本發(fā)明提供了一個大致平坦的膜壁結構，該結構僅需在空間上局部受到支撐，并因而通過一個桁架系統(tǒng)與船殼或者其它支撐結構隔開，使得人們可以為了安裝、檢查、維護和修理等目的進入。該壁結構和支撐系統(tǒng)可用于棱柱形罐的所有六個側面，或者用在少于所有側面的面上、包括至少四個垂直側面。
根據(jù)本發(fā)明的壁是一個連續(xù)的壁，包括諸如一組邊與邊相連(比如通過焊接)的板。根據(jù)本發(fā)明所構造的壁，盡管通常是平面的，但也可以是包括連續(xù)平板的非平面壁，當將一組平板焊接在一起后，形成了公知的獨立式或者公知的膜式棱柱形罐。另外，根據(jù)本發(fā)明構造的壁包括一組長的、向外彎曲的部分，在我們所推薦的優(yōu)選實施例中，每一部分都是圓柱體的一段弧形部分。對于“向外彎曲”，我們的意思是當從罐內部看去時是凹形的，相反，當從罐外部看去時是凸形的。這些曲面可以是連續(xù)的圓弧，其中板是長圓柱部分。但這些曲面也可以不是連續(xù)的圓弧。它們可以是例如橢圓形的。所述長的彎曲部分可以沿垂直或者水平方向延伸，但象下面所述的實施例那樣，我們推薦其沿水平方向延伸。當長的彎曲部分沿水平方向延伸時，這些彎曲部分具有一個水平的旋轉軸線，或者在呈橢圓形彎曲的情況下，具有水平的旋轉軸線。
在此這些部分的特征在于弦長和弧度數(shù)值。弦長通常指的是彎曲部分，而不僅是圓柱形部分?；《戎傅氖菆A柱形部分的弧度。相鄰的彎曲部分可以直接相互連接，或者它們被窄的平面部分或者窄的相對彎曲部分分隔開，象在波面墻中那樣。我們推薦的優(yōu)選結構是一組相連的圓柱部分。根據(jù)本發(fā)明所述的壁是非獨立式的，但也不是膜式的，因為它僅在跨過其表面的局部位置上需要支撐。為此，我們稱它為半膜壁結構。
罐或者隔離情況下的容器系統(tǒng)由支撐系統(tǒng)支撐在諸如船殼等支撐結構上，且該容器系統(tǒng)也可以從支撐結構上去除，該支撐系統(tǒng)包括沿彎曲部分的長直邊的長度方向延伸的平行桁架。在桁架的一側，桁架向內支撐并最好與這些邊緣相連。如果罐是隔離的，連接是借助于承載隔離塊實現(xiàn)的。桁架的另一側安裝到內船殼或者其它支撐結構上。桁架足夠寬，以在隔離的罐容器系統(tǒng)和殼體或者其它支撐結構之間形成足夠的空間，使人能夠進出。桁架最好至少有450mm寬，特別是至少60mm寬。在我們的最佳實施例中，長的彎曲部分水平設置，而支撐桁架形成了穿過罐和內殼或者其它支撐結構之間的空間的進出走道。在桁架之間，并不承載的隔離物就夠了。
根據(jù)本發(fā)明所述的壁包括位于彎曲部分之間的連接部。如果壁包括直接相互接觸的向外彎曲部分，則這些連接部是相交部，并且桁架沿著在彎曲部分之間形成的相交部延伸。如果壁包括由窄的平面部分或者窄的反向彎曲部分分隔開的向外彎曲部分，則連接部包括那些窄的部分，而且桁架沿著那些窄部分延伸。如果連接部包括窄的平面部分，則需要使桁架支撐那些部分的幾乎整個窄寬度，使得任一未被支撐的邊緣將不會在壓力下彎曲，因為任一未受支撐的平面部分都是承受彎曲力的區(qū)域。那些壁在桁架之間彎曲。
附圖簡述下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的一個實施例--即在這里我們所推薦的優(yōu)選實施例進行更詳細地描述

圖1是雙殼LNG船舶的平面圖，表示了船舶貨艙內棱柱形LNG罐的一般布置；圖2是圖1所示的雙殼LNG船舶的船體中央局部剖視圖，表示了殼體一側以及船寬方向的容器系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)的一側的截面圖；圖3是用于圖1和圖2中所示的容器系統(tǒng)的球形圓角結構的簡化立體圖；圖4是位于圖1所示LNG船舶的兩個貨艙之間的橫向隔板的局部剖視圖，表示了圖2所示的容器系統(tǒng)的端部和與橫向隔板相關的鄰近容器系統(tǒng)的端壁；圖5是圖2-4所示容器系統(tǒng)中位于彎曲部分之間的一個相交部的平面圖，表示了承載隔離塊的支撐系統(tǒng)和從殼體處支撐罐側壁以及從橫向隔板處支撐鄰近端壁的桁架；和圖6是圖5所示支撐系統(tǒng)的詳細截面圖，包括承載隔離塊和水平桁架。
圖7是圖5-6所示的支撐系統(tǒng)的改進形式的詳細截面圖。
在本發(fā)明的最佳實施例中，棱柱形貨艙罐包括兩種類型的壁結構。頂部和底部的隔板是平面的，并且將靜壓負載直接傳遞到承載隔離物和鄰近的船結構上。罐的垂直壁，不管是真的垂直或者擴口的，均由焊接的板構成，這些板構成了微呈彎曲的部分，所述部分包括一組相同的、水平設置的長圓柱形部分，這些圓柱部分的長邊在水平相交部相互交叉并都位于同一垂直平面內，并且在船一側的整個長度上水平延伸。
在我們的推薦設計形式中，微呈彎曲部分的曲率半徑是4.445m，弦長是2.75m。根據(jù)設計需求、費用和材料的許用度以及性能價格比，這兩個數(shù)值均可以有很大變化。對于一個特定的罐來說，通常在設計上板和彎曲部分要達到經(jīng)濟上的平衡。因為隨著弦長和曲率半徑增加，給定材料的板的厚度也必須增加，但是最好減少要焊接的板的數(shù)量。為了使人能夠進入，弦長應該至少為1.2m，最好是至少1.8m，特別是2.4到3.6m。在某些情況下，最大弦長可以超過3.6m，例如4.5m或者更長。對于一個給定的弦長，減小曲率半徑會增加板對應的弧度。從幾何上考慮，上限為180度，即半圓。相反，零度就會形成一個平直的部分。上述極限都是不可接受的。上述部分最好是“微呈彎曲”，我們是指它們基本上不是平直的，也不是接近半圓的，而是在10-60度的范圍內，最好是15-45度。本領域的技術人員能夠計算出所需板的厚度，因此，對于特定的應用來說，他們能夠使設計方案在經(jīng)濟上達到平衡。
應該理解到，我們所指的單一的彎曲部分可以是一塊單獨的板、一塊單獨板的一部分、連在一起的多塊板或者連在一起的多塊板的一部分。例如，大約12m長的圓柱板可以由長度各為一半的兩部分經(jīng)過焊接而成。另外，期望的弧長可以通過將各為一半弧長的兩部分焊接而成。我們推薦的設計形式是將板子壓成兩個相鄰彎曲部分中每一部分的一半，而在各板之間沿著每一部分的弧線中線進行焊接。
由兩個垂直側面相交而形成的垂直邊緣可由下述方法形成，即斜切每一側面部分，再將側面直接焊接起來。為了能夠受熱移動且不產(chǎn)生過大的應力，罐通?？梢允菗闲缘?。為此我們推薦相交的垂直側面可以與垂直的彎曲邊緣部分連接起來。我們優(yōu)選的結構利用圓柱部分以連接各相交側面。垂直側面的水平上部和下部邊緣以類似的方法連接到頂部和底部上。由相交的壁邊緣所形成的八個角可以是與焊接點相配的斜切角，而不管是否采用彎曲邊緣板。作為替換形式，通?？梢圆捎么笾虑蛐蔚膱A角部分。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明彎曲部分的壁既不是獨立式的，也不是真正的膜式的。它們必須受到支撐，但是僅在各相交部之間或者就在相交部受支撐，所述相交部由向外彎曲部分的連接部形成。為了簡明起見，支撐系統(tǒng)將參考由相鄰接的彎曲部分所形成的相交點進行描述。該支撐系統(tǒng)包括桁架，它們沿相交部縱向延伸，并在相交部將支撐結構與罐壁橫向連接。如果罐是隔開的，比如在用于LNG或者其它低溫場合下，則支撐系統(tǒng)包括沿相交部裝配的承載隔離塊。我們推薦用多個隔離塊，而不是一個單獨的連續(xù)塊，因為多個塊可適應于不同的熱膨脹。這些塊與對應的桁架對齊，所述桁架裝配在支撐結構的內表面上，例如船舶貨艙的內壁和橫向隔板上。這些桁架可以分段，以使船的負載不會傳遞到貨罐上。通過這種布置方式，貨物的壓力負載傳遞給支撐結構。那些壁在相交部之間并不受到支撐。側面的大部分外表面這樣構造，即可以由非承載隔板加以隔離，即在所有的區(qū)域都沒有承載隔離塊。本發(fā)明的隔離罐容器系統(tǒng)使得至少是垂直側面、選擇性地加上頂面和底面，其都能處于離支撐結構(通常是內殼面和橫向隔板)足夠遠的位置，以形成能簡化結構和對隔板、支撐系統(tǒng)和支撐結構的內表面進行檢查、保養(yǎng)和修理的可進入空間。對于本領域的人員來說，這一特征在設計、建造、操作和維護LNG容器系統(tǒng)方面的優(yōu)點是很明顯的。
在本發(fā)明的另一個替換實施例中，在罐的頂面或者底面未采用在我們推薦實施例中所采用的平板結構、而采用了類似的彎曲部分結構。另一個替換實施例中則采用了一個獨立的頂面，例如加強的平板結構。在所有的情況下，垂直側面仍如前述的那樣。在頂面和底面采用本發(fā)明所述的彎曲部分結構，使得那些面與鄰近的支撐結構隔離，從而形成了便于維護的結構，還具有便于檢查的優(yōu)點。
長彎曲部分以及形成罐垂直側面的相交部的軸線可以是垂直的，而不是水平的。在這種實施例中，所有其它的特征均與一般應用情況下所描述的特征相似，只是位于各部分以及與內殼結構相連的相應桁架之間的承載隔離塊也可以是垂直取向的，以便與構成彎曲部分的相鄰圓弧的垂直相交線一致。還可以加上穿過垂直取向之桁架的水平走道和通道。
本發(fā)明的罐或者容器系統(tǒng)可以在室溫下、在預壓或不經(jīng)預壓的條件下安裝到支撐結構中。這種設計必須保證壓力在室溫(暖)和使用溫度(對于LNG來說非常冷)以及負載下不超過允許的設計值。通過在室溫下以預壓條件將罐安裝到支撐結構，例如裝入船只的貨艙中，可以實現(xiàn)預壓。預壓的目的是當在低溫工作條件下，使罐的垂直側面和頂面接近其假設的各個位置上或者位于其中，使得當它們處于工作溫度下但為空罐時，這些罐能夠接近不受壓的狀態(tài)?？梢杂枚喾N方法實現(xiàn)預壓。一種方法是將承載塊設置在罐的側面上，使得它們能在冷、空的狀態(tài)下根據(jù)側面的物理移動而加以調整，然后固定到位，以將所述的相交部保持在預定的位置。對于平面設計中的頂部結構來說，也可以采用相似的工藝過程，將頂部結構壓降到冷的位置并調整承載隔板以將其定位在該位置。這一壓降的工藝將在室溫條件下的結構中產(chǎn)生應力但是，隨著罐冷卻到工作溫度，它們將縮小，從而使這些應力釋放。應力和熱收縮可以很容易地計算出來，所以能夠確保達到期望的目的。預壓的第二種方法是在將罐裝入船舶貨艙期間，用液氮冷卻罐，并調整彎曲板側面上的承載隔離塊、以及平頂面的承載隔離塊(如果使用了的話)，以與冷卻條件下的罐子緊密配合。當支撐系統(tǒng)與冷卻的罐子固定后，隨著罐向室溫升溫，罐子將處于預壓狀態(tài)，這類似于采用壓降方法所達到的狀態(tài)。
盡管主要是為了承載LNG貨物的船只設計的，這一LNG容器系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)也適于儲藏和載帶任何冷卻液體，而不管是在海岸上還是在輪船上。不帶隔板的罐結構和支撐系統(tǒng)也可以用于為容納或者承載其它液體而設計的罐，這些液體因為其特性即溫度、腐蝕性或者純度要求等使之不能夠與普通的鋼結構直接接觸而裝載。
與用于LNG貨艙罐的傳統(tǒng)獨立式棱柱形罐容器系統(tǒng)相比，本發(fā)明的容器系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)的優(yōu)點包括a)極大地減小了昂貴罐材料的重量，簡化了罐結構，也相應地減少了進行焊接和建造的人工勞動時間；和b)簡化了基本的殼結構，從而相應地減少了材料以及進行焊接和建造的人工勞動時間。
與用于LNG貨艙罐的傳統(tǒng)獨立式棱柱形膜式容器系統(tǒng)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括a)采用用于罐子的一般數(shù)量的低價材料和更低價的隔離材料，從而大大地減少了焊接并且相應地減少了進行建造的人工勞動時間；和b)容器系統(tǒng)的主要元件與用于基本殼結構的獨立結構進行分離構造，使得整個建造順序得以改進并相應地降低了費用；c)至少是容器系統(tǒng)的垂直側面與環(huán)繞的殼結構進行了結構上的分離，這就相應地簡化了建造過程并減少了進行建造的人工勞動時間，還方便了人員進入容器系統(tǒng)和基本殼結構之間的空間，從而方便了對容器系統(tǒng)和周圍殼結構的檢查、維護和修理，并相應地減少了操作和維護費用。
實施例下面將參考我們的優(yōu)選實施例對壁結構和支撐系統(tǒng)進行描述，該實施例是一個隔離式LNG貨罐，它位于用作支撐件的雙殼船舶的內殼上。在這里，我們推薦的設計形式是具有一個平的膜式底部、一個平的膜式頂部和半膜垂直側面的棱柱形LNG貨罐，所述垂直側面包括一組水平設置的長的微呈彎曲的板。參考我們現(xiàn)在的設計形式進行描述，它是用于其總裝貨能力為137,500立方米的LNG船舶的。
圖1是一般的雙殼LNG船舶1的平面圖。船1包括外殼2和內殼3。船1中有貨艙。我們現(xiàn)在的設計形式是用于從船頭到船尾區(qū)域由橫向隔板4、5、6、7、8相互分隔開的四個貨艙。中間的兩個貨艙，即位于隔板5和6以及6和7之間的貨艙是呈矩形的。前部和后部的貨艙，即位于隔板4和5以及7和8之間的貨艙是呈錐形的。在該實施例中，四個貨艙的長度大致相同。
在每一個貨艙中，均有根據(jù)本發(fā)明所述的棱柱形容器系統(tǒng)。每一容器系統(tǒng)包括一個與內殼3和相鄰隔板間隔開的隔離棱柱形罐(即使相對的側面具有相同的長度，中間的罐也被稱作“棱柱形”)。中間罐9包括垂直側面11、12、13、14(我們有時將側面13、14稱為“端面”)，中間罐10包括垂直側面15、16、17、18。前、后罐19、20是錐形的，以適應于船舶朝向端部的船形。
圖2是從中線21(圖1)經(jīng)過中間罐9到外殼2的雙殼船舶1的局部中間船體剖視圖。外殼2包括上部殼結構22、側面殼結構23和底部殼結構24。內殼3包括上部殼結構25、側面殼結構26和底部殼結構27。內殼3支撐輕質的隔離罐9，所述罐9包括平的金屬頂部28、根據(jù)本發(fā)明的彎曲板結構的金屬側面29和平的金屬底部30。在該實施例中，所有六個側面都由鋁板構成。頂板厚度為7mm。底板厚度為18mm。而垂直側面板的厚度從12到16mm不同。
垂直側面29由一組彎曲部分31構成。在該實施例中，每一部分31都是一個水平設置的長圓柱形部分，該部分的弦長為2.75m，曲率半徑為4.445m。各鄰接部分31沿相交線32連接。側面29通過彎曲邊緣部分33與項部28相連，該部分33是一個水平設置的長圓柱形部分，其弧度大于90度(該弧度為90度加上所述部分31的一半弧度)，但具有與部分31相同的曲率半徑。側面29通過彎曲邊緣部分34與底部30相連，該部分34與上述部分33具有相似的結構和設置方式。
側面29由一組單獨的板焊接而成。在我們推薦的設計形式中，采用了受壓或者擠成“鳥翼”狀的板，即板沿垂直方向延伸超過或者低于相交線32大約彎曲部分一半的弧度。參見圖4，一個單獨的側板從一個彎曲部分的中點32a垂直延伸到下一個彎曲部分的中點32b，并在板的中點處包括一個相交線32。如圖所示，連接部是焊接的，在該實施例中位于板邊緣32a和32b處。
在我們現(xiàn)在的設計中，從罐的底部到頂部，垂直側面板的重量逐漸減輕。海輪設計師和船舶工程師能夠計算出給定材料板的所需厚度，以便在考慮到貨物的特定重量、負載動力特性、幾何形狀、熱系數(shù)和罐的約束條件等情況下，能達到允許的承壓能力。在這里所描述的實施例中，罐大約21m高。如上所述，板大約2.75m寬(垂直方向)。最下部的板有16mm厚。最高的板為12mm厚。中間板的厚度則為中間值。底部邊緣部分34的板有18mm厚。頂部邊緣部分33的板為11mm厚。
在我們現(xiàn)在的設計中，下述內容包括板厚的值。這些值是從美國造船局出版的用于對鋼制船舶進行建造和分級的規(guī)則的第24部分用于對大量裝載液化氣體和化學貨物的船舶進行建造和分級的規(guī)則(Rules for Building and Classing Vessels Intended forLiquified Gases and Chemical Cargoes in Bulk)中的有關結構規(guī)則得出的。因為我們的設計是新穎的，所以我們認為從這些傳統(tǒng)規(guī)則中得出的厚度值僅是近似的。為了構造一個更為經(jīng)濟的實施例，可以采用有限元分析的方法得到精確的厚度值。
如圖2所示，垂直側面29與內殼側面26隔離開。該側面通過水平延伸的桁架35被內殼側面26支撐，所述桁架35安裝在內殼側面26上，并且將內殼側面26連接到承載隔離塊36上，承載隔離塊36在所述部分31的接合處沿相交線32設置。在我們的設計中，桁架35在容器系統(tǒng)和內殼之間形成了750mm的最小間隔。作用于垂直罐側面29上的壓力負載通過塊36和桁架35傳遞到內殼側面26上。除了有塊36的地方，部分31均被不承載的隔離物37覆蓋。桁架35在隔板之間連續(xù)延伸。
罐底部30由內殼底部27支撐，并且底部30和27之間由承載隔離物38隔開。罐頂部28由內殼頂部25向內支撐，并且它們之間由承載隔離物39隔開。承載隔離物38從底部30延伸出來，以隔離并支撐底部邊緣部分34。它與邊緣部分34隔開以便裝入滴水盤(未表示)。除了在該頂部邊緣部分33與頂部28和垂直側面29之最上部的彎曲部分31相連的地方之外，該頂部邊緣部分33與不承載的隔離物37隔開。
在罐側面29和殼側面26之間是一個空間40，水平桁架35在其中延伸。在我們的最佳實施例中，水平桁架35垂直相隔大約2.75m，它們形成了穿過空間40的用于檢查、維護和修理的走道?？臻g40還形成了下面將要敘述的在安裝罐(包括預壓側面29)時的入口。
如果需要，LNG罐29的頂部28和底部30均可與側面29制成相似的形式。如果這樣制造，則頂部28和底部30可以懸掛于內殼，如圖2所示的側面29那樣。
圖3以簡化的立體圖形式表示了罐9的角結構。側面29(圖2)的頂部邊緣部分33、垂直的頂部邊緣部分41和豎直的邊緣部分42相交形成了一個角。除了長度不同，頂部邊緣部分41與頂部邊緣部分33相似。垂直邊緣部分42則類似地彎曲，即形成所需弧度的圓柱部分，但是其垂直邊緣遵循壁部分31的輪廓呈扇形。部分42的厚度從底部的16mm變化到與部分43相交處的頂部的14mm。如前所述，這三個邊緣部分在其相交處可以形成一個封閉的角。但是我們推薦采用一個呈球形彎曲的部分43來形成這個角，以將三個邊緣部分33、41和42相連。因為所示角為應力集中的位置，所以希望所述部分43盡可能的柔軟。球形部分43與壁部分31具有相同的曲率半徑。球形部分43的板為7mm厚。相應的底角(未表示)也是球形的，但是底部的球形部分是9mm厚。
圖4是位于兩個貨艙之間的橫向隔板6及其隔斷支撐結構6A的局部剖視圖，表示了半膜LNG罐9以及鄰近罐10的相鄰垂直側面或者端部(圖1)的截面。罐的端部構造成與圖2所示的側面29相似的形式。這些端部可以參考罐9進行描述。圖4表示了外殼2的頂部22和底部24的一部分、內殼3的頂部25和底部27的一部分；罐9的頂部28和底部30的一部分、罐9的垂直端或者側面44以及支撐端部44的橫向隔板6。如圖所示，圖4還表示了位于橫向隔板6相反一側的罐10的一部分。端壁45與端壁44呈鏡像。端部垂直壁44構造成與圖2所示的側面29相似的形式。壁44由隔板6支撐，就象側面29由內殼垂直側面26支撐一樣。結構桁架46通過承載隔離塊36與相交線32相連，并連接到隔板6上。結構桁架46與圖2所示的結構桁架35相似并與之相鄰接，除了為橫向隔板加強結構剛性之外，其作用與桁架35相同。
圖5是位于靠近隔板6和內殼側面26連接處的在一相交線32平面上的詳細剖視圖。圖5表示了罐9的一部分，包括垂直側壁29、垂直端壁44，垂直邊緣部分42將它們相連。該視圖是沿側壁和端壁處的相交線32剖開的。側壁29通過水平桁架35和承載隔離塊36支撐在內殼側面26上，象根據(jù)圖2所描述的那樣。類似的，端壁44通過水平桁架46和隔離塊36支撐在橫向隔板6上，象根據(jù)圖4所描述的那樣。如圖5所示，桁架35和46形成了一條連續(xù)的走道。
承載隔離塊36沿相交線32相互隔開，使這些塊能夠根據(jù)它們和貨罐9的不同熱膨脹系數(shù)沿其軸線水平移動。LNG船中所采用的一種適當承載隔離材料是由Permali提供的商品名為“Lamiper”的酚醛疊層制品。各塊36之間的空間內是不承載的隔離物(未表示)。調整楔47與每一個承載塊36對齊，并位于塊和對應的桁架35或者46之間。塊36的長度大于楔47的長度，形成了臺階部分48，用于按需要放置可用于預壓貨罐的起重裝置。
圖6是一詳細截面圖，表示了通過一個承載塊36借助結構桁架35(圖2)將罐9的側面29與內殼側面26相連的一種可能支撐系統(tǒng)。圖6表示了兩個部分31在相交線32區(qū)域內的一部分。在這一實施例中，圖示的壁部分包括一個單獨的板。承載隔離塊36制成適于裝入相交線32區(qū)域內的形狀。
圖示的調整楔47位于塊36和桁架35之間。結構桁架(和走道)35將塊36、進而使鄰近的部分31連接到內殼側面26上，從而支撐了罐9。支架59可助于支撐桁架35。支架59包括支板49和面板58。結構桁架35包括垂直法蘭50，以與塊36連接。角鋼51安裝在塊36上并用螺栓52固定。法蘭50上固定有延伸的U形元件53，它們與角鋼51連接并防止塊36和調整楔47垂直移動而錯位，元件53用螺栓54固定到法蘭50上。塊36通過從罐延伸的焊接片55和螺栓而安裝到貨罐9上。在承載塊36和調整楔47的配合表面之間裝有低摩擦材料的墊片57，以便于進行允許的水平移動。
圖7顯示了圖6所示支撐系統(tǒng)的一種改進形式，其中表示了圖6所示系統(tǒng)從法蘭50到內殼26的一部分。在這一改進形式中，支撐桁架包括兩部分，即安裝到法蘭50上的一部分35a和安裝到內殼側面26上的一部分35b。在這種設計中，楔47(圖6)具有固定的厚度并且不用作調整楔。桁架部分35a安裝有起重法蘭35c。桁架部分35a與桁架部分35b重疊并由其支撐。在這種設計中，支架也包括兩部分，即安裝到法蘭50上的部分59a和安裝到內殼側面26上的部分59b。部分59a包括支板49a和面板58a。部分59b包括支板49b和面板58b。支架部分59a和59b相互重疊。
參考圖5和圖6，下面將描述在預壓條件下進行安裝的優(yōu)選方法。如前所述，壁29可以以預壓的狀態(tài)安裝，以減小工作過程中的應力，即在低溫下的靜壓負載。為了將相交線32定位到當罐9冷卻到某一溫度時所獲得的位置上，需要計算在環(huán)境溫度下的向內變形量，而這種計算方法是公知的。
我們所推薦的預壓方法包括將起重器置于結構桁架35、46和相應的各承載隔離塊36之間。塊36上的暴露臺階48(圖5)可允許安裝起重器。塊36被向內頂壓，以使板31變形經(jīng)過計算的量。然后插入螺釘并用螺釘固定調整楔47(圖6)。如上所述，低摩擦材料的墊片57有利于楔47的插入，還有利于進行允許的水平移動。當楔47定位后，移去起重器。
圖7還顯示了一種替換的支撐系統(tǒng)，它允許進行與上述方式相似的起重操作，只是起重器位于法蘭35c上。在進行起重操作后，桁架部分35a和35b相互焊接起來，而支板49a和49b以及面板58a和58b也焊接起來。其它實施例也是很明顯的，即采用窄的桁架部分35a、35b，它們并不重疊，在將罐定位后，在它們之間的縫隙上架設一個橋式桁架部分。
根據(jù)本發(fā)明的罐能夠在支撐結構內安裝定位，或最好是在支撐結構外安裝定位、再滑入或者降低就位，例如就位到船舶的貨艙中。為了提升或者降低罐子，可以用吊索裝置構成適當?shù)钠鹬卦O備或者夾具。對于特定的實施例，如果需要，內部支撐結構也可以放置在罐中以減小外部起重設備的復雜性。
圖7所示的改進支撐系統(tǒng)可用作為了移動罐而設計的外部支撐系統(tǒng)。該支撐系統(tǒng)的一部分安裝到法蘭50上，其包括桁架部分35a和支架部分59a，該支撐系統(tǒng)的這部分為了上述目的而安裝到罐子上。另外，為了穩(wěn)定該結構，還加上了多個垂直梁60。另一改進是采用了沿罐子漸寬的桁架部分35a。這一改進形式增大了桁架部分35a和桁架部分35b之間的空隙，如果在將罐降低到支撐結構中之前安裝了桁架部分35b和支架部分59b，則該空隙將沿殼側面26漸窄。
如前所述，一般的LNG貨船的貨物承載能力大約是137,000立方米。我們估計以已知技術，即球形、獨立的棱柱形或者膜式棱柱形等方式建造具有上述能力的船舶費用大約是$2.5億。我們估計以本發(fā)明的半膜結構建造船舶要節(jié)約15％以上的費用。費用主要節(jié)約在罐子及其安裝上而不是船只本身。例如，球形罐需要30到60mm厚的壁，而根據(jù)計算的應力(例如在高應力區(qū)域的角部的應力)和靜壓負載(較低處的板比較高處的板要承受較大的負載)，我們推薦的設計方式僅需要6-18mm厚的板。
上面結合附圖描述了實施例，這些實施例以及我們推薦的結構僅是示意性的。對于本領域的技術人員來說，應該理解到，該容器系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)的設計方式和結構可以做出多種變化，只要是垂直罐側壁在相隔足夠遠的桁架之間包括有向外伸出的彎曲部分，以便在罐和支撐結構之間形成可讓人員進入罐外區(qū)域的空間。
權利要求
1．一種設置在雙殼貨船之貨艙內的半膜LNG容器和支撐系統(tǒng)，所述貨船具有內殼和外殼，所述貨艙由內殼和橫向隔板形成，包括一個隔離開的棱柱形罐，它具有一個頂面、一個底面和四個垂直延伸的半膜側壁，每一側壁包括一組長的、平行的、水平延伸的、向外彎曲的部分，每一部分延伸穿過所述側面并具有從1.2到4.5m的弦長，所述側壁還包括位于所述彎曲部分之間的連接部，和一個支撐系統(tǒng)，它從所述殼體和所述橫向隔板內部支撐所述側壁，其包括水平延伸的桁架，所述桁架由所述殼體和所述隔板支撐并沿所述連接部通過承載隔離塊將它們與所述側壁支撐相連，所述隔離塊與所述連接部相連，其特征在于，所述桁架具有足夠的寬度，使得一方面在所述各側壁之間、另一方面在所述的內殼和橫向隔板之間形成一個空間，以使人員能夠進出所述空間。
2．如權利要求1所述的容器和支撐系統(tǒng)，其特征在于，所述頂面和所述底面中的至少一個包括一個如權利要求1所述的半膜結構，還包括一個如權利要求1所述的支撐系統(tǒng)，用于從所述內殼支撐所述至少一個側面。
3．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，壁包括相連的彎曲部分并且所述的連接部是相交線。
4．如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述弦長是2.4到3.6m。
5．如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彎曲的部分是圓柱形部分。
6．如權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圓柱形部分包括一個15-45度的弧形。
7．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述壁包括窄板，這些窄板位于各彎曲部分之間，所述連接部是所述窄板。
8．如權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述弦長是2.4到3.6m。
9．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述罐在室溫下被預壓。
10．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述罐還包括垂直延伸的、向外彎曲的邊緣部分和水平延伸的、向外彎曲的邊緣部分，該垂直延伸的向外彎曲的邊緣部分連接相鄰的垂直延伸壁，該水平延伸的向外彎曲的邊緣部分將每一垂直延伸壁連接到所述頂面并將每一垂直延伸壁連接到所述底面。
11．如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述罐還包括球形圓角部分。
12．一種半膜棱柱形液體裝載系統(tǒng)，包括一個垂直延伸的支撐結構，它能夠承受所儲存液體的靜壓負載；一個半膜棱柱形罐，它設置在所述支撐結構中，所述棱柱形罐包括一個頂面、一個底面和四個垂直延伸的半膜側面，每一垂直延伸的罐側面包括(a)多個平行的向外彎曲的部分，它們延伸穿過所述側面并具有從1.2到4.5m的弦長，(b)位于所述部分之間的連接部；和一個支撐系統(tǒng)，它沿所述連接部將垂直延伸的側面與所述支撐結構支撐相連。
13．如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述向外彎曲的部分垂直延伸。
14．如權利要求12所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐系統(tǒng)包括平行于所述連接部的桁架。
15．如權利要求14所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述罐是一個被隔離開的罐，所述支撐系統(tǒng)包括與所述連接部接觸的承載隔離物。
16．如權利要求14所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結構包括貨船的內殼和所述船的橫向隔板。
17．如權利要求12所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述頂面和所述底面中的至少一個包括一個如權利要求14所述的半膜結構，還包括一個如權利要求14所述的支撐系統(tǒng)，以用于從所述支撐結構支撐所述至少一個側面。
18．如權利要求12所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述弦長是2.4到3.6m。
19．如權利要求12所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述彎曲部分是圓柱形的，并包括一個15-45度的弧形。
20．如權利要求12所述的液體裝載系統(tǒng)，其特征在于，所述罐在室溫下被預壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于LNG貨船的液化天然氣(LNG)的液體貨罐和支撐系統(tǒng)，它包括一個半膜罐，該罐具有由一組彎曲板構成的垂直壁(29)和一個桁架支撐系統(tǒng)(35)，以使人員能夠進入到罐的外部。
文檔編號B63B25/16GK1237933SQ97199716
公開日1999年12月8日 申請日期1997年9月16日 優(yōu)先權日1996年9月16日
發(fā)明者J·J·庫內奧, R·D·戈爾德巴赫, N·M·米勒, E·G·托爾奈 申請人:馬林內克斯國際公司