Басниев К.С. Энциклопедия газовой промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

СПГ

Металл или

сплав,

— Никель

Монель*

Инконель*

— Алюминий

Ад4МС

AQ3

АМ1

-Медь

Алюмомедь

Латунь

Медь-никель

Химический

состав

N199,8

N170 Си 30

NI78CM5

Fe7

AI99.8

AI95Mg4

Mn0,4

CrO,2

AI97Mg3

AI +

1,25Mn

Си 99,8

Си 91 Al 9

Си 70 Zn 30

Си 70 Ni 30

Термообра-

ботка

ОТЖИГ

разрывная

нагрузка,

МПа

20"С

470

520

620

250

200

120

240

450

360

380

-196°С

590

770

800

150

380

300

220

360

560

450

580

предел упругости,

МПа

20°С

130

200

500

110

140

200

150

-19в"С

150

350

600

130

170

220

стеристики

удлинение,

ЯРС

-196°С

плотность KCV

декаДж/см

20"С

8,5

-196°С

3.5

3,5

* Коммерческое наименование.

Средние

механические

характеристики

металлов

и сплавов, не

имеющих

зоны

перехода

пластичности.

4.3.1.2.2.

Аустенитные стали

В нижеследующей таблице даны средние меха-

нические

характеристики наиболее часто исполь-

зуемых для СПГ аустенитных сталей, в которых со-

держание железа превышает 50% и которые, если

их используют для изготовления листовых матери-

алов

(корпуса резервуаров), подлежат француз-

ской

нормализации: NFA 36209 - Листы стальные

аустенитные для аппаратов под давлением при

низких

и сверхнизких температурах'.

Тем не менее настоятельно рекомендуют ис-

пользовать для СПГ аустенитные стали с добав-

кой

азота в условиях, когда напряжения под на-

грузкой

остаются ниже 80 МПа или даже 120 МПа

Сталь

Z2CN18-10 по американским нормам имену-

ется 304L

Сталь

Z2N 36 известна под коммерческим на-

званием Инвар. Она обладает очень низким значе-

нием

коэффициента расширения в зависимости от

температуры: 1,5

•

10"

К"

в интервале между -180 и

0°С, или примерно 1/10 этой величины для стали

304L Используется эта сталь, в частности, для

изго-

товления внутренних емкостей некоторых метаново-

зов

(см. § 4.6.1) и некоторых наземных резервуаров

(см.

§ 4.8). Ее теплопроводность изменяется от

8.36 Втм-'К-

при минус

160°С

до 14.63

Вт-М"

при

20°С.

Нормализация

(Afnor)

Z10CN 18-08

Z2CN18-10

Z10CNO1712-3

Z2CNO1712-3

Z10CNT18-11

Z10CNO

18-11

CN 25-20

Z 2CN18-10AZ

Z2 N36

Нормальный

состав

Cr18,Ni8,C<0,10

СМ8,

NM0, С < 0,03

СП8, NM2, МоЗ,

С < 0,10

СП8, NM2, МоЗ,

С < 0,03

Сг 18, Ni 11 + титан

Сг Ni + ниобий

Cr25,

Ni20

СП8, NM0 + азот

N136

Средние механические характеристики

разрывная

нагрузка,

МПа

20°С

550

450

580

500

600

560

600

480

-196°С

1300

1050

1 100

1000

1400

1250

1200

1400

870

предел упругости,

20°С

250

220

270

260

270

210

290

-196°С

350

300

450

400

450

420

470

650

620

удлинение,

20°С

-196°С

удельная

работа

деформации,

декаДж/с*г

20°С

1В

•

-196°С

Средние

механические

характеристики

аустенитных

сталей.

444

СПГ

4.3.1.3.

Металлы и сплавы, имеющие

зону перехода пластичности

Это семейство объединяет

обычные

нелегиро-

ванные

или легированные железистые стали, ко-

торые прошли термообработку и в

которых

сниже-

на концентрация примесей, и особенно стали с до-

СОЛвОЖЯииа

иыпеапа

13-

12-

10-

/ /f

9% / 5%У^ /

//з%/2%

///У

-250-200-150-100

15°С

Удельная

работа

деформации,

декаДж/см

по

Шарли

Т(°С)

бавкой никеля. В этих сталях происходит

смещение

зоны

перехода пластичности в сторону

низких температур. Кривые, на приведенном ниже

графике,

показывают характер изменения пере-

хода

зоны

пластичности для

различных

типов

ста-

лей с содержанием никеля от 0 до 15%.

Для использования в области СПГ рекомендует-

ся

только

сталь

с 9% никеля: зона перехода плас-

тичности ее находится ниже минус 186°С, механи-

ческие

характеристики лучше, чем у других сталей

(см.

рисунок) и она достаточно экономична в про-

изводстве.

Обычно

выплавляемая

в электропечах, эта

сталь

должна иметь строго определенный состав,

Е(МП1)

200000

190000

R,R«.Lf

1300

1200

1 100

(МПа)

1000

900

800

700

BOO

•—-

-200

-150 -1

•

• R

— , II

ТГС)

Изменение удельной

работы

деформации по Шарли У для

различных

сталей

с содержанием никеля от 0 до 9% а

зависимости

от

температуры.

Механические

характеристики

сталей

с содержанием 9%

никеля: Е -

модуль

упругости;

Я -

сопротивление

разрыву;

Re - предел

упругости;

U - предел

усталости

от пере-

менного

изгиба;

А.%-

удлинение

при разрыве.

Минимальные значения

механических

свойств

Сопротивление на разрыв при 20°С (МПа)

Предел упругости при 20°С (МПа)

Удлинение при 20°С (%)

Уд. работа деформации по Шарли V при -196°С по длине, мин

(декаДж/см

)

Уд. работ деформации по Шарли V при -196°С в поперечном

направлении, мин (дека Дж/см

)

Химический состав:

Углерод %

Никель %

Кремний

% макс.

Сера %макс.

Фосфор % макс.

Магний

%макс.

Хром %макс.

Молибден %макс.

ASTMA553

(американские

нормы)

690-825

585

Тил1

0,13

8,4-9,6

0,13-0,32

0,040

0,035

0,98

Тип

0,13

7,4-8,6

0,13-0,32

0,040

0,035

0,98

AfnorNFA36208

(французские нормы)

Лист

толщиной е S 30 мм

2686

588

индивидуальное значение: 5

среднее

значение: 6

0,12

8,5-9,5

0,35

0,035

0,8

0,20

0,10

Спецификации

прокатной

стали

с содержанием 9% никеля.

445

СПГ

если

хотят

придать ей

улучшенные

механические

свойства, и нижеприведенная таблица уточняет

минимально необходимые механические свойства,

требуемые нормами

(ASTM

ASME

- Afnor).

Сталь

с 9% никеля используется преимущест-

венно для изготовления криогенных емкостей и

трубопроводов или арматуры, где встречаются

трудности изготовления сложных по форме изде-

лий.

Ее теплопроводность изменяется от 19,23

при

-150°С

до 29,26 Вт

•

М"

•

К"

при

25°С.

4.3.1.4.

Частный случай сталей со

структурным отвердением

Мартенситные стали, имеющие характеристики

между аустенитными и легированными никелем

сталями, структурные отвердения, могут

быть

ис-

пользованы в криогенной технике, в частности

сталь

KS1140, механические характеристики кото-

рой

приведены в нижеследующей таблице.

4.3.1.5.

Сварка металлов и сплавов,

используемых в области СПГ

4.3.1.5.1.

Медь и медные

сплавы

Они всегда свариваются классическими спосо-

бами с использованием припоев с

составом,

анало-

гичным составам основных материалов.

4.3.1.5.2.

Алюминий и его

сплавы

Эти материалы должны свариваться электро-

сваркой в атмосфере инертного газа,

лучше

всего

автоматическим или полуавтоматическим спосо-

бом.

Сплав

AG 4MC, не так часто используемый, дол-

жен свариваться с алюминиево-магниевым припо-

ем с содержанием 5% магния (испарение магния).

4.3.1.5.3.

Аустенитные стали

Свариваемые элементы и припои должны выби-

раться преимущественно из марок с очень низким

содержанием углерода и с минимальным содержа-

нием примесей для того,

чтобы

эти материалы,

имеющие тенденцию к миграции в соединениях зе-

рен,

были

бы достаточно надежного качества,

чтобы

не возникало межзерновой хрупкости.

4.3.1.5.4.

Стали с 9% содержанием никеля

Для сварки этих сталей рекомендуется в каче-

стве припоя сплав типа инконель, статические ме-

ханические свойства которого и коэффициент рас-

ширения близки к аналогичным характеристикам

указанных сталей и который, кроме того, не имеет

зоны перехода пластичности.

4.3.2.

Другие криогенные

материалы

Кроме

металлов

многие другие материалы име-

ют подходящие характеристики в точно опреде-

ленной области - при низких температурах:

— земля (грунт),

— бетоны,

— дерево,

— пластмассы.

4.3.2.1.

Земля

Первый материал, который можно рассматри-

вать

как подходящий при строительстве криоген-

ных установок, - это сама земля. В самом деле, за-

мерзание воды, насыщающей

фунт,

придает ему

механическую прочность, позволяющую использо-

вать

его в качестве хранилища. Механическая

прочность замороженного

фунта

зависит не толь-

ко

от температуры, но и от насыщенности водой.

Необходимо

отличать

мгновенную прочность от со-

противления ползучести (текучести), которое во

много

раз меньше по величине. Это различие o6v

ясняется наличием

льда,

который служит цемен-

том между частицами грунта и обуславливает пла-

стичность и ползучесть замороженных фунтов.

Некоторые

фунты

типа глинистых вспучиваются

при

замерзании за счет впитывания воды, другие,

как,

например, песчаники, не имеют этой особенно-

сти.

Значительное вспучивание, наблюдаемое при

замораживании глинистых фунтов, объясняется не

замерзанием первичной воды, а поступлением в

фунт

воды в результате уменьшения парциального

давления

паров воды на фанице промерзания.

Грунт в криогенной технике используется в

двух

случаях:

— подземные резервуары, в которых СПГ хранят-

ся прямо в полостях,

вырытых

в замороженном

фунте. Эта техника, представляющая интерес

Состав, %

Углерод

<0,03

Никель 17-19

Кобальт 8 - 9

Молибден

3 - 3,5

Титан

0,15-0,25

Сера

<0,01

Магний

<0,1

Фосфор <0,01

Механические

характеристики

Предел

прочности

(разрывная нагрузка)

при 20°С, МПа

1400-1540

Предел

текучести

при

20°С,МПа

1 330 -1 470

Удлинение,

14-16

Удельная работа деформации

по Шарли V, дека

Дж/сшг

20°С

9-16

-196°С

5-8

Механические

характеристики

стали

1140.

446

СПГ

точки

зрения безопасности,

была

использова-

на в

некоторых

сулчаях

в шестидесятые

годы

(хранилища в Канвей Исланде в

Англии

и в Ар-

зеве в Алжире), но от нее отказались по

двум

причинам:

вокруг

хранилищ

происходит

по-

движка грунта; потери на испарение слишком

велики

(теплопроводность

грунта заключена в

пределах от 1 до 2 Вт

•

м-'

•

К"

);

—

противопожарные

рвы, окружающие наземные

резервуары, - хранилища СПГ.

4.3.2.2.

Бетоны

Бетоны являются криогенными материалами, их

механические

свойства: сопротивление сжатию, мо-

дуль

упругости, сопротивление разрыву, коэффици-

ент Пуассона, увеличиваются при низких темпера-

турах, в то же время ползучесть уменьшается. С

другой стороны, циклы нагрев-охлаждение им про-

тивопоказаны: бетон повреждается тем быстрее и

больше, чем больше влажность и чем больше терми-

ческий шок (амплитуда колебаний температуры).

Теплопроводность растет в интервале темпера-

тур от 20°С до -170°С на 30 - 60% для влажного

бетона и на 5 - 20% для сухого бетона. С другой

стороны, теплоемкость бетона уменьшается с по-

нижением

температуры, это понижение возможно

составляет около 50% при -170°С.

Обычно

применяют армированные бетоны. По-

этому

в каждом случае необходимо

учитывать

структурное поведение системы бетон-арматура.

При охлаждении благодаря разной степени сжатия

бетона и стали образуются внутренние напряже-

ния: в первой фазе замораживания влажный бетон

расширяется благодаря образованию льда, во вто-

рой фазе сокращает свой объем, и при -165°С су-

ществует значительное отклонение в степени де-

формации бетона и стали. Термические циклы в

интервале +20°С и -165°С

вызывают

более или

менее

значительное повреждение бетона.

В криогенной технике бетон используется по

двум направлениям:

— как первичный механический барьер для содер-

жания СПГ (пример - резервуары в Барселоне).

От этой технологии постепенно отказываются,

так

как, поскольку бетон плохо переносит цик-

лы нагрева-охлаждения, эти резервуары могут

быть

разогреты только в очень редких случаях;

— как

вторичный

барьер, предназначенный для

содержания СПГ в случае аварии в первичном

барьере. Эта технология в значительной степе-

ни увеличивает безопасность наземных

резер-

вуаров.

Одно из

побочных

применений бетона состоит в

использовании его в качестве изолирующего

мате-

риала (например, коллоидный бетон) на поверхнос-

ти

рвов

или ловушек, предназначенных для приема

СПГ в случае розлива из наземного резервуара.

Во всех перечисленных случаях применения

чувствительность бетона к термическим циклам

не

является проблемой, а его прочность к ударам,

огнестойкость и прочность при низких темпера-

турах делают его идеальным материалом.

4.3.2.3.

Древесные материалы

Все свойства древесных материалов улучшают-

ся с понижением температуры, и эти материалы не

отличаются особой хрупкостью в криогенных усло-

виях.

Поэтому деревянные отсеки используются в

качестве изоляции, когда хотят одновременно по-

лучить

достаточную механическую прочность и не-

большую теплопроводность.

Тем

не менее древесные материалы, используе-

мые в этом качестве, имеют три дефекта в крио-

генных условиях:

— они растрескиваются;

— их механические характеристики разбросаны;

— их усадка в десять раз больше в поперечном на-

правлении, чем в направлении волокон (раз-

мерная нестабильность).

Чтобы

избавиться от этих дефектов, часто при-

меняют древесные материалы в виде фанеры, из-

готовленной в виде листов древесины, склеенных

так,

что в соседних листах направления волокон

ориентированы различно. Свойства клеев, исполь-

зуемых при низких температурах, определяют

свойства фанеры, в криогенной технике применя-

ют всегда морские клеи.

Как

положительный факт следует отметить, что

теплопроводность фанеры

сильно

уменьшается с

понижением температуры и что при -160°С ее зна-

чение примерно вдвое меньше теплопроводности

при комнатной температуре.

Во всех метановозах, танки которых изготовле-

ны по мембранной технологии, фанера использует-

ся как изолирующий материал и механическая

опора, а одна из технологий использует фанеру как

материал

для вторичного барьера (см. §

4.6.1.2.1).

Материалы

Дерево

плотное

Лиственные

среднеплотные

(дуб, бук)

Лиственные

легкие (липа, бере-

за,

клен)

Хвойные

легкие (сосна),

лиственные

очень

легкие

(тополь)

Вальсовое

дерево

Фанеры

Плотность,

кг/м

800-1000

600-750

450-600

300-450

60-120

350

- 530

Теплопро-

водность

Вт

•

м"

•

К"

0,29

0,23

0,15

0,12

0,052

0,12-0,15

Свойства

древесных

материалов

при

комнатной

темпера-

туре.

4.3.2.4.

Пластмассы для

стыковых

соединений и арматуры

Каучук, который становится хрупким при низких

температурах, не может

быть

использован в крио-

генной технике. Вместо него в качестве прокладок

в соединениях и арматуре используют следующие

материалы:

— смеси синтетических эластомеров и асбеста: это

изделия,

названия которых в коммерческой прак-

тике

оканчиваются на "ит.": перманит, вулкорит,

клингерит и т.д. Наличие асбеста накладывает

определенные ограничения в использовании, та-

кие

как запрещение абразивной обработки;

— политетрафторэтилен

(ПТФЭ),

используемый

или в чистом виде (коммерческое название -

тефлон) или смешанный со стекловолокном

(коммерческое

название - Кел Ф).

447

СПГ

4.3.3.

Изолирующие

материалы

Неоходимость термоизоляции оборудования,

содержащего СПГ, показана в §

4.4.1.3.4.

4.3.3.1.

Критерии

выбора

термоизо-

ляции в криогенной технике

Хорошая изоляция должна отвечать пяти типам

критериев:

— физическим;

— механическим;

— безопасности;

— конструктивным;

— экономическим.

4.3.3.1.1.

Физические критерии

4.3.3.1.1.1.

Коэффициент теплопроводности

Изолирующие материалы, используемые в

крио-

генной

технике, имеют в большинстве

случаев

ве-

личину коэффициента теплопроводности меньше

0,050 Вт

•

м"

•

К"'. Численное значение этой харак-

теристики

зависит от температуры.

4.3.3.1.1.2. Непроницаемость

В отличие от паропроводов холод в

случае

СПГ

находится внутри трубопровода; влага воздуха

имеет тенденцию к проникновению внутрь тепло-

изоляции с образованием инея или

льда.

Коэффи-

циенты теплопроводности этих веществ имеют

средние значения (Я, = 0,6 Вт

•

м~'

•

К"

для воды и

Я.

= от 2 до 3,5 Вт

•

м"

• К"

для

льда

в диапазоне

от 0 до

-100°С),

поэтому общее качество тепло-

изоляции уменьшается.

Следовательно, необходимо использовать не-

проницаемую теплоизоляцию или предохранить ее

от проникновения воды посредством водонепрони-

цаемого покрытия или предохранить изолируемое

пространство от проникновения воды, создав в

нем избыточное давление с помощью сухого

газа.

4.3.3.1.1.3. Старение

Помимо проникновения влаги процесс старения

обусловлен тем, что некоторые виды теплоизоля-

ции вследствие внутренних химических изменений

(очень медленные вторичные реакции, миграция

компонентов) или внешних (изменения структуры

из-за

воздействия ультрафиолетового излучения

солнца, например) воздействий подвержены

трансформациям, которые

ухудшают

их первона-

чальные

изоляционные свойства. Применение та-

ких материалов требует особых мер предосторож-

ности при строительстве криогенных сооружений,

срок

службы которых превышает 20 лет.

4.3.3.1.2.

Механические критерии

4.3.3.1.2.1.

Плотность

Хорошая термоизоляция должна

быть

как мож-

но более легкой для

того,

чтобы

не перегружать

сооружения (резервуары, трубопроводы и т.д.), на

которые она наносится.

4.3.3.1.2.2. Термическая усадка

Если

изолирующий материал и изделие, на ко-

торое он нанесен, имеют различные коэффициен-

ты термоусадки, теплоизоляция должна иметь

термокомпенсирующие вставки (соединения).

4.3.3.1.2.3. Жесткость

Интересно отметить, что, в случае, например,

полиуретана, жесткость материала компенсирует

утяжеление из-за нанесения теплоизоляции.

4.3.3.1.2.4. Ударопрочность

Этот критерий важен в особенности для трубо-

проводов. Монтаж предварительно покрытых изо-

ляцией участков трубопроводов или особых узлов

вызывает необходимость использования

грузо-

подъемных механизмов, которые могут вызвать

удары, поэтому хорошая теплоизоляция не должна

быть

хрупкой.

4.3.3.1.3.

Критерии безопасности

По очевидным причинам для объектов газовой

промышленности термоизоляция должна

быть

ог-

нестойкой.

Нормы Afnor классифицируют различные тепло-

изоляционные материалы в соответствии с их ог-

нестойкостью.

4.3.3.1.4.

Эксплуатационные критерии

Теплоизоляция должна не только легко нано-

ситься но и

быть

легко контролируема, в частности

в особых точках, таких как, например, задвижки,

компенсаторы, опоры трубопроводов.

4.3.3.1.5.

Экономические критерии

Эти критерии, естественно, различны для раз-

личных

видов теплоизоляции.

Расходы

на оплату

труда при покрытии теплоизоляцией трубопрово-

дов СПГ пластинками предварительно изготовлен-

ного

полиуретана могли бы

быть

здесь определяю-

щим параметром (см. § 4.3.3.2.3).

4.3.3.2.

Различные

типы теплоизоли-

рующих материалов

Теплоизоляция может

быть

классифицирована

в четыре большие группы:

— многослойная теплоизоляция, называемая так-

же суперизоляцией;

— волоконные материалы;

— насыпные материалы;

— жесткие материалы.

4.3.3.2.1.

Многослойные теплоизолирующие

материалы

Суперизоляция получается наложением слоев

материалов с высокой отражающей способностью

(таких как алюминиевые листы, медные листы,

алюминированный милар) на материалы с низкой

теплопроводностью, например, нейлон. В

случае

поддержания в теплоизолируемом пространстве

давления

ниже 1300 Па, можно получить очень

низкое

значение коэффициента кажущейся тепло-

проводности,

порядка 2

•

10"

Вт

•

м"

•

К"

Этот вид теплоизоляции очень дорогой и приме-

няется главным образом в лабораторной технике и

в метрологии (измерительной технике).

448

СПГ

4.3.3.2.2.

Насыпные и волоконные материалы

Из

сыпучих материалов наибольшее распрост-

ранение нашли перлит и вермикулит, которые мо-

гут

накладываться

в виде секционированных объ-

емных блоков для предотвращения конвективного

переноса

тепла:

— перлит

получают

из вулканических горных по-

род

типа силиката алюминия. Нагретые

до

800°С,

эти алюмосиликаты теряют связан-

ную воду в паровой фазе. Остающиеся твердые

частицы раздуваются, образуя шарики, сред-

ний

размер которых порядка 0,5 мм. Более тон-

кие

порошки могут

быть

получены

механичес-

ким

дроблением;

— вермикулит состоит из расслоенной слюды, т.е.

разделенной на микроскопические пластинки.

Наиболее часто используемыми волокнистыми

материалами при строительстве зданий и в

крио-

генной

промышленности являются стекловолокно

минеральная вата.

Оба материала в качестве общего недостатка

способны

сорбировать влагу и поэтому должны

быть

помещены в пространстве под давлением су-

хого

газа или изолированы от влаги и находиться

под

небольшим абсолютным давлением.

Для справки:

— общий (кажущийся) коэффициент теплопровод-

ности

(Хк) некоторого пространства под давле-

нием

в криогенной технике составляет:

-К)

где

объем твердой

фазы

полный объем '

- коэффициент теплопроводности

газа;

- коэффициент теплопроводности твердой фа-

зы;

коэффициент теплопроводности насыпных и

волоконных материалов может

быть

значи-

тельно

уменьшен, если в теплоизолируемом

пространстве

поддерживать небольшое абсо-

лютное давление (1 300 Па) (см. нижеследую-

щий

график).

ЦВт

•

м-

•

К-

)

0,030.

0,025.

0,020.

0,015.

0,010.

0,005

Стеклово]

у''

1,3 13

riOKHojpM

/Шг

—-^Перлит (различные

Jr кажущиеся плотности)

Давление, (Па)

130 1300 13 000

4.3.3.2.3.

Жесткие

материалы

Если

исключить пробку, которая

является

при-

родным материалом, используемым в промышлен-

ности

СПГ с ее зарождения, другие применяемые

материалы являются промышленными с закрытой

структурой.

4.3.3.2.3.1.

Пенополистирол

Эта пластмасса производится в виде предвари-

тельно

подготовленных блоков,

получаемых

на ос-

нове этилена и бензола, и она имела бы хорошие

теплоизолирующие свойства, если бы не поглоща-

ла столько воды. Тем не

менее

легкость нанесения

полистирола способствует иногда его использова-

нию в качестве временной изоляции трубопрово-

дов,

но никогда для постоянной теплоизоляции.

тому же он легко возгорается (класс М5). Его

термоусадка колеблется около 7

•

10"

К"

в интер-

вале

-30 -

+30°С,

что в пять раз выше малоуглеро-

дистых сталей.

4.3.3.2.3.2.

Пеностекло

Этот материал, представляющий собой

абразивные остроугольные частицы с неприятным

запахом,

получают

нагнетанием сероводорода в

стекломассу. Пеностекло абсолютно влагостойко

огнеупорно (плавится около

550°С),

но хрупко,

тяжело (160

кг/м

)

и не удобно в применении.

4.3.3.2.3.3.

Поливинилхлорид (ПВХ)

Этот термопластический материал, более изве-

стный под коммерческим названием Клежесель

(Klegecel),

формируется под давлением 20,0 -

30,0 МПа при

175°С.

Пенообразователь, вводимый

в форму при

90°С,

при твердении геля позволяет

получить пену с закрытыми ячейками.

Этот способ изготовления термоизоляции может

быть

использован только в заводских условиях.

4.3.3.2.3.4.

Пенополиуретаны

Этот продукт имеет наилучшие свойства. Поли-

уретан получается в результате реакции между

изоцианатами и полиолями (производными

спир-

тов) в присутствии пенообразователя (фреона),

катализаторов и различных добавок, среди ко-

торых огнеупоры, придающие полиуретану свойст-

во самогашения.

Полиуретан может

быть

применен непосредст-

венно на стройплощадке (отлит на месте) или

предварительно изготовлен на заводе. Он или пря-

мо

напыляется на трубопровод или предваритель-

но отливается на заводе в виде блоков в форме

раковин.

Измеренный в лаборатории коэффициент теп-

лопроводности полиуретана равен 0,017 Вт

•

м~'

•

К"

;

его

значение стабилизируется на уровне

0,026 Вт

•

м~'

•

К"

в конце второго года. Плотность

колеблется в пределах между 40 и 90

кг/м

Порис-

тость порядка 5%.

Опыты, проведенные на образцах промышлен-

ных размеров, показывают, что полная изоляция,

сделанная из пенополиуретана, имеет следующие

значения коэффициента теплопроводности:

— отлитые на месте образцы:

• новые: 0,030 Вт

•

м~

•

К"

;

• после выдержки в несколько недель:

0,032 Вт

•

м-

•

К"

;

— предварительно изготовленные на заводе об-

разцы:

• новые: 0,034 Вт

•

м~'

•

К"

;

• после выдержки в несколько недель:

Вт-м"

выдержи

449

СПГ

4.3.3.2.4.

Сравнение теплопроводностей

различных теплоизолирующих

материалов

В нижеследующей таблица приведены значения

коэффициентов теплопроводности различных ма-

териалов - металлов,

газов,

жидкостей.

Материал

Медь

Алюминий

HtTffflTflllfr"""****

стиль

Нейлон

Бетон

Стекловолокно

Пеностекло

(-160°С)

Пенополистирол

Полиаинилхлорид

Полиуретан

Перлит

(-160°С)

Вода(0°С)

Лед(0°С)

Снег (0°С)

Метан

(-160°С)

Воздух

(-160°С)

Плотность,

кг/м

150

160

300

1000

0,7

Теюопроу^сть.

145

200

0,4

1.74

0,046

0,042

0,040

0,020

0,030

0.025

0,6

2.25

0,45

0,013

0,011

Коэффициенты

теплопроводности

различных

материа-

лов

-металлов,

газов,

жидкостей.

4.3.3.3.

Примеры применения тепло-

изолирующих

материалов в

промышленности

СПГ

4.3.3.3.1.

Трубопроводы

Полиуретановая пена часто используется для

теплоизоляции трубопроводов СПГ или холодного

газа.

Толщина

слоя изоляции выбирается на осно-

ве технико-экономических расчетов. На вышеупо-

мянутых

трубопроводах теплоизоляция может

выполнять

следующие функции:

— или минимизировать поступление

тепла

в тру-

бопроводы при приемлемой стоимости;

— или поддерживать эти трубопроводы в усло-

виях, не допускающих их обмерзания для

того,

чтобы

не

утяжелять

трубы ледяной шубой (в

этом

случае

величина теплопритока в трубо-

провод

не играет роли).

Полиуретановая пена

чаще

всего покрыта паро-

непроницаемой оболочкой, выполненной из слоя

битума, нанесенного между двумя листами алюми-

ния,

усииленного стекловолокном против проник-

новения влаги и металлической оболочкой для

предохранения от

случайных

внешних ударов.

Примечание: Теплоизоляция трубопроводов

СПГ

является

одновременно эффективным

проти-

вопожарным покрытием (см. § 4.10.1.6).

4.3.3.3.2.

Резервуары малой емкости

Резервуары малой емкости, такие как проду-

вочные емкости установок СПГ, обычно теплоизо-

лированы слоем полиуретана, напыленного на ме-

сте или в заводских условиях. Техника покрытия

такая же, как и для трубопроводов.

Автоцистерны (см. § 4.6.2) могут

быть

теплоизо-

лированы таким же способом или изолированы

перлитом,

поддерживаемым под небольшим абсо-

лютным давлением (1 КПа).

4.3.3.3.3.

Хранилища

4.3.3.3.3.1.

Мембранные резервуары (см. § 4.8.3)

Теплоизолирующий материал наносится на вну-

треннюю поверхность внешней оболочки.

Внутренняя емкость прикреплена к слою тепло-

изоляции.

—

Метод

Текнигаз

(Tachnigaz)

Теплоизоляция изготавливается из материала

Клежесель (поливинилхлорид) общей толщиной

168 мм и из облицовки толщиной 12 мм, нанесен-

ной

на мембрану для стенок обечайки и днища.

Крыша изолирована слоем стекловолокна толщи-

ной

300 мм.

—

Метод

Газотранспортной

компании (Gaz

Trans-

port)

Теплоизоляцией

является

перлитовый поро-

шок,

который находится внутри водонепроницае-

мых камер морского типа.

Теплоизолирующее пространство или находит-

ся под небольшим абсолютным давлением (0,1 -

1,0 КПа) или, наоборот, находится под давлением

(испарением

из емкости с азотом) для предохране-

ния порошка перлита от проникновения влаги.

4.3.3.3.3.2.

Резервуары с плавающей крышей

(см.

§ 4.8.3)

Теплоизоляция осуществляется перлитом для

корпуса,

пеностеклом для днища и стекловолок-

ном

для крыши, если последняя подвешена.

4.4.

Сооружение объектов СПГ

4.4.1.

Проблемы, связанные

с термодинамическим

состоянием

СПГ

Различают

проблемы, связанные с тем, что

СПГ:

— есть жидкость в состоянии, близком к точке ки-

пения;

— есть смесь простых (чистых) веществ;

— находится при низкой температуре.

4.4.1.1.

Испарение

Любой

приток

тепла

в устройство, содержащее

СПГ, приводит к частичному испарению последне-

го,

и если СПГ находится в закрытом объеме, теп-

лопритоки,

которые неизбежны, приводят к быст-

рому

возрастанию давления.

Для емкостей СПГ небольшого объема (напри-

мер,

отрезок трубопровода между двумя задвиж-

ками),

предохранительные клапаны сбрасывают

избыточное давление.

450

СПГ

Количества испарившегося продукта (потери на

испарение) на установке СПГ быстро становятся

значительными, их энергетической ценностью пре-

небречь нельзя, поэтому в общем

случае

для

улав-

ливания и обратного сжижения этих испарений ис-

пользуются следующие средства:

—

улавливание

(обычно созданием

давления)

судна, находящегося под

загрузкой,

на завод

или для возврата на судно, находящееся под

разгрузкой

(сливом), с терминала

(см.

§ 4.6.1.3.2);

— откачка компрессорами для возврата на вход

установки сжижения, для перекачки в систему

распределения терминала, для внутреннего

энергетического

потребления (топливный газ)

установки сжижения или для рекуперации

(см.

§4.7.1.2.1).

4.4.1.2.

Старение СПГ

СПГ, будучи смесью простых веществ, образует

пары состава, отличающегося от состава жидкос-

ти,

в парах представлены больше всего легколету-

чие углеводороды. Таким образом, состав остаточ-

ного

СПГ изменяется в сторону обогащения вьюо-

кокипящими

компонентами, и это явление

называется старением СПГ: теплотворная способ-

ность и число Воббе увеличиваются.

Примеры:

— для СПГ, содержащего азот, компонент более

летучий, чем углеводороды, испарения будут

состоять, главным образом, из метана и азота;

СПГ с содержанием 1% азота равновесен с па-

ровой фазой с содержанием 20% азота;

— старение первоначального объема 50000 м

хранимого СПГ состава: 1% азота, 89% метана

и 10%

тяжелых

углеводородов приводит к уве-

личению высшей теплотворной способности на

ватт-час

в сутки и числа Воббе для среднего

объема испарений 2000 нм

/час.

Особые случаи:

— старение и усадка СПГ в хранилищах

(см.

§4.10.2);

— старение в пониженных точках сети СПГ (про-

дувочные резервуары и т.д.) в зависимости от

времени пребывания СПГ в этих местах. В ре-

зультате

может произойти полное испарение

метана, разогрев жидкости выше

-80°С,

опас-

ность замерзания оставшихся

тяжелых

углево-

дородов во время прохождения порции свежего

СПГ и, как следствие, забивка твердой фазой

фильтров

СПГ. Следовательно, важно следить

за

периодическим обновлением СПГ в

пони-

женных точках системы.

4.4.1.3.

Температура СПГ и оборудова-

ние,

в котором он находится

4.4.1.3.1.

Осушка оборудования после

гидравлических испытаний и перед

пуском в эксплуатацию

Эта сушка должна

быть

особо тщательной в свя-

зи

с необходимостью предупреждения поврежде-

ния движущихся деталей (штанги, запорные эле-

менты задвижек, оси насосов и т.д.) образующим-

ся льдом.

Осушка обычно производится циркуляцией азо-

та при температуре окружающей среды, что ис-

ключает образование мертвых зон и осушает все

детали

трубопровода (отводы и т.д.). Процесс

осушки контролируется замерами точек росы по

воде во многих точках системы, они должны

быть

ниже-30°С.

4.4.1.3.2.

Захолаживание и поддержание

холода

Захолаживание оборудования (в процессе перво-

го

запуска, после ремонта, аварийного разогрева и

т.п.)

является

нестационарным процессом и требует

соблюдения следующих предосторожностей:

— для оборудования, имеющего небольшую мас-

су, и для трубопроводов внутренним диаметром

менее 600 мм захолаживание производится

прямым способом, и темп их заполнения СПГ

лимитируется только общими механическими

соображениями, изложенными ниже;

— для массивного оборудования захолаживание

должно

быть

постепенным, рекомендуется

градиент температуры порядка 3 - 5°С в час

для резервуаров и больших емкостей, а также

для трубопроводов больших диаметров. Равно-

мерное захолаживание реализуется с по-

мощью пульверизаторов, распределяющих

СПГ -

охладитель

перед собственно наполне-

нием системы СПГ.

В любом

случае

необходимо контролировать:

— деформации (перемещения) трубопроводов,

сравнивая их с теоретическими значениями;

— свободу движения подвижных

опор;

— захолаживание подвижных деталей, особенно

в соединениях (неравномерное захолаживание

подвижного

фланца

может вызвать утечки);

— общий объем испарений.

В процессе нормальной эксплуатации элементы

оборудования по возможности поддерживаются в

захоложенном состоянии или циркуляцией или ис-

парением СПГ. Захолаживание испарением долж-

но сопровождаться дополнительными предосто-

рожностями:

— периодическая замена СПГ во избежание

слишком быстрого старения (разогрев оборудо-

вания и опасность замерзания

тяжелых

углево-

дородов при контакте со свежим СПГ;

— наблюдение за работой дегазирующих уст-

ройств во избежание опасности проникновения

жидкости

в систему, питаемую

газом.

4.4.1.3.3.

Соединения

между

нагретыми

холодными частями

Некоторые элементы оборудования (такие как

краны и задвижки) имеют одну часть, работающую

при

температуре СПГ, и другую, находящуюся при

температуре окружающей среды. Температурное

разделение обеспечивается длиной частей, поэто-

му необходимо следить за качеством изоляции и

отсутствием утечек, которые могли бы изменить

температурный градиент.

Это касается также некоторых типов насосов, у

которых вал имеет переменную температуру: уд-

линение деталей и хорошее состояние криогенных

уплотнений являются объектом постоянного кон-

троля.

4.4.1.3.4. Теплоизоляция элементов

оборудования

Эта теплоизоляция выполняет две функции:

— с одной стороны, роль механической защиты

против

перегрузки,

возможной при формирова-

451

СПГ

нии слоя конденсационного

льда

и возможной

деформации;

— с другой стороны, ограничение теплопритоков,

вызывающих испарения, -

роль,

превали-

рующая для элементов оборудования сетей

СПГ, не предназначенных для регазификации.

4.4.2.

Проблемы чисто газовые

4.4.2.1.

Техника безопасности

в области СПГ

Проблемы безопасности на установке СПГ ре-

шаются соответствующим

выбором

следующих

элементов:

— криогенных материалов (см. § 4.3);

— типов оборудования, в котором содержится

СПГ (см.

§4.5-4.9);

— способов и средств

борьбы

с авариями, вызван-

ными СПГ (см. §

4.10).

Кроме

этого, руководствуются правилами техники

безопасности.

Бдительность обслуживающего персонала, на-

пример,

должна

быть

повышенной в случаях:

— работ, таких как отключение участка трубопро-

вода для производства работ, имея в виду, что

задвижки

всегда в какой-то степени пропуска-

ют (см. §

4.9.4);

— работ, производимых в загазованной среде, из-

за

возможности отравления метаном или азо-

том

- продуктами, широко используемыми в ус-

тановках СПГ.

4.4.2.2.

Качество

газа

— Случай метанового терминала:

Постоянные значения теплотворной способнос-

ти

и числа Воббе природного

газа,

направляемого

в распределительную сеть, не могут гарантиро-

ваться

постоянно на уровне их максимальных зна-

чений,

после того как продолжительность хране-

ния составит определенный срок (старение).

Корректировка

их значений может

быть

достиг-

нута:

—

смешением

в жидкой фазе с менее богатым СПГ;

— добавкой инертного

газа

(азота,

воздуха) или из-

влечением фракции пропан-бутан (см. §

4.7.1).

Независимо

от способа корректировки, автома-

тизация

процесса требует предварительного рас-

чета

и сооружения цепи автоматического регули-

рования с обратной связью, учитывая, что время

реагирования системы автоматического регулиро-

вания

обычно

больше, чем время прохождения

газа

от точки отбора из хранилища до точки подач-

ки

в распределительную сеть. Эта система автома-

тического регулирования должна

быть

продубли-

рована автоматикой остановки быстрого действия.

4.4.2.3.

Одоризация

газа

Поскольку СПГ не содержит пахучих компонен-

тов, для метанового терминала или для станции

покрытия

пиковых

нагрузок в общем случае преду-

сматривается

одоризация после регазификации

(пример:

введение Т.Н.Т. - одоранта и

т.д.).

4.5.

СЖИЖЕНИЕ

ПРИРОДНОГО

ГАЗА

4.5.1.

Особенности сжижения

природного

газа

Поскольку сжижение метана под атмосферным

давлением происходит при

-161

°С, необходимо до-

стигнуть примерно -160°С для сжижения природ-

ного

газа,

в котором метан является главным ком-

понентом.

Кроме

особенностей, касающихся применяемых

материалов,

изложенных в разделе

4.3,

и проблем

пуска в эксплуатацию сооружений, заполняемых

природным холодным и сжиженным

газом,

изло-

женных в разделе

4.4.,

существуют определенные

аспекты,

связанные с низкой температурой:

— необходимость выделения на предварительной

ступени охлаждения определенных веществ,

содержащихся

в пластовом

газе,

которые при

-160°С

конденсируются в твердой фазе и обра-

зовали бы твердые осадки в теплообменниках

холодильных

машин (испарителях);

— необходимость извлечения ректификацией тя-

желых углеводородов

(С^.),

которые тоже кон-

денсируются при низких температурах; эти уг-

леводороды извлекаются в большом количест-

ве (С

, С

и даже С

), если возможна прямая

коммерциализация

(продажа);

— необходимость сооружения больших энергети-

ческих установок для сжижения.

4.5.2.

Процессы сжижения

природных газов

4.5.2.1.

Общие сведения о процессах

В типичной ситуации имеют сырой природный

газ

высокого давления при температуре окружаю-

щей

среды (40 бар, +20°С). Сжижение производит-

ся в серии теплообменников (испарителей холо-

дильных

машин), которые обеспечивают последо-

вательное охлаждение, полное сжижение и

некоторое

переохлаждение. Очистка и фракцио-

нирование (см. §

4.6.2.5)

реализуются, как и основ-

ная доля охлаждения, под высоким давлением.

Холод производится одним или несколькими хо-

лодильными

циклами, позволяющими снизить тем-

пературу от +20 до -160°С; количество необходи-

мого

холода рассчитывается по энтальпийным ди-

аграммам

для природного

газа

(см. диаграмму на

стр.441).

Сжижение

завершается однократной сепараци-

ей

(изоэнтальпийное расширение после регулируе-

мого

штуцера) для снижения давления СПГ до ат-

мосферного.

Выбор

холодильных

циклов связан с термодина-

мическими

и экономическими соображениями, а

также

с развитием техники (конструкция и

макси-

мальные размеры оборудования, расчет процесса

на ЭВМ).

452

СПГ

Установки сжижения являются большими по-

требителями

энергии.

Эта энергия обычно производится за счет по-

требления части сжижаемого газа (в тепловом эк-

виваленте около 12%). На практике в режиме нор-

мальной работы в общем

случае

используются вме-

сте сырого газа один или несколько производных

продуктов,

получаемых

обязательно при фракцио-

нировании (С^, газ сепарации - СНЦ + N

и т.п.).

Эти производные продукты по количеству и ка-

честву подбираются исходя из состава сырого

газа,

из выбора коммерциализуемых продуктов

фракционирования (т.е. реализуемых на рынке).

Величины температуры и давления, при ко-

торых должно происходить фракционирование,

важны с точки зрения выбора процесса сжижения.

4.5.2.2.

Принципиальные схемы

холодильных

циклов

Холодильный

цикл есть система, состоящая, в

основном,

из:

— холодильного агента, который подвергается

ряду термодинамических превращений и обес-

печивает передачу тепла;

-гашяратурв

окружающей.

машина

низкая

тмимратура

расширительное

устройство

таыпаратура

окружающая

Холодильный

цикл.

машина

таппообшимк

расширительное

устройство

— теплообменника-холодильника, который обес-

печивает при постоянном давлении передачу

тепла

горячему источнику;

— расширительного устройства, снижающего тем-

пературу и давление холодильного агента;

— теплообменника-нагревателя, позволяющего

при

постоянном давлении перенос

тепла

к хо-

лодному источнику.

Теплый

источник - это обычно флюид в неогра-

ниченном количестве, такой как вода или воздух.

Холодный

источник - это то, что нужно охладить,

в данном

случае

сжижаемый природный газ.

Характеристики цикла

улучшают,

добавляя

схему теплообменник-экономайзер, который пере-

охлаждает

флюид перед дросселированием.

4.5.2.2.1.

Циклы с чистым веществом

фазовым переходом

Для применяемых

флюидов

и их термодинамиче-

ских

характеристик эти циклы позволяют достиг-

нуть

температуру только приблизительно до

-50°С.

Флюид

Машина

Охладитель

Расширение

Нагреватель

Экономайзер

CO2.NH3.C3He,

фреон

Компрессор

Конденсатор

воздушный или водяной

Дроссель

(изоэнтальлийный)

Испаритель под атмосферным давлением

Переохладитель жидкости

Действительно, не существует чистых веществ,

которые имели бы одновременно температуру ки-

пения при атмосферном давлении ниже

50°С

и кри-

тическую температуру выше

40°С

- условия, необ-

ходимые для работы испарителя и конденсатора

(см.

рисунок с. 454).

Эти циклы могут

быть

соединены в каскады та-

ким

образом, что каждый цикл образует холодный

источник

предыдущего цикла, а критическая тем-

пература

флюида

цикла (л + 1)

была

бы всегда

выше температуры кипения

флюида

цикла п: это

позволяет достичь более низких температур.

Например.температура

-160°С

может

быть

по-

лучена

тремя хорошо подобранными циклами с

пропаном,

этиленом и метаном (см. рисуноки с. 454

455).

4.5.2.2.2.

Газовые циклы

расширительной машиной

Они позволяют получить напрямую в одном цик-

ле очень низкую температуру.

Холодный

цикл с

экономайзером.

Флюид

Машина

Охладитель

Расширение

Нагреватель

Экономайзер

Идеальный газ (критическая температура

ниже

или равна -£0°С), такой как

азот,

воз-

дух, метан

Компрессор

Охладитель после компрессора

Изоэнтропическая

расширительная турбина

Теплообменник

природного

газа

453