ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ В ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЗЕРВУАРОСТРОЕНИИ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Ключевые слова:

мало-, средне-

и крупнотоннажное

резервуаростроение,

сжиженный

природный

газ (СПГ),

изотермическое

хранение СПГ,

отечественные

инновации

при хранении СПГ,

нормативно-

техническое

и организационное

обеспечение

изотермического

хранения СПГ.

УДК 665.725::[624.953:620.181.5]

Импортозамещение в изотермическом резервуаростроении для хранения сжиженного природного газа. Проблемы и перспективы развития

Х.М. Ханухов1*, Н.В. Четвертухин1, А.В. Алипов1, А.И. Смородин2

1 ООО «НПК Изотермик», Российская Федерация, 117587, г. Москва, Варшавское ш., д. 125, стр.1, секция 11

2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Лефортовская наб., д. 1 * Е-mail: isotermik@yandex.ru

Тезисы. В статье проанализированы постановления Правительства РФ, касающиеся развития производства сжиженного природного газа (СПГ), современное состояние и перспективы развития отечественного изотермического резервуаростроения. Показано, что для удовлетворения внутренних потребностей РФ в газификации (в том числе отдельных районов и транспортных магистралей) необходимо срочно развить малотоннажное производство СПГ и, соответственно, малотоннажное резервуаростроение как наиболее подготовленное к импортозамещению и быстро окупаемое. Показано, что одним из путей преодоления имеющегося отставания является освоение отечественных инновационных предложений в области конструкционных решений, способов изготовления и сооружения, систем хранения, а также освоение инновационного технологического оборудования, приборов и арматуры, повышающих эксплуатационную надежность на основе оценки риска. Освещены вопросы нормативно-технического обеспечения хранения СПГ, и даны рекомендации по организации инжиниринговых услуг в этой области.

Проблемы импортозамещения в одной из важнейших отраслей народного хозяйства - энергетике - становятся особенно актуальными в свете санкций Запада в отношении России. Энергетическая безопасность страны является одной из приоритетных задач государства в настоящее время и будет таковой в течение ближайших лет или даже десятилетий. В газовой отрасли России все большее внимание уделяется вопросам перехода на производство, хранение и транспортировку сжиженного природного газа (СПГ) взамен транспортировки газа по трубам от месторождений до потребителя.

Анализ Энергетической стратегии1 Российской Федерации на период до 2035 г. и Долгосрочной программы развития производства сжиженного природного газа в Российской Федерации2 (далее - Программа производства СПГ) показывает текущее состояние и перспективы развития производства СПГ от добычи до потребления. Отмечается, что обеспечение достаточности и надежности энергоснабжения и решение климатической проблемы перехода к углеродно-нейтральной экономике способно выполнить «переходное топливо», которым является природный газ - экологически чистое ископаемое топливо.

Высокий и низкий сценарии мирового энергопотребления показывают рост потребления до 2040 г. только для природного газа по сравнению с другими ископаемыми топливами - углем и нефтью. При этом мировой рынок СПГ растет опережающими темпами по сравнению с рынком трубопроводного газа.

Суммарная себестоимость российского СПГ на целевых рынках составляет 3,7...7 долл. США за 1 млн британских тепловых единиц (ВТи). Для Катара, Австралии и США - главных конкурентов РФ на рынке Азиатско-Тихоокеанского региона - приведенная стоимость составит 2,8.11 и 7.10 долл. США за 1 млн ВТи соответственно.

1 Утверждена распоряжением Правительства РФ от 09.06.2020 № 1523-р.

2 Утверждена распоряжением Правительства РФ от 16.03.2021 № 640-р.

Определенные меры поддержки газовой отрасли позволили:

• повысить конкурентоспособность российского СПГ на мировом рынке и долю российского СПГ с 5 до 8 %;

• развить технологический потенциал, а именно разработана собственная технология сжижения «Арктический каскад»;

• развить транспортную инфраструктуру Обской губы и Северного морского пути;

• создать предпосылки для развития сегмента малотоннажного производства СПГ для целей автономной газификации, мобильной энергетики и в качестве газомоторного топлива.

Вся технология и логическая цепочка от добычи природного газа до использования его конечным потребителем обязательно включают процесс хранения, который осуществляется в емкостном оборудовании - резервуарах цилиндрических (вертикальных и горизонтальных) и шаровых. Хранение осуществляется при низкой температуре и давлении, близком к атмосферному.

Резервуары различной емкости могут эксплуатироваться в разных технологических и логистических цепочках: «якорные потребители» (котельные, небольшие промышленные объекты, автономные источники электроснабжения, удаленные от трубопроводной инфраструктуры); вдоль основных транспортных железнодорожных, автомобильных и водных магистралей; в портах Арктики при буксировке судов вдоль Северного морского пути; в структуре заводов мало-, средне- и крупнотоннажного производства СПГ.

По способу хранения резервуары делятся на изотермические (ИР), под давлением и смешанного хранения. В ИР - как правило, цилиндрических вертикальных наземных или подземных - СПГ хранится при температуре кипения и давлении, близком к атмосферному. Под давлением сжиженный газ хранится обычно в шаровых и горизонтальных цилиндрических резервуарах при нормальной температуре. При смешанном способе используются в основном шаровые резервуары под давлением и при температуре, соответствующей этому давлению.

Тип емкости и способ хранения определяется, как отмечено выше, технологией производства и транспортирования сжиженного газа. Строительная наука и практика во всем мире пришли к тому, что наиболее

предпочтительный способ хранения сжиженных газов - это хранение их в ИР. ИР для хранения СПГ принято конструировать в виде вертикального цилиндрического двухоболочечного резервуара закрытого типа (в англоязычной литературе - full containment, т.е. полного сдерживания) с двумя силовыми оболочками, концентрически расположенными друг в друге, между которыми находится теплоизоляция3,4,5 [1]. «Закрытость» резервуара означает, что даже при аварийной ситуации, вызванной нарушением герметичности внутреннего резервуара, землетрясением, определенного вида внешним ударным воздействием и т.п., конструкция ИР должна сдерживать пролив криогенной жидкости во внешнюю среду.

По объему хранимого продукта резервуары подразделяются на малые (до 1000 м3), малотоннажные (1000...5000 м3), среднетон-нажные (5000.60000 м3) и крупнотоннажные (от 60000 м3 и выше). Конструкционные и технологические принципы проектирования и сооружения ИР различной емкости имеют много общего.

Согласно Программе производства СПГ общий объем ожидаемых инвестиций во все сегменты малотоннажного производства СПГ (основного потребителя малотоннажных ИР) оценивается в размере до 3 трлн рублей (в пропорции: 1 трлн руб. приходится на сегмент газомоторного топлива и 2 трлн руб. - на автономную газификацию). Кроме того, вложения в малотоннажное производство СПГ значительно меньше, чем в крупнотоннажный завод. Так, стоимость удельных капитальных затрат за тонну мощности в год малотоннажного производства СПГ составляет 500 долл. США по сравнению с 1500 долл. США при крупнотоннажном производстве. Срок строительства малотоннажного завода составляет от 1 до 3 лет, а крупнотоннажного - 5 лет. Срок окупаемости малотоннажных проектов меньше,

3 См. API STD 620. Design and construction of large, welded, low-pressure storage tanks. - 12th ed. - October 2013; см. также: BS EN 14620-1:2006. 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.

4 Резервуары изотермические для хранения сжиженных газов. Правила проектирования: СП 495.1325880.2020.

5 Изотермические резервуары для хранения сжиженных газов. Правила обследования и мониторинга технического состояния: свод правил: Приказ Минстроя России № 171/пр. от 18 марта 2022 г.

чем крупнотоннажных. Таким образом, востребованность малых и малотоннажных ИР будет только возрастать. Так, прогноз спроса СПГ на внутреннем рынке России до 2035 г. составит на газомоторное топливо 5,2.7,6 млрд м3, а на газификацию 7,4.9,8 млрд м3.

В связи с вышесказанным остановимся на текущем состоянии и перспективах развития изотермического резервуаростроения. Как следует из Приложения № 5 к Программе производства СПГ, потребность до 2035 г. в малых и малотоннажных ИР для производства СПГ малотоннажными заводами составит не менее 229 ед., а для криогенных автозаправочных станций - не менее 2606 ед. Потребность в крупнотоннажных ИР ориентировочно можно определить исходя из данных о реализованных и строящихся проектах крупнотоннажных заводов СПГ. Это: Сахалин-2 (9,6 млн т), Ямал СПГ (16,5 млн т), Криогаз Высоцк (0,66 млн т), Ямал СПГ - 4-я линия (0,9 млн т), Арктик СПГ-2 (19,8 млн т), Портовая СПГ (1,5 млн т). В структуру этих заводов входят ИР объемами 42 тыс., 100 тыс., 160 тыс. м3. Таким образом производство 49 млн т СПГ сопровождается хранением продукта в 10 ИР объемом 1244 тыс. м3. Значит, чтобы к 2035 г. обеспечить ИР вероятные проекты заводов СПГ объемом 62.63 млн т (где: Обский СПГ - 5.6 млн т, Арктик СПГ-1 - 19,8 млн т, Якутский СПГ -17,7 млн т, Дальневосточный СПГ - 6,2 млн т, Усть-Луга - 13,3 млн т) потребуется примерно 50 ИР объемом 100.160 тыс. м3. Реализация возможных проектов мощностью 25,2 млн т (где: Арктик СПГ-3 - 19,8 млн т и Сахалин-2 -5,4 млн т) предполагает сооружение примерно 20 ИР аналогичной емкости.

Реализация высокого сценария мирового энергопотребления потребует до 2040 г. увеличения мощности потенциальных проектов крупнотоннажного производства СПГ до 131,3.147,3 млн т (см. Приложение № 2 к Программе производства СПГ), что связано с сооружением крупнотоннажных ИР СПГ в количестве 105.118 ИР.

Воплощение таких планов в условиях нарастания международной политической напряженности, санкционного давления и экономической конкуренции делает безальтернативным развитие производства СПГ на основе отечественных компетенций. В связи с этим рассмотрим отечественные возможности импортозаме-щения при строительстве ИР (табл. 1).

Таким образом, анализ Программы производства СПГ показывает, что для удовлетворения внутренних потребностей РФ в газификации (в том числе отдельных районов и транспортных магистралей) необходимо срочно развивать малотоннажное производство СПГ и, соответственно, малотоннажное резервуаро-строение как наиболее подготовленное к им-портозамещению и быстро окупаемое. Расчеты свидетельствуют, что до 2035 г. ежегодная потребность в малотоннажных ИР составит не менее 215 шт.

Данные табл. 1 демонстрируют значительное отставание отечественных компетенций, особенно в сооружении и оснащении приборами, оборудованием и арматурой среднетоннаж-ных и крупнотоннажных ИР от зарубежных производителей. Одним из путей скорейшего преодоления этого отставания наряду с разработкой собственных технологий сжижения газа (например, «Арктический каскад» «Новатэка») является освоение инновационных предложений в области конструкционных решений, способов изготовления и сооружения резервуаров, а также технологии хранения СПГ.

Инновационные конструкции ИР [2-6] Как отмечено ранее, в настоящее время в мировой и отечественной практике изотермического резервуаростроения наиболее надежной и безопасной конструкцией ИР объемом до 60 тыс. м3 считается конструкция наземного теплоизолированного изотермического резервуара полного сдерживания с двумя цельнометаллическими оболочками и подвесной газопроницаемой внутренней крышей (рис. 1).

Технические решения хранилищ СПГ в составе заводов по его сжижению и переработке, а также отдельных терминалов хранения могут предусматривать в составе хранилищ наличие резервных ИР. Резервные резервуары эксплуатируются без продукта в захоложен-ном стоянии, готовые в любой момент принять продукты хранения. Это требует немалых экономических затрат и дополнительной площади на складе. Авторами предлагается использовать полость межстенного пространства в качестве резервного ИР, а теплоизоляционные конструкции смонтировать на внешней стороне резервуара. (Предложение запатентовано НПК «Изотермик» [6].)

Суть предложения заключается в том, что стенки 5 и 6 резервного резервуара 2

Таблица 1

Современное состояние отечественного изотермического резервуаростроения для хранения СПГ

№ п/п Тип изотермических вертикальных цилиндриче ских резервуаров Стадия сооружения и состав хранилищ СПГ Исполнители / стандарты Уровень готовности* Потребность до 2035 г, ед. Проблемы выполнения Программы производства СПГ

Проектирование ПАО «Уралхиммаш», ПАО «Криогенмаш», ООО «НПК Изотермик» 10

Изготовление АО «НПП Криосервис», ПАО «Криогенмаш», ООО «Криогазтех» 10

Монтаж ООО «Научно-производственная компания «НТЛ», ПАО «Криогенмаш» 10 Выпуск полного комплекта оборудования для

1 Малый ИР; автозаправочная криогенная станция Приборы, оборудование, арматура АО «ЛГМ», ООО «НПФ «Контех-Крио», АО «Курганхиммаш», ПАО «Криогенмаш», ООО «Криомаш БЗКМ», АО НПО «Гелиймаш», АО «РЭП Холдинг» 3...8 2606 малых ИР может быть обеспечен отечественными промышленными предприятиями, у которых имеются документация, технология и большой опыт создания такого оборудования

Материалы ОН9, 12Х/8Н9-08Х/8Н12Т, 09Г2С ПАО ЧМК, ПАО «ММК», ПАО «Северсталь» 8...10

Теплоизоляционные конструкции (ТИК) ООО «Объединенная промышленная инициатива», ООО «Альфа тех», АО «Компания «СТЭС-Владимир» 8.10

Проектирование ООО «НПК Изотермик» 10 Изготавливают несколько компаний. Требуются расширение линейки и оптимизация решений с целью обеспечения

Изготовление АО «СЗ РМК», АО «НЗРМК им. Н.Е. Крюкова», ПАО «Уралхиммаш», АО «НПП Криосервис» 8.10

2 Малотоннажный Монтаж Отечественные монтажные организации 8.10 > 229 конкурентоспособности продукции. Производители

резервуар Материалы ОН9, 12Х/8Н9-08Х/8Н12Т, 09Г2С ПАО «Северсталь», ПАО «ММК» 8.10 оборудования, приборов и арматуры либо отсутствуют, либо недостаток финансирования не позволяет выпускать конкурентоспособную продукцию

ТИК ООО «Объединенная промышленная инициатива», ООО «Альфа тех», АО «Компания «СТЭС-Владимир» 8.10

Проектирование ООО «НПК Изотермик» 10

Изготовление АО «СЗ РМК», АО «НЗРМК им. Н.Е.Крюкова», ПАО «Уралхиммаш» 5.10

3 Среднетоннажный Монтаж Отечественные монтажные организации 5.10 > 70 Сооружение (проектирование,

резервуар Материалы ОН9, 09Г2С ПАО «Северсталь», ПАО «ММК» 5.10 изготовление, монтаж) ИР возможно отечественными

ТИК ООО «Объединенная промышленная инициатива», ООО «Альфа тех», АО «Компания «СТЭС-Владимир» 8.10 компаниями. Листовой прокат ОН9 из-за его невостребованности дороже импортного. Необходимо

Проектирование ООО «НПК Изотермик», АО «Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург» 10 восстановить прокат ОН9. Необходимы разработки и освоение отечественного насосного оборудования и криогенной запорно-регулирующей арматуры,

Изготовление АО «СЗ РМК», АО «НЗРМК им. Н.Е. Крюкова» 5.10

Монтаж Отечественные монтажные организации 5.10 развитие отечественных технологий проектирования

4 Крупнотоннажный резервуар Материалы ОН9, 12Х/8Н9-08Х/8Н12Т, 09Г2С ПАО «Северсталь», ПАО «ММК» 5.10 и сооружения мембранных ИР, совершенствование отечественной нормативно-технической базы

ТИК ООО «Объединенная промышленная инициатива», ООО «Альфа тех», АО «Компания «СТЭС-Владимир» 8.10

ЖБК (железобетонные конструкции) Отечественные заводы 10

№ п/п Тип изотермических вертикальных цилиндриче ских резервуаров Стадия сооружения и состав хранилищ СПГ Исполнители / стандарты Уровень готовности* Потребность до 2035 г., ед. Проблемы выполнения Программы производства СПГ

4 Крупнотоннажный резервуар Приборы, оборудование, арматура Необходимость зарубежных поставок: Apci, Linde, Shell, Air Liguide, Air Products, Siemens, GE, Atlas Copco. Кировский завод «Газовые технологии», ПАО «Криогенмаш», АО «ЛГМ», ООО «НПФ «Контех-Крио», АО «РЭП Холдинг», ОАО «НПО «Гелиймаш» 4...9

Нормативно-техническое обеспечение СП 495.1325800.2020; СТО Газпром 2-3,4-1215-2020; ГОСТ Р 55892-2013; ГОСТ Р 56352-2015; СП 240.1311500.2015; ФНП «Правила безопасности объектов сжиженного природного газа» 2020; ГОСТ 892-2013. Требующие глубокой переработки: ГОСТ Р 58027 2017/EN 14620-1 2006; ГОСТ Р 58032 2017/EN 14620-2 2006; ГОСТ Р 58028 2017/EN 14620-3 2006; ГОСТ Р 58029 2017/EN 14620-4 2006; ГОСТ Р 58030 2017/EN 14620-5 2006 7...10

* Уровень готовности: 1 - фундаментальные исследования; 2 - прикладные исследования; 3 - наличие экспериментального подтверждения работоспособности концепции; 4 - апробация макетов и прототипов компонентов/процессов; 5 - апробация основных компонентов в реальных условиях; 6 - тестирование модели или прототипа в реальных условиях; 7 - демонстрация опытного образца или прототипа в условиях эксплуатации; 8 - окончательные разработки, испытание полнофункциональной системы в условиях эксплуатации; 9 - функционирование подтверждено, технология готова для коммерческого внедрения; 10 - имеются реализованные образцы.

выполнены равнопрочными, в резервуаре 2 (в межстенном пространстве) отсутствует теплоизоляция, для основного (1) и резервного (2) резервуаров используется единое днище 9 (см. рис. 1). Единая паропроницаемая теплоизолированная подвесная крыша 7 служит для сокращения свободного пространства над зеркалом продукта, уменьшая при этом его испарение. Таким образом, предложенная конструкция может выполнять две функции: удерживать содержимое основного резервуара в случае аварийной утечки продукта, исключив тем самым затраты, связанные с разработкой и организацией мероприятий по оперативному освобождению ИР от продукта; в части межстенного пространства 2 служить резервной емкостью, которая способна принять продукт из соседних резервуаров в случае их аварии или при превышении объема поступления продукта при его отгрузке из терминала. Кроме того, повышается безопасность эксплуатации ИР, так как увеличиваются объем газового

пространства и время нарастания опасного избыточного давления в случае отказа предохранительных клапанов.

Конструкция (см. рис. 1) позволяет также, благодаря свободному доступу к внешней поверхности резервуара, контролировать в режиме реального времени фактическое техническое состояние наружной тепловой изоляции 10, а также датчики и систему акустоэмиссионно-го мониторинга (при оснащении ею ИР), смонтированную в наиболее опасных с точки зрения повышения давления точках конструкции ИР (места соединения стенки с крышей и днищем, анкерные крепления, а также места врезки технологических патрубков).

Инновационные способы сооружения ИР [2, 4, 7-9] В настоящее время в отечественное резервуа-ростроение приходит новый метод изготовления и сооружения металлических резервуаров - спирально-навитой сварной способ,

ГГТ I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Г

Рис. 1. Эскиз наземного теплоизолированного ИР полного сдерживания с двумя цельнометаллическими оболочками и подвесной газопроницаемой внутренней крышей: 1 - продукт (СПГ); 2 - СПГ в межстенном (резервном) пространстве; 3 - железобетонный ростверк; 4 - сваи; 5 - внутренняя стенка резервуара; 6 - наружная стенка резервуара; 7 - подвесная крыша внутреннего резервуара; 8 - купольная самонесущая крыша наружного резервуар; 9 - общее днище резервуара; 10 - наружная теплоизоляция

который с середины 1990-х гг. применяется в странах ЕС в отдельных отраслях промышленности для возведения промышленных емкостей [2, 4, 7-9]. Принципиальное отличие: возведение емкостей осуществляется автоматически с применением специализированного оборудования из стальной полосы путем навивания и приращивания поясов непосредственно на строительной площадке. На основе европейского опыта российской компанией совместно с немецкой компанией LIPP GmbH разработана и запатентована инновационная технология возведения вертикальных стальных резервуаров (РВС) спирально-навитым сварным способом специально для отечественных нефтегазохимических отраслей промышленности [9] (рис. 2-5). Данный способ возведения резервуаров используется в Германии для строительства сварных резервуаров для хранения воды и технических жидкостей. По этой

технологии разрабатываются резервуары из нержавеющей стали для пищевой и химической промышленности.

Преимущества спирально-навитого сварного способа:

• автоматизация процесса изготовления стенки РВС;

• высокое качество и бездефектность сварных швов за счет доступности полного контроля качества;

• повышенная прочность и жесткость конструкции за счет частого расположения колец жесткости, обусловленного технологией изготовления (см. рис. 4);

• значительное повышение надежности и снижение риска аварии. Так, при строительстве РВС-1000 длина вертикальных сварных швов (наиболее напряженных элементов конструкции) при стандартном (рулонном или полистовом) способе монтажа составляет

Стальной лист, скрученный в бобину

Вальцовочный станок

Поддерживающие рамы и домкраты

Стенка РВС

Соединительный сварной шов ГОСТ 14771-76-СЗ-5

Сварочный станок

Рис. 2. Схема сооружения РВС спирально-навитым сварным способом

Рис. 3. 8-й день монтажа РВС

1.1

Стенка

Н

Сварной шов по ГОСТ 14771-76-СЗ-5

В

Схема стенки ТехноТанк®

Рис. 4. Спирально-навитой сварной способ соединения листов РВС

Герметик

Рис. 5. Спирально-навитой способ соединения листов РВС двойным фальцем

40 м, а при спирально-навитом - 3 м. При строительстве РВС-10000 длины вертикальных сварных швов составляют соответственно 136 и 8 м (см. рис. 4);

• скорость строительства - сроки сокращаются в 3 раза;

• монтаж крыши на безопасной высоте 2.3 м (см. рис. 3);

• сварочные автоматы позволяют проводить сварочные работы при температурах до минус 40 °С;

• высокая точность геометрии конструкции;

• эргономичность - компактность оборудования и исходных материалов позволяют работать в стесненных условиях (см. рис. 2, 3);

• разработана технология сварки экономичной стенки резервуаров с переменной по высоте толщиной.

Технические характеристики РВС:

• диаметр, м, - от 3,0 до 34,2;

• объем, м3, - от 200 до 10000;

• высота, м, - от 2 до 20;

• размеры полосы, мм, - толщина стенки от 4 до 12, ширина 500 или 750. В настоящее время ведутся работы по увеличению ширины листа до 1500 мм.

Данная технология может быть реализована при сооружении двустенных цельнометаллических ИР, а также внутренних оболочек комбинированных (с наружной железобетонной стенкой) ИР. При увеличении прочности металла, толщины листа и диаметра конструкции (такие работы ведутся в ООО «Резервуарные системы РТ» совместно с ЦНИИПСК им. Мельникова) объем ИР может быть увеличен до 30000 м3.

В 2018 г на Хабаровском нефтеперерабатывающем заводе впервые в мире по вышеописанной технологии собран РВС-1000, что говорит о высоком отечественном инновационном потенциале.

При расположении тепловой изоляции с внешней стороны наружной стенки ее защита может быть осуществлена листовым покрытием толщиной 0,8...1,5 мм спирально-навитым способом с применением технологии соединения листов двойным фальцем, которая прошла многолетнюю эксплуатационную проверку за рубежом (см. рис. 5).

В настоящее время данный метод носит название механизированного полистового способа монтажа стенки резервуара методом подращивания. Технология перспективна для сооружения малых и малотоннажных ИР в отдаленных и труднодоступных местах для «якорных потребителей», вдоль основных транспортных магистралей, в арктических условиях, а также на заводах СПГ.

Другим перспективным направлением в изотермическом резервуаростроении, по мнению авторов, является применение запатентованных инновационных технологий «Экобетон» - бетонирование под сверхвысоким давлением в водно-аэрозольной среде с использованием надувной опалубки, разработанной ЗАО «НППСО «Грантстрой» и конструкторских решений ООО «СпецСтрой-Проект» [2, 4, 7, 10, 11]. Технология бетонирования под сверхвысоким давлением в 2007 г. признана мировым открытием научной идеи, выданы отечественное авторское свидетельство [10] и патент США «О силовом инерционном уплотнении частиц сплошных сред» [11]. Основные принципы этой технологии направлены на достижение бетонной конструкцией

высокой плотности с повышенными физико-механическими свойствами и повышенной изотропией свойств.

При создании технологии «Экобетон» в 1992 г. ЗАО «НППСО «Грантстрой» был изобретен принципиально новый механизированный комплекс для приготовления бетонной смеси в герметичном камерном скоростном бетоносмесителе (рис. 6), обеспечивающем транспортировку смеси под высоким давлением 1,4 МПа со скоростью 120.200 м/с и бетонирование в водно-аэрозольной среде в герметично замкнутой системе (рис. 7), абсолютно исключающей пылевыделение и отскоки

Рис. 6. Механизированный комплекс в системе «Экобетон»: а - вид спереди; б - вид сзади

Вода

|| бетон высокой плотности до 40 %

Ц вытесненные из бетона вода и воздух

Рис. 7. Технология бетонирования конструкций экобетоном

в целях достижения экологической чистоты окружающей среды. Сверхвысокая плотность бетона и железобетонных конструкций достигается за счет уплотнения и вытеснения воды и воздуха из бетонной смеси на периферийную поверхность бетонирования. Она обеспечивает прочность однородной однослойной бетонной смеси на ранней стадии бетонирования до 40 %.

Использование фибробетона с композитным армированием в технологии «Экобетон» из-за лучших по сравнению с традиционным железобетоном физико-механических свойств имеет перед ним преимущества, а именно:

• существенное снижение стоимости и сроков строительства;

• увеличение производительности бетонных работ и бетонирования в 10 раз;

• прочность на растяжение и срез в 4 раза выше обычного железобетона;

• прочность на изгиб и сжатие на 20 % выше;

• высокое сопротивление образованию трещин;

• ударная и усталостная прочность в 3.5 раз выше;

• прочность при разрушении от гидроудара в 3.5 раз выше;

• модуль упругости на 20 % выше;

• повышенная огнестойкость;

• морозостойкость до минус 120 °С;

• работа разрушения в 3.5 раз выше;

• равенство показаний температурного расширения композитной арматуры и фибро-бетона;

• исключение усадки бетонной смеси;

Рис. 8. Гражданское сооружение

Таблица 2

Сравнительная характеристика различных фибр

Показатель Базальтовая фибра Полипропиленовая фибра Стекловолоконная фибра Стальная (металлическая) фибра

Материал Базальтовое волокно Полипропилен Стекловолокно Проволока из углеродистой стали

Структура - •

Прочность на растяжение, МПа 3500 150.600 1500.3500 600.1500

Диаметр волокна, мкм 13.17 10.25 13.15 0,5.1,2

Длина волокна, мм 3,2.15,7 6.18 4,5.18 30.50

Модуль упругости, ГПа Не менее 75 35 75 190

Коэффициент удлинения, % 3,2 20.150 4,5 3.4

Температура плавления, °С 1450 160 860 1550

Стойкость к щелочам и коррозии Высокая Высокая Только у щелочестой-кого волокна Низкая

Плотность, г/см3 2,60 0,91 2,60 7,80

• повышенное сопротивление поверхности к истираемости и ее более высокая устойчивость к выветриванию и атмосферному воздействию;

• возможность строительства в труднодоступных местах и стесненных условиях;

• 25-летний опыт эксплуатации в экстремальных условиях показывает высокую степень водонепроницаемости и сопротивления кавитации и истиранию.

Перечисленные качества экобетона при варьировании фибр, обладающими различными свойствами (жаростойкостью, стойкостью к щелочам и коррозии) (табл. 2), могут расширить область применения этого фактически нового материала «экофибробетона» за счет использования его в наружных оболочках изотермических резервуаров «одинарного сдерживания» даже без металлического плакирования внутренних поверхностей. При этом толщина оболочки может уменьшиться в 2 раза.

Использование надувной опалубки в сочетании со свойством экофибробетона быстро

набирать 40 % прочности в течение короткого времени повышает его преимущества при строительстве шаровых резервуаров особенно больших объемов (> 3000 м3) (рис. 8).

Инновационные технологии хранения СПГ [2, 3, 5, 12]

В настоящее время в системе хранения СПГ используется холодильно-газовая машина (ХГМ) для выработки холода, работающая по обратному холодильному циклу Стирлинга, которую размещают рядом с ИР. В ХГМ происходят конденсация паров СПГ и возврат жидкой фазы обратно в ИР. Авторами предлагается новая энергосберегающая схема хранения СПГ (рис. 9). Суть предложения заключается в следующем: ХГМ 5, расположенная на крыше ИР, соединена с теплообменным аппаратом - испарителем-конденсатором 4, закрепленным внутри резервуара к подвесной крыше на высоте верхнего уровня хранимого продукта, а криогенный жидкостной насос 6 обеспечивает циркуляцию хладагента в жидкой фазе при его подаче

Пар

(хладагент) —--

Жидкость (хладагент).

^Г-*— (

/

Рис. 9. Схема хранения СПГ:

1 -наружный резервуар; 2 - купольная крыша резервуара; 3 - подвесная крыша; 4 - испаритель-конденсатор; 5 - ХГМ; 6 - криогенный насос; 7 - внутренний резервуар

5

1

3

А - А

Рис. 10. Схемы вариантов конструкции испарителя-кондиционера 4 (см. рис. 9)

в испаритель-конденсатор, представляющий систему полых оребренных труб (рис. 10).

Предлагаемое устройство [12] (см. рис. 9) реализует конденсацию паров СПГ при сжижении паровой фазы СПГ непосредственно в резервуаре поддержанием необходимого низкотемпературного режима хранения СПГ без необходимости отвода паров наружу за пределы резервуара 1 для их конденсации в сторонней холодильной установке и слива жидкой фазы во внутренний резервуар 7. Из соображений безопасности при эксплуатации резервуаров в них не допускаются как повышение внутреннего давления относительно регламентированного, так и снижение давления ниже атмосферного.

Рассмотрим процесс конденсации паровой фазы хранимого в резервуаре СПГ с температурой минус 163 °С. Процесс осуществляется по замкнутому контуру. В испаритель-конденсатор 4 (см. рис. 9, 10) подается жидкий хладагент с помощью криогенного насоса 6. В качестве хладагента используется жидкий азот с температурой минус 196 °С. В процессе теплообмена паровая фаза СПГ конденсируется из-за более низкой температуры хладагента на поверхности испарителя-конденсатора, а хладагент в процессе теплообмена испаряется и в состоянии паровой фазы поступает

в ХГМ 5, где пар превращается в жидкость, которая криогенным насосом 6 подается снова в испаритель-конденсатор 4 для охлаждения и конденсации паров СПГ. В ХГМ, работающей по обратному холодильному циклу Стирлинга, циркулирует свой хладагент, в качестве которого используется заправленный в машину газообразный гелий, имеющий температуру ниже температуры поступающих в нее паров азота, и при происходящем теплообмене в головке машины пары азота конденсируются и превращаются в жидкость, отбираемую постоянно криогенным насосом.

Предлагаемая система позволяет обеспечить процесс конденсации паров СПГ при изменении уровней хранимого продукта во внутреннем резервуаре 7. Интенсивность конденсации паров будет зависеть от уровня хранения продукта. При понижении уровня хранимого продукта вплоть до допустимого нижнего предела образующийся при этом пар поднимается в верхнюю часть внутреннего резервуара 7 и при контакте с установленным под подвесной крышей 3 испарителем-конденсатором 4 конденсируется на поверхности теплообмен-ных труб. Образующаяся при этом жидкая фаза в виде капель стекает на поверхность хранимого жидкого продукта. В режиме хранения при полностью заполненном резервуаре

испаритель-конденсатор будет погружен в продукт, переохлаждая его поверхность. При этом прекращается его испарение.

Вместе с тем должен соблюдаться основной принцип тепломассообмена: в процессе конденсации паров СПГ и поддержания необходимого низкотемпературного режима хранения в ИР необходимо использовать холод от промежуточного хладагента, имеющего температуру ниже температуры хранимого продукта. В конкретных условиях следует применять машину ХГМ соответствующей холодопроиз-водительности и мощности с использованием для получения холода в машине технических газов (воздуха, азота, гелия), достигающих в работающей машине температуры ниже температуры конденсации паров промежуточного хладагента, направляемого в испаритель-конденсатор.

Предложенные технология и устройство для конденсации паров СПГ непосредственно в изотермических металлических резервуарах имеет следующие преимущества в сравнении с традиционными способами конденсации паров с использованием компрессорно-холодильных установок, расположенных за пределами ИР СПГ:

• отпадает необходимость постоянного отвода паров СПГ наружу за пределы резервуара для их конденсации в наружной холодильной установке и слива жидкой фазы в ИР;

• исключается полностью потребность в строительстве компрессорно-холодильной установки на территории, занимаемой ИР СПГ;

• снижаются стоимость и эксплуатационные расходы объекта, эксплуатирующего системы хранения СПГ;

• повышается промышленная и экологическая безопасность системы хранения СПГ.

Реализация вышеуказанных инновационных технологий в одном объекте обеспечит отечественному изотермическому резервуаро-строению высокоэффективное с экономической точки зрения энергосбережение, а также промышленную и экологическую безопасность сооружений.

Конструкционные методы6 снижения риска при эксплуатации ИР СПГ [1, 13-18]

Риск аварии - функция вероятности аварии и тяжести ее последствий, а именно материальных или человеческих потерь (в простом случае это произведение вероятности аварии на меру потерь). Риск - понятие, связанное с недостаточностью знаний о свойствах конструкции. Риск начинается там, где кончается знание. Пока конструкция работает в пределах проектных параметров, т.е. в области нашего знания, риск ее разрушения (повреждения) минимален. Эксплуатация резервуара при максимальных проектных нагрузках, в частности при максимальном уровне налива хранимого продукта, не является фактором риска. Циклический режим работы: налив и слив продукта в пределах расчетного количества циклов также не является фактором риска. И максимальные проектные нагрузки, и циклический режим нагружения - предусмотренные проектом состояния резервуара.

К факторам риска относятся: в первую очередь, человеческий фактор - грубое нарушение условий эксплуатации, которое может привести к резкому отклонению нагрузок от проектных параметров, например к резкому возрастанию внутреннего давления, угрожающему разрушением конструкции; во-вторых, отсутствие 100%-ных знаний о состоянии сварных соединений, длина которых измеряется сотнями, а в крупных резервуарах тысячами метров, а также о коррозионном состоянии, отсутствии или наличии межкристаллитной коррозии, возможности хрупкого разрушения и т.д. Во всех этих случаях факторы риска связаны с незнанием истинного состояния конструкции.

В мире широко применяется метод обследования конструкций, в частности резервуарных, на основе оценки риска - RBI (англ. risk based inspection). Идея метода простая: неизвестные нам факторы - потенциальные повреждения растут со временем. Проводя вовремя обследование, мы повышаем знание о состоянии конструкции и, соответственно, снижаем незнание, а следовательно, риск аварии. Периодичность проведения обследований определяется по методике RBI. Важно то, что речь идет именно

См. Ведомственные нормы на проектирование установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (временные): ВНТП 51-1-88.

о снижении меры незнания. Снизить за счет обследований физическую причину старения, например постоянную общую коррозию, скорость которой строго определена и нам известна, невозможно в принципе.

Стандартный, узаконенный в ГОСТ 27411, прием повышения надежности - введение в формулы для расчета толщины элементов конструкции коэффициента надежности по ответственности сооружения, значение которого в зависимости от ответственности сооружения для изотермических резервуаров должно приниматься не менее 1,1___1,2. Применение этого коэффициента к резервуарам для хранения сжиженных газов влечет за собой повышение толщин основных элементов резервуара - стенки, кровли, днища, т.е. утяжеление и, соответственно, удорожание конструкции.

Приводит ли этот прием к повышению надежности и снижению риска аварии? По-видимому, нет. В обоих случаях: и при толщине конструкции, рассчитанной по принятым апробированным многолетней практикой методикам, и при толщине, увеличенной на 10_20 % по сравнению с толщиной, достаточной для обеспечения прочности, мы находимся в области знаний, не снижая факторы риска. Повышая толщину элементов конструкции сверх необходимой, мы пытаемся, находясь в области знаний свойств конструкции, улучшить эти свойства. Те факторы риска, а именно, незнание всех свойств конструкции и условий ее эксплуатации, которые могут привести к аварии, ни в коей мере при этом не снижаются, а могут даже и увеличиться. (Например, качество или реальный контроль качества сварных соединений при увеличенной толщине металла могут оказаться хуже.)

Идентификация опасностей при эксплуатации ИР выделяет внешние и внутренние источники опасности. Внешние связаны с аварийными ситуациями на соседних объектах при попадании рассматриваемого резервуара в зону действия поражающих факторов аварии - взрывной ударной волны, осколков и теплового излучения, а также с аварийными ситуациями при эксплуатации ИР (например, падением погружного насоса на крышу ИР при его обслуживании). Внутренние источники опасности связаны с физическими свойствами СПГ, конструктивными и технологическими решениями, характерными как для вертикальных резервуаров в общем, так и только для ИР.

Анализ реальных аварий на хранилищах СПГ выявил следующие основные опасности и возможные сценарии аварий [14]:

• образование пролива;

• пожар в проливе;

• выброс паров СПГ без последующего воспламенения;

• выброс паров СПГ с последующим воспламенением;

• взрыв паров СПГ в ограниченном пространстве.

Исходным событием возникновения и развития аварий является разгерметизация оборудования с дальнейшим выбросом газа. Исходя из особенностей конструкции резервуара все опасности можно разделить на две группы [15]:

1) связанные с воздействием на внешний корпус. Это воздействия цунами (если объект СПГ находится на побережье океана), сейсмическое (опасности - удар подвесной крыши о внешний резервуар, опрокидывание резервуара), штормового ветра, взрывов на соседних объектах, высоких температур в случае возникновения пожара в резервуарном парке;

2) связанные с воздействием на внутренний корпус. К внешним воздействиям, способным повлиять на корпус, следует отнести сейсмическое воздействие (возможны перелив продукта вследствие возникновения волн и потеря устойчивости нижнего пояса внутреннего резервуара), внешнее барическое воздействие (данная опасность связана с изменением давления в межстенном пространстве в результате колебания атмосферного давления), внешнее термическое воздействие в результате пожара на крыше.

Специфическим риском для ИР с засыпной теплоизоляцией является нарушение ее сплошности, вызванное ее уплотнением при температурных деформациях внутренней и внешней оболочек. Вследствие данного процесса нарушается тепловой режим работы хранилища, увеличиваются нагрузки на корпус со стороны уплотненного слоя изоляции и избыточного давления паров СПГ, а также возникает обмерзание конструкций.

Стратификация СПГ в хранилищах является серьезной технологической проблемой, которой уделяется большое внимание научными и промышленными организациями. Она возникает, как правило, при закачке без перемешивания нового СПГ в уже частично заполненный резервуар, в котором хранится

СПГ с характеристиками (компонентный состав, плотность, температура и др.), отличными от характеристик закачиваемого продукта. В результате расслоения происходят постепенный перегрев нижнего слоя относительно состояния насыщения при рабочем давлении в резервуаре и последующее резкое самопроизвольное смешение («переворачивание», или ролловер) слоев с интенсивным парообразованием СПГ, во много раз превышающим номинальное испарение.

Явление ролловера в хранилищах СПГ активно изучается специалистами уже более 40 лет. Большинство случаев связано с расслоением при доливке в не полностью опорожненный резервуар СПГ иного состава, чем уже находящийся в нем. Отмечены случаи ролло-вера за счет саморасслоения СПГ вследствие преимущественного выкипания из него азота, также явление может возникать в результате резкого падения барометрического давления.

Образование разделенных (стратифицированных) слоев при загрузке резервуара и их последующее самопроизвольное перемещение могут привести к значительному (в несколько десятков раз) увеличению скорости испарения продукта и давления паровой фазы, что в конечном итоге вызывает перенапряжение оболочечных конструкций резервуара, в том числе отрыв корпуса от днища и утечку продукта из емкости.

Существующие способы предотвращения ролловера можно разделить на четыре основные группы:

1) раздельное хранение СПГ, т.е. закачка СПГ различной плотности (состава) в разные резервуары;

2) заполнение и перемешивание с использованием эффекта плавучести. Способ подразумевает закачку относительно более легкой жидкости снизу, т.е. под слой хранимого продукта, а более тяжелой - наоборот, сверху. Согласно имеющимся на сегодня теоретическим проработкам способ позволяет обеспечить эффективное перемешивание жидкостей уже в процессе заполнения;

3) перемешивание после заполнения с использованием насосов. Предполагаются отбор СПГ из резервуара с помощью штатных погружных насосов и повторная его закачка в резервуар;

4) перемешивание после заполнения с использованием барботажа.

Оценка риска аварии ИР показывает, что наибольшая опасность аварии возникает при значительном, в несколько раз превышающем проектный уровень, повышении в ИР внутреннего давления, что чревато разрушением резервуара. Поэтому наиболее безопасными считаются двустенные ИР полного сдерживания, состоящие из открытой внутренней емкости, содержащей хранимый продукт, и внешней емкости, не проницаемой для жидкости и пара.

Внешний железобетонный резервуар может выдержать большие аварийные нагрузки, чем внешний стальной резервуар, и как минимум удержать большую часть СПГ в случае утечки из внутреннего резервуара, что ведет к повышению безопасности. Железобетонная крыша также имеет преимущества перед металлической с точки зрения защиты от механических воздействий и перегрева при пожаре на соседних объектах (см. ранее). Изотермические резервуары с внешним железобетонным корпусом применяются для хранения больших объемов СПГ - более 60000 м3.

Наиболее ответственная часть всего сооружения - внутренний резервуар. Такой фактор, как низкая эксплуатационная температура, который в сочетании с неизбежными конструктивно-технологическими несовершенствами может привести к хрупкому разрушению, предопределяет выбор материалов. При выборе материалов для внутренних конструкций изотермических резервуаров определяющим показателем является температура хранимого продукта. В качестве таких материалов применяют хладостойкие стали или алюминиевые сплавы.

При исполнении внутреннего корпуса резервуара в виде самонесущей конструкции выполняются расчеты гидростатической нагрузки и давления сыпучего изоляционного материала (обычно перлита). Существуют три варианта конструктивного решения фундамента ИР:

1) «на сваях», т.е. из свайного поля и монолитного ростверка;

2) из нижней и верхней (ростверка) железобетонных плит, соединенных колоннами;

3) «с подогревом» - железобетонная плита, оборудованная системой подогрева.

Варианты 1 и 2 предусматривают устройство проветриваемого пространства между ростверком и грунтом. В случае железобетонной внешней емкости фундаментная

плита является интегрированной частью емкости и жестко связана с внешней стенкой.

При сооружении ИР в зоне с сейсмической активностью можно применять системы эффективной сейсмической изоляции, в том числе скользящие маятниковые опоры [17] (рис. 11).

Для осуществления всех необходимых технологических операций при эксплуатации ИР оборудуется соответствующими патрубками. В современных конструкциях ИР врезки и патрубки в днище и стенке резервуара (как внешней, так и внутренней емкостей) не разрешаются. Патрубки для осуществления всех необходимых технологических операций при эксплуатации ИР располагаются на крыше резервуара.

Низкотемпературное хранение предъявляет высокие требования к качеству теплоизоляции. Теплоизоляцию ИР проектируют с таким расчетом, чтобы хладопотери продукта не превышали установленных нормативных величин. Конструкция теплоизоляции должна удовлетворять ряду требований, а именно: характеризоваться низкой теплопроводностью, малой проницаемостью для водяных паров, низкой адсорбцией влаги в периоды строительства и эксплуатации, технологичностью при монтаже, стойкостью к различным воздействиям (коррозионным, атмосферным и др.).

В качестве теплоизоляции ИР для СПГ чаще всего применяют засыпную изоляцию. Для засыпной теплоизоляции характерны оседание и уплотнение, возникающие в результате деформации стенок при изменении температуры. Внутренний корпус сжимается при охлаждении в процессе залива с образованием кольцевой щели, ширина которой

Рис. 11. Установленная скользящая маятниковая опора ИР СПГ, Греция

зависит от диаметра резервуара и перепада температур. Перемещение теплоизоляции может быть вызвано также случайной вибрацией грунта и действием ее собственного веса. Оседание и уплотнение изоляции потенциально может привести к потере устойчивости внутренней стенки при повторном цикле нагрева и охлаждения.

Конструктивные решения межстенного пространства при использовании засыпной теплоизоляции направлены на устранение дефектов, образование которых возможно в результате действия перечисленных факторов. Обычно насыпную изоляцию в двустенных резервуарах применяют в комбинации со слоем эластичного материала - стекловолокна, частично компенсирующего тепловые деформации конструкций. В качестве засыпки обычно используют вспученный перлитовый песок. Возможны и другие решения.

В СССР первые работы в области изотермического хранения СПГ, в том числе в хранилищах большого объема, проводились начиная с 1970-х гг. Специально для строительства ИР, содержащих низкотемпературные сжиженные газы с температурой хранения от минус 100 до минус 170 °С, в ЦНИИЧерМет были разработаны конструкционные криогенные легированные никелем стали 0Н3, 0Н6, 0Н9 с содержанием никеля 3_9 %, а также технологии их сварки и сварочные материалы. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и другими организациями разработаны методы6 расчета резервуаров, заполненных жидкостью.

Анализ риска аварии ИР, выполненный НПК «Изотермик» на примере жидкого аммиака [1], показал, что наиболее вероятная внутренняя причина разрушения резервуара -повышение внутреннего давления в результате выхода из строя установки компримирования газа, отказа или сбоя в работе предохранительных клапанов, нарушения технологии эксплуатации и др. Риск аварии по этой причине несопоставимо выше риска аварии из-за развития внутренних, не выявленных при монтаже, дефектов сварных соединений и т.п. Вертикальный цилиндрический резервуар с плоским днищем и купольной или конической крышей, способный выдерживать гидростатическое давление 2_3 кгс/см2, не предназначен для сдерживания внутреннего давления газа, которое неизбежно возникает при постоянном испарении сжиженного газа. Проектное избыточное давление

газа в проектах прошлых лет полагалось равным 0,1 кгс/см2; в современных проектах это, как правило, 0,12.0,18 кгс/см2. При росте сверх проектной величины внутреннего давления происходит стремительный рост напряжений на участках резкого изменения геометрии оболочки: на стыке цилиндрической стенки с плоским днищем, а также на стыке стенки с крышей. Причина в том, что внутреннее давление, действуя во всех направлениях, в том числе на крышу, создает огромную подъемную силу, которая вызывает большие изгиб-ные напряжения в верхнем уторном узле и через стенку резервуара передается на нижний уторный узел. От деформации окраечной части днища и разрушения соединения стенки с днищем предохраняет анкерное крепление стенки ИР к фундаменту. При давлении, в два-три раза превосходящем проектное, напряжения в этих зонах могут превысить предел прочности материала, что чревато разрушением сварных соединений стенки и крыши, а при повышенной прочности соединения стенки с крышей -недопустимой деформацией и обрывом анкеров и затем разрушением соединения стенки и днища.

Например, при диаметре резервуара 50 м и внутреннем давлении 0,3 кгс/см2 (т.е. 3 т/м2) подъемная сила составляет 5900 т, при этом нагрузка на сварное соединение стенки и крыши составляет 37,5 т/м. Согласно расчетам давление 0,35.0,40 кгс/см2 не способен выдержать практически ни один металлический ИР из доступных отечественных и зарубежных проектов. Оценки подтверждаются фактическими данными: авария ИР жидкого аммиака в г. Ионава (Литва, 1989 г.), сопровождавшаяся растяжением и обрывом анкеров и затем отрывом стенки резервуара от днища, произошла при повышении внутреннего давления до значения порядка 0,4 кгс/см2.

Оценка риска также показывает, что следование некоторым традиционным нормативным требованиям оказывается неэффективным. Например, требование о применении при проектировании ИР повышенного коэффициента надежности по ответственности сооружения (ун > 1,1) снижает риск аварии незначительно - пропорционально ун. Расчет показывает, что при увеличенной в 1,1 раза толщине стенок резервуара давление для достижения уровня разрушающих напряжений повышается также в 1,1 раза.

Таким образом, приходим к выводу, что риск аварии ИР с двойным силовым корпусом и двумя герметичными купольными крышами в основном зависит от надежности работы компрессорной установки и пропускной способности предохранительных клапанов и в незначительной степени определяется увеличением сечений конструктивных элементов из-за применения повышенного ун. При резком повышении внутреннего давления в результате стратификации или при длительном выходе из строя компрессорной установки и недостаточной пропускной способности предохранительных клапанов сначала внутренний, а затем и наружный резервуары с большой вероятностью могут быть разрушены, и тогда уже речь пойдет не о предотвращении разрушения, а о контролируемом разрушении, т.е. о конструктивных мероприятиях, препятствующих отрыву стенки от днища. К таким конструктивным решениям относятся проектирование легкосбрасываемой крыши или повышение прочности анкерных креплений. В то же время, применение оптимальных конструктивных решений может снизить риск аварии ИР на два-три порядка.

Следующий по степени опасности сценарий аварии ИР, в ходе которого также может произойти частичная разгерметизация резервуара, содержащего сжиженный газ, - это потеря устойчивости стенки резервуара в результате образования вакуума при превышении скорости откачки продукта и/или неотключен-ном компрессоре. Такое развитие аварии менее опасно. В зону потери устойчивости вовлекается часть стенки, находящаяся выше уровня хранимой жидкости, поэтому такой сценарий аварии с большей вероятностью может привести к разгерметизации стенки и крыши, но не к разливу жидкости.

Даже если допустить возможность потери устойчивости наружным резервуаром, она может выразиться в образовании волнообразных деформаций стенки резервуара в кольцевом направлении с одной полуволной по высоте стенки и с возможным отрывом крыши от стенки (то, что произошло в США в 1978 г.). При потере устойчивости наружного резервуара жидкий продукт остается во внутреннем резервуаре, который полностью сохраняет при этом работоспособность. Внутренний резервуар, выполненный в виде открытого стакана и не подверженный действию осевых

сжимающих нагрузок и вакуума, в принципе не может потерять устойчивость.

Согласно современным представлениям, подтвержденным выполненным в НПК «Изотермик» анализом риска, наиболее безопасной признана конструкция ИР, состоящая из открытого внутреннего резервуара («стакана») с подвесной паропроницаемой крышей и герметичного наружного корпуса [1]. Причина надежности такой конструкции в том, что внутренний резервуар, непосредственно содержащий жидкость, не подвержен давлению газа, так как в силу проникновения пара через подвесную крышу давление газа внутри него и снаружи одинаково. Поэтому основная наиболее вероятная и опасная причина разрушения внутреннего резервуара в данном случае в принципе исключена.

Конструкция внутреннего резервуара в виде стакана с паропроницаемой подвесной крышей обеспечивает максимальную из возможных вариантов надежность (см. ранее) и имеет ряд других преимуществ. Поскольку подвесная крыша негерметична, обеспечивается невозможность создания во внутреннем резервуаре чрезмерного избыточного давления или вакуума, которые могут привести к превышению прочности либо потере устойчивости.

Для хранения большинства сжиженных газов при низких температурах, в том числе и СПГ, не характерно повреждение в виде общей коррозии металла (для резервуаров нефти и нефтепродуктов это основной повреждающий фактор). По многолетнему опыту обследования резервуарных конструкций и трубопроводов, даже после 20 лет и более эксплуатации в среде жидкого продукта на сталях марок 09Г2, 09Г2С, 17ГС и аналогичных, и тем более никелевых сталях 0Н6 и 0Н9, не наблюдается ни малейших следов коррозии. Поэтому коррозионный механизм разрушения основных элементов ИР не рассматривается.

Внутренний резервуар изготавливается из стали 0Н9 (или из ее зарубежного аналога ASTM А-553 Type 1), отличающейся высокой ударной вязкостью, предназначенной для работы при низких температурах и не склонной к образованию трещин в сварных соединениях. При качественно выполненном монтаже резервуара и надежном контроле качества сварных соединений физических причин для образования и роста усталостных трещин в корпусе внутреннего резервуара нет. Корпус

внутреннего резервуара, выполненный без грубых дефектов, способен выдержать десятки тысяч циклов полных налива и слива жидкого продукта. Поэтому при надлежащем контроле качества сварочных и прочих монтажных работ и соблюдении правил эксплуатации ИР вероятность образования и роста усталостных трещин в сварных соединениях внутреннего резервуара и его хрупкого разрушения при нагружении его только гидростатической нагрузкой СПГ чрезвычайно мала. По оценкам Американского института нефти (англ. American Petroleum Institute, API), даже для нефтяных резервуаров, выполненных из значительно менее вязких сталей, она составляет 10-7 год-1. Для ИР она в 10 раз меньше: 10-8 год-1.

При полистовой сборке оболочек внутреннего и наружного резервуаров со смещением листов в соседних поясах исключаются протяженные вертикальные монтажные сварные швы (в отличие от рулонной сборки). Поэтому хрупкое разрушение внутренней стенки в результате распространения протяженной вертикальной трещины практически исключено. Наиболее неблагоприятный сценарий проникновения жидкости из внутреннего резервуара во внешний - течь в днище или стенке через не выявленный при монтаже дефект сварного соединения, что не может привести к аварии резервуара.

Наружный резервуар в процессе эксплуатации не испытывает гидростатических нагрузок со стороны продукта, следовательно, физических причин для образования и роста трещин в сварных соединениях слабонагруженного наружного резервуара нет в принципе. Поэтому сценарий хрупкого разрушения внутреннего резервуара и одновременно с этим аварийного повышения давления, приводящего к разрушению наружного резервуара с проливом жидкого продукта во внешнюю среду, считается невероятным и не рассматривается. Вероятность такого события не превышает 10-14 год-1.

При любом повреждении внутреннего резервуара наружный резервуар полностью удержит содержимое от пролива во внешнюю среду. По этой причине основное требование к наружному корпусу - не столько сдерживание гидростатического давления в целях предотвращения полного разрушения внутреннего резервуара, сколько защита внутреннего резервуара от внешних воздействий. Этой цели в наибольшей степени

соответствует прочный железобетонный наружный корпус из предварительно напряженного железобетона. Для ИР СПГ объемом 100 тыс. м3 и более толщина железобетонного корпуса может составлять 0,5.1 м. Под наружными понимаются вполне определенные воздействия ограниченной интенсивности: например, удар о корпус летящего со скоростью 50 м/с предмета массой 50 кг (осколок конструкции при взрыве на соседнем объекте) или аварийное падение на купольную железобетонную крышу погружного насоса массой до 4 т с высоты до 2 м и т.п. Падение самолета или авиационной бомбы не подразумевается. Под воздействия такого рода современные конструкции ИР не проектируются.

На основании анализа зарубежного и отечественного опыта проектирования ИР и технологий хранения СПГ предлагаются мероприятия, направленные на снижение вероятности (частоты) реализации аварийных ситуаций на ИР и повышение надежности их эксплуатации, а именно:

• проектирование трубопроводной обвязки по методике, исключающей появление разрывов на полное сечение;

• проектирование резервуара без врезок во внутренний резервуар;

• оборудование ИР системой верхнего налива, минимизирующей вероятность образования стратифицированных слоев и ролловера;

• использование хладостойких и прочных сталей;

• применение предохранительных клапанов с более узким диапазоном срабатывания;

• применение средств и технологий, исключающих образование пожара на сбросных клапанах и вблизи ИР;

• оснащение ИР системой комплексного интегрального мониторинга технического состояния [18];

• ужесточение требований по неразру-шающему контролю сварных соединений;

• применение способов сооружения, исключающих образование хрупкой структуры сварных соединений металла при сооружении ИР в условиях экстремальных температур;

• внедрение системы сигнализации уровня и расслоения;

• подготовка грунтового основания с целью создания однородности и равной несущей способности грунта под всей площадью

фундаментной плиты резервуара и в радиусе не менее 3 м за его пределами;

• обогрев фундаментной плиты для предотвращения промерзания грунта под резервуаром (в случае фундамента с подогревом);

• оборудование части крыши резервуара под основной площадкой обслуживания насосов отбортованным листом 9%-ной никелевой стали, обеспечивающим защиту от возможных утечек СПГ с площадки обслуживания;

• рентгенографический, дублирующий ультразвуковой контроль, капиллярная дефектоскопия, контроль с использованием вакуум-камеры всех сварных соединений внутреннего и внешнего корпусов, днищ внутреннего и внешнего резервуаров, покрытия;

• предварительное напряжение железобетонной стенки после бетонирования с помощью пучков высокопрочных стальных канатов, проложенных в специальных внутренних желобах и замоноличенных раствором после натяжения;

• обязательное преднапряжение в горизонтальном направлении;

• бетонирование купольной крыши слоями для уменьшения нагрузки на облицовку или поддержка облицовки поддувкой воздухом;

• недопущение утечки холодного продукта из внешнего резервуара в случае его утечки из внутренней емкости;

• при расчетах железобетонных конструкций должны быть учтены внешние нагрузки, деформации усадки, нагрузки преднапряже-ния (как в процессе строительства, так и при эксплуатации) и условия совместности деформаций в узлах сопряжения стенки с фундаментом и стенки с крышей;

• применение специальных средств сейсмической изоляции.

Меры снижения ущерба при вероятной реализации аварийных ситуаций:

• применение запорной арматуры с дистанционным управлением;

• выдерживание безопасных расстояний от ИР или парка ИР до смежных или сторонних зданий и сооружений;

• применение систем автоматического пожаротушения, в том числе для предотвращения нагрева СПГ при пожаре на технологических трубопроводах;

• проектирование площадки, исключающей загроможденность пространства (для исключения взрывного сгорания

газопаровоздушных смесей (ГПВС) в режиме детонации);

• оснащение ИР автоматическими установками водяного орошения на крыше и боковых поверхностях оболочки, площадках обслуживания, запорной и регулирующей арматуре;

• устройство водяных завес для предотвращения распространения пожара и рассеяния облака ГПВС на территорию производственных и сторонних объектов.

Учитывая, что ИР может находиться не на территории завода и не на территории грузового терминала, а отдельно - в отдалении от промышленных площадок, т.е. там, где отсутствует необходимость защищать внутренний резервуар от внешних воздействий, «НПК Изотермик» предлагает в этом случае выполнять наружный резервуар из стали, что обеспечивает более экономичные и целесообразные изготовление и монтаж резервуара.

Инновационные технологии. Уровень развития оборудования хранилищ СПГ

Главным элементом оборудования хранилищ СПГ считаются насосы, обеспечивающие наполнение и опорожнение ИР, циркуляцию СПГ в ИР во время хранения. В России АО «ЛГМ» разработана линейка криогенных насосов для применения в системах хранения заводов по сжижению природного газа, танках судов-газовозов, топливных системах судов с использованием газомоторного топлива, а также в СПГ-терминалах.

Коллектив АО «ЛГМ» прошел путь от технических исследований до серийного производства электронасосов со встроенными электродвигателями, которые работают непосредственно в криогенной среде в погружном состоянии. Насосы этого типа используются для перекачки СПГ в различных технологических процессах как в системах погрузки-разгрузки СПГ, так и в системах его хранения. Разработанная линейка электронасосов имеет следующие технические характеристики:

• расход СПГ от 100 до 2300 м3/ч;

• напор до 400 м;

• допускаемый кавитационный запас 1,0...1,5 м;

• мощность электродвигателя от 150 до 1200 кВт.

За сутки такой насос может перекачать до 55000 м3 СПГ.

По эксплуатационным характеристикам насосы, разработанные АО «ЛГМ», не уступают импортным аналогам ЕЬага, Shinko, №к^о, а также имеют схожие габаритные параметры, что позволяет использовать оборудование взамен импортных аналогов, установленных на действующих объектах. Один подобный насос может обеспечить работоспособность ИР объемом до 60000 м3. При востребованности таких насосов и соответствующем финансировании линейка насосов может быть расширена в короткие сроки.

ООО «НПФ «Контех-Крио» разработало двухступенчатый вертикальный герметичный центробежный насос НкпГ1-12/230, подача которого равна 12 м3/ч с напором 230 м. Мощность электродвигателя составляет 15 кВт. Предприятие имеет большой опыт создания насосов для перекачки кислорода, азота, аргона в жидком состоянии. При финансировании ООО «НПФ «Контех-Крио» способно в короткие сроки расширить линейку насосов для перекачки СПГ.

АО «РЭП Холдинг» для применения на заводе по производству СПГ «Криогаз-Высоцк» спроектировало и изготовило центробежный компрессор для холодильного цикла К 905-71-1С. Компания стала первым в России и третьим в мире производителем компрессорного оборудования данного типа.

В России есть и другие предприятия, выпускающие насосы для перекачки криогенных жидкостей, которые могут перейти на выпуск насосов для СПГ. В этой связи в России в настоящее время имеются все конструкторские, технологические и производственные мощности по выпуску погружных насосов для обеспечения работоспособности ИР объемом от сотен до сотен тысяч кубометров СПГ. Например, Инжиниринговая компания 1ШтаЮо1 подготовила для российского потребителя новый уникальный продукт - мобильный (быстровозводимый) мини-СПГ-комплекс на обратном цикле Брайтона контейнерного типа; эта установка мощностью от 3 до 12 т СПГ в сутки не требует капитального строительства и подготовленных площадок, мобильна в условиях удаленных районов. Другим видом оборудования являются запорная, запорно-регулирующая арматура и клапаны. Для криогенных жидкостей их традиционно производят ПАО «Криогенмаш», АО «Гелиймаш», ООО «Криомаш БЗКМ»,

АО «Курганхиммаш» и др. Выпуск этого вида оборудования происходит постоянно, конструкторские и производственные мощности имеются. Все дело опять же в востребованности оборудования и финансировании.

В связи со сказанным можно резюмировать, что российские предприятия готовы выпускать ключевое оборудование для обеспечения работоспособности ИР объемом 10 тыс. м3 и более.

Нормативно-техническое обеспечение хранения СПГ

Наиболее существенное влияние на технико-экономические характеристики и безопасную эксплуатацию хранилищ СПГ оказывает наличие нормативно-технической документации5,6,7 (НТД). В НТД различного уровня (СП, ГОСТ Р, СТО, ФНП) должен быть сформулирован целый ряд требований:

• к оценке риска при выборе конструкций резервуара;

• материалам и конструкциям ИР;

• расчетам конструктивных элементов резервуара - металлических, железобетонных, теплоизоляционных и фундаментных конструкций;

• приборам, оборудованию, арматуре;

• изготовлению и монтажу;

• системам безопасности ИР;

7 См. Производство, хранение и перекачка сжиженного природного газа. Общие требования безопасности: ГОСТ Р 56352-2015.

Хранилища сжиженного природного газа. Требования пожарной безопасности: СП 240.1311500.2015. Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа.

Хранилище. Общие технические условия: СТО Газпром 2-3.4-1215-2020. Проектирование и производство на месте вертикальных цилиндрических стальных емкостей с плоским дном для хранения охлажденных сжиженных газов с рабочей температурой от 0 до -165 °С: Ч. 1: Общие положения: ГОСТ Р 58027 2017/БМ 14620-1 2006; Ч. 2: Металлоконструкции: ГОСТ Р 58032 2017/БМ 14620-2 2006; Ч. 3: Компоненты бетона: ГОСТ Р 58028 2017/БМ 14620-3 2006; Ч. 4: Изоляционные компоненты: ГОСТ Р 58029 2017/БМ 14620-4 2006;

Ч. 5: Испытания, высушивание, очистка

и охлаждение: ГОСТ Р 58030 2017/БМ 14620-5 2006.

Правила безопасности объектов сжиженного природного газа: Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности: разработаны в соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

• требования промышленной, пожарной безопасности и охраны окружающей среды.

В России вопросы проектирования хранилищ СПГ до недавнего времени регламентировались ведомственными нормами6, выпущенными еще в СССР. Этот документ являлся временным, но единственным в РФ и устанавливал максимальный допустимый объем хранения СПГ в наземных изотермических резервуарах общим объемом 8000 м3 при единичной емкости не более 600 м3, что не удовлетворяло современным требованиям к этим хранилищам. Недостаток нормативных документов преодолевался разработкой специальных технических условий (СТУ) на каждый проект ИР. При разработке СТУ использовались нормативные документы из смежных областей создания аналогичных конструкций. Однако это удлиняло сроки проектирования в связи с необходимостью разработки самих документов и утверждения их в Главгосэкспертизе.

В последнее время в РФ разработаны нормативные документы5,8,9, в основном отражающие вышеперечисленные требования к хранилищам СПГ. Документы гармонизированы с зарубежными нормами4 и создают основу для продвижения отечественных разработок на российский рынок. Однако они нуждаются в актуализации, например, в расширении применения. Так, ГОСТ Р 56352-2015 и СП 240.1311500.2015 не распространяются на объекты малотоннажного производства и потребления СПГ в количестве, не превышающем 200 т, при единичном объеме криогенного резервуара, не превышающем 260 м3, и с избыточным давлением не более 0,8 МПа. А действие СП 495.1325860.20205 (разработчик -ООО «НПК Изотермик») ограниченно применением цельно-металлических резервуаров объемом не более 60000 м3, устанавливаемых в не-сейсмоопасных районах. СТО Газпром 2-3.41215-2020 (один из разработчиков - ООО «НПК Изотермик»), в котором освещены вопросы наружных преднапряженных железобетонных оболочек, имеет ведомственный характер. Что касается ГОСТов Р 58027-2017/ БМ 14620-1:2006, Р 58032-2017/ БМ 146202:2006, Р 58028-2017/БМ 14620-3:2006,

8 См.: ГОСТ Р 56352-2015, СП 240.1311500.2015, СТО Газпром 2-3. 4-1215-2020.

9 См.: Объекты малотоннажного производства

и потребления сжиженного природного газа. Общие технические требования: ГОСТ Р 55892-2013.

Р 58029-2017/EN 14620-4:2006, Р 58030-2017/ EN 14620-5:2006, то данные документы, принятые в 2017 г., требуют глубокой переработки и гармонизации с отечественными нормами и правилами, а также спецификой и опытом проектирования.

Дальнейшее развитие нормативно-технического обеспечения систем хранения СПГ связано с доработкой и актуализацией этих документов в части освещения вопросов сооружения крупнотоннажных (> 60000 м3) комбинированных (металлических и железобетонных) ИР, а также возведения и безопасной эксплуатации ИР в сейсмоопасных районах. В настоящее время ООО «НПК Изотермик» разработал СП «Изотермические резервуары для хранения сжиженных газов. Правила обследования и мониторинга технического состояния», в котором освещены вопросы обеспечения безопасной эксплуатации ИР СПГ и условия непрерывной работы этих сооружений по фактическому техническому состоянию.

Анализ современного состояния и перспектив развития производства СПГ в России и мире [19-22], позволяет спрогнозировать развитие изотермического резервуаростроения, являющегося составной частью производства и потребления СПГ. Как было отмечено выше, тоннажность хранения жестко не привязана к тоннажности производства СПГ. Однако в последнее время бурный рост малотоннажного производства СПГ в России и мире привел к трансформации крупнотоннажных проектов и в соответствии с этим к расширению применения малотоннажных резервуаров для хранения СПГ. Так, на каждом крупнотоннажном терминале СПГ вводятся дополнительные функции и услуги, такие как:

• перевалка на малые газовозы;

• бункеровка;

• заправка автомобильных цистерн для снабжения удаленных потребителей;

• заправка железнодорожных цистерн для поставки СПГ по железной дороге;

• заправка контейнеров-цистерн ISO.

По всему миру уже построенные терминалы модернизируются под малотоннажные операции. Кроме того, малотоннажные ИР в зависимости от формы потребления топлива необходимы для газовых электростанций, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, промышленных и бытовых котельных, населения (требуется топливо в газообразном

состоянии); а также для грузового и пассажирского автотранспорта, морских и речных судов, железнодорожных локомотивов, самолетной и вертолетной техники, ракетно-космической техники (требуется топливо в жидком состоянии). Такая востребованность создает определенный тренд в развитии малотоннажного резервуаростроения, которое может не только удовлетворять отечественные потребности в СПГ (газификация регионов, морское и газомоторное топливо), но и обеспечить приграничную торговлю с Китаем и Европой.

Таким образом малотоннажное резервуа-ростроение может быть востребовано в более широком диапазоне за счет сооружения самостоятельных терминалов хранения СПГ областного, регионального и приграничного масштабов. А оснащение таких терминалов отечественными инновационными решениями в области конструкций, изготовления, монтажа, технологий хранения и сжижения СПГ [1-18] дают возможности максимально безопасно эксплуатировать хранилища СПГ с минимальными энергетическими и экономическими затратами.

В заключение отметим перспективность применения BIM-технологии (англ. building information modeling) при проектировании, сооружении и эксплуатации резервуаров для хранения СПГ. Технологии BIM, или информационное моделирование сооружения, все чаще применяются в строительстве. Их особенность в том, что объект (хранилище) проектируется как единое целое. Изменение какого-либо параметра влечет за собой автоматическое изменение связанных с ним элементов и объектов, вплоть до чертежей, визуализаций, спецификаций, физико-технических характеристик и параметров, календарного графика и сроков службы объекта. Это полноценный цифровой двойник создаваемого сооружения, который позволяет автоматизировать процесс создания и выпуска документации. Любой запроектированный элемент состоит не только из собственно геометрии, но и из данных о том, что он собой представляет, вплоть до стоимости и производителя.

Таким образом в информационную модель закладывается гораздо больше данных, чем в классический плоский проект. Представляется, что BIM-модели нужны не только всем участникам строительства, так как помогают не только автоматизировать проверку

качества, гарантировать точность количественных показателей и взаимоувязанность всей проектной документации, но и автоматизиро-ванно следить за изменениями технического состояния объекта в процессе эксплуатации на основе оценки риска вплоть до ликвидации и утилизации объекта.

Создание инжинирингового научно-производственного центра по хранению СПГ [23, 24]

Успешное решение вышеперечисленных вопросов и проблем хранения СПГ наиболее эффективно с помощью комплексного инжиниринга. Анализ импортозамещения в области хранения СПГ показывает, что в России нет квалифицированного инжиниринга в сфере сооружения хранилищ СПГ «под ключ» [14]. Так, на долю нефтяной, нефтегазовой и химической промышленности приходится только 4 % российского рынка инжиниринговых услуг [14]. Это связано с тем, что системы хранения, как правило, входят в состав заводов по сжижению газа, которые сооружают на условиях ЕРС10-контракта обладатели лицензионных технологий сжижения. И заказчики (т.е. наши отечественные компании) вынуждены закупать и хранилища СПГ, а отечественным подрядчикам остается адаптация этих проектов к отечественной нормативной базе. Это подкрепляется, как было показано выше, отсутствием некоторых видов отечественного оборудования (погружных насосов большой производительности, компрессоров и т.п.). Тем не менее РФ сама способна проектировать, изготавливать и сооружать наземные изотермические резервуары СПГ, которые при наличии достаточного количества заказов могут быть конкурентноспособными.

Далее предлагается в рамках реализации Программы производства СПГ для решения проблем импортозамещения создать инжиниринговый Российский научно-производственный центр по хранению СПГ (РНПЦ СПГ) со следующими целями и задачами [23, 24].

10 EPC (англ. engineering, procurement and

construction). При использовании EPC-контракта контрактор: выполняет изыскательные, проектные и согласовательные работы (инжиниринг); производит выбор и закупку материалов и оборудования для выполнения всего проекта (снабжение); осуществляет строительные, сборочные и пусконаладочные работы.

1. Создание системы отечественного инжиниринга сооружения «под ключ» стационарных хранилищ СПГ.

2. Разработка и научно-техническое сопровождение проектов:

• разработка проектов малых и малотоннажных ИР (600.5 тыс. м3) и терминалов для автономных энергетических комплексов энергообеспечения транспортной инфраструктуры, отдаленных и малонаселенных областей страны (в том числе освоение арктического шельфа);

• разработка проектов среднетоннажных ИР (500.60 тыс. м3);

• разработка проектов особо опасных и технически сложных крупнотоннажных резервуаров и терминалов СПГ (100 тыс.. 240 тыс. м3).

3. Разработка инновационных конструкций для хранения СПГ на основе теории рисков и анализа опыта эксплуатации (инциденты, аварии, катастрофы) опасных производственных объектов (ОПО).

4. Создание нормативной базы для проектирования и технологических решений по системам хранения СПГ.

5. Инжиниринг сооружения «под ключ» хранилищ СПГ:

• обеспечение материалами и оборудованием;

• изготовление и сооружение;

• пуско-наладочные работы;

• авторский надзор;

• консультационные услуги по техническому диагностированию, ремонту, изготовлению, монтажу, эксплуатации и ликвидации ОПО.

6. Совершенствование методов и практики обследования, диагностирования, мониторинга рисков и технического состояния резервуаров СПГ:

• разработка и актуализация НТД;

• организация и проведение работ по обеспечению безопасной эксплуатации ИР.

7. Разработка научных основ безопасного хранения СПГ:

• обобщение и анализ мирового научно-технического и нормативно-методического опыта по проблемам хранения СПГ;

• разработка НТД по безопасности и рискам (оценка, снижение, управление) хранения СПГ;

• разработка научно-методических основ мониторинга промышленных, пожарных и экологических рисков при хранении СПГ.

8. Разработка программного обеспечения, связанного с проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией хранилищ СПГ.

9. Учебно-методическая работа по подготовке и повышению квалификации специалистов в области хранения СПГ.

10. Разработка концепции и создание межотраслевого центра мониторинга техногенных рисков изотермических хранилищ (стационарных и мобильных) сжиженных природных газов (ЦМТР СПГ).

Цель ЦМТР СПГ - анализ и передача в режиме реального времени, исключая человеческий фактор, информации о техногенных рисках и техническом состоянии стационарных и мобильных хранилищ СПГ для принятия компетентными органами решений об их дальнейшей эксплуатации. Для создания РНПЦ СПГ необходимы внешние государственные (Минэнерго РФ, Минэкономразвития РФ, Минфин РФ, Минтранс РФ, Минпромторг РФ, Минстрой РФ, Минвостокразвития РФ, ГК «Ростех») и частные инвестиции. НПК «Изотермик» готов участвовать в создании и работе этого центра.

Таким образом, успешная реализация Программы производства СПГ в части сооружения хранилищ СПГ вполне возможна при решении поднятых в статье вопросов.

***

Таким образом, в настоящее время РФ способна проектировать, изготавливать и сооружать наиболее востребованные емкости для хранения СПГ - вертикальные цилиндрические наземные ИР любого тоннажа. Российские предприятия готовы выпускать ключевое оборудования для обеспечения работоспособности ИР объемом до 10 тыс. м3. ИР больших размеров требуют продолжения работ по расширению линейки уже созданных образцов. Для

этих целей необходимы два основных условия: востребованность отечественных конкурентоспособных технологий и оборудования сжижения и обеспечение финансирования в должном объеме. И кроме того, необходимо возобновить производство хладостойкой стали 0Н9, специально разработанной для СПГ.

Наиболее освоены отечественными производителями малые и малотоннажные ИР объемом до 5000 м3. Их успешному продвижению на рынок будет способствовать выполнение Программы производства СПГ.

Большая потребность в средне- и крупнотоннажных хранилищах СПГ должна стимулировать, в условиях санкционных рисков, заинтересованность в них отечественных потребителей и способствовать развитию соответствующих компетенций в этой области.

Современное изотермическое резервуа-ростроение способно сооружать практически безопасные в эксплуатации (с надежностью 10-8 [13])45 хранилища СПГ.

Разработка в последние годы НТД45 по проектированию и обследованию технического состояния ИР с последующей ее актуализацией и гармонизацией с зарубежными нормами позволяет сооружать и эксплуатировать ИР на современном научно-техническом конкурентоспособном уровне.

Внедрение предлагаемых инновационных конструкций, способов сооружения и систем хранения СПГ позволит сооружать конкурентоспособные, высокотехнологичные, высокоэффективные с экономической и энергетической точки зрения, а также промышленной и экологической безопасности хранилища.

Решению проблем хранения СПГ может способствовать создание инжинирингового Российского научно-производственного центра по хранению СПГ (РНПЦ СПГ).

Успешное развитие технологии хранения СПГ явится основой дальнейшего развития систем хранения в водородной энергетике.

Список литературы

1. Ханухов Х.М. Конструкционные мероприятия по повышению безопасности и снижению риска эксплуатации изотермических резервуаров для хранения жидкого аммиака / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин и др. // Безопасность труда в промышленности. -2015. - № 8. - С. 74-82.

2. Ханухов Х.М. Инновационные конструктивные решения изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин и др. // Совершенствование проектирования и строительства металлических резервуаров. -Уфа: Нефтегазовое дело, 2019. - С. 3-13.

3. Ханухов Х.М. Инновационные решения систем хранения сжиженного природного газа / Х.М. Ханухов, Н.В. Четвертухин,

A.В. Алипов и др. // Вести газовой науки: науч.-тех. сб. - М.: Газпром ВНИИГАЗ,

2020. - № 1 (42): Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - C. 103-109.

4. Ханухов Х.М. Инновационные конструкции и способы сооружения изотермических резервуаров / Х.М. Ханухов, Н.В. Четвертухин,

B.А. Функ и др. // Промышленное

и гражданское строительство. - 2021. - № 2. -

C. 4-11.

5. Khanukhov Kh.M. Scientific research of the SCO countries: synergy and integration /

Kh.M. Khanukhov, N.V. Chetvertukhin, I.I. Simonov // Structural and technological innovations in the storage of liquefied gases: Proc. of the International conference. - Beijing, China,

2021. - Ч. 2. - C. 169-177.

6. Патент на полезную модель RU № 153344. Устройство для хранения сжиженных газов: заявка № 2014153848/03 от 30.12.2014; опубл. 10.07.2015 / Х.Х. Ханухов, А.В. Алипов, С.В. Зимина и др.; патентообладатель

ООО «НПК Изотермик».

7. Ханухов Х.М. Инновационные методы сооружения резервуаров для хранения опасных веществ / Х.М. Ханухов, Н.В. Четвертухин,

B.А. Функ и др. // Нефть. Газ. Новации. -2020. - № 5. - С. 33-37.

8. Khanukhov Kh.M. Innovations in the manufacture and installation of vertical cylindrical metal tanks for the storage of hazardous substances /

Kh.M. Khanukhov, N.V. Chetvertukhin // Improving the management of the region s social economic development based on risk management. - Birmingham, UK, 2021. -

C. 110-116.

9. Патент № 2619022С1 Российская Федерация, МПК B65D 90/08 (2006/01), B65D

6/22 (2006/01). Резервуар, изготовленный из изогнутой в виде спирали металлической полосы: заявка № 2015151168, 27.11.2015; опубл. 11.05.2017 / ЛИПП Ксавер (DE).

10. Патент № 23911471 С2 Российская Федерация, МПК E04G 21/00(2006.01), B28C 5/00(2006.01). Способ и установка приготовления

и инерционной укладки с уплотнением бетонной смеси: заявка № 2008151523/03, 25.12.2008; опубл. 10.06.2010 / Г.Г. Аракелян; патентообладатель Производственно-строительная фирма «Грантстрой».

11. United States Patent. Arakelyan exal. NUA 8.696, 190В2.Арг 15.2014.

12. Патент на изобретение № 2743874С1 Российская Федерация. Устройство для хранения сжиженных газов: заявка №2020113298, 10.12.2019; опубл. 01.03.2021 / Х.Х. Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин и др.; патентообладатель ООО «НПК Изотермик».

13. Ханухов Х.М. Конструкционные методы снижения риска при эксплуатации изотермических резервуаров для хранения СПГ / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов,

Н.В. Четвертухин и др. // Вести газовой науки. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2017. -№ 1 (29): Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - С. 249-258

14. Ханухов Х.М. Нормативно-техническое

и организационное обеспечение безопасной эксплуатации резервуарных конструкций / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов // Предотвращение аварий зданий и сооружений: сб. науч. тр. - М., 2011. - Вып. 10. - С. 384-422. -https://prevdis.ru/normativno-tehnicheskoe-i-orgaшzatsюnnoe-obespecheme-bezopasnoj-ekspluatatsii-rezervшmyh-konstraktsij/?ysdid= l60u07bw3e631947367

15. Рахманин А.И. Обеспечение безопасности резервуаров для хранения природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов: дис. . канд. техн. наук /

А.И. Рахманин. - М.: Российский государственный университет (НИУ) нефти и газа им. И.М. Губкина, 2014. - 137 с.

16. Лесконог А.А. Особенности и основные проблемы обеспечения промышленной безопасности терминалов сжиженного природного газа / А.А. Лесконог, Г.Ю. Чуркин // Безопасность труда в промышленности. -2016. - № 12. - С. 57-62.

17. Опыт применения фрикционных маятниковых подшипников для сейсмозащиты: презентация. -М.: НГБ «Энергодиагностика», 2012.

18. Ханухов Х.М. Особенности применения АЭ мониторинга технического состояния изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин // Актуальные проблемы метода акустической эмиссии: сб. м-лов Всероссийской конференции АПМАЭ-2021. -СПб., 2021. - С. 109-110.

19. Федорова Е.Б. Комплексное научно-техническое обоснование производства сжиженного природного газа: дис. . д-ра тех. наук / Е.Б. Федорова. - М.: Российский государственный университет (НИУ) нефти и газа им. И.М. Губкина, 2019. - 360 с.

20. Возможности и перспективы развития малотоннажного СПГ в России. - М.: Сколково. Московская школа управления, 2018. -

189 с. - https://energy.skolkovo.ru/downloads/ documents/SEneC/research06-ru.pdf

21. Сасаев Н.И. Стратегические возможности развития малотоннажного производства СПГ в России / Н.И. Сасаев // Экономика промышленности. - 2019. - Т. 12. - № 2. -С. 136-146.

22. Дубровская Е. Малотоннажное производство СПГ: зарубежный опыт / Е. Дубровская // Газ России. - 2015. - № 1. - С. 26-28.

23. Ханухов Х.М. Перспективы развития отечественного изотермического резервуаростроения / Х.М. Ханухов // Вести газовой науки. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2017. - № 1 (29): Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - С. 241-248.

24. Ханухов Х.М. Вопросы импортозамещения в изотермическом резервуаростроении

и проблемы безопасности хранения сжиженных газов / Х.М. Ханухов // Деловая слава России. - 2015. - Вып. 52. - С. 10-13.

Import substitution in isothermal reservoir building for storing liquefied natural gas. Challenges and outlooks

Kh.M. Khanukhov1*, N.V. Chetvertukhin1, A.V. Alipov1, A.I. Smorodin2

1 NPK Izotermik LLC, Estate 125, Bld. 1, Block 11, Varshavskoye shosse, Moscow, 117587, Russian Federation

2 Bauman Moscow State Technical University (BMSTU), Bld. 1, Lefortovskaya naberezhnaya, 105005, Russian Federation

* E-mail: isotermik@yandex.ru

Abstract. This article examines the governmental decrees related to production of the liquefied natural gas (LNG). Besides, authors describe modern status of the domestic reservoir building and its and outlooks. They show that to satisfy the internal domestic demands on gasification (including the separate regions and the traffic arteries) the urgent development of the low-tonnage LNG production is needed in compliance with low-tonnage reservoir building being the most ready to import substitution and fast-payback branch. Authors state that one of the ways to narrow the present gap is to implement the domestic innovative design solutions, production and construction techniques, storage systems, equipment and instruments, aimed at rising reliability of LNG storages basing on risk assessment. The article highlights the questions of the regulatory and engineering provisions for LNG storing, and gives recommendations on arrangement of the engineering support in this context.

Keywords: low-tonnage, medium-tonnage and large-tonnage reservoir building, liquefied natural gas (LNG), isothermal storage of LNG, domestic innovations in LNG storing, regulatory and engineering provisions of isothermal LNG storing.

References

1. KHANUKHOV, Kh.M., A.V. ALIPOV, N.V CHETVERTUKHIN, et al. Constructional design measures aimed at safety improvement and risk reduction during operation of isothermal tanks for storage of liquid ammonia [Konstruktsionnyye meropriyatiya po povysheniyu bezopasnosti i snizheniyu riska ekspluatatsii izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya zhidkogo ammiaka]. Bezopasnost Truda v Promyshlennosti. 2015, no. 8, pp. 74-82. ISSN 0409-2961. (Russ.).

2. KHANUKHOV, Kh.M., A.V ALIPOV, N.V CHETVERTUKHIN, et al. Innovative designs of isothermal reservoirs for storing liquefied gases [Innovatsionnyye konstruktivnyye resheniya izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya szhizhennykh gazov]. In: Perfection of designing and constructing metallic reservoirs [Sovershenstvovaniye proyektirovaniya i stroitelstva metallicheskikh rezervuarov]. Ufa, Russia: Neftegazovoye Delo, 2019, pp. 3-13. (Russ.).

3. KHANUKHOV, Kh.M., N.V. CHETVERTUKHIN, A.V. ALIPOV, et al. Novel engineering techniques for liquefied natural gas storing [Innovatsionnyye resheniya system khraneniya szhizhennogo prirodnogo gaza]. Vesti Gazovoy Nauki: collected papers. Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2020, no. 1(42): Improvement of reliability and safety at gas-industry facilities, pp. 103-109. ISSN 2306-8949. (Russ.).

4. KHANUKHOV, Kh.M., N.V. CHETVERTUKHIN, V.A. FUNK, et al. Innovative structures and ways to build isothermal reservoirs [Innovatsionnyye konstruktsii i sposoby sooruzheniya izotermicheskikh rezervuarov]. Promyshlennoye i Grazhdanskoye Stroitelstvo, 2021, no. 2, pp. 4-11, ISSN 0869-7019. (Russ.).

5. KHANUKHOV, Kh.M., N.V. CHETVERTUKHIN, I.I. SIMONOV. Scientific research of the SCO countries: synergy and integration. In: Structural and technological innovations in the storage of liquefied gases: Proc. of the International conference. Beijing, China, 2021. pt. 2, pp. 169-177.

6. NPK ISOTERMIK LLC. Apparatus for storing liquefied gases [Ustroystvo dlya khraneniya szhizhennykh gazov]. Inventors: Kh.M. KHANUKHOV, A.V. ALIPOV, S.V. ZIMINA, et al. Appl. no. 2014153848/03, 30 December 2014; publ. 10 July 2015. RU 153344. (Russ.).

7. KHANUKHOV, Kh.M., N.V. CHETVERTUKHIN, V.A. FUNK, et al. Innovative methods of building reservoirs for storing hazardous substances [Innovatsionnyye metody sooruzheniya rezervuarov dlya khraneniya opasnykh veshchestv]. Neft. Gaz. Novatsii, 2020, no. 5, pp. 33-37. ISSN 2077-5423. (Russ.).

8. KHANUKHOV, Kh.M., N.V. CHETVERTUKHIN. Innovations in the manufacture and installation of vertical cylindrical metal tanks for the storage of hazardous substances. In: Improving the management of the region s social economic development based on risk management. Birmingham, UK, 2021, pp. 110-116.

9. LIPP KSAVER (DE). Tank manufactured from the metal strip bent in the form ofhelix [Rezervuar, izgotovlennyy iz izognutoy v vide spirali metallicheskoy polosy]. Inventor: LIPP Ksaver (DE). Appl. no. 2015151168, 27 November; publ. 11 May 2017. RU 2619022C1. (Russ.).

10. PROIZVODSTVENNO-STROITEL'NAJA FIRMA "GRANTSTROJ".Methodandinstallationfor preparation and inertial laying with compaction of concrete mix [Sposob i ustanovka proigotovleniya i inertsionnoy ukladki s uplotneniyem betonnoy smesi]. Inventors: ARAKELYAN, G.G., et al. Appl. no. 2008151523/03, 25 December 2008; publ. 10 June 2010. RU 23911471C2. (Russ.).

11. United States Patent. ARAKELYAN exal. NUA 8.696, 190B2. 15 April 2014.

12. NPK ISOTERMIK LLC. Apparatus for storing liquefied gases [Ustroystvo dlya khraneniya szhizhennykh gazov]. Inventors: KHANUKHOV, Kh.M., A.V. ALIPOV, N.V. CHETVERTUKHIN, et al. Appl. no. 2020113298, 10 December 2019; publ. 01 March 2021. RU 2743874C1. (Russ.).

13. KHANUKHOV, Kh.M., A.V. ALIPOV, N.V. CHETVERTUKHIN, et al. Constructional methods of risk reduction at operation of isothermal reservoirs for storage of liquefied natural gas [Konstruktsionnyye metody snizheniya riska pri ekspluatatsii izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya SPG]. Vesti Gazovoy Nauki. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 2017, no. 1(29): Improvement of reliability and safety at gas-industry facilities, pp. 249-258. ISSN 2306-8949. (Russ.).

14. KHANUKHOV, Kh.M. and A.V. ALIPOV. Standard-technical and management support for safe operation of reservoir-type constructions [Normativno-tekhnicheskoye i organizatsionnoye obespecheniye bezopasnoy ekspluatatsii rezervuarnykh konstruktsiy]. Predotvrashcheniye avariy zdaniy i sooruzheniy. Moscow, 2011, iss. 10, pp. 384-422. ISSN 0409-2961. (Russ.). Available from: https://prevdis.ru/normativno-tehnicheskoe-i-organizatsionnoe-obespechenie-bezopasnoj-ekspluatatsii-rezervuarnyh-konstruktsij/?ysclid=l60u07bw 3e631947367

15. RAKHMANIN, A.I. Safety provision for natural gas storing reservoirs with consideration of negative operational factors [Obespecheniye bezopasnosti rezervuarov dlya khraneniya prirodnogo gaza s uchetom negativnykh ekspluatatsionnykh faktorov]. Candidate's thesis (engineering). Gubkin University. Moscow, 2014. (Russ.).

16. LESKONOG, A.A. and G.Yu. CHURKIN. Peculiarities and main issues in provision for industrial safety of liquefied natural gas terminals [Osobennosti i osnovnyye problem obespecheniya promyshlennoy bezopasnosti terminalov szhizhennogo prirodnogo gaza]. Bezopasnost truda v promyshlennosti. 2016, no. 12, pp. 57-62. ISSN 0409-2961. (Russ.).

17. Practical application offrictional pendulous bearings for seismic protection [Opyt primeneniya friktsionnykh mayatnikovykh podshipnikov dlya seysmozashchity]: presentation. Moscow: Energodiagnostika, 2012. (Russ.).

18. KHANUKHOV, Kh.M., A.V. ALIPOV, N.V. CHETVERTUKHIN. Specifics of acoustic emission when applied for monitoring health of isothermal reservoirs for storing liquefied gases [Osobennosti primeneniya AE monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya szhizhennykh gazov]. In: Actual challenges of acoustic emission method [Aktualnyye problem metoda akusticheskoy emissii]: collected materials of the All-Russia conference. St. Petersburg, 2021, pp. 109-110. (Russ.).

19. FEDOROVA, Ye.B. Complex scientific-technical feasibility study of liquefied natural gas production [Kompleksnoye nauchno-tekhnicheskoye obosnovaniye proizvodstva szhizhennogo prirodnogo gaza]. Doctor's thesis (engineering). Gubkin University. Moscow, 2019. (Russ.).

20. Openings and prospects for development of low-tonnage LNG in Russia [Vozmozhnosti i perspektivy razvitiya malotonnazhnogo SPG v Rossii] [online]. Moscow: Skolkovo. Moscow School of Management, 2018. (Russ.). Available from: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/research06-ru.pdf

21. SASAYEV, N.I. Strategic potential to develop low-tonnage LNG production in Russia [Strategicheskiye vozmozhnosti razvitiya malotonnazhnogo proizvodstva SPG v Rossii]. Ekonomika Promyshlennosti, 2019, vol. 12, no. 2, pp. 136-146. ISSN 2072-1633. (Russ.).

22. DUBROVSKAYA, Ye. Low-tonnage LNG production: foreign practice [Malotonnazhnoye proizvodstvo SPG: zarubezhnyy opyt]. Gaz Rossii, 2015, no. 1, pp. 26-28. ISSN 2307-1648. (Russ.).

23. KHANUKHOV, Kh.M. Outlooks for development of domestic isothermal reservoir building [Perspektivy razvitiya otechestvennogo izotermicheskogo rezervuarostroyeniya]. Vesti Gazovoy Nauki. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 2017, no. 1(29): Improvement of reliability and safety at gas-industry facilities, pp. 241-248. ISSN 2306-8949. (Russ.).

24. KHANUKHOV, Kh.M. Issues for safety of liquefied gas storage and import substitution in isothermal reservoir-building engineering [Voprosy importozameshcheniya v izotermicheskom reservuarostroyenii i problem bezopasnosti khraneniya szhizhennykh gazov]. Delovaya slava Rossii. 2015, iss. 52, pp. 10-13. ISSN 2226-8472. (Russ.).