一种用于存储和运输液化气的密封膜及密封罐

技术领域

本发明涉及低温绝缘储罐领域，具体涉及一种用于存储和运输液化气的密封膜及密封罐。

背景技术

液化天然气运输、存储时一般存储在密封罐内，一般液化天然气的温度在-163℃至-80℃之间，液化石油气的温度一般在-50℃至0℃之间，密封罐内一般会安装密封膜，密封膜贴合罐体内壁设置，与液化气体直接接触。密封罐安装在化学品船、海洋结构等水上结构时，罐体受到海况或风力等因素影响，罐中的液化气体会产生晃荡运动，液体自由液面发生波动，引起舱内液体发生非线性随机性的运动，通常会对罐体产生冲击，当该冲击应力达到一个巨大的量级时，容易对密封膜或罐壁造成损害，导致密封膜失去其本身的功能，最终演变为液化气体的泄漏事故。

因此，避免液化气体泄漏是LNG船、LPG船等低温液体运输船液舱建造技术的关键，为避免密封罐的膜或罐损坏，使其密封罐内的密封膜有足够的温度收缩余量并能够承受较大的晃荡冲击压力是重中之重。

现有技术如公开号为CN116658798A的发明专利申请公开了具有中心脊部段的密封层和存储设备，具有第二水平波纹、第一水平波纹和两波纹的交汇部分，交汇部分具有跨越第二水平波纹的脊部段，脊部段的中间位置处的第二水平方向上的尺寸小于第二水平波纹的顶部处的第一水平方向上的尺寸并小于第一水平波纹在顶部处的第二水平方向上的尺寸，脊部段的高度大于第一水平波纹的高度。

现有技术还有一种如法国GTT公司的Mark III型围护系统，Mark III型则采用304L不锈钢作为材质设计了独特的凸起部形成了金属波纹板，304L不锈钢采用褶皱形式的波纹（《304L波纹板在LNG薄膜罐上的应用》，蒋小波，魏明，邢乐，杜宇，陈念来，胡承杰，中国石油和化工标准，第13期，2023年7月11日）。

发明内容

为了提升密封罐内密封膜的抗冲击能力以及提升温度收缩余量，本发明提供了一种用于存储和运输液化气的密封膜及密封罐，本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于存储和运输液化天然气的密封膜，包括平面区域、相对平面区域凸起的第一波纹和第二波纹，第一波纹沿平面区域均匀平行分布，第二波纹沿垂直于第一波纹的方向在平面区域内均匀平行分布，第一波纹和第二波纹具有类M型截面，第一波纹和第二波纹垂直相交的位置形成波纹节；波纹节顶部沿第一波纹的延伸方向形成平滑的类W型外轮廓，第一波纹延伸至波纹节并与波纹节的类W型外轮廓平滑连接；第二波纹延伸至波纹节的类W型外轮廓下方位置并与波纹节侧面连接，波纹节连接第二波纹的侧面形成平滑的类M型侧面。

进一步地，第一波纹的高度高于第二波纹的高度，第一波纹的宽度大于第二波纹的宽度。

进一步地，第二波纹的高度和第一波纹的高度比在0.5-0.8。

进一步地，第一波纹和第二波纹的类M型截面的形状相同，均包括形成在类M型截面中部的中间圆弧段、对称分布在中间圆弧段两侧的侧边圆弧段、沿中间圆弧段对称分布并连接平面区域的连接圆弧段；中间圆弧段和侧边圆弧段之间以及侧边圆弧段与连接圆弧段之间分别连接有过渡圆弧段；中间圆弧段下凹，侧面圆弧段相对中间圆弧段上凸形成高位。

进一步地，过渡圆弧包括第一过渡圆弧段、第二过渡圆弧段和第三过渡圆弧段，第一过渡圆弧段连接在中间圆弧段和侧边圆弧段之间，侧边圆弧段、第二过渡圆弧段、第三过渡圆弧段、连接圆弧段依次连接；中间圆弧段的半径为R1，侧边圆弧段的半径为R2，连接圆弧段的半径为R3，第一过渡圆弧段的半径为R4，第二过渡圆弧段的半径为R5，第三过渡圆弧段的半径为R6，侧面圆弧段形成的高位距离平面区域的高度距离为H，单位为mm；R1、R2、R3、R4、R5、R6和H满足：

4≤H：R1≤8；

2.5≤R1:R2≤4；

1.3≤R1:R3≤2；

8≤R4:R2≤15；

6≤R5:R2≤10；

R5≤R4；

4≤R6：H≤8。

进一步地，第一波纹和第二波纹的高度H的取值范围为32-86mm。

进一步地，波纹节的类W型外轮廓包括中间凸起的中部圆弧顶面、对称设置在中部圆弧顶面两侧并相对中部圆弧顶面下凹的侧面圆弧顶面，侧面圆弧顶面和中部圆弧顶面之间平滑连接有第六过渡圆弧面，侧面圆弧顶面通过第七过渡圆弧面平滑连接第一波纹，中部圆弧顶面的弧面半径等于第一波纹的中间圆弧段R1的1.5倍，侧面圆弧顶面的弧面半径等于第一波纹的侧面圆弧段的R2的1.5倍，第六过渡圆弧面的弧面半径等于第一波纹的第一过渡圆弧段的R4的1.5倍，第七过渡圆弧面的弧面半径等于第一波纹的第二过渡圆弧面的R5的1.5倍，第七过渡圆弧面两侧与第一波纹相交处的位置间的跨度等于第一波纹宽度的1.5倍。

进一步地，波纹节的类M型侧面包括中部外凸的中部圆弧面、对称设置在中部圆弧面内凹的侧面圆弧面，中部圆弧面和侧面圆弧面之间连接有第四过渡圆弧面，侧面圆弧面和第一波纹之间连接有第五过渡圆弧面。

进一步地，中部圆弧面两侧的第五过渡圆弧面与第一波纹连接位置之间的距离为B，中部圆弧面的半径为R7，侧面圆弧面的半径为R8，第四过渡圆弧面的半径为R9，第五过渡圆弧面的半径为R10，侧面圆弧面下凹深度为h，单位为mm；R7、R8、R9、R10、B、h之间满足以下关系：

B：h=30；

0.8≤R7：R8≤1.25；

R9：B≥1；

R10:B≥1.5。

进一步地，B等于第一波纹的宽度的1.2倍。

进一步地，第一波纹和第二波纹的下方分别填充有支撑件。

进一步地，支撑件包括支撑构架，支撑构架沿第一波纹、第二波纹的延伸方向延伸并在波纹节的位置设置端点。

进一步地，支撑件还包括设置在支撑构架内部的空心通道，空心通道沿支撑构架的延伸方向延伸并在波纹节的位置设置端点。

进一步地，支撑构架内部和空心通道外部之间的区域还填充有支撑填充物。

进一步地，支撑填充物为玻璃纤维或低温胶水。

进一步地，支撑构架的厚度为5-10mm，支撑构架选用胶合板、聚乙烯或玻璃纤维。

进一步地，第一波纹、平面区域及波纹节的类M型侧面之间设置为三角形的斜面，斜面的三侧分别与第一波纹、平面区域及波纹节的类M型侧面平滑过渡连接，斜面与平面区域之间的夹角为30-45°。

本发明还提供了一种用于存储和运输液化天然气的密封罐，在密封罐的内部设有上述的密封膜。

进一步地，密封罐内部还设有绝缘层，绝缘层包括主层绝缘层和次层绝缘层，密封膜、主层绝缘层、密封膜、次层绝缘层、密封罐罐体依次设置。

相比与现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明一方面提供了一种密封膜，密封膜通过特殊截面形状的波纹及波纹节的设置，当密封罐装卸货时，密封膜在低温回暖及急速冷冻的条件下，第一波纹和第二波纹将平面区域产生的热胀冷缩减小，位移产生的应力也被波纹的波纹褶皱所承担，波纹间接提供了较大的位移余量。

2、本发明的密封膜通过不同高度和宽度的第一波纹和第二波纹的设置，通过M型褶皱弹性和高低不同的交错设置，均匀承担晃荡冲击载荷，有效避免密封膜的损坏，避免密封罐受损。

3、本发明另外还提供了一种密封罐，将本申请的密封膜安装在密封罐内，提升密封罐的抗晃荡冲击载荷的性能。

附图说明

图1是本发明的一种用于存储和运输液化气的密封膜结构示意图。

图2是本发明中密封膜的波纹节位置放大图。

图3是本发明中密封膜的第一波纹或第二波纹的类M型截面示意图。

图4是本发明中密封膜的波纹节的类W型外轮廓线型示意图。

图5是本发明中密封膜的波纹节区域俯视图。

图6是本发明中密封膜的类M型侧面线型示意图。

图7是本发明中密封膜的支撑件设置示意图。

图8是本发明的用于存储和运输液化天然气的密封罐结构示意图。

图9是本发明的密封膜塑性应变模拟图谱。

图10是现有技术中的密封膜塑性应变模拟图谱。

图11是本发明的密封膜受压变形模拟图谱。

图12是现有技术中的密封膜受压变形模拟图谱。

图中，1、平面区域；2、第一波纹；3、第二波纹；4、波纹节；5、类W型外轮廓；6、类M型侧面；7、中部圆弧顶面；8、侧面圆弧顶面；9、第六过渡圆弧面；10、第七过渡圆弧面；11、斜面；12、支撑构架；13、空心通道；14、填充物；15、绝缘层；16、容置槽。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：

一种用于存储和运输液化天然气的密封膜，如图1所示，包括平面区域1、相对平面区域1凸起的第一波纹2和第二波纹3，第一波纹2沿平面区域均匀平行分布，第二波纹3沿垂直于第一波纹2的方向在平面区域1内均匀平行分布，第一波纹2和第二波纹3具有类M型截面，第一波纹2和第二波纹3垂直相交的位置形成波纹节4；波纹节4顶部沿第一波纹2的延伸方向形成平滑的类W型外轮廓5，第一波纹2延伸至波纹节4并与波纹节4的类W型外轮廓5平滑连接；第二波纹3延伸至波纹节4的类W型外轮廓5的下方位置并与波纹节4的侧面连接，波纹节4连接第二波纹3的侧面形成平滑的类M型侧面6，如图2所示。

第一波纹和第二波纹的类M型截面的形状相同，均包括形成在类M型截面中部的中间圆弧段、对称分布在中间圆弧段两侧的侧边圆弧段、沿中间圆弧段对称分布并连接平面区域的连接圆弧段；所述中间圆弧段和侧边圆弧段之间以及侧边圆弧段与连接圆弧段之间分别连接有过渡圆弧段；中间圆弧段下凹，侧面圆弧段相对中间圆弧段上凸形成高位。具体地，如图3所示，过渡圆弧包括第一过渡圆弧段、第二过渡圆弧段和第三过渡圆弧段，第一过渡圆弧段连接在中间圆弧段和侧边圆弧段之间，侧边圆弧段、第二过渡圆弧段、第三过渡圆弧段、连接圆弧段依次连接，第一过渡圆弧段和中间圆弧段外切，侧边圆弧段和第一过渡圆弧段内切，侧边圆弧段和第二过渡圆弧段内切，第二过渡圆弧段和第三过渡圆弧段内切，第三过渡圆弧段和连接圆弧段外切；中间圆弧段的半径为R1，侧边圆弧段的半径为R2，连接圆弧段的半径为R3，第一过渡圆弧段的半径为R4，第二过渡圆弧段的半径为R5，第三过渡圆弧段的半径为R6，侧面圆弧段形成的高位距离平面区域的高度距离为H，第一波纹和第二波纹的高度H的取值范围为32-86mm，第一波纹2的宽度和第二波纹3的宽度即连接圆弧段连接平面区域的位置之间的距离D，单位为mm；R1、R2、R3、R4、R5、R6和H满足：

4≤H：R1≤8；

2.5≤R1:R2≤4；

1.3≤R1:R3≤2；

8≤R4:R2≤15；

6≤R5:R2≤10；

R5≤R4；

4≤R6：H≤8。

作为优选，第一波纹2的高度高于第二波纹3的高度，第一波纹2的宽度大于第二波纹3的宽度。不同高度的M形波纹组合的形式，通过M形的波纹褶皱弹性及高低不同的交错设计，均匀承担晃荡冲击载荷，有效避免密封膜的损坏。作为优选，第二波纹的高度和第一波纹的高度比在0.5-0.8。本实施例中，第一波纹的高度为85mm，第一波纹的中间圆弧段的半径为R1=16mm，第一波纹的侧边圆弧段的半径为R2=5.5mm，第一波纹的连接圆弧段的半径为R3=10.6mm，第一波纹的第一过渡圆弧段的半径为R4=47mm，第一波纹的第二过渡圆弧段的半径为R5=33mm，第一波纹的第三过渡圆弧段的半径为R6=350mm。对应地，当第一波纹的高度为85mm时，按照0.5-0.8的高度比范围第二波纹的高度范围则在42.5-68mm。

本实施例中第二波纹的R1、R2、R3、R4、R5、R6、H分别为第一波纹的0.6倍。也即第二波纹的R1=9.6mm，R2=3.3mm，R3=6.36mm，R4=28.2mm，R5=19.8mm，R6=210mm，H=51mm。

波纹节的类W型外轮廓如图4所示，包括中间凸起的中部圆弧顶面7、对称设置在中部圆弧顶面7两侧并相对中部圆弧顶面7下凹的侧面圆弧顶面8，侧面圆弧顶面8和中部圆弧顶面7之间平滑连接有第六过渡圆弧面9，侧面圆弧顶面8通过第七过渡圆弧面10平滑连接第一波纹2，中部圆弧顶面7和第六过渡圆弧面9内切，第六过渡圆弧面9和侧面圆弧顶面8外切，侧面圆弧顶面8和第七过渡圆弧面内切。中部圆弧顶面7的弧面半径等于第一波纹的中间圆弧段R1的1.5倍，也即24mm；侧面圆弧顶面8的弧面半径等于第一波纹的侧面圆弧段的R2的1.5倍，也即8.25mm；第六过渡圆弧面9的弧面半径等于第一波纹的第一过渡圆弧段的R4的1.5倍，也即70.5mm；第七过渡圆弧面10的弧面半径等于第一波纹的第二过渡圆弧面的R5的1.5倍，也即49.5mm，第七过渡圆弧面10两侧与第一波纹2相交处的位置间的跨度等于第一波纹宽度的1.5倍。

波纹节的类M型侧面如图5和图6所示，如5为其中一个波纹节区域的俯视图，从图5中可以看到波纹节两侧对称形成类M型侧面，该类M型侧面的线型如图6所示，包括中部外凸的中部圆弧面、对称设置在中部圆弧面内凹的侧面圆弧面，中部圆弧面和侧面圆弧面之间连接有第四过渡圆弧面，侧面圆弧面和第一波纹之间连接有第五过渡圆弧面，中部圆弧面和第四过渡圆弧面外切，第四过渡圆弧面和侧面圆弧面内切，侧面圆弧面和第五过渡圆弧面内切。其中，中部圆弧面的半径为R7，侧面圆弧面的半径为R8，第四过渡圆弧面的半径为R9，第五过渡圆弧面的半径为R10，中部圆弧面两侧的第五过渡圆弧面与第一波纹连接位置之间的距离为B，B等于第一波纹的宽度的1.2倍，侧面圆弧面下凹深度为h，单位为mm；R7、R8、R9、R10、B、h之间满足以下关系：

B：h=30；

0.8≤R7：R8≤1.25；

R9：B≥1；

R10:B≥1.5。

本实施例中:h=5.46mm，B=164mm，R7=15.4mm，R8=14.83mm，R9=166.3mm，R10=252.6mm。

作为优选，第一波纹2、平面区域1及波纹节的类M型侧面6之间设置为三角形的斜面11，如图5所示，斜面11的三侧分别与第一波纹2、平面区域及1波纹节的类M型侧面6平滑过渡连接，斜面11与平面区域1之间的夹角为30-45°。

作为优选，第一波纹和第二波纹的下方分别填充有支撑件，通过支撑件对第一波纹和第二波纹进行支撑，使得密封膜的强度进一步增强。

作为一种实施方式，支撑件包括贴合第一波纹和第二波纹内壁设置的支撑构架12，如图7所示，支撑构架12沿第一波纹、第二波纹的延伸方向延伸并在波纹节的位置设置端点，支撑件仅支撑在第一波纹和第二波纹的下方，波纹节区域不设置支撑。

为了便于电缆穿插和空气流通，支撑件还包括设置在支撑构架12内部的空心通道13，空心通道13沿支撑构架12的延伸方向延伸并在波纹节的位置设置端点，本实施例中空心通道13与支撑构架12延伸长度等长且端部平齐。支撑构架12的厚度为5-10mm，支撑构架选用胶合板、聚乙烯或玻璃纤维。

作为优选，在支撑构架12的内部和空心通道13的外部之间的区域还填充有支撑填充物14。通过填充物14对支撑构架12进行支撑加强。填充物14如玻璃纤维、低温胶水，玻璃纤维具有一定的刚度和硬度，能够起到较强的支撑加强作用；低温胶水为耐低温胶水，低温胶水在起到一定支撑加强的同时，由于低温胶水本身具有较高的柔性，能够保持一定的位移余量，也能起到防止支撑结构损坏的作用。

本发明的密封膜由金属板以密封焊接的方式焊接而成，具体的选用厚度介于2-5mm的不锈钢或高锰钢金属板，屈服强度在170MPa与500MPa之间，按照波纹节所在位置划分为若干个具有波纹节的单元，每个单元单独加工第一波纹、第二波纹和波纹节，然后再将每个单具有波纹节的单元拼接焊接形成波纹摸。第一波纹、第二波纹和波纹节通过挤压的方式成型。

本事实施例还提供了一种用于存储和运输液化天然气的密封罐，如图8所示，在密封罐内部设置上述实施例中的密封膜，作为优选，密封罐内部设置有两层绝缘层15和两层上述实施例中的密封膜，两层绝缘层分别作为主层绝缘层和次层绝缘层，两层密封膜分别作为主层密封膜和次层密封膜，安装在密封罐内时，按照次层绝缘层、密封膜、主层绝缘层和密封膜的顺序叠加设置。作为优选，主层绝缘层对应次层绝缘层的密封膜的第一波纹和第二波纹设置容置槽16，第一波纹和第二波纹下方的支撑件支撑在绝缘层15上方，如图7所示。

为了更好的说明本发明的密封膜的特点，对本发明的密封膜进行热胀冷缩下的塑性应变性能及抗压变形性能模拟测试，本实施例中测试借助Ansys软件进行模拟分析：

1、本发明的密封膜在低温回暖及急速冷冻条件下，第一波纹和第二波纹将平面区域产生的热胀冷缩减小，位移产生的应力也被波纹的褶皱形式所承担，波纹间接提供了较大的位移余量。

对于装载液化天然气的情况，即从室温（20℃）降到-163℃时，本发明的密封膜的塑性应变如图9所示，最大值为5.1786mm/m;图10为现有技术中的密封膜在同等条件下的塑性应变，最大值为6.2515mm/m，比本发明中的塑性应变值大约21%。在同等条件下，发生的塑性应变越小越好。

2、本发明的密封膜由于第一波纹和第二波纹存在类M型截面，使其能够均匀承担晃荡冲击载荷，有效避免密封膜的损坏，避免密封罐受损。

晃荡冲击载荷表现为均匀施加在密封膜表面的压强作用，在同样施加270kPa压强的情况下，密封膜的抗压变形如图11所示，本发明的密封膜的最大变形值为0.2012mm，图12为现有技术中Mark III型围护系统金属波纹板在同等条件下的变形值，最大变形值为0.36582mm；同等条件下本发明的密封膜的变形值明显相对较小，能够有效承担晃荡冲击载荷，避免密封罐受损。

本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。