CC BY
192
УДК 629.12
Новые технические решения по форме
и компоновке грузовых емкостей судов-газовозов, перевозящих спг
А.Б. КРЕСТЬЯНЦЕВ, Г.Б. КРЫЖЕВИЧ, д.т.н., А.Б. НЕСТЕРОВ, к.т.н, А.Н.ПОЛУНИН, инженер 2-ой категории, Р.Ю. РОМАНОВ, помощник
генерального директора
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», г. С.-Петербург
E-mail: [email protected]
На сегодняшний день к грузовым емкостям, предназначенным для перевозки СПГ, предъявляют высокие требования к надежности, а также промышленной и экологической безопасности. Разработаны два новых технических решения, которыми являются вкладная цилиндрическая грузовая емкость и мембранная грузовая емкость. Выполнены расчет строительной стоимости и технико-экономический анализ для вкладных цилиндрических емкостей.
Ключевые слова: суда-газовозы, сжиженный природный газ, система хранения груза, конечно-элементный анализ, оценка строительной стоимости.
As of today reliability requirements as well as industrial and ecological safety requirements are imposed on the cargo tanks of LNG carriers. Two new technical decisions were made: input cylindrical cargo tank and membrane cargo tank. The construction-costing and the technical and economic analysis were carried for input cylindrical cargo tank.
Keywords: LNG carriers, liquid natural gas, cargo containment system, Finite element analysis, calculation of costs of new building.
не
1есмотря на многолетний опыт эксплуатации существующих судов, перевозящих СПГ, технологии изготовления грузовых ёмкостей этих судов постоянно развиваются и совершенствуются. Исследования ведутся по таким направлениям, как повышение надёжности и экономической эффективности эксплуатации судов-газовозов, снижение себестоимости их строительства, создание технологии, не требующей большого специализированного производства и подготовки большого количества высококвалифицированного персонала.
В области создания судов-газовозов СПГ к наиболее распространенным типам грузовых емкостей можно отнести три типа емкостей, а именно:
• ёмкости типа MOSS, представляющие собой сферы (обычно алюминиевые) с наружной теплоизоляцией, устанавливаемые на специальных кольцевых фундаментах в корпусе судна;
• вкладные призматические самоподдерживающие ёмкости типа SPB, представляющие собой прочную конструкцию с внутренним набором и наружной изоляцией, соответствующие по форме внутреннему пространству судового отсека;
• мембранные ёмкости производства фирмы GTT, представляющие собой мембраны с изоляцией, опирающиеся на внутренний борт, внутреннее дно и внутреннюю палубу.
В настоящий момент сложились условия для того, чтобы создать новую отечественную уникальную технологию строительства судов-газовозов, освоение которой не будет связано с внедрением на производстве сложных и неосвоенных технологических процессов, но в то же время позволит освоить производство нового вида высокотехнологичной продукции судостроения.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр» была разработана вертикальная вкладная цилиндрическая ёмкость. Такой тип ёмкости видится более перспективным по сравнению с ближайшим прототипом — вкладной ёмкостью типа MOSS. Среди основных преимуществ можно выделить следующие:
• более полная утилизации полезного объёма трюмных помещений;
• уменьшение габаритных размеров ёмкости при схожей вместимости, что позволяет уменьшить ширину газовоза;
• вследствие уменьшения ширины улучшаются параметры качки и ледопроходимость газовоза;
• в случае изготовления ёмкости из алюминиево-магниевых сплавов предполагается снижение веса примерно в 1,5 раза;
• благодаря уменьшению веса и увеличению количества базовых элементов предполагается улучшение технологичности и уменьшение стоимости изготовления.
Для вкладной цилиндрической ёмкости были выполнены следующие проработки:
• Предложена надёжная система крепления ёмкости в корпусе судна.
Система крепления вкладной цилиндрической ёмкости в корпусе судна допускает использование как новых, так и хорошо апробированных технических решений. Так для установки вновь разработанной ёмкости может быть применена цилиндрическая кольцевая опора, аналогичная применённой для ёмкостей типа MOSS (рис. 1).
Определены массогабаритные параметры вкладной цилиндрической ёмкости, расположенной вертикально.
Массогабаритные параметры разработанной цилиндрической ёмкости (рис. 2) представлены в таблице.
• На основе современных расчётных методов и конечно-элементного анализа аварийной прочности судна выполнена оценка безопасности для наиболее опасных сценариев возникновения повреждений грузовых ёмкостей СПГ.
• Проведён анализ имеющегося опыта использования нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов в отечественной судостроительной промышленности с целью определения наиболее предпочтительных для работы в условиях низких температур материалов.
В качестве рекомендуемых материалов с учетом эксплуатации танков при криогенных температурах были предложены нержавеющие стали аустенитно-го класса (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 10Х14Г14Н4Т) и алюминиево-магниевые сплавы (1550, 1561).
• Разработана принципиальная технология изготовления конструкций и монтажа цилиндрических емкостей.
Совместно с ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта» была разработана технология изготовления конструкций вкладных цилиндрических ёмкостей и их монтажа на строящемся объекте. Выявлено, что в полном объеме технологию изготовления цилиндрических танков предлагаемых размеров, т.е. изготовление ёмкости в цехе и установку её на заказе возможно осуществить только при наличии на судостроительном предприятии кранового оборудования большой грузоподъемности, а это возможно только при модернизации существующих или создании новых судостроительных предприятий. Проект может быть реализован в новых цехах на ОАО «ДВЗ «Звезда», а также «НовоАдмиралтейской верфи» на о. Котлин.
В противном случае может быть использована традиционная технология формирования: разбивка ёмкости на секции (пояса) и последовательный их монтаж на заказе. При этом также могут возникнуть определенные трудности при установке секций ввиду малой грузоподъемности существующих портальных кранов (до 100 т).
• Комплексная технико-экономическая оценка.
Выполненная оценка строительной стоимости судов СПГ, использующих в качестве грузовых танков вновь разработанные цилиндрические ёмкости, показала, что с учётом веса вкладных ёмкостей по за-
Рис. 1. Цилиндрическая кольцевая опора ёмкости типа MOSS
Рис. 2. Сечение вкладной цилиндрической ёмкости
Массогабаритные параметры вкладной цилиндрической ёмкости
Характеристики Материал
АМг-61 Нерж. сталь 12Х18Н10Т
Вес, т 884 1278
Вместимость одного танка, м3 38750 38750
Радиус цилиндра (В), м 19,22 19,22
Диаметр цилиндрической части (Оси), м 38,43 38,43
Высота сферической торцевой переборки ф), м 5,15 5,15
Суммарная высота ёмкости (НВит), м 38,43 38,43
Высота цилиндрической части (Нса), м 28,13 28,13
а б
Рис. 3. Форма поверхности герметичного первичного барьера грузовой ёмкости:
а — в соответствии с технологией, используемой фирмой GTT; б — в соответствии с предлагаемым техническим решением
Рис. 4. Схема расположения гофрированных пластин, соединенных между собой при сварке герметичного первичного барьера грузовой ёмкости
Рис. 5. Схема конструктивного оформления емкости с первичным барьером для транспортировки и хранения сжиженного газа:
1 — первичный барьер (гофрированная пластина);
2 — вторичный барьер (плоская пластина); 3 — первичный теплоизоляционный барьер; 4 — вторичный теплоизоляционный барьер; 5 — конструкция корпуса судна (переборка)
тратам строительство таких судов сопоставимо или ниже стоимости постройки судов с традиционными вкладными танками. В результате сопоставления было определено, что наименьшей строительной стоимости можно достичь при установке на судне вкладных цилиндрических ёмкостей, выполненных из сплава 1561.
Строительная стоимость судна с вкладными цилиндрическими ёмкостями, выполненными из нержавеющей стали, оказалась несколько выше аналогичной стоимости судна с танками типа MOSS, что связано с большими весовыми характеристиками стальных цилиндрических ёмкостей.
Помимо вышеуказанных ёмкостей на суда СПГ устанавливаются мембранные танки, являющиеся неотъемлемой частью корпуса судна и имею-
щими неоспоримое преимущество, как в утилизации полезного объёма, так и в весовых качествах. Однако существующие типы мембранных ёмкостей (в основном, производства компании GTT) обладают рядом недостатков. Помимо высокой стоимости изготовления к ним можно отнести сложную форму металлических конструкций герметичного первичного барьера грузовой ёмкости, представляющую собой сочетание плоских участков с продольными и поперечными волнистыми гофрами (рис. 3а). Изготовление элементов таких конструкций сопряжено с их глубоким пластическим деформированием материала в зонах пересечения разнонаправленных гофров, в результате которого в нем появляются большие остаточные деформации и напряжения, которые весьма негативно сказываются в дальнейшем на статической и усталостной прочности (особенно в условиях динамического переменного нагружения, а также при перепадах температур, связанных с заполнением (опорожнением) грузовой ёмкости СПГ).
Наличие такого недостатка особенно негативно сказывается при создании больших грузовых ёмкостей, а также при эксплуатации частично заполненных ёмкостей, сопряженной с появлением слошинга (биения СПГ о боковые стенки резервуара во время транспортировки в условиях волнения), и выражается в увеличении вероятности появления в ней усталостных трещин и в потере герметичности конструкции. Увеличение толщины пластин не ведёт к ликвидации недостатков конструкции, поскольку увеличивает материалоёмкость конструкции, снижает гибкость герметичного барьера, которая необходима (особенно в районе пересечения волнистых гофров) для обеспечения возможности термического сжатия и растяжения пластин без риска нарушения герметичности.
Для преодоления указанных недостатков выполнена проработка новой мембранной ёмкости для судов, перевозящих СПГ в сложных (в том числе, в арктических) условиях. В результате для решения данных проблем было предложено (заявка на патент № 2012122343) выполнить первичный герметичный барьер грузовой ёмкости в виде гофрированной пластины, причем гофры должны иметь волнообразную форму (рис. 3б), а вершины и впадины волн образовывать форму зигзага. Гофрированные листы могут быть выполнены как из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, так и из алюминиево-магниевого сплава 1561. Они соединяются между собой в шахматном порядке (рис. 4) с помощью сварки (преимущественно внахлест). Гофрирование листов осуществляется за счёт их изгиба и не сопряжено с появлением заметных деформаций серединной поверхности элементов первичного герметичного барьера. Это обстоятельство существенно повышает
уровень усталостной прочности и надежности предлагаемой конструкции по сравнению с используемым фирмой GTT техническим решением, приводящим к появлению больших остаточных деформаций в серединной поверхности.
Первичный герметичный барьер применяется в сочетании с тепловой защитой из полимерных композитных материалов (рис. 5). Волнообразные лунки между гофрами с внешней стороны заполнены пористым синтетическим материалом или пастой на основе рубленого стекловолокна и связующего. В качестве пористых материалов может использоваться композиция на основе сферопластика, полиуретана или поливинилхлорида (пенопласта). В этом случае обеспечивается возможность клеевого соединения первичного герметичного слоя с первичным теплоизоляционным слоем из полимерного композиционного материала (ПКМ), представляющего собой бруски из пенопласта (пластины ПВХ), обформованные стеклопластиком. Вторичный герметичный слой при этом оформляется в виде алюминиевой фольги, обформованной стеклопластиком. Вторичный теплоизоляционный слой выполнен в комбинации пенопласта со стеклопластиком и содержит элементы, предназначенные для закрепления этого слоя на корпусе судна.
Размеры гофрированной пластины, составляют 320х320 мм, с углом гибки при вершине 10° и расстоянием между гофрами 80 мм — части первичного
барьера мембранной ёмкости, а толщина составляет 2 мм.
Выводы
Разработанная вкладная цилиндрическая ёмкость, имеет надёжную систему крепления, наиболее полно использует полезный объём трюмных помещений. Массогабаритные параметры ёмкости, сопоставимы с ближайшим прототипом. При этом по полученным результатам технико-экономической оценки наиболее целесообразной и экономически эффективной для строительства на отечественных судостроительных предприятиях является вкладная цилиндрическая ёмкость, выполненная из алюминиево-магниевого сплава 1561. Таким образом, вкладная цилиндрическая грузовая емкость из сплава 1561 может быть рекомендована для применения на судах-газовозах ледового плавания.
Для разработанной мембранной грузовой ёмкости решена задача по предотвращению её разгерметизации, вызванной слошингом. При изготовлении мембранного слоя ёмкости могут быть использованы освоенные отечественным производством металлические материалы. Для изготовления изоляционного слоя возможно применение современных полимерных композитных материалов в сочетании с тепловой защитой. Разработанная мембранная грузовая ёмкость может быть применена на судах-газовозах ледового плавания.
