優(yōu)化的容器的制造方法
【專利摘要】一種用于CNG裝納的壓力容器包括封閉在兩個端部拱頂之間的圓柱形本體。圓柱形本體和拱頂形成用于容納CNG的凸形體積和表面。圓柱形本體具有一直徑和一長度。每個拱頂具有與圓柱直徑相匹配的基本直徑以及軸向高度。壓力容器的總長度由圓柱形本體的軸向長度和拱頂?shù)妮S向高度來定義。壓力容器長度和圓柱形本體的直徑之比包括在1和2之間的范圍內，或等于1或2，于是，所得壓力容器看起來緊湊，并具有良好比例的每單位表面積的內部體積。
【專利說明】優(yōu)化的容器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓力容器，具體來說，涉及用于封裝壓縮天然氣（CNG)的壓力容器。此 夕卜，本發(fā)明涉及對于其形狀的適用性已經基本上優(yōu)化的壓力容器。
[0002] 本發(fā)明還涉及制造上述壓力容器的方法，以及涉及水上或陸上運輸氣體的載運工 具。

【背景技術】
[0003] 用于儲存和運輸CNG的圓柱形壓力容器在行內是廣泛所知的。好幾個有利的特征 與容器的圓柱形形狀相關。例如，如此容器可并排地、垂直地或水平地堆疊，以及它們還可 構造成位于模塊或隔間內，這些模塊設計成容納許多如此的容器。
[0004] 如果容器長度是其寬度的好幾倍，例如，3X其寬度（或大于2.5X其寬度），則容 器將類似于一維的相對細長的結構。對于容器的這種主要軸向尺寸對容器的可堆疊性可具 有有利的影響，因此，也對含有如此堆疊的容器的多個模塊的編組能力具有有利的影響，由 此，空間的使用可以是有效的（即，在整個設備中各相鄰容器之間可存在可接受的少量未 使用的空間）。
[0005] 由于圓柱的主要軸向尺寸，圓柱形壓力容器還與一定程度的可操縱性和搬運方便 性相關。這樣，沿著容器的縱向軸線水平地或垂直地滑動圓柱形壓力容器以從容器的模塊 或其支撐物中使容器滑入位置或滑出位置外就不復雜。
[0006] 此外，如果圓柱形容器是復合材料包裹的圓柱形容器（諸如用碳纖維加強的聚合 物包裹的容器），則使用公知的纖維纏繞技術，就可相對容易地將復合材料纏繞在內部基底 或內襯上。在這些過程中，通常用樹脂浸漬過的纖維連續(xù)地纏繞在內襯周圍，以形成環(huán)狀線 圈，它們沿著容器的縱向（軸向）尺寸均勻地布置在表面上，并關于容器的縱向軸線居中。 該"環(huán)狀包裹"包括圍繞其相關軸線旋轉圓柱形基底或內襯，然后，使用纖維分散機器或分 散頭來將纖維傳送到圓柱上并因此以連續(xù)的線圈纏繞在其周圍，纖維分散機器或分散頭直 線地移動靠近轉動的圓柱。線圈可以是接觸線圈，以使得纖維彼此盤卷或像開塞鉆那樣可 間距開。
[0007] 使用其他技術也可相對不復雜地制造圓柱形壓力容器。這是因為至少在原理上如 此容器可被簡單地想象成帶端蓋的管子。這樣，對于鋼制的圓柱形壓力容器來說，容器的管 狀部分可使用確定的管子制造方法進行制造，而然后可將端蓋焊接到端部上。
[0008] 行內還公知球形的壓力容器，它們也可用于儲存和運輸CNG，但這樣的壓力容器還 遠不及圓柱形壓力容器那樣頻繁地投入實際應用。
[0009] 球形容器的優(yōu)點是它們有利的體積與表面積之比，這允許將給定量的CNG儲存和 運輸在最輕的容器內（較小的表面積導致容器結構內較少的材料，因此使得容器較輕）。由 于該優(yōu)化的體積對表面積之比，球形容器還提供與相當?shù)膱A柱形容器相比更好的隔熱（或 較小的熱損失特征），即，用每單位體積的所含流體的較少隔熱材料可達到容器同樣的總體 隔熱系數(shù)。
[0010] 球形容器還趨于執(zhí)行比相當?shù)膱A柱形容器更佳的強度方式。這是由于內壓加載在 容器壁上的方式一這些負載基本上均勻地承載到球形容器的全部表面面積周圍，而負載在 圓柱形容器上因部位不同而變化。這樣，對于給定的CNG內壓，球形容器可設置有比相當 的圓柱形容器略薄的平均結構壁厚。這又起到比圓柱形結構更加減輕容器的效果。然而， 對于用纏繞纖維形成的復合容器來說，這種效果會被這些線圈的單純縱向強度的特征而抵 消，由此，需要附加層來控制/抵抗該多方向的負載。
[0011] 此外，由于球形容器固有的趨于滾動的傾向以及對于給定封裝的體積而言由于其 尺寸較大，所以，球形容器在其可操縱性和搬運/堆疊的方便性/效率方面，不能有利地與 圓柱形容器相比。
[0012] 就球形容器的復合殼體的纖維纏繞來說，這已經知道比圓柱形容器的復合殼體的 纖維纏繞更加困難。其原因在于缺乏容器可圍繞其轉動而使纖維以規(guī)則的環(huán)或圈容納在殼 體內的主軸線。這樣，對于球形容器來說，纏繞纖維的過程更加復雜,它需要圍繞球體小心 地定位纖維。這樣，纖維才可以形成要求的厚度均勻性和強度均勻性的方式纏繞在球體周 圍。
[0013] 纏繞球形形狀所采取的優(yōu)選方法被稱之為"螺旋纏繞"。（纖維的）纏繞仍然作為 線圈呈現(xiàn)在基底表面上。此外，圍繞球形壓力容器的纏繞仍可遵循開放的螺旋形樣式，即， 后一圈不會緊靠前一圈放置（但如此的鄰接也是可能的，就如圓柱形容器那樣）。然而，不 是如更廣泛用于圓柱形纏繞那樣規(guī)則地線性延伸的環(huán)或圈的樣式（參見圖3中附圖標記 154,各圈基本上沿容器中心縱向軸線居中并且在其上居中），各圈替代地以軸向轉動方式 纏繞，使得每個圈仍然具有基本上位于中心軸線上的轉動中心，而且使得各個其后的圈也 具有基本上位于同一點處的轉動中心，該點基本上為固定的點，并且基本上在球心處（為 了允許螺紋的厚度以及螺紋均勻性的不完善性，在實踐中將圍繞固定的中心點有略微的變 化，但偏差將是較小的）。
[0014] 如以上所給出的，顯然，對于使用螺旋纏繞工藝過程的均勻纏繞，每個相繼的圈相 對于前一圈圍繞中心轉過給定的角度，但同時保持恒定的中心點，而不是具有相對于固定 軸線的恒定角和沿該軸線的恒定移動的位移。
[0015] 較佳地，在整個螺旋纏繞過程中，該給定角保持恒定。
[0016] 因此，該"螺旋纏繞"的特征在于，相繼各環(huán)繞球心連續(xù)地轉動，使每個環(huán)具有基本 上對應于球形纏繞層直徑的半徑。
[0017] 然而，球形壓力容器的缺點在于，它們?yōu)榱诉_到所要求的屈服強度需要每個加強 單元使用更多的加強纖維。這是由于壁的曲率沿兩個方向，由此，環(huán)向應力不施加在主方向 上，環(huán)向應力是全方向的，因此，對于纖維纏繞的球體來說，需要更多層纖維來提供足夠的 多方向加強。
[0018] 例如，可通過參照容器壁的結構材料所需的總體屈服應力σ y來測量該差別：對于 用壁厚為"d"的鋼內襯制造的球形容器來說，為了提高〇y，與相當?shù)膱A柱形容器相比，即也 用厚度"d"的鋼內襯制造的容器，對復合層（其提供該強度 〇y)來說，每單位表面積需要 更多的纖維。換句話說，為了獲得相同水平的總屈服應力，有必要圍繞球形容器纏繞比大致 圓柱形容器多的纖維，以此來應付負載的全方向特性。因此，這導致加強的復合材料外包物 的較厚總體層。然而，這可用以下的事實來補償：壁的總面積將變得較小，并還由于如此較 厚壁的、細絲纏繞的球形容器的隔熱系數(shù)會變得高于相當?shù)募毥z纏繞的圓柱形容器的隔熱 系數(shù)。
[0019] 因此，每本發(fā)明的目標在于提供更優(yōu)化的壓力容器，即，具有上述許多優(yōu)點但缺點 較少的壓力容器。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于CNG裝納的壓力容器，其包括：
[0021] 具有直徑和軸向長度的圓柱形本體；
[0022] 分別具有軸向深度的兩個圓柱端部，圓柱形本體和圓柱端部一起形成大致凹入的 內部體積，其帶有用于容納CNG的大致凹入的內表面；以及
[0023] CNG 入口 / 出口，
[0024] 其中，壓力容器的總長度通過圓柱形本體的軸向長度加上圓柱端部的對應的軸向 深度來定義，每次均在內部測量，并且排除CNG入口 /出口的長度，以及
[0025] 壓力容器的總長度與圓柱形本體的內直徑之比包括在2:1和1:1之間的范圍內， 并包括2:1和1:1的值。
[0026] 還提供一種用于CNG裝納的壓力容器，其包括：
[0027] 具有直徑和軸向長度的圓柱形本體；
[0028] 分別具有軸向深度的兩個圓柱端部，圓柱形本體和圓柱端部一起形成大致凸出的 外部表面以及形成用于裝納CNG的內部體積的大致凹入的內表面；以及
[0029] CNG 入口 / 出口，
[0030] 其中，壓力容器的總長度通過將圓柱形本體的軸向長度加上圓柱端部的對應的軸 向深度來定義，它們均在內部測量，并且排除CNG入口 /出口的長度，以及
[0031] 壓力容器的總長度與圓柱形本體的外直徑之比包括在2:1到1:1之間的范圍內， 并包括2:1和1:1的值。
[0032] 術語CNG意指壓縮的天然氣，無論它是井內液流的流體，即從源頭未處理就被接 受的氣體和液體碳氫化合物，或是處理過的壓縮天然氣一這種壓縮天然氣將具有較少雜 質。
[0033] CNG流體能以可變混合比包括各種可能的組成成分，某些處于氣態(tài)，另一些處于液 態(tài)，或氣態(tài)和液態(tài)的混合。這些組成成分通常包括以下化合物中的一個或多個：C 2H6、C3H8、 C4H 1q、C5H12、C6H14、C 7H16、C8H18、C9+碳氫化合物，C0 2和H2S，加上可能的液態(tài)甲苯、柴油和辛烷。
[0034] 當在沒有任何入口或出口或其任何頸部的情況下考慮時，圓柱端部中的至少一個 端部較佳地呈拱頂?shù)男螤睢?br> [0035] 較佳地，該拱頂就其徑向范圍的至少90%而言基本上恒定的半徑。然而，短范圍也 可與圓柱形本體融合，以在壓力加載容器時減小容器材料內的應力集中。
[0036] 較佳地，兩個圓柱端部均呈如此拱頂?shù)男螤睢?br> [0037] 較佳地，兩個圓柱端部具有相同的軸向深度。這可用類似形狀或不同形狀來實現(xiàn)。
[0038] 較佳地，容器的體積和表面繞圓柱形本體的軸線大致呈軸對稱。
[0039] 較佳地，圓柱形本體的外直徑在5和50米之間。30米也是較佳的直徑。
[0040] 較佳地，容器適于承受50和150巴之間的內壓力。通常地，容器將適于承受至少 150巴的內壓力。
[0041] 較佳地，纖維加強的聚合物纖維設置在容器周圍。
[0042] 較佳地，纖維加強的聚合物層全設置在容器的圓柱形本體周圍。
[0043] 較佳地，纖維加強的聚合物層是環(huán)形包裹的纖維加強的聚合物層。
[0044] 較佳地，纖維加強的聚合物層覆蓋容器的圓柱形端部的至少80%或覆蓋直到入口 或出口的頸部、加上圓柱形本體。
[0045] 較佳地，圓柱端部是測地狀拱頂。
[0046] 較佳地，圓柱端部具有不小于容器總長度一半的半徑，該長度已如以上所述定義。
[0047] 較佳地，纖維加強的聚合物層是通過旋轉螺旋形環(huán)而螺旋形地包裹在圓柱端部 上。
[0048] 較佳地，纏繞的各環(huán)鄰抵于相應層內的鄰近環(huán)，由此，提供表面覆蓋纖維層。各環(huán) 可替代地間隔開。
[0049] 較佳地，多層纖維加強層形成在容器表面上。各層可在環(huán)向纏繞或螺旋纏繞之間 交替，角度可在鄰近各層之間或甚至在間隔開的對應層（諸如間隔開的環(huán)形纏繞物）之間 變化。由于容器結構中的負載分布，環(huán)形（圓柱形）部分所具有的纖維加強的聚合物的量 是端部的兩倍。
[0050] 較佳地，容器包括金屬內襯。該內襯可具有范圍在1mm和50mm之間的橫截面厚 度。其他的厚度也是可能的一該厚度可在該范圍之內，或甚至可比該范圍厚，尤其是在內襯 必須承受纏繞力之處，直徑越大，則內襯塌縮的風險就越大，由此內襯越厚。較佳地，盡管厚 度不大于10mm(或不大于直徑的1% )，內襯通常在最終產品中不是結構性作用，S卩，纏繞物 /層提供了絕大部分的結構強度，而不是內襯。
[0051] 較佳地，容器包括由以下之一制成的聚合物層：聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹 月旨、酚醛樹脂、高純度二環(huán)戊二烯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂以及聚酰亞胺樹脂。
[0052] 較佳地，容器包括纏繞的纖維加強物，該纏繞的纖維加強物包括以下中的至少一 個：碳纖維、玻璃纖維和Kevlaf^'(芳纟侖纖維）。
[0053] 較佳地，纖維加強的聚合物層施加到容器的表面上。對于尺寸較大的容器，例如直 徑為10米或更大的容器，該層可具有至少200mm的厚度。
[0054] 本文還描述了制造壓力容器的方法。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，可提供用于運輸CNG的載運工具，該載運工具包括如上所 述的至少一個壓力容器。該載運工具可以是船舶。
[0056] 本發(fā)明還提供運輸CNG的模塊，諸如船舶的船體，它包括如上所述的多個容器，各 容器通過管道連接在一起。
[0057] 現(xiàn)將參照附圖，僅借助于實例來詳細描述本發(fā)明的上述方面和其他方面，附圖 中：
[0058] 圖1示出大致圓柱形的壓力容器；
[0059] 圖2是從圖1中切出的放大的截面切出部分；
[0060] 圖3是從側面觀看的、纖維包裹壓力容器的方法的示意圖，該容器是根據(jù)本發(fā)明 實施例構造的；
[0061] 圖4是纖維包裹球形壓力容器的方法的示意圖；
[0062] 圖5是示意曲線圖，該曲線圖概括地示出圓柱形和球形壓力容器的在體積與表面 積之比和可制造性之間對比的相對定位，該圖包括概括地又圖示出本發(fā)明的壓力容器所在 的對比區(qū)域；以及
[0063] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的容器的示意截面圖。
[0064] 圖1示出用于壓縮天然氣的封裝或運輸?shù)碾p層圓柱形壓力容器。其形狀大致依據(jù) 從現(xiàn)有技術中所知的容器的形狀。這樣，容器10具有大致圓柱形的形狀，其結構或本體主 要沿一個方向延伸，即沿容器的縱向軸線方向，由此容器類似于圓柱而不是球體。
[0065] 容器形成有包含雙層的壁。見圖2。內層（即，內襯）100由鋼制成，諸如低碳鋼。 外層（其可以是復合材料加強層）由纖維加強的復合聚合物200制成，諸如碳纖維加強的 復合材料（CFRC)。來自現(xiàn)有技術的其他材料也是可能的。
[0066] 內層通常直接與CNG交界，而外層通常暴露于外部環(huán)境。
[0067] 在該容器10中，兩層100、200的厚度顯示為大致相等。然而，厚度可以不相同。例 如，內層（內襯100)的厚度可以是這樣：在CNG運輸過程中，它提供很少或不提供結構性能 力。相反，外層200倒可以提供容器的結構性能力，即承受住這些容器所暴露于的容器內升 高壓力所需的強度（這些容器將用于運輸CNG，CNG通常在高壓下加載到容器內，因而，CNG 基本上處于液態(tài)。這樣，現(xiàn)有技術的容器的名義壓力通常在20°C時約為250或300巴。因 此，這是容器設計為要安全承受的那個壓力）。
[0068] 由于金屬內襯可容易地設計成提供CNG裝納（金屬內襯通常是"氣密的"）和耐腐 蝕性，所以對于如此容器使用金屬內襯在工業(yè)中是很普遍的，不銹鋼可很好地抗鹽水腐蝕 以及類似的化學侵蝕、甚至是來自于許多或全部的侵蝕劑的腐蝕，侵蝕劑通常存在于儲存 的CNG中，由于CNG經常是原態(tài)的或未處理過，所以上述情況是有必要的。
[0069] 圖1中的容器還顯示為具有兩個端部11、12,這些所示端部11、12的形狀是新的。 此外，它們彼此不相同。
[0070] 如圖1所示，底端12容納用于將CNG20加載到容器10內以及從容器10卸載CNG20 的入口 /出口孔120。12英寸（30cm)的出口是較佳的。它通常適于連接到與多個如此容 器互連的管道系統(tǒng)。另一方面，頂端11容納用于容器內部檢查的人孔30。人孔顯示為用 螺栓擰緊。通過移去螺栓和移去蓋，使用者可爬入容器內作檢查。一般地，人孔是18英寸 (45cm)的人孔，或可能是24英寸（60cm)人孔。
[0071] 提供不同的端部、尤其是不同的規(guī)格，這也要求頂端和底端11、12的幾何形稍有 不同。盡管兩個端部11、12的總體形狀定義為大致的拱頂形或拱頂狀，但帶有頸部和蓋，頂 部拱頂沿軸向方向略深，而底部拱頂沿軸向方向略平些，或看起來緊湊。然而，其他的結構 布置也是可能的。
[0072] 在使用中，頂端11通常位于最上方。
[0073] 因此，容器10具有圓柱形本體40和頂端和底端或頂部和底部拱頂11、12,它們一 起形成容器總的軸向內部長度。圓柱形本體40還形成容器的內直徑。如圖1所示，這給出 了長度與直徑（內部）之比。長度在點A-A之間（S卩，頸部的底部之間）測量，直徑在點 B-B之間測量，點B-B位于容器內表面的相對側上。
[0074] 如此的比例大于2. 5:1，該比例給予容器以圓柱形的外觀。在該實施例中，該比例 約為5:1。
[0075] 本發(fā)明的容器可具有許多這樣的特征。尤其是，容器通常設計成承受類似的安全 工作壓力。然而，本發(fā)明容器的形狀、形式和結構通常將全不相同，這將在下文中描述。
[0076] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的壓力容器110。該容器沿軸向尺寸（縱向尺寸）看起來比 圖1中壓力容器更加緊湊。這是因為該容器的內部長度與直徑之比近似為2:1。內部長度又 是主腔室的內部長度，即，到頸部的底部，在該實施例中僅有一個頸部。根據(jù)圖3的點A-A， 沿容器縱向軸線進行測量。根據(jù)圖3的點B-B，從內部側壁橫貫中間測量內直徑。如果側壁 基本上不是完全的圓柱形（例如，如果側壁具有平緩的曲率），則測量值可以是峰值的內直 徑。
[0077] 根據(jù)本發(fā)明，容器將具有落入在1:1和2. 5:1之間或較佳地達2:1的范圍內的內 部長度與直徑之比。此外，容器通常將具有用于限定其縱向軸線的圓柱形部分。還有，容器 通常將具有帶有內部凹入表面的端壁（如從內部看，沿縱向方向和橫向方向凹入）。此外， 這些端壁中的一個或多個端壁通常將具有入口 /出口，從端壁的內部凹入表面到其頸部的 接合部形成凹入/凸出部分（如在縱向平面內看為凸出，如在橫向平面內看則為凹入）。
[0078] 還為較佳地，兩個端壁112 (如圖3中所示的左和右端壁）平滑地融合到容器的圓 柱形部分1000內或從圓柱形部分平滑地延伸出，見曲線111所示，但它們可比圖中所示更 為有角，見圖6所示。然而，一旦將CNG加載到容器內（S卩，增加容器內壓力），融合的接合 部減小這些接合部處的應力集中。融合的接合部還首先有助于纏繞操作，因為從鋪放細絲 和確定確保緊密層疊但又不使細絲裂開或損壞細絲所需的張力這兩方面，在纏繞過程中尖 銳的角度更加不可預見。
[0079] 如上所指出的，較佳地，可能的內部長度與直徑之比的范圍可包括比例1:1。由于 不管軸線假定所處的方向如何，內部長度和其內部直徑之比將等于1，所以完全球形容器也 將具有1:1的比例。這樣，1:1的比例本身不是新的。然而，這些球形容器不具有基本上為 圓柱形的中間部分，或介于兩個拱頂端部之間的任何類型的本體。相反，可僅定義為由兩個 拱頂端部構成，兩個端部均為半球形。因此，本發(fā)明將球形容器排除出其保護范圍。
[0080] 在本發(fā)明的實施例中，與現(xiàn)有技術的容器一樣，容器的內部長度可計算為：容器的 圓柱形部分或本體的內部長度（本體部分限定容器通過其中間的縱向軸線）加上容器兩端 處的拱頂端部的高度（或對應的軸向深度）之和。
[0081] 現(xiàn)將詳細地描述根據(jù)本發(fā)明第二方面的纏繞過程。
[0082] 參照圖3,不銹鋼內襯1100顯示為經歷纖維纏繞過程。該過程既包括環(huán)形包裹以 形成限定直螺旋（linear spiral) 154的圈154以及螺旋纏繞（helical winding,斜向纏 繞）以形成相繼各圈155、156、157和158的旋轉螺旋線。
[0083] 容器110的纏繞過程的基本特征在于，纖維（起始于第一自由端152并且止于或 超過第二點153)可以是單細絲、纖維帶或織物或是它們的組合，這種纖維沿本體1000以 第一環(huán)或螺旋狀形式154像線圈那樣卷繞，然后以由旋轉的各環(huán)155、156、157、158定義的 重復、旋轉的螺旋形式沿本體1000并且在兩個端部111、112上來回通過。因此，纏繞過程 是以上關于圓柱形容器和球形容器所討論的兩種形式、即環(huán)形包裹和螺旋纏繞的復合或組 合，從而交替地通過各種角度將纖維放置在圓柱形部分和端壁上。
[0084] 更詳細地講，初始纏繞開始于第一端152,其位置是任意的，但顯示為靠近容器的 一端或融合的角部111。然后，纏繞以具有相對于容器圓周的恒定角度的圈沿圓柱形部分 1000傳遞，以形成螺旋形式154。然后，在簡略地包裹在第一端112周圍之后，使纖維卷過 一角度，以開始朝向另一端返回圈或弧155,也許再次靠近融合的角部111，然后，使用反復 往復的、端對端的相對轉動的各圈155、156、157、158、151來執(zhí)行旋轉的螺旋形包裹，每個 圈保持位于容器中心點150處的基本上共同的轉動中心，這種螺旋形包裹連續(xù)地變化其包 裹角度，以將旋轉中心保持在該中心點150處。通過沿圓柱形部分再次開始以縱向螺旋進 行纏繞，螺旋形包裹然后又轉換為環(huán)形包裹，以形成第三層復合物。然后，這繼續(xù)進行以交 替各層，可能以替代的角度來設置其它層，直到已經形成用于提供容器110的期望強度的 復合物足夠的厚度。
[0085] 盡管示意地顯示為形成有開環(huán)，但普遍的做法是使相繼各環(huán)154或相繼各螺旋線 155、156、157、158鄰抵于之前的環(huán)或螺旋線，由此，通過每道環(huán)形包裹和每道螺旋形包裹 (其中，纖維呈帶的形式，這種鄰接能以較少次的轉動來覆蓋表面）形成各環(huán)的表面覆蓋 層。
[0086] 在優(yōu)選的技術中，纖維在纏繞之前（或甚至當它們正在纏繞時）用合適的聚合物 或樹脂（基質）浸漬。由此，當纖維纏繞在容器表面上時，纏繞的纖維著床在容器表面上最 終位置，即，已經在它們合適的樹脂床內，樹脂是完成制造過程而需要固化的物質。然而，每 層纖維有可能纏繞在預先施加的樹脂基底上，然后，例如通過噴濺將新的樹脂層施加到那 層新纖維層頂上。另一替代方案可以是連續(xù)地進行噴濺。然而，該方法包括建立起纖維的 樹脂粘結層，從而提供理想的復合結構。
[0087] 通過在容器110圍繞容器的縱向軸線轉動的同時輸送纖維、細絲或帶來提供線圈 154或螺旋形成物155、156、157、158。帶沿該軸線分布從而形成縱向線圈或旋轉螺旋線均 是借助機器或機器部件（諸如帶饋送頭）來完成的，當容器110轉動時，機器或機器部件平 行于容器110的軸線、在容器110旁線性移動（即使螺旋形環(huán)縱向延伸，容器110也將在此 瞬間是靜止的）。
[0088] 帶饋送頭具有沿該軸線的可變的橫過速度，同樣，容器110具有可變的轉動速度。
[0089] 從以上所述可以明白到，環(huán)形纏繞和螺旋纏繞的原理本質上都是簡單直接的。因 此，現(xiàn)有的纏繞裝置可用來執(zhí)行這些方法。
[0090] 環(huán)形包裹角度（在容器110的圓周上形成于容器的橫向平面和纖維本身之間的角 度）的范圍例如通過改變容器的轉速或機器部件（帶饋送頭）的橫過速度是可實現(xiàn)的或可 選擇的。
[0091] 帶從饋送頭輸出的速度適當?shù)刈兓?，以確保將帶在適當拉緊的狀況下施加到容器 110的表面。
[0092] 較佳地，帶以鄰接的方式施加到之前施加的環(huán)或圈上，該環(huán)或圈通常是前面的環(huán) 或圈。由于緊密鄰接，可保持均勻的強度特征。若給定該特征，那么很顯然，圖3所示的各 環(huán)（間隔開的各環(huán)）對于放置各環(huán)來說不總是最佳的布置。然而，它們那樣示出是為了提 高附圖的清晰性。
[0093] 纏繞裝置的控制可涉及改變容器的轉速和饋送頭的行進速度。根據(jù)環(huán)正在以縱向 延伸的螺旋施加還是以旋轉的螺旋線施加，這些速度還可作不同變化。對于各環(huán)來說，帶饋 送頭沿圓柱形本體1000的長度以均勻速度沿第一方向橫過，其中帶以恒定速度從饋送頭 送出。然而，一旦帶饋送頭到達圓柱形本體1000的第一端，該饋送頭可設置成減慢下來，然 后方向反過來以協(xié)調如下纏圈過程：該纏圈過程將纖維的圈或弧155螺旋形地鋪放到第一 端112上，然后，朝向容器110另一端返回運動。然后，可控制饋送頭朝向該另一端的橫過 速度，以將橫過速度提高到先前的橫過速度（即，沿第一方向橫過）以上的速度，相應地調 整帶的饋送，于是，以遠比之前各環(huán)傾斜得多的角度，沿相反的橫過方向使螺旋形圈在容器 110的第一側周圍延伸。然后，饋送頭又減慢下來，并反向以將另一圈或弧156鋪放在相對 端周圍，然后，又以增大的速度沿第一方向橫過，以在容器110的相對側上施加連續(xù)的螺旋 形圈。因此，向纏繞機器提供對饋送頭速度以及還可能對容器轉速的連續(xù)控制，為達到合適 的纏繞而不造成帶的過度張緊，可使速度減慢下來。
[0094] 最后，一旦完成合適數(shù)量的螺旋形圈155、156、157、158,裝置可返回到其沿著容器 110的圓柱形本體1000提供新的環(huán)形包裹154的模式。
[0095] 每個環(huán)形包裹層可設置有相對于之前的環(huán)形包裹層不同的角度，但較佳對每個環(huán) 形包裹層保持恒定的角度。
[0096] 圓柱形容器110的端部112具有拱頂?shù)拇笾滦螤?。為了便于對其進行螺旋形包裹， 這些拱頂較佳是相對于彼此為測地（geodesic)表面，S卩，它們描繪一共同圓，或它們是測 地兼容的，它們相應的半徑不小于兩個表面之間距離的一半，該距離通過容器110的中心 點150測得。因此，拱頂所允許的最小半徑在仍具有根據(jù)以上定義的測地或與測地兼容的 構造的同時如圖3所示是長度A-A的一半，假定對這些表面設置恒定的半徑。應注意到，這 些表面和圓柱形本體之間接合點的任何倒圓應保持為最小，以使那些測地或與測地兼容的 表面的范圍最大，但有一定的倒圓仍是較佳的，以減小這些接合點處出現(xiàn)的應力集中程度。
[0097] 端部112的這些測地或測地兼容的表面之優(yōu)點在于，纖維155圍繞拱頂?shù)穆菪p 繞可更容易實現(xiàn)。這是因為纖維可在張力之下進行纏繞，而不趨于滑離拱頂?shù)母鱾?，即使?張力施加到纖維上進行纏繞之后，纖維仍將趨于留在表面上的位置，或者，纖維趨于僅朝向 端部中心滑動，這后一種情形發(fā)生在測地兼容的表面的情況下。在后一種設置的情況下，將 纏繞施加成讓它們均與端部112的中心相交或靠近中心，諸如抵靠在出口 160的頸部上，或 抵靠在已與其鄰接（或最可用的鄰近）的纏繞物上，由此具有了這樣的結構布置，其中，每 次后續(xù)纏繞將趨于受迫緊緊鄰抵在之前、更中心的纏繞物上，因此提供穩(wěn)定的、但仍然緊密 布置的針對所述端部的表面覆蓋。通過變得穩(wěn)定，纏繞簡單地將不趨于滑離拱頂?shù)母鱾取Ｈ?而，如果端部半徑小于容器內部長度的一半，則如此的滑動會趨于出現(xiàn)。
[0098] 用描繪一個共同圓的表面可達到最佳的測地效果，最好是測地條件，于是，纏繞物 將會橫貫之后的端部進行纏繞，而不通過這些端部的中心，同時仍不趨于滑離端部。
[0099] 容器的入口 160也可使用纏繞機器進行復合包裹，但這通常在之后階段才進行， 且用不同的裝置實施包裹。因此，首先，在包裹圓柱形本體1000和拱頂端部112的同一時 間并不包裹容器110的該部分160。
[0100] 在圖4中，圖中示出另一替代的纏繞過程。具有大致球形的不銹鋼內襯210用纖維 315進行包裹。如通常的那樣，留出球體對應于入口 /出口孔230的部分不包裹纖維315。 然而，由于纖維需要若干程度的旋轉，所以，繞球體包裹纖維315較困難。
[0101] 在圖4中，通過提供纖維遞送頭300來實現(xiàn)該過程，纖維遞送頭300定位在支承弧 311上而不是在如上所討論的直線上。因此，纖維遞送頭300可沿弧311上下（箭頭301所 示）運動。
[0102] 此外，支承弧311可圍繞其自身支撐物312轉動313。
[0103] 球形容器自身還定位在轉動支撐物（未示出）上，這樣，它也可圍繞軸線轉動211。 較佳地，該軸線是垂直軸線。
[0104] 在其他實施例中，球形容器可使用已知的三維纖維遞送頭進行細絲包裹。
[0105] 使用這些機器圍繞球形容器進行的纖維包裹遵循類似于以上對圖3容器所討論 的螺旋型式的旋轉的螺旋型式316。纖維以一系列連接的線圈進行包裹，這些連接線圈具有 對應于纖維所要鋪設到的球體圓周的半徑。因此，纖維在球體中心350上居中。這使得它 們在施加的張力之下將不會趨于滑離球體的表面（類似于以上討論的測地情形）。
[0106] 如上所討論的，在該類型的容器（球形容器）中，由于容器壁的全方向的曲率，所 以每單位需要更多纖維來達到要求的加強。因此，橫貫多層來施加纏繞，在橫貫球體表面的 每個連續(xù)層內，對于纏繞可能有多個不同的角度。多個軸和弧311有助于此。
[0107] 圖5是說明了大體上球形的壓力容器（上半部）、大體上圓柱形的壓力容器（下半 部）以及管道（底部線）（關于制造方便性（X軸）對它們進行比較）的相對定位的圖表。
[0108] 在上半部中（較大的y軸值）提供球形壓力容器，因為這些壓力容器具有最高的 體積與表面積之比。然而，出于已給定的原因，球形容器相對難以制造，因此朝向圖表的左 手側指示球形容器（它們被給出表示不易于制造的較低X軸值）。
[0109] 由于圓柱形主體易于包裹，因此圓柱形容器相對易于制造。這使得圓柱形容器具 有高于球形容器的X軸值。然而，就體積與表面積之比而言，圓柱形容器并不是理想的。因 此，圓柱形容器被賦予低于球形容器的y軸值。
[0110] 最后，管道甚至比圓柱形容器更易于制造（不需要制造端蓋）。因此，管道在易于 制造方面獲得高分。然而，就體積與表面積之比而言，管道通常較窄的截面使得管道變得低 效。因此，管道在y軸上處于非常低。
[0111] 本發(fā)明的容器優(yōu)選地經設定大小和成形為在圖5的圖表中占據(jù)球形容器與圓柱 形容器之間的中間位置。這通過標記為"優(yōu)化球體"的云狀區(qū)域示出。本發(fā)明的容器因此 是看起來相對緊湊的壓力容器，所述壓力容器明顯不是球形容器，因為所述壓力容器包括 基本上圓柱形的部分；也不是圓柱形容器，因為所述壓力容器相對于它們的直徑太短（具 有在2:1與1:1之間的比率（內部長度與內直徑之比））。
[0112] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的容器410的另一實例。此處長度412與深度411之間的比 率約等于1.05。
[0113] 除了測量內部尺寸之外，可以使用外部尺寸。畢竟，當不允許進入容器內部時，夕卜 部尺寸更容易測量。再次忽略入口 /出口的頸部。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，因此外部尺寸 具有在2:1與1:1之間的比率。
[0114] 此最終實施例的容器410由單層結構鋼制成，其中厚度由針對容器410的設計的 所需安全最大工作壓力來確定。
[0115] 可以提供容器用于高壓應用或低壓應用。取決于容器的壁等的強度，類似尺寸的 容器因此可以配備有不同的壓力額定值。在此最后的實施例中，容器410可能經設計用于 中間等級的壓力，所述中間等級的壓力可以是例如達到150巴的壓力。
[0116] 容器的主體可以制造成類似于管道，而兩個端部拱頂415、416被焊接在主體上。 端部拱頂中的一個設有入口 /出口孔420。
[0117] 在圖6的實施例中，容器410的外直徑D為5米長并且容器的長度L約為5. 25米。 鋼的壁厚度也許不超過15厘米。
[0118] 在其它實施例中，容器的直徑可以長達50米，由于在其內運輸?shù)腃NG的體積較大， 因此這些容器也較大。
[0119] 圖6的容器是相對易于制造的、帶有端蓋的圓柱形主體，由此表示用于儲存CNG的 相對便宜的鋼容器。所述容器具有顯著有利的體積與表面積之比，并且因此尤其適合于在 其內必須儲存或運輸大量CNG的應用。
[0120] 體積可以通過延長圓柱形部分并且通過增加直徑來增加。然而，如果需要較大直 徑，則容器的壓力額定值將需要進行重新評定（可能需要更厚的鋼）。
[0121] 將被稱為優(yōu)化球體的這些容器提供尤其好地適合于CNG儲存和/或運輸領域中的 大容量以及中等壓力應用的設計。
[0122] 由于存在圓柱形中間部分，因此圖6的容器也相對易于用增強纖維進行環(huán)形包 裹，由此增加強度而不會成比例地增加容器的重量（復合材料增強層比鋼輕）。
[0123] 所謂的優(yōu)化球體的便利之處實質上是相對高的體積與表面之比與保持圓柱軸線 組合的結果，由此它們更容易制造而不會產生不當成本。
[0124] 替代金屬內襯，可以使用塑料內襯，例如，由高密度聚乙烯或高純度聚雙環(huán)戊二烯 制成的內襯。
[0125] 此外，所述內襯可以用可移除內襯或內部可拆卸的支架型內襯替換，其中所述內 襯在纏繞之后被移除并且所得的復合材料本身提供完整的容器。
[0126] 本文所揭示的容器可以運載多種氣體，例如，直接來自鉆井的原態(tài)氣體，包含原態(tài) 天然氣，例如當壓縮時為原態(tài)CNG或RCNG，*H 2，或C02，或處理后的天然氣（甲烷），或原態(tài) 或經部分加工的天然氣，例如，具有高達14%摩爾的C0 2許用量、高達lOOOppm的H2S許用 量，或H2和C02氣體雜質，或其它雜質或腐蝕性的物質。然而，優(yōu)選的用途是CNG運輸，無論 是原態(tài)CNG、經部分加工的CNG或經處理達到可傳送給終端用戶（例如，商業(yè)、工業(yè)或住宅） 的標準的純凈CNG。
[0127] CNG流體可以包含具有可變混合比的多種可能的組成成分，一些呈氣相并且另一 些呈液相，或氣相和液相的混合物。那些組成成分典型地包括以下化合物中的一者或多者： C 2H6、C3H8、C4H1(I、C 5H12、C6H14、C7H 16、C8H18、C9+ 碳氫化合物、C02 和 H2S，可能加上液態(tài)的甲苯、柴 油和辛烷以及其它雜質/種類。
[0128] 本發(fā)明僅通過實例的方式已在上文中進行描述。如本領域技術人員明白那樣，對 上述實施例所作詳細修改可在本發(fā)明的范圍內。
[0129] 本發(fā)明的范圍根據(jù)所附的權利要求書來限定。
【權利要求】
1. 一種用于CNG裝納的壓力容器，所述壓力容器包括： 具有直徑和軸向長度的圓柱形本體； 分別具有軸向深度的兩個圓柱端部，所述圓柱形本體和所述圓柱端部一起限定大致凹 入的內部體積，所述內部體積帶有用于容納CNG的大致凹入的內表面；以及 CNG 入口 / 出口， 其中，壓力容器的總長度通過將所述圓柱形本體的軸向長度加上所述圓柱端部的對應 的軸向深度來定義，每個值均在內部進行測量，并且排除CNG入口 /出口的長度，以及 所述壓力容器的總長度與所述圓柱形本體的內直徑之比包括在2:1到1:1之間的范圍 內，并包括值2:1和1:1。
2. -種用于CNG裝納的壓力容器，所述壓力容器包括： 具有直徑和軸向長度的圓柱形本體； 分別具有軸向深度的兩個圓柱端部，所述圓柱形本體和所述圓柱端部一起限定大致凸 出的外表面以及形成用于裝納CNG的內部體積的大致凹入的內表面；以及 CNG 入口 / 出口， 其中，所述壓力容器的總長度通過將所述圓柱形本體的軸向長度加上所述圓柱端部的 對應的軸向深度來定義，每個值均在內部進行測量，并且排除CNG入口 /出口的長度，以及 所述壓力容器的總長度與所述圓柱形本體的外直徑之比在2:1到1:1之間的范圍內， 并包括2:1和1:1的值。
3. 如權利要求1或2所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，當在沒有任何入口 或出口或其任何頸部的情況下考慮時，所述圓柱端部中的至少一個端部呈拱頂形狀。
4. 如權利要求3所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，所述拱頂就其徑向范圍 的至少90 %而言具有基本上恒定的半徑。
5. 如權利要求3或4所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，兩個圓柱端部均呈 這種拱頂?shù)男螤睢?br> 6. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，兩個圓柱 端部具有相同的軸向深度。
7. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，容器的體 積和表面繞所述圓柱形本體的軸線大致呈軸對稱。
8. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，所述圓柱 形本體的外直徑在2米到5米之間。
9. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，所述圓柱 形本體的外直徑在5到50米之間。
10. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，所述壓力 容器適于承受高達150巴的內壓力。
11. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，纖維加強 的聚合物層設置在容器周圍。
12. 如權利要求11所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，纖維加強的聚合物層 全設置在容器的所述圓柱形本體周圍。
13. 如權利要求12所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，纖維加強的聚合物層 是環(huán)形包裹的纖維加強的聚合物層。
14. 如權利要求11所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，纖維加強的聚合物層 覆蓋容器的圓柱形端部的至少80%或覆蓋直到入口或出口的頸部加上圓柱形本體。
15. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，所述圓柱 端部是測地拱頂。
16. 如上述權利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，所述圓柱端部具有不小于 容器總長度一半的半徑，該長度如權利要求1中所定義。
17. 如權利要求15或16所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，纖維加強的聚 合物層通過旋轉的螺旋形環(huán)而螺旋包裹在圓柱端部上。
18. 如權利要求11至14中任一項或多項或權利要求17所述的壓力容器，其特征在于， 各環(huán)鄰抵于其層內的鄰近環(huán)，由此提供表面覆蓋纖維層。
19. 如上述權利要求中任一項所述的壓力容器，其特征在于，多層纖維加強層形成在容 器表面上。
20. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，包括金屬 內襯，所述金屬內襯具有范圍在1mm到50mm之間并且小于容器直徑的1 %的橫截面厚度。
21. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，包括由以 下之一制成的聚合物層：聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、高純度二環(huán)戊二烯 樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂以及聚酰亞胺樹脂。
22. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，包括纏繞 的纖維加強物，所述纏繞的纖維加強物包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維中的至少一種。
23. 如上述權利要求中任一項所述的用于CNG裝納的壓力容器，其特征在于，纖維加強 的聚合物層施加到壓力容器的表面上，該層具有至少50mm的厚度。
24. -種參照圖3、4或6中的任一個的、基本上如前所述的壓力容器。
25. -種參照附圖中的任何一個或多個基本上如前所述的、如前述權利要求中任一項 所述的壓力容器的制造方法。
26. -種用于運輸CNG的載運工具，所述載運工具包括如權利要求1至24中任一項所 述的至少一個壓力容器。
27. 如權利要求26所述的載運工具，其特征在于，所述載運工具呈船舶的形式。
28. 如權利要求26所述的載運工具，其特征在于，所述載運工具呈道路或軌道上行駛 的載運工具的形式。
29. -種用于運輸CNG的模塊，所述模塊包括如權利要求1至24中的任一項或多項所 述的多個容器，所述容器通過管道連接在一起。
【文檔編號】F17C1/00GK104094034SQ201180076328
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2011年12月5日 優(yōu)先權日:2011年12月5日
【發(fā)明者】F·內蒂斯, V·N·托馬瑟利 申請人:藍波股份有限公司