книги из ГПНТБ / Рачевский, Б. С. Транспорт и хранение углеводородных сжиженных газов

медноцинковыми припоями по ГОСТ 1534—42 или серебряными припоями ГОСТ 6190—5G. Сборные соединения, а также те соедине­ ния, для которых нельзя применять твердую пайку, паяют мягкими

11а рис. 87 приведены зависимости коэффициентов линейной темпера­ турной деформации сталей и цветных металлов от температуры.

Основным конструкционным материалом для металлических низкотемпературных резервуаров являются стали с пределом проч­ ности 35—80 кгс/мм2. Высокопрочные стали с пределом текучести до 50 кгс/мм2 дают возможность применять новые принципы конст­ руирования резервуаров, что позволит получить дополнительную экономию при их сооружении.

Так, в Японии сооружены два резервуара диаметром 33 м для хранения сжиженного газа. Расчетное напряжение в металле стенок этих резервуаров 25,2 кгс/мм2, коэффициент прочности сварных швов 0,9, фактическое напряжение в стенках 22,7 кгс/мм2.

По нормам разрешается уменьшение толщины листов по высоте резервуара. Новая концепция конструирования заключается в том, что для различных поясов резервуара предусматривается примене­ ние разных сортов сталей, отличающихся прочностью и характери­ зующихся необходимой ударной вязкостью. При этом стали для более низких поясов должны обладать большей прочностью. В ре­ зультате этого становится возможным применение более тонких сталь­ ных листов и сооружение резервуаров с одинаковой толщиной стен­ ки по всей высоте. При этом достигается экономия металла и сниже­ ние стоимости резервуаров.

В табл. 41 приведены прочностные характеристики некоторых металлов, предполагаемых к использованию при сооружении низко­

Ш

При проектировании низкотемпературных резервуаров целесо­ образно установить несколько пределов отрицательных температур и подбирать соответствующие сорта металлов. Первый диапазон изменения температур от 0 до —40° С. Основные газы с точкой кипе­ ния в этой зоне — бутан, аммиак. Второй диапазон температур от —40 до—50° С. Точку кипения в этой зоне имеют пропан, пропилен. В третий диапазон от —50 до —80° С попадает этан. При температу­ рах от —80 до —100° С может храниться этилен. Пятый предел коле­ бания температур от —100° С и ниже. Он включает в себя темпера­ туры, при которых хранятся сжиженные метан, кислород и азот.

Металлы, рекомендуемые для изготовления низкотемпературных резервуаров сжиженного газа

Теплоизоляция низкотемпературных резервуаров

Одним из основных вопросов эксплуатации низкотемпературных резервуаров является восполнение потерь от испарения за счет при­ тока тепла к сжиженному газу через ограждающие поверхности. Величина теплопритока определяется разностью температур храни­ мого продукта и окружающей среды, а также типом и толщиной теплоизоляции. Основное требование, предъявляемое к теплоизоля­ ции, — низкая теплопроводность. Другие требования сводятся к сле­ дующему: малая проницаемость водяных паров, сочетание теплоизо­ ляционных и механических свойств, стойкость к химическому воз­ действию, огнестойкость, легкость монтажа, надежность в эксплуа­ тации. Требования к эффективности теплоизоляции возрастают по мере понижения температуры хранения сжиженных газов, так как при этом, с одной стороны, увеличивается теплоприток через изоля­ цию или потери холода и, с другой стороны, резко возрастает стои­ мость потерь холода.

В настоящее время для теплоизоляции корпуса и перекрытия низкотемпературных резервуаров предложено много различных мате­ риалов и конструкций. Резервуары с двумя стенками обычно тепло­ изолируются перлитом, засыпанным в пространство между стен. Одностенный корпус резервуара теплоизолируется блоками пено­ стекла или непосредственным напылением пенополиуретана.

В табл. 42 приведены свойства и стоимость теплоизоляционных материалов, наиболее пригодных для низкотемпературных резер­ вуаров.

184

На рис. 88 даны зависимости коэффициентов линейной темпера­ турной деформации (КЛТД) теплоизоляционных материалов от тем­ пературы. Из рис. 88 видно, что с понижением температуры КЛТД

185

изоляцию, а потери от испарения уменьшаются, поэтому должна существовать определенная толщина теплоизоляции, при которой приведенные затраты будут минимальны. Эта толщина и будет оптимальной. Стоимость потерь от испарения сжиженного газа может быть представлена в виде

где ах — стоимость сжижения, руб./кг; а 2 — стоимость повторного сжижения, руб./кг; М — потери или интенсивность испарения сжи­ женного газа, кг/ч; т — время хранения, ч.

Интенсивность испарения сжиженного газа М может быть опре­ делена из уравнения теплового баланса

Л71

где ДГ = (71о— Т) — разность температур окружающей среды и сжи­ женного газа, К; г — скрытая теплота парообразования газа, ккал/кг; К п, Кдн и К х — коэффициенты теплопередачи через пе­ рекрытие, днище и смоченную стенку резервуара, ккал/(м2-ч-К); F0 — площадь перекрытия и площадь днища, м2; F х — площадь теплообмена вертикальной стенки резервуара, м2.

Коэффициент теплопередачи через ограждающие поверхности резервуара в общем виде

где х — толщина теплоизоляции перекрытия, стенки и днища; X — коэффициент теплопроводности теплоизоляции; А ( — термическое сопротивление ограждающей поверхности резервуара без термиче­ ского сопротивления слоя теплоизоляции.

Подставляя (4.43), (4.44) в (4.42), получим

где d — диаметр резервуара; А п, А дн — термическое сопротивление соответственно перекрытия и днища; h — высота столба жидкости.

Приведенные затраты на теплоизоляцию низкотемпературного

186

Оптимальную толщину теплоизоляции определим из условия равенства нулю производной от

Л 2 (ж) = ^ 'l (ж) + ^ 2 (ж) ПО X ,

Алгебраическое уравнение (4.47) решается относительно х проще-

Расчеты показывают, что для практических значений X и вели­ чин, входящих в A h величина АХ составляет не более 0,01, поэтому ею можно пренебречь. С учетом последнего выражение (4.48) ещеболее упростится.

Изменение температуры окружающей среды на оптимальную толщину теплоизоляции существенного влияния не оказывает. Так, повышение температуры окружающей среды на +20° С требует изменения толщины теплоизоляции всего на 5%.

Фундаменты низкотемпературных резервуаров

Особое значение в работоспособности всей конструкции резер­ вуара имеет правильно выбранный и рассчитанный фундаментЕсли при сооружении резервуаров для хранения продуктов с поло­ жительной температурой достаточно рассчитать фундамент на до­ пускаемую несущую способность и ожидаемую усадку, то сооруже­ ние низкотемпературных резервуаров требует учета влияния отри­ цательных температур, поскольку они могут вызвать недопустимуюдеформацию при промерзании грунтового основания фундамента. Это приведет к перекосу фундамента и, как следствие, к разруше­ нию резервуара. Чтобы избежать этого явления, необходимо прогно­ зировать поведение грунтового основания при замораживании и проектировать фундамент, позволяющий избежать недопустимых деформаций.

Грунты в зависимости от влияния замораяшвания разделяются на пучинистые, слабопучинистые и непучинистые. Пучинистые грунты

грунты, содержащие в своем гранулометрическом составе в основном крупные фракции (крупнозернистые): пески, гравий.

187

Вспучивание основания фундамента при промерзании опреде­ ляется гранулометрическим составом грунта, его влажностью и гид­ рогеологическими условиями (возможностью подтягивать воду к фронту промерзания), а также скоростью промерзания и нагрузкой на основание. Наибольшее вспучивание наблюдается при медленном охлаждении пучинистых грунтов и хорошем подтоке воды к фронту промерзания. Охлаждение с большой скоростью и увеличение нагрузки на основание ведут к уменьшению вспучивания.

При проектировании фундамента тщательно изучаются свойства грунтов и соответственно с этим подбирается его тип. На непучинистых грунтах фундамент можно сооружать непосредственно на

1 — теплообменник; 2 — центробежный насос; 3 — промежу* точная емкость; 4 ~ змеевик-радиатор; I — подача пара; I I —

отбор пара

грунтовом основании. При наличии же пучинистых грунтов необхо­ димо или предотвратить замораживание грунта, находящегося под основанием, или заменить пучинистый грунт на всю глубину про­ мерзания непучинистым грунтом.

Первое достигается путем установки системы обогрева под дни­ щем резервуара (рис. 89) или применением фундаментов специаль­ ной конструкции (с вентиляционными каналами, свайные).

При замене пучинистого грунта непучинистым необходимо опре­

188

где Х2 — коэффициент теплопроводности грунта; Т 0 — температура хранения продукта; Хи — коэффициент теплопроводности теплоизо­ ляции.

Расчет несущих элементов стальных цилиндрических резервуаров

Несущие конструкции резервуара рассчитывают на гидростати­ ческое давление сжиженного газа при заполненном резервуаре и избы­ точном давлении паров, на вакуум, на собственный вес, снеговую, ветровую и сейсмическую нагрузки, вес теплоизоляции и местные нагрузки от оборудования, а также на влияние отрицательных тем­ ператур.

При расчетах необходимо учитывать коэффициенты перегрузок: для снеговой 1,4; ветровой 1,2; собственного веса конструкции 1,1; веса оборудования и теплоизоляции 1,2; давления паров и вакуума 1,2; гидростатического давления 1,1.

Стенку резервуара на прочность рассчитывают так же, как цилин­ дрическую оболочку, работающую на растяжение от гидростатиче­ ского давления и избыточного давления в паровом пространстве. Па глубине h от поверхности жидкости расчетное давление на стенку будет

сжиженного газа; h — расчетный уровень; 1,2 — коэффициент пе­ регрузки для избыточного давления; р п — избыточное давление в паровом пространстве резервуара.

Минимальную толщину стенки определяют, учитывая ее работу

циент условий работы, принимаемый для корпуса резервуара, рав­ ный 0,8; R — расчетное сопротивление стали на разрыв; ф — коэф­ фициент прочности сварного шва, равный отношению расчетного сопротивления сварного шва к расчетному сопротивлению основного металла.

На рис. 90 показана конструкция стального одностенного цилин­ дрического резервуара с самонесущим полусферическим перекрытием типа «Гибрид».

Резервуар объемом 9 тыс. м3 предназначен для хранения сжижен­ ного пропана и рассчитан, кроме гидростатической нагрузки, на из­ быточное давление паровой фазы 0,25 кгс/см2 и вакуум 100 мм вод. ст. Теплоизоляцией резервуара служит пеностекло толщиной для ци­ линдрической части 200 мм и для перекрытия 100 мм.

Наружная поверхность теплоизоляционного слоя для предохра­ нения от солнечной радиации, атмосферных осадков и паров воды

189

покрывается кожухом из тонких алюминиевых листов (фольги) тол­ щиной 0,3 мм. Отдельные листы алюминиевой фольги наклеиваются на пеностекло и склеиваются в местах стыков с помощью специальной мастики из жидкого стекла.

Металлическое днище резервуара устанавливается непосред­ ственно на слой пеностекла, укладываемого в коробе из гидрофобного железобетона. Последний располагается на слое песка толщиной

0,5 м.

Рис. 90. Конструкция одностенного низкотемпе­

Слой пеностекла не может полностью предотвратить теплообмен между грунтовым основанием и сжиженным пропаном, поэтому может произойти промораживание грунта.

Чтобы предотвратить опасность промерзания грунта (в случае пучинистых грунтов), дно резервуара обогревается. Для обогрева грунта дод фундаментом резервуара в песке помещается змеевик из труб диаметром 100 мм, где циркулирует подогретый до 35—40° С водный раствор этиленгликоля, который нагревается в специальном теплообменнике теплом водяного пара или другого местного тепло­ носителя.

Конструкция стального двустенного резервуара для хранения сжиженного пропана емкостью 20 тыс. т представлена на рис. 91. Резервуар имеет внутреннюю и наружную стальные оболочки, между которыми закладывается термоизоляционный материал.

190

Все металлоконструкции резервуара (днище, стенки и перекрытие) выполняются из углеродистой стали с временным сопротивлением

41 кгс/мм2.

Внутренняя оболочка рассчитана на нагрузку от веса продукта и дополнительное избыточное давление 0,1 кгс/см2. Внутренняя оболочка резервуара проверяется также на наружное давление 50 мм вод. ст. от засыпки утеплителя.

Днище внутренней и наружной оболочек резервуаров выполняется из стальных листов толщиной 6 мм, сваренных внахлестку. Окрайки

наружного резервуара из листа толщиной 0 мм, а внутреннего — из листа толщиной 12 мм. Толщина листов днища принимается кон­ структивно. Между листами днища наружного и внутреннего резер­ вуаров укладывается слой термоизоляционного материала — перлитобетона толщиной 450 мм.

Для предотвращения отрыва утора резервуара от фундамента под воздействием избыточного давления внутри резервуара (при отсутствии продукта) утор крепят анкерами к фундаментной плите. Анкеры внутреннего резервуара выполняются в виде полосы сече­ нием 150 X 20 мм, которая в верхней части приваривается к нижнему листу стенки резервуара, а внизу заделывается в бетон фундамента. Анкеры наружного резервуара выполняют из круглой стали диа­ метром 20 мм.

191

Стенка внутреннего резервуара изготовлена из стальных листов толщиной от 21 до 8 мм, сваренных встык ручной сваркой на мон­ таже. Толщина листов стенки внутреннего резервуара принимается по расчету. Толщина верхних поясов стенки резервуара (8 мм) принята конструктивно.

Для обеспечения необходимой жесткости оболочки внутреннего резервуара с внутренней стороны оболочки устанавливают шесть кольцевых ребер жесткости Г-образного профиля. Ребра жесткости по высоте резервуара распределяются неравномерно. В верхней части резервуара (в зоне более тонкого листа) расстояние между ребрами меньше, чем в нижней (в зоне более толстого листа). Ширина ребер жесткости (600—700 мм) увеличивается по высоте резервуара.

Стенки наружного резервуара выполнены из листов толщиной 8 мм, сваренных встык. Толщина стенок принята конструктивно.

С наружной стороны стенки наружного резервуара для обеспече­ ния жесткости оболочки устанавливают кольцевые ребра жесткости из уголков.

По высоте резервуара ребра жесткости распределяются равно­ мерно. Кровля внутреннего резервуара сферическая. Радиус сферы при переходе от цилиндра к сфере равен 4200 мм. Радиус основной сферы — 35 600 мм. Толщина листов переходной части сферы при­ нята 19 мм.

Центральная часть кровли выполнена из листа толщиной 9 мм.

Переход от цилиндрической оболочки стенки наружного резер­ вуара к сферической кровле в отличие от внутреннего резервуара выполнен не плавно, а с изломом. В месте пересечения стенки резер­ вуара с перекрытием установлено кольцевое ребро жесткости.

Для доступа внутрь резервуара в наружной и внутренней обо­ лочках на высоте 1200 мм от утора устанавливаются люки-лазы круглой формы (два лаза на один резервуар с противоположных сторон). Во внутренней оболочке делается лаз диаметром 800— 1000 мм, в наружной — 1000—1200 мм.

В некоторых случаях довольно эффективно изготавливать внеш­ нюю оболочку резервуара из железобетона. Такая оболочка по срав­ нению с металлической более долговечна: срок службы 40—60 лет (вдвое-втрое больше). Кроме того, сокращается примерно в 2 раза расход металла на 1 м3 полезной емкости, уменьшается теплообмен с окружающей средой, повышается надежность изотермического хранилища.

Бетон должен быть прочным и плотным, стойким в среде храни­ мого продукта, обладать повышенной степенью непроницаемости по отношению к продукту, а также повышенными защитными свой­ ствами по отношению к стальной арматуре в случае хранения в ре­ зервуаре агрессивных сред; по прочности на сжатие должен быть не ниже марки 200, а по водонепроницаемости — не ниже марки В-8.

192