rmrsНаучно-технический сборник Российского морского регистра судоходстваResearch Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping2223-7097Российский морской регистр судоходстваrmrs-35Research ArticleМАТЕРИАЛЫ И СВАРКАMATERIALS AND WELDINGРазработка требований правил Регистра к применению полимерных композиционных материалов при изготовлении емкостей для хранения сжиженного природного газаDevelopment of the Register rules to the application of polymer composite materials for the construction of liquefied natural gas tanksПлатоновВ. В.PlatonovV. V.

канд. физ.-мат. наук, начальник лаборатории

Санкт-Петербург

PhD, head of laboratory 

Saint Petersburg

viktorplatonov@yandex.ruФедонюкН. Н.FedonyukN. N.

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

Санкт-Петербург

PhD, leading researcher

Saint Petersburg

fednik46@yahoo.comБойкоМ. С.BoykoM. S.

канд. техн. наук, начальник отдела

Санкт-Петербург

PhD, head of department

Saint Petersburg

boyko.ms@rs-class.orgСотсковС. А.SotskovS. A.

главный специалист, ФАУ «Российский морской регистр судоходства»

Санкт-Петербург

principal specialist

Saint Petersburg

sotskov.sa@rs-class.orgФГУП «Крыловский государственный научный центр»РоссияKrylov State Research CentreRussian FederationФАУ «Российский морской регистр судоходства»РоссияRussian Maritime Register of ShippingRussian FederationФАУ «Российский морской регистр судоходства»РоссияFAI Russian Maritime Register of ShippingRussian Federation2024251020241753346Copyright © Платонов В.В., Федонюк Н.Н., Бойко М.С., Сотсков С.А., 20242024Платонов В.В., Федонюк Н.Н., Бойко М.С., Сотсков С.А.Platonov V.V., Fedonyuk N.N., Boyko M.S., Sotskov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sbornik.rs-class.org/jour/article/view/35

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) широко используются в промышленности, строительстве и транспорте. Одной из относительно новых областей применения ПКМ является создание конструкций, эксплуатируемых при криогенных температурах. К таким конструкциям, в первую очередь, следует отнести баки для жидкого ракетного топлива, элементы конструкций космических аппаратов, ракет и спутников. В связи с этим перспективным может являться применение ПКМ в конструкциях емкостей для хранения и транспортировки сжиженного природного газа на судах-газовозах. Для применения таких емкостей на перспективных судах-газовозах следует разработать специальные требования Правил Российского морского регистра судоходства к ПКМ для конструкций емкостей. Для этого необходимо выполнить анализ научнотехнической литературы, описывающей опыт применения ПКМ для конструкций, работающих при криогенной температуре, провести комплекс испытаний. В работе формализованы особенности изменения характеристик ПКМ при воздействии криогенной температуры на основе опыта их практического применения и лабораторных исследований. В результате выявлены существенные характеристики ПКМ, требования к которым необходимо учесть в нормативных документах, приведена структура новых требований Правил по применению ПКМ для емкостей для транспортировки сжиженного природного газа. 

Polymer composite materials (PCM) are widely accepted in general industry applications, civil construction and transportation of goods. One of the relatively new areas where PCM become accepted are the structures subjected to cryogenic temperatures. The examples of such structures are primarily as follows: tanks for liquid rocket fuel, structural elements of spacecraft, rockets and satellites. In relation to that, the promising area of PCM application would be the construction of ship tanks intended for the storage and transportation of liquefied natural gas tanks. To facilitate the application of such tanks on future gas tankers it is necessary to develop the specific Russian Maritime Register of Shipping rules that would cover the application of such materials. In order to do that it is necessary to perform the analysis of research papers that cover the practical application of PCM under cryogenic temperatures, and to perform laboratory tests. The paper gives the specifics of PCM characteristics behavior under cryo temperatures based on practical application and results of such tests. As a result, the most critical PCM characteristics are identified that should be covered in rule requirements. The structure of new rule requirements have been developed and presented in the paper. 

полимерные композиционные материалысжиженный природный газемкости для хранения СПГПравила РСpolymer composite materialsliquefied natural gastanks for LNGRS RulesReferencesПравила классификации и постройки судов для перевозки сжиженных газов наливом. Часть IV. Хранение груза. 2023. Российский морской регистр судоходства. [Электронный ресурс]. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/getDocument2?type=rules3 заяв. и патентооблад. Минпромторг России. — №. 2013108513/11; заявл. 26.02.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24. — 10 с.Pravila klassifikatsii i postroyki sudov dl’a perevozki szhizhennykh gazov nalivom. Chast' IV. Khranenie gruza. 2023. Rossiysky morskoy registr sudokhodstva. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/getDocument2?type=rules3&d=D007A440-65B1-4CBE-B1C5-40FF92874B86&f=2-020101-176-4 (accessed 13.08.2024).Пат. 2566588 Российская Федерация, МПК В63В25/16, F17C3/02, B32B37/00 Способ изготовления блоков термоизоляционной герметичной стенки емкости нового типа из полимерных композиционных материалов для сжиженного природного газа / М.Н. Бирюкова, А.В. Блинов, А.В. Задумов, А.Е. Рыжкин, Д.Ю. Соосаар, Н.Н. Федонюк, В.М. Шапошников; заяв. и патентооблад. Минпромторг России. — № 2013152659/11; заявл. 28.11.2013; опубл. 27.10.2015, Бюл. № 16. — 8 с.Resolution MSC.370(93). Amendments to the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk (IGC Code), 2014. URL: https://wwwcdn.imo.org/localresources/en/KnowledgeCentre/IndexofIMOResolutions/MSCResolutions/MSC.370(93).pdf (accessed 13.08.2024).Трофимов Н.Н. Физика композиционных материалов: в 2-х т. / Н.Н. Трофимов, М.З. Канович, Э.М. Карташов и др. — М.: Мир, 2005. — Т. 2. — 344 с.The Application of Carbon Fiber Composites in Cryotank. Chapter 6. URL: https://www.intechopen.com/chapters/58970 (accessed 13.08.2024).Zhang Y. Tensile and interfacial properties of polyacrylonitrile-based carbon fiber after different cryogenic treated condition / Y. Zhang, F. Xu, Ch. Zhang, J. Wang et al. // Composites. — 2016. — Vol. 99. Part B. — Pp. 358 — 365.Fedonyuk N.N., Maslich E.A. Primenenie polimernykh kompozitsionnykh materialov v zarubezhnom sudostroenii [Application of polymer composite materials in foreign shipbuilding]. SPb.: Krylovsky gosudarstvenny nauchny tsentr, 2024.Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты / К.Е. Перепелкин. — СПб.: Научные основы и технологии (НОТ), 2009. — 380 с.BSE’s LNG Bunker Tanker to Utilise Composite Fuel Tanks. URL: https://www.manifoldtimes.com/news/bses-lng-bunker-tanker-to-utilisecomposite-fuel-tanks/ (accessed 13.08.2024).Буров Л.А. Применение полимерных композиционных материалов в криогенном оборудовании / Л.А. Буров — М.: ЦНИТИХИМНЕФТЕМАШ, 1987. — 50 с.Ceuster S.R. de. Composite Gas Carrier. Exploring the Technical and Financial Aspects Associated with the Production and Design of aReed R.P. Low-temperature mechanical properties of glass/epoxy laminates / R.P. Reed, M. Madhukar, B. Thaicharoenporn et al. // Joint Conference of the Transactions of the Cryogenic Engineering. — 2014. — Vol. 1574. — Pp. 109 — 116.Composite Gas Carrier: thesis for the degree MSc in Marine Technology in the specialization Ship Design. SDPO.17.007.m. TU Delft, 2017. URL: http://resolver.tudelft.nl/uuid:5ba37b27-1b0f-4014-b8e2-00527a1d799d (accessed 13.08.2024).Perez N.S. Mechanical Testing of Fibre-reinforced Polymer Matrix Composites at Cryogenic Temperatures / N.S. Perez, R.M. Shaw, M.R.L Gower // National Physical Laboratory, 2022. — Report MAT 112. — P. 31.Na forume «Arktika — Regiony» Rosatom predstavil proekt pervogo rossiyskogo gazovoza [Rosatom presented the design of the first Russian gas carrier at the ‘Arktika — Regiony’ forum]. URL: https://rosatom.ru/journalist/news/na-forume-arktika-regiony-rosatom-predstavil-proektpervogo-rossiyskogo-gazovoza/ (accessed 13.08.2024).Shi H. Effects of Cryogenic Temperature on Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites / H. Shi, Q. Lei, X. He, K. Yang, B. Sun, H. Sun // 18th European Conference on Composite Materials. — 2018. — Vol. 24. — P. 6.Choi I., Yu Y.H., Lee D.G. Cryogenic sandwich-type insulation board composed of E-glass/epoxy composite and polymeric foams. Composite Structures. — 2013. — Vol. 102. — Pp. 61 — 71.Meng J. Mechanical Properties and Internal Microdefects Evolution of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites: Cryogenic Temperature and Thermocycling Effects / J. Meng, Y. Wang, H. Yang, P. Wang et al. // Composite Science and Technology. — 2020. — Vol. 191. — P. 14.Kutz P.W., Werner J., Otremba F. Testing of Composite Material for Transport Tanks for LNG. Key Engineering Materials. — 2019. — Vol. 809. — Pp. 625 — 629.Правила классификации и постройки морских судов. Часть XVI. Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов. 2023. Российский морской регистр судоходства. [Электронный ресурс]. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/getDocument2?type=rules3&d=43A718B7-356C-4B37-8FCC-624DAADFEA70&f=2-020101-174-16 (дата обращения 13.08.2024).Ryzhkin A.E., Zadumov A.V., Fedonyuk N.N., Shaposhnikov V.M. RU 2526870, IPC B63B25/16, F17C3/02. Termoizolyatsionnaya germetichnaya stenka emkosti iz polimernykh kompozitsionnykh materialov dl’a szhizhennogo prirodnogo gaza [Thermo-insulating hermetic wall of the liquefied natural gas tank made of polymeric composite materials]. Russian Federation, assignee Publ. 27 Aug 2014.Филин В.Ю., Ильин А.В., Ларионов А.В., Назарова Е.Д. Обоснование требований МАКО и Регистра к выбору материалов корпусных конструкций, эксплуатируемых при низких климатических температурах. Часть 1 — сопротивление старту трещины // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2023. — № 72 — 73. — С. 48 — 58. — EDN AJUOKJ.Biryukova M.N., Blinov A.V., Zadumov A.V., Ryzhkin A.E., Soosaar D.Yu., Fedonyuk N.N., Shaposhnikov V.M. RU 2566588, IPC В63В25/16, F17C3/02, B32B37/00. Sposob izgotovleniya blokov termoizolyatsionnoy germetichnoy stenki emkosti novogo tipa iz polimernykh kompozitsionnykh materialov dl’a szhizhennogo prirodnogo gaza [Method of manufacturing of blocks of thermo-insulating hermetic wall of a new type of liquefied natural gas tank made of polymeric composite materials]. Russian Federation, assignee Publ. 27 Oct 2015.Бойко М.С. Расчет теплового потока в корпусе судна-газовоза на основе аналитических методов теории теплообмена / М.С. Бойко // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2023. — № 70 — 71. — С. 88 — 100. — EDN DIFTRCTrofimov N.N., Kanovich M.Z., Kartashov E.M. et al. Fizika kompozitsionnykh materialov [Physics of composite materials]. Vol. 2. M.: Mir, 2005.Zhang Y., Xu F., Zhang Ch., Wang J. et al. Tensile and interfacial properties of polyacrylonitrile-based carbon fiber after different cryogenic treated condition. Composites. Part B. Engineering. — 2016. — Vol. 99.— Pp. 358 — 365.Zhang Y., Xu F., Zhang Ch., Wang J. et al. Tensile and interfacial properties of polyacrylonitrile-based carbon fiber after different cryogenic treated condition. Composites. Part B. Engineering. — 2016. — Vol. 99.— Pp. 358 — 365.Perepelkin K.E. Armiruyushchie volokna i voloknistye polimernye kompozity [Reinforcing fibers and fibrous polymeric composites]. — SPb.: Nauchnye osnovy i tekhnologii, 2009.Perepelkin K.E. Armiruyushchie volokna i voloknistye polimernye kompozity [Reinforcing fibers and fibrous polymeric composites]. — SPb.: Nauchnye osnovy i tekhnologii, 2009.Burov L.A. Primenenie polimernykh kompozitsionnykh materialov v kriogennom oborudovanii [Application of polymeric composites in cryogenic equipment]. M.: TsNITIKhIMNEFTEMASh, 1987.Burov L.A. Primenenie polimernykh kompozitsionnykh materialov v kriogennom oborudovanii [Application of polymeric composites in cryogenic equipment]. M.: TsNITIKhIMNEFTEMASh, 1987.Reed R.P., Madhukar M., Thaicharoenporn B. et al. Low-temperature mechanical properties of glass/epoxy laminates. Joint Conference of the Transactions of the Cryogenic Engineering. — 2014. — Vol. 1574. — Pp. 109 — 116.Reed R.P., Madhukar M., Thaicharoenporn B. et al. Low-temperature mechanical properties of glass/epoxy laminates. Joint Conference of the Transactions of the Cryogenic Engineering. — 2014. — Vol. 1574. — Pp. 109 — 116.Perez N.S., Shaw R.M., Gower M.R.L. Mechanical Testing of Fibre-reinforced Polymer Matrix Composites at Cryogenic Temperatures. National Physical Laboratory Report MAT 112, 2022.Perez N.S., Shaw R.M., Gower M.R.L. Mechanical Testing of Fibre-reinforced Polymer Matrix Composites at Cryogenic Temperatures. National Physical Laboratory Report MAT 112, 2022.Shi H., Lei Q., He X., Yang K., Sun B., Sun H. Effects of Cryogenic Temperature on Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites. 18th European Conference on Composite Materials. — 2018. — Vol. 24. — P. 6.Shi H., Lei Q., He X., Yang K., Sun B., Sun H. Effects of Cryogenic Temperature on Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites. 18th European Conference on Composite Materials. — 2018. — Vol. 24. — P. 6.Meng J., Wang Y., Yang H., Wang P. et al. Mechanical Properties and Internal Microdefects Evolution of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites: Cryogenic Temperature and Thermocycling Effects. Composite Science and Technology. — 2020. — Vol. 191. — P. 14.Meng J., Wang Y., Yang H., Wang P. et al. Mechanical Properties and Internal Microdefects Evolution of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites: Cryogenic Temperature and Thermocycling Effects. Composite Science and Technology. — 2020. — Vol. 191. — P. 14.Pravila klassifikatsii i postroyki morskikh sudov. Chast' XVI. Konstruktsiya i prochnost' sudov iz polimernykh kompozitsionnykh materialov, 2023 [Rules for the classification and construction of sea-going ships. Part XVI. Structure and strength of fiber-reinforced plastic ships]. Rossiysky morskoy registr sudokhodstva. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/getDocument2?type=rules3&d=43A718B7-356C-4B37-8FCC-624DAADFEA70&f=2-020101-174-16 (accessed 13.08.2024).Pravila klassifikatsii i postroyki morskikh sudov. Chast' XVI. Konstruktsiya i prochnost' sudov iz polimernykh kompozitsionnykh materialov, 2023 [Rules for the classification and construction of sea-going ships. Part XVI. Structure and strength of fiber-reinforced plastic ships]. Rossiysky morskoy registr sudokhodstva. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/getDocument2?type=rules3&d=43A718B7-356C-4B37-8FCC-624DAADFEA70&f=2-020101-174-16 (accessed 13.08.2024).Filin V. Yu., Il'in A.V., Larionov A.V., Nazarova E.D. Obosnovanie trebovaniy MAKO i Registra k vyboru materialov korpusnykh konstruktsiy, ekspluatiruemykh pri nizkikh klimaticheskikh temperaturakh. Chast' 1 — soprotivlenie startu treshchiny [Substantiation of IACS and RS requirements for the selection of hull materials for structures operated at low climatic temperatures. Part 1 — crack start resistance]. Nauchnotekhnichesky sbornik Rossiyskogo morskogo registra sudokhodstva. — 2023. — Vol. 72 — 73. — Pp. 48 — 58.Filin V. Yu., Il'in A.V., Larionov A.V., Nazarova E.D. Obosnovanie trebovaniy MAKO i Registra k vyboru materialov korpusnykh konstruktsiy, ekspluatiruemykh pri nizkikh klimaticheskikh temperaturakh. Chast' 1 — soprotivlenie startu treshchiny [Substantiation of IACS and RS requirements for the selection of hull materials for structures operated at low climatic temperatures. Part 1 — crack start resistance]. Nauchnotekhnichesky sbornik Rossiyskogo morskogo registra sudokhodstva. — 2023. — Vol. 72 — 73. — Pp. 48 — 58.Boyko M. S. Rashchet teplovogo potoka v korpuse sudna-gazovoza na osnove analiticheskikh metodov teorii teploobmena [Calculation of heat flow in gas carrier structure based on analytical methods of heat exchange theory]. Nauchno-tekhnichesky sbornik Rossiyskogo morskogo registra sudokhodstva. — 2023. — Vol. 70 — 71. — Pp. 88 — 100.Boyko M. S. Rashchet teplovogo potoka v korpuse sudna-gazovoza na osnove analiticheskikh metodov teorii teploobmena [Calculation of heat flow in gas carrier structure based on analytical methods of heat exchange theory]. Nauchno-tekhnichesky sbornik Rossiyskogo morskogo registra sudokhodstva. — 2023. — Vol. 70 — 71. — Pp. 88 — 100.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.