本發(fā)明涉及一種隔熱膜罐，該隔熱膜罐放置在周圍的支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部，用于儲存和運輸冷的、非常冷的或熱的流體。更具體地說，本發(fā)明提供了一種特別地適用于儲存和運輸?shù)蜏亓黧w的膜罐以及制造該罐的方法。

背景技術(shù)：

1、冷卻和低溫流體的儲存和運輸具有挑戰(zhàn)性，特別是在低溫溫度范圍內(nèi)。有各種各樣的氣體或液化氣體是在非常低的溫度下被儲存和運輸?shù)?，并且通常保存在隔絕容器中。一個重要的例子是液化天然氣(lng)，液化天然氣(lng)通常在-163℃液化，這是大氣壓下的“沸點”。無論流體的類型如何，在常溫和大氣壓下為氣態(tài)的所有流體都可以在冷卻和加壓條件下在容器中以液體和氣態(tài)形式有效地儲存和運輸。盡管對于一些氣體可能優(yōu)選施加壓力和冷卻的組合，但也存在氣體通過在大氣壓下冷卻而液化，然后在這種條件下轉(zhuǎn)移和儲存在容器中的情況。lng是通常在不施加壓力的情況下儲存的液化氣體的示例。

2、儲存的液化氣體主要遵循兩種主要路徑：任何保持在低于環(huán)境溫度的物質(zhì)都會接收一些熱量，無論是否隔熱。因此，液化氣體將隨著氣體蒸發(fā)從容器中釋放出來而開始沸騰?；蛘?，轉(zhuǎn)化為氣體的流體不允許從容器中逸出，同時壓力和溫度將因此增加。第一種情況通常被稱為“未加壓”的容器，因為儲罐不是為大量的壓力積聚而設(shè)計的。由于lng等破壞氣候的氣體在釋放到大氣中時非常有害，并且法規(guī)可能禁止釋放，因此蒸發(fā)的氣體可能必須燃燒、用于發(fā)動機或在重新液化后返回儲存。第二種情況要求容器必須設(shè)計為適當?shù)膲毫θ萜?，壓力容器的強度能夠在?nèi)部氣體的預(yù)期最大保持時間內(nèi)承受壓力積聚。

3、針對特定情況選擇的容器策略取決于許多因素，諸如氣體類型、隔熱性能和罐的實際尺寸。小型罐比大型罐具有更大的表面積與體積比；這意味著小型罐的熱量進入問題將比具有相同類型隔絕層的大型罐嚴重得多。因此，相對小型罐，諸如小型船舶上的lng燃料箱，很可能被構(gòu)建為能夠承受壓力積聚的壓力容器。另一方面，非常大型罐，諸如用于lng的陸地儲罐和lng運輸船舶，通常被設(shè)計用于將氣體保持在大氣壓或接近大氣壓。本發(fā)明主要涉及非加壓或低壓罐。

4、大氣壓下液化氣的儲罐基本上有兩種主要類型；那些是殼式罐和膜罐。殼罐通常是棱柱形或球形，外部有隔熱層。這些罐獨立于外部結(jié)構(gòu)，通常被稱為獨立罐，因為它們被設(shè)計成承受來自儲存流體的所有載荷，這些載荷可以是蒸汽壓力、靜態(tài)液壓力和船舶運動引起的動態(tài)壓力。這就是為什么這些罐比膜罐重得多。另一種隔絕式的罐，膜罐，依賴于由承載的外部結(jié)構(gòu)支撐，諸如船舶上的貨艙或陸地上的筒倉式結(jié)構(gòu)。其原因是，針對冷液化氣體的屏障僅是具有隔熱性的薄且相當弱的膜，其依賴于經(jīng)由中間隔絕層由外部承載結(jié)構(gòu)支撐。顯然，膜將呈現(xiàn)與罐內(nèi)部的冷流體相同的溫度，并且因此由于冷卻而從室溫下的原始狀態(tài)顯著收縮。因此，由于周圍的支撐結(jié)構(gòu)不被冷卻并且其比膜更加剛性和更堅固，因此膜將不得不單獨應(yīng)對熱收縮問題。這可能會導(dǎo)致過度應(yīng)力并破壞膜，從而導(dǎo)致泄漏。應(yīng)對膜的熱收縮的方法是在膜的平面內(nèi)提供變形柔性。這可以通過在兩個垂直方向上將具有幾何波紋圖案的膜板成形來完成，使得平面內(nèi)熱應(yīng)變可以通過波紋的彎曲和拉伸來補償，同時膜的平面部分可以收縮并保持平坦而不會受到嚴重應(yīng)力。正如許多人所認識到的，開發(fā)有效的波紋幾何形狀以確保膜中應(yīng)力可接受不是一件簡單的事情。迄今為止，工業(yè)采用的波紋幾何形狀在很大程度上是基于經(jīng)驗和測試，而確保低應(yīng)力水平的證據(jù)不太清楚。在所有情況下，在不同方向上的波紋通道相交的位置處獲得足夠的變形性和可接受的應(yīng)力水平是一個特別的挑戰(zhàn)。

5、隨著持續(xù)的熱應(yīng)力，來自內(nèi)部流體的可變壓力載荷也可能是膜的完整性和可持續(xù)性的問題。對于遠洋船舶上的液化氣膜罐，船舶運動將在罐內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部液體表面波，這可能導(dǎo)致膜上的嚴重循環(huán)載荷、破裂和泄漏故障。該問題尤其與上述波紋中的高應(yīng)力集中有關(guān)。此外，嚴重的表面運動(通常稱為晃動)在這種波浪撞擊罐的壁和內(nèi)部拐角時會導(dǎo)致非常高的局部動態(tài)壓力。這些問題被認為是膜罐面臨的具體挑戰(zhàn)，多年來，一直存在需要長時間的非工作時間和昂貴的損壞修復(fù)的情況。

6、液化天然氣隔熱膜儲罐已在天然氣和航運業(yè)使用60多年，在此期間積累了豐富的經(jīng)驗。液化天然氣運輸船舶上使用的膜罐的尺寸也顯著增長。船舶和浮動碼頭的單個罐體積可超過50000m3(對于船上的一系列罐的體積為幾十萬立方米)，而單個陸地罐可能具有幾十萬立方米的尺寸。

7、然而，仍然需要提供用于相對于環(huán)境溫度存儲諸如lng甚至lh2(液氫)的低溫流體、冷流體或暖流體的膜罐，其具有增加的安全性和降低的成本的組合。低溫流體通常被定義為在大氣壓下沸點在-90℃或更低的流體。本發(fā)明的目的是提供一種在安全性、通用性和/或成本方面具有有益效果的膜罐和方法。

8、檢索沒有發(fā)現(xiàn)任何具有本發(fā)明提供的膜罐的描述或圖示的出版物。描述和說明本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)的最近出版物明顯是：us4149652a、de2251688b2、kr20210152835a、us4119241a、ep?1732828、kr100213686b1、wo?2021037483a1、us2020256514a1、us2018073678a1和kr?20160087652a。所述出版物中沒有一個包括具有完全可擴展的真空隔絕的膜罐的描述或圖示。并且所述出版物中沒有一個包括如在橫截面中看到的具有余弦函數(shù)或自然屈曲函數(shù)的形狀的波紋的描述或圖示，或者為什么這種形狀是有益的描述或圖示。

技術(shù)實現(xiàn)思路

0、發(fā)明概述

1、本發(fā)明提供了一種膜罐，膜罐用于容納溫度可與環(huán)境溫度顯著不同的流體，例如用于容納低溫流體，其中，膜罐在從內(nèi)部容納體積的方向上包括：

2、初級膜，初級膜是流體密封的，在運行中面向被容納的流體并且用作初級流體屏障，

3、隔絕層，隔絕層在外部包圍膜，

4、外部結(jié)構(gòu)，外部結(jié)構(gòu)例如是船體或艙壁或其他結(jié)構(gòu)，其中，外部結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)部的隔絕層和初級膜并且由此承載所產(chǎn)生的力，和

5、至少一個開口，該至少一個開口用于裝載和卸載流體，以及

6、可選的二級膜，如果外部結(jié)構(gòu)是在低溫溫度下變脆的鋼結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)，諸如船體外部結(jié)構(gòu)，二級膜將隔絕層分為內(nèi)部隔絕體和外部隔絕體，內(nèi)部隔絕體在初級膜和二級膜之間，外部隔絕體在二級膜和外部結(jié)構(gòu)之間，

7、其中，初級膜包括平坦、曲形的或雙曲形的形狀的區(qū)域和在所述區(qū)域之間的波紋，其中，所述區(qū)域緊固到下層的隔絕體(underlaying?insulation)，并且波紋吸收熱誘導(dǎo)應(yīng)變并且在一定程度上吸收由流體靜力和動態(tài)載荷引起的變形。

8、膜罐的特點在于，膜罐還包括聯(lián)接部分，用于將真空泵可操作地連接到整個隔絕層或內(nèi)部隔絕層，用于在低溫流體的裝載、容納和卸載期間在整個隔絕層或內(nèi)部隔絕層中能夠?qū)崿F(xiàn)真空。

9、為了清楚起見，低溫流體被用作在填充低溫流體時罐膜如何行為的示例，具體是波紋如何被拉伸。從橫截面看，余弦函數(shù)或自然屈曲函數(shù)的最優(yōu)選的波紋形狀是指在環(huán)境溫度下的所述形狀。與環(huán)境溫度相比，流體越冷，平坦的、曲形的或雙曲形的區(qū)域中的區(qū)域的熱收縮越多，并且波紋的拉伸越多。如果比環(huán)境溫度更暖的流體被填充到罐中，變形將是相反的，因為平坦、曲形的和雙曲形的區(qū)域?qū)⑴蛎?，而波紋將被壓縮。本發(fā)明提供了用于冷或低溫流體儲存的膜罐實施例，具有如上所述的膜拉伸，以及用于暖流體儲存的膜罐實施例，具有相反的變形，伴隨有波紋的壓縮。本發(fā)明的一些膜罐實施例用于容納冷流體或暖流體。在本發(fā)明的每個實施例中，在相對于環(huán)境溫度的冷、低溫或暖流體容納的情況下，從橫截面看，波紋具有余弦函數(shù)或屈曲函數(shù)的形狀，其中，最小或接近最小的彈性能通過所述拉伸或壓縮存儲在波紋中，并且最小或接近最小的應(yīng)力通過所述拉伸或壓縮在波紋中產(chǎn)生。這將在下面清楚地描述并在附圖中示出。

10、本發(fā)明的技術(shù)效果很多，如下所述。兩個最顯著的技術(shù)效果是，新的膜幾何形狀提供了波紋以及波紋之間的交匯部，其由較小的塑性應(yīng)變形成，并導(dǎo)致顯著較低的熱誘導(dǎo)應(yīng)力和更好的長期結(jié)構(gòu)完整性。這提供了許多技術(shù)益處，其中之一是使波紋之間的距離能夠更大，從而獲得更有效的制造和安裝以及更低的成本。例如，雖然用于lng的罐中的波紋之間的典型距離為0.2m至0.5m，但是用于使用類似或相同的膜材料和用于lng的本發(fā)明的罐的波紋之間的距離可以容易地超過1m，這是與現(xiàn)有技術(shù)相比明顯更長的波紋之間的距離。這導(dǎo)致更少的波紋、更少的波紋交叉部、更少的焊接或其他接合、更少的故障源、促進生產(chǎn)和降低成本。本發(fā)明的一個主要成就是，許多膜罐實施例對于液氫容納、lh2或甚至液氦容納是可行的，這在目前的膜罐技術(shù)中顯然是不存在的或不可能的。即使對于用于lh2容納的膜罐，波紋之間的距離也可以超過1m。

11、優(yōu)選地，如在不具有熱誘導(dǎo)應(yīng)變的環(huán)境溫度下的橫截面中所見，波紋具有根據(jù)幾何函數(shù)的形狀，該幾何函數(shù)與當在膜的平面內(nèi)的兩個方向上經(jīng)受均勻壓縮時膜在波紋跨度上的屈曲一致或/和由余弦函數(shù)限定的形狀，其中，該形狀是精確的或在可接受的偏差內(nèi)。根據(jù)以上和以下的描述，本發(fā)明的技術(shù)效果是清楚的。從橫截面中看到的波紋的精確余弦函數(shù)形狀或屈曲函數(shù)形狀的幾何偏差是允許的，直到還存在超過現(xiàn)有技術(shù)膜罐的技術(shù)效果的程度。優(yōu)選地，形狀是精確的或在任何點處與理想的余弦函數(shù)或屈曲函數(shù)振幅小于5％、3％、2％或1％的可接受幾何偏差內(nèi)。

12、優(yōu)選地，交叉波紋的形狀符合波紋交叉部的疊加形狀。

13、膜罐優(yōu)選地還包括流體密封的中間膜，將隔絕體分為兩個隔絕層，每個隔絕層可以通過惰性氣體循環(huán)用于泄漏檢測或抽空以避免空氣冷凝和/或凝固用于液氫或氦儲存。

14、膜罐優(yōu)選地包括具有波紋的膜區(qū)段，波紋通過模壓或其他方式形成，該膜區(qū)段具有與波紋交叉部相距最大距離的區(qū)段側(cè)面，優(yōu)選地側(cè)面垂直于向外延伸穿過該側(cè)面的波紋，可能地，膜在焊接成完整的流體密封膜之前經(jīng)應(yīng)力消除處理，其中，膜的應(yīng)力水平被最小化。

15、膜罐優(yōu)選地包括在隔絕層中的隔絕塊，其中，塊與內(nèi)部的平坦的、曲形的或雙曲形的初級膜區(qū)域的尺寸和形狀相匹配，并且優(yōu)選地被初級膜區(qū)段覆蓋，初級膜區(qū)段在被隔絕塊接合的上方或內(nèi)部具有波紋和交叉波紋，隔絕塊接合交叉部位于在初級膜區(qū)段的中心處或在初級膜區(qū)段的中心附近的波紋交叉部下方，其中塊并排布置，其中，塊在環(huán)境溫度下布置時優(yōu)選地與用于低溫或冷流體容納的罐接觸，優(yōu)選地在冷卻時具有用于減少熱輻射的舌部和凹口，但優(yōu)選地在塊之間具有用于容納暖流體的間隙δe或δf。由此，在便于構(gòu)建的同時減小了應(yīng)變和應(yīng)力。

16、本發(fā)明還提供了一種構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的膜罐的方法，包括以下步驟：

17、構(gòu)建隔絕層，其中隔絕層布置在外部結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，外部結(jié)構(gòu)例如是在陸地或海上的船體或艙壁或其他承載結(jié)構(gòu)，以在外部包圍隔絕體，

18、構(gòu)建或布置用于裝載和卸載流體的至少一個開口，

19、在隔絕表面上構(gòu)建和布置流體密封的初級膜，其中，外部結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)部隔絕體和初級膜并由此承載所產(chǎn)生的力，并且膜包含例如低溫流體，其中，膜包括平坦的、曲形的或雙曲形的形狀的區(qū)域，所述區(qū)域緊固到下層的隔絕體，膜還包括在所述區(qū)域之間的波紋，波紋用于吸收熱誘導(dǎo)應(yīng)變以及由流體靜力和動態(tài)載荷引起的任何變形。該方法的特點在于，方法還包括布置聯(lián)接部分，該聯(lián)接部分用于將真空泵可操作地連接到隔絕層，用于在裝載、容納和卸載低溫流體或其他流體期間在隔絕層中、在初級膜和外部結(jié)構(gòu)之間或在初級膜和可選的二級膜之間能夠?qū)崿F(xiàn)真空。

20、根據(jù)該方法，罐被逐層構(gòu)建和/或逐塊構(gòu)建，塊包括所有或一些所需的隔絕體和膜結(jié)構(gòu)，由此如果需要，塊被最終確定、布置和接合在膜罐中的位置上。

21、優(yōu)選地，初級膜形成為板區(qū)段，板區(qū)段通過焊接或其他方法接合以完成連續(xù)膜，其中，交叉波紋位于板區(qū)段的中心和/或側(cè)面內(nèi)，使得板區(qū)段優(yōu)選地在與交叉波紋的最大距離處接合，并且波紋優(yōu)選地通過塑性模具壓制或類似的成形操作形成，優(yōu)選地側(cè)面垂直于向外延伸穿過該側(cè)面的波紋，優(yōu)選地，在焊接或以其他方式接合成完整的流體密封膜之前，通過諸如退火的后熱處理來減輕膜中的應(yīng)力，其中，膜的應(yīng)力水平最小化。

22、本發(fā)明還提供了根據(jù)本發(fā)明的膜罐的用途，用于儲存和/或運輸溫度不同于環(huán)境溫度的流體，諸如低溫流體，諸如lh2、lhe、lo2、ln2、lng、lpg、氨、二氧化碳、其他冷流體或暖流體。

23、膜罐優(yōu)選地包括：

24、-所述膜由薄板材料組成，所述薄板材料具有考慮到所述流體的性質(zhì)和從所述罐中的流體施加的壓力而適于所述目的的機械和化學(xué)性質(zhì)，

25、-所述膜具有適于承受顯著熱變形的特殊幾何形狀的幾何波紋，如下文進一步描述，

26、-波紋之間的板區(qū)段可以是平坦的、單曲形的或雙曲形的，這可能需要以提供適合外部支撐結(jié)構(gòu)幾何形狀的封閉的、防漏的容納解決方案，

27、-膜的幾何形狀使得能夠通過平板的塑性成形或沖壓或通過鑄造以簡單的方式制造，

28、-膜通過合適的機械或粘合劑裝置附接到周圍的隔絕層，

29、-隔熱層包括隔絕層、隔絕塊層或隔絕箱元件，隔絕層、隔絕塊層或隔絕箱元件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的隔熱以及膜與外部支撐結(jié)構(gòu)之間的顯著變形差異，并且具有足夠的機械強度以直接地或通過諸如纖維增強或其中的板的承載箱的加強裝置來承載實際的壓力載荷，

30、-隔熱層可以包括在其間具有流體密封膜的子層，以確保符合適用規(guī)則要求的額外密封性，

31、-外部支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強度，

32、-能夠承載來自內(nèi)部膜罐的所有載荷，并且原則上可以是適合于特定目的的任何形狀和形式，

33、-與大多數(shù)其他膜罐設(shè)計相比，由于蒸發(fā)造成的貨物損失大大減少或沒有損失，

34、-在大多數(shù)情況下，由于增強了隔熱性能，減少了冷卻和冷凝蒸發(fā)貨物以用于再循環(huán)貨物的需要，

35、-能夠在低于空氣冷凝溫度的溫度下儲存液態(tài)氣體，諸如液氫和液氦。

36、膜板的厚度取決于制造膜板的材料、罐中包含的流體施加的靜態(tài)和動態(tài)壓力、熱應(yīng)力和應(yīng)變、以及膜板厚度對波紋初始形成期間的變形性和塑性應(yīng)變的影響。考慮到這一點，典型的板厚度可以是0.2mm至4mm。膜板材料的類型必須適合其所暴露的運行溫度；例如，低溫溫度需要在非常低的溫度下保持延展性的特殊鋼或鋁合金。液化氣體的示例是在大氣壓下儲存溫度約為-163℃的天然氣和儲存溫度為-253℃的液氫。此外，膜材料必須抵抗由與罐內(nèi)部流體的化學(xué)或電化學(xué)相互作用引起的降解。除了由金屬板制成的膜之外，波紋膜可以由非金屬材料(諸如塑性材料或復(fù)合材料)制成。在這種情況下，膜可以直接澆鑄為本發(fā)明限定的類型的波紋，而不是通過塑性成形來制造波紋。

37、本發(fā)明的膜罐的顯著特征是波紋幾何形狀，波紋的幾何形狀允許膜的顯著熱收縮或膨脹而不會導(dǎo)致膜的過應(yīng)力。本發(fā)明的膜罐的另一顯著特征是即使波紋之間的距離比通常使用的或目前工業(yè)提供的膜罐之間的可能距離長，也能夠?qū)崿F(xiàn)該目標

38、波紋的主要目標是在膜的平面中提供柔性以補償平面內(nèi)的熱收縮/膨脹，并且由于各向同性材料的熱應(yīng)變在所有方向上都是相同的，所需的柔性可以通過規(guī)則的、方格的波紋圖案來實現(xiàn)。波紋可以相當簡單地用某種形式的通道式幾何形狀制成；然而，主要問題出現(xiàn)在波紋通道的交匯部或交叉部，因為通道幾何形狀通過交匯部的直的、交匯的延續(xù)意味著變形將在交叉處被完全“鎖定”。圖1示出了當今工業(yè)中通常使用的膜罐波紋的示例，特別是與用于儲存液化天然氣(lng)的大型膜罐相關(guān)聯(lián)。在這種情況下，兩個方向上的通道高度不同；通過通道在其交匯部的顯著彎曲和折疊來實現(xiàn)對柔性的鎖定。盡管這種波紋幾何形狀被廣泛使用，但關(guān)于它們的性能存在一些重大問題。高度折疊板的幾何形狀意味著在初始塑性成形期間非常嚴重的塑性應(yīng)變。此外，尖銳的交叉折疊還代表非常剛性的局部區(qū)和應(yīng)力集中，這種區(qū)通常被稱為“熱點”。除了對這些點處的高熱應(yīng)力的關(guān)注之外，另外的問題可能是，這些點在循環(huán)應(yīng)力期間特別容易疲勞，這可能是由熱變化和由罐內(nèi)的動態(tài)流體運動引起的可變壓力引起的。本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)高面內(nèi)柔性的方法，該方法在波紋通道內(nèi)并且最重要的是在波紋之間的交匯區(qū)處沒有高的局部應(yīng)力集中。本發(fā)明將通道和交匯幾何形狀建立在利用最小勢能的概念的基礎(chǔ)上，以導(dǎo)出薄板在跨越自由跨度的方格圖案壓在一起時將自然采用的自然“屈曲圖案”。值得注意的是，自然的彈性屈曲圖案表示在膜的兩個方向上的強制均勻收縮期間導(dǎo)致最少存儲的彈性能的幾何形狀。這也確保了盡可能低的應(yīng)力和應(yīng)力的平滑分布。關(guān)于如何生成根據(jù)本發(fā)明的幾何形狀的進一步細節(jié)將在下文中解釋。

39、如所解釋的，膜包括波紋的交叉圖案以及不同波紋之間的膜區(qū)段。在最簡單的情況下，平坦的波紋膜可以裝配罐的平坦的底板、壁和頂板區(qū)。棱柱形形狀的罐難免會有拐角線和尖拐角。本發(fā)明可以通過將波紋之間的膜區(qū)段成形為一致的圓柱形或球形幾何形狀來應(yīng)對該問題。同樣地，當外部支撐結(jié)構(gòu)具有圓柱形形狀時，由于其本身是圓柱形的，初級波紋膜可以制成在波紋之間具有相應(yīng)圓柱形的區(qū)段。圓柱形罐壁與底板或頂部區(qū)段之間的接合區(qū)域可以類似地成形為使得波紋之間的區(qū)段制成曲形的或雙曲形的形狀。圓形底板或頂板區(qū)可以裝配有波紋的交叉圖案。

40、與目前最常用的波紋膜相比，本發(fā)明的膜波紋的平滑形狀在生產(chǎn)中提供了顯著的優(yōu)點。特別地，不具有雙重折疊幾何形狀和不具有非常高的塑性應(yīng)變的事實大大簡化了波紋的產(chǎn)生，并降低了對膜材料延展性的要求。因此，波紋的制造可以很大程度上基于沖壓出波紋圖案，同時波紋之間的平坦部分被限制在平面外以保持平坦，同時允許平面內(nèi)運動以避免在形成期間膜的不希望的拉伸和變薄。余弦形狀或屈曲形狀促進波紋和交叉波紋的沖壓成形或沖壓，因為不存在雙重折疊并且不存在尖銳的拐角。因此，波紋和交叉波紋是圓錐形的并且容易滑出成型機，并且該形狀也在成形期間最小化應(yīng)變，而不僅僅是在用于容納低溫流體的運行期間。

41、膜必須提供完全包圍罐內(nèi)部儲存的流體的防漏屏障。這意味著膜必須提供具有底部、側(cè)壁和頂部的完整外殼。重要的是，膜不會從隔絕層松動，因為動態(tài)壓力、重力和變形應(yīng)力可能導(dǎo)致膜的分離和損壞。所選擇的附接方式很大程度上取決于用于膜和隔絕層的材料類型。在一些情況下，采用一些合適的粘合劑粘合方式可能就足夠了。然而，將膜與隔絕體連接的機械裝置也可以是優(yōu)選的。這種裝置可以包括焊接附件、鎖定裝置、錨固螺栓或錨固銷等，這取決于隔絕體的外部結(jié)構(gòu)層和隔熱體的實際一致性。膜通常具有用于各種類型的管道、儀器以及可能的人孔入口的開口。這種連接可以位于罐圓頂內(nèi)。在任何情況下，膜中的所有這樣的開口必須是密封的，并且以考慮熱變形的方式設(shè)計。

42、本發(fā)明的一個目的是適用于膜外部的許多類型的隔熱體。盡管隔熱體的使用是本發(fā)明的一部分，但它不限于這種隔絕體的具體設(shè)計。因此，包括多孔顆粒如珍珠巖、纖維和泡沫式隔絕材料的增強隔絕系統(tǒng)的常用解決方案，具有或不具有增強纖維，可應(yīng)用于本發(fā)明。這也包括這樣的系統(tǒng)，其中隔絕系統(tǒng)包括具有增強板的箱元件，諸如膠合板類型的結(jié)構(gòu)或玻璃纖維增強板。

43、流體密封且包含所儲存的流體的膜由適合其所暴露的溫度范圍并具有足夠變形性的材料制成，示例是奧氏體不銹鋼如aisi?304或304l、其他奧氏體不銹鋼或鎳奧氏體鋼合金。與低熱膨脹系數(shù)(例如不銹鋼aisi?304l或304)相比，良好的可焊性與較低的成本相結(jié)合可能是優(yōu)選的。

44、《國際氣體規(guī)范》要求在低溫流體通過初級膜泄漏的情況下，為膜罐包括二級泄漏屏障，以保護外部承載結(jié)構(gòu)(例如船舶中的貨艙)免受低溫流體的泄漏。各種解決方案可用于二級膜，諸如波紋膜、由對溫度不敏感的因瓦合金(34％ni)制成的平坦膜，或由具有編織纖維織物的復(fù)合材料制成的單層或雙層柔性膜，諸如用于“三層復(fù)合膜”。另一替代方案是使用根據(jù)本發(fā)明限定的幾何形狀形成的波紋膜。由于二級膜通常經(jīng)受較少的載荷和應(yīng)變，因此波紋的振幅可以較小，并且膜的厚度可以比初級膜更薄。

45、人們認識到，基本上沒有空氣或其他氣體的真空提供了極好的隔熱。本發(fā)明的主要實施例提供了通過對初級膜和二級膜兩者使用當前類型的防漏膜來與膜罐相連接的真空隔絕的用途，以及在它們之間的層內(nèi)抽空空氣。這里的真空是指內(nèi)部氣體(通常是空氣)被泵出到實際可行的程度，這意味著極低的內(nèi)部壓力和接近真空的條件，例如0.01、0.001或0.0001個大氣壓或更低。在這種情況下，兩個膜層之間的空間應(yīng)填充有支撐、多孔或纖維層，該支撐、多孔或纖維層具有足夠的結(jié)構(gòu)強度以承載來自流體的壓力，包括來自真空層外部的大氣過壓。該層應(yīng)該適合于通過泵出該層內(nèi)截留的空氣來進行抽真空?？梢栽诙壞ね獠渴褂妙~外的隔絕體。該解決方案的一個有趣的應(yīng)用是，膜罐可以用于在極低溫度下儲存流體，諸如液氫和液氦。對于用于儲存液氫或液氦的本發(fā)明的膜罐，由真空層產(chǎn)生的溫差必須大于儲存流體的溫度和空氣的冷凝溫度之間的溫差。二級膜外部的隔絕體可以是常規(guī)的充氣類型，并且具有足夠的強度和厚度以確保與外部空氣或支撐結(jié)構(gòu)的充分隔絕，或者也可以是或優(yōu)選地是真空隔絕體。

46、本發(fā)明的目的是為盡可能廣泛的應(yīng)用提供膜罐解決方案，包括用于放置在船舶、平臺、陸地儲存和地下儲存內(nèi)部的低溫流體的燃料和貨物罐。實際支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須使其能夠承載儲存在罐中的流體的重量、隔絕系統(tǒng)的重量以及從罐內(nèi)部流體傳遞的靜態(tài)和動態(tài)壓力。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計的多功能性是本發(fā)明的一個組成部分，并且本發(fā)明可以與大多數(shù)類型的結(jié)構(gòu)外部罐解決方案一起使用。

47、本發(fā)明還提供了一種膜罐，用于容納溫度可顯著不同于環(huán)境溫度的流體，例如用于容納低溫流體，其中，膜罐在從內(nèi)部容納體積的方向上包括：

48、初級膜，初級膜是流體密封的，在運行中面向被容納的流體并且用作初級流體屏障，

49、隔絕層，隔絕層在外部包圍膜，

50、外部結(jié)構(gòu)，外部結(jié)構(gòu)例如是船體或艙壁或其他結(jié)構(gòu)，其中，外部結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)部的隔絕層和初級膜并且由此承載所產(chǎn)生的力，和

51、至少一個開口，用于裝載和卸載流體，以及

52、可選的二次膜，如果外部結(jié)構(gòu)是在低溫溫度下變脆的鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)例如是船體外部結(jié)構(gòu)，二級膜將隔絕層分為內(nèi)部隔絕體和外部隔絕體，內(nèi)部隔絕體在初級膜和二級膜之間，外部隔絕體在二級膜和外部結(jié)構(gòu)之間，

53、其中，所述初級膜包括平坦的、曲形的或雙曲形的形狀的區(qū)域和在所述區(qū)域之間的波紋，其中，所述區(qū)域緊固到下層的隔絕體并且所述波紋吸收熱誘導(dǎo)應(yīng)變，其中，膜罐的特點在于，從橫截面看，波紋具有余弦函數(shù)或自然屈曲函數(shù)的形狀，導(dǎo)致當在裝載低溫流體冷卻罐時，最小的彈性能通過熱誘導(dǎo)收縮存儲在波紋中，從而導(dǎo)致通過所述熱收縮僅在波紋中產(chǎn)生彈性應(yīng)力，

54、并且優(yōu)選地，交叉波紋的形狀符合波紋的疊加形狀，沒有尖銳的彎曲或拐角并且沒有雙重折疊，從而能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的模具成形，并且優(yōu)選地，該形狀是精確的或者在任何點處與理想的余弦函數(shù)或屈曲函數(shù)在振幅小于5％、3％、2％或1％的可接受的幾何偏差內(nèi)，并且優(yōu)選地，其中，在環(huán)境溫度下的初始波紋跨度為e和f的情況下，在使膜冷卻δt時的實際拉伸δe和δf如下：

55、δe?＝?et?-?e＝c?-?ct?＝?-c?α?δt，且δf?＝?ft?-?f?＝?-d?α?δt???(3)

56、其中，c和d是各個波紋之間的尺寸，

57、其中，α是膜的熱膨脹割線模量(系數(shù))，

58、并且優(yōu)選地，所述膜罐包括在隔絕層中的隔絕塊，其中，塊與內(nèi)部的平坦的、曲形的或雙曲形的初級膜區(qū)域的尺寸和形狀相匹配，并且優(yōu)選地被初級膜區(qū)段覆蓋，初級膜區(qū)段在被隔絕塊接合的上方或內(nèi)部具有波紋和交叉波紋，隔絕塊接合交叉部位于在初級膜區(qū)段的中心處或在初級膜區(qū)段的中心附近的波紋交叉部下方，其中，塊并排布置，其中，塊在環(huán)境溫度下布置時優(yōu)選地與用于低溫或冷流體容納的罐接觸，優(yōu)選地在冷卻時具有用于減少熱輻射的舌部和凹口，但優(yōu)選地在塊之間具有用于容納暖流體的間隙δe或δf。

59、本發(fā)明還提供了一種構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的膜罐的方法，包括以下步驟：

60、構(gòu)建隔絕層，其中，隔絕層布置在外部結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，諸如在陸地或海上的船體或艙壁或其他承載結(jié)構(gòu)，以在外部包圍隔絕體，

61、構(gòu)建或布置用于裝載和卸載流體的至少一個開口，

62、在隔絕表面上構(gòu)建和布置流體密封的初級膜，其中，外部結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)部隔絕體和初級膜并由此承載所產(chǎn)生的力，并且膜包含例如低溫流體，其中，膜包括平坦的、曲形的或雙曲形的形狀的區(qū)域，所述區(qū)域緊固到下層的隔絕體，膜還包括在所述區(qū)域之間的用于吸收熱誘導(dǎo)應(yīng)變的波紋，特點在于，膜成形為在平坦的、曲形的或雙曲形的形狀的區(qū)域之間的波紋，所述區(qū)域緊固到下層的隔絕體，其中，從橫截面看，波紋具有余弦函數(shù)或屈曲函數(shù)的形狀，其中，在形成期間以及在裝載低溫流體冷卻罐時通過波紋的熱誘導(dǎo)拉伸，最小的彈性能存儲在波紋中，從而導(dǎo)致通過所述拉伸在波紋中產(chǎn)生最小應(yīng)力，以及

63、優(yōu)選地，膜罐被構(gòu)建成使得膜罐包括在隔絕層中的隔絕塊，其中，塊與內(nèi)部的平坦的、曲形的或雙曲形的初級膜區(qū)域的尺寸和形狀相匹配，并且優(yōu)選地被初級膜區(qū)段覆蓋，初級膜區(qū)段在被隔絕塊接合的上方或內(nèi)部具有波紋和交叉波紋，隔絕塊接合交叉部位于在初級膜區(qū)段的中心處或在初級膜區(qū)段的中心附近的波紋交叉部下方，其中，塊并排布置，其中，塊在環(huán)境溫度下布置時優(yōu)選地與用于低溫或冷流體容納的罐接觸，優(yōu)選地在冷卻時具有用于減少熱輻射的舌部和凹口，但優(yōu)選地在塊之間具有用于容納暖流體的間隙δe或δf。結(jié)果是減少了壓力和應(yīng)變，促進了構(gòu)建。

64、本發(fā)明的典型膜罐是用于在船舶中運輸lh2、lng和其他低溫或冷液體的罐，其中船體結(jié)構(gòu)和可能的另外的內(nèi)部結(jié)構(gòu)諸如艙壁是外部承載結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的其他典型的膜罐是固定儲罐，諸如立在地面上或埋在地下或布置在地下諸如洞穴中，其中混凝土、金屬、其他結(jié)構(gòu)或周圍的洞穴結(jié)構(gòu)是外部承載結(jié)構(gòu)的一部分。對于膜罐的許多優(yōu)選實施例，隔絕體包括具有開孔的泡沫，諸如pu聚氨酯，其是堅固的并且同時適于抽真空，優(yōu)選地成形為塊，優(yōu)選地具有面向初級膜的凹槽，形成用于在安裝時更容易抽真空的通道。