干燥纖維包覆的壓力容器的制造方法

干燥纖維包覆的壓力容器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及壓力容器，其中，通過干燥絲狀外包覆提供了在預期操作壓力下耐受由所含流體施加的壓力所必需的強度。
【專利說明】干燥纖維包覆的壓力容器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用絲狀材料干燥包覆的壓力容器，所述絲狀材料為容器提供了強度以 耐受容器中所含的壓縮流體所施加的壓力。
[0002] 背景
[0003] 燃燒石化燃料對環境的有害影響日益受到關注，并引起了對可替代能源的極大興 趣。雖然通過太陽、風、核、地熱和其它能源已取得了一些進展，但非常清楚的是，可廣泛使 用的經濟可替代能源特別對于使用高能量的應用而言是難以實現的目標。同時，預計石化 燃料將在可預計的將來主導能源市場。在石化燃料中，天然氣的燃燒最清潔，因此是能源生 產的清楚選擇。因此，在進行一項運動以盡可能的用天然氣補充或取代其它石化燃料例如 煤和石油，因為全世界變得更加清楚燃燒石化燃料對環境的影響。不幸的是，大多數的世界 天然氣氣藏都存在于這個星球上偏僻且難以進入的區域。地形和地緣政治因素使可靠地和 經濟地從這些區域提取天然氣變得極端困難。已經評估了使用管線（pipeline)和陸上運 輸，在某些情況下進行了嘗試，但是發現在經濟性和可靠性方面并非是最佳的。有趣的是， 地球的大部分的偏僻天然氣儲存的位置較接近海洋和易于進入海洋的其它水域。因此，從 這些偏僻的位置海運天然氣似乎是一個顯而易見的解決方案。海運天然氣的問題主要在于 經濟性。遠洋行駛的容器能夠裝載僅僅這么多的載貨重量，而海運成本反映了這個事實，要 計算的運輸總重量的成本，即產品的重量加上其中運輸了產品的集裝箱船的重量。如果相 比于裝運容器的自重，產品的凈重低，則每單位質量的產品的運輸成本變得非常昂貴。這對 于壓縮流體的運輸是特別正確的，常規地，在鋼瓶中運輸壓縮流體，鋼瓶相對于所含流體的 重量是極重的。由于III型和IV型壓力容器的出現，已經稍微改善了該問題。III型壓力 容器是由較薄金屬內襯構成的，該較薄金屬內襯卷繞有絲狀復合材料包裹，這產生了具有 鋼容器強度的容器，并明顯節約了總容器重量。IV型壓力容器包括聚合內襯，類似地用絲狀 復合材料包裹該聚合物內襯。IV型壓力容器是所有目前批準的壓力容器中最輕的。使用 III型和IV型容器，再加上將這些容器造得非常大的趨勢一目前制造的圓柱狀容器的長度 為18米并且直徑為2. 5-3米，并考慮制造的容器的長度大于或等于30米并且直徑大于或 等于6米-使優化壓縮流體的海洋運輸的經濟性邁出了一大步。
[0004] 需要的是更輕的壓力容器，特別是更輕的復合材料包覆型的壓力容器，即現有的 II型、III型和IV型容器，以及未來開發的采用復合材料包覆來為容器提供耐受壓縮流體 的壓力所需強度的任意類型的容器。本發明提供了此類更輕的壓力容器。


【發明內容】

[0005] 因此，本發明的一個方面涉及壓力容器，該壓力容器包括設置在容器表面上的干 燥絲狀材料。
[0006] 在本發明的一個方面，容器具有球形、扁球形或者環形形狀。
[0007] 在本發明的一個方面，容器是由強度不足以耐受容器中所含的壓縮流體所施加的 預期壓力的金屬、陶瓷或復合材料制造的。
[0008] 在本發明的一個方面，干燥絲狀材料設置在壓力容器的整個表面上。
[0009] 在本發明的一個方面，壓力容器包括圓柱形中心部分以及一個或兩個穹頂形端 部。
[0010] 在本發明的一個方面，圓柱形中心部分是由強度不足以耐受容器中所含的壓縮流 體所施加的預期壓力的金屬制造的，而穹頂形端部是由強度足以耐受壓縮流體所施加的預 期壓力的金屬或復合材料制造的。
[0011] 在本發明的一個方面，干燥絲狀材料僅環包覆在圓柱形中心部分上。
[0012] 在本發明的一個方面，圓柱形中心部分是由強度不足以耐受容器中所含的壓縮流 體所施加的預期壓力的金屬制造的，而穹頂形端部是由類似的強度不足以耐受容器中所含 的壓縮流體所施加的預期壓力的金屬或復合材料制造的。
[0013] 在本發明的一個方面，將干燥絲狀材料環包覆在圓柱形中心部分上或者環包覆且 等張力包覆在圓柱形中心部分上并且等張力包覆在穹頂形端部上。
[0014] 在本發明的一個方面，圓柱形中心部分和穹頂形端部是由強度不足以耐受容器中 所含的壓縮流體所施加的預期壓力的復合材料制造的。
[0015] 在本發明的一個方面，將干燥絲狀材料環包覆在圓柱形中心部分上或者環包覆且 等張力包覆在圓柱形中心部分上并且等張力包覆在穹頂形端部上。
[0016] 在本發明的一個方面，干燥絲狀材料選自下組：玻璃纖絲、碳纖絲、芳香族聚酰胺 纖絲和高密度聚乙烯纖絲。
[0017] 在本發明的一個方面，用保護層覆蓋設置在容器上的干燥絲狀材料。
[0018] 在本發明的一個方面，保護層包含不會可察覺地滲透或者浸漬干燥纖維材料的聚 合物。
[0019] 在本發明的一個方面，聚合物選自：二環戊二烯聚合物、聚氨酯脲聚合物和環氧化 物聚合物。
[0020] 在本發明的一個方面，聚合物設置在干燥絲狀材料上，設置的厚度為2-6mm。
[0021] 在本發明的一個方面，保護層選自：塑料帶、布料帶和金屬帶。
[0022] 在本發明的一個方面，保護層包括金屬薄片。
[0023] 發明詳述
[0024] 附圖簡要說明
[0025] 提供這些圖片只用于說明性目的，且無意于也不應該構成以任何方式限制本發 明。
[0026] 圖1顯示了各種壓力容器的等角投影。
[0027] 圖1A顯示了球形壓力容器。
[0028] 圖1B顯示了扁球形（有時稱作"近球狀"）壓力容器。
[0029] 圖1C顯示了環形壓力容器。
[0030] 圖1D顯示了具有圓柱形中心部分和一個穹頂形端部的壓力容器。
[0031] 圖1E顯示了具有圓柱形中心部分和兩個穹頂形端部的壓力容器。
[0032] 圖2是圓柱形壓力容器內襯的示意圖。
[0033] 討論
[0034] 應理解的是，對于本說明書和所附權利要求書，涉及本發明的任意方面的單數形 式包括復數，反之亦然，除非另有明確說明或者從上下文毫無疑義地明確得到。例如，涉及 一個"穹頂"構造成涉及一個穹頂或兩個穹頂，而涉及"多個穹頂"構成成涉及一個穹頂以 及兩個穹頂。
[0035] 本文所用的任意近似術語，例如但不限于，接近、約、約為、基本上、主要、略微等， 表示通過近似術語修飾的詞或短語不必須精確地是書寫的值，但是可以相對該書寫值發生 一定程度的變化。其變化程度將取決于會產生的變化有多大，并且本領域技術人員意識到 修飾的版本仍具有未被近似的術語修飾的詞或短語所具有的性質、特性和能力。通常來說， 但考慮到前面的討論，本文通過近似的術語修飾的數值可相對于所列出的值變化± 10 %， 除非另有明確說明。
[0036] 特別地，當用術語"可察覺"來描述本發明的干燥絲狀材料包覆被聚合保護層滲透 或浸漬時，指的是如下事實：雖然聚合保護層的聚合物可能以非常輕微的程度滲透進入本 發明的干燥絲狀材料外包覆的表面中，但是該滲透不足以以任何可檢測的方式改變干燥絲 狀外包覆的物理性質或者使得干燥絲狀外包覆轉變成復合材料外包覆。
[0037] 如本文所用，"優選"、"優選地"或者"更優選"等指當提交本專利申請時它們的存 在是優選的。
[0038] 本文所用"流體"指的是氣體、液體或者氣體和液體的混合物。例如，當天然氣從 地下提取出來并運輸到加工中心時通常是氣體和液體污染物的混合物，但不限于此。出于 本發明的目的，此類混合物會構成流體。
[0039] 本文所用"包覆"或者"外包覆"指繞著構建體纏繞絲狀材料，所述構建體可以是 圓柱的、網格球頂的（geodesic)、環形的、球形的、扁球形的等，但不限于此，如圖1所示。絲 狀材料以干燥的狀態繞在構建體上，即作為干燥絲狀材料。
[0040] 如本文所使用，"聚合物復合材料"具有對本領域技術人員所認為的意思。簡單來 說，其指的是被聚合物基質材料浸漬和/或包裹的纖維或絲狀材料。
[0041] 用于運輸壓縮流體（如壓縮天然氣CNG)的壓力容器，目前包括管理機構批準的四 種類型，它們全部是具有一個或兩個穹頂形端部的圓柱體：
[0042] I型：全部由金屬構成，通常是鋁或鋼的構建體。這類容器不貴，但相對于其它類 別的容器是非常重的。整個容器的強度足以耐受所含的壓縮流體施加到容器上的預期壓 力，因此不需要任意方式的強度增強的外包覆，包括本發明的干燥絲狀外包覆。I型壓力容 器目前占據大部分的用于通過海上以船運送壓縮流體的容器，它們在海運中的應用引發了 非常緊的經濟限制。
[0043] II型：由具有標準厚度金屬端部穹頂和較薄的金屬圓柱形中心部分構成，使得只 有圓柱形的部分需要強化，目前是采用復合材料外包覆。復合材料包覆通常包括由用聚合 物基質浸漬的玻璃或碳纖絲構成。復合材料通常是繞著容器中部的"環包裹"的。在正常使 用下，容器的一端或兩端的穹頂具有足夠的強度以耐受容器中所建立的壓力，且沒有用復 合材料進行包覆。在II型壓力容器中，金屬內襯攜帶約50%的應力，復合材料攜帶約50% 的應力，該應力由所含的壓縮流體的內部壓力造成。II型容器比I型容器輕，但是傾向于更 貴。
[0044] III型：由金屬薄內襯構成，該金屬薄內襯包括了整個結構，即圓柱形中心部分和 端部穹頂。因此，目前用繞著整個容器包覆的絲狀復合材料對內襯進行強化。III型容器中 的應力幾乎全部轉移至復合材料包覆的絲狀材料；內襯只需耐受小部分的應力。III型容 器遠輕于I型和II型容器，但是同樣地，通常傾向于比I型和II型容器更貴。
[0045] IV型：由聚合物、基本氣密的內襯構成，其同時包括圓柱形中心部分和一個或多 個穹頂，它們目前全部用絲狀復合材料完全包覆。復合材料包覆提供容器的全部強度。IV 型容器目前是四種批準的壓力容器類型中最輕的。
[0046] 如上所述，II型、III型和IV型壓力容器目前需要容器內襯上的復合材料外包覆， 來為它們提供所必需的強度以耐受容器中所含的壓縮流體所施加的與氣壓力。但是，已知 的是，復合材料包覆的聚合物基質對于外包覆幾乎沒有或者沒有增加強度。因此，本發明涉 及以干燥的狀態設置在壓力容器內襯上的干燥絲狀材料，并且其在壓力容器的使用壽命中 基本保持干燥的狀態。"基本"處于干燥的狀態考慮的是當使用時，特別是海洋運輸壓縮流 體時，通過環境水分等會使得絲狀材料不經意地變潮濕。也就是說，預期設置在容器上的干 燥絲狀材料是干燥的，并且當容器第一次投入使用時是干燥的。
[0047] 本文所用"預期壓力"指的是根據如下組織所提出的標準，在正常操作條件下，容 器設計并構造以耐受的壓力，所述組織是例如但不限于美國機械工程師協會（ASME)、挪威 船級社（DNV)、美國商務標準（ABS)以及國際標準化組織（ISO)。這些組織建立了在正常操 作條件和額外的安全因素條件下，壓力容器的材料必須能夠耐受的應力水平。例如，ASME設 定了一個標準，對于壓力容器在大于或等于容器標準操作壓力下必須能夠耐受的應力，該 標準包括5的安全因子，但不限于此。這些安全因素可能對于不同的標準設定組織是變化 的。例如，取決于制造壓力容器的材料，DNV要求大于或等于3. 5的安全因子。
[0048] 在壓力容器上設置干燥絲狀材料的式樣和方式與在容器上設置復合材料是相同 的。也就是說，對于II型壓力容器，外包覆以較直接的方式圍繞在容器內襯上，這被本領域 技術人員稱作"環包覆"，這在本文其他地方有描述。在另一方面，對于III型和IV型壓力 容器，為了產生具有耐受所含壓縮流體所施加的預期壓力所必需的強度的容器，必須以所 謂"等張力包覆"的方式包覆容器，有時作為環包覆的補充或者有時作為替代，這也是本領 域技術人員已知的，并且在本文其他地方更詳細的描述。當整個容器被本發明的干燥絲狀 材料包覆時，下方金屬或聚合物結構通常被稱作"內襯"，如上文關于各種類型的壓力容器 的描述中那樣。內襯提供了表面，該表面上圍繞干燥絲狀材料并且是與所含的壓縮流體直 接接觸的那個表面。
[0049] 出于本說明書的目的，僅僅對形成具有穹頂形端部和圓柱形中心部分的壓力容器 內襯進行詳細描述（出于簡要的目的，下文將此類容器簡稱為"圓柱形壓力容器"）。但是 本發明的干燥絲狀材料包覆可同樣適用于球形、扁球形（近球形）或者環形壓力容器。
[0050] -旦得到圓柱形壓力容器，雖然這幾乎不是一個平凡的工作，但是對干燥絲狀材 料進行設計和施加到內襯（包括端部穹頂）是一個熟知的過程，最終結果是完全被干燥絲 狀材料包覆的壓力容器。簡單來說，對于給定直徑的壓力容器內襯的圓柱形部分、給定的穹 頂形狀、給定的穹頂極（polar)開口直徑和給定的絲狀材料寬度，采用已知的算法（包括但 不限于，網格分析、有限元分析及其組合）可以容易地確定圍繞式樣。采用這些數學公式實 現了導致等張力包覆容器的圍繞式樣設計。術語"等張力"指的是完全圍繞的容器的性質， 其中包覆的各條纖絲在其路徑中的所有點經受恒定的壓力。這在目前被認為是纖絲圍繞的 壓力容器的最佳設計，因為在該配置中，實際上由壓縮流體所施加到容器上的所有應力被 等張力設置的纖絲承擔。
[0051] 穹頂形狀可以變化，并且高考但不限于2:1橢圓體、3:1橢圓體和網格球體。特征 "2:1"和"3:1"指的是橢圓形的長軸與短軸的比例。目前優選的是網格球頂穹頂形狀，因為 其包括能服從各種極開口直徑、各種圓柱形部分直徑和各種纖維寬度的數值解的旋轉面。 該數值解進而實現了穹頂從壓力容器的直徑到極開口的曲率的漸進繪制。采用上文所述的 算法，曲率知識進而實現最大強度（即等張力）的纖維包覆的設計并將其應用至容器。該 壓力容器展現最高壓力負荷和最輕總體重量的最佳組合。
[0052] 如圖2所示的圓柱形壓力容器內襯的示意圖。壓力容器內襯100由圓柱形部分 112、穹頂130和135以及穹頂130和135中的極開口 140和145構成。應注意的是，穹頂 130和135不必都包括極開口，或者如果兩者都具有極開口的話，它們是相同的尺寸也是不 必的。"極開口"指的是穹頂中的孔，通常是圓形形狀，其周界對于容器內襯100的中心線 150是徑向等距的，如圖2所示。將凸起部（boss)安裝到一個或多個極開口，所述凸起部可 以是金屬或者復合材料，用干燥絲狀材料圍繞內襯，然后可以將本領域技術人員已知的額 外硬件與凸起部相連，用于從容器投遞和去除流體。
[0053] 應注意的是，在本說明書中，沒有確切地陳述絲狀干燥材料包覆的實際厚度或量。 這是因為壓力容器的各個部分的厚度以及包覆的量取決于容器的預期操作壓力。壓力當然 是預先確定的，并且超過它們會導致壓力容器的災難性事故。一旦確定了容器的最大操作 壓力，和確定了用于制造容器的材料（不管它們是金屬、聚合物、陶瓷、復合材料或者其他 等）的物理性質，確定所需的厚度以及干燥絲狀材料外包覆的量就是簡單的工程原理的應 用。由于可以顯著地改變最大操作壓力，因此出于本發明的目的，不必確切地陳述任意此類 具體尺度。
[0054] 通常來說，任意絲狀材料可用于產生本發明的晶簇狀（dru)絲狀材料外包覆。此 類材料包括但不限于，天然（絲綢、麻、亞麻等）、金屬、陶瓷、玄武巖和合成聚合物纖維和纖 絲。目前優選的材料包括玻璃纖維，通常稱作纖維玻璃、碳纖維、芳族聚酰胺纖維，最著名 的是商品名Kevlar'以及超高分子量聚乙烯，例如Spectra% (霍尼韋爾公司（Honeywell Corporation))和DyneevaK (皇家DSM N.V公司）。絲狀材料可以包括，例如但不限于， 單股材料、多條單絲，其可以保留為一束分開的絲或者可以機織到一起成為多絲股，或者其 可以是絲狀帶，即截面的寬度大于其厚度的構建體。
[0055] -旦設置了絲狀材料，即，圍繞到壓力容器的需要其的部分上，則可以認為容器對 于容器的基礎強度提供元件是完整的，并且可以直接投入使用。但是，設置在絲狀圍繞物上 的保護層對于壓力容器通常經受的操作環境常常是有利的。此類保護層落在本發明的范 圍內，并且可以包括但不限于，圍繞在絲狀材料纏繞上并與其毗鄰的塑料帶、布料帶或金屬 帶。保護涂層還可包括金屬或聚合物的薄片，其以片狀設置在絲狀圍繞物上。又在另一個 實施方式中，保護層可包括作為制劑設置在絲狀圍繞物上的聚合物，如上所述該制劑不會 可察覺地滲透進入或浸漬絲狀材料。此類聚合物制劑包括但不限于，環氧化物聚合物制劑、 聚酯聚合物制劑、聚酰亞胺聚合物制劑、聚氨酯脲制劑和二環戊二烯聚合物制劑。在一些實 施方式中，聚合物制劑包括預聚物，即單體或低聚物，其中預聚物制劑具有如下性質，例如 高粘度，其防止預聚物制劑在固化前滲透進入或者浸漬絲狀材料圍繞物。
[0056] 包括如本文所述為容器提供強度的干燥絲狀材料外包覆的壓力容器可用于裝納 和傳輸可適于此類傳輸的任意類型的流體，只要容器內襯（無論其是金屬、陶瓷或聚合物） 的選擇對于所含的壓縮流體是不可透過且不可滲透的。本發明的壓力容器的一個目前優選 的用途是用于裝納和傳輸天然氣，通常稱作"壓縮天然氣"或者簡稱為"CNG"。
[0057] 可同時作為純凈氣體和"原料氣"，在本發明的容器中容納和運輸CNG。原料氣體 指的是直接來自油井且未經過加工的天然氣。當然，原料氣含有天然氣（甲烷）本身，但 是還可包含有液體，例如冷凝物、天然汽油和液化石油氣。還可存在水，以及還可存在其它 氣體，其為氣態或溶于水中，例如氮氣、二氧化碳和硫化氫。它們中的部分可能其自身是反 應性的，或者當溶于水中可能是反應性的，例如二氧化碳和硫化氫，當它們溶于水中時產生 酸。就對上述材料和可能組成原料氣的其它材料的化學耐性而言，目前優選的內襯聚合物 (二環戊二烯聚合物）具有優異的性質。高密度聚乙烯也能良好地用于原料氣體。基于本 文所公開的內容，對于原料氣體組分是不可透過的其他內襯材料是容易辨識的，具有本發 明的復合材料凸起部以及任意類型的容器或容器內襯組成的壓力容器都落在本發明的范 圍內。
【權利要求】
1. 一種壓力容器，其包括設置在容器表面上的干燥絲狀材料。
2. 如權利要求1所述的壓力容器，其特征在于，所述容器具有球形、扁球形或者環形形 狀。
3. 如權利要求1所述的壓力容器，其特征在于，所述容器是由強度不足以耐受容器中 所含的壓縮流體所施加的預期壓力的金屬、陶瓷或復合材料制造的。
4. 如權利要求3所述的壓力容器，其特征在于，將干燥絲狀材料設置在壓力容器的整 個表面上。
5. 如權利要求1所述的壓力容器，其特征在于，容器包括圓柱形中心部分以及一個或 兩個穹頂形端部。
6. 如權利要求5所述的壓力容器，其特征在于，所述圓柱形中心部分是由強度不足以 耐受容器中所含的壓縮流體所施加的預期壓力的金屬制造的，而穹頂形端部是由強度足以 耐受壓縮流體所施加的預期壓力的金屬或復合材料制造的。
7. 如權利要求6所述的壓力容器，其特征在于，干燥絲狀材料僅環包覆在圓柱形中心 部分上。
8. 如權利要求5所述的壓力容器，其特征在于，圓柱形中心部分是由強度不足以耐受 容器中所含的壓縮流體所施加的預期壓力的金屬制造的，而圓頂型端部是由類似的強度不 足以耐受容器中所含的壓縮流體所施加的預期壓力的金屬或復合材料制造的。
9. 如權利要求8所述的壓力容器，其特征在于，干燥絲狀材料環包覆在圓柱形中心部 分上或者環包覆且等張力包覆在圓柱形中心部分上并且等張力包覆在穹頂形端部上。
10. 如權利要求5所述的壓力容器，其特征在于，圓柱形中心部分和穹頂形端部是由強 度不足以耐受容器中所含的壓縮流體所施加的預期壓力的復合材料制造的。
11. 如權利要求10所述的壓力容器，其特征在于，干燥絲狀材料環包覆在圓柱形中心 部分上或者環包覆且等張力包覆在圓柱形中心部分上并且等張力包覆在穹頂形端部上。
12. 如權利要求1-11中任一項所述的壓力容器，其特征在于，干燥絲狀材料選自下組： 玻璃纖絲、碳纖絲、芳香族聚酰胺纖絲和高密度聚乙烯纖絲。
13. 如權利要求1-12中任一項所述的壓力容器，其特征在于，用保護層覆蓋設置在容 器上的干燥絲狀材料。
14. 如權利要求13所述的壓力容器，其特征在于，保護層包含不會可察覺地滲透或者 浸漬干燥纖維材料的聚合物。
15. 如權利要求14所述的壓力容器其特征在于，聚合物選自：二環戊二烯聚合物、聚氨 酯脲聚合物和環氧化物聚合物。
16. 如權利要求15所述的壓力容器，其特征在于，將聚合物設置在干燥絲狀材料上，設 置的厚度為2-6mm。
17. 如權利要求13所述的壓力容器，其特征在于，保護層選自：塑料帶、布料帶和金屬 帶。
18. 如權利要求13所述的壓力容器，其特征在于，保護層包括金屬薄片。
【文檔編號】F17C1/16GK104254730SQ201180076340
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2011年12月5日 優先權日:2011年12月5日
【發明者】F·內蒂斯, B·斯班賽, Z·斯班賽 申請人:藍波股份有限公司