液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量装置及方法

摘要

本发明提供液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量装置及利用其的液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量方法。所述测量装置包括：平板形状的浮垫结合体，其在液化天然气运输船货物集装箱所收容的液化天然气的表面，随液化天然气的流动一起漂浮；以及光学加速度传感器，其安装在所述浮垫结合体的一个以上的位置，并且利用光学传感技术，测量所述浮垫结合体漂浮时的加速度。根据本发明，可多角度地测量液化天然气运输船货物集装箱内液化天然气的晃荡导致的流动特性和由此引发的施加于货物集装箱内壁的冲击和应变，并对其进行有效地分析，从而能够准确掌握液化天然气的晃荡现象所产生的问题，并以此为基础，做出更完善的货物集装箱设计，对其进行更好地维护和维修。

说明书

技术领域

本发明涉及液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量装置及方法，本发明的适 用领域可包括海陆集散中心的货物集装箱以及更广的范围。

技术背景

液化天然气(liquified natural gas,LNG)(以下简称“LNG”)是从天然气田采 取天然气，再将其制成液化的天然气。其主成分是沼气(methane)，在这点上有别于 液化石油气(liquified petroleum gas,LPG)。对LNG施加压力使其液化，则能将其 体积压缩成原来体积的1/600，沼气的沸点为-162℃，所以可通过冷却或压缩的方式使 其液化，用隔热的专用集装箱运送。LNG作为一种无色、透明的液体，无污染，热量高， 是一种非常优良的燃料，主要被用作城市煤气。

此外，为了运输LNG而制造的船舶被称为液化天然气运输船(liquified natural gas  carrier,LNGC)(以下简称“LNG船”)。LNG船包括隔热专用集装箱(以下简称为“LNG 集装箱”)，所述集装箱用于收纳LNG。

如图1所示，LNG船的LNG集装箱在金属制造的船外壁15内构成LNG集装箱外壁 50，所述LNG集装箱外壁50由抗低温的金属所制成，并且内部形成二次隔热区域70和 一次隔热区域60两个隔热区域，所述二次隔热区域70由LNG集装箱外壁50和二次隔 热膜30形成，所述一次隔热区域60由二次隔热膜30和一次隔热膜20形成，并且每个 隔热区域包括隔热材料40。

一次隔热膜20形成LNG集装箱的内部空间，并且由于和超低温的LNG直接接触， 一次隔热膜20一旦发生泄漏，则LNG会渗透到一次隔热区域60，从而会有爆炸的可能 性，对LNG船造成危险。在此，隔热膜(membrane)是由不锈钢(stainless)、因瓦 合金(invar，一种以铁和镍为主材料，热膨胀系数极低的合金)等制成，是厚度在0.7 毫米至3毫米以下的薄板，将薄板按照一定尺寸组装并焊接，从而制造完成。隔热材料 40是将玻璃纤维、珍珠岩(Perlite)、聚氨酯泡沫(urethan foam)等制造成一定尺 寸并组装，并且起到如下作用：对LNG集装箱外壁50和二次隔热膜30、二次隔热膜30 和一次隔热膜20之间进行隔热。

LNG船的LNG集装箱对通过高压压缩从而液化的零下162℃的超低温LNG进行储藏、 运输，并且由于储藏运输的特性，一直承受压缩、膨胀等结构性压力，所述压力来自于 LNG的储藏和装卸所产生的压力变化。并且LNG船在浩瀚的大海上航行，运输LNG的过 程中，同时做着滚(roll),俯仰(pitch),偏航(yaw)等六个自由度运动，因此如图 2所示，根据LNG集装箱内的液体运动而发生晃荡(sloshing)，从而持续对LNG集装 箱的构造物，即隔热膜造成冲击，并使其老化。因此如果由于一次、二次隔热膜20、30 的焊接缺口或物理因素造成隔热膜受损，则不能维持隔热膜内部真空高压的状态，从而 将会引发隔热效果降低和LNG泄漏。

由于隔热膜的泄漏造成的隔热性能降低，会提高储藏中的LNG的气化压力。如果气 化压力高于LNG集装箱的设定压力，则LNG就会泄漏至外部，从而产生如下问题：必须 降低LNG集装箱的压力。这也意味着储藏的LNG会有所消耗。LNG船在运输中，如果气 化的LNG由于超压而泄漏至外部，从而造成消耗，则会造成巨额损失(大约金额为数十 亿)。另外，如果由于一次隔热膜受损发生泄漏，则气化的LNG会流入一次隔热材料40， 从而有发生爆炸的可能，所以非常危险。因此准确测量LNG集装箱内LNG的晃荡现象， 制定相应的设计方案和维修、维护方案十分必要。

发明内容

本发明是用于解决所述问题而提出的，其目的在于提供一种装置及方法，所述装置 及方法通过在LNG集装箱内部安装光学传感器(optical sensor)和包括光学传感器的 浮垫(floating mat)，从而可多角度地测量LNG晃荡导致的流动特性和由此引发的施 加于LNG集装箱内壁的冲击和应变，并对其进行有效地分析。

为了实现所述目的，本发明提供液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量装 置，其包括：

平板形状的浮垫结合体，其在液化天然气运输船货物集装箱内所收容的液化天然气 表面，随液化天然气的流动而一起漂浮；

光学加速度传感器，其安装在所述浮垫结合体的一个以上的位置，并且利用光学传 感器技术测量所述浮垫结合体漂浮时所产生的加速度。

此外，本发明提供液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量方法，作为使用 所述液化天然气运输船的货物集装箱内晃荡现象测量装置的液化天然气运输船货物集 装箱内晃荡现象的测量方法，其包括如下步骤：

第一步骤，所述浮垫结合体在液化天然气运输船货物集装箱内所收容的液化天然气 的表面，随液化天然气的流动而一起漂浮；

第二步骤，所述光学加速度传感器利用光学传感技术，测量所述浮垫结合体漂浮时 产生的加速度。

根据本发明，多方面地测量LNG船LNG集装箱内的LNG的晃荡所导致的流动特性和 由此引发的施加于LNG集装箱内壁的冲击和应变，并对其进行有效地分析，从而能够准 确掌握由于LNG的晃荡对LNG集装箱所产生的问题，并以此为基础，执行更完善的LNG 集装箱设计，并对其进行更好地维护和维修。

此外，根据本发明的浮垫结合体增强了LNG集装箱内LNG的液化面和气化面之间的 隔热和密度分布阻隔效果，从而将LNG的气化现象进行最小化。不仅如此，根据本发明 的浮垫结合体起到减震器(damper)的作用，从而抑制了因晃荡现象产生的LNG的动能 增加，并对LNG的气化现象达进行最小化，与此同时对施加于LNG集装箱内壁的冲撞和 冲击进行最小化。因此由于LNG的气化而遭成的LNG集装箱内压力增高的现象也进行最 小化，所以为了航行安全，对不得不释放到大气中的气化的LNG量进行最小化。毫无疑 问，这对防止大气污染，十分有利。

附图说明

图1表示LNG船所运载的LNG集装箱及其隔热区域的构造。

图2表示由于LNG集装箱内的液体流动产生的晃荡现象。

图3表示根据本发明的实施例的浮垫(floating mat)个体的形状。

图4表示根据本发明的实施例的浮垫结合体的平面形状。

图5表示根据本发明的实施例的浮垫结合体的侧面形状。

图6表示根据本发明的实施例的液化天然气运输船的货物集装箱内晃荡现象的测量 装置的虚拟图。

图7表示根据本发明的实施例的浮垫个体的结合方式。

图8表示根据本发明的实施例的浮垫结合体的形状变化图。

标号说明

1：浮垫结合体  2：浮垫个体

3：浮垫个体内部的密闭空间。

4：光学加速度传感器  5：光学应变传感器

6：光纤维  7：LNG

8：LNG集装箱内壁  9：数据分析装置

15：LNG船外壁  20：一次隔热膜

30：二次隔热膜  40：隔热材料

50：LNG集装箱外壁  60：一次隔热区域

70：二次隔热区域

具体实施方式

以下，将参照附图，对本发明进行详细的说明。首先，对各个附图中的构成要素标 注了参考标号，并在不同的附图中，对于相同的构成要素，尽量使用相同的标号。为了 突出本发明的主旨，对于大多数人普遍了解的结构和功能，在本发明的说明中并未对其 做详细阐述。

液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量装置

本发明的目的在于提供一种装置，其在LNG集装箱内部安装光学传感器(optical  sensor)，从而多角度地测量LNG晃荡(sloshing)导致的流动特性和由此引发的施加 于LNG集装箱内壁的冲击和应变，并对其进行有效地分析，为达成所述目的的本发明包 括浮垫(floating mat)结合体1和光学加速度传感器4。

本发明的基本技术思想并不仅限于通过外部的视觉观察对LNG集装箱内的晃荡现象 进行掌握，或对其进行推测分析，而是直接和LNG集装箱内部的LNG成为一体，一起晃 动且体验晃荡现象，并对其进行直接测量。为了实现所述本发明的技术思想，本发明采 用了浮垫(floating mat)结合体1。

如图6所示，浮垫结合体1是一种平板形状的构造物，其在LNG船的LNG集装箱内 所收容的LNG 7的表面，随LNG 7流动而一起漂浮。因此当LNG 7静止时，浮垫结合体1 会在LNG 7的表面保持静止状态或者以非常缓慢的速度移动，但当晃荡现象产生，从而 LNG 7晃动时，由此浮垫结合体1也在LNG 7的表面从漂浮状态转变为快速移动，甚至 有时候会撞击LNG集装箱内壁8或弹出。换句话说，浮垫结合体1具有与LNG 7的流体 运动相同的运动情况。因此在本发明中，LNG 7的晃动现象可通过测量漂浮结合体1当 时的移动数据来相同地进行测量。

根据本发明的实例，浮垫结合体1既可以是单个的个体浮垫，也可如图3所示，更 为优选地将多个尺寸较小的浮垫个体2进行结合，从而形成一个尺寸较大的浮垫结合体 1。因为一次性做成一个与LNG集装箱内部面积相应的大尺寸浮垫结合体1，其制作工 艺上可能比较困难，然而也是因为通过将所述小尺寸的浮垫结合体2进行相互结合的过 程，可以较容易地获得具有适宜的尺寸或形状的浮垫结合体1。

优选地，所述的浮垫个体2具有各个面都可以相互连接的多面体的形状。图3根据 本发明的实例，从而浮垫个体2呈现为六面体或正六面体形状，所属形状为浮垫个体2 可具有的各种多面体形状的一种。并且图4和图5呈现了具有所述六面体或正六面体形 状的浮垫个体2的各个面依次连接，从而形成一个平板形状的浮垫结合体1的样子(平 面与侧面)。

如图7所示，所述情况下，优选地浮垫结合体2的连接面a并不完全贴合固定，而 是相互结合，以便受到外力冲击时可断开(所述情况下，浮垫个体2可以通过例如绳子 形式的连接工具b进行相互结合)。由此，如图8所示，当LNG集装箱内部装满LNG 7 时，优选地对碰到LNG集装箱顶部的大尺寸板形状的浮垫结合体1折起并受损的现象进 行阻止。而LNG 7再次回落时，浮垫结合体1会恢复原状。

此外，浮垫个体2应由可在LNG 7内漂浮的材料形成，优选地可以由承受外力时， 可发生变形的软性材料形成。这是为了浮垫个体2结合形成的浮垫结合体1，随LNG 7 表面的流动可以一起发生应变，从而正确测量晃荡现象发生时LNG 7表面的流动形态， 同时漂浮的浮垫结合体1撞击LNG集装箱内壁8时，能够避免对LNG集装箱内壁8造成 损害。此外如图3所示，优选地浮垫个体2内部另外具有密闭的空间3，由此，在密闭 空间3的作用下，可易于浮垫个体2和浮垫结合体1漂浮在LNG 7内。

本发明并未对浮垫结合体1的形状做特别的限定，但优选地，浮垫结合体1具有正 多边形或圆形的平板形状。因为有利于下述光学加速度传感器4在浮垫结合体1中均等 的配置，而且漂浮在LNG集装箱内的浮垫结合体1的移动和应变不会偏移至特别的方向， 有利于对其均等地收容和准确的测量。在图4的实施例中可以看到看具有正四边形形状 的浮垫结合体1。

光学加速度传感器(optical acceleration sensor)4安装在浮垫结合体1的一个 以上的位置上，并且利用光学传感器技术对浮垫结合体1漂浮时产生的加速度进行测量。 传感器发出特定波长的光后，光学传感器通过光电二极管(photodiode)等元件感知被 阻断(对射型)或反射(反射型)的光的量和位置，所述光学传感器的优点在于：由于 是非接触式传感，产品寿命长，并且反应速度快，从而可适合高速生产线；并且用光纤 维时，则可以感知狭小的空间和微小的物体；使用光学透镜(lens)，从而可测量较远 的距离。如上所述，光学传感器不仅可以适用于多种应用(application)，与功能相 比，其经济优势也算一大优点。

如图5所示，光学加速度传感器4安装在浮垫结合体1的状态下，如图6所示，由 于所述传感器是和浮垫结合体1一起移动的，因此在本发明中光学加速度传感器4测量 的加速度虽是直接根据浮垫结合体1移动和应变的加速度，而最终作为根据LNG 7表面 的流动的加速度。在这种情况下，为了提高光学加速度传感器4测量的准确性和可信度， 如图5所示，在浮垫结合体1上以均一的间隔安装，更为优选地安装为放射形状。由此 漂浮在LNG集装箱内的浮垫结合体1的移动和应变不会偏移至特别的方向，有利于对其 均等地收容和测量。并且如图4所示，所述多个光学加速度传感器4可通过光纤维连接。

如上所述，本发明采用了浮垫结合体1，如实反映了LNG集装箱内LNG 7的晃荡现 象所产生的流动现象并对其建模，并且光学加速度传感器4对根据所述浮垫结合体1的 移动或应变的加速度进行测量，从而得到直接准确测量出根据LNG 7表面的流动的加速 度的效果。但本发明的目的并不限于此，本发明的目的还在于，进一步包括一种装置， 所述装置可以计算多方面的结果值，所述结果值通过光学加速度传感器4测量出的加速 度数据，能够掌握更具体更贴近现实的LNG 7晃荡现象，从而实现更加完美的本发明的 技术思想，为了实现这一目的，本发明进一步包括数据分析装置9。

在本发明中，数据分析装置9是一种计算机装置，其包括：数据输出输入功能、演 算功能及处理功能。所述数据分析装置9在LNG船的LNG集装箱外部与光学加速度传感 器4进行信息交流的同时，接收光学加速度传感器4发出的数据，并由此计算出相应的 结果值。所述情况下，数据分析装置9从光学加速度传感器4接收的数据，即从加速度 值计算出的结果值有如下几种。

首先，数据分析装置9从光学加速度传感器4接收的加速度数据，算出浮垫结合体 1的漂浮速度和距离。所述浮垫结合体1的漂浮速度和距离相当于晃荡现象发生时，LNG 集装箱内特定位置存在的LNG 7液体流移动的速度和距离。

其次，数据分析装置9从光学加速度传感器4接收的加速度数据，算出浮垫结合体 1对液化天然气运输船货物集装箱内壁施加的力。所述浮垫结合体1对液化天然气运输 船货物集装箱内壁所施的力相当于晃荡现象发生时，LNG集装箱内特定位置存在的LNG 7 液体流对液化天然气运输船货物集装箱内壁所施的力。

再次，数据分析装置9从光学加速度传感器4接收的加速度数据，算出浮垫结合体 1的应变。所述浮垫结合体1的应变相当于晃荡现象发生时，LNG集装箱内特定位置存 在的LNG 7液体流因流动所产生的表面形状变化。

由此，本发明通过采用浮垫结合体1、光学加速度传感器4和数据分析装置9，完美 地实现了本发明的技术思想。但是本发明的测量对象从LNG 7本身拓展到LNG集装箱内 壁8，所以本发明的目的在于实现一种技术，所述技术能够更全面地掌握LNG集装箱内 晃荡现象，为了实现这一目的，本发明进一步包括光学应变传感器5。

如图6所示，光学应变传感器(optical strain sensor)5安装在LNG船集装箱内 壁8的一个以上的位置上，当LNG 7流动(晃荡)时，利用光学传感技术，测量撞击LNG 集装箱内壁8所产生的LNG集装箱内壁8的应变(strain)。在这种情况下，为提高光 学应变传感器5测量的准确性和有效性，以均一的间隔，优选地如图6所示，在LNG集 装箱内壁8的顶部和侧面上部集中安装。因为当发生晃荡时，受到撞击的地方主要集中 在LNG集装箱内壁8的顶部和侧面上部。此时所述多个光学应变传感器5可通过光纤维 相互连接。此外，数据分析装置9也可以和所述光学应变传感器5进行信息交流，同时 接收光学加速度传感器4传来的数据，并由此算出规定的结果值。

同时，根据本发明的实施例，通过在LNG集装箱的底部安装光学压力传感器(optical  pressure sensor)，测量LNG集装箱内LNG 7的水位(level)，从而可确保丰富的数 据，所述数据可更全面地掌握晃荡现象。所述情况下，光学压力传感器安装在LNG集装 箱底部的一个以上的位置，并利用光学传感技术，测量LNG 7的水位(level)。根据 LNG集装箱内LNG 7的量的变化，光学压力传感器测量的压力值也会发生变化，并计算 所述压力值和LNG集装箱的体积，则可算出LNG集装箱内LNG 7的水位(level)。

液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量方法

本发明还提供测量液化天然气运输船内货物集装箱内晃荡现象的方法，所述方法利 用所述液化天然气运输船货物集装箱内晃荡现象的测量装置，将实现本发明的情况进行 如下分步骤具体说明。所述情况下与所述说明重复的部分，本说明将不再赘述。

第一步骤，浮垫结合体1在LNG船的LNG集装箱内所收容的LNG 7的表面，随LNG 7 的流动而一起漂浮。

第二步骤，光学加速度传感器4利用光学传感技术，测量浮垫结合体1漂浮时产生 的加速度。与此同时，光学应变传感器5利用光学传感技术，测量LNG 7流动(晃荡) 时，撞击LNG集装箱内壁8所引发的LNG集装箱内壁8的应变。

第三步骤，数据分析装置9在LNG船的LNG集装箱的外部，与光学加速度传感器4 和光学应变传感器5进行信息交流的同时，接收从光学加速度传感器4和光学应变传感 器5传来的数据后，并由此算出相应的结果值。在所述情况下，数据分析装置9还可以 算出浮垫结合体1漂浮的速度及距离、浮垫结合体1对液化天然气运输船的货物集装箱 内壁所施加的力、浮垫结合体1的应变等。

如上所述，根据本发明，多角度地测量LNG船的LNG集装箱内的LNG晃荡导致的流 动特性和由此引发的施加于LNG集装箱内壁的冲击和应变，并对其进行有效地分析，从 而能够准确掌握由于LNG的晃荡对LNG集装箱所产生的问题，并以此为基础，做出更完 善的LNG集装箱设计，对其进行更好地维护和维修。

上述说明仅为对本发明的技术思想的举例说明。在不超出本发明基本特性的范围内， 具有本发明所属技术领域基本知识的人可对本发明内容进行多种修正、变更和置换。因 此本发明中的实施例和附图是为了对本发明的技术思想的进行说明，而非限定。这些实 施例和附图也不会限定本发明技术思想的范围。本发明的保护范围应依据下面的权利要 求做出解释，与本发明的保护范围处于同等位置内的所有技术思想都被视为包含在本发 明的权利范围内。

工业实用性

根据本发明，多角度地测量LNG船的LNG集装箱内的LNG晃荡导致的流动特性和由 此引发的施加于LNG集装箱内壁的冲击和应变，并对其进行有效地分析，从而能够准确 掌握由于LNG的晃荡对LNG集装箱所产生的问题，并以此为基础，做出更完善的LNG集 装箱设计，对其进行更好地维护和维修。所述本发明可广泛运用到造船及造船器材其他 控制测量领域中，是一项可以实现使用价值和经济价值的技术。