(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE. (51) Int Cl. Patentstyret

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. F17C 1/02 ( ) F17C 1/08 ( ) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag (30) Prioritet (41) Alm.tilgj (4) Meddelt (73) Innehaver Aker Engineering & Technology AS, Postboks 222, 1326 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Arne Sele, Haresvingen, 1362 HOSLE, Norge Kåre Bakken, Eikedalen 3, 3474 ÅROS, Norge (74) Fullmektig Oslo Patentkontor AS, Postboks 7007 Majorstua, 0306 OSLO, Norge (4) Benevnelse En tankkonstruksjon for lagring og transport av fluider (6) Anførte publikasjoner WO , FR , US , EP (7) Sammendrag En dobbeltvegget prismatisk tank har ytre og indre vegger (1, 2) fremstilt ved stabling av H- bjelkeseksjoner på hverandre og sammensveising av dem langs deres langsgående flenskanter og deres tilstøtende endeflater i skjøter (). I skjøteområdene er innvendige stag (strekkbjelker) (3) forbundet med innerveggen (2) for å forbedre tankens strukturelle effektivitet. Stagene (3) er forbundet med innerveggen (2) ved hjelp av braketter (6), som strekker seg på en jevn og avsmalende måte til begge sider av skjøtens () område. I skjøten () er de ytre og indre flenser (7, 8) av bjelkene (4) forbundet ved hjelp av sveiser (). Imidlertid er bjelkenes (4) steg (9) ikke sveiset sammen i skjøten, men er i stedet utspart og avsluttet i en jevn kurve for å danne en åpning (11), for derved å unngå enhver kontakt mellom de ytre og indre vegger (7, 8) som ikke er basemetall og derved unngå risiko for utmatningssprekkforplantning fra den indre vegg (2) til den ytre vegg (1). Den indre flens (8) av bjelkeseksjonene (4) er forsynt med en ribbe (12), som er en utvendig forlengelse av steget (9) mellom flensene (7, 8). Braketten (6) er festet til ribben (12) med en sveis (13), og et andre hull (14) er utformet gjennom braketten (6) og ribben (12) ved en indre sveis () mellom tilstøtende indre flenser (8) for å unngå spenningskonsentrasjoner og sprekkforplantning i dette området.

2 1 Oppfinnelsens område Foreliggende oppfinnelse vedrørende tanker for lagring og transport av fluider så som hydrokarboner, inklusivt lavtemperatur flytendegjort naturgass. Dette innbefatter tanker for skip, for gravitasjonsbaserte og flytende offshore-konstruksjoner, og for landbaserte installasjoner. Oppfinnelsens bakgrunn Tanker kan konstrueres med mange forskjellige fasonger, så som kuler, sylindere, konuser og skall generelt, så vel som prismatiske former. Hovedfordelen med prismatiske former er at de kan plasseres nær inntil hverandre, for derved å minimalisere det volum som opptas av slike tanker. Enkle prismatiske tanker er mye mindre effektive strukturelt sett fordi de er avhengig av bøyevirkning for å mobilisere styrke. Skall utvikler styrke gjennom direkte strekk i skallets plan. Dette gir større styrke for samme mengde materiale. 1 En mer effektiv konstruksjon for prismatiske former er å innlemme innvendige stag (strekkbjelker). Ved at strekk er det hovedsakelige middel for å motstå innvendig belastning eller trykk, er slike prismatiske stagede tanker sammenlignbare med skallformer med hensyn til strukturell effektivitet. WO 2006/ A2 viser slike tanker og er herved innlemmet ved referanse. Denne publikasjon danner også basis for innledningen av krav Bortsett fra å ha tilstrekkelig styrke til å motstå flytning, må tankkonstruksjonen også være konstruert for å forhindre sprekkforplantning som følge av utmatning. Det største problem med slike konstruksjoner er sprekkforplantning ved sveisesteder, i motsetning til steder i basismetallet hvor sprekkforplantning vil foregå meget langsomt eller til og med bli stoppet. 2 Oppfinnelsens formål Formålet med foreliggende oppfinnelse er å konstruere en dobbeltvegget tank slik at alle forbindelser mellom de to vegger er basismetall uten lokale spenningsøkere, for å sikre at utmatningssprekker ikke forplanter seg fra den ene væskebarriere til den andre. Sammenfatning av oppfinnelsen

3 2 Formålet med foreliggende oppfinnelse oppnås ved hjelp av en prismatisk tank som definert i det selvstendige krav 1. Fordelaktige utførelser av tanken er definert i de uselvstendige krav. 1 Den vanligste måte å forbinde en rekke bjelkeseksjoner på for å danne en tankvegg, er å plassere skjøtene mellom bjelkene nær vendepunktene, hvor de aksiale spenninger i flensene er lik null og skjærbelastningene er moderate. I foreliggende oppfinnelse er imidlertid skjøtene mellom bjelkeseksjonene plassert ved forbindelsespunktene med de innvendige stag. I bjelkeskjøtene er kun bjelkenes flenser forbundet med hverandre og ikke stegene. I stedet for er stegene utspart i en jevn kurve, slik at endeflatene av de utsparte steg danner en åpning med en avrundet kontur. Således vil det ikke være noen sveis eller noen annen forbindelse mellom stegenes endeflater, for derved å unngå spenningskonsentrasjoner og metallforandringer som er utsatt for utmatningssprekkforplantning. Reduksjonen i skjærstyrke som bevirkes av åpningen kan motvirkes ved hjelp av en avstivende brakett anbrakt på tankens innervegg hovedsakelig i plan med steget. Disse braketter kan med fordel benyttes til å feste tankens innvendige stag til dobbeltveggen. Kort tegningsbeskrivelse Ytterligere detaljer ved oppfinnelsen er beskrevet nedenfor under henvisning til eksemplifiserende utførelser vist skjematisk på de vedføyde tegninger, hvor: 20 Figur 1 viser et grunnriss av en prismatisk dobbeltvegget tank med taket fjernet; Figur 2 viser et snittbilde tatt langs linjen II-II på figur 1; Figur 3 viser i større målestokk detaljen angitt ved III på figur 1; Figur 4 i større målestokk et snittbilde langs linjen IV-IV på figur 2; 2 Figur viser et enderiss av to bjelkeseksjoner før de forbindes til et forbindelsesstykke som vist i det nedre venstre hjørne på figur 2; Figur 6 viser et endebilde av bjelkeseksjonene på figur forbundet med hverandre; Figur 7 viser skjematisk forbindelsesstykket på figur 6 hvor det danner hjørnet mellom en vegg av tanken og dennes tak; og

4 Figur 8 illustrerer skjematisk hvorledes et hjørne mellom to vegger av tanken kan utformes. 3 Detaljert beskrivelse av tegningene Figur 1 viser et grunnriss av en dobbel tank som har en ytre vegg 1, en indre vegg 2 og innvendige stag 3 som forbinder motstående vegger av tanken. Tankveggene er fremstilt ved å sveise sammen horisontale bjelkeseksjoner 4 som har et tverrsnitt i form av en H, hvilke bjelkeseksjoner er stablet den ene på den andre og er forbundet langs sine tilstøtende lengdekanter og ved deres endeflater som støter mot andre bjelkeseksjoners endeflater eller mot forbindelsesstykker, som angitt ved på figur 1. Stagene 3 er forbundet med de respektive vegger ved skjøtestedene ved hjelp av braketter 6. Det vil forstås at stagene 3 i betydelig grad reduserer buling av tankveggene når de utsettes for innvendig trykk av fluidet inneholdt i tanken. Dertil danner stagene 3 i realiteten perforerte "skott", som reduserer lastbevegelser kjent som skvalping når tanken er en lastetank i et skip som ruller og stamper under sjøreisen Figur 2 viser et snitt gjennom deler av bunnen og en sidevegg av tanken på figur 1. Figur 2 viser hvorledes H-bjelkeseksjoner 4 er stablet på hverandre, idet deres parallelle flenser 7, 8 danner den ytre vegg 1 og indre vegg 2 av den dobbeltveggede tank. Bjelkeseksjonene 7, 8 er forbundet ved hjelp av et horisontalt steg 9, slik det vil tydeligere ses på figur 4. Brakettene 6 som forbinder stagene 3 med innerveggen 2 er innrettet med steget 9, slik at de danner en forlengelse av steget på innsiden av tanken, for derved å overføre strekkbelastningen fra det respektive stag i det området av bjelkeseksjonen 4 hvor denne best kan håndtere en slik belastning. 2 Figur 3 viser en forstørrelse av området innsirklet og betegnet med III på figur 1. Dette grunnriss viser to bjelkeseksjoner 4 sveiset sammen ved deres ytre og indre flenser 7, 8 ved hjelp av sveiser. I dette området er bjelkeseksjonenes steg 9 utspart slik at de danner en første åpning 11 som har en jevn og avrundet kontur. Det strekker seg således ingen sveis mellom flensene 7, 8 i skjøtens område. 30 Figur 3 viser også at bjelkeseksjonen 4 er forsynt med en langsgående ribbe 12, som, slik det vil bedre ses på figur 4, er lokalisert på den indre flens 8 som en forlengelse av steget 9. Platen 6 sveises ved 13 til ribben 12 og strekker seg i en jevnt avtagende form i en betydelig avstand på begge sider av skjøtens område. Braketten 6 vil derfor sikre at diskontuiteten i stegene 9 i skjøteområdet ikke skader skjøtens styrke. Formen av braketten 6 sikrer også at sprekker ikke vil dannes ved den frie kant når sykliske belast-

5 4 ninger overføres fra staget 3. For å unngå sprekkdannelse og forplantning i området av den indre sveis, er det også dannet en andre åpning 14 i ribben 12 og braketten 6 ved denne sveisen. Braketten 6 blir fortrinnsvis sveiset til ribben 12 før staget 3 festes til braketten. Dersom det er hensiktsmessig fra et fremstillingsmessig synspunkt, kan videre braketten 6 deles i to symmetriske deler, som hver sveises til den respektive bjelkeseksjonen 4 før bjelkeseksjonen forbindes ved skjøten, hvorpå brakettdelene sveises sammen før de festes til staget 3. Staget kan festes til braketten 6 ved hjelp av midler (ikke vist), for eksempel bolter på begge sider at stagets steg 1. Dette vil bevirke at kraften mellom staget 3 og braketten 6 opptas hovedsakelig som friksjonskraft dannet i kontaktområdet mellom braketten 6 og den respektive flens 16 av staget 3 (figur 2 vil vise at stagene 3 er I-bjelker). Et forstørret snitt langs linjen IV-IV på figur 3 er vist på figur 4. Dette bilde kan også ses på som en forstørrelse av det øvre venstre hjørne av tanken vist på figur Figuren viser to bjelkeseksjoner 4 som er skjøtt sammen langs tilstøtende lengdekanter av de ytre og indre flenser 7, 8 ved hjelp av sveiser 17. Stegene 9 som strekker seg mellom flensene 7, 8 vil kunne ses, og likeledes åpningene 11 laget i stegene. På innsiden av den indre flens 8 kan ribben 12 ses som en forlengelse av det respektive steg 9, og det samme kan sveisen 13 mellom ribben 12 og den respektive brakett 6. Videre er den andre åpning 14 også vist. 2 Figur 4 viser videre enden av staget 3 festet mellom to braketter 6 ved hjelp av bolter, her kun angitt ved deres senterlinje. Det vil ses at staget 3 er avsluttet i en avstand fra de indre flenser 8 som er omtrent fem ganger bredden av ribben 12, mens radien av den andre åpningen 14 er omtrent lik ribbens bredde. Denne åpning 14 forhindrer således også en spenningskonsentrasjon i sveisen Figur 4 viser de relative dimensjoner av de forksjellige bestanddeler tatt fra en omtrent 30 meter høy aktuell LNG-skipstank. Tykkelsen av flensene, stegene og ribbene både for bjelkeseksjonene 4 og stagene 3 er - 12 mm, bredden av flensene 7, 8 er 400 mm, og avstanden mellom dem er 270 mm. Steget er plassert eksentrisk mellom kantene til flensene 7, 8, idet den kortere avstanden fra steget 9 til den nærmeste flenskant er omtrent halvparten av den lengre distansen til den andre flenskant. Dette vil plassere sveisen 17 nær et vendepunkt i innerveggen 12 når denne utsettes for et hydrostatisk trykk fra lasten. Ut fra dette synspunkt kunne eksentrisiteten av flensen ha vært enda

6 større, men den foreliggende kortere avstanden mellom steget 9 og sveisen 17 er blitt valgt på denne måte for å gi tilstrekkelig plass for utførelse av sveisen 17 som fortrinnsvis utføres ved friksjonsrøresveising (friction stir welding). 1 Ifølge formålet med foreliggende oppfinnelse er det også viktig å unngå spenningskonsentrasjoner og utmatningssprekkforplantning ved tankens hjørner. En enkel gjæringsskjøt hvor flensene og stegene av bjelkeseksjonene er sveiset sammen, vil derfor ikke være tilfredsstillende. Derfor foreslår oppfinnelsen spesielle forbindelsesstykker eller bjelker for slike formål. Figur viser to identiske bjelkeseksjoner 18 plassert slik at de danner et symmetrisk arrangement før de sveises sammen for å danne overgangsstykket 19 vist på figur 6. Delene 18 er laget av ekstrudert aluminiumsmateriale, og grunnen for å sveise to slike bjelker sammen i stedet for å ekstrudere bjelken 19 direkte, er at ekstrudering av en bjelke som har et hult parti 20, her utformet som en rettvinklet trekant, er meget vanskelig. Kortsidene av det trekantede parti 20 har parallelle ben 21, 22 som rager ut fra dem, idet avstanden mellom bena er lik bredden av steget 9 av bjelkeseksjonene 4. Figur 7 viser hvorledes avstandsstykket 19 inngår i et hjørne mellom en sidevegg og taket 23 av tanken. Her er tanken laget av bjelkeseksjoner som er identiske med bjelkeseksjonene 4 av tankens vegger. Også her er steget 9 utspart i sveiseområdet. 20 Figur 8 foreslår en enklere hjørneløsning som er spesielt egnet for vertikale hjørner mellom tankens sidevegger. Dette er hovedsakelig en gjæringsskjøt, men stegene 9 av bjelkeseksjonene 4 er blitt utspart som i de øvrige skjøter mellom bjelkene, og svekkelsen forårsaket av slik utsparing er motvirket ved å plassere en plan plate 24 mellom endeflatene av flensene 7, 8 som skal forbindes med hverandre Det vil forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til de eksemplifiserende utførelser vist på tegningene og beskrevet ovenfor, men at den kan modifiseres og varieres innenfor rammen av de vedføyde patentkrav. Således kan det benyttes andre midler for å skjøte tankelementene enn sveising og bolting, så som liming eller nagling. For å redusere den uheldige effekten av mindre dimensjonsforskjeller eller en svak forvridning av bjelkeseksjonene ved deres endeflater hvor de skal skjøtes, kan videre et overgangsstykke, for eksempel i form av en I-bjelkeprofil, innsettes mellom nevnte flater. I slike tilfeller bør en andre åpning dannes i sveiseområdet på begge sider av I- bjelkeprofilen.

7 1 P A T E N T K R A V 1. Prismatisk tank som har ytre og indre vegger (1, 2) og innvendige horisontale stag (3) som opptar kraften utøvet mot nevnte vegger av fluid inneholdt i tanken, hvilke vegger (1, 2) er dannet av horisontale bjelkepartier (4) som har to parallelle flenser (7, 8) innbyrdes forbundet av et steg (9), hvilke bjelkeseksjoner (4) er stablet den ene på den andre og er forbundet med hverandre langs tilstøtende lengdekanter av deres flenser (7, 8) og ved deres endeflater som støter mot andre endeflater av bjelkeseksjoner (4) eller forbindelsesstykker (19, 24), k a r a k t e r i s e r t v e d a t endeflaten av steget (9) av en bjelkeseksjon (4) som støter mot en annen bjelkeseksjon (4) eller et forbindelsesstykke (19, 24), er utspart slik at det dannes en første åpning (11) mellom nevnte endeflate og den tilstøtende bjelkeseksjonen (4) eller forbindelsesstykke (19, 24). 2. Tank ifølge krav 1, hvor nevnte åpning (11) har en avrundet kontur Tank ifølge krav 1 eller 2, hvor i det minste flere stag (3) er forbundet med den respektive innervegg (2) i området for skjøten () mellom tilstøtende bjelkeseksjoner (4) ved hjelp av i det minste en brakett som strekker seg ut til skjøtens () sider. 4. Tank ifølge krav 3, hvor en andre åpning (14) er utformet i braketten (6) inntil skjøten (). 20. Tank ifølge krav 4, hvor i det minste noen av bjelkeseksjonene (4) har en ribbe (12) som er anordnet som en utvendig forlengelse av deres steg (9), idet nevnte brakett (6) er forbundet med ribben (12) og nevnte andre åpning (11) strekker seg inn i ribben (12) Tank ifølge krav 3, 4 eller, hvor nevnte stag (3) er forbundet med i det minste en brakett (6) i en avstand fra den indre vegg (2), idet forbindelsen fortrinnsvis omfatter forspente bolter (16). 7. Tank ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor steget (9) av i det minste noen av bjelkeseksjonene (4) er plassert eksentrisk i forhold til lengdekantene av bjelkeseksjonenes flenser (7, 8), fortrinnsvis nær vendepunktet av den indre flens (8) når denne utsettes for et hydrostatisk trykk fra fluid inneholdt i tanken.

8 2 8. Tank ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor en I-bjelkeprofil danner et forbindelsesstykke mellom endeflatene av bjelkeseksjoner (4) som skal skjøtes. 9. Tank ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor hjørner av tanken omfatter forbindelsesstykker (19, 24) som overfører krefter og bøyemomenter mens de tillater steget (9) av en bjelkeseksjon (4) forbundet med disse å ha en diskontinuitet.. Tank ifølge krav 9, hvor forbindelsesstykket (19) omfatter et hult parti (20) utformet som en rettvinklet trekant og med parallelle ben (21, 22) som strekker seg perpendikulært fra endene av trekantens kortsider. 11. Tank ifølge krav, hvor forbindelsesstykket (19) er utformet av to symmetriske deler (18) som er sveiset sammen ved toppunktet og midten av grunnlinjen av trekanten Tank ifølge krav 9, hvor bjelkeseksjonene (4) er forbundet i et hjørne i en gjæringsskjøt, idet forbindelsesstykket har en plan plate (24) som flensene (7, 8) av bjelkeseksjonene (4) er sveiset til, idet bjelkeseksjonenes (4) steg (9) er utspart bort fra nevnte plane plate (24).

9

10

11

12

13