JP2005525509A - 天然ガス車両のためのｃｎｇ貯蔵及び送出システム - Google Patents

天然ガス車両のためのｃｎｇ貯蔵及び送出システム Download PDF

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Abstract

ニッケル含有量が２．５重量％より少なく、且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼で構成された、圧縮天然ガスのための燃料貯蔵及び送出システムが提供される。１つの主要な利点は、本発明のシステムが、現在入手可能な鋼をベースとするシステムに比べて実質的に重量が小さいことである。その結果、本発明のシステムの重量が小さいことに起因して、ＣＮＧ車両の燃料効率を改善することができ、又は圧力を高くすることで同一容積に対する燃料貯蔵量が増大することにより、ＣＮＧ車両の走行距離を改善することができ、又はＣＮＧ車両の積載荷重容量を改善することができる。別の主要な利点は、本発明のシステムが、現在入手可能なシステムに比べて実質的に低い単位強度当りコストを有することである。

Description

本発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）燃料を貯蔵し、ＣＮＧ燃料をエンジン内における燃焼の要求に応じて送出する燃料貯蔵及び送出システムに関する。より詳細には、本発明は、超高強度低合金鋼で構成され、現在入手可能な超高強度低合金鋼から構成された燃料貯蔵容器よりも単位強度当りコストが実質的に低い燃料貯蔵容器を有するこのような燃料貯蔵及び送出システムに関する。更により詳細には、本発明は、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく、且つ引張強度が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい超高強度低合金鋼から構成された燃料貯蔵容器を有するこうした燃料貯蔵及び送出システムに関する。本発明は、これらに限定されるものではないが、天然ガスの燃焼によって作動するように設計されたエンジンを備えた自動車、バス、トラック、及び他の車両に関して特に有用である。
本明細書においては、種々の用語が定義される。便宜上、用語集を本明細書の最後に掲載している。
代替燃料車両（ＡＦＶ）の購買を義務付けるＣｌｅａｎ Ａｉｒ Ａｃｔ（１９９０）及びＥｎｅｒｇｙ Ｐｏｌｉｃｙ Ａｃｔ（１９９２）のような法律により、天然ガス車両（ＮＧＶ）を開発しようとする幾つかの真剣なビジネス構想に拍車がかかった。これらの法律は、空気清浄度の問題が動機となったものであるが、これらはＮＧＶを実現しようとする現実的活動に拍車をかける経済的刺激を創成した。天然ガス固有のクリーンな燃焼特性に起因して、ＮＧＶは現在のところ、ガソリン燃料車両に対して最も競争力のある潜在的な代替手段である。
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）技術は、ＮＧＰタイプのＡＦＶを実現するための候補である。現在のＣＮＧ技術においては、気体（天然ガス）燃料は、約２０．７乃至２４．８ＭＰａ（３０００乃至３６００ｐｓｉａ）といった非常に高圧で、典型的にはＸ−６５鋼、アルミニウム、又はカーボン又はグラスファイバ複合材料で作られた容器内に貯蔵される。多くの出版物及び付与された特許文献がＣＮＧ技術について論じている。例えば、Ｓｃｈｏｏｌ Ｂｕｓ Ｆｌｅｅｔの１９８４年４／５月号の記事「Ｆｉｎａｌｌｙ：Ａ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ＣＮＧ Ｓｙｓｔｅｍ」、国際特許公開ＷＯ９５／３２８７４号、米国特許第５，３３０，０３１号、及び米国特許第５，４５８，２５８号を参照されたい。これらの出版物及び付与特許文献にもかかわらず、現在のＣＮＧ技術には重大な欠点、すなわち、車両走行距離が短いこと（ＣＮＧのエネルギー貯蔵密度が低いことによる）、車両搭載用（典型的には適合しない）燃料貯蔵容器が重くコスト高であること、燃料貯蔵容器の重量に起因して燃料効率が低いこと、及び燃料貯蔵タンクの重量の増大に対応して車両の積載容量が少ないこと、などがあり、ＣＮＧ技術を成功裏に展開させることを阻んでいる。
ＣＮＧ燃料を経済的に貯蔵して、エンジン内での燃焼の要求に応じてＣＮＧ燃料を送出できる燃料貯蔵及び送出システムに対するニーズが存在する。更に、長い車両走行距離を可能にすると共に、現在のＣＮＧ技術によって提供されるよりも軽量で安価な貯蔵容器を可能にするこうした燃料貯蔵及び送出システムに対する必要性が存在する。
従って、本発明の主な目的は、ＣＮＧ燃料を貯蔵して、エンジン内での燃焼の要求に応じてＣＮＧ燃料を送出するのに適した改善された燃料貯蔵及び送出システムを提供することである。
本発明の上述の目的を実現するために、約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）、好ましくは約２０．７乃至２４．８ＭＰａ（３０００乃至３６００ｐｓｉａ）の圧力で圧縮天然ガス（ＣＮＧ）燃料を貯蔵し、エンジン内における燃焼の要求に応じてＣＮＧ燃料を送出するための燃料貯蔵及び送出システムが提供される。本発明の燃料貯蔵及び送出システムは、現在入手可能なＣＮＧ燃料貯蔵及び送出システムよりも実質的に低い単位強度当りコストを有し、引張強度が４５０ＭＰａ（６５ｋｓｉ）より大きい鋼で構成された燃料貯蔵容器及び他のシステム構成要素を有する。好ましくは、燃料貯蔵容器及び他のシステム構成要素は、２．５重量％より少ないニッケルを含有する超高強度低合金鋼を含む材料で構成される。好ましくは、この鋼は、例えば、引張強度（用語集参照）が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい及び／又は降伏強度が８３０ＭＰａ（１２０ｋｓｉ）より大きいといった超高強度を有する。このような超高強度低合金鋼を含む材料で構成された他の容器及びシステムもまた、提供される。
本発明の利点は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することによってより理解されるであろう。
次に本発明をその好ましい実施形態と関連して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではないことは理解されるであろう。むしろ本発明は、請求項に記載された本発明の精神及び範囲に含まれる全ての代替形態、変更形態、及び均等形態を包含するものである。
本発明は、ＣＮＧ燃料を貯蔵して、車両エンジン内における燃焼の要求に応じてＣＮＧ燃料を送出する燃料貯蔵及び送出システム、並びにこの個々の構成要素に関する。約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）、好ましくは約２０．７乃至２４．８ＭＰａ（３０００乃至３６００ｐｓｉａ）の圧力のＣＮＧ燃料を貯蔵し、エンジン内における燃焼の要求に応じてＣＮＧ燃料を送出する燃料貯蔵及び送出システムであって、現在入手可能なＣＮＧ燃料貯蔵及び送出システムよりも実質的に単位強度当りのコストが低く、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい超高強度低合金鋼を含む材料で構成された燃料貯蔵容器及び他の構成要素を有する燃料貯蔵及び送出システムが提供される。
特に、圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、エンジン内における燃焼の要求に応じて送出する燃料貯蔵及び送出システムで使用するのに好適な燃料貯蔵容器であって、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、別々の板間の接合部が、上記圧力条件で圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する燃料貯蔵容器が提供される。本発明の燃料貯蔵容器は、その接合部が上記の超高強度低合金鋼の引張強度の少なくとも約９０％の強度を有するのが好ましい。更に、本発明の燃料貯蔵容器は、好ましくは最低−４０℃（−４０°Ｆ）までの温度で使用するのに好適である。一実施形態において、本発明の燃料貯蔵容器は、鉄と重量パーセントで表した以下の合金元素、即ち、約０．０４乃至約０．０８重量％の炭素、約１．０乃至約２．０重量％のマンガン、約０．２乃至０．７重量％の珪素、約０．３０乃至０．８０重量％のモリブデン、約２．３乃至３．５重量％のニッケル、約０．０１７５乃至０．０４００重量％の酸素、及び（ｉ）最大約０．０４重量％までのジルコニウムと（ｉｉ）最大約０．０２重量％までのチタニウムとから成る群から選択された少なくとも１つの添加物を含む溶接金属であって、この溶接金属のミクロ組織が、約５乃至約約４５体積％の針状フェライトと、少なくとも約５０体積％のラスマルテンサイト、縮退上部ベイナイト、下部ベイナイト、粒状ベイナイト、又はこれらの混合物を含む溶接金属により形成される接合部を有する。また、（ａ）圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、この別々の板間の接合部が上記圧力条件で圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する少なくとも１つの燃料貯蔵容器と、（ｂ）エンジン内における燃焼の要求に応じて圧縮天然ガス燃料を送出する機構とを備えるシステムも提供される。また、（ａ）、圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、この別々の板間の接合部が、上記圧力条件で前記圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する少なくとも１つの燃料貯蔵容器と、（ｂ）燃料補給ステーションと燃料貯蔵容器との間で圧縮天然ガス燃料の移送を可能にする充填及び排出弁と、（ｃ）燃料貯蔵タンクから減圧装置への圧縮天然ガス燃料の流れを可能にする減圧管と、（ｄ）減圧装置からエンジンへの減圧された圧縮天然ガス燃料の流れを可能にする燃料管と、燃料貯蔵及び送出システムが、圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、エンジン内における燃焼の要求に応じて減圧された圧縮天然ガス燃料を送出するように、減圧装置からエンジンへの圧縮天然ガス燃料の流れを調節する燃料調節器と、を備える燃料貯蔵及び送出システムが提供される。また、（ａ）約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力の圧縮天然ガス燃料を、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、この別々の板間の接合部が上記圧力条件で圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する少なくとも１つの燃料貯蔵容器内に配置する段階と、（ｂ）エンジン内における燃焼の要求に応じて、圧縮天然ガス燃料を送出する段階と、を含む方法も提供される。
本発明のもう一つの利点は、本発明によるシステムの燃料貯蔵容器及び他の構成要素が、現在入手可能な鋼ベースのＣＮＧ燃料貯蔵及び送出システムに比べて約半分以下の重量対強度比を有することである。従って本発明のシステムは、高圧ＣＮＧを収容するのに必要な強度を現在の鋼ベースのシステムよりもはるかに軽い重量で提供する。これにより提供される利点は、一つの実施例により説明することができる。極めて大きな冷蔵荷室を有する一隊のトラックが、現在のＣＮＧ燃料貯蔵及び送出システムによって燃料を供給され、配送センタから毎日多数の小売店に食料雑貨類を配送するのに使用される場合について考えてみる。現在の燃料貯蔵及び送出システムを本発明のシステムと置き換えることにより、各トラックが、（ｉ）現在の燃料容積及び燃料効率を維持しながらも、現在のシステムと本発明のシステムの重量差に等しい分量だけ食料雑貨類の積荷量を増大させるか、（ｉｉ）現在の燃料容積及び食料雑貨類積荷量を維持しながらも、本発明のシステムの重量がより軽いことに起因して燃料効率を増大させるか、（ｉｉｉ）燃料容積は小さくするが、食料雑貨類積荷量を増大させながら現在の燃料効率を維持するか、又は（ｉｖ）現在の燃料容積を大きくし、且つより高い圧力で燃料を貯蔵することにより現在の燃料効率と食料雑貨類積荷量を維持するか、のいずれかが可能になる。上述の選択肢の他の組合せ、並びに上述以外の他の選択肢も可能である。
燃料貯蔵及び送出システムの容器及び他の構成要素を構成する鋼
ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きいどのような超高強度低合金鋼も、本発明のシステムの燃料貯蔵容器及び他の構成要素を構成するのに使用できる。本発明で使用する鋼の一実施例は、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく、且つ引張強度が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい溶接可能な超高強度低合金鋼であるが、これにより本発明を限定するものではない。本発明で使用する鋼の別の実施例は、約１重量％より少ないニッケルを含有し且つ引張強度が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい溶接可能な超高強度低合金鋼であるが、これにより本発明を限定するものではない。これらの鋼の実施例は、極寒環境におけるＣＮＧ車両の作動を可能にするために、母材としての板と溶接時のＨＡＺの両方において、最低−４０℃（−４０°Ｆ）までの温度で十分な破壊靭性を有するのが好ましい。
製鋼技術における最近の進歩により、優れた低温靭性を備えた新規の超高強度低合金鋼の製造が可能となった。これらの超高強度低合金鋼はまた、市販の標準的な高強度低合金鋼上で母材としての鋼と溶接時の溶接熱影響部（ＨＡＺ）の両方において改善された靭性も有する。改良された鋼は、名称が「ＨＩＧＨ−ＴＥＮＳＩＬＥ−ＳＲＥＮＧＴＨ ＳＴＥＥＬ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ」の米国特許第６，２４５，２９０号及びこの対応特許である国際特許公開ＷＯ９８／３８３４５号、名称が「ＵＬＴＲＡ ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ，ＷＥＬＤＡＢＬＥ，ＢＯＲＯＮ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＳＵＰＥＲＩＯＲ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２２８，１８３号及びこの対応特許である国際特許公開ＷＯ９９／０５３３６号、名称が「ＵＬＴＲＡ ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ，ＷＥＬＤＡＢＬＥ，ＢＯＲＯＮ−ＦＲＥＥ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＳＵＰＥＲＩＯＲ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２２４，６８９号及びこの対応特許である国際特許公開ＷＯ９９／０５３３４号、名称が「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ，ＷＥＬＤＡＢＬＥ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＳＵＰＥＲＩＯＲ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２４８，１９１号及びこの対応特許である国際特許公開ＷＯ９９／０５３２８号、並びに、名称が「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ，ＷＥＬＤＡＢＬＥ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＵＬＴＲＡ−ＬＯＷ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２６４，７６０号及びこの対応特許である国際特許公開ＷＯ９９／０５３３５号に記載されている（尚、これらをまとめて「鋼特許出願」と呼ぶ）。
これらの鋼特許出願に記載され、また以下の実施例において更に説明する新規の鋼は、好ましくは、厚さ約２．５ｃｍ（１インチ）以上の鋼板に好ましく、（ｉ）９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きく、より好ましくは約９３０ＭＰａ（１３５ｋｓｉ）より大きい引張強度、（ｉｉ）良好な溶接性、（ｉｉｉ）実質的に均一なミクロ組織、（ｉｖ）最低−４０℃（−４０°Ｆ）までの温度で使用するのに十分な破壊靭性といった特性を有するという点で、本発明の燃料貯蔵容器及び他の構成要素を構成するのに特に適している。
他の適当な鋼は、名称が「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＣＲＹＯＧＥＮＩＣ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の国際特許公開ＷＯ９９／３２６７２号、名称が「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＡＵＳＡＧＥＤ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＣＲＹＯＧＥＮＩＣ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２５１，１９８号及び国際特許公開ＷＯ９９／３２６７０号、名称が「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＤＵＡＬ ＰＨＡＳＥ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＣＲＹＯＧＥＮＩＣ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，０６６，２１２号及び国際特許公開ＷＯ９９／３２６７１号、「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＣＲＹＯＧＥＮＩＣ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９９／２９８０２号、名称が「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＡＵＳＡＧＥＤ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＣＲＹＯＧＥＮＩＣ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２５４，６９８号及び国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９９／３００５５号、及び名称が「ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＴＲＩＰＬＥ ＰＨＡＳＥ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ ＣＲＹＯＧＥＮＩＣ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，１５９，３２１号及び国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９９／２９８０４号（尚、これらをまとめて「追加的鋼特許出願」と呼ぶ）に記載されている。追加的鋼特許出願に記載された鋼は、厚さが約２．５ｃｍ（１インチ）以上の鋼板に好ましく、（ｉ）母材鋼及び溶接熱影響部（ＨＡＺ）において約−７３℃（−１００°Ｆ）以下のＤＢＴＴ、（ｉｉ）８３０ＭＰａ（１２０ｋｓｉ）より大きく、好ましくは約８６０ＭＰａ（１２５ｋｓｉ）より大きく、より好ましくは９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい引張強度、（ｉｉｉ）優れた溶接性、（ｉｖ）実質的に均一な貫通厚さミクロ組織及び特性、（ｖ）標準的な市販の高強度低合金鋼よりも改善された靭性といった特性を有するという点で極寒環境などの低温用途に特に適している。これらの鋼は、約９３０ＭＰａ（１３５ｋｓｉ）より大きく、又は約９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）より大きく、又は約１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）より大きい引張強度を有することができる。
鋼の実施例
上述のように、名称が「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ ＵＬＴＲＡ−ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ，ＷＥＬＤＡＢＬＥ ＳＴＥＥＬＳ ＷＩＴＨ ＳＵＰＥＲＩＯＲ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ」の米国特許第６，２４８，１９１号及びこの対応特許である国際特許公開ＷＯ９９／０５３２８号は、それぞれ本発明での使用に好適な鋼を記載している。超高強度鋼板を作製する方法が提供される。即ち、バナジウム又はニオブの炭化物又は窒化炭素を実質的に全て溶解させるのに十分な実質的に均一の温度、好ましくは約１０００℃乃至１２５０℃（約１８３２°Ｆ乃至２２８２°Ｆ）の範囲まで、より好ましくは約１０５０℃乃至１１５０℃（約１９２２°Ｆ乃至２１０２°Ｆ）の範囲までスラブを加熱する段階と、スラブを好ましくは（厚みで）約２０％乃至６０％まで減厚してオーステナイトが再結晶する第１の温度範囲内で１回又はそれ以上のパスで鋼板を形成する、第１の熱間圧延を行う段階と、オーステナイトが再結晶しない第１の温度範囲よりも幾分低く、且つＡｒ3転移点よりも高い第２の温度範囲内で１回又はそれ以上のパスで好ましくは（厚みで）約４０％乃至８０％まで減厚する第２の熱間圧延を行う段階と、及び、Ａｒ3転移点より低くない温度から少なくともＡｒ1転移点と同程度の温度の急冷停止温度（ＱＳＴ）まで、好ましくは約５５０℃乃至約１５０℃（約１０２２°Ｆ乃至約３０２°Ｆ）の範囲内、より好ましくは約５００℃乃至約１５０℃（約９３２°Ｆ乃至約３０２°Ｆ）の範囲内で、少なくとも約１０℃／秒（１８°Ｆ／秒）、好ましくは少なくとも約２０℃／秒（３６°Ｆ／秒）、より好ましくは少なくとも約３０℃／秒（５４°Ｆ／秒）、更により好ましくは少なくとも約３５℃／秒（６３°Ｆ／秒）の冷却速度で急冷して圧延板を硬化させる段階と、急冷を停止して鋼板を周囲温度まで空気冷却して、主成分として微細粒子状の下部ベイナイト、微細粒子状のラスマルテンサイト、又はこれらの混合物に対する鋼の完全転移を促進させる段階によって鋼スラブを処理する。当業者には理解されるように、本明細書で使用される「％減厚」は、言及される減厚の前の鋼スラブ又は鋼板の厚さをパーセント減少させることをいう。本発明を限定するためではなく、単に例証の目的において、約２５．４ｃｍ（１０インチ）の鋼スラブを、第１の温度範囲で約５０％減少させて（５０％減少）約１２．７ｃｍ（５インチ）の厚さにすることができ、次に第２の温度範囲で約８０％減少させて（８０％減少）約２．５４ｃｍ（１インチ）の厚さにすることができる。
好ましい鋼材は、主成分として微細粒子状の下部ベイナイト、微細粒子状のラスマルテンサイト、又はこれらの混合物を好ましくは含む実質的に均一なミクロ組織を有する。好ましくは、微細粒子状のラスマルテンサイトは、自動焼き戻しされたラスマルテンサイトを含む。本発明の説明及び請求項において使用される「主成分」は、少なくとも約５０体積パーセントを意味している。ミクロ組織の残余部分は、追加的な微細粒子状下部ベイナイト、追加的な微細粒子状ラスマルテンサイト、上部ベイナイト、又はフェライトを含むことができる。より好ましくは、ミクロ組織は、少なくとも約６０体積パーセント乃至約８０体積パーセントの微細粒子状下部ベイナイト、微細粒子状ラスマルテンサイト、又はこれらの混合物を含む。更により好ましくは、ミクロ組織は、少なくとも約９０体積パーセントの微細粒子状下部ベイナイト、微細粒子状ラスマルテンサイト、又はこれらの混合物を含む。
下部ベイナイトとラスマルテンサイトの両方は、バナジウム、ニオブ、及びモリブデンの炭化物又は窒化炭素の析出物により更に硬化させることができる。これらの析出物、特にバナジウムを含む析出物は、可能性としては、Ａｃ1転移点よりも高くない温度まで加熱される領域の転位密度のどのような実質的な減少をも防止することにより、又はＡｃ1転移点よりも高い温度まで加熱される領域の析出硬化を引き起こすことにより、又はこれらの両方により、ＨＡＺ軟化の最小化を助けることができる。
この実施例の鋼板は、一実施形態において、鉄と以下の重量パーセントで示す合金元素、即ち、
０．０３−０．１０％、好ましくは０．０５−０．０９％の炭素（Ｃ）
０−０．６％の珪素（Ｓｉ）
１．６−２．１％のマンガン（Ｍｎ）
０−１．０％の銅（Ｃｕ）
０−１．０％、好ましくは０．２−１．０％のニッケル（Ｎｉ）
０．０１−０．１０％、好ましくは０．０３−０．０６％のニオブ（Ｎｂ）
０．０１−０．１０％、好ましくは０．０３−０．０８％のバナジウム（Ｖ）
０．３−０．６％のモリブデン（Ｍｏ）
０−１．０％のクロム（Ｃｒ）
０．００５−０．０３％、好ましくは０．０１５−０．０２％のチタン（Ｔｉ）
０−０．０６％、好ましくは０．００１−０．０６％のアルミニウム（Ａｌ）
０−０．００６％のカルシウム（Ｃａ）
０−０．０２％の希土金属類（ＲＥＭ）
０−０．００６％のマグネシウム（Ｍｇ）
を含み、更に、Ｃｅｑ≦０．７且つＰｃｍ≦０．３５によって特徴付けられる鋼スラブを通常の方法で作製することによって製造される。
変形例では、上術の化学的性質を変更して、０．０００５乃至０．００２０重量％、好ましくは０．０００８乃至０．００１２重量％のホウ素（Ｂ）を含み、モリブデン含有量は０．２乃至０．５重量％である。
本質的にホウ素を含まない本発明の鋼の場合には、Ｃｅｑは、好ましくは約０．５より大きく約０．７より小さい。ホウ素を含有する本発明の鋼の場合には、Ｃｅｑは好ましくは約０．３より大きく約０．７より小さい。
更に、結晶粒成長を抑制する窒化チタン粒子を供給するために、以下に説明するように、幾らかの窒素（Ｎ）は望ましいが、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）、及び硫黄（Ｓ）などのよく知られた不純物は、鋼においては最小限にされるのが好ましい。窒素濃度は約０．００１乃至０．００６重量％であり、硫黄濃度は約０．００５重量％以下であり、より好ましくは約０．００２重量％以下であり、燐濃度は約０．０１５重量％以下であるのが好ましい。この化学的性質において、何らのホウ素も添加されないことから鋼は本質的にホウ素を含まず、ホウ素濃度は好ましくは約３ｐｐｍより小さく、より好ましくは約１ｐｐｍより小さく、或いは上述のように、鋼は添加されたホウ素を含有する。
主成分として微細粒子状下部ベイナイト、微細粒子状ラスマルテンサイト、又はこれらの混合物を含むミクロ組織を有するこの超高強度鋼を作製する好ましい方法は、バナジウム及びニオブの実質的に全ての炭化物又は窒化炭素を溶解させるのに十分な温度までスラブ鋼を加熱する段階と、オーステナイトが再結晶する第１の温度範囲内でスラブを１回又はそれ以上の熱間圧延パスで減厚して板を形成する段階と、Ｔnr温度より低いすなわちオーステナイトが再結晶する最低の温度から、Ａｒ3転移点を越えるすなわち冷却中にオーステナイトがフェライトへと転移し始める温度よりも高い第２の温度範囲内で、１回又はそれ以上の熱間圧延パスで板を更に減厚する段階と、少なくともＡｒ1転移点と同じ程度の温度、すなわち冷却中にオーステナイトからフェライト又はフェライト＋セメンタイトへの転移が完了する温度、好ましくは約５５０℃乃至１５０℃（約１０２２°Ｆ乃至３０２°Ｆ）の範囲、より好ましくは約５００℃乃至１５０℃（約９３２°Ｆ乃至３０２°Ｆ）の範囲まで仕上げ圧延板を急冷する段階と、急冷を停止する段階と、急冷された板を周囲温度まで空気冷却する段階を含む。
本発明に関連して使用するのに好適な他の鋼は、９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい引張強度を有し、及び最低−４０℃（−４０°Ｆ）までの温度での使用に十分な破壊靭性を有する約１重量％より少ないニッケルを含有する超高強度低合金鋼を説明する他の文献において記載されている。例えば、このような鋼は、１９９６年８月８日出願の国際特許公開ＷＯ９６／２３９０９号（このような鋼は、好ましくは０．１乃至１．２重量％の銅を有する）、及び１９９６年８月１日出願の国際特許公開ＷＯ９６／２３０８３号に記載されている。
当業者には理解されるように、上述のいずれの鋼においても、Ｔnr温度は、鋼の化学的性質に依存し、より具体的に言えば、圧延前のスラブ加熱温度、炭素濃度、ニオブ濃度、及び圧延パスで得られる圧延量に依存する。当業者は、実験又は計算モデルにより、各鋼組成に対するこの温度を求めることができる。同様に当業者は実験もしくは計算モデルにより、本明細書で言及するＡｃ1、Ａｒ1、及びＡｒ3転移点を各鋼組成に対して求めることができる。
当業者には理解されるように、上述のいずれの鋼の場合も、実質的にスラブ全体に適用される圧延前のスラブ加熱温度を除けば、本発明の処理方法を説明する際に言及された後続の温度は、鋼表面において測定される温度である。鋼の表面温度は、例えば光高温計を使用することにより、又は鋼の表面温度を測定するのに適した他のいずれかの装置によって測定できる。本明細書で使用される冷却速度は、板厚の中心、又は実質的に中心における冷却速度であり、急冷停止温度（ＱＳＴ）は、急冷停止後に板厚中心部から伝達される熱により板表面において到達する最高温度又は実質的な最高温度である。例えば、本明細書で提供された実施例による鋼組成を実験的に加熱する場合、熱電対を鋼板厚の中心又は実質的な中心に配置して板厚中心部の温度を測定し、他方、表面温度は、光高温計を使用して測定する。同じ又は実質的に同じ鋼組成を続いて処理する際に使用するために、中心温度と表面温度との間の相関関係が明らかにされ、その結果、表面温度を直接測定することにより中心温度を求めることができる。また、当業者は標準的な工業文献を参照することにより、所望の加速された冷却速度を達成するために必要とされる温度及び急冷流体の流量を決定することができる。
当業者は、本発明の燃料貯蔵容器及び他の構成要素の構成における使用に適した高強度を有する超高強度低合金鋼板を作製するために本明細書において提供される情報を使用するのに不可欠な知識と技能とを有する。更に当業者は、極寒環境での使用に必要な強度と破壊靭性との組合せを有する超高強度低合金鋼板を作製するために本明細書で提供される情報を使用するのに不可欠な知識と技能とを有する。他の適当な鋼が存在することができ、或いは今後開発される可能性がある。このような鋼は全て本発明の範囲内に包含される。
燃料貯蔵及び送出システムの容器及び他の構成要素を構成するための接合方法
本発明の燃料貯蔵容器及び他の構成要素を構成するために、鋼板を接合する適切な方法が必要とされる。上述のような本発明における十分な強度及び靭性を有する接合部又はシーム部を形成するいずれの接合方法も適切と考えられる。好ましくは、ＣＮＧを収容するために十分な強度を提供するのに適した溶接方法は、本発明のシステムの燃料貯蔵容器及び他の構成要素を構成するのに使用される。このような溶接方法は、適切な消耗溶接ワイヤ、適切な消耗溶接ガス、適切な溶接作業、及び適切な溶接手順を含むのが好ましい。
本明細書に記載される鋼を含む材料を接合する際に使用するのに好適な溶接金属、及びこのような溶接金属を作製する方法は、２０００年８月７日の優先権日を有し、米国特許庁により出願番号第０９／９２０，８９４号として受理された、名称が「ＷＥＬＤ ＭＥＴＡＬＳ ＷＩＴＨ ＳＵＰＥＲＩＯＲ ＬＯＷ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＴＯＵＧＨＮＥＳＳ ＦＯＲ ＪＯＩＮＩＮＧ ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ，ＬＯＷ ＡＬＬＯＹ ＳＴＥＥＬＳ」の同時係属中の米国特許出願に記載されている（「溶接金属出願」と呼ぶ）。この溶接金属出願に記載されているように、適切な溶接金属は、鉄、約０．０４乃至約０．０８重量％の炭素、約１．０乃至約２．０重量％のマンガン、約０．２乃至約０．７重量％の珪素、約０．３０乃至０．８０重量％のモリブデン、約２．３乃至約３．５重量％のニッケル、約０．０１７５乃至約０．０４００重量％の酸素、及び最大約０．０４００重量％までのジルコニウムと最大約０．０２重量％までのチタンとから成る群から選択された少なくとも１つの添加物を含む。適当な溶接金属はまた、約０．０１重量％より少ない燐、約０．０１重量％より少ない硫黄、最大約０．０３重量％までのアルミニウム、及び約０．０２０重量％より少ない窒素を含むことができる。更に溶接金属は、最大約０．６０重量％までのクロム、最大約０．６０重量％までの銅、最大約０．０４０重量％までのバナジウム、最大約０．００１２重量％までのホウ素から成る群から選択された少なくとも１つの添加物を含むことができる。適当な溶接金属のミクロ組織は、約５乃至約４５体積％の針状フェライト及び少なくとも約５０体積％のラスマルテンサイト、縮退上部ベイナイト、下部ベイナイト、粒状ベイナイト、又はこれらの混合物を含む。これらの溶接金属は、溶接金属のミクロ組織内において、ラスマルテンサイトのような硬い成分及び比較的軟らかい相の針状フェライトの存在、形態、及び量によって提供される高強度と優れた低温靭性との好適な組合せを有する。幾つかの実施形態は、約１０乃至４５体積％の針状フェライトを含む。針状フェライトは、当業者にはよく知られたフェライトの１つの種類であって、約６９０ＭＰａ（１００ｋｓｉ）より小さい降伏強度をもたらす鋼溶接金属と一般に関係しており、良好な靭性特性を有することが知られている。これらの溶接金属の優れた靭性は、主として比較的低い炭素含有量、小さな粒子サイズ、きめ細かく分散された針状フェライト、及び溶接金属ミクロ組織における小さな介在物粒子のきめ細かな分散を保証する酸化物含有設計によって得られる。これらの溶接金属を作製する好ましい溶接方法は、ミグ溶接（ＧＭＡＷ）であり、更に好ましい方法は、パルスＧＭＡＷ溶接である。これらの溶接金属の化学的性質は、比較的低い熱入力溶接に最もよく適している。より具体的には、この化学的性質は、約０．３ｋＪ／ｍｍ（７．６ｋＪ／インチ）乃至約２．５ｋＪ／ｍｍ（６３ｋＪ／インチ）の範囲内の熱入力により溶接した場合に所望の強度及び靭性の組合せが得られるように設計されている。より好ましくは、この熱入力範囲の上限は、約１．５ｋＪ／ｍｍ（３８ｋＪ／インチ）である。好ましい溶接技術のシールドガス組成は、約５０体積％より多い、より好ましくは７５体積％より多いアルゴン（Ａｒ）と、二酸化炭素（ＣＯ2）及び／又は酸素、及び／又はヘリウム添加物を含む。好ましいガス組成は、ＡｒとＣＯ2の混合物であって、約８０乃至約９０体積％の範囲のＡｒと約１０乃至約２０体積％の範囲のＣＯ2とを含む。更により好ましいガス組成は、最大約２５体積％までのヘリウム（Ｈｅ）添加物を含む。ヘリウム添加物は、より流動的な溶融池を形成し、より良好な側壁内への濡れ性をもたらし、及び溶接ビードの「クラウニング」を少なくする。クラウニングとは凸状の溶接ビードの表面形状を意味し、これは上向き溶接の場合には特に顕著である。ヘリウム含有ガスの場合には、少なくとも約５体積％のＣＯ2成分が使用され、ガス混合物の残りの部分はアルゴンである。より高含有量のアルゴン及びヘリウムも使用可能である。
追加的鋼特許及び特許出願に記載された鋼が本発明システムの燃料貯蔵容器及び他の構成要素を構成するのに使用される場合には、消耗ワイヤ／ガスの適正な組合せが使用される条件下で、鋼製作工業においてよく知られたミグ溶接（ＧＭＡＷ）とティグ（ＴＩＧ）溶接のいずれも鋼板の接合に使用できる。第１の実施例の溶接方法において、鉄と、約０．７重量％の炭素、約２．０５重量％のマンガン、約０．３２重量％の珪素、約２．２０重量％のニッケル、約０．４５重量％のクロム、約０．５６重量％のモリブデン、約１１０ｐｐｍより少ない燐、及び約５０ｐｐｍより少ない硫黄を含む化学的性質の溶接金属を作製するのにＧＭＡＷ溶接法が使用される。約１重量％より少ない酸素を含むアルゴンを主成分とするシールドガスを使用して、上述の鋼のいずれかのような鋼で溶接が行われる。溶接熱入力は、約０．３ｋＪ／ｍｍ乃至１．５ｋＪ／ｍｍ（７．６ｋＪ／インチ乃至３８ｋＪ／インチ）の範囲内である。この方法による溶接は、約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きく、好ましくは約９３０ＭＰａ（１３５ｋｓｉ）より大きく、より好ましくは９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）より大きく、更により好ましくは少なくとも約１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）の引張強度を有する溶接部（用語参照）を提供する。更に、この方法による溶接は、約−７３℃（−１００°Ｆ）よりも低く、好ましくは約−９６℃（−１４０°Ｆ）よりも低く、より好ましくは約−１０６℃（−１６０°Ｆ）よりも低く、更により好ましくは約−１１５℃（−１７５°Ｆ）よりも低いＤＢＴＴを有する溶接金属を提供する。別の実施例の溶接方法においては、ＧＭＡＷ溶接法は、鉄と、約０．１０重量％の炭素（好ましくは約０．１０重量％より少ない炭素、より好ましくは約０．０７乃至約０．０８重量％の炭素）、約１．６０重量％のマンガン、約０．２５重量％の珪素、約１．８７重量％のニッケル、約０．８７重量％のクロム、約０．５１重量％のモリブデン、約７５ｐｐｍより少ない燐、約１００ｐｐｍより少ない硫黄を含む化学的性質の溶接金属を作製するのに使用される。溶接熱入力は、約０．３ｋＪ／ｍｍ乃至１．５ｋＪ／ｍｍ（７．６ｋＪ／インチ乃至３８ｋＪ／インチ）の範囲内であり、約１００℃（２１２°Ｆ）の予熱が使用される。溶接は、約１重量％より少ない酸素を含むアルゴンを主成分とするシールドガスを使用して、上述の鋼のいずれかのような鋼で行われる。この方法による溶接は、約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きく、好ましくは約９３０ＭＰａ（１３５ｋｓｉ）より大きく、より好ましくは９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）より大きく、更により好ましくは少なくとも約１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）の引張強度を有する溶接部を提供する。更に、この方法による溶接は、約−７３℃（−１００°Ｆ）よりも低く、好ましくは約−９６℃（−１４０°Ｆ）よりも低く、より好ましくは約−１０６℃（−１６０°Ｆ）よりも低く、更により好ましくは約−１１５℃（−１７５°Ｆ）よりも低いＤＢＴＴを有する溶接金属を提供する。別の実施例の溶接方法において、ＴＩＧ溶接法は、鉄と、約０．０７重量％の炭素（好ましくは約０．０７重量％より少ない炭素）、約１．８０重量％のマンガン、約０．２０重量％の珪素、約４．００重量％のニッケル、約０．５重量％のクロム、約０．４０重量％のモリブデン、約０．０２重量％の銅、約０．０２重量％のアルミニウム、約０．０１０重量％のチタン、約０．０１５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）、約５０ｐｐｍより少ない燐、及び約３０ｐｐｍより少ない硫黄を含む化学的性質の溶接金属を作製するのに使用される。溶接熱入力は、約０．３ｋＪ／ｍｍ乃至１．５ｋＪ／ｍｍ（７．６ｋＪ／インチ乃至３８ｋＪ／インチ）の範囲内であり、約１００℃（２１２°Ｆ）の予熱が使用される。溶接は、約１重量％より少ない酸素を含むアルゴンを主成分とするシールドガスを使用して、上述のような鋼のいずれかのような鋼で行われる。この方法による溶接は、約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きく、好ましくは約９３０ＭＰａ（１３５ｋｓｉ）より大きく、より好ましくは９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）より大きく、更により好ましくは少なくとも約１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）の引張強度を有する溶接部を提供する。更に、この方法による溶接は、約−７３℃（−１００°Ｆ）よりも低く、好ましくは約−９６℃（−１４０°Ｆ）よりも低く、より好ましくは約−１０６℃（−１６０°Ｆ）よりも低く、更により好ましくは約−１１５℃（−１７５°Ｆ）よりも低いＤＢＴＴを有する溶接金属を提供する。上述の実施例と同様の化学的性質の溶接金属は、ＧＭＡＷ溶接法又はＴＩＧ溶接法のいずれかを使用して得ることができる。しかしながら、ＴＩＧ溶接法は、ＧＭＡＷ溶接法よりも不純物含有量が少なく且つより高度に微細化されたミクロ組織を有しており、従って改善された低温靭性を有することが予想される。
当業者は、本発明システムの燃料貯蔵容器及び他の構成要素の構成で使用するのに好適な高い強度及び破壊靭性を有する接合部又はシーム部を形成するために、本明細書において提供される情報を使用して超高強度低合金鋼板を含む材料を溶接するのに不可欠な知識及び技能を有する。他の適切な接合又は溶接方法も存在することができ、或いは今後開発される可能性がある。このような接合又は溶接方法は全て本発明の範囲内に含まれる。
燃料貯蔵及び送出システムの容器及び他の構成要素の構成
本発明による燃料貯蔵及び送出システムの燃料貯蔵容器及び他の構成要素が提供される。燃料貯蔵容器及び他の構成要素は、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい超高強度低合金鋼で構成される。本発明の燃料貯蔵容器及び他の構成要素は、超高強度低合金鋼の別々の板から構成することができる。本発明の更なる利点は、本発明による燃料貯蔵容器及び他の構成要素が、シベリヤ及びアラスカといった極寒環境で使用するのに十分な破壊靭性を有することである。燃料貯蔵容器及び他の構成要素の接合部又はシーム部は、好ましくは超高強度低合金鋼板とほぼ同じ強度及び破壊靭性を有する。場合によっては、約５％乃至約１０％程度低い強度が、低応力箇所においては妥当とすることができる。好ましい特性を有する接合部又はシーム部は、好適な接合技術のいずれかにより形成することができる。本明細書では、１つの例示的な接合技術は、副題「燃料貯蔵及び送出システムの容器及び他の構成要素を構成するための接合方法」以下で述べられている。
当業者にはよく知られているが、場合によっては最低−４０℃（−４０°Ｆ）までの温度での極寒環境でＣＮＧなどの加圧流体を貯蔵することが意図された、溶接鋼で構成される容器及び他の構成要素の設計において考慮される作動条件としては、とりわけ、作動温度、この構造体が受けることになる流体圧のような何らかの圧力、並びに鋼及び溶接部に加わる可能性が高い追加的な応力が含まれる。いずれも当業者には周知である、（ｉ）平面ひずみ破壊靭性（Ｊｃ）及び（ｉｉ）亀裂先端開口変位（ＣＴＯＤ）破壊靭性といった標準破壊力学測定値を用いて、鋼及び溶接部における破壊開始抵抗力を求めることができる。鋼構造体設計において一般に認められた工業コード、例えば「ＢＳ７９１０：１９９９」と呼ばれることが多い、英国規格協会の出版物「Ｇｕｉｄｅ ｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ Ａｃｃｅｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｌａｗｓ ｉｎ Ｆｕｓｉｏｎ Ｗｅｌｄｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」に示されているような工業コードを用いて、鋼及び溶接部（ＨＡＺを含む）の破壊靭性及び構造体に加えられる応力に基づいて、この構造体に対する最大許容傷寸法を決定することができる。当業者であれば、（ｉ）加えられた応力を最小限にするための適正な構造設計、（ｉｉ）欠陥を最小限に抑えるための適正な製造の品質管理、（ｉｉｉ）構造体に印加されるライフサイクル荷重及び圧力の適正な制御、及び（ｉｖ）構造体内の傷及び欠陥を高い信頼性をもって検出するための適正な検査プログラムによって破壊開始を緩和するための破壊制御プログラムを開発することができる。本発明により溶接される貯蔵容器のための好ましい設計理念は、当業者にはよく知られた「破壊前の漏れ」である。これらの検討事項は一般に、本明細書では「破壊力学の公知原理」と呼ばれる。
以下は、圧力容器の破壊開始を防止するための破壊制御計画で使用される所与の傷長さにおける臨界傷深さを計算する手順に対して破壊力学のこれらの公知原理を適用した非限定的な実施例である。
図２Ｃは、傷長さ３１５及び傷深さ３１０の傷を示す。下記設計条件に基づいて、図２Ａ（Ｊｃ）に示す臨界傷寸法のグラフ３００及び図２Ｂ（ＣＴＯＤ破壊靭性）に示す臨界傷寸法グラフ４００における値を計算するのにＢＳ７９１０：１９９９が使用される。
容器直径（外径）：０．７１ｍ（２．３フィート）
容器壁厚：３２．９ｍｍ（１．２９インチ）
設計圧力：３７．５ＭＰａ（５４４０ｐｓｉｇ）
許容フープ応力：３８２ＭＰａ（５５．３ｋｓｉｇ）
この例示の目的において、例えばシーム溶接部内の軸方向傷である１００ｍｍ（４インチ）の表面傷長さが想定される。次に、図２Ａを参照すると、グラフ３００は、軸３１１にｋｓｉ−インチで表したＪｃの関数として、軸３１２にｍｍで表した臨界傷深さの値を示しており、降伏応力の１５％、５０％、及び１００％の残留応力レベルについて、それぞれグラフ線３１７、３１８、３１９で示している。次に図２Ｂを参照すると、グラフ４００は、軸４１１にｍｍで表したＣＴＯＤ破壊靭性の関数として、軸４１２にｍｍで表した臨界傷深さの値を示しており、降伏応力の１５％、５０％、及び１００％の残留応力レベルについて、それぞれグラフ線４１７、４１８、４１９で示している。残留応力は、製作及び溶接に起因して生じる可能性があり、ＢＳ７９１０：１９９９は、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）又は機械的応力除去のような技術を用いて溶接部から応力解除されない場合には、溶接部（溶接部のＨＡＺを含む）中の降伏応力の１００％の残留応力値を使用することを推奨している。この推奨は本結果に組み込まれ、すなわち降伏応力の１００％の残留応力値が使用された。
最低使用温度における圧力容器鋼の靭性に基づいて、容器製作を調整して残留応力を低減することが可能であり、臨界傷寸法と比較するために傷を検出して測定する検査プログラムを実行する（初期検査と使用中検査の両方）ことができる。この実施例においては、最低使用温度で０．１５ｋｓｉ−インチの靭性（Ｊｃ）と０．０３ｍｍ（ＣＴＯＤ）（実験室試料を用いて測定した場合）で、残留応力が鋼の降伏強度の１５％まで低減されると、約４．５ｍｍの臨界傷深さ値が得られる（図２Ａの点３２０及び図２Ｂの点４２０を参照）。当業者にはよく知られた類似の計算手順に従えば、様々な傷長さ及び傷幾何形状について臨界傷深さを求めることができる。この情報を用いると、臨界傷深さに達する前又は設計荷重を加える前に、確実に傷を検出して修復するようにする品質管理プログラム及び検査プログラム（手法、検出可能な傷寸法、頻度）を開発することができる。ＣＶＮ、ＫIC、ＪC、及びＣＴＯＤ破壊靭性の間の公表された経験的な相関関係に基づいて、０．０１５ｋｓｉ−インチ（ＪＣ）及び０．０３ｍｍ（ＣＴＯＤ）の値は一般に、約５４ＪのＣＶＮ値と相関する。この実施例は、本発明を多少なりとも限定することを意図するものではない。
例えば容器について円筒形状に、又は管については筒状に鋼を成形する必要のある容器及び他の構成要素の場合、鋼は、その特性に悪影響を及ぼすことを回避するために周囲温度で所望の形状に成形されるのが好ましい。成形中に所望の形状を達成するために鋼を加熱する必要がある場合には、鋼は、上述のような鋼ミクロ組織の利点を維持するようにするために、約６００℃（１１１２°Ｆ）以下の温度に加熱されるのが好ましい。
ＣＮＧ燃料貯蔵及び送出システムの実施例
ＣＮＧ燃料を貯蔵し、車両エンジン内における燃焼の要求に応じてＣＮＧ燃料を送出する本発明による燃料貯蔵及び送出システムの一実施形態、及びこれに関係する固有の利点を以下に詳細に説明する。燃料貯蔵及び送出システムの構成要素、例えば燃料貯蔵容器及び蒸気ラインは、好ましくは本明細書に記載された超高強度低合金鋼又は本明細書に記載された所望の特性を有する他の鋼で構成される。例えば容器については円筒形状に、パイプについは筒状に鋼を成形する必要のある構成要素の場合、鋼の優れた低温靭性に悪影響を及ぼすのを回避するために、鋼は周囲温度で所望の形状に成形されるのが好ましい。成形中に所望の形状を達成するために鋼を加熱する必要がある場合には、鋼は、上述のような鋼ミクロ組織の利点を維持するようにするために、約６００℃（１１１２°Ｆ）以下の温度に加熱されるのが好ましい。
燃料貯蔵及び送出システムの構成要素
図１Ａを参照すると、本発明による燃料貯蔵及び送出システムの一実施例は、燃料貯蔵容器１０を含む。燃料貯蔵容器１０は、好ましくは本明細書に記載された超高強度低合金鋼で構成される。燃料貯蔵容器１０は、例えば車両のトランク区域のブラケット１１により支持することができる。燃料貯蔵容器１０は、蒸気バッグ、遮断弁、排出管、及び当業者によく知られた他の構成部材（図１Ａには図示せず）を追加することができる。燃料貯蔵容器１０は、燃料ロックオフ１２、手動遮断弁１３、振動ループ１４、燃料ゲージ１５、及び逆止弁９を含む燃料管２２を介して燃料充填容器２０に接続される。燃料充填容器２０の後に、燃料貯蔵容器１０は、燃料調節器１６と絞り弁１７とを含む燃料管２２の延長部を介して、天然ガスの燃焼によって作動するように設計された任意の標準エンジンの混合器１９に接続される。燃料遮断リレー１８が、電気接続部１８１に接続される。燃料調節器１６は、冷却剤ホース１６１と排出管１６２とに接続される。
次に図１Ｂを参照すると、本発明による燃料貯蔵及び送出システムの別の実施形態において、燃料貯蔵容器３０は、高圧遮断ソレノイド弁３１、高圧調節器３２、燃料遮断ソレノイド３３、燃料調節器３４、混合制御弁３５、ＮＧＶシステム制御装置３６、電子制御装置３７、及びエンジンセンサ４０を含む燃料管４２を介して、天然ガスの燃焼によって作動するように設計された任意の標準エンジン４４に接続される。
図１Ａ及び図１Ｂに示すシステムは、本発明を限定することを意図するものではない。本発明によるシステムの要点は、約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力でＣＮＧ燃料を貯蔵するための新規の燃料貯蔵容器であり、この燃料貯蔵容器は、ニッケル含有量が２．５重量％より少なく且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、別々の板の間の接合部は圧縮天然ガスを上記の圧力条件で収容するのに十分な強度及び破壊靭性を有する。本発明によるシステムの残りの構成要素には、当業者にはよく知られた標準的なＮＧＶの市販の構成要素が含まれる。更に、本発明によるシステムを作動させるための手段は当業者にはよく知られている。
本発明の燃料貯蔵容器と現在市販のＸ−６５ＣＮＧ燃料容器との比較
表１（図１Ａの前にある）は、本発明の燃料貯蔵容器とＸ−６５鋼で構成された現在市販のＣＮＧ燃料容器との比較データを提示している。表１のデータを参照すると、本発明に基づく２つの設計事例が標準Ｘ−６５設計と比較されている。第１の実施例の場合、貯蔵システムは、標準Ｘ−６５設計と同じ貯蔵条件及び体積要件において設計されており、結果として貯蔵システムの重量が３６％減少している。名称「鋼の実施例」の広い列内の名称「重量低減」の列内のデータを参照されたい。特に、Ｘ−６５容器の重量１７７３ポンドと比べて本発明による容器の重量が１１３１ポンドしかないことを示す列「ｙ」を参照されたい。システム重量の減少は、これに応じて積載量を増加させること又は車両の燃料効率を向上させることになる。第２の実施例の場合、貯蔵システムは、貯蔵圧力が増大する（即ち、３７．５ＭＰａ（５４４０ｐｓｉｇ））が、容器容量はＸ−６５設計と同一となるように設計されている。名称「鋼の実施例」の広い列内の名称「最大走行距離」の列内のデータを参照されたい。この第２の実施例の場合、容器システムの重量（従って、厚さ）は、Ｘ−６５容器と同一となるように設計されている。厚さが増大すると貯蔵圧力が増大する。貯蔵圧力の増大は、燃料貯蔵容量の増大に対応し、これは走行距離が増大することになる。
本明細書に記載された鋼を含む材料、溶接金属、及び本明細書に記載された方法は、商業的利用で炭化水素類を経済的に生産し処理するのに好適な海洋構造物を構成するのに使用することができる。これらの新規の海洋構造物は有利には、例えばコンプライアントパイルタワー及び喫水ケーソン船のような炭化水素類を生産するための海洋プラットフォームの構成で使用できる。更に、これらの海洋構造物は、作業中に使用される炭化水素類及び／又は他の流体を収容する作業設備として海洋プラットフォーム上で使用することができる。また、船体、潜水艦体、海洋船舶係留チェーン、ケーソン、ブイ、橋梁、流体用の海底輸送管、ダム、海壁、及び擁壁といった他の海洋構造物も本発明に従って構成することができる。本明細書に記載された材料及び方法を用いて構成できる他の品目としては、限定ではないが、例えば、風船用の不活性ガスを蓄えるための他の高圧容器、ロケットブースタ、ガソリン及び他の燃料のための他の燃料タンク、貨物用コンテナ、フレアースタック、フルウェルストリーム製造装置、コイル管、回転装置のシャフト、コイルパイプ、高圧小形熱交換器、クレーン、デリック、極寒用構造物、制約パイプ、管継手、サッカーロッド、超臨界流体輸送管、防弾装甲を含む装甲、圧力容器及びプロセス配管、戦車、戦闘機、ＣＰＴ構造材料、重機械、地震地帯で使用するための構造鋼、橋梁、トンネル、採掘装置、コンクリート補強材及び支持部材、係留チェーン、破損前漏れ容器、自動車／列車用バンパー及びサイドレインフォースメント、石炭スラリーパイプライン、ＳＣＵＢＡ又はＳＣＢＡタンク、原子炉設備格納容器、航空機用又は医用酸素タンク、ドリルパイプ、ケーシング、ライザー、例えばシームレスパイプのような押出し製品、アコースティック液化装置、ボイラー板、処理施設用の支持体、ホイール、ラインパイプ、砲身及び／又はゴルフクラブなどが含まれる。
本発明を1つ又はそれ以上の好ましい実施形態について説明してきたが、請求の範囲で言及される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書において具体的に述べた以外の様々な変形、変更、追加、及び用途が可能であることは当業者には分かるであろう。
用語集
Ａｃ1転移点：加熱中にオーステナイトが形成され始める温度
Ａｒ1転移点：冷却中にオーステナイトのフェライト又はフェライト＋セメンタイトへの遷移が完了する温度
Ａｒ3転移点：冷却中にオーステナイトがフェライトに遷移し始める温度。
冷却速度：板厚の中心又は実質的に中心における冷却速度
ＣＴＯＤ：亀裂先端開口変位
ＤＢＴＴ（延性脆性遷移温度）：構造鋼における２つの破壊形態を表している。ＤＢＴＴより低い温度では、破壊は低エネルギーへき開（脆性）破壊により生じる傾向があり、ＤＢＴＴより高い温度では、高エネルギー延性破壊によって生じる傾向がある。
ＧＭＡＷ：ミグ溶接
ＨＡＺ：熱影響部
Ｊ：ジュール
ＪC：平面ひずみ破壊靭性の測定値（ＡＳＴＭＥ１８２３）
ＫIC：平面ひずみ破壊靭性の測定値（ＡＳＴＭＥ１８２３）
ｋＪ： キロジュール
低合金鋼： 鉄と合計で約１０重量パーセントよりも少ない合金添加物とを含む鋼
最大許容傷寸法：臨界傷長さ及び深さ
Ｐｃｍ：溶接性を表すために使用されるよく知られた工業用語であって、Ｐｃｍ＝（重量％Ｃ＋重量％Ｓｉ／３０＋（重量％Ｍｎ＋重量％Ｃｕ＋重量％Ｃｒ）／２０＋重量％Ｎｉ／６０＋重量％Ｍｏ／１５＋重量％Ｖ／１０＋５（重量％Ｂ））
ｐｐｍ：百万分の一単位
主成分として：少なくとも約５０体積パーセント
急冷：空気冷却とは対照的に、鋼の冷却速度を増大させる傾向があるものとして選択される流体を利用する任意の手段による加速冷却
急冷停止温度：急冷停止後に、板厚中心から伝達された熱により、板表面が得られる最高又は実質的に最高の温度
ＱＳＴ：急冷停止温度
スラブ：任意の寸法形状を有する鋼片
引張強度：引張試験において元の断面積に対する最大荷重の比
ＴＩＧ溶接：タングステンと不活性ガスによる溶接
Ｔnr温度：オーステナイトが再結晶する下限温度
ＵＳＰＴＯ：米国特許商標庁
溶接金属：溶接作業中に溶融する母材の部分又は溶接作業中に溶融された溶接部の部分によって付着され及び希釈される溶接消耗ワイヤ（使用される場合はフラックスも）。この材料の容積は、母材と溶接材料の混合物である。
溶接部：（ｉ）溶接金属、（ｉｉ）熱影響部（ＨＡＺ）、（ｉｉｉ）ＨＡＺの「近傍」にある母材金属を含む溶接接合部。ＨＡＺの「近傍」にあると考えられる母材の一部、従って、溶接部の一部は、当業者には公知の因子、例えば、これらに限定するものではないが、溶接部の幅、溶接された物品のサイズ、物品を作製するのに必要とされる溶接部の数、及び溶接部間の距離に応じて様々である。
本発明のＣＮＧ燃料貯蔵及び送出システムの主要構成要素の実施形態の概略図である。 本発明の燃料貯蔵及び送出システムをエンジンに接続する方法の実施形態の概略図である。 所与の傷長さに対する臨界傷深さを平面ひずみ破壊靭性（Ｊc）の関数として表したグラフである。 所与の傷長さに対する臨界傷深さをＣＴＯＤ破壊靭性の関数として表したグラフである。 傷の幾何形状（長さ及び深さ）を示す図である。
符号の説明
１０ 燃料貯蔵容器
１６ 燃料調節器
２０ 燃料充填容器

Claims (7)

  1. 圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、エンジン内における燃焼の要求に応じて圧縮天然ガス燃料を送出する燃料貯蔵及び送出システムに用いられるのに好適な燃料貯蔵容器であって、
    前記燃料貯蔵容器が、ニッケル含有量が２．５重量％より少ない且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成されており、
    前記別々の板の間の接合部が前記圧力条件で前記圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する、
    ことを特徴とする燃料貯蔵容器。
  2. 前記接合部が、前記超高強度低合金鋼の引張強度の少なくとも約９０％の強度を有する、
    請求項１に記載の燃料貯蔵容器。
  3. 前記燃料貯蔵容器が、最低−４０℃（−４０°Ｆ）までの温度で使用するのに適している、
    請求項１に記載の燃料貯蔵容器。
  4. 前記接合部が、鉄と、重量パーセントで表した以下の合金元素、即ち
    約０．０４乃至約０．０８重量％の炭素、
    約１．０乃至約２．０重量％のマンガン、
    約０．２乃至約０．７重量％の珪素、
    約０．３０乃至約０．８０重量％のモリブデン、
    約２．３乃至約３．５重量％のニッケル、
    約０．０１７５乃至約０．０４００重量％の酸素、
    及び（ｉ）最大約０．０４重量％までのジルコニウムと、（ｉｉ）最大約０．０２重量％までのチタニウムとから成る群から選択された少なくとも１つの添加物とを含む溶接金属により形成され、
    前記溶接金属のミクロ組織が、約５乃至約４５体積％の針状フェライトと、少なくとも約５０体積％のラスマルテンサイト、縮退上部ベイナイト、下部ベイナイト、粒状ベイナイト、又はこれらの混合物を含む、
    請求項１に記載の燃料貯蔵容器。
  5. （ａ）圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、ニッケル含有量が２．５重量％より少ない且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、前記別々の板の間の接合部が前記圧力条件で前記圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する少なくとも１つの燃料貯蔵容器と、
    （ｂ）エンジン内における燃焼の要求に応じて圧縮天然ガス燃料を送出する機構と、を備える、
    ことを特徴とするシステム。
  6. （ａ）圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、ニッケル含有量が２．５重量％より少ない且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、前記別々の板の間の接合部が前記圧力条件で前記圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する少なくとも１つの燃料貯蔵容器と、
    （ｂ）燃料補給ステーションと前記燃料貯蔵容器との間で前記圧縮天然ガス燃料の移送を可能にする充填及び排出弁と、
    （ｃ）前記燃料貯蔵タンクから減圧装置への圧縮天然ガス燃料の流れを可能にする減圧管と、
    （ｄ）前記減圧装置から前記エンジンへの減圧された前記圧縮天然ガス燃料の流れを可能にする燃料管と、
    （ｅ）前記燃料貯蔵及び送出システムが、前記圧縮天然ガス燃料を約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力で貯蔵し、エンジン内における燃焼の要求に応じて前記減圧された圧縮天然ガス燃料を送出するように、前記減圧装置から前記エンジンへの前記減圧された圧縮天然ガス燃料の流れを調節する燃料調節器と、を備える、
    ことを特徴とする燃料貯蔵及び送出システム。
  7. （ａ）約２０．７乃至３７．５ＭＰａ（３０００乃至５４４０ｐｓｉａ）の圧力の圧縮天然ガス燃料を、ニッケル含有量が２．５重量％より少ない且つ引張強度が少なくとも約９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）である超高強度低合金鋼を含む材料から成る複数の別々の板を互いに接合することにより構成され、前記別々の板の間の接合部が前記圧力条件で前記圧縮天然ガスを収容するのに十分な強度及び靭性を有する少なくとも１つの燃料貯蔵容器内に配置する段階と、
    （ｂ）エンジン内における燃焼の要求に応じて前記圧縮天然ガス燃料を送出する段階と、を含む、
    ことを特徴とする方法。
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