천연 가스 동력식 차량을 위한 압축 천연 가스 연료 저장 및 배급 시스템{CNG fuel storage and delivery systems for natural gas powered vehicles}

본 발명은 압축 천연 가스(CNG) 연료를 저장하고, 엔진의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급하기 위한 연료 저장 및 배급 시스템에 관련한다. 특히, 본 발명은 초-고강도, 저 합금강으로 구성되면서, 초-고강도 저 합금강으로 구성된 현재 가용한 연료 저장 용기의 것 보다 현저히 낮은 단위 강도당 비용을 가지는 연료 저장 용기를 가지는 이런 연료 저장 및 배급 시스템에 관련한다. 또한, 보다 특정하게, 본 발명은 2.5wt% 미만의 니켈을 함유하고, 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지는 초-고강도 저 합금강으로 구성된 연료 저장 용기를 가지는 이런 연료 저장 및 배급 시스템에 관련한다. 그에 한정되지는 않지만, 본 발명은 천연 가스의 연소를 통해 동작하도록 설계된 엔진을 가지는 자동차, 버스, 트럭 및 기타 차량에 특히 유용하다.

하기의 명세서에는 다양한 용어가 정의되어 있다. 편의상, 여기에 제공된 용어의 용어집이 청구범위 직전에 제공되어 있다.

대체 연료 차량(AFV)의 구매를 지시하는 Clean Air Act(1990) 및 Energy Policy Act(1992) 같은 법은 천연 가스 차량(NGV)을 개발하기 위한 다수의 중요 사업 시작에 박차를 가하였다. 이들 법이 공기 품질 논쟁에 의해 동기부여되었지만, 이들은 NGV 구현의 실제 활동에 박차를 가하는 경제적 보상을 생성하였다. NGV는 현재, 천연 가스의 고유한 청정-연소 특성 때문에, 가솔린-동력 차량에 대한 대안적인 가장 경쟁력있는 가능성을 유지하고 있다.

압축 천연 가스(CNG) 기술은 NGV-형 AFV의 구현을 위한 후보이다. 현 CNG 기술에서, 가스상(천연 가스) 연료는 일반적으로, X-65 강, 알루미늄 또는 탄소나 유리 섬유 합성물로 제조된 용기내에서, 약 20.7MPa 내지 24.8MPa(3000 내지 3600psia)의 매우 높은 압력으로 저장된다. 다수의 발간물 및 허여된 특허가 CNG 기술을 논하고 있다. 예로서, "Finally : A Lightweight CNG System(1984년 4/5월 판 School Bus Fleet 에 발표)", WO 95/32874, US 5,330,031, 및 US 5,458,258을 참조하기 바란다. 이들 발간물 및 허여된 특허에도 불구하고, 그 성공적 전개를 제한하여온 현 CNG 기술의 하기와 같은 주요 단점이 존재한다 : 짧은 차량 구동 범위(CNG의 낮은 에너지 저장 밀도에 기인), 탑재(그리고, 통상적으로, 비순응성인) 연료 저장 용기의 중량 및 높은 비용, 연료 저장 용기의 중량으로 인한 낮은 연료 효율, 연료 저장 탱크의 증가하는 중량에 대응하는 차량의 낮은 부하-수반 용량.

경제적으로 CNG 연료를 저장하고, 엔진내의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급할 수 있는 연료 저장 및 배급 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 보다 긴 차량 구동 범위, 및 현 CNG 기술에 의해 제공되는 것 보다 가볍고, 보다 저렴한 저장 용기를 가능하게 하는 이런 연료 저장 및 배급 시스템에 대한 필요성이 존재 한다.

결론적으로, 본 발명의 주 목적은 CNG 연료를 저장하고, 엔진의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급하기에 적합한 개선된 연료 저장 및 배급 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 상술한 목적에 부합하여, 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력, 바람직하게는 약 20.7MPa 내지 24.8MPa(3000psia 내지 3600psia)의 압력으로 압축 천연 가스(CNG)를 저장하고, 엔진의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급하기 위한 연료 저장 및 배급 시스템이 제공된다. 본 발명의 연료 저장 및 배급 시스템은 현재 가용한 CNG 연료 저장 및 배급 시스템의 것 보다 현저히 낮은 단위 강도당 비용을 가지면서, 450MPa(65ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지는 강으로 구성되는 연료 저장 용기 및 기타 시스템 콤포넌트를 가진다. 연료 저장 용기 및 기타 시스템 콤포넌트는 2.5wt% 보다 낮은 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료로 구성되는 것이 적합하다. 강은 초-고강도, 예로서, 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도(용어집 참조) 및/또는 830MPa(120ksi) 보다 큰 항복 강도를 가지는 것이 적합하다. 이런 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료로 구성된 다른 용기 및 시스템도 제공된다.

하기의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조로 본 발명의 장점을 보다 양호하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1A는 본 발명의 CNG 연료 저장 및 배급 시스템의 주요 콤포넌트의 실시예의 개략도.

도 1B는 본 발명의 연료 저장 및 배급 시스템을 엔진에 연결하는 방식의 실시예의 개략도.

도 2A는 평면 변형 파괴 인성(J _c )(plane strain fracture toughness)의 함수로서, 주어진 결함 길이에 대한 임계 결함 깊이의 플롯을 예시하는 도면.

도 2B는 CTOD 파괴 인성의 함수로서, 주어진 결함 길이에 대한 임계 결함 깊이의 플롯을 예시하는 도면.

도 2C는 결함의 기하학적 형상(길이 및 깊이)을 예시하는 도면.

양호한 실시예에 관련하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 내용의 개념 및 범주내에 포함될 수 있는 모든 대안, 변형 및 등가체를 포괄한다.

본 발명은 CNG 연료를 저장하고, 차량 엔진의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급하기 위한 연료 저장 및 배급 시스템과 그 개별 콤포넌트에 관련한다. 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력, 바람직하게는 약 20.7MPa 내지 24.8MPa(3000psia 내지 3600psia)의 압력으로 압축 천연 가스(CNG)를 저장하고, 엔진의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급하기 위한 연료 저장 및 배급 시스 템이 제공되며, 이 연료 저장 및 배급 시스템은 현재 가용한 CNG 연료 저장 및 배급 시스템의 것 보다 현저히 낮은 단위 강도당 비용을 가지면서, 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지는, 2.5wt% 보다 낮은 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료로 구성된다.

특히, 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력에서 압축 천연 가스 연료를 저장하고, 엔진의 연소를 위한 요구시 압축 천연 가스 연료를 배급하기 위한 연료 저장 및 배급 시스템에 사용하기에 적합한 연료 저장 용기가 제공되며, 상기 연료 저장 용기는 적어도 약 900MPa(130ksi)의 인장 강도를 가지는, 2.5wt% 보다 낮은 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료의 복수의 불연속 판을 함께 결합함으로써 구성되고, 상기 불연속 판 사이의 결합부는 상기 압력 조건에서 상기 압축 천연 가스를 수납하기 위한 적절한 강도 및 인성을 가진다. 본 발명의 연료 저장 용기는 상기 초-고강도 저 합금강의 인장 강도의 적어도 약 90%의 강도를 가지는 결합부를 구비하는 것이 적합하다. 또한, 본 발명의 연료 저장 용기는 -40℃ 까지의 온도에서 사용하기에 적합하다. 일 실시예에서, 본 발명의 연료 저장 용기는 철과 중량 퍼센트로 표시된 하기의 합금 원소, 즉, 약 0.04wt% 내지 약 0.08wt%의 탄소, 약 1.0wt% 내지 약 2.0wt%의 망간, 약 0.2wt% 내지 약 0.7wt%의 실리콘, 약 0.30wt% 내지 약 0.80wt%의 몰리브덴, 약 2.3wt% 내지 약 3.5wt%의 니켈, 약 0.0175wt% 내지 약 0.0400wt%의 산소 및 (i) 약 0.04wt%까지의 지르코늄, 및 (ii) 약 0.02wt% 까지의 티타늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 용접 금속에 의해 형성되는 결합부를 포함하 며, 상기 용접 금속의 미소구조는 약 5vol% 내지 약 45vol%의 침상 페라이트(acicular ferrite) 및 적어도 약 50vol%의 래쓰 마르텐사이트(lath martensite), 변성 상부 베이나이트(degenerate upper bainite), 하부 베이나이트, 입상 베이나이트 또는 그 혼합물을 포함한다. 또한, (a) 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력에서 압축 천연 가스 연료를 저장하기 위한 적어도 하나의 연료 저장 용기로서, 적어도 약 900MPa(130ksi)의 인장 강도를 가지는, 2.5wt% 보다 낮은 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료의 복수의 불연속 판들을 함께 결합함으로써 구성되고, 상기 불연속 판들 사이의 결합부들은 상기 압력 조건들에서 상기 압축 천연 가스를 수납하기에 적합한 강도 및 인성을 가지는 연료 저장 용기, 및 (b) 엔진의 연소를 위한 요구시 압축 천연 가스를 배급하기 위한 설비들을 포함하는 시스템이 제공된다. 또한, (a) 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력에서 압축 천연 가스 연료를 저장하기 위한 적어도 하나의 연료 저장 용기로서, 적어도 약 900MPa(130ksi)의 인장 강도를 가지는, 2.5wt% 보다 낮은 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료의 복수의 불연속 판들을 함께 결합함으로써 구성되고, 상기 불연속 판들 사이의 결합부들은 상기 압력 조건들에서 상기 압축 천연 가스를 수납하기에 적합한 강도 및 인성을 가지는 연료 저장 용기, (b) 상기 연료 저장 용기와 연료 보급 스테이션 사이의 상기 압축 천연 가스 연료의 배급을 허용하는 충전 및 배출 밸브, (c) 상기 연료 저장 탱크로부터 압력 저감기로의 압축 천연 가스 연료의 흐름을 허용하는 저감기 라인, (d) 상기 저감기로부터 상기 엔진으로의 감압된 압축 천연 가 스 연료의 흐름을 � �용하는 연료 라인, 및 상기 연료 저장 및 배급 시스템이 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력에서 압축 천연 가스 연료를 저장하고, 엔진의 연소를 위한 요구시 상기 감압된 압축 천연 가스 연료를 배급하도록 적용되도록 상기 저감기로부터 상기 엔진으로의 상기 감압된 압축 천연 가스 연료의 흐름을 규제하기 위한 연료 규제기를 포함하는 연료 저장 및 배급 시스템이 제공된다. 또한, (a) 적어도 약 900MPa(130ksi)의 인장 강도를 가지는, 2.5wt% 보다 낮은 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료의 복수의 불연속 판들을 함께 결합함으로써 구성되고, 상기 불연속 판들 사이의 결합부들은 상기 압력 조건들에서 상기 압축 천연 가스를 수납하기에 적합한 강도 및 인성을 가지는 적어도 하나의 연료 저장 용기내에 압축 천연 가스 연료를 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력으로 배치하는 단계, 및 (b) 엔진의 연소를 위한 요구시 압축 천연 가스 연료를 배급하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 장점은 본 발명에 따른 연료 저장 용기 및 시스템의 다른 콤포넌트가 현재 가용한 강철-기반 CNG 연료 저장 및 배급 시스템의 것들 보다 약 절반 이하의 강도당 중량비를 가진다는 것이다. 따라서, 본 발명의 시스템은 현 강철-기반 시스템 보다 매우 낮은 중량으로 고압 CNG를 수납하기 위해 필요한 강도를 제공한다. 매우 큰 냉동 저장실을 가지면서 현 CNG 연료 저장 및 배급 시스템에 의해 연료 보급되며, 매일 배달 센터로부터 다양한 소매상으로 식료품을 배급하기 위해 사용되는 트럭을 고려한다. 현 연료 저장 및 배급 시스템을 본 발명의 시스템 으로 교체하는 것은 각 트럭이 (i) 그 현 연료 용적 및 연료 효율을 유지하지만 현 시스템과 본 발명의 시스템 사이의 중량차와 같은 양 만큼 그 식료품 적재량을 증가시키거나, (ii) 그 현 연료 용적 및 식료품 적재량을 유지하지만, 본 발명의 시스템의 보다 적은 중량으로 인해 그 연료 효율을 증가시키거나, (iii) 그 연료 용적을 감소시키지만, 그 현 연료 효율을 유지하면서 그 식료품 적재량을 증가시키거나, (iv) 현 연료 용적을 증가시키고, 상승된 압력으로 연료를 저장하는 것에 의해 현 연료 효율 및 식료품 적재량을 유지할 수 있게 한다. 상술한 옵션의 다른 조합 및 언급되지 않은 다른 옵션이 가능하다.

연료 저장 및 배급 시스템 용기 및 기타 콤포넌트의 구성을 위한 강철

900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지는, 2.5wt% 미만의 니켈을 함유하는 소정의 초-고강도 저 합금강이 본 발명의 시스템의 연료 저장 용기 및 다른 콤포넌트를 구성하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명을 제한하지 않는, 본 발명에 사용하기 위한 예시적 강철은 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지며, 2.5wt% 미만의 니켈을 함유하는 용접가능한 초-고강도 저 합금강이다. 본 발명을 제한하지 않는, 본 발명에 사용하는 다른 예시적 강철은 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지며, 약 1wt% 미만의 니켈을 함유하는 용접가능한 초-고강도 저 합금강이다. 이들 예시적 강철은 북극 환경에서의 CNG 차량의 동작을 가능하게 하도록 용접시 HAZ 및 기재판 양자 모두에서 -40℃(-40℉) 까지의 온도에서 적합한 파괴 인성을 가지는 것이 적합하다.

강철 제조 기술의 최근의 진보는 양호한 저온 인성을 가지는 새로운 초-고강 도 저 합금강의 제조를 가능하게 하였다. 이들 초-고강도 저 합금강은 또한 표준 상업적으로 입수할 수 있는 고강도 저 합금강 위에 용접될 때, 열 영향 영역(HAZ) 및 기재 강철 양자 모두에서 향상된 인성을 가진다. 개선된 강철은 발명의 명칭이 "HIGH-TENSILE-STRENGTH STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME"인 US 특허 6,245,290 및 대응 국제 공보 번호 WO 98/38345; 발명의 명칭이 "ULTRA HIGH STRENGTH, WELDABLE, BORON-CONTAINING STEELS WITH SUPERIOR TOUGHNESS"인 US 특허 6,228,183 및 대응 국제 공보 WO 99/05336; 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH, WELDABLE, ESSENTIALLY BORON-FREE STEELS WITH SUPERIOR TOUGHNESS"인 US 특허 6,224,689 및 대응 국제 공보 WO 99/05334; 발명의 명칭이 "METHOD FOR PRODUCING ULTRA-HIGH STRENGTH, WELDABLE STEELS WITH SUPERIOR TOUGHNESS"인 US 특허 6,248,191 및 대응 국제 공보 WO 99/05328; 및, 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH, WELDABLE STEELS WITH EXCELLENT ULTRA-LOW TEMPERATURE TOUGHNESS"인 US 특허 6,264,760 및 대응 국제 공보 WO 99/05335에 기술되어 있다(총체적으로 "강철 특허 출원").

강철 특허 출원에 기술된, 그리고, 하기의 예에 추가로 설명된 새로운 강철은 강철이 바람직하게는 약 2.5cm(1inch) 강판 두께에 대하여, 하기의 특성, 즉, (i) 900MPa(130ksi) 보다 큰, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 보다 큰 인장 강도, (ii) 양호한 용접성, (iii) 실질적으로 균일한 미소구조 및 (iv) -40℃(-40℉) 까지의 온도에서 사용하기 위한 적합한 파괴 인성을 갖는 본 발명의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트를 구성하기에 특히 적합하다.

다른 적합한 강철은 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS"인 국제 공보 WO 99/32672, 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH AUSAGED STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS"인 국제 공보 WO 99/32670, 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH DUAL PHASE STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS"인 US 특허 6,066,212 및 국제 공보 WO 99/32671, 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS"인 PCT 국제 출원 PCT/US99/29802, 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH AUSAGED STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS"인 US 특허 6,254,698 및 PCT 국제 출원 PCT/US99/30055, 및, 발명의 명칭이 "ULTRA-HIGH STRENGTH TRIPLE PHASE STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS"인 US 특허 6,159,312 및 PCT 국제 출원 PCT/US99/29804에 기술되어 있다(총체적으로, "추가 강철 특허 및 특허 출원" ). 추가 강철 특허 및 특허 출원에 기술된 강철은 약 2.5cm(1inch) 이상의 강판 두께에 대하여 하기의 특성, 즉, (i) 기재 강철 및 용접 열 영향 영역(HAZ)에서의 약 -73℃(-100℉) 미만의 DBTT, (ii) 약 830MPa(120ksi) 보다 큰, 바람직하게는, 860MPa(125ksi) 보다 큰, 그리고, 보다 바람직하게는 약 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도, (iii) 우수한 용접성, (iv) 현저히 균일한 두께 전반에 걸친 미소구조 및 물성 및 (v) 표준 상업적으로 가용한 고-강도 저 합금강 보다 향상된 인성을 가지는, 북극 환경 같은 차가운 온도의 응용용도에 특히 적합하다. 이들 강철은 약 930MPa(135ksi) 보다 큰, 또는 약 965MPa(140ksi) 보다 큰, 또는, 약 1000MPa(145ksi) 보다 큰 인장 강도를 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 발명의 명칭이 "METHOD FOR PRODUCING ULTRA-HIGH STRENGTH, WELDABLE STEELS WITH SUPERIOR TOUGHNESS"인 US 특허 6,248,191 및 대응 국제 공보 WO 99/05328은 각각 본 발명에 사용하기에 적합한 강철에 대한 설명을 제공한다. 초-고강도 강판을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 강철 슬랩(slab)은 바람직하게는 약 1000℃ 내지 약 1250℃(약 1832℉ 내지 약 2282℉)의 범위, 보다 바람직하게는 약 1050℃ 내지 약 1150℃(약 1922℉ 내지 약 2102℉)의 범위에서 실질적으로 바나듐 및 니오븀의 모든 탄화물 및 탄질화물을 용해시키기에 충분한 실질적으로 균일한 온도로 슬랩을 가열, 오스테나이트가 재결정화하는 제 1 온도 범위내에서 한번 이상의 통과로 판을 형성하도록 바람직하게는 약 20% 내지 약 60%(두께)의 감소를 위한 슬랩의 제 1 열간 롤링, 오스테나이트가 재결정화하지 않으면서 Ar ₃ 변환점 위인 제 1 온도 범위 보다 다소 낮은 제 2 온도 범위내에서 한번 이상의 통과로 바람직하게는 약 40% 내지 약 80%(두께)의 감소를 위한 제 2 열간 롤링, 바람직하게는 약 550℃ 내지 약 150℃(약 1022℉ 내지 약 302℉)의 범위, 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 150℃(약 932℉ 내지 약 302℉)의 범위에서, Ar ₃ 변환점 이상의 온도로부터 적어도 Ar ₁ 변환점 만큼 낮은 퀀칭 정지 온도(QST)까지, 적어도 약 10℃/s(18℉/s), 바람직하게는 적어도 약 20℃/s(36℉/s), 보다 바람직하게는 적어도 약 30℃/s(54℉/s), 그리고, 더 더욱 바람직하게는 약 35℃/s(63℉/s)의 비율에서의 퀀칭에 의해 롤링된 판을 경화, 및 우세한 미세 입자 하부 베이나이트, 미소 입자 래쓰 마르텐사이트 및 그 혼합물로의 강철의 변환의 완료를 촉진하도록 퀀칭을 정지하고 강철판이 상온으로 공냉될 수 있게 함으로써 처리된다. 본 기술 분야의 숙련자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 여기에 사용된 "백분율 두께 저감"은 언급된 감소 이전의 강철 슬랩 또는 판의 두께의 백분율 저감을 지칭한다. 본 발명을 제한하지 않고 단지 예시의 목적으로, 약 25.4cm(10inch)의 강철 슬랩은 제 1 온도 범위에서 약 12.7cm(5inch)의 두께로 약 50% 감소(50 퍼센트 감소)될 수 있고, 그후, 제 2 온도 범위에서 약 2.54cm(1inch)의 두께로 약 80% 감소(80 퍼센트 감소)될 수 있다.

양호한 강철 제품은 바람직하게는 우세한 미세-입자 하부 베이나이트, 미세-입자 래치 마르텐사이트 또는 그 혼합물을 포함하는 실질적으로 균일한 미소구조를 가진다. 미세-입자 래치 마르텐사이트는 자동-템퍼링된 미세-입자 래쓰 마르텐사이트를 포함하는 것이 적합하다. 본 발명을 설명하는데 사용되는, 청구범위의 "우세하게"는 적어도 약 50vol%를 의미한다. 미소구조의 나머지는 부가적인 미세-입자 하부 베이나이트, 부가적인 미세-입자 래쓰 마르텐사이트, 상부 베이나이트 또는 페라이트를 포함할 수 있다. 미소구조는 적어도 약 60vol% 내지 약 80vol% 미세-입자 하부 베이나이트, 미세-입자 래쓰 마르텐사이트 또는 그 혼합물을 포함하는 것이 보다 적합하다. 미소구조는 적어도 약 90vol% 미세-입자 하부 베이나이트, 미세-입자 래쓰 마르텐사이트 또는 그 혼합물을 포함하는 것이 더 더욱 적합하다.

하부 베이나이트 및 래쓰 마르텐사이트 양자 모두는 바나듐, 니오븀 및 몰리브덴의 탄화물 또는 탄질화물의 침전에 의해 부가적으로 경화될 수 있다. 이들 침 전, 특히, 바나듐을 포함하는 것들은 아마도, Ac ₁ 변환점 이하의 온도로 가열된 영역의 소정의 현저한 전위 밀도(dislocation density)의 감소를 방지하거나, Ac ₁ 변환점을 초과하는 온도로 가열된 영역에서 침전물 경화를 유도, 또는 양자 모두에 의해 HAZ 연화를 최소화하는 것을 도울 수 있다.

본 실시예의 강판은 통상적인 형태로 강철 슬랩을 준비함으로써 제조되며, 일 실시예에서는 중량 퍼센트로 표시된 하기의 합금 원소 및 철을 포함하며,

0.03 내지 0.10% 탄소(C), 바람직하게는 0.05 내지 0.09% C

0 내지 0.6% 실리콘(Si)

1.6 내지 2.1 % 망간(Mn)

0 내지 1.0% 구리(Cu)

0 내지 1.0% 니켈(Ni), 바람직하게는 0.2 내지 1.0% Ni

0.01 내지 0.10% 니오븀(Nb), 바람직하게는 0.03 내지 0.06% Nb

0.01 내지 0.10% 바나듐(V), 바람직하게는 0.03 내지 0.08% V

0.3 내지 0.6% 몰리브덴(Mo)

0 내지 1.0% 크롬(Cr)

0.005 내지 0.03% 티타늄(Ti), 바람직하게는 0.015 내지 0.02% Ti

0 내지 0.06% 알루미늄(Al), 바람직하게는 0.001 내지 0. 06% Al

0 내지 0.006% 칼슘 (Ca)

0 내지 0.02% 희토류 금속(REM)

0 내지 0.006% 마그네슘(Mg)

Ceq < 0.7 및

Pcm < 0.35를 부가적인 특징으로 한다.

대안적으로, 상술된 화학은 변경되고, 0.0005 내지 0.0020wt% 붕소(B), 바람직하게는 0.0008 내지 0.0012 wt% B를 포함하고, Mo 함량은 0.2 내지 0.5 wt%이다.

실질적으로 본 발명의 무붕소(bron-free) 강철에 대하여, Ceq는 약 0.5 보다 크고, 약 0.7 보다 작은 것이 적합하다. 본 발명의 붕소-함유 강철에 대하여, Ceq는 약 0.3 보다 크고, 약 0.7 보다 작은 것이 적합하다.

부가적으로, 일부 N이 입자 성장-억제 티타늄 질화물 입자를 제공하기 위해, 후술된 바와 같이 필요하지만, 잘 알려진 불순물 질소(N), 인(P), 및 황(S)은 강철내에서 최소화되는 것이 바람직하다. N 농도는 약 0.001 내지 약 0.006wt%이고, S 농도는 약 0.005wt% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.002wt% 이하이며, P 농도는 약 0.015wt% 이하인 것이 적합하다. 본 화학에서, 강철은 추가된 붕소가 존재하지 않는 실질적인 무붕소이며, 붕소 농도가 바람직하게는 약 3ppm 미만, 보다 바람직하게는 약 1ppm 미만이거나, 강철은 상술된 바와 같이 추가된 붕소를 포함한다.

우세한 미세-입자 하부 베이나이트, 미세-입자 래쓰 마르텐사이트 또는 그 혼합물을 포함하는 미소구조를 가지는 본 초-고강도 강철을 제조하기 위한 양호한 방법은 실질적인 모든 바나듐 및 니오븀의 탄화물 및 탄질화물을 용해시키기에 충분한 온도로 강철 슬랩을 가열하고, 오스테나이트가 재결정화하는 제 1 온도 범위 에서 한번 이상의 열간 롤링 통과로 판을 형성하도록 슬랩을 감소시키고, T _nr 온도, 즉, 그 미만에서는 오스테나이트가 재결정화하지 않는 온도 미만이고, Ar ₃ 변환점, 즉, 냉각 동안 오스테나이트가 페라이트로 변환하기 시작하는 온도 보다 높은 제 2 온도 범위에서 한번 이상의 열간 롤링 통과로 판을 추가로 감소시키고, 적어도 Ar ₁ 변환점, 즉, 냉각 동안 페라이트 또는 페라이트와 시멘타이트의 혼합물로의 오스테나이트의 변환이 완료되는 온도 만큼 낮은 온도로, 바람직하게는 약 550℃와 약 150℃(1022℉ 내지 302℉) 사이의 온도, 보다 바람직하게는 약 500℃와 약 150℃(932℉ 내지 302℉) 사이의 온도로 마감된 롤링된 판을 퀀칭하며, 퀀칭을 중단하고, 퀀칭된 판을 상온으로 공냉하는 것을 포함한다.

본 발명과 연계하여 사용하기 위한 다른 적합한 강철은 900MPa(130ksi)의 인장 강도를 가지고, -40℃(-40℉) 까지의 온도에서 사용하기에 적합한 파괴 인성을 가지는 약 1wt% 미만의 니켈을 함유하는 초-고강도 저 합금강을 설명하는 다른 공보에 기술되어 있다. 예로서, 이런 강철은 PCT 공개일이 1996년 8월 8일인 PCT 국제 공보 WO 96/23909(이런 강은 0.1wt% 내지 1.2wt%의 구리 함량을 가지는 것이 적합함) 및 PCT 공개일이 1996년 8월 1일인 PCT 국제 공보 WO 96/23083에 기술되어 있다.

상술된 강철 중 소정의 것에 대하여, 본 기술 분야의 숙련자들이 이해할 수 있는 바와 같이, T _nr 온도는 강철의 화학, 특히, 롤링 이전의 슬랩 가열 온도에 의존하며, 탄소 농도, 니오븀 농도 및 롤링 통과시 주어지는 감소량에 의존한다. 본 기술의 숙련자들은 실험 또는 모델 계산 중 어느 하나에 의해 각 강철 조성을 위한 이 온도를 결정할 수 있다. 마찬가지로, 여기에 언급된 Ac ₁ , Ar ₁ 및 Ar ₃ 변환점은 실험 또는 모델 계산에 의해 각 강철 조성에 대하여 본 기술 분야의 숙련자들에 의해 결정될 수 있다.

상술된 강철 중 소정의 것에 대하여, 본 기술 분야의 숙련자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 실질적으로 전체 슬랩에 적용되는 롤링 이전의 슬랩 가열 온도를 제외하고, 본 발명의 처리 방법의 설명시 언급된 후속 온도는 강철의 표면에서 측정된 온도이다. 강철의 표면 온도는 예로서, 광학적 고온계 또는 강철의 표면 온도 측정에 적합한 소정의 다른 디바이스를 사용하여 측정될 수 있다. 여기에 언급된 냉각율은 판 두께의 중앙 또는 실질적인 중앙에서의 것들이며, 퀀칭 정지 온도(QST)는 퀀칭이 정지된 이후, 판의 두께 중앙부로부터 전달된 열로 인해 판의 표면에서 도달되는 최고 또는 실질적인 최고이다. 예로서, 여기에 제공된 실시예에 따른 강철 조성의 실험적 가열 처리 동안, 열전쌍이 중앙 온도 측정을 위해 강판 두께의 중심 또는 실질적인 중심에 배치되고, 표면 온도는 광학적 고온계에 의해 측정된다. 중앙 온도와 표면 온도 사이의 상관은 중앙 온도가 표면 온도의 직접 측정을 경유하여 결정될 수 있도록 동일 또는 실질적인 동일 강철 조성의 순차 처리 동안의 사용을 위해 도출된다. 또한, 원하는 가속된 냉각율을 달성하기 위한 소요 온도 및 퀀칭 유체의 유량은 표준 산업 발간물을 참조로 본 기술의 숙련자에 의해 결정될 수 있다.

본 기술의 숙련자는 본 발명의 연료 저장 용기 및 다른 콤포넌트를 구성하기 위해 적절한 높은 강도를 가지는 초-고강도 저 합금강판을 제조하기 위해 여기에 제공된 정보를 사용하기 위한 필요 지식 및 기술을 보유하고 있다. 부가적으로, 본 기술의 숙련자는 북극 환경에서 사용하기 위한 강도 및 파괴 인성의 필요한 조합을 가지는 초-고강도 저 합금강판을 제조하기 위해 여기에 제공된 정보를 사용하기 위해 필요한 지식 및 기술을 보유하고 있다. 다른 적절한 강철이 존재하거나, 추후 개발될 수 있다. 모든 이런 강철은 본 발명의 범주내에 있다.

연료 저장 및 배급 시스템 용기 및 기타 콤포넌트의 구성을 위한 결합 방법

본 발명의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트를 구성하기 위해서, 적절한 강판 결합 방법이 필요하다. 상술된 바와 같이 본 발명을 위한 적절한 강도 및 인성을 가지는 결합부 또는 용접부를 제공하는 소정의 결합 방법이 적합한 것으로 고려된다. CNG를 수납하기 위해 적절한 강도를 제공하기 위하여 적합한 용접 방법이 본 발명의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트를 구성하기 위해 사용되는 것이 적합하다. 이런 용접 방법은 적절한 소모성 와이어, 적절한 소모성 가스, 적절한 용접 프로세스 및 적절한 용접 절차를 포함하는 것이 적합하다.

여기에 기술된 강철을 포함하는 재료를 결합하는데 사용하기 위한 적절한 용접 금속 및 이런 용접 금속을 제조하는 방법은 우선일이 2000년 8월 7일이고, 미국 특허 상표청에 출원번호 09/920,894로 등록되어 있는, 발명의 명칭이 "WELD METALS WITH SUPERIOR LOW TEMPERATURE TOUGHNESS FOR JOINING HIGH STRENGTH, LOW ALLOY STEELS"인 동시계류중인 US 가특허 출원에 기술되어 있다("용접 금속 출원"). 용 접 금속 출원에 기술된 바와 같이, 적절한 금속은 철, 약 0.04 wt% 내지 약 0.08 wt% 탄소, 약 1.0 wt% 내지 약 2.0 wt% 망간, 약 0.2 wt% 내지 0.7 wt% 실리콘, 약 0.30 wt% 내지 0.80 wt% 몰리브덴, 약 2.3 wt% 내지 약 3.5 wt% 니켈, 약 0.0175 wt% 내지 약 0.0400 wt% 산소, 및 첨가제로서, 약 0.04 wt% 까지의 지르코늄 및 약 0.02 wt% 까지의 티타늄으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함한다. 또한, 적절한 용접 금속은 약 0.01 wt% 미만의 인, 약 0.01 wt% 미만의 황, 약 0.03 wt% 까지의 알루미늄 및 약 0.020 wt% 미만의 질소를 포함할 수 있다. 부가적으로, 용접 금속은 약 0.60 wt% 까지의 크롬, 약 0.60 wt% 까지의 구리, 약 0.040 wt% 까지의 바나듐 및 약 0.0012 wt% 까지의 붕소로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함할 수 있다. 적절한 용접 금속의 미소구조는 약 5vol% 내지 약 45vol%의 침상 페라이트 및 약 50vol%의 래쓰 마르텐사이트, 변성 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 입상 베이나이트 또는 그 혼합물을 포함한다. 이들 용접 금속은 용접 금속 미소구조내의 래쓰 마르텐사이트 같은 경질 구성요소 및 비교적 연성 위상, 침상 페라이트의 존재, 형상 및 양에 의해 제공되는 높은 강도 및 우월한 저온 인성의 적절한 조합을 가진다. 일부 실시예는 약 10vol% 내지 약 45vol%의 침상 페라이트를 포함한다, 침상 페라이트는 약 690MPa(100ksi) 보다 낮은 강도를 산출하는 강철 용접 금속과 일반적으로 연관되는 본 기술의 숙련자들에게 잘 알려진 페라이트의 일 유형이며, 양호한 인성 특성을 가지는 것으로 알려져 있다. 이들 용접 금속의 우수한 인성은 주로 비교적 낮은 탄소 함량, 작은 입자 크기, 미세 분포된 침상 페라이트 및 용접 금속 미소구조내의 작은 내포 입자의 미세 분포를 보 증하는 산소 내포 디자인으로부터 초래된다. 이들 용접 금속을 제조하기 위한 양호한 용접법은 가스 금속 아크 용접(GMAW) 및 더욱 양호하게는 펄스식 GMAW 용접이다. 이들 용접 금속의 화학은 비교적 저열 입력 용접에 가장 적합하다. 특히, 화학은 약 0.3 kJ/mm(7.6kJ/inch) 내지 약 2.5 kJ/mm(63 kJ/inch)의 범위의 열 입력으로 용접될 때, 원하는 강도 및 인성의 조합을 제공하도록 설계된다. 이 열 입력 범위의 상한은 약 1.5 kJ/mm(38 kJ/inch)인 것이 보다 적합하다. 양호한 용접 기술을 위한 차폐 가스 조성은 약 50 vol% 보다 큰 아르곤(Ar), 보다 적합하게는 75 vol% 보다 큰 Ar을 포함하고 이산화탄소(CO ₂ ) 및/또는 산소 및/또는 헬륨이 추가된다. 양호한 가스 조성은 약 80 vol% 내지 약 90 vol% Ar 및 약 10vol% 내지 약 20vol%의 C0 ₂ 를 포함하는 Ar과 CO ₂ 의 혼합물이다. 보다 적합한 가스 조성은 약 25vol% 까지의 헬륨(He) 추가를 포함한다. 헬륨 추가는 보다 많은 유체 용접 풀(pool), 보다 양호한 측벽내로의 습윤 및 보다 적은 용접 비드의 "크라운형성"을 생성한다. 크라운형성은 볼록 용접 비드면 프로파일을 지칭하며, 이는 오버헤드 용접 동안 특히 두드러진다. He-함유 가스의 경우에, 적어도 약 5vol%의 CO ₂ 함량이 가스 혼합물의 나머지가 아르곤인 상태로 사용된다. 보다 높은 Ar 및 He 함량도 사용될 수 있다.

추가 강철 특허 및 특허 출원에 기술된 바와 같은 강철이 본 발명의 시스템의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트를 구성하기 위해 사용될 때, 양자 모두 강철 제조 산업에 잘 알려져 있는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 및 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 양자 모두가 적절한 소모성 와이어-가스 조합이 사용되는 상태로 사용되어 강판을 결합할 수 있다. 제 1 실시예 용접 방법에서, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 프로세스가 철과, 약 0.07wt% 탄소, 약 2.05wt% 망간, 약 0.32wt% 실리콘, 약 2.20wt% 니켈, 약 0.45wt% 크롬, 약 0.56wt% 몰리브덴, 약 110ppm 미만의 인 및 약 50ppm 미만의 황을 포함하는 용접 금속 화학을 생성하기 위해 사용된다. 용접은 상술된 강철 중 소정의 것 같은 강철상에서 약 1wt% 미만의 산소를 가지는 아르곤-기반 차폐 가스를 사용하여 수행된다. 용접 열 입력은 약 0.3kJ/mm 내지 약1.5kJ/mm(7.6kJ/inch 내지 38kJ/inch)의 범위이다. 이 방법에 의한 용접은 약 900MPa(130ksi) 보다 큰, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 보다 큰, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 보다 큰, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 적어도 약 1000MPa(145ksi)의 인장 강도를 가지는 용접부(용어집 참조)를 제공한다. 또한, 이 방법에 의한 용접은 약 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 -106℃(-160℉) 미만, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만의 DBTT를 가지는 용접 금속을 제공한다. 다른 실시예 용접 방법에서, GMAW 프로세스는 철과, 약 0.10 wt% 탄소(바람직하게는 약 0.10 wt% 미만의 탄소, 보다 바람직하게는 약 0.07 내지 약 0.08 wt% 탄소), 약 1.60 wt% 망간, 약 0.25 wt% 실리콘, 약 1.87 wt% 니켈, 약 0.87 wt% 크롬, 약 0.51 wt% 몰리브덴, 약 75 ppm 미만의 인, 및 약 100 ppm 미만의 황을 포함하는 용접 금속 화학을 제공하기 위해 사용된다. 용접 열 입력은 약 0.3 kJ/mm 내지 약 1.5 kJ/mm(7.6 kJ/inch 내지 38 kJ/inch)의 범위이고, 약 100℃(212℉)의 예열이 사용된다. 용접은 약 1wt% 미만의 산소를 가지는 아르곤-기반 차폐 가스를 사용하여, 상술된 강철 중 소 정의 것 같은 강철상에 수행된다. 이 방법에 의한 용접은 약 900MPa(130ksi) 보다 큰, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 보다 큰, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 보다 큰, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 적어도 약 1000MPa(145ksi)의 인장 강도를 가지는 용접부를 제공한다. 또한, 이 방법에 의한 용접은 약 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 -106℃(-160℉) 미만, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만의 DBTT를 가지는 용접 금속을 제공한다. 다른 실시예 용접 방법에서, 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG) 프로세스가 철과, 약 0.07wt% 탄소(바람직하게는 약 0.07 wt% 미만의 탄소), 약 1.80 wt% 망간, 약 0.20 wt% 실리콘, 약 4.00 wt% 니켈, 약 0.5 wt% 크롬, 약 0.40 wt% 몰리브덴, 약 0.02 wt% 구리, 약 0.02 wt% 알루미늄, 약 0.010 wt% 티타늄, 약 0.015 wt% 지르코늄(Zr), 약 50ppm 미만의 인, 및 약 30 ppm 미만의 황을 포함하는 용접 금속 화학을 생성하기 위해 사용된다. 용접 열 입력은 약 0.3kJ/mm 내지 약 1.5 kJ/mm(7.6 kJ/inch 내지 38 kJ/inch)의 범위이며, 약 100℃(212℉)의 예열이 사용된다. 용접은 약 1wt% 미만의 산소를 가지는 아르곤-기반 차폐 가스를 사용하여, 상술된 강철 중 소정의 것 같은 강철상에 수행된다. 이 방법에 의한 용접은 약 900MPa(130ksi) 보다 큰, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 보다 큰, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 보다 큰, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 적어도 약 1000MPa(145ksi)의 인장 강도를 가지는 용접부를 제공한다. 또한, 이 방법에 의한 용접은 약 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약-106℃(-160℉) 미만, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만의 DBTT를 가지는 용접 금속을 제공한다. 본 예에서 언급된 것들과 유사한 용접 금속 화학이 GMAW 또는 TIG 용접 프로세스 중 어느 하나를 사용하여 형성될 수 있다. 그러나, TIG 용접은 GMAW 보다 낮은 불순물 함량 및 보다 높게 정제된 미소구조 및 이에 따른 향상된 저온 인성을 갖게하는 것으로 예상된다.

본 기술의 숙련자는 본 발명의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트를 구성하는데 사용하기에 적합한 높은 강도 및 파괴 인성을 가지는 결합부 또는 용접선을 형성하기 위해 초-고강도 저 합금강판을 포함하는 재료를 용접하기 위해 여기에 제공된 정보를 사용하기 위해 필요한 지식 및 기술을 가지고 있다. 다른 적절한 결합 또는 용접 방법이 존재하거나 추후 개발될 수 있다. 모든 이런 결합 또는 용접 방법은 본 발명의 범주내에 있다.

연료 저장 및 배급 시스템 용기 및 기타 콤포넌트의 구성

본 발명의 연료 저장 및 배급 시스템의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트가 제공된다. 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트는 2.5 wt% 미만의 니켈을 함유하며, 900MPa(130ksi) 보다 큰 인장 강도를 가지는 초-고강도 저 합금강으로 구성된다. 본 발명의 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트는 초-고강도 저 합금강의 불연속 판들로 구성될 수 있다. 본 발명의 추가된 장점은 본 발명에 따른 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트가 시베리아 및 알라스카 같은 북극 환경에서 사용하기에 적합한 파괴 인성을 가진다는 것이다. 연료 저장 용기 및 기타 콤포넌트의 결합부 또는 용접선은 초-고강도 저 합금강판과 대략 동일한 강도 및 파괴 인성을 가지는 것이 적합 하다. 일부 경우에, 약 5% 내지 약 10% 수준의 강도의 언더매칭이 보다 낮은 응력의 위치에 대하여 정당화된다. 양호한 물성을 가지는 결합부 또는 용접선은 소정의 적절한 결합 기술에 의해 형성될 수 있다. 예시적인 결합 기술이 "연료 저장 및 배급 시스템 용기 및 기타 콤포넌트의 구성을 위한 결합 방법"이라는 부재하에 여기에 기술되어 있다.

본 기술의 숙련자들에게 친숙한 바와 같이, 잠재적으로 북극 환경에서, 즉, -40℃(-40℉) 까지의 온도에서 CNG 같은 압축된 유체를 저장하기 위한, 용접된 강철로 구성된 용기 및 기타 콤포넌트의 설계시 고려되는 동작 조건은 무엇보다도 동작 온도, 유체 압력 같은 구조체가 받게되는 소정의 압력 및 강철 및 용접부상에 부여될 수 있는 부가적인 응력을 포함한다. 본 기술의 숙련자들에게 양자 모두 친숙한 (i) 평면 변형 파괴 인성(J _C ) 및 (ii) 균열 선단 개구 변위(CTOD) 파괴 인성 같은 표준 파괴 역학 척도가 사용되어 강철 및 용접부의 파괴 개시의 저항을 결정할 수 있다. 예로서, 종종 "BS7910:1999"라 지칭되는 영국 표준 학회 공보 "Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structures"에 제시된 바와 같은 강철 구조 설계에 일반적으로 수용될 수 있는 산업 규약이 강철 및 용접부(HAZ 포함)의 파괴 인성 및 구조체상에 부여되는 응력에 기초하여 구조체를 위한 최대 허용 결함 크기를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 본 기술의 숙련자는 (i) 부여되는 응력을 최소화하기 위한 적절한 구조 설계, (ii) 흠결을 최소화하기 위한 적절한 제조 품질 제어, (iii) 구조체에 인가되는 라이프 사 이클 부하 및 압력의 적절한 제어, 및 (iv) 구조체내의 결함 및 흠결을 신뢰성있게 검출하기 위한 적절한 검사 프로그램을 통해 파괴 개시를 완화시키 위해 파괴 제어 프로그램을 개발할 수 있다. 본 발명에 따라 용접된 저장 용기를 위한 양호한 설계 원리는 본 기술의 숙련자들에게 친숙한 "파괴에 앞선 누설"이다. 이들 고려사항은 여기서 총체적으로 "파괴 역학의 공지된 원리"라 지칭된다.

이하는 압력 배슬(vessel) 또는 용기내의 파괴 개시를 방지하기 위한 파괴 제어 계획에 사용하기 위한 주어진 결함 길이를 위한 임계 결함 깊이를 산출하는 절차에 이들 파괴 역학의 공지된 원리를 적용하는 비제한적인 예이다.

도 2C는 결함 길이(315) 및 결함 깊이(310)로 이루어진 결함을 예시한다. BS7910:1999가 사용되어 도 2A(J _c )에 도시된 임계 결함 크기 플롯(300)을 위한 값 및 도 2B(CTOD 파괴 인성)에 도시된 임계 결함 크기 플롯(400)을 위한 값을 산출하며, 양자 모두는 하기의 설계 조건에 기초한다.

배슬 직경(외부): 0.71m(2.3ft)

배슬 벽 두께 : 32.9 mm(1.29in.)

설계 압력 : 37.5MPa(5440psig)

허용 후프 응력 : 382MPa(55.3ksig).

본 실시예를 위해, 100mm(4inch)의 표면 결함 길이, 예로서, 용접된 용접선에 위치된 축방향 결함이 가정된다. 이제 도 2A를 참조하면, 플롯(300)은 각각 플롯선 317, 318 및 319로 예시된 바와 같이, ksi-inch 단위의 J _c (축 311) 및 항복 응 력의 15, 50 및 100%의 잔류 응력 레벨에 대한 잔류 응력의 함수로서, mm 단위의 임계 결함 깊이를 위한 값(축 312)을 나타낸다. 이제 도 2B를 참조하면, 플롯(400)은 각각 플롯선 417, 418 및 419로 예시된 바와 같이, mm 단위의 CTOD 파괴 인성(축 411) 및 항복 응력의 15, 50 및 100%의 잔류 응력 레벨에 대한 잔류 응력의 함수로서, mm 단위의 임계 결함 깊이를 위한 값(축 412)을 나타낸다. 잔류 응력은 제조 및 용접으로 인해 생성될 수 있으며, BS7910:1999는 용접후 열처리(PWHT) 또는 기계적 응력 경감 같은 기술을 사용하여 용접점이 응력경감되지 않는 한, 용접점(용접 HAZ 포함)의 항복 응력의 100%의 잔류 응력값을 사용하는 것을 권장한다. 이 권장은 결과에 통합, 즉, 항복 응력의 100%의 잔류 응력값이 사용되었다.

최소 서비스 온도에서의 압력 배슬 강철의 인성에 기초하여, 배슬 제조는 잔류 응력을 감소시키도록 조절될 수 있으며, 임계 결함 크기에 대한 비교를 위해 결함을 검출 및 측정하도록 검사 프로그램이 구현(최초 검사 및 운용중 검사 양자 모두를 위해)될 수 있다. 본 실시예에서, 잔류 응력이 강철 항복 강도의 15%까지 감소된 상태로, 최소 서비스 온도(실험실 견본을 사용하여 측정된 바와 같은)에서의 0.15 ksi-inch(J _C ) 및 0.03mm(CTOD)의 인성은 약 4.5mm의 임계 결함 깊이값을 제공한다(도 2A의 점 320 및 도 2B의 점 420 참조). 본 기술의 숙련자들에게 잘 알려진 바와 같은, 이하의 유사한 계산 절차에서, 임계 결함 깊이가 다양한 결함 형상 및 다양한 결함 길이에 대하여 결정될 수 있다. 이 정보를 사용하여, 설계 부하의 인가 이전에 또는 임계 결함 깊이 도달 이전에 결함이 검출 및 조치되는 것을 보증하 도록 품질 제어 프로그램 및 검사 프로그램(기술, 검출가능한 결함 치수, 주파수)이 개발될 수 있다. CVN, K _IC , J _C , 및 CTOD 파괴 인성 사이의 공개된 경험적 상관관계에 기초하여, 0.015ksi-inch(J _C ) 및 0.03 mm(CTOD) 값은 일반적으로 약 54J의 CVN 값에 상관된다. 본 실시예는 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않는다.

강철을 예로서, 용기를 위한 원통형 형상으로, 또는 배관을 위한 관형 형상으로 성형하는 것을 필요로하는 용기 및 기타 콤포넌트를 위해, 강철은 강철의 물성에 결정적인 영향을 주는 것을 회피하기 위해 상온에서 원하는 형상으로 성형되는 것이 적합하다. 강철이 성형 동안 원하는 형상을 달성하기 위해 가열되어야만 하는 경우에, 강철은 상술된 바와 같이 강철 미세구조의 유리한 효과를 보존하기 위해, 약 600℃(1112℉) 이하의 온도로 가열되는 것이 적합하다.

예시적 CNG 연료 저장 및 배급 시스템

CNG 연료를 저장하고 차량 엔진의 연소를 위한 요구시 CNG 연료를 배급하기 위한 본 발명에 따른 연료 저장 및 배급 시스템의 일 실시예 및 그와 연계된 고유한 장점이 상세히 후술된다. 연료 저장 및 배급 시스템의 콤포넌트, 예로서, 연료 저장 용기 및 증기 라인은 여기에 기술된 저 합금 초-고강도 강철로, 또는, 여기에 기술된 원하는 특성을 가지는 다른 강철로 구성되는 것이 적합하다. 강철을 예로서, 용기를 위한 원통형 형상으로 또는 배관을 위한 관형 형상으로 성형하는 것을 필요로하는 콤포넌트에 대하여, 강철은 강철의 양호한 극저온 인성에 결정적인 영향을 미치는 것을 회피하기 위해 상온에서 원하는 형상으로 성형되는 것이 적합하 다. 강철이 성형 동안 원하는 형상을 달성하기 위해 가열되어야만 할 때, 강철은 상술된 바와 같이 강철 미세구조의 유리한 효과를 보존하기 위해, 약 600℃(1112℉) 이하의 온도로 가열되는 것이 적합하다.

연료 저장 및 배급 시스템의 콤포넌트

도 1A를 참조하면, 본 발명에 따른 예시적 연료 저장 및 전달 시스템은 연료 저장 용기(10)를 포함한다. 연료 저장 용기(10)는 여기에 기술된 초-고강도 저 합금강으로 구성되는 것이 적합하다. 연료 저장 용기(10)는 배스킷(11)에 의해, 예로서, 자동차의 트렁크 영역내에 지지될 수 있다. 연료 저장 용기(10)는 본 기술의 숙련자들에게 친숙한 바와 같이, 증기 백, 차단 밸브, 배출관 및 기타 특징부(도 1A에는 미도시)가 추가될 수 있다. 연료 저장 용기(10)는 연료 차단부(12), 수동 차단 밸브(13), 진동 루프(14), 연료 계기(15) 및 체크 밸브(9)를 포함하는 연료 라인(22)을 통해 연료 충전 리셉터클(20)에 연결된다. 연료 충전 리셉터클(20) 이후, 연료 저장 용기(10)는 연료 규제기(16) 및 계량 밸브(17)를 포함하는 연료 라인(22)의 연장부를 통해 천연 가스의 연소를 통해 동작하도록 설계된 소정의 표준 엔진의 혼합기(19)에 연결된다. 연료 차단 중계기(18)가 전기 접속부(181)에 접속된다. 규제기(16)는 냉매 호스(161) 및 배출관(162)에 연결된다.

이제 도 1B를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 저장 및 배급 시스템의 다른 실시예에서, 연료 저장 용기(30)는 고압 차단 솔레노이드 밸브(31), 고압 규제기(32), 연료 차단 솔레노이드(33), 연료 규제기(34), 혼합기 제어 밸브(35), NGV 시스템 제어 유니트(36), 전자 제어 유니트(37) 및 엔진 센서(40)를 포함하는 연료 라인(42)을 경유하여, 천연 가스의 연소를 통해 동작하도록 설계된 소정의 표준 엔진(44)에 연결될 수 있다.

도 1A 및 도 1B에 예시된 시스템은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명에 따른 시스템의 주안점은 약 20.7MPa 내지 37.5MPa(3000psia 내지 5440psia)의 압력으로 CNG 연료를 저장하기 위한 신규한 연료 저장 용기이며, 상기 연료 저장 용기는 2.5 wt% 미만의 니켈을 함유하고, 적어도 약 900MPa(130ksi)의 인장 강도를 가지는 초-고강도 저 합금강을 포함하는 재료의 복수의 불연속 판을 함께 결합시킴으로써 구성되며, 상기 불연속 판 사이의 결합부는 상기 압축된 천연 가스를 수납하기 위해 상기 압력 조건에서 적합한 강도 및 인성을 가진다. 본 발명에 따른 시스템의 잔여 콤포넌트는 본 기술 분야의 숙련자들에게 친숙한 NGV의 표준적인 상업적으로 입수할 수 있는 콤포넌트를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시스템을 동작시키기 위한 수단도 본 기술의 숙련자들에게 친숙하다.

현 상용 X-65 CNG 연료 용기에 대한 본 발명의 연료 저장 용기의 비교

표 1(도 1A 앞)은 X-65 강철로 구성된 현 상용 CNG 연료 용기에 대해 본 발명의 연료 저장 용기를 비교한 데이터를 제공한다. 표 1의 데이터를 참조하면, 본 발명에 기초한 두 디자인의 경우가 표준 X-65 디자인에 대하여 비교되어 있다. 제 1 실시예의 경우에, 수납 시스템은 표준 X-65 디자인과 동일한 저장 조건 및 용적 요구조건에 대하여 설계되어 있으며, 수납 시스템 중량의 36% 저감을 초래한다. "실시예 강철"이라 명명된 보다 넓은 컬럼내의 "감소된 중량"이라 명령된 컬럼내의 데이터 참조. 특히, 열 "y"를 참조하면, 본 발명에 따른 용기의 중량은 X-65 용기 의 1773lbs 중량에 비해 단지 1131lbs라는 것이 나타나 있다. 시스템 중량의 감소는 차량을 위한 연료 효율의 증가 또는 페이로드의 대응적 증가로 변환된다. 제 2 실시예의 경우에, 수납 시스템은 X-65 디자인과 동일한 용기 용적 외피이지만, 증가된 저장 압력(즉, 37.5MPa(5440psig))에 대하여 설계되어 있다. "실시예 강철"이라 명명된 보다 넓은 컬럼내의 "최대 구동 범위"라 명명된 컬럼의 데이터 참조. 이 제 2 실시예 경우에서, 수납 시스템의 중량(및, 그에 따른 두께)은 X-65 배슬의 것과 동일하도록 설계된다. 증가된 두께는 저장 압력을 설정한다. 증가된 저장 압력은 증가된 연료 저장 용량에 대응하며, 이는 증가된 구동 범위로 변환된다.

여기에 설명된 바와 같은 강철을 포함하는 재료 및 용접 금속과, 여기에 기술된 방법은 상업적 용도를 위해 수산화탄소를 경제적으로 생성 및 처리하에 적합한 해양 구조체를 구성하기 위해 사용될 수 있다. 이들 새로운 해양 구조체는 예로서, 유연성 파일 타워 및 심수배출 잠함선(deep draft caisson vessel) 같은 수산화탄소의 생성을 위한 근해 플랫폼의 구성에 유리하게 사용될 수 있다. 부가적으로, 이들 해양 구조체는 수산화탄소 및/또는 처리 동안 사용되는 기타 유체를 수납하기 위한 처리 장비로서 근해 플랫폼상에 사용될 수 있다. 선박 선체, 잠수함 선체, 해양 선박 계류 체인, 잠함, 부표, 교각, 유체를 위한 해저 수송 라인, 댐, 방파제 및 유지벽 같은 다른 해양 구조체도 본 발명에 따라 구성될 수 있다. 비제한적으로, 여기에 기술된 방법 및 재료를 사용하여 구성될 수 있는 다른 물품은 예로서, 벌룬(고정 및 수송형)을 위한 불활성 가스를 저장하기 위한 다른 고압 용기, 로켓 부스터, 가솔린 및 기타 연료를 위한 다른 연료 탱크, 화물 콘테이너, 플래어 스택(flare stack), 풀 웰스트림 프로덕트 장비(full wellstream production equipment), 코일형 튜빙, 회전 장비 샤프트, 코일형 배관, 고압 콤팩트 열 교환기, 크레인, 유정탑, 북극 구조체, 구속형 배관, 고정구, 흡반 로드, 초임계 유체 수송 라인, 방탄 방어구를 포함하는 방어구, 압력 배슬 및 처리 배관, 군용 탱크, 전투기, CPT 구조 재료, 중기계, 지진 영역에서 사용하기 위한 구조강, 교각, 터널, 채광 장비, 콘크리트 보강재 및 지지 부재, 계류 체인, 파괴전 누설형 배슬, 차량/트레인 범퍼 및 측면 보강재, 석탄 슬러� � 배관, SCUBA 또는 SCBA 탱크, 핵 발전소 오염물 용기, 항공기 또는 의료용 산소 탱크, 드릴파이프, 케이싱, 라이저(riser), 압출 제품, 예로서, 무봉합 파이프, 음향 액화 장비, 보일러 판, 처리 설비용 지지부, 휠(wheel), 라인파이프(linepipe), 총신, 및/또는 골프 클럽을 포함한다.

상술한 발명은 하나 이상의 양호한 실시예에 관련하여 설명되었지만, 본 기술에 대한 통상적인 기술을 가진 자들은 하기의 청구범위에 기술된 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있는 여기에 상세히 언급된 것들 이외의 다른 다양한 변경, 변형, 추가 및 용도를 인지할 수 있을 것이다.

용어집

Ac ₁ 변환점 : 가열 동안, 오스테나이트가 형성하기 시작하는 온도

Ar ₁ 변환점 : 냉각 동안, 오스테나이트의 페라이트 또는 페라이트와 시멘타이트의 합으로의 변환이 완료되는 온도

Ar ₃ 변환점 : 냉각 동안, 오스테나이트가 페라이트로 변환되기 시작하는 온도

냉각율 : 판 두께의 중심 또는 실질적인 중심에서의 냉각율

CTOD : 균열 선단 개구 변위(Crack Tip Opening Displacement)

DBTT : 연성-취성 전이 온도(Ductile to Brittle Transition Temperature) : 구조강내의 두 파괴 체제를 묘사; DBTT 미만의 온도에서, 파손은 저 에너지 분할(취성) 파괴에 의해 발생하는 경향이 있으며, DBTT 초과 온도에서, 파손은 고 에너지 연성 파괴에 의해 발생하는 경향이 있음

GMAW : 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding)

HAZ : 열 영향 영역(Heat Affected Zone)

J : 주울(joules)

J _C : 평면 변형 파괴 인성의 척도(ASTME 1823)

K _IC : 평면 변형 파괴 인성의 척도(ASTME 1823)

kJ : 킬로주울(kilojoule)

저 합금강 : 철을 포함하고, 총 합금 첨가물의 약 10% 미만인 강철

최대 허용 결함 크기 : 임계 결함 길이 및 깊이

Pcm : 용접성을 나타내기 위해 사용되는 널리 알려진 산업 용어; 또한 Pcm = (wt% C + wt% Si/30 + (wt% Mn + wt% Cu + wt% Cr)/20 + wt% Ni/60 + wt% Mo/15 + wt% V/10 + 5 (wt% B))

ppm : 백만분율(parts-per-million)

우세 : 적어도 약 50vol%

퀀칭 : 소정의 수단, 공냉과 반대로, 강철의 냉각율을 증가시키기 위해 그 경향이 선택된 유체에 의해 가속된 냉각

퀀칭 정지 온도 : 퀀칭이 정지된 이후, 판의 두께 중간부로부터 전달된 열로 인해 판의 표면에서 도달되는 최고 또는 실질적인 최고의 온도

QST : 퀀칭 정지 온도(Quench Stop Temperate)

슬랩(slab) : 소정의 치수를 가지는 강철 조각

인장 강도 : 인장 시험시, 원 단면적에 대한 최대 부하의 비율

TIG 용접 : 텅스텐 불활성 기체 용접

T _nr 온도 : 그 아래에서는 오스테나이트가 재결정화할 수 없는 온도

USPTO : 미국 특허 상표청

용접 금속 : 용접 프로세스의 수행 동안 용융하는 기재 금속의 부분에 의해 증착 및 연화되는 용접 소비성 와이어(및, 플럭스 사용시에는 플럭스), 또는, 용접 작업 동안 용융되는 경향이 있는 용접부의 부분

용접부 : (i) 용접 금속, (ii) 열 영향 영역(HAZ) 및 (iii) HAZ "인근"의 기재 금속을 포함하는 용접된 결합부. HAZ의 "인근"에 있는 것으로 고려되는, 따라서, 용접부의 일부으로 고려되는 기재 금속의 부분은 본 기술의 숙련자들에게 공지된 인자, 비제한적인 예로서, 용접부의 폭, 용접되는 물품의 크기, 물품을 제조하기 위해 필요한 용접부의 수 및 용접부 사이의 거리에 따라 변함