книги из ГПНТБ / Иванцов, О. М. Железобетонные резервуары для сжиженного природного газа в США научно-технический обзор
.pdfперераспределив его в своей толще. Однако оптимальная толщина обсыпки, которая практически устранила бы это давление, иссле дованиями не была установлена.
Для промышленных резервуаров было принято решение подогре вать грунт.
Система электрообогрева грунта была исследована на моде лях. Изучение этого вопроса показало (рис.7,8), что для вос препятствования движению отрицательных изотерм под резервуар нагреватели следует выводить за пределы днища.
СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ ПРОДУКТА
Важным показателем хранения СПГ является величина испаре ния продукта, которая зависит от теплопритока в резервуар.
Специалисты рассчитали скорость испарения СПГ для железо бетонных резервуаров различных объемов (от 16000 до 70000 м3)? имеющих одинаковую толщину теплоизоляции (табл.2).
Таблица 2
Емкость ре* :0бъем хра :Диаметр ,м:Высота столба;Скорость ис-
зервуара.м |
нимого га- |
|
: заливаемой |
парения,сут. |
|
па,млн.м3 |
|
: жидкости,м ; |
|
16000 |
10 |
42 |
9,1 |
0,29 |
32000 |
20 |
54 |
13,5 |
0,25 |
45000 |
28 |
60 |
15,3 |
0,22 |
70000 |
45 |
72 |
18,0 |
0,18 |
Из табл.2 видно, что с увеличением объема резервуара с 16000 до 70000 м3 суточные потери от испарения снижаются в
1,6 раза.
На частном примере заглубленного резервуара емкостью 45000 м3, диаметром 60 м с разной толщиной теплоизоляции и грунтовой обсыпки были проведены расчеты суточных скоростей испарения в % от общего объема (табл.З).
20
Таблица 3
Толщина :Суточная скорость испарения в % от общего объема
теплоизо-: |
для грунтовой обсыпки стенки толщиной, |
м_____ |
||||||
ляции из |
: |
0,6 |
: |
1,5 |
: |
3 |
: |
6 |
пеностек-: |
||||||||
ла. мм |
: |
|
|
|
|
0,36 |
|
0,27 |
80 |
|
0,61 |
|
0,50 |
|
|
||
150 |
|
0,33 |
|
0,29 |
|
0,24 |
|
0,18 |
300 |
|
0,17 |
|
0,16 |
|
0,14 |
|
0,12 |
500 |
|
0,12 |
|
0,11 |
|
0,10 |
|
0,09 |
Целесообразная толщина изоляции определяется в результа те анализа экономического баланса скорости испарения и стоимо сти повторного снижения с учетом требований эксплуатации,каса ющихся величины оборачиваемости резервуара.
Обычно ежедневное испарение продукта в новейших резервуа рах, построенных за последнее время, поддерживают в пределах 0,05-0,1% от общего объема хранилища.
Для резервуаров, построенных на непучинистых грунтах.на пример в песке, без нагревательных спиралей температура обсып ки будет медленно понижаться, что приведет к изменению гради ента по толщине стенки,и,следовательно,к снижению притока теп ла и скорости испарения.Таким образом,скорость испарения для обсыпанного грунтом резервуара после первого года эксплуата ции будет значительно меньше, чем для наземного резервуара то го же размера,с той же толщиной изоляции. Скорость испарения в подземных резервуарах за период с первого месяца до одного года эксплуатации снижается примерно на 20%, причем снижение скорости испарения существенно зависит от толщины теплоизоля ции и от свойств грунтовой обсыпки. При расчете движения изо
терм в качестве модели принимали сферу радиусом, равным радиу су стенки резервуара, что не очень искажает истинную картину температурного поля.
21
СТОИМОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА РЕЗЕРВУАРОВ
Стоимость строительства железобетонных резервуаров для СПГ разного объема по элементам конструкций с теплоизоляцией из перлита, обеспечивающей потери от испарения,не превышающие 0,1$ в сутки, приведена в таблЛ.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
|
Стоимость,долл.:________ Объем резервуара, |
м3______________ |
|||||||
_______________ : 16 000 |
: 32 000 |
: 45 |
000 |
: 72 000 |
||||
Общая |
821 000 |
I 252 |
000 |
I 531 |
000 |
2 062 |
000 |
|
Железобетона |
2 455 000 |
417 |
000 |
530 |
000 |
760 |
о О О |
|
Теплоизоляции |
176 |
000 |
212 |
000 |
241 |
000 |
277 |
000 |
Электрона |
|
|
|
|
|
|
|
|
гревательных |
8 000 |
12 |
000 |
15 |
000 |
22 |
000 |
|
элементов |
||||||||
Облицовки из |
308 000 |
479 |
000 |
571 |
000 |
760 |
О О О |
|
стали |
||||||||
Строительных |
|
|
|
|
|
|
|
|
и монтажных |
84 |
000 |
133 |
000 |
175 |
000 |
233 |
000 |
работ |
||||||||
I м3 емкости |
|
51 |
|
-39 |
|
34 |
|
29 |
С увеличением объема резервуара в 4,5 раза стоимость I м3 полезной емкости снижается в 1,7 раза.
Основную стоимость резервуара (40$) составляет стоимость стальной облицовки из 9$-ной никелевой стали толщиной 4,5 мм. Из общей стоимости облицовки на днище приходится 32$, на стен ку - 30$, а на покрытие - 38$.
С применением более тонкого листа пропорционально снизит ся стоимость облицовки. Исследования показали, что можно ис пользовать также и более дешевые стали.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
При выполнении намеченной программы был разработан резер вуар емкостью 45000 м3 (рис.9).
22
Основание резервуара представляет собой железобетонную плиту с теплоизоляцией из пеностекла толщиной 300 мы. В каче стве изолирующего экрана для продукта применялась нержавеющая сталь типа 304 или сталь с содержанием никеля. С наружной сто роны бетонные стенки облицованы стальным листом, по которому
навита кольцевая напряжен ная арматура. Аркатура за щищена слоек торкрет-бето на. На стенку, как и на днище, уложен слой тепло изоляции, но вместо пено стекла предусмотрен пено полиуретановый пенопласт. Железобетонный купол в месте опирания на стенку усилен кольцом жесткости из предварительно-напря женного железобетона и облицован сталью. Купол теплоизолирован пенопла стом.
При заданной толщине теплоизоляции скорость испарения продукта из ре зервуара достигает 0,22% в сутки.
Для предотвращения льдообразования под дни щем и в нижней зоне стен ки на расстоянии 1,5 м от наружной поверхности резервуара предусмотрена
система электрообогрева с нагревателями из прутко вой стали.
В криогенном резерву аре действуют два фактора, вызывающие растяжение, - термический и гидростати-
Рис.9. Сопряжение стенки железобе
тонного изотермического резервуа ра с покрытием и днищем:
I-железобетонный купол; 2-тепло изоляция; 3-кольдевая арматура; 4-пароизоляция; 5-торкрет-бетон; 6-сборная железобетонная стеновая панель; 7-облицовка из стали: 8-компенсатор; 9-фундамент;10-же- лезобетонная плита; П-напрягае-
мая арматура
23
чеекий. Если при охлаждении резервуара внутренняя поверхность стенки оказывается холоднее наружной, то температурный гради ент вызывает на этой поверхности растягивающие усилия как в меридиальном, так и в кольцевом направлениях. Гидростатическое давление жидкости будет также вызывать растягивающие усилия. В процессе первоначального охлаждения резервуара напряжения от температурных воздействий будут определять работоспособ - ность конструкции, поэтому безопасные градиенты температур в элементах и скорость охлаждения резервуара должны задаваться конструктором. После охлаждения и залива резервуара продуктом гидростатическая нагрузка будет основным фактором, способст вующим возникновению растягивающих напряжений.
Предварительное напряжение может существенно уменьшить или совсем устранить растяжение бетона. Если стенку толщиной 30 см обжать с усилием до 80 кгс/см^, то растяжение от темпе ратурного градиента Ю ° С будет устранено, следовательно,при меньшем обжатии на стенку может быть допущено и меньшее тем пературное воздействие, и охлаждение должно производиться мед леннее. Обычно скорость .охлаждения ограничивают с таким рас четом, чтобы перепад температур на стенке не превышал 15°С.
Эти сведения приводятся только для иллюстрации. Чтобы оп ределить усилия и напряжения в конструкциях, необходимо под робно изучить особенности резервуара и выполнить ряд расчетов.
Сборная железобетонная стенка резервуаров для создания необходимой трещиностойкости напряжена в кольцевом и мериди альном направлениях.
Железобетонные панели стенки при изготовлении были обли
цованы с наружной стороны тонким листом из никелевой |
стали |
(рис.10). |
|
Расположение стальной облицовки снаружи стенки было выб |
|
рано для удобства проведения строительных работ, а также |
с |
целью снижения температурного градиента между железобетоном и прилегающей облицовкой в процессе охлаждения. Известно,что большинство металлов имеет более высокую теплопроводность, чем бетон. При размещении облицовки с внутренней поверхности она быстро охладится и отойдет от стенки. Если не будут пре дусмотрены специальные конструктивные мероприятия, обеспечи вающие их совместную работу, может возникнуть опасность раз рыва облицовки стенки от неравномерного прилегания ее к желе зобетону при обратном движении,побуждаемом гидростатическим давлением продукта.
Однако введение мероприятий, удерживающих облицовку, су щественно усложнит ее конструкцию и технологию сооружения.
Наружная облицовка |
об |
|
|
||
жимается |
высокопрочной |
про- |
1 |
3 |
|
волокой |
и не испытывает |
|
|
|
|
растягивающих усилий. |
В |
|
|
||
этом случае облицовку мож |
|
|
|||
но выполнить из углеродис |
|
|
|||
той стали, что даст суще |
|
|
|||
ственную экономию. Напряже |
|
|
|||
ние стеновых панелей в ме- |
|
|
|||
ридиальном |
направлении |
|
|
|
|
осуществляется при их из |
|
|
|||
готовлении |
на заводе. |
|
|
|
|
Днище |
резервуара со |
|
|
||
стоит из нескольких слоев: |
|
|
|||
по уплотненному грунту от |
|
|
|||
сыпана песчаная подушка, |
|
|
|||
по верху |
которой уложена |
|
|
||
пластмассовая пленка для |
|
|
|||
исключения |
адгезии мерз |
|
|
||
лого грунта |
к вышележащим |
|
|
||
слоям. На пленке располо жена железобетонная плита со стальным листом, выпол няющим функции герметизи рующего экрана. В проекте не предусмотрено мер, обеспечивающих трециностойкость плиты от терми
ческих воздействий. Плита лишь выравнивает неровности тепло изоляционного слоя и защищает его в процессе производства ра бот.
Стальная облицовка днища проходит под железобетонной стен кой. Участок облицовки стенки отделен от днища сильфонным ком пенсатором. Компенсатор имеется также в районе кольца жестко сти купольного покрытия с целью снятия с купола напряжений из гиба от гидравлической и температурной нагрузок. Компенса -
25
тор позволяет купольному покрытию проскальзывать по верху же лезобетонной стенки и обеспечивает свободу поворота на неко торый угол.
На куполе предусмотрен тонкий слой почвы с поверхностным экраном, отражающим солнечную радиацию. Экран из светлой крас ки наносится по тонкому слою асфальта, защищающему грунт от эррозии.
ОПЫТНЫЙ РЕЗЕРВУАР
После окончания разработки резервуара для СПГ емкостью 45000 м3 и проведения серии экспериментов было решено постро
ить и испытать модель такого резервуара в |
часть натуральной |
величины. Резервуар емкостью 160 м3 был сконструирован и по строен фирмой "Прилоуд" (рис.II).
Рис.II. Опытный резервуар емкостью 160 к3 для 0Г1Г: 1-полиэтиленовая пленка; 2-вентиляция; 3-пеностекло^-гид роизоляция: 5-торкрет-бетон; 6- железобетон 7-кольцевая арматура; 3-экран из стали; 9-компенсатор; 10-днище; П-песок; 12-полиэтиленовая пленка; 13-электронагревателъ-
ные спирали
26
Испытания проведены заливом жидкого азота. Резервуар был оснащен приборами для замера температурных полей, деформаций конструкций и определения величины испарения.
Внутренний диаметр резервуара равен 9 м, высота стенки - 2,6 м.
Резервуар был построен за 6 месяцев в основном в зимнее время. Был вырыт котлован глубиной 4 м, сооружена дренажная система, выполнена песчаная подушка под днище и установлены нагреватели. Стеновые панели стенки - из предварительно-нап ряженного бетона, облицованного снаружи нержавеющей сталью в заводских условиях.
Стыки между панелями покрытия были омоноличены бетоном. На стенку навита в два слоя высокопрочная проволока с защит ным слоем торкрета по каждому слою. Снаружи резервуар изолиро ван теплоизоляционными плитами из пеностекла толщиной 100 мм с защитным покрытием. Пеностекло прижато к стенке полиэтиле новой лентой, навитой на его поверхность.
Резервуар оборудован пластмассовыми трубами диаметром 19 мм, установленными с шагом 60 см снизу до покрытия; трубы используются как щупы для определения конденсации и темпера
туры выходящего из них газа, появление которого в трубах ука зывает на разгерметизацию резервуара. Температуру замеряли переносными термопарами, оборудованными точными патенциомет - рами.
В стенке резервуара, покрытии, днище и в грунтовой обсып ке были установлены 150 стационарных термопар. Температура ре гистрировалась каждый час и записывалась при помощи компьюте ра, что давало возможность получать оперативную информацию распределения температурных полей на любой момент времени.
Скорость испарения продукта измеряли двумя способами: при помощи стандартного расходомера диаметром 150 мм с паро вым нагревом и непосредственным измерением уровня жид кости каждый час через смотровые отверстия. Точность замера уровня по этому способу составляла *3,0 мм.
С помощью обоих способов информации об уровне жидкости можно было судить о герметичности емкости.
Поскольку резервуар строили на пучинистых грунтах, под днищем была сооружена система обогрева, для чего всю площадь основания разделили на четыре карты. Система предусматривала
27
возможность безаварийно!: работы резервуара даже в случае, ес ли теплопритокк через днище по каким-либо причинам увеличатся в три раза по отношению к норме. Каеды» блок был автономно присоединен к своему трансформатору и измерительно;: аппаратуре.
По периметру резервуара па уровне компенсатора, разделя ющего покрытие и стенку, па расстоянии 0,3 м от нее, были ус тановлены 8 распыляющий: сопл дли равномерного охлаждения стен. При распылении жидкость превращалась'в нар, который от бирал тепло от стен. Система душпрованкя опытного резервуара обеспечивала существенное снижение температурных градиентов по высоте стенки. Ока оказалась простои и надежной. Работа с этой системой показала, что для резервуаров больших объемов
потребуется установка дополнительных распылителе!: в центре хра нилища.
Перед заливом в резервуар СПГ провели пробное охлаждение резервуара в течение двух суток с целью проверю: работы сис - т е ш охлаждения при различных скоростях подачи жидкого азота.
8а 13 ч в резервуар ввели 2500 л жидкого азота со ско ростью 100 - 30а л/ч, что обеспечивало скорость охлаждения ре зервуара 2°С/ч при перепаде температур на стенке 3°С. Это сказалось намного меньше предполагаемой разницы температур, так как стенка была рассчитана на перепад 15°С по толщине па нели 100 мм.
Sanoii перепад мог быть получен при сгор-сти охлаждения
5°С/ч, чему |
соответствует |
подача жидкого |
азота в объеме |
IICG-I6G0 л/ч. В связи с этим скорость дуыцрозеакл стенки бы |
|||
ла увеличена |
до б00-ЮО0л/ч. |
Уаксимальпы:. градиент темпе |
|
ратур при этом составил 9°С. |
Такая скорость |
и была принята |
|
для основного режима охлаадеипя.
Охлаждение резервуара было проведено ..за 6-5 ч, на что по требовалось 68 к3 азота. Скорость охлаждения в некторхи ..оыонтн достигла 13°С/ч при температурном перепаде па толмхвч стен ки П°С. Средняя скорость составляла примерно 4°С/ч, • сред ние градиенты - 6°С. Спустя 45 ч средняя температура •.слезобетонной стенки составляла 125°С, что достаточно для свобод ного заполнения резервуара жидш.'ы азотом с больше:: скорость';.
После.окончания залива в резервуаре сказалось 136 т азо та. Разница объемов между поданным количеством и оказавшимся
28
s резервуаре к концу заполнения объясняется потерями за счет тешюлрптоков через стенки резервуара и через подающую трубу диаметром 5С мы п длиной 75 км, в которую заливался азот из танков, а также количеством холода, потраченного на первона чальное охлаждение конструкций.
Уровень резервуара систематически в течение 10 дней вос полнялся. На последнем этапе выдержи резервуара в заполненном состоянии ссв.ео количество доставленного к нему азота состави ло 410 м°, а в резервуаре сохранилось 145 ис. Потери испарив шегося азота оказались несколько выше расчетных, ото объясня ется тек, что:
1)ячеистый бетон в основании резервуара был увлажнен.и это снизило его изоляционные свойства на треть;
2)лры: pix половина чхплопотерь через покрытие осущест влялась за счет конвекции в пароьок пространстве, что не было предусмотрено расчета.!,;:;;
3)значительная часть холода выходила через основание, что подтвердилось увеличением энергии, подаваемой к нагревате лям для поддержания температуры грунта 2°0, - предполагалось, что потребуется около ь кит, однако подавали 18 кВт, т.е. в три раза выше расчетной нормы.
После прекращения подачи азота в резервуар скорость ис парения продукта по копе падения уровня изменялась незначитель но, по когда уровень оказался менее 0,3 м,она быстро возросла.
Утечки азота из резервуара по конденсации в месте выхода холодного газа обнаружить но удалось. Конденсация наблюдалась всякий раз, когда происходила утечка в место неплотностей дланцевого соединения, но пе было никаких признаков, указываю щих на утечку газа через ограждающие конструкции. Переносные термометры также не выявили охлажденных за::, сопутствующих просачиванию холодного газа через конструкции и грунт.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Испытаниями был:: достигнуты вес цели, поставленные про граммой. а конструктивном отношении резервуар полностью отве чал необходимым требованиям. Было установлено, что заглублен ный резервуар из предварительно-напряженного железобетона
29