CC BY
360
УДК 624.953
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10208
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕМБРАННЫХ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
С.Г. ИВАНЦОВА, д.т.н., проф. кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и хранилищ
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ)
им. И.М. Губкина (Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., д. 65, корп. 1).
E-mail: sivants11@gmail.com
В статье рассмотрены конструктивные особенности наземных мембранных изотермических резервуаров для хранения сжиженного природного газа (СПГ). Целью статьи является анализ технических решений, применяемых при проектировании и монтаже основных элементов мембранных резервуаров (мембраны, теплоизоляции, внешней стенки). В ходе проведенного анализа выявлены основные проблемы применения мембранных резервуаров для долговременного хранения значительных объемов СПГ, вместе с тем сделан вывод, что при решении данных проблем применение мембранных резервуаров в качестве наземных хранилищ СПГ является достаточно перспективным.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, мембранный резервуар, мембрана, теплоизоляция, конструктивное исполнение, предварительные напряжения, железобетонная оболочка, анкера.
Хранение сжиженного природного газа (СПГ) является основным процессом как на предприятиях по производству СПГ, так и на погрузочно-приемных терминалах. Для хранения больших объемов СПГ строятся изотермические резервуары (ИР), объем которых имеет тенденцию к увеличению с целью оптимизации затрат [1].
Конструкции резервуаров бывают четырех типов [2]: отдельно стоящие цилиндрические одностенные резервуары, вокруг которых возведена земляная или железобетонная дамба; двустенные резервуары, в которых наружная кольцевая дамба заменяется железобетонными дном и внешней стеной, предназначенными для удержания СПГ в случае утечки, но не удерживающими пары СПГ; двустенные резервуары, полностью (включая стену и крышу) покрытые железобетонной защитной оболочкой по металлической облицовке для удержания как СПГ, так и его паров; мембранные резервуары (рис. 1), в которых, по аналогии с мембранными танкерами, внутренняя поверхность облицовывается мембраной.
В настоящее время компания Gaztransport & Technigaz (GTT) разработала мембранную систему для хранения СПГ в наземных мембранных ИР СПГ на складах [1]. Данные мембранные резервуары состоят из нескольких слоев: внутреннего слоя из гофрированного листа нержавеющей стали, контактирующего с СПГ; промежуточной многослойной изоляции из фанеры, усиленной пенополиуретаном и триплексом; внешней оболочки из армированного бетона. При разгерметизации гофрированного листа предполагается, что остальные слои обеспечат герметичность мембранного резервуара. Внешняя оболочка из армированного бетона должна обеспечивать устойчивость к внутренним
Рис. 1. Конструкция мембранного резервуара для СПГ: 1 - первичный контейнер (мембрана), 2 - вторичный контейнер (железобетонный), 3 - изоляция днища, 4 -фундамент, 5 - система обогрева фундамента, 6 -гибкое изоляционное уплотнение, 7 - висячая крыша (изолированная), 8 - железобетонная крыша, 9 - изоляция внутри внешнего резервуара из предварительно напряженного бетона
и внешним нагрузкам, а гидроизолирующий слой должен предотвращать попадание влаги в резервуар.
Мембранные резервуары все чаще применяются в мировой практике, и уже построено более 30 мембранных резервуаров наземного базирования, часть из которых представлена в табл. 1. В связи с этим анализ технических решений, применяемых при строительстве мембранных резервуаров СПГ, является актуальной задачей на этапе выбора конструктивного исполнения хранилища.
Таблица 1
Мембранные резервуары компании GTT для хранения СПГ
Год Местонахождение Компания-заказчик Резервуары Емкость, м3 Продукт
1972 Гонфревилль (Франция) Total Petrochemicals 1 наземный 14,000 Этилен
1972 Лавера (Франция) Naphtachimie 1 наземный 8,000 Этилен
1981 Монтор (Франция) Gaz de France 2 наземных 120,000 СПГ
1981 Негиши (Япония) Tokyo Gas 1 подземный 95,000 СПГ
1984 Хигаши Огишима (Япония) Tokyo Electric Power 4 подземных 60,000 СПГ
1985 Содегаура (Япония) Tokyo Gas 1 подземный 130,000 СПГ
1986 Содегаура (Япония) Tokyo Gas 1 подземный 60,000 СПГ
1987 Футтсу (Япония) Tokyo Electric Power 1 подземный 90,000 СПГ
1987 Пьёнг Таэк 2 (Корея) Kogas 4 надземных 100,000 СПГ
1990 Каосиунг (Тайвань) CPC 3 подземных 100,000 СПГ
1995 Пьёнг Таэк 2 (Корея) Kogas 3 надземных 100,000 СПГ
1996 Фукуока (Япония) Saibu Gas 2 подземных 35,000 СПГ
1996 Негишы 2 (Япония) Tokyo Gas 2 подземных 200,000 СПГ
1997 Сендай (Япония) Sendai City Gas 1 подземный 80,000 СПГ
1998 Пьёнг Таэк 3(Корея) Kogas 3 надземных 100,000 СПГ
1998 Огишима (Япония) Tokyo Gas 1 подземный 60,000 СПГ
2003 Огишима (Япония) Tokyo Gas 1 подземный 200,000 СПГ
2003 Нагасаки (Япония) Saibu Gas 1 подземный 35,000 СПГ
Проект Сенгканг (Индонезия) EWC 1 надземный 90,000 СПГ
Проект Пагбилао (Филиппины) EWC 1 надземный 130,000 СПГ
Для изготовления мембранных резервуаров применяется закаленная и отпущенная сталь типа IV по [2], которая представляет собой улучшенную сталь с 9%-м содержанием никеля, эксплуатируемую при температурах до -170 °С. Расчетный предел текучести 9%-й никелевой стали должен быть не ниже 585 МПа. Расчетный предел прочности 9%-й никелевой стали должен быть не ниже 680 МПа. Энергия ударного испытания по Шарпи с V-образным надрезом для такой стали должна быть не ниже 80 Дж при температуре -196 °С и поперечной ориентации образца. Энергия ударной прочности для свариваемого металла и зоны теплового воздействия должна быть не ниже 55 Дж при температуре -196 °С. При выборе материала для болтового крепления мембраны в случае ферритной и мартенситной стали прутковый материал должен иметь предел прочности на растяжение не менее 1000 Н/мм2. Энергия ударного испытания по Шарпи с V-образным надрезом для таких сталей должна быть не ниже 40 Дж в продольном направлении при температуре -196 °С. Болты, которые нельзя подтянуть после охлаждения, должны быть выполнены из стали со стабильной структурой типа азотосодержащей аустенитной стали. Патрубки, накладки и постоянная арматура должны иметь такую же прочность и пластичность при надрезе, как у листов, на которых они установлены.
Бетон для железобетонных конструкций мембранного резервуара должен соответствовать следующим требованиям [3]: прочность на сжатие цилиндрического образца -не ниже 40 МПа: теплопроводность бетона - не более 3,8 Вт/м °С при -160 °С; применение для производства бетона цемента с максимальным водоцементным отношением (в пересчете на все виды вяжущих в цементе) - не
более 0,45; общее количество добавок (в том числе сульфатов в бетонной смеси) - не более рекомендованных производителем; количество вовлеченного воздуха в бетонах, подверженных попеременному замораживанию и оттаиванию, - не более 4%, воздухововлекающие добавки должны быть на основе смол; максимальный коэффициент диффузии ионов хлора через бетон не более 3,0 х 10-12 м2/с для конструкций, расположенных в пределах 1 км от моря; заполнители для бетона должны соответствовать требованиям [4, 5], при этом минералы, используемые в качестве заполнителя, должны быть не реактивного типа; добавки в бетон, ускоряющие или замедляющие твердение и т.д., должны соответствовать требованиям [6] и не должны содержать хлоридов кальция; вода для бетонных смесей должна соответствовать требованиям [7]: содержание хлоридов в воде - не более 0,5 г/дм3, при этом содержание сульфатов в воде - не более 2,0 г/дм3; в сочетании с портландцементом можно использовать измельченный гранулированный доменный шлак или пульверизованную измельченную золу, которые способствуют уменьшению теплоты гидратации толстых бетонных секций и уменьшению преждевременной термической усадки.
Для мембранных резервуаров применяется многослойная изоляция, выбор конструкции которой проводится на основе технико-экономического анализа [8] из следующих материалов: для днища- поливинилхлоридная пена (ПВХ-пена) средней плотности, ПВХ-пена высокой плотности, пенополиуретан блочного типа, армированный стекловолокном; для стенки - ПВХ-пена средней плотности, ПВХ-пена высокой плотности, пенополиуретан блочного типа средней плотности, пенополиуретан блочного
типа, армированный стекловолокном, а для верхней части стенки - пенополиуретан блочного типа нормальной плотности; для внутренней поверхности купольной крыши - пенополиуретан блочного типа нормальной плотности.
При проектировании теплоизоляции мембранных резервуаров СПГ расчет системы изоляции должен основываться на конструктивных и температурных требованиях с учетом способа монтажа (рис. 2), требований ввода в эксплуатацию, а также продувки и дегазации.
В тепловом расчете должны учитываться: максимально допустимая утечка паров; минимальная проектная температура элементов внешнего резервуара; предотвращение оледенения/конденсации на наружных поверхностях резервуара. В целях безопасности внутреннее пространство изоляции всех мембранных резервуаров заполняют азотом и специальными приборами контролируют наличие углеводородов в азоте в случае утечки.
В настоящее время для наземных мембранных резервуаров СПГ нагрузки и воздействия не нормированы, но при проектировании необходимо учитывать как минимум:
- постоянные нагрузки: вес железобетонных и стальных конструкций; вес теплоизоляции; вес вспомогательного и стационарного оборудования; воздействия от предварительного напряжения железобетона с учетом потерь вследствие усадки, ползучести бетона и релаксации канатов предварительного напряжения для стен внешнего резервуара;
- временные длительные нагрузки: вес СПГ при плотности не менее 480 кг/м3; гидростатическое давление СПГ; избыточное давление - не менее 29 кПа; внутреннее воздействие вакуума не менее 1 кПа; воздействия от деформации основания;
- кратковременные нагрузки: ветровую - не менее 0,3 кПа, снеговую - не менее 2,4 кПа и др.; нагрузки от присоединяемых трубопроводов; нагрузки при гидравлических испытаниях на вес закачиваемой жидкости; нагрузки при пневматических испытаниях - не менее 1,25 от расчетного давления продукта;
- особые нагрузки: утечки СПГ из емкости, в том числе приводящие к образованию «центра переохлаждения»; утечки из трубопроводов, трубных фланцев и вентилей с учетом их возможного влияния на крышу и корпус резервуара; воздействия от внешних возгораний и взрывов;
|Рис. 2. Укладка изоляционных элементов мембранного резервуара
воздействия на корпус резервуара при стратификации и перемещении слоев продукта в случае значительного температурного градиента с внешней средой.
Также необходимо учитывать нагрузки при строительстве, в том числе тепловые воздействия во время строительства, испытаний, захолаживания.
С учетом сценария нагрузок и в зависимости от грунтовых условий для мембранных резервуаров выбирается либо фундамент мелкого заложения (плитного или кольцевого балочного типа), либо свайный фундамент. Плитная облицовка под резервуаром должна иметь уклон к краю резервуара для отвода продукта при утечке.
Бетонная стенка мембранного резервуара должна предусматриваться из бетона с горизонтальным предварительным напряжением. Необходимость в вертикальном предварительном напряжении зависит от расчетного давления, диаметра резервуара и уровня напряжений в бетонной секции. Минимальная толщина стенки определяется исходя из необходимости полного покрытия арматурных и предварительно напряженных тросов и защиты от огня.
Соединения стенки мембранных резервуаров с основанием могут предусматриваться: жесткими (бетонная конструкция становится монолитной), что обеспечивает жесткость формы, но приводит к повышенным моментам в соединении; подвижными (стенка опирается на фундаментную плиту и может перемещаться по горизонтали), что обеспечивает снижение напряжений, но требует исключительной ответственности при монтаже соединений; на штифтах (стенка опирается на фундаментную плиту, зафиксирована по горизонтали и обладает ограниченной способностью вращения), что позволяет контролировать предварительные напряжения и обеспечивает возникновение максимального момента в стенке вне соединений, но в целом приводит к значительным сдвигам и высоким моментам. Соединения стенки с основанием должны быть защищены системой теплозащиты.
В мембранном резервуаре также предусматривается анкерное крепление, обеспечивающее сопротивление подъему резервуара. Допустимое растягивающее напряжение в анкерном креплении должно составлять не более 50% от предела текучести стали анкера при нормальной эксплуатации и не более 85% от предела текучести при испытании. Анкерное крепление должно обеспечивать корректировку в связи с осадкой и до ввода в эксплуатацию должно крепиться не к оболочке резервуара, а к подушкам или скобам. Все анкерные стержни, болты или скобы должны иметь площадь поперечного сечения не менее 500 мм2.
Железобетонная стенка мембранных резервуаров рассчитывается по теории предельных состояний в соответствии с [3]. Соединение стенки с крышей обычно выполняется в виде монолитной железобетонной конструкции. Для обеспечения паронепроницаемости внешнего корпуса используются металлическая облицовка или полимерные покрытия. При бетонировании корпуса может потребоваться создание давления воздуха внутри резервуара для поддержания массы свежего бетона до достижения им требуемой прочности.
В мембранных резервуарах могут применяться как самонесущие, так и подвесные внутренние крыши. В конструкции с самонесущей внутренней крышей избыточное давление газа воспринимается внутренним резервуаром.
Применение подвесной крыши внутри резервуара уменьшает вертикальную нагрузку на внутреннюю стенку, так как вес крыши с теплоизоляцией и вакуумметрическое воздействие передаются на конструкции наружного резервуара, что сокращает расходы хладостойкой стали. Соединения, проходящие сквозь подвесную крышу, должны свободно перемещаться через нее, предупреждая дополнительные нагрузки на внешнюю крышу. Вентиляционные отверстия подвесной крыши должны располагаться таким образом, чтобы разница давления между пространством ниже и выше подвесной крыши не превышала массы подвесной крыши.
Мембрана, контактирующая с СПГ, должна изготавливаться из металлического листа толщиной не менее 1,2 мм. Мембрана должна иметь двойное рифление, обеспечивающее свободу движения при любых условиях нагруже-ния. Гофры выполняются способом фальцовки или глубокой вытяжки. Мембрана должна полностью опираться на систему изоляции резервуара. Мембрана крепится анкерными болтами к системе изоляции или железобетонному внешнему резервуару таким образом, чтобы она могла оставаться на месте в течение всего срока эксплуатации. В верхней части резервуара мембрана должна располагаться таким образом, чтобы получился паро- и влагонепроницаемый контейнер (изолирующее паровое пространство).
Мембрана должна проектироваться с учетом следующих условий: элементы мембраны должны выдерживать все возможные статические и динамические воздействия на протяжении срока эксплуатации резервуара; при отсутствии исходных данных расчет мембраны должен основываться на следующих допущениях: одно нагружение/раз-грузка в неделю и вывод из эксплуатации/ввод в эксплуатацию каждые два года; должно обеспечиваться сохранение формы мембраны и ее элементов при плавной деформации; должно быть продемонстрировано отсутствие прогрессирующей деформации при циклическом нагружении и предупреждение коробления/смятия на гофрах (как при усталостном разрушении); расчет мембраны должен выполняться с использованием модельных испытаний и/или численного анализа.
При численном анализе методом расчета нелинейной упругопластичности или упругопластичных больших смещений должны учитываться следующие факторы: возможное асимметричное поведение мембраны при тепловых нагрузках, вызываемых системой крепления в изоляции или железобетоне; как при статическом, так и при усталостном расчете эквивалентные напряжения должны оцениваться с помощью теории Треска или теории фон Мизеса; конечно-элементная модель должна учитывать взаимодействие жидкости и корпуса резервуара; при расчетах необходимо продемонстрировать, что деформация рифленых частей мембраны будет соответствовать пределам, установленным посредством кривой напряжений/деформаций; необходимо продемонстрировать невозможность нестабильного разрушения/коробления; необходимо продемонстрировать невозможность возникновения прогрессирующей деформации в любой части мембраны как при тепловых нагрузках, так и при нагрузках давления жидкости
после десяти циклов; необходимо оценить эквивалентные диапазоны деформации для всех циклических нагрузок и для сочетания нагрузок, при этом эквивалентный диапазон деформации для циклических нагрузок должен рассчитываться исходя из условия плоского напряжения, так как мембрана является тонким листом; при выборе проектной кривой усталости необходимо учитывать, что мембрана подвержена малоцикловой усталости при низкой температуре и частично подвергается пластическим деформациям; в качестве метода суммирования повреждений для оценки усталости должен использоваться закон Майнера.
На основе анализа требований к материалам, применяемым для мембранных резервуаров (сталь, бетон, теплоизоляционные материалы), а также особенностей проектирования и монтажа бетонной оболочки и мембраны двойного рифления, компенсирующей напряжения при любых условиях нагружения, можно выделить основные недостатки наземных мембранных резервуаров СПГ.
Во-первых, по сравнению с изотермическими резервуарами для СПГ, имеющими внутреннюю емкость из хладостойкой высоколегированной стали с 9%-м содержанием никеля толщиной не менее 5 мм, мембранные резервуары являются менее надежными, поскольку толщина мембраны из стали с 9%-м содержанием никеля составляет 1,2 мм, а в случае применения инвара (сплав, состоящий на 36% из никеля и на 64% из железа) толщина мембраны составляет 0,4 мм. Кроме того, соединения листов мембраны не равнопрочны со сварными соединениями листов никелированной стали, а их ремонт затруднен из-за отсутствия свободного пространства между изоляцией и металлической стенкой. Помимо указанного соединения листов мембраны не выдерживают высокие ударные нагрузки.
Во-вторых, принцип сборки мембранных резервуаров СПГ состоит из комбинации ограниченного числа базовых модульных компонентов, поэтому элементы, входящие в состав мембранного слоя, а также изоляционные панели, являются сборными и монтируются на месте установки. С учетом того, что в результате имеется значительное количество монтажных соединений, технология неразрушаю-щего контроля которых не отработана, разгерметизация мембранной конструкции при больших объемах СПГ и длительном сроке эксплуатации более вероятна, чем утечки из традиционных ИР СПГ.
В-третьих, затраты на сооружение мембранных резервуаров СПГ сравнимы с затратами на сооружение двустенных ИР СПГ, обладающих проверенными практикой высокими показателями надежности и низкой вероятностью разгерметизации.
Вместе с тем, плюсом мембранных резервуаров является то, что их вместимость значительно превышает вместимость изотермических резервуара иного конструктивного исполнения, причем теоретически возможно неограниченное увеличение объема хранения мембранных резервуаров.
Таким образом, при решении вышеперечисленных проблем мембранных резервуаров, их применение в качестве наземных хранилищ СПГ является достаточно перспективным.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. Монография. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011. 159 с.
2. BS EN 14620-1, Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0°C and -165°C. General.
3. EN 1992-1-1: 2004 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings.
4. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.
5. ГОСТ 8736-2014 Песок для строительных работ. Технические условия.
6. ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия
7. ГОСТ 23732-79. Вода для бетонов и растворов. Технические условия.
8. Васильев Г.Г., Иванцова С.Г., Рахманин А.И. Особенности обеспечения безопасной эксплуатации крупногабаритных изотермических резервуаров для хранения сжиженного природного газа // Газовая промышленность, 2013. № 11. С. 57-61.
ANALYSIS OF TECHNICAL SOLUTIONS FOR THE MANUFACTURE AND CONSTRUCTION OF LNG MEMBRANE ISOTHERMAL TANKS
IIVANTSOVA S.G., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Pipeline and Storage Facilities Construction and Rehabilitation
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (65, korp.1, Leninskiy pr., 119991,
Moscow, Russia).
E-mail: sivants11@gmail.com;
ABSTRACT
The article deals with the design features of surface membrane isothermal tanks for storage of liquefied natural gas. The purpose of the article is to analyze technical solutions used in the design and installation of the main elements of membrane tanks (membranes, thermal insulation, external walls). The analysis revealed the main problems with the use of membrane tanks for the long-term storage of significant volumes of liquefied natural gas, but it was concluded that when solving these problems, the use of membrane reservoirs as terrestrial LNG storage facilities is quite promising. Keywords: LNG, membrane tank, heat insulation, structural design, prestressing, reinforced concrete shell, anchor.
REFERENCES
1. Fedorova Ye.B. Sovremennoye sostoyaniye i razvitiye mirovoy industrii szhizhennogo prirodnogo gaza: tekhnologii i oborudovaniye [The current state and development of the global liquefied natural gas industry: technologies and equipment]. Moscow, RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina Publ., 2011. 159 p.
2. BS EN 14620-1. Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0°C and-165°C. General.
3. EN 1992-1-1: 2004 Eurocode 2. Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings.
4. GOST 8267-93. Shcheben' i graviy iz plotnykh gornykh porod dlya stroitel'nykh rabot. Tekhnicheskiye usloviya [State Standard 8267-93. Crushed stone and gravel of solid rocks for construction works. Specifications].
5. GOST 8736-2014 Pesok dlya stroitel'nykh rabot. Tekhnicheskiye usloviya [State Standard 8736-2014. Sand for construction works. Specifications].
6. GOST 24211-2008. Dobavki dlya betonov i stroitel'nykh rastvorov. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [State Standard 24211-2008. Admixtures for concretes and mortars. General specifications].
7. GOST 23732-79. Voda dlya betonovi rastvorov. Tekhnicheskiye usloviya [State Standard 23732-79. Water for concretes and mortars. Specifications].
8. Vasil'yev G.G., Ivantsova S.G., Rakhmanin A.I. Features of ensuring the safe operation of large-sized isothermal tanks for storage of liquefied natural gas. Gazovaya promyshlennost', 2013, no. 11, pp. 57-61 (In Russian).
