BRPI0719424B1 - Uso de um material compósito, estrutura em sanduíche, e, sistema de confinamento para um fluido criogênico. - Google Patents

Uso de um material compósito, estrutura em sanduíche, e, sistema de confinamento para um fluido criogênico. Download PDF

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BRPI0719424B1
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Abstract

uso de um material compósito, estrutura em sanduíche, e, sistema de confinamento para um fluido criogênico a invenção atual refere-se ao uso de um material compósito como uma barreira para fluido sob condições criogênicas, o material compósito tendo: (a) um módulo de tensão de young menor que 50 gpa; e (b) uma deformação por tração na ruptura menor que 5% nas condições ambientes. a invenção atual se refere ainda a uma estrutura em sanduíche e ao sistema de confinamento para o fluido criogênico constituído do material compósito.

Description

“USO DE UM MATERIAL COMPÓSITO, ESTRUTURA EM SANDUÍCHE, E, SISTEMA DE CONFINAMENTO PARA UM FLUIDO CRIOGÊNICO”
A invenção atual refere-se ao uso de um material compósito como uma barreira, especialmente a uma barreira para fluido, sob condições criogênicas, o material compósito tendo certas propriedades. Ele também se refere a uma estrutura em sanduíche utilizando o material compósito, assim como a sistemas de armazenamento, tais como recipientes, tubulações, tanques, vasos, dutos e cavernas utilizando o material compósito.
As barreiras para fluido para uso sob condições criogênicas, tais como tanques de armazenagem e gasodutos se destinam a evitar a saída do fluido criogênico na direção dos materiais atrás da barreira. Tipicamente, as barreiras para fluido convencionais são baseadas em materiais especiais tendo propriedades semelhantes, tais como materiais compósitos reforçados especiais ou de aço-níquel. Exemplos de tais materiais compósitos especiais reforçados com fibra incluem aqueles constituídos de materiais de matriz plástica termocurados (como epóxi e poliuretanas) e reforçados por fibras estruturais, tais como grafite, vidro, como o vidro S2 e o vidro E, e polietileno de peso molecular ultra-elevado.
Como um exemplo, a WO 2006/003192 Al descreve o uso de uma barreira para fluido em um recipiente isolado termicamente para a armazenagem de gás liquefeito, como o LNG (gás liquefeito natural), nitrogênio liquefeito, oxigênio ou dióxido de carbono e hidrogênio liquefeito. A barreira para fluido, conforme apresentado na WO 2006/003192 é composta de um material plástico como poliuretanas ou epóxi ou uma combinação dos mesmos. Se desejado, a barreira para fluido poderá ser reforçada pela incorporação de fibras de vidro.
Apesar da barreira para fluido de acordo com a WO 2006/003192 Al já funcionar satisfatoriamente, verificou-se que o uso de barreiras para fluido com base em tais materiais compósitos podería resultar na introdução de tensões elevadas que têm que ser acomodadas pela construção geral. Em alguns casos, isto poderá levar a falhas mecânicas da barreira para fluido e/ou da construção geral.
Um objetivo da invenção atual é minimizar o problema acima.
Um outro objetivo é apresentar um material alternativo para uso como uma barreira para fluido, sob condições criogênicas, tais como abaixo de -30 ° C, abaixo de -100 ° C, ou mesmo abaixo de -150 ° C.
Ainda um outro objetivo da invenção atual é apresentar sistemas de armazenamento melhorados, tais como recipientes, tubulações, tanques, vasos, dutos e cavernas para fluidos criogênicos.
Um ou mais dos objetivos acima ou outros poderão ser obtidos de acordo com a invenção atual através da apresentação do uso de um material compósito, como uma barreira para fluido sob condições criogênicas, o material compósito tendo:
(a) um módulo de tensão de Young menor que 50 Gpa nas condições ambientes; e (b) uma deformação por tração na ruptura pelo menos de 5% nas condições ambientes.
A EP 0 465 252 Al descreve um recipiente ou duto para gás comprimido e/ou criogênico constituído de um polímero sintético impermeável a gás formando uma barreira gasosa. As fibras estruturais podem estar embebidas no polímero sintético impermeável a gás para formar um material compósito. Tipicamente, o material compósito tem uma baixa tensão e um módulo elevado. Quando feito utilizando-se de fibras estruturais adequadas mencionadas na especificação de patente, tipicamente os materiais compósitos terão um módulo de Young de mais de 50 GPa.
A US 6.962.672 descreve um vaso de alta pressão especialmente para um motor espacial. O revestimento interno do vaso de pressão podería utilizar uma poliamida tendo um módulo de Young entre 1 e 2 GPa. A deformação por tração na ruptura não é mencionada, e além disso, o revestimento interno não é um composto. Ao redor do revestimento, é enrolado um reforçador, feito, por exemplo, de fibras de carbono ou de fibras de aramida vendidas com o nome Kevlar. Estes materiais na aplicação do reforçador possuem um módulo de Young muito elevado.
De preferência, o módulo de tensão de Young é menor do que 40 GPa, e de preferência, é maior do que 1,0 GPa, mais de preferência, está acima de 2,0 Gpa.
De preferência, o módulo de tensão de Young é determinado de acordo com a DIN EN ISO 527 nas condições ambientes, isto é nas condições standard atmosféricas, de acordo com a ISO 554, especialmente as condições atmosféricas recomendadas, i.e., a 23 ° C, 50% de umidade relativa em uma pressão entre 86 e 106 kPa.
De preferência, a deformação por tração na ruptura nas condições ambientes está acima de 8%, mais de preferência, acima de 10%, e ainda mais de preferência, acima de 15%. Tipicamente, a deformação por tração na ruptura nas condições ambientes não é maior do que 75%.
A deformação por tração na ruptura é determinada de acordo com a DIN EN ISO 527 nas condições ambientes.
A tensão de um material é relacionada com o seu módulo de tensão de Young e o seu coeficiente de expansão térmica, e para os materiais criogênicos, até agora tem sido considerado que os materiais de baixa tensão não poderíam ser utilizados com fluidos criogênicos devido a alterações significativas nas temperaturas experimentadas em uso. No entanto, a invenção atual, com surpresa, verificou que o uso de um material compósito tendo um módulo de tensão de Young relativamente baixo é utilizável com fluidos criogênicos. O uso de tais materiais compósitos reduz as tensões induzidas termicamente sobre o material da barreira para fluido, assim como em qualquer estrutura de suporte, dessa forma permitindo uma faixa mais ampla de materiais a serem escolhidos para esta estrutura de suporte.
De acordo com a invenção atual, um material compósito é um material engenheirado feito de dois ou mais materiais constituintes com propriedades físicas ou químicas diferentes que permanece separado e distinto em um nível macroscópico dentro da estrutura acabada. O valor do módulo de tensão de Young do material compósito podería depender das quantidades relativas dos materiais utilizados. A pessoa versada na técnica rapidamente entenderá como variar as frações volumétricas dos vários componentes do material compósito para se adequar às propriedades desejadas.
Em uma realização da invenção atual, o composto é um compósito de mono-material, i.e., um material compósito formado de duas camadas compostas do mesmo material, por exemplo, duas camadas de material termoplástico orientado que são fundidas em conjunto em temperatura e pressão elevadas, dessa forma formando um material de matriz termoplástica interdispersado entre e dentro das camadas do material termoplástico orientado. Conforme é conhecido por aqueles versados na técnica, a pressão elevada, especialmente a pressão hidrostática, é importante para controlar a temperatura de fusão do material termoplástico orientado. Além disso, no material compósito mono-material, poderão ser incorporados um ou mais adesivos, sendo diferentes quimicamente.
Em outra realização da invenção atual, o material compósito é um material de matriz plástica reforçado por intermédio de um reforçador, de preferência, onde o reforçador está pelo menos parcialmente incorporado dentro do material da matriz plástica. O material da matriz plástica poderá portanto funcionar como uma fase sólida contínua na qual o reforçador é embebido. Estas não são limitações específicas com relação à relação entre o material de matriz plástica e o reforçador.
O reforçador poderá estar na forma de fibras contínuas ou cortadas, em flocos ou partículas, mas de preferência, é transformado em um material tendo uma estrutura semelhante à têxtil, como um filtro, um tecido, uma maçaroca, um pano, ou uma estrutura costurada.
Além disso, é preferível que o reforçador seja escolhido do grupo consistindo de materiais naturais e termoplásticos ou de uma combinação dos mesmos. O material natural poderá ser composto de fibras, incluindo fibras vegetais, tais como fibras de coco, algodão, linho, juta, linho, rami, sisal e cânhamo; e fibras animais, tais como lã de carneiro, cabelo de cavalo, e seda.
De preferência, o reforçador é composto de um material termoplástico. De preferência, o material termoplástico para o reforçador é composto de uma poliolefma escolhida do grupo que consiste de polietileno, polipropileno, polibutileno, polimetilpenteno, poliisobuteno ou um copolímero ou terpolímero dos mesmos, de preferência, polipropileno.
O reforçador também pode ser escolhido de uma larga faixa de materiais, incluindo fibras de carbono, fibras de vidro, e fibras poliméricas, desde que o material compósito resultante tenha um módulo de tensão de Young menor do que 50 Gpa e uma deformação por tração na ruptura menor que 5%.
De preferência, o reforçador tem uma deformação por tração na ruptura menor que 5% conforme determinado de acordo com a DIN EN ISO 527 nas condições ambientes, mais de preferência, a deformação por tração na ruptura nas condições ambientes está acima de 8%, ainda mais de preferência, acima de 10%, e mais de preferência, acima de 15%. Tipicamente, a deformação por tração na ruptura nas condições ambientes não é maior do que 75%.
O material da matriz plástica a ser escolhido de acordo com a invenção atual pode ser escolhido de uma larga faixa de materiais, tais como materiais poliméricos, incluindo poliéster, policarbonato, éster vinílico, epóxi, fenólico, poliimida, poliamida e outros, desde que o material compósito resultante tenha um módulo de tensão de Young menor do que 50 GPa. No entanto, é preferível que o material de matriz plástica tenha um módulo de tensão de Young de 0,1 - 5,0 GPa, conforme determinado de acordo com a DIN ENISO 527 nas condições ambientes.
O material de matriz plástica, de preferência, inclui um material termoplástico ou um material termocurado.
De acordo com uma realização especialmente preferida da invenção atual, o material de matriz plástica é um material termoplástico. Uma vantagem do material termoplástico é que ele pode ser facilmente formatado. De preferência, o material termoplástico é composto de uma poliolefina escolhida do grupo que consiste de polietileno, polipropileno, polibutileno, polimetilpenteno, poliisobuteno, ou um copolímero ou terpolímero dos mesmos, tais como EPDM, de preferência, polipropileno.
O composto de mono-material, de preferência, é um material termoplástico, no qual ambos o material termoplástico orientado como uma fase de fibra de reforçador, e uma matriz entre o material termoplástico orientado, constituem, de preferência, são constituídos essencialmente de, mais de preferência, consistem do mesmo polímero termoplástico. A ligação é feita devido à fusão controlada da superfície do material termoplástico orientado. As propriedades físicas do compósito de mono-material, tais como o módulo de tensão de Young e o coeficiente de expansão térmica (CTE), podem ser controlados pela extensão da fusão efetuada no processo, que determina a relação volumétrica entre o material termoplástico e o orientado/não orientado, também referida como a relação fibra/matriz.
A forma para fabricar estes compostos de mono-material é conhecida na técnica e tem, por exemplo, sido apresentada na publicação de solicitação de patente US de número 2005/0064163; B. Alcock et al. (2007), Joumal of Applied Polymer Science, Vol. 104, 118 - 129; e B. Alcock et al.
(2007), Composites: Part A (applied science and manufacturing), Vol. 38, 147
-161, incorporada aqui como referência.
O processo de fabricação, tipicamente utiliza fibras de polímero termoplástico orientadas em várias formas: arranjo unidimensional, pano tecido ou feltro de fibras cortadas/ não tecido. Conforme é conhecido na técnica, é importante controlar-se a temperatura de fusão das fibras pela pressão hidrostática. As fibras são aquecidas sob pressão elevada até uma temperatura que está abaixo do seu ponto de fusão na pressão elevada mas acima da temperatura de fusão em uma pressão menor. A redução da pressão para o tempo controlado resulta na fusão das fibras, que começa na superfície da fibra. Esta fusão da superfície sob pressão controlada seguida pela cristalização, produz a estrutura consolidada.
Um processo alternativo conhecido envolve o uso de uma coextrusão especial do material da matriz ao redor de segmentos de materiais termoplásticos, tais como fibras. Este processo de co-extrusão e de soldagem de fita tem vantagens em relação aos processos convencionais de selagem por causa da larga janela de selagem ( 130 - 180 ° C) sem perda das propriedades do material.
De preferência, o compósito de mono-material é constituído, mais de preferência, consiste essencialmente de, ainda mais de preferência, consiste de, uma poliolefina escolhida do grupo consistindo de polietileno, polipropileno, polibutileno, polimetilpenteno, poliisobuteno ou um copolímero ou terpolímero dos mesmos, como EPDM, mais de preferência, polipropileno.
O material compósito deve ser usado como uma barreira para fluido e sob condições criogênicas, que são abaixo de -30 ° C, mais de preferência, em temperaturas abaixo de -100 ° C, ou mesmo abaixo de -150 ° C. Tal temperatura (abaixo de -100 ° C, de preferência, abaixo de -150 ° C, tipicamente, -160 ° C, é adequada para o gás natural liquefeito (LNG);
Para fins desta especificação, um líquido criogênico é um gás liquefeito que foi liquefeito através da redução da temperatura até as condições criogênicas. Um fluido criogênico inclui um líquido criogênico, um gás que é mantido sob condições criogênicas e um fluido supercrítico que é mantido sob condições criogênicas. Uma barreira para fluido é uma barreira adequada para fluidos criogênicos. As condições criogênicas para a finalidade desta especificação significam temperaturas menores do que -30 ° C, de preferência, menores do que -100 ° C, mais de preferência, menores do que 150 ° C. O material compósito, de preferência, é utilizado em temperaturas menores do que -100 ° C, mais de preferência, menores do que -150 ° C, porque dessa forma os benefícios do uso dos materiais compósitos com estas propriedades são totalmente explorados.
De preferência, o material compósito tem uma deformação por tração na ruptura menor do que 3%, conforme determinado de acordo com a DIN EN ISO 527 a -196 ° C (em nitrogênio líquido), mais de preferência, pelo menos 5%, ainda mais de preferência, pelo menos 6%, ainda mais de preferência, acima de 8%, ainda mais de preferência, acima de 10%.
O material compósito, de preferência, tem um coeficiente de expansão térmica menor do que 250 * IO’6 m/m/°C a 40 ° C. Mais de preferência, o material compósito é orientado e o material compósito tem um coeficiente de expansão térmica menor do que 250 * IO'6 m/m/° C a 40 ° C na direção da orientação do material compósito.
Além disso, de preferência, o material compósito tem um coeficiente de expansão térmica menor do que 100 * IO’6 m/m/° C a -60 ° C. Mais de preferência, o material compósito é orientado e o material compósito tem um coeficiente de expansão térmica menor do que 100 * IO’6 m/m/° C a 60 ° C na direção da orientação do material compósito.
O coeficiente de expansão térmica, adequadamente, pode ser determinado de acordo com a ISO 11359-2 na faixa de temperatura entre -60 e +70 ° C através de análise mecânica térmica (TMA).
Em outro aspecto, a invenção atual apresenta o uso da barreira para fluido no confinamento, na armazenagem, no processamento, no transporte ou na transferência de um fluido criogênico, como um gás liquefeito, incluindo, mas não limitado a, LNG, nitrogênio liquefeito, oxigênio, dióxido de carbono e hidrogênio. Tal uso pode ser temporário ou permanente, na costa ou em alto-mar, acima do solo, acima d'água, embaixo d'água ou submerso, ou uma combinação dos mesmos. Tais usos também podem estar a montante e/ou a jusante de outros aparelhos, dispositivos, unidades ou sistemas ou qualquer parte de uma planta ou instalação para conter, armazenar, processar, transportar e/ou transferir um fluido criogênico. Isto inclui uma ou mais plantas de liquefação, uma instalação para a exportação, carregamento, transporte, descarga, e importação ou uso final, ou uma parte da mesma.
Tais usos incluem, mas não são limitados às seguintes aplicações;
Armazenagem e transporte de fluidos criogênicos (puros ou misturados) para o uso em temperaturas abaixo de -30 ° C, de preferência, em temperaturas abaixo de -100 0 C, mais de preferência, em temperaturas abaixo de -150 ° C, incluindo tanques (i.e. armazenagem a granel) em terminais de exportação e de importação, embarque, e transferência de elementos, tais como tubulações e mangueiras;
O confinamento dos fluidos criogênicos em tanques, na costa ou em alto-mar, com qualquer formato geométrico, incluindo tanques cilíndricos (verticais), tanques prismáticos, tanques elipsoidais, e tanques esféricos;
A armazenagem na costa e fora da costa ou transporte de fluidos criogênicos em recipientes, recipientes portáteis, recipientes fabricados em oficina, tanques portáteis e tanques de carga;
A armazenagem subterrânea, incluindo cavernas, tais como cavernas rochosas ou recipientes subterrâneos, (exemplos dos quais são discutidos no artigo de Eric Amantini, Emmanuel Chanfreau e Ho-Yeong Kim intitulado The LNG storage in lined rock cavem, em Gastech (2005), incorporada aqui para fins de referência);
Vasos pressurizados ou não pressurizados para a armazenagem temporária ou permanente de fluidos criogênicos;
Vasos pressurizados ou não pressurizados para transporte (na costa, no mar ou por qualquer meio) de fluidos criogênicos com qualquer forma geométrica, incluindo mas não limitados a formas cilíndricas (verticais), prismáticas, elipsoidais, esféricas);
Transporte ou transferência de fluidos em tubos flexíveis ou rígidos, incluindo na costa e em alto-mar, por cima de água, na água ou embaixo de água, incluindo tubulações, seções de tubulações, gasodutos, sistemas de tubulação, mangueiras, dutos de interligação e equipamentos associados e os detalhes.
A invenção atual também apresenta um sistema de confinamento para um fluido criogênico que é constituído pelo menos de uma camada de um material compósito conforme definido aqui anteriormente, o sistema de confinamento, de preferência, sendo composto de um ou mais do grupo constituído de: um recipiente, um tanque, uma tubulação, um vaso, um duto e uma caverna.
Exemplos de tais sistemas de confinamento e da sua utilização foram descritos aqui anteriormente. As tubulações incluem gasodutos ou seções de tubulação, sendo contínuos ou com comprimentos distintos.
Um exemplo específico de um sistema de confinamento é um recipiente para a armazenagem de um fluido criogênico, o recipiente, pelo menos sendo constituído de:
- uma carcaça externa estrutural contendo uma carga;
- no lado interno da carcaça externa, uma ou mais barreiras para fluido constituídas de um material compósito conforme definido aqui anteriormente.
Outro exemplo específico de um sistema de confinamento é uma tubulação para o transporte de um fluido criogênico, sendo constituída pelo menos de:
uma carcaça externa estrutural contendo uma carga, de preferência, de um material plástico;
no interior da carcaça externa, uma barreira para fluido constituída de um material compósito conforme definido aqui anteriormente, especialmente tendo um módulo de tensão de Young menor que 50 GPa conforme determinado de acordo com a DIN EN ISO 527 em condições atmosféricas.
Especialmente, tal tubulação poderia ser constituída de:
uma ou mais barreiras para fluido internas concêntricas ao redor de um duto para fluido central;
uma camada concêntrica externa; e opcionalmente pelo menos um segmento circular entre pelo menos uma barreira para fluido interna e a camada concêntrica externa, o referido segmento circular ou segmentos circulares (40) sendo cheios com um ou mais isolantes térmicos.
Tal tubulação poderia ser constituída de 2, 3 ou 4 barreiras para fluido internas, com um segmento circular entre cada conjunto vizinho de duas barreiras para fluido internas e entre a barreira para fluido interna mais externa e a camada concêntrica externa, de preferência, pelo menos dois dos segmentos circulares sendo cheios com dois ou mais isolantes térmicos diferentes.
Os isolantes térmicos adequados são conhecidos na técnica, e incluem várias espumas e géis, tais como microgel ou microtérmico (uma mistura microporosa de pó cerâmico ou fibras).
Em uma realização de tal tubulação, pelo menos uma barreira para fluido interna é alongável, de preferência, todas as barreiras para fluido internas são alongáveis para acomodarem à alteração longitudinal na tubulação ou devida à alteração de temperatura durante a presença de um fluido criogênico.
A invenção atual também apresenta uma estrutura em sanduíche para uso como uma barreira, especialmente, uma barreira para fluido, sob condições criogênicas, constituída de um material compósito conforme definido aqui, e uma camada suporte estrutural. Tal estrutura em sanduíche poderá ser composto de qualquer quantidade de camadas, geralmente duas ou três, e um sistema de confinamento da invenção atual podería ser constituído de uma ou mais de tais estruturas em sanduíche tendo a mesma ou uma construção diferente, como o material e as larguras. As larguras adequadas para uma estrutura em sanduíche para a invenção atual podem variar de 1-50 mm.
A invenção atual também apresenta uma estrutura em sanduíche para uso como uma barreira, especialmente com uma barreira para fluido, sob condições criogênicas, constituído de uma camada de um material isolante e uma barreira constituída de um material compósito conforme definido aqui anteriormente. O material isolante, de preferência, é um ou mais dos isolantes mencionados aqui.
As realizações da invenção atual serão descritas e ilustradas com referência aos seguintes desenhos não limitantes, que mostram:
A figura 1, é esquematicamente uma vista de seção em corte de uma tubulação de acordo com a invenção atual para o transporte de um fluido criogênico como LNG;
As figuras 2 a 4 são esquematicamente vistas de seção em corte de três outras tubulações de acordo com outras realizações da invenção atual para o transporte de um fluido criogênico como LNG;
A figura 5 é esquematicamente uma vista de seção em corte de um recipiente para a armazenagem de um fluido criogênico; e
A figura 6 é esquematicamente uma vista de seção em corte de uma estrutura em sanduíche de acordo com a invenção atual.
Os mesmos números de referência referem-se a elementos estruturais semelhantes.
E feita agora referência à figura 1. A figura 1 mostra esquematicamente uma vista de seção em corte de uma tubulação 2 para o transporte de líquidos criogênicos como LNG, LPG e nitrogênio líquido. A tubulação 2 é constituída de uma carcaça externa contendo uma carga 31, uma barreira para fluido 10 no interior da carcaça externa que contém uma carga 31, concentricamente em volta de um duto para fluido central 100.
A carcaça externa contendo uma carga 30 poderá ser feita de um material metálico como aço níquel ou concreto, mais de preferência, é feita de um material plástico rígido como um material de epóxi reforçado com carbono ou um material epóxi reforçado com vidro.
A barreira para fluido 10 é feita de um material compósito tendo um módulo de tensão de Young menor do que 50 GPa. Um exemplo de um material adequado para a barreira para fluido 10 é um material compósito constituído de um material de matriz de polipropileno reforçado com fibras de polipropileno, i.e., um material compósito com um só polímero. Tal material compósito pode ser obtido como tal, como por exemplo, Curv TM C100A (obtenível da Propex Fabrics, Gronau, Germany) e tem um módulo de tensão de Young de 3,2 GPa conforme determinado de acordo com a DIN EN IS O 527 nas condições ambientes.
Outro exemplo de um material compósito adequado é um material compósito constituído de fibras de polipropileno co-extrusadas com uma mistura de polietileno-polipropileno. O material co-extrusado é fundido para formar a matriz para o composto, que é comercializado como a marca PURE (obtenível da Lankhorst Pure Composites B.V., Sneek, The Netherlands). O módulo de tensão de Young nas condições ambientes era em tomo de 6,4 GPa e a deformação por tração na ruptura era de 10% para este material compósito.
Outros materiais compósitos adequados foram descritos em A. Pegoretti et al., Flexural and interlaminar mechanical properties of unidirectional liquid crystalline single-polymer composites, Composite Science and Technology 66 (2006), pp. 1953 - 1962, o teor da qual é incorporado aqui como referência.
A tabela I abaixo lista uma quantidade de propriedades do material compósito mencionado acima CurvTM Cl00A.
Tabela I
Material compósito C C CurvTM Cl00A
Módulo de tensão de Young nas condições ambientes 3,2 ± 0,2GPa
Módulo de tensão de Young a -196 °C 12,0 ± 1,7 GPa
Deformação por tração na ruptura nas condições ambientes 17,6% ±0,6
Coeficiente de expansão térmica em IO'6 m/m/°C Na direção da fibra Perpendicular à direção da fibra
Entre -60 e -20 °C (abaixo da Tg) 26 ±4 52 ±7
Entre 0 e 20 °C 44 ±7 79 ±20
Entre 40 e 70 °C (acima da Tg) 120 ±61 125 ±33
O coeficiente de expansão térmica foi determinado de acordo com a ISO 11359-2 na faixa de temperatura entre -60 e +70 ° C por intermédio de análise mecânica térmica (MA). As medições foram executadas em ambas as direções da fibra e na direção perpendicular à direção da fibra. Foram executadas outras medições de acordo com os métodos apresentados aqui acima.
A pessoa versada na técnica entenderá que o conjunto de tubulação 2 podería, além da carcaça externa 30 e da barreira para fluido 10, ser constituída de outros componentes, tais como outras camadas entre a carcaça externa 30 e a barreira para fluido 10, de revestimentos externos na carcaça externa 30, etc..
Um exemplo é mostrado na figura 2, que mostra uma tubulação tendo, concentricamente um duto para fluido central 100, uma primeira barreira para fluido 10, um primeiro segmento circular 40, e uma camada concêntrica externa 30, geralmente sendo suportada estruturalmente pelas partes internas da tubulação 2a. O segmento circular 40 poderá ser cheio com um ou mais isolantes térmicos, e geralmente espumas ou géis, tais como a aerogéis, microespumas, etc.
A figura 3 mostra um outro exemplo de uma tubulação 2b constituída, concentricamente a partir de um duto para fluido central 100, de uma primeira barreira para fluido interna 10, um primeiro segmento circular 40, uma segunda barreira para fluido 11, um segundo segmento circular 41, e então uma camada concêntrica externa 30. A primeira e a segunda barreiras para fluido 10, 11, poderão ter a mesma ou uma composição diferente, e o primeiro ou o segundo segmento circular 40, 41, poderão ser constituídos dos mesmos ou de isolantes térmicos diferentes.
A figura 4 mostra outro exemplo de uma tubulação 2c composta concentricamente de um duto para fluido central 100, uma primeira, segunda e terceira barreiras para fluido 10, 11, 12, e uma camada concêntrica externa 30, e um primeiro, segundo e terceiro segmentos circulares 40, 41, 42, entre as mesmas.
Tipicamente, uma tubulação 2a conforme exemplificado na figura 2 é constituída concentricamente pelo menos de:
um duto para fluido central 100 tendo um diâmetro na faixa de 50 - 1.500 mm, de preferência, 250 - 1.000 mm, mais de preferência, 500 900 mm;
uma primeira barreira para fluido interna 10 tendo uma espessura na faixa de 1- 10 mm; e um primeiro segmento circular 40 tendo uma espessura na faixa de 25 -250 mm; e uma camada concêntrica externa 30 tendo uma espessura na faixa de 25 -250 mm.
A figura 5 mostra esquematicamente uma vista de seção em corte de um recipiente isolado termicamente 200 para a armazenagem de um fluido criogênico. O recipiente 200 é constituído de uma carcaça externa estrutural contendo uma carga 215 constituída de uma base 220 e uma parede lateral 230. Na realização da figura 5, a base 220 e a parede lateral 230 são feitas de concreto. Com o objetivo de complementação, é observado que o recipiente 200 inclui uma cobertura (não mostrada) que é isolada e pode formar uma parte da carcaça externa estrutural 215.
O recipiente 200 inclui ainda pelo menos duas camadas de confinamento isoladas termicamente, i.e., uma camada interna de confinamento 240 e uma camada externa de confinamento 250, que são fixadas na superfície interna da carcaça estrutural 215.
Cada camada de confinamento 240 e 250 inclui painéis de um material isolante (por exemplo, um material plástico espumado como PVC ou PUR).
Além disso, o recipiente 200 é constituído de duas barreiras para fluido de vapor e de líquido 210, uma estando em contato com o gás liquefeito 205 contido no recipiente 200 entre a camada interna de confinamento 240 e a camada externa de confinamento 250. As barreiras para fluido 210 são feitas de um material compósito conforme definido aqui, um exemplo típico do qual é apresentado na tabela I acima.
As barreiras para fluido 210, as camadas de confinamento 240, 250 e a carcaça externa 210 poderão ser fixadas umas com as outras por qualquer meio adequado, tais como por aspersão, cola, fixação mecânica, solda por fusão, etc., conforme é conhecido na técnica.
A figura 6 mostra esquematicamente uma vista de seção em corte de uma estrutura em sanduíche 300 de acordo com a invenção atual, que podería ser utilizado em um conjunto de tubulação 2, 2a, 2b, 2c ou um tanque de armazenagem 200 conforme exemplificado nas figuras 1 a 5. A estrutura 5 em sanduíche 300 é constituído de uma camada 320 de um material isolante térmico como PVC, PUR, etc., e uma barreira para fluido 310 feita de um material compósito definido aqui. A barreira para fluido 310 poderá ser ligada na chapa 310 por intermédio de uma ligação adesiva, soldagem ou fusão, ou qualquer outro meio adequado, conforme é conhecido na técnica.
A pessoa versada na técnica entenderá rapidamente que poderão ser feitas várias modificações sem se afastarem do escopo da invenção.

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Uso de um material compósito, caracterizado pelo fato de ser como uma barreira para fluido sob condições criogênicas, o material compósito tendo:
    (a) um módulo de tensão de Young menor que 50 GPa nas condições ambientes; e, (b) uma deformação por tração na ruptura de pelo menos de 5% nas condições ambientes.
  2. 2. Uso de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do material compósito ter um coeficiente de expansão térmica menor do que 250 * 10-6 m/m/°C a 40°C.
  3. 3. Uso de acordo com a reivindicação 1 ou na reivindicação 2, caracterizado pelo fato do material compósito ter uma deformação por tração na ruptura pelo menos de 3% a -196°C.
  4. 4. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato do material compósito ter um coeficiente de expansão térmica menor do que 100 * 10-6 m/m/° C a -60°C.
  5. 5. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato do material compósito ser constituído de um compósito de mono-material ou um material de matriz plástica reforçado com um reforçador.
  6. 6. Uso de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do compósito de mono-material ser um material termoplástico, no qual ambos o material termoplástico orientado, tal como uma fase de fibra de reforçador, e uma matriz entre o material termoplástico orientado, são constituídos do mesmo polímero termoplástico.
  7. 7. Uso de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do material compósito ser constituído de um material de matriz plástica reforçado com um reforçador, e o reforçador ter uma deformação por tração
    Petição 870180143829, de 23/10/2018, pág. 4/22 na ruptura pelo menos de 5%.
  8. 8. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de ser no confinamento, armazenagem, processamento, transporte ou transferência de um fluido criogênico.
  9. 9. Estrutura em sanduíche, caracterizada pelo fato de ser para uso como uma barreira, especialmente uma barreira para fluido, sob condições criogênicas, compreendendo um material compósito como definido em uma ou mais reivindicações 1 a 7, e uma camada suporte estrutural.
  10. 10. Estrutura em sanduíche (300), caracterizada pelo fato de ser para o uso como uma barreira, especialmente uma barreira para fluido, sob condições criogênicas, compreendendo uma camada (320) de um material isolante e uma barreira (310) constituída de um material compósito como definido em uma ou mais das reivindicações 1 a 7.
  11. 11. Sistema de confinamento para um fluido criogênico, caracterizado pelo fato de ser composto pelo menos de uma camada de um material compósito como definido em uma ou mais das reivindicações 1 a 7.
  12. 12. Sistema de confinamento de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de ser um recipiente (200) para a armazenagem de um fluido criogênico (205), o recipiente (200) pelo menos compreendendo:
    - uma carcaça externa estrutural contendo uma carga (215);
    - no lado interno da carcaça externa (215), uma ou mais barreiras para fluido (210) constituídas de um material compósito como definido em uma ou mais das reivindicações 1 a 7.
  13. 13. Sistema de confinamento de acordo com a reivindicação
    11, caracterizado pelo fato de ser constituído de uma tubulação (2) para o transporte de um fluido criogênico composta pelo menos de:
    - uma ou mais barreiras para fluido internas concêntricas (10) ao redor de um duto para fluido central (100), a ou cada uma das barreiras para fluido internas (10) sendo constituídas de um material compósito como
    Petição 870180143829, de 23/10/2018, pág. 5/22 definido em uma ou mais das reivindicações 1 a 7;
    - uma camada concêntrica externa (30); e
    - opcionalmente, pelo menos um segmento circular (40) entre pelo menos uma barreira para fluido interna (10) e a camada concêntrica
    5 externa (30), o pelo menos um segmento circular (40) sendo cheio com um ou mais isolantes térmicos.
  14. 14. Sistema de confinamento de acordo com a reivindicação
    13, caracterizado pelo fato de ser constituído de 2, 3 ou 4 barreiras para fluido internas (10, 11, 12, 13), com um segmento circular (40, 41, 42, 43) entre pelo
    10 menos um conjunto vizinho de duas barreiras para fluido internas e/ou entre a barreira para fluido interna mais externa (11, 12, 13) e a camada concêntrica externa (30).
  15. 15. Sistema de confinamento de acordo com a reivindicação
    14, caracterizado pelo fato de ser constituído de 2, 3 ou 4 barreiras para fluido 15 internas (10, 11, 12, 13), com um segmento circular (40, 41, 42, 43) entre cada conjunto vizinho de duas barreiras para fluido internas entre a barreira para fluido interna mais externa (11, 12, 13) e a camada concêntrica externa (30).
BRPI0719424-2A 2006-12-06 2007-12-06 Uso de um material compósito, estrutura em sanduíche, e, sistema de confinamento para um fluido criogênico. BRPI0719424B1 (pt)

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EP06125501.4 2006-12-06
PCT/EP2007/063410 WO2008068303A1 (en) 2006-12-06 2007-12-06 Use of a composite material as a barrier under cryogenic conditions

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