Материалы, применяемые для изготовления газгольдеров высокого давления

Газгольдеры высокого давления должны полностью отвечать «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Оболочки цилиндрических газгольдеров изготовляют из стали марки В Ст.З по ГОСТ 380—60, мартеновской (спокойная по подгруппе В) и из сталей марок 15ХСНД (НЛ-2), 09Г2С (Н) и др.

Для оболочки шаровых газгольдеров применяется низколегированная «таль марки 09Г2С (М) или 16ГС (ЗН).

Расчет газгольдеров на прочность

Толщина стенки цилиндрической части газгольдера определяется в соответствии с указаниями руководящих технических материалов (РТМ 42-62 «Сосуды и аппараты, нормы и методы расчета на прочность узлов и деталей») по формуле

(9.7)

где р — расчетное внутреннее давление; D — внутренний диаметр цилиндрической части газгольдера; σ — номинальное допустимое напряжение (для стали марки Ст.З σ= 1490 кгс/см², для стали марки 09Г2С (М) σ = 1840 кгс/см²); η— поправочный коэффициент (η= 0,9); φ— коэффициент сварного шва (φ= 1); с — поправка к толщине стенки на недокат и на округление.

Толщину сферической части корпуса газгольдера определяют по формуле

(9.8)

где h — высота выпуклой части сферы (по внутренней образующей). Остальные обозначения те же, что и в формуле для толщины стенки цилиндрической части.

Опоры и оборудование газгольдеров

Горизонтальные газгольдеры имеют четыре отдельные опоры. Общую нагрузку при расчете опор распределяют на три опоры. Две опоры являются неподвижными, а две другие — скользящими, что позволяет свободно деформироваться стенкам газгольдера вдоль оси от изменения температуры металла.

Для удаления воздуха из газгольдера его заполняют водой. Таким же способом освобождают газгольдер и от газа. Для горизонтальных газгольдеров, имеющих четыре опоры, нагрузку от воды, газгольдера и его оборудования распределяют на три опоры. При расчете фундаментов опор учитывается также ветровая нагрузка.

Газгольдеры высокого давления оборудованы запорной арматурой для отключения газгольдера от общего коллектора, люк-лазом для периодического внутреннего осмотра, патрубками для слива конденсата и удаления воздуха или газа и предохранительными клапанами. Обычно один предохранительный клапан устанавливают на батарею газгольдеров. Для осмотра газгольдера служат лестницы и площадки.

Тепловой режим газгольдеров

При быстром отборе газа из газгольдеров постоянного объема были случаи их разрушений при эксплуатационных давлениях, которые значительно меньше расчетных. Это приводит к предположению, что температура металла газгольдеров может опускаться значительно ниже температуры окружающей среды и температурного предела хрупкости. Естественно, что материал (сталь) для изготовления газгольдеров надо выбирать с пределом хрупкости, меньшим минимальной температуры, которую может приобрести металл при максимальном отборе газа. Для эксплуатирующихся газгольдеров необходимо устанавливать величину максимального допустимого отбора газа, при котором темпера­тура металла еще не достигнет предела хрупкости; это позволит резко повысить •безопасность эксплуатации газгольдерных парков.

Для приближенной оценки температурного режима газгольдера, из которого отбирается газ с массовым расходом q = idem, на основании первого начала термодинамики имеем:

(9.9)

где δq — полное количество тепла, полученное или отданное 1 кг газа в газгольдере; δq* — удельный подвод тепла из окружающей среды; δq** — удельное количество тепла внутреннего теплообмена; i — удельная величина энтальпии; v — удельный объем газа в газгольдере; р — давление газа в газгольдере.

Пренебрегая внутренними необратимыми потерями тепла внутри газгольдера (δq** = 0), получим (газ идеальный)

(9.10)

где С_р — средняя (в рассматриваемом процессе) массовая теплоемкость газа при постоянном давлении; Т — абсолютная текущая температура газа в газгольдере.

Удельный подвод тепла из окружающей среды (потери тепла с соответствующим знаком минус):

(9.11)

где k — полный коэффициент теплопередачи от газа в окружающую среду (или наоборот); F — поверхность газгольдера; Т_о — абсолютная температура окружающей среды (Т_о = idem); τ — время с начала отбора; G — масса газа в газгольдере в данный момент

(9.12)

G_о — масса газа в газгольдере в момент начала отбора газа.

Из уравнения состояния pV_г = (G₀ — gτ) zRT (где z — средний коэффициент сжимаемости газа, V_г — объем газгольдера, причем V_г = idem), находим:

(9.13)

Подставляя значения δq* и dp (в 9.10), получим.

Разделив переменные и проинтегрировав, найдем температуру газа в газгольдере в процессе выхода его с массовым расходом g — idem:

(9.14)

где Т_н — температура газа в газгольдере в момент начала отбора; Т* — приведенная абсолютная температура окружающей среды (с учетом отбора газа)

Время, по истечении которого температура газа доводится до заданной температуры (например, Т₀) или до температуры хладноломкости газгольдерной стали, из формулы (9.14), будем иметь:

(9.15)

Минимальная температура газа в газгольдере при большом отборе g определяется по формуле

(9.16)

Эта температура тем меньше, чем больше g и меньше kF.

Рис. 9.8. График изменения температуры газа в газгольдере при отборе.

При Т_н > T_min газ в газгольдере охлаждается (кривые 1, 2, 3 на рис. 9.8), а при T_н < T_min —нагревается (кривая 4), стремясь к T_min (в конце отбора). При Т_н = T_min температура газа в газгольдере не изменяется. В этом случае приток тепла из окружающей среды уравновешивается эффектом расширения газа (прямая 5). Если газ из газгольдера не отбирается, то T_min →T₀.

При отсутствии теплообмена (при k = 0 для изолированных газгольдеров) или при быстром отборе газа, когда теплообмен играет незначительную роль

(9.17)

происходит наиболее интенсивное охлаждение газа вследствие адиабатического его расширения.

При отсутствии отбора газа (g = 0) температура газа будет изменяться по закону

(9.18)

которое отличается от известной формулы В. Г. Шухова наличием zR в экспоненте, учитывающим изменение температуры газа при расширении или сжатии (кривые 6, 7, 8). Охлаждение газа, рассчитываемое по формуле (9.18), идет быстрее, чем это следует по формуле В. Г. Шухова.

Минимальная температура газа в газгольдерах всегда должна быть выше предела хрупкости сталей Т_х во избежание разрушения газгольдеров. Для этого максимальный допустимый отбор газа g_доп не должен превосходить величины:

(9.19)

где Т₀ — минимальная температура окружающей среды.

Отбор g_доп возрастает с увеличением температуры окружающей среды и поверхности газгольдеров. Поскольку при одинаковом объеме поверхность шаровых газгольдеров меньше поверхности горизонтальных и вертикальных цилиндрических, то g_доп из цилиндрических газгольдеров в 1,5—2 раза больше, чем из шаровых. Поскольку газовая постоянная газов с малым молекулярным весом, например метана, больше газовой постоянной тяжелых газов, то допустимый отбор g_доп пропана или этана значительно больше, чем g_доп метана.

Следует иметь в виду, что g_non из (9.19) определяется с некоторым запасом в сторону увеличения надежности, так как минимальная температура стенки газгольдеров всегда несколько выше температуры газа, которая опускается наиболее низко в конце процесса опорожнения, когда давление в газгольдере значительно меньше расчетного.

Рис. 9.9. Напряженное состояние газгольдера при отборе газа.

1 — кривая напряжения в стенке газгольдера; 2— кривая критической температуры хрупкости стали.

На рис. 9.9 приведена кривая 1 напряженного состояния (σ) цилиндрического газгольдера объемом 180 м³ из стали Б Ст.3 (диаметр 3,22 м, толщина стенки δ = 10 мм, поверхность 200 м²) в зависимости от температуры при отборе газа с расходом g = 1650 кг/ч и ломаная 2 критической температуры хрупкости этой же стали. Начальная температура газа (метана) Т_н = Т₀ = 293 К (20°С), начальное абсолютное давление р_н = 9 · 10⁵ Н/м². Коэффициент теплопередачи k = 21 Дж/(м² · ч · °С), С_р = 2,22 Дж/(кг · °С), z = 0,95. При этом Т* = -28° С.

Как следует из рис. 9.9, несмотря на высокую начальную температуру, сталь при отборе газа попадает в зону хрупкого разрушения, причем наиболее опасен не начальный период истечения газа, когда газгольдер работает под наиболее высоким давлением, а промежуточный период, когда напряжения σ еще достаточно велики, а температура газа быстро снижается. Естественно, что при более низких температурах окружающей среды Т₀ эта сталь для строительства газгольдеров совершенно непригодна.

Анализ изменения температуры газа при отборе его из газгольдера позволяет установить следующее:

1. при быстром отборе газа из газгольдеров температура его может снизиться значительно ниже температуры окружающей среды и предела хрупкости газгольдерной стали, в результате чего возможно разрушение газгольдеров;

2. для предотвращения аварий наибольший отбор газа не должен превышать допускаемого по формуле (9.19);

3. при строительстве газгольдеров сталь следует выбирать с учетом работы газгольдеров при температурах ниже минимальной температуры окружающего воздуха. Предел хрупкости сталей должен быть выше Т_min, определяемой по формуле (9.16).