DE60125236T2 - Vorrichtung mit gaszylinder - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gaszylinder für den Seetransport von natürlichem Gas bei Umgebungstemperatur und vergleichsweise hohem Druck. Ein solcher Tank ist aus der US-A-5018638 bekannt.
  • Für den Gastransport über Seestrecken sind verschiedene Lösungskonzepte bekannt. Das Gas kann unter moderatem Druck durch eine auf dem Meeresboden abgelegte Rohrleitung zum Empfangsort gepumpt werden. Für solche Lösungen bedarf es einer vergleichsweise einfachen und billigen Ausrüstung am Befüllungs- und am Empfangsort, aber die Kapitalkosten für das Verlegen der Rohrleitung können sehr hoch sein. In Tiefen über 300 Meter war es früher sehr schwer, Rohrleitungen mit einem zufriedenstellenden Ergebnis zu verlegen. Ein weiterer Nachteil von Pipelines auf dem Meeresboden besteht darin, dass es schwer ist, sie zu bewegen, wenn sie einmal abgelegt sind.
  • Andere bekannte Lösungen für den Seetransport über das Meer basieren auf der Verwendung von Schiffen oder Lastkähnen. Am bekanntesten ist das sogenannte Verfahren zum Verflüssigen von natürlichem Gas (Liquefied Natural Gas – LNG). Dieses Verfahren umfasst das Herunterkühlen von Gas in eine flüssige Form, wonach es in Schiffstanks bei Atmosphärendruck transportiert werden kann.
  • Das Verfahren erfordert sowohl am Ort der Befüllung als auch am Empfangsort erhebliche Investitionen. Da das Gas bis auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur heruntergekühlt werden muss, wird ein Fünftel des Gases verwandt, um die Kühl- und Heizprozesse zu betreiben. Solch ein Energieaufwand nur für die mit dem Transport in Verbindung stehenden Verfahren ist teuer und aus Umweltgesichtspunkten fragwürdig.
  • Verschiedene andere schiffbasierte Lösungen sind vorgeschlagen worden, bei denen das Gas unter Druck gesetzt und/oder gekühlt wird, um eine für den Zweck geeignete Gasdichte zu erreichen. Solche Lösungen haben in der Praxis selten Anwendung gefunden; aber eine Lösung, bei der eine große Anzahl von vertikalen, rohrförmigen Drucktanks in Modulen angeordnet sind, die im Frachtraum eines Schiffes untergebracht sind, hat eine erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Das Verfahren wird Pressurized Natural Gas – PNG genannt. Bei diesem Verfahren wird Gas auf einen positiven Druck von mehreren hundert bar am Ort der Befüllung komprimiert und dann in Drucktanks, die sich auf dem Schiff befinden, eingefüllt. Das Kühlen ist auf ein einfaches und günstiges Abführen der Kompressionswärme aus dem Gas, so dass die Transporttemperatur nahe der Umgebungstemperatur ist, beschränkt. Der wesentliche Nachteil des PNG-Verfahrens besteht darin, dass die Gaszylinder einen zu großen Teil der Ladekapazität eines Schiffs belegen, wenn sie mit bekannter Technik hergestellt wurden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des PNG-Verfahrens für den Transport von Erdgasprodukten zu beseitigen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in der folgenden Beschreibung und in den anschließenden Ansprüchen spezifizierten Merkmale gelöst.
  • An einem geschlossenen, einem Innendruck ausgesetzten Zylinder treten zum Container axial und in Umfangsrichtung der Zylinderwand verlaufende Zugspannungen auf.
  • Gemäß üblichen Berechnungsmethoden gilt für zylindrische Drucktanks, dass die Spannungskomponente des Materials in Umfangsrichtung des Zylinders doppelt so groß ist wie in axialer Richtung des Zylinders. Es ist offensichtlich, dass die Wanddicke des Zylinders erheblich reduziert werden kann, wenn die effektive Kraft in Umfangsrichtung des Zylinders durch ein anderes Strukturelement als die Zylinderwand absorbiert werden kann. Wenn die Zylinderwand von einem dehnbaren Material umgeben ist, wird die Zylinderwand lediglich die axialen Kräfte des Containers und die vergleichsweise kleinen Druckkräfte, die zwischen dem Fluiddruck und dem umgebenden, dehnbaren Material bestehen, aufnehmen. Wenn die Eigenschaften des umgebenden, dehnbaren Materials außerdem ein geringes spezifisches Gewicht umfassen, ist es möglich, das Gesamtgewicht des Druckcontainers zu reduzieren, so dass das Schiff eine akzeptable Ladekapazität erreicht.
  • Ein erfindungsgemäßer Druckcontainer weist einen Metallzylinder, der im folgenden Zylinderrohr genannt wird und so ausgebildet ist, dass er die axialen Kräfte des Containers aufnimmt, sowie zwei Endgiebel auf, die so ausgebildet sind, dass sie alle auftretenden Giebelkräfte aufnehmen. Die konkave Geometrie der Endgiebel unterscheidet sich nicht wesentlich von den bekannten technischen Ausführungen. Das Zylinderrohr bildet zusammen mit den Endgiebeln das druckdichte Element. Die Kräfte, die in Umfangsrichtung auf das Zylinderrohr wirken, werden von einem faserigen Material aufgenommen, das um das Zylinderrohr herum angelegt ist. Das faserige Material kann trocken herumgeflochten sein, wird aber in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Matrix von wärmehärtendem Kunststoff oder thermoplastischem, sogenanntem Verbundmaterial, eingelegt sein.
  • Der Übergang zwischen dem Zylinderrohr, dem Endgiebel und dem Endabschnitt des Verbundmaterials bildet einen Bereich eines komplizierten Spannungsverlaufs. Ein wesentlicher Teil der den Hintergrund der Erfindung bildenden Forschungstätigkeit betrifft die Belastungsbedingungen in diesem Bereich und den geometrischen Aufbau dieses Übergangs.
  • Die meisten verstärkenden Fasermaterialien, wie beispielsweise Fieberglas, Kohlefaser und Aramidfaser weisen ein geringeres Elastizitätsmodul als beispielsweise Stahl auf, so dass ein Fasermaterial eine größere Ausdehnung erfährt, wenn es gedehnt wird. So könnte beispielsweise das mit einer Faserverstärkung umflochtene Zylinderrohr des einem Innendruck ausgesetzten Druckcontainers mit Kräften beaufschlagt werden, die eine Überschreitung der Dehngrenze des Zylinderrohrmaterials zur Folge haben, bevor die Faserverstärkung so ausreichend deformiert (gedehnt) ist, dass sie die auftretende Ringlast aufnehmen kann.
  • Daher ist es notwendig, die Spannungssituation in Bezug auf die ringförmigen Spannungen im zylindrischen Teil des Drucktanks zu modifizieren. Nachdem der Stahldrucktank gefertigt und die Faserverstärkung angebracht wurde, wird der Tank einem Innendruck mit einer Höhe ausgesetzt, die ausreicht, die Dehngrenze des Zylinderrohrs des Drucktanks zu überschreiten. Dabei wird der Umfang des Rohrs permanent aufgeweitet, wodurch ein Vorspannen der geflochtenen Faser stattfindet. In einem druckfreien Zustand ist das Zylinderrohr ringförmig einem Druck durch die Druckkräfte des umgebenden, gedehnten Faser ausgesetzt. Wenn der Innendruck des Drucktanks erhöht wird, wird der Druck auf das Rohr reduziert, da die umgebenden Faser weiter gedehnt wird. Bei normalem Arbeitsdruck ist der Druck auf die Rohrwand entlastet, d.h. alle Ringkräfte werden von der umgebenden Faser aufgenommen, wobei das Rohr die axiale Last des Drucktanks aufnimmt.
  • Die geometrische Ausbildung des Übergangs zwischen Rohr, Endgiebel und dem Endabschnitt der umgebenden Faser wird im spezifizierenden Teil der Beschreibung, in dem auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, erläutert.
  • Im Folgenden ist ein nicht beschränkendes Beispiel einer bevorzugten, in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsform, beschrieben, wobei:
  • 1 einen schematischen Querschnitt eines Schiffs zeigt, in dem eine Vielzahl von Drucktanks vertikal angeordnet sind; und
  • 2 einen Abschnitt eines in seiner Höhe verkürzt dargestellten, erfindungsgemäßen Drucktanks zeigt.
  • In den Zeichnungen wird mit der Bezugsziffer 1 ein Drucktank gekennzeichnet, der für den Gastransport in einem Schiff 2 verwendet werden kann, der ein metallisches Zylinderrohr 4, zwei Endgiebel 6, 6' und ein geflochtenes Fasermaterial 8 aufweist. Das Zylinderrohr 4 und das geflochtene Fasermaterial 8 bilden einen Rohrabschnitt 10, wobei der Endgiebel 6 und der Endteil 12 des Fasermaterials einen Giebelteil 14 bilden.
  • Nachdem das Fasermaterial 8 aufgebracht wurde, wird das Zylinderrohr 4 druckbehandelt, um einen günstigen Spannungsverlauf zu erzeugen, wie es im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert ist.
  • In 2 sind die Endgiebel 6 und 6' mit dem Zylinderrohr 4 mittels Schweißverbindungen 16 bzw. 16' verbunden. Es ist technisch/wirtschaftlich vorteilhaft, wenn das Rohr 4 über seine gesamte Länge einen einheitlichen Querschnitt aufweist. Der Endabschnitt 12 des Fasermaterials 8 verläuft über die Schweißverbindungen 16, 16'. Die Übergangszone bezüglich der Spannung vom Rohrteil 10, in dem die ringförmigen Spannungen durch das Fasermaterial aufgenommen werden, in den Giebelabschnitt 14, in dem die ringförmigen Spannungen durch den Metallgiebel 6 aufgenommen werden, ist somit in die Giebelseiten der Schweißverbindungen 16, 16' gelegt. Dadurch können die zylindrischen Teile 18, 18' der Endgiebel 6, 6' typischerweise etwas länger sein als die der Endgiebel 8 einer bekannten Anordnung. Ein anderes besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass an den zylindrischen Teilen 18, 18' der Giebel 6, 6' vergleichsweise große Querschnittsänderungen vorgesehen sind. Diese Querschnittsänderung spiegelt die Änderung des Spannungszustands wieder, der durch die Kraftaufnahme der geflochtenen Faser auf das metallische Material darin erzeugt wird. Unmittelbar benachbart zum Endteil 12 der geflochtenen Faser 8 in Abschnitt a-a gemäß 2 nimmt der metallische Querschnitt des zylindrischen Teils 18 des Endgiebels 6 die Ringkräfte und die axialen Kräfte des Drucktanks auf. In Abschnitt b-b in 2 nimmt der metallische Querschnitt die axialen Kräfte des Drucktanks auf, wobei die geflochtene Faser 8 die Ringkräfte des Drucktanks 1 aufnimmt.
  • Das Befüllen und Entleeren des Drucktanks 1 findet über eine nicht dargestellte Rohranordnung statt, die dicht mit einer Öffnung 20 im Giebel 6 verbunden ist.
  • Ein Drucktank gemäß der Erfindung ist insbesondere gut geeignet für längliche Tanks, da es nicht notwendig ist, dass die Fasern in Längsrichtung verlaufen. Die vergleichsweise leichte Konstruktion des Tanks ermöglicht die Verwendung der energieeffizienten PNG-Transportmethode, die zuvor aus praktischen Gründen keine breite Anwendung gefunden hat.

Claims (2)

  1. Drucktankeinrichtung (1) für den Seetransport von Erdölprodukten, umfassend einen relativ länglichen metallischen zylindrischen Abschnitt (4), der in fester Weise über Dichtverbindungen (16, 16') mit Endgiebeln (6, 6') verbunden ist, wobei der zylindrische Abschnitt (4) des Drucktanks (1) und ein Abschnitt der Endgiebel (6, 6') mit einem Fasermaterial (8) verflochten sind, wobei das Fasermaterial (8) im Wesentlichen in der Umfangsrichtung des Drucktanks (1) orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (1) nach dem Verflechten des Fasermaterials (8) in plastischer Weise in solch einem Grade deformiert wurde, dass das Fasermaterial (8) im Wesentlichen die Ringspannung des zylindrischen Abschnittes (4) aufnimmt, wenn der Drucktank (1) einen normalen Arbeitsdruck aufweist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (8) sich jenseits der Dichtverbindung (16, 16') in Richtung zu den Endgiebeln (6, 6') des Drucktanks (1) erstreckt.
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