壓力容器以及將壓縮天然氣加載到壓力容器內(nèi)的方法
【專利摘要】用于儲存和運(yùn)輸CNG的壓力容器包括限定內(nèi)部容積的本體，CNG在內(nèi)部容積內(nèi)儲存和運(yùn)輸。設(shè)有入口，CNG能通過所述入口加載到所述容器的所述內(nèi)部容積內(nèi)。在所述入口的末端處有CNG膨脹部段，當(dāng)加載CNG時，CNG通過該膨脹部段膨脹到容器內(nèi)。壓力容器還包括CNG加載附件，以在容器的內(nèi)部容積的某點(diǎn)處注入CNG，由此增大CNG膨脹點(diǎn)和容器壁之間的空間。
【專利說明】壓力容器以及將壓縮天然氣加載到壓力容器內(nèi)的方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓力容器以及將壓縮天然氣（CNG)加載到壓力容器內(nèi)的方法。一 旦加載，壓縮天然氣可儲存在壓力容器內(nèi)或者在該壓力容器內(nèi)運(yùn)送到其它地方。
[0002] 壓縮天然氣是天然氣（通常為原態(tài)天然氣）的一種形式，由此，在該壓縮狀態(tài)下 (在室溫（20攝氏度）下可能處于200到300巴的壓力下，S卩，通常在250巴左右），它可在 這樣的體積內(nèi)進(jìn)行儲存和運(yùn)送，該體積占據(jù)了大氣壓下氣體將占據(jù)的體積的非常小的一部 分。通常，體積減少約99%，S卩，氣體占據(jù)了大氣壓下氣體將占據(jù)的體積的也許僅1%或更 少。因此，通過使用壓力容器來運(yùn)送CNG是商業(yè)上可行的選擇，并且與使用管線來運(yùn)送原態(tài) 天然氣相比，由于后者涉及的距離通常較長和/或管線須延伸跨越的洋或海的水域通常較 深，所以前者可能是商業(yè)上優(yōu)選的選擇。
[0003] 將天然氣加壓到這些容器內(nèi)可直接通過使用氣體在天然地下井中被發(fā)現(xiàn)時的氣 體高壓來實現(xiàn)。在此情況下，可使用設(shè)置在鉆機(jī)處的管道系統(tǒng)將氣體從井直接注入容器內(nèi)。 然后，井的壓力提供用于加載操作的所需壓力梯度。然而，作為替代方案，可替代地采用機(jī) 械壓縮機(jī)來將天然氣加壓到容器內(nèi)。那些壓縮機(jī)可將天然氣壓縮到期望的儲存壓力，即，壓 力處于如上討論的250巴的量級。
[0004] 將CNG加載到容器內(nèi)較佳的是快速的過程，這是因為許多容器將通常存在于運(yùn)輸 車輛上，諸如船或油輪。于是，快速但可靠且安全地將CNG加載到壓力容器內(nèi)會因此大大有 助于使得使用這種容器來運(yùn)送CNG更經(jīng)濟(jì)、加載時間更短、船的裝貨更快。例如，如果在船 上有200個容器需要依次加載并且如果每個容器花10分鐘加載，則船的總裝貨時間將是33 個小時。因此，將加載時間縮短為5分鐘大大有助于運(yùn)送效率。為此，通過將天然氣快速加 載到容器內(nèi)來加載容器，并且這在加載容器的初始階段中涉及允許加壓的CNG從供給管線 以快速和不受控的方式膨脹到"空的"容器內(nèi)。在本領(lǐng)域中被稱為節(jié)流（throttling)的該 過程涉及天然氣通過容器入口的快速絕熱膨脹。然而，天然氣在容器內(nèi)的快速膨脹會使氣 體快速冷卻并且也使容器的入口和圍繞該注入點(diǎn)的區(qū)域快速冷卻。這種冷卻效應(yīng)已熟知并 且在科學(xué)文獻(xiàn)中記載，并經(jīng)常被稱為"焦耳-湯姆遜"效應(yīng)，下文中為JT效應(yīng)。如由天然氣 湍流膨脹到壓力容器內(nèi)所引起那樣，天然氣的這種冷卻會在加載過程一開始時非常迅速， 這是因為此時壓力變化最大。畢竟，"空的"容器將處于大氣壓或者處于至少比入流的CNG 更顯著接近于大氣壓的壓力，由此壓力梯度處于最大。
[0005] 如上所建議那樣，膨脹和冷卻的天然氣將易于冷卻入口、即容器頸部以及容器的 圍繞該入口的內(nèi)壁。它們還將冷卻容器的其余部分，但由于容器的這些其它部分不太接近 于膨脹點(diǎn)因此冷卻（劇烈）程度不同。
[0006] 入口周圍的冷卻會造成容器材料暴露于極低溫度以及跨越整個容器的較大溫度 梯度。這在外面溫度已經(jīng)非常低、即零下攝氏度的情況下尤其有問題，這種情況會在某些鉆 機(jī)區(qū)域內(nèi)或者一年中的某些時段中出現(xiàn)。容器內(nèi)壁的最接近該入口（或者如果采用多于一 個入口來加載CNG則為多個入口）的區(qū)域?qū)⒂绕浔┞队谶@些低溫，并且由于接近于膨脹點(diǎn) 而具有相對于容器的更遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域（即具有CNG膨脹的最湍流部分的區(qū)域）的溫度梯度。此 夕卜，由于這些入口區(qū)域通常呈"頸部"形狀，諸如呈瓶頸形狀，在整個容器壁上的溫度梯度會 造成容器壁內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變一相對較小直徑的頸部將由于其溫度降低而試圖收縮，而周圍 部分將試圖以不同速率收縮。
[0007] 當(dāng)使材料冷卻時，其材料特性會改變，從而通常使部件/壁更脆性。此外，離岸地 和近岸地儲存和運(yùn)送CNG的經(jīng)驗表明：加載和卸載CNG的反復(fù)循環(huán)以及通過由此產(chǎn)生的JT 效應(yīng)對容器的反復(fù)冷卻會造成使容器的入口和周圍壁、即最暴露于膨脹（以及由此冷卻） 氣體的區(qū)域逐步劣化或者可能甚至是脆裂，并且這會造成材料特性的改變。
[0008] 在金屬壓力容器的情況下，降低的強(qiáng)度或者其它改變的特性使得通常在微裂紋或 其它可能更嚴(yán)重缺陷的可接受度方面的容忍度減小。畢竟，它們會具有造成容器的災(zāi)難性 失效、即容器爆裂的可能性。
[0009] 同樣，金屬容器也會只是由于疲勞而失效，這種疲勞是由反復(fù)加載和卸載容器產(chǎn) 生的循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變造成的，并且較冷環(huán)境將減少疲勞壽命。
[0010] 在復(fù)合材料壓力容器的情況下，脆化問題不太可能造成大規(guī)模開裂和災(zāi)難性失 效，但開裂仍會最可能出現(xiàn)在基質(zhì)材料內(nèi)（通常為聚合物樹脂），這通常造成微裂紋，以及 由此帶來有問題的CNG泄漏。然而，這些失效均被歸類為容器入口和/或壁的"JT脆化"， 并且通常起初在其內(nèi)部區(qū)域內(nèi)顯現(xiàn)，并且由此看起來是需要更換該容器的容器機(jī)械失效， 但更換是個昂貴過程，因為每個容器都是昂貴的物品。
[0011] 因此，從機(jī)械和經(jīng)濟(jì)角度看，考慮到JT效應(yīng)的存在對加載CNG壓力容器的過程來 說是不可避免的結(jié)果，在加載容器過程中控制JT效應(yīng)的作用對容器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和耐久 性是關(guān)鍵的。
[0012] 在存在上面討論的所有問題的情況下，本發(fā)明試圖減少JT效應(yīng)對用于容納、儲存 和運(yùn)輸CNG的壓力容器的影響。特別是，本發(fā)明的目的是減少容器的JT脆化的發(fā)生率，由 此將減少容器失效的數(shù)量，并且首先第一位的是要使容器的預(yù)期使用壽命更長。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于儲存和運(yùn)輸CNG的壓力容器，所述壓力容器包括限定 內(nèi)部容積的本體，CNG在該內(nèi)部容積內(nèi)儲存和運(yùn)輸，所述本體具有入口，CNG能通過所述入 口加載到所述容器的所述內(nèi)部容積內(nèi)，所述入口包括加載附件，該加載附件從其近端延伸 到其自由遠(yuǎn)端，以相對于所述容器的所述內(nèi)部容積向內(nèi)突出。通過具有該附件，氣體在進(jìn)入 容器時將仍膨脹。然而，氣體將最快速地使附件、而不是使容器的頸部或端壁冷卻。然而， 該附件可自由膨脹和收縮，并且它將不會暴露于外部加載力，因為它與容器頸部間隔開，并 且位于容器內(nèi)部。
[0014] 較佳地，容器的本體大致由圓筒形部分限定并且具有兩個蓋，且入口位于這些蓋 中的一個內(nèi)或上。
[0015] 較佳地，蓋中的至少一個具有拱頂形狀。
[0016] 較佳地，所述入口以相對于拱頂形狀的軸線為大致軸對稱構(gòu)造位于所述容器的拱 頂形狀上、即蓋中的一個上。
[0017] 較佳地，拱頂形狀具有軸向深度，且加載附件的延伸量等于或約等于拱頂?shù)妮S向 深度的兩倍。
[0018] 在另一種結(jié)構(gòu)中，拱頂形狀具有軸向深度，且加載附件的延伸量等于或約等于拱 頂?shù)妮S向深度的一倍半。
[0019] 較佳地，加載附件大致沿容器軸線延伸。該軸線通常是容器的縱向軸線，因為容器 將通常為長形的。
[0020] 該容器可以是金屬（例如，鋼）容器或者復(fù)合容器或者例如鋼和復(fù)合物的混合型 容器。
[0021] 該容器可具有超過2米、即較佳達(dá)20米的長度。
[0022] 該容器可為大致圓筒形，或者它可具有大致圓筒形部段，并具有1米或更大、例如 6米的外直徑。
[0023] 較佳地，加載附件大致通過或向容器的中部延伸。
[0024] 加載附件可具有漸變的內(nèi)部尺寸，S卩，尺寸向加載附件的自由遠(yuǎn)端比在近端處大。
[0025] 該加載附件可形成為相對于容器的不同結(jié)構(gòu)，并且在容器的頸部結(jié)構(gòu)或者壁開口 之處或之內(nèi)密封地聯(lián)接于容器。
[0026] 加載附件可在容器內(nèi)形成懸臂梁。
[0027] 附件的近端可約束于所述容器的頸部結(jié)構(gòu)或者壁開口之處或之內(nèi)。
[0028] 較佳地，加載附件由金屬制成。較佳地，金屬是鋼。替代的結(jié)構(gòu)可使加載附件由聚 合材料制成。
[0029] 附件可一體形成為容器的入口的一部分。該入口連同其附件將構(gòu)成上述不同結(jié)構(gòu) 的一部分。然而，替代地，入口及其附件均可一體形成為容器的一部分。
[0030] 較佳地，相對于容器的中心軸線或者縱向軸線而言，所述加載附件的向內(nèi)延伸量 與所述容器的內(nèi)部最大徑向尺寸大致一樣長。
[0031] 相對于容器的中心軸線或者縱向軸線而言，加載附件的向內(nèi)延伸量可比所述容器 的內(nèi)部最大徑向尺寸長，但比該軸線的內(nèi)部長度短。
[0032] 附件具有自由端，因為它不在容器內(nèi)部的整個長度上延伸。于是，相對于容器的中 心軸線或者縱向軸線，加載附件的向內(nèi)延伸量在容器的內(nèi)部最大直徑尺寸的40%到80% 之間。
[0033] 較佳地，入口形狀為圓形。
[0034] 較佳地，加載附件為大致管狀。
[0035] 例如，加載附件可為中空的并且具有通過其中間從一端延伸到另一端的中心孔。
[0036] 加載附件可包括延伸通過其側(cè)壁的多個孔。
[0037] 加載附件的遠(yuǎn)端包括擴(kuò)散器頭。
[0038] 較佳地，擴(kuò)散器頭包括多個孔。
[0039] 各孔的橫截面面積之和可約等于或者可超過附件的最小內(nèi)部和敞開的總橫截面 面積。這確保附件不在其膨脹到容器內(nèi)之前不必要地進(jìn)一步約束流體流動。
[0040] 橫截面面積之和可約等于或可超過具有12英寸（約30厘米）直徑的圓的橫截面 面積，即面積應(yīng)至少為700cm 2。
[0041] 橫截面面積之和可約等于或可超過具有24英寸（約60厘米）的直徑的圓的橫截 面面積，即面積應(yīng)至少為2800cm 2。
[0042] 本發(fā)明還提供一種將CNG加載到壓力容器內(nèi)的方法，所述方法包括如下步驟：
[0043] 提供壓力容器，所述壓力容器具有限定用于容納CNG的內(nèi)部容積的本體，所述壓 力容器具有用于將CNG加載到所述容器內(nèi)的入口，并且所述入口包括加載附件，所述加載 附件從其近端延伸到其自由的遠(yuǎn)端，以相對于所述容器的所述內(nèi)部容積向內(nèi)突出；
[0044] 提供CNG的高壓供給管線，并且將所述管線經(jīng)由所述入口與所述容器聯(lián)接；以及 用CNG將容器填充到期望的最終壓力。
[0045] 在填充步驟之前，所述內(nèi)部容積通常設(shè)置成基本上沒有CNG，或者是其內(nèi)的殘余 CNG相對于CNG供給管線的高壓來說處于低壓。例如，該壓力可以是大氣壓。然而，通常， 該壓力將升高到略高于大氣壓，這是因為由于時間效率的原因容器整個排空CNG是不常見 的。
[0046] 較佳地，所述供給管線連接到壓力探測器，所述壓力探測器用于探測所述容器內(nèi) 的壓力，并且當(dāng)探測到預(yù)設(shè)定在控制機(jī)構(gòu)內(nèi)的期望的最終壓力時，經(jīng)由閥來切斷填充步驟。 [0047] 用于該方法的壓力容器將通常根據(jù)本發(fā)明的第一方面。
[0048] 現(xiàn)在將僅借助示例、參照附圖來更詳細(xì)描述本發(fā)明的這些和其它較佳或可選特 征，在附圖中：
[0049] 圖1是將CNG加載到現(xiàn)有技術(shù)的壓力容器內(nèi)的示意圖，其中，以局部剖視圖示出該 壓力容器；
[0050] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的壓力容器的、也是局部剖視的示意圖；
[0051] 圖3示意地示出用于示意地闡釋JT效應(yīng)對于CNG壓力容器的機(jī)械性能的影響的 曲線圖；以及
[0052] 圖4示意地示出剖過根據(jù)本發(fā)明的加載附件的出口部分的剖視圖。
[0053] 如圖1和2中所示，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的壓力容器10而圖2是根據(jù)本發(fā)明改型 的壓力容器100, CNG運(yùn)送容器10、100 -般具有圓筒形本體1、101以及位于其各端部（僅 示出一個端部）上的拱頂形端蓋2、102。這些拱頂形端部2、102會甚至比所示的更顯著或 者更不顯著，即，如圖1和2中所示，它們可以是相對平坦的并且具有倒圓肩部，或者它們可 以呈相對圓錐形并且僅具有緩和的主曲線以及更明顯倒圓的肩部（未示出），或者它們可 倒圓成半球形形狀（未示出）。
[0054] 在這些端蓋2、102內(nèi)或從這些端蓋起形成有用于容器10、100的頸部3、103。為了 加載容器10、100,將CNG通過頸部3、103注入容器10、100的內(nèi)部容積內(nèi)。此注入在氣體進(jìn) 入容器10、100時造成氣體的湍流膨脹8。在圖1中示意地示出膨脹8。該膨脹引起JT效 應(yīng)，這特別在多個加載/卸載循環(huán)之后會引起容器10、100的結(jié)構(gòu)（構(gòu)造）的JT脆化。
[0055] 在圖1中，容器10的最為暴露于JT脆化的區(qū)域位于具有氣體入口 6的端蓋2的 內(nèi)表面7上、即在頸部3處或附近。加載前容器10的壓力是容器初始壓力LP。諸如當(dāng)容 器10已基本上排空所有殘余CNG時，這通常將是相對低的壓力，并且它可能低到周圍的大 氣壓，即通常為1巴。然而，初始壓力LP通常將高于大氣壓，諸如也許是30到50巴。這是 因為在從容器10卸載CNG之后會在容器10內(nèi)留有殘余CNG。
[0056] 這是因為以下情況：從壓力容器10完全卸載CNG經(jīng)常是不切實際的，因為這將耗 時很久來維持加載效率。其次，通過使殘余壓力留在容器10內(nèi)，從高壓CNG源重新填充容 器時的壓力梯度不那么劇烈，由此至少一定程度上減少JT效應(yīng)的嚴(yán)重性。因此，即便在輸 送點(diǎn)或分配點(diǎn)處卸載CNG之后也會通常在容器10內(nèi)留有殘余CNG。
[0057] 如圖1中所示，通過將CNG輸送管線或管路5聯(lián)接于容器10來開始加載CNG。這 種聯(lián)接使得在輸送管路5和壓力容器10之間形成高壓密封6。通過輸送管線輸送的CNG 9 將處于高壓HP，該高壓會在幾百巴的數(shù)量級上，并且將通常為200到300巴之間。
[0058] 在許多應(yīng)用情況下，將輸送壓力設(shè)定為大約250巴。
[0059] 在輸送管線5和容器10的內(nèi)部容積4之間存在壓力梯度的情況下，則CNG 9在其 進(jìn)入容器10時膨脹8。此時，容器10的壓力開始增大。然而，膨脹還是會造成JT效應(yīng)。
[0060] 如上討論那樣，端蓋2的內(nèi)表面7加上頸部3將是最受JT效應(yīng)影響的區(qū)域。為了 減慢在這些區(qū)域處的任何給定位點(diǎn)處的膨脹速率，可看到頸部3在并入端蓋2時略向外漸 變。這允許氣體的略微更逐步的或受控的膨脹，并且還允許氣體以比供給管路5低的壓力 進(jìn)入容器的內(nèi)部容積的相對不受限制的自由空間內(nèi)。這會使JT效應(yīng)不局限于作用在容器 壁和頸部上。然而，仍在容器的頸部周圍以及端蓋2的內(nèi)表面7上最容易感受到這種效應(yīng)。
[0061] 在加載過程的最后階段中，供給管路和容器10的內(nèi)部容積之間的壓力梯度明顯 變小，并且CNG繼續(xù)流動直至容器被認(rèn)為完全加載好為止。此時，通過閥來切斷供給，以使 輸送管路5關(guān)閉。同樣，容器也能以傳統(tǒng)方式來關(guān)閉。然后，可使輸送管路5與容器10斷 開。
[0062] 傳感器可用于確定容器內(nèi)的壓力，并且可用于確定最佳的切斷時刻。
[0063] 然后，可運(yùn)送壓力容器，以使儲存在其內(nèi)的CNG能在期望的目的地卸下。
[0064] 然后重復(fù)該過程，其中，將新的CNG重新加載到空的容器10內(nèi)。
[0065] 這種加載和卸載循環(huán)將在壓力容器的使用壽命期間多次實施，這或許在容器的使 用壽命過程中是幾百或者幾千次。因此，容器需要在結(jié)構(gòu)上能夠應(yīng)付加載/卸載過程中反 復(fù)的熱以及機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變。此外，由于加載和卸載經(jīng)常會在嚴(yán)苛環(huán)境中進(jìn)行，諸如在極冷 或熱的溫度下，諸如是在沙漠或者極地環(huán)境中，并且由于快速地搬運(yùn)容器因此也許沒有盡 最大可能注意和當(dāng)心，容器仍須堅固并且能夠經(jīng)受這種處理，而且在這種處理的最壞階段 (特別是當(dāng)壓力梯度處于其峰值、即在加載操作開始時）不發(fā)生斷裂。
[0066] 為了允許容器更易于應(yīng)付這些極端情況，如圖2中所示，本發(fā)明附加地在容器100 的頸部103內(nèi)提供加載附件110。該附件有助于減輕CNG膨脹到壓力容器100內(nèi)時的不期 望的JT效應(yīng)。
[0067] 加載附件110整個設(shè)置在容器100內(nèi)部，其中，頸部103構(gòu)成該容器100的一部分。 附件110部分地容納于容器100的頸部103內(nèi)，而其余部分則延伸到容器100的內(nèi)部容積 104 內(nèi)。
[0068] 附件110的標(biāo)稱外直徑示出為是不變的。同樣，標(biāo)稱內(nèi)直徑示出為也是不變的。
[0069] 在頸部103處，附件110的標(biāo)稱直徑約等于容器100的頸部103的標(biāo)稱內(nèi)直徑。借 助過盈配合以及采用本領(lǐng)域中已知的方法進(jìn)行適當(dāng)密封，使附件110相對于頸部103密封。 然而，將這種附件安裝到容器內(nèi)部的其它方法也是可以的。例如，附件可一體地形成于容器 頸部處。
[0070] 附件110也示出為從容器100的頸部103向容器100的中部懸伸，由此具有在容 器100內(nèi)延伸的自由長度。
[0071] 加載附件110在此基本實施例中由一段管狀管路來提供。加載附件具有CNG入口 111和CNG出口 112以供CNG通過。
[0072] 入口 111構(gòu)造在附件的近端處，并且永久或者可釋放地聯(lián)接于諸如本領(lǐng)域中已知 的、用于連接到CNG輸送管線或者管路5的連接件。例如參見圖1。
[0073] CNG出口 112位于附件110的自由端或者遠(yuǎn)端上，該自由端或遠(yuǎn)端與容器100的頸 部103間隔開。由此，它起到使CNG釋放到容器100的內(nèi)部容積104內(nèi)的點(diǎn)與容器的頸部 103和端蓋102的內(nèi)表面107 (即容納頸部（或CNG入口）的端蓋）間隔開的作用。由此， CNG被釋放到容器100更內(nèi)部，使快速冷卻效應(yīng)對于頸部和內(nèi)表面107來說不那么顯著。替 代地，附件110經(jīng)受冷卻效應(yīng)的最壞情況。這是一種較佳的結(jié)構(gòu)，因為附件將不會引起容器 側(cè)壁內(nèi)的明顯加載。同樣它將不受外力作用。
[0074] 在此實施例中，附件110的自由長度以及位于其端部處的開口在容器內(nèi)部軸向地 延伸。然而，不同的幾何形狀也是可以的。僅為較佳的是，附件110允許CNG離開容器100 的頸部103和內(nèi)表面107足夠遠(yuǎn)地釋放到容器100內(nèi)，以將對容器100的這些結(jié)構(gòu)上重要 的元件的JT效應(yīng)減到最少。
[0075] 現(xiàn)轉(zhuǎn)到加載附件的尺寸方面，在圖2中可見懸伸的加載附件110的自由長度為壓 力容器100的端蓋102的軸向深度L的約1. 5倍。自由長度可比軸向長度L的例如2倍長 或甚至更長。
[0076] 在其它實施例中，加載附件110的自由長度能以容器的圓筒形本體的內(nèi)直徑的百 分比來計量，例如是容器的圓筒形本體的內(nèi)直徑D的約40%，即它可比容器的圓筒形本體 的內(nèi)半徑小約10%，或者如所示它可以更長，例如如所示為內(nèi)直徑的約60%或更長，8葉匕 半徑更長。
[0077] 在另一實施例中，長度可長達(dá)所述內(nèi)直徑D的80%。
[0078] 在較佳結(jié)構(gòu)中，加載附件插入的自由長度為容器直徑D的40 %至80 %之間。然而， 在其它實施例中，加載附件的自由長度可為容器100的內(nèi)部長度的10%至80%之間，S卩，它 無須在容器的整個內(nèi)部長度上延伸，并且較佳地比容器的內(nèi)部長度短得多，即，較佳地不超 過該長度的一半，或者不超過該長度的四分之一。
[0079] 因為加載附件設(shè)計成在離開容器的拱頂內(nèi)壁足夠遠(yuǎn)的位置提供使氣體進(jìn)入容 器的入口，較佳的是加載附件的自由長度達(dá)到或者等于容器的內(nèi)直徑D的一半（即，D的 50% )。使該自由長度與使端部遠(yuǎn)離容器壁而提供最低限度額外益處所需的長度相比更長， 如下文闡釋那樣，但這將使其在制造時需要附加材料，這首先是由于其增加的長度，其次是 為了補(bǔ)償它將例如由于運(yùn)輸振動而受到的增大的懸伸力。于是，加載附件的成本將增加。
[0080] 在使端部遠(yuǎn)離容器壁方面沒有額外益處的原因在于，附加長度只不過將保持相對 于容器的圓筒形部分的最接近側(cè)壁的恒定接近度，而不管該長度是容器直徑的50%還是例 如該直徑的60%。然而，假設(shè)該長度為直徑的50%，即便在端部102為半球形拱頂?shù)那闆r 下，也具有如下益處，即，使得從該自由端到容器的最接近側(cè)壁的距離最大化，以不再使側(cè) 壁的任何部分或者頸部暴露于由JT效應(yīng)引起的冷卻作用的極度集中。換言之，任何附加長 度將用于使入口更遠(yuǎn)離頸部，但這并不會使入口更遠(yuǎn)離圓筒壁。
[0081] 現(xiàn)參照附圖的圖3,其描述和簡要分析了響應(yīng)于CNG加載的CNG壓力容器的機(jī)械特 性。
[0082] 圖3的曲線圖示出根據(jù)時間t的容器的屈服強(qiáng)度〇 y(或者在復(fù)合結(jié)構(gòu)的情況下 為極限強(qiáng)度）、以及通過增加內(nèi)部壓力σ %和容器內(nèi)的溫度T而產(chǎn)生的應(yīng)力的特性。
[0083] 容器的內(nèi)部壓力隨著CNG加載到容器內(nèi)而增大。由容器壁支承的應(yīng)力〇 %相應(yīng) 增加。然而，隨著將CNG加載到容器內(nèi)，氣體溫度Τ由于JT效應(yīng)而起初減小。然后，溫度Τ 在瞬時t*時達(dá)到最小值。此后，容器內(nèi)的氣體溫度Τ增大，這是因為隨著容器內(nèi)壓力增大 (即存在較小的壓力梯度），JT效應(yīng)減到最少。
[0084] 與冷CNG接觸的容器內(nèi)壁的溫度將在該初始時間段期間同樣減小，但由于熱慣性 降溫有一定延遲（當(dāng)溫度下降時，氣體將比容器內(nèi)壁冷卻得更快）。容器內(nèi)壁的這種溫度降 低引起容器壁的屈服（或極限）強(qiáng)度σ y類似地下降（JT脆化），并且該溫度和屈服（或極 限）強(qiáng)度在時刻t**時達(dá)到最小值。這比瞬時t*更晚發(fā)生。這就是氣體比容器內(nèi) 表面更冷的原因，甚至當(dāng)氣體開始再次熱起來時，它仍暫時保持比容器的內(nèi)表面更冷，由此 氣體將在該短時段內(nèi)繼續(xù)降低壁的溫度。然而，最終，氣體達(dá)到超過壁溫的溫度，此時壁開 始再次熱起來并且屈服強(qiáng)度再次增大。
[0085] 容器材料的內(nèi)部的冷卻程度和速率決定了可能發(fā)生的容器的JT脆化量。在機(jī)械 方面，JT脆化將造成材料的屈服（或極限）強(qiáng)度 〇y減小，并且如所示由于容器的較低溫度 這會是瞬時效應(yīng)。然而，這也可以是累積效應(yīng)，由此反復(fù)加載和卸載造成屈服（或極限）強(qiáng) 度在較低的初始值開始，并且由此也達(dá)到較小的最低值。
[0086] 〇 y、σ op以及t**之間白勺關(guān)系將決定：由于1)因各器內(nèi)CNG壓力而造成對偵!J壁白勺 加載；以及2)由于發(fā)生的JT脆化而造成容器失效的可能性。在此方面，重要的是不允許屈 月艮（或極限）強(qiáng)度低到可由容器壁支承的應(yīng)力 〇()p以下。由此，壁的溫度下降過大 是不期望的，并且因此使這種降溫減到最少是較佳的。這就是本發(fā)明的附件所起到的作用： 容器中最冷的部分（即附件）仍是容器的非壓力承載元件，并且保持流入氣體的最冷部分 盡可能遠(yuǎn)離容器的壓力承載側(cè)壁/端部。
[0087] 最后，圖4示出附件213的改型，這種改型允許提供更長的附件213以及更大的總 開口橫截面面積，以允許CNG從高壓供給管路更為受控地膨脹。
[0088] 加載附件的該實施例包括CNG擴(kuò)散器頭。擴(kuò)散器頭包括多個孔A1到A5?？稍O(shè)有 許多這種孔。
[0089] 在該圖中示出五個。這些孔設(shè)置成允許氣體通過多個孔擴(kuò)散，而不是僅從一個出 口膨脹。
[0090] 在圖4的實施例中，加載附件213的孔提供多個氣體出口，并且它們均可向呈懸臂 梁形式的附件（附件如之前那樣附連到容器的端蓋）的遠(yuǎn)端定位。此外，它可支承于容器 頸部內(nèi)，盡管這在圖4中未示出。
[0091] 擴(kuò)散器頭有助于減少JT效應(yīng)的影響。這是因為：與僅流過附件的中空管相比，擴(kuò) 散器頭將允許氣體在進(jìn)入容器時經(jīng)過更大的開口橫截面面積。由此，氣體將在容器的更大 比例的容積上膨脹，由此膨脹不那么局限于特定點(diǎn)。盡管如此，通過附件的高壓氣體量可保 持在全開狀態(tài)下，以確保氣體盡可能快速地加載到容器內(nèi)。
[0092] 此外，由于CNG可通過若干開口而不是僅一個開口，它在進(jìn)入容器時更少湍流地 膨脹和/或更廣地散布，由此具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過每個開口的氣體體積更小，因此在其與壁 的特定區(qū)域直接相互作用方面的強(qiáng)度不太集中。
[0093] 圖4示出位于加載附件213的遠(yuǎn)端上的總共五個CNG擴(kuò)散器孔。一個較佳為圓形 的孔A3與容器縱向軸線成一直線地開口，并且位于擴(kuò)散器頭的垂直于所述軸線的壁上。該 孔示出為與加載附件同軸并且由此還較佳地與容器同軸。其它四個孔、如所示兩個位于擴(kuò) 散器頂面、兩個位于擴(kuò)散器底面，相對于該軸線橫向地開口。
[0094] 其它孔（未示出）可在紙面內(nèi)延伸并且延伸到紙面外。
[0095] 在圖4中，孔相對于如所示穿過容器軸線的水平面對稱設(shè)置，即各孔關(guān)于所述水 平面彼此相對地設(shè)置。這有利于均勻擴(kuò)散，盡管這不是本發(fā)明的重要特征。
[0096] 為了在加載時增大CNG擴(kuò)散，設(shè)計孔的尺寸時遵循如下標(biāo)準(zhǔn)：各孔的橫截面面積 之和應(yīng)大于延伸通過容器頸部（或者如果較小則是通過附件）的孔的橫截面面積。
[0097] 在此實施例中，容器頸部提供18英寸（約45厘米）的孔，而所述面積之和大于或 約等于具有約18英寸（約45厘米）的直徑的圓的面積、即通過容器頸部的氣體入口的面 積。
[0098] CNG壓力容器的入口頸部的另一較佳標(biāo)稱直徑為24英寸（約60厘米）。設(shè)計孔 的尺寸時適用相同標(biāo)準(zhǔn)：開口表面的面積之和可等于或超過具有約24英寸（約60厘米） 的圓的面積。
[0099] 給定其功能的情況下，加載附件可用不同材料制成。可用于附件的材料的示例是 金屬，特別是已由用于CNG應(yīng)用的相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的金屬，像某些級別的碳鋼。然而，這 些加載附件可由鋁制成，鋁比鋼更輕并且具有良好的耐腐蝕性。如果要將成本保持較低，則 碳鋼是較佳的。聚合材料或增強(qiáng)型聚合材料對于加載附件也是可行的，這些材料一般耐腐 蝕、更低價且比金屬更輕。它們也需要焊接，并且它們可以是順應(yīng)性的以進(jìn)行更簡單地組 裝。由于聚合材料或增強(qiáng)型聚合材料輕質(zhì)，它們也可更長，而不會引起額外的懸伸力，特別 是當(dāng)在使用時保持在水平情況下時。
[0100] 使用本發(fā)明的壓力容器能承載多種氣體，諸如來自鉆井的原氣，包括原態(tài)天然氣， 例如當(dāng)被壓縮時的原態(tài)CNG或RCNG、*H2、或C02或加工過的天然氣（甲烷），或者是原態(tài) 天然氣或部分加工的天然氣，例如〇)2份額達(dá)到14%摩爾、45份額達(dá)到1000--111、或者!12和 C〇2氣體雜質(zhì)、或其它雜質(zhì)或腐蝕性種類。然而，較佳的用途是CNG運(yùn)輸，無論是原態(tài)CNG、 部分加工的CNG或者清潔CNG (加工到標(biāo)準(zhǔn)的可輸送到終端用戶例如，商用、工業(yè)或住宅）。
[0101] CNG可包括可變混合比的各種可能組成成分，一些成分處于氣相，另一些處于液 相，或者氣相與液相的混合物。那些組成成分將通常包括下述化合物中的一種或多種：c 2h 6, c3h8, c4h1q，c5h12, c6h14, c7h16, c8h18, c9+烴類，co2和h2s加上可能的液態(tài)甲苯、柴油和辛烷和 其它雜質(zhì)/種類。
[0102] 僅借助示例上面描述了本發(fā)明。在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)可對本發(fā)明作詳細(xì)改 型。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于儲存和運(yùn)輸CNG的壓力容器，所述壓力容器包括限定內(nèi)部容積的本體，CNG 在內(nèi)部容積內(nèi)儲存和運(yùn)輸，所述本體具有入口，CNG能通過所述入口加載到所述容器的所述 內(nèi)部容積內(nèi)，所述入口包括加載附件，所述加載附件從其近端延伸到其自由的遠(yuǎn)端，以相對 于所述容器的所述內(nèi)部容積向內(nèi)突出。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓力容器，其特征在于，所述容器的所述本體大致由圓筒形部 分限定并且具有兩個蓋，且所述入口位于所述蓋中的一個內(nèi)或上。
3. 如權(quán)利要求3所述的壓力容器，其特征在于，所述蓋中的至少一個具有拱頂形狀。
4. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述入口以相對于拱頂形 狀的軸線為大致軸對稱構(gòu)造位于所述容器的拱頂形狀上。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的壓力容器，其特征在于，所述拱頂形狀具有軸向深度，且所 述加載附件的延伸量等于或約等于拱頂?shù)妮S向深度的兩倍。
6. 如權(quán)利要求3或4所述的壓力容器，其特征在于，所述拱頂形狀具有軸向深度，且所 述加載附件的延伸量等于或約等于拱頂?shù)妮S向深度的一倍半。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件大致沿所述 容器的軸線延伸。
8. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件大致通過或 向所述容器的中部延伸。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件具有漸變的 內(nèi)部尺寸，所述內(nèi)部尺寸向所述加載附件的自由的遠(yuǎn)端比在近端處更大。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件形成為相對 于所述容器為不同結(jié)構(gòu)，并且在所述容器的頸部結(jié)構(gòu)或者壁開口之處或之內(nèi)密封地聯(lián)接于 所述容器。
11. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件在所述容器 內(nèi)形成懸臂梁，所述加載附件的近端約束于所述容器的頸部結(jié)構(gòu)或者壁開口之處或之內(nèi)。
12. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件由金屬制 成。
13. 如權(quán)利要求12所述的壓力容器，其特征在于，所述金屬是鋼。
14. 如權(quán)利要求1-11中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件由聚合材 料制成。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件一體形成為 所述容器的一部分。
16. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，相對于所述容器的中心軸 線或者縱向軸線而言，所述加載附件的向內(nèi)延伸量與所述容器的內(nèi)部最大徑向尺寸大致一 樣長。
17. 如權(quán)利要求1-15中任一項所述的壓力容器，其特征在于，相對于所述容器的中心 軸線或者縱向軸線而言，所述加載附件的向內(nèi)延伸量比所述容器的內(nèi)部最大徑向尺寸長， 但比所述軸線的內(nèi)部長度短。
18. 如權(quán)利要求1-15中任一項所述的壓力容器，其特征在于，相對于所述容器的中心 軸線或者縱向軸線而言，所述加載附件的向內(nèi)延伸量在所述容器的內(nèi)部最大直徑尺寸的 40%到80%之間。
19. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述入口的形狀為圓形。
20. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件為大致管 狀。
21. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件為中空的并 且具有單個中心孔。
22. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件包括穿過其 側(cè)壁的多個孔。
23. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述加載附件的所述遠(yuǎn)端 包括擴(kuò)散器頭。
24. 如權(quán)利要求21所述的壓力容器，其特征在于，所述擴(kuò)散器頭包括多個孔。
25. 如權(quán)利要求22或24所述的壓力容器，其特征在于，所述各孔的橫截面面積之和等 于或超過附件的最小內(nèi)部和開口的總橫截面面積。
26. 如權(quán)利要求25所述的壓力容器，其特征在于，橫截面面積之和等于或超過具有12 英寸（約30厘米）的直徑的圓的橫截面面積。
27. 如權(quán)利要求25所述的壓力容器，其特征在于，橫截面面積之和等于或超過具有24 英寸（約60厘米）的直徑的圓的橫截面面積。
28. -種基本上如參照圖2到4中的任一個或多個之前描述的壓力容器。
29. -種將CNG加載到壓力容器內(nèi)的方法，所述方法包括如下步驟： 提供壓力容器，所述壓力容器具有限定用于容納CNG的內(nèi)部容積的本體，所述壓力容 器具有用于將CNG加載到所述容器內(nèi)的入口，所述入口包括加載附件，所述加載附件從其 近端延伸到其自由的遠(yuǎn)端，以相對于所述容器的所述內(nèi)部容積向內(nèi)突出； 提供CNG的高壓供給管線，并且將所述管線經(jīng)由所述入口與所述容器聯(lián)接；以及 用CNG將所述容器填充到期望的最終壓力。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，在填充步驟之前，所述內(nèi)部容積設(shè)置成基 本上沒有CNG，或者是殘余CNG相對于CNG供給管線的高壓來說處于低壓下。
31. 如權(quán)利要求29或30所述的方法，其特征在于，所述供給管線連接到壓力探測器，所 述壓力探測器用于探測所述容器內(nèi)的壓力，并且當(dāng)探測到預(yù)設(shè)定在控制機(jī)構(gòu)內(nèi)的期望的最 終壓力時，經(jīng)由閥來切斷填充步驟。
32. 如權(quán)利要求29、30或31所述的方法，其特征在于，所述壓力容器是根據(jù)權(quán)利要求 1-28中任一項所述的壓力容器。
33. -種基本上如參照圖2到4中的任一個或多個之前描述的將CNG加載到壓力容器 內(nèi)的方法。
34. -種基本上如參照圖2到4中的任一個或多個之前描述的用于CNG壓力容器內(nèi)的 加載附件。
35. -種包括如權(quán)利要求1-28中任一項所述的至少一個壓力容器的船。
【文檔編號】F17C5/06GK104094039SQ201180076325
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月5日
【發(fā)明者】F·內(nèi)蒂斯, G·卡里尼, V·N·托馬瑟利 申請人:藍(lán)波股份有限公司