CC BY
300
УДК [665.725::[624.953:620.181.5]]::621.3.019.3
Конструкционные методы снижения риска при эксплуатации изотермических резервуаров для хранения СПГ
Х.М. Ханухов1*, А.В. Алипов1, Н.В. Четвертухин1, А.В. Коломыцев1, Р.Р. Шигапов1
1 ООО «НПК Изотермик», Российская Федерация, 117587, Москва, Варшавское ш., д. 125, стр. 1, секц. 11 * E-mail: [email protected]
Тезисы. В статье отмечено отсутствие отечественной нормативной базы, затрагивающей вопросы проектирования установок хранения сжиженного природного газа (СПГ). Показана необходимость разработки новых нормативных документов, отражающих накопленный в мировой практике за последние годы опыт конструктивных мероприятий и особенности изотермических резервуаров (ИР) для хранения СПГ, направленные на повышение безопасности их эксплуатации.
Проведена идентификация опасностей при эксплуатации ИР, показаны возможные сценарии аварий, смоделированные по результатам анализа реальных аварий на хранилищах СПГ. Отражены специфические опасности, характерные только для резервуаров СПГ, возникающие при резком самопроизвольном смешении (ролловере) слоев СПГ с интенсивным парообразованием. Отмечено, что ролловер в конечном итоге вызывает перенапряжение оболочечных конструкций резервуара. Перечислены способы предотвращения ролловера в хранилищах СПГ.
По итогам сравнительного анализа конструктивных особенностей ИР различных типов сделан вывод о том, что наиболее безопасными являются двустенные ИР закрытого типа, состоящие из открытой внутренней емкости для размещения хранимого продукта, выполненной из хладостойкой стали, и внешней емкости, непроницаемой для жидкости и пара и изготовленной из предварительно напряженного железобетона. Сделан обзор конструктивных решений фундаментов ИР. Предложены конструктивные решения исполнения фундаментов ИР с системами эффективной сейсмической защиты.
Проведен анализ конструктивного исполнения тепловой изоляции ИР, определены требования к системе тепловой изоляции. На основании зарубежного и отечественного опыта проектирования и эксплуатации ИР предложены мероприятия при разработке проектной документации на ИР, технологии хранения СПГ, строительстве сооружений, направленные на снижение вероятности аварийных ситуаций и обеспечение промышленной безопасности.
Ключевые слова:
изотермический
резервуар,
конструктивные
решения,
проектирование,
нормативные
документы,
сжиженный
природный газ,
анализ риска
аварии,
промышленная
безопасность,
аварийная ситуация,
мероприятия
по снижению
вероятности
реализации
аварийных
ситуаций.
Природный газ - один из важнейших видов топлива XXI в. Его практическое использование обусловлено как удобными производственными характеристиками, так и относительной экологичностью. Развитие промышленности приводит к росту потребления природного газа, что влечет за собой сложности хранения и транспортировки его значительных объемов. Эти проблемы все чаще решаются путем сжижения газа.
Хранение сжиженного природного газа (СПГ) при температуре его кипения и давлении, близком к атмосферному, в вертикальных цилиндрических изотермических резервуарах (ИР), которые относятся к особо опасным производственным объектам (ОПО), позволяет значительно сократить удельные капиталовложения. Из одного объема СПГ при регазификации образуется примерно 645 объемов газообразного метана. Превращение природного газа в жидкость позволило сделать его очень важным и конкурентоспособным источником энергии.
В России вопросы проектирования установок для хранения СПГ регламентируются ведомственными нормами1, выпущенными еще в СССР. Этот документ является временным, но единственным в РФ и устанавливает максимальный допустимый
1 См. ВНТП 51-1-88 «Ведомственные нормы на проектирование установок по производству
и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (временные)».
объем хранения продукта в наземных изотермических резервуарах 8000 м3 при единичной емкости резервуара не более 600 м3, что является недостаточным, учитывая современные технологии и современный мировой опыт. Поэтому в настоящее время, учитывая рост спроса на СПГ, необходима глубокая адаптация ВНТП 51-1-88 либо разработка нового документа, устанавливающего нормы проектирования установок для производства, хранения СПГ и изотермических резервуаров. В этом документе необходимо отразить накопленный мировой практикой за последние 30 лет и не вошедший в ВНТП 51-1-88 опыт конструктивных мероприятий, направленных на повышение безопасной эксплуатации ИР для хранения СПГ, и известные особенности ИР.
Идентификация опасностей при эксплуатации ИР выделяет внешние и внутренние источники опасности. Внешние связаны с аварийными ситуациями на соседних объектах при попадании рассматриваемого резервуара в зону действия поражающих факторов аварии - взрывной ударной волны, осколков и теплового излучения, а также с аварийными ситуациями при эксплуатации ИР (например, падением погружного насоса на крышу ИР при его обслуживании). Внутренние источники опасности связаны с физическими свойствами СПГ, конструктивными и технологическими решениями, характерными как для вертикальных резервуаров в общем, так и только для ИР.
Анализ реальных аварий на хранилищах СПГ выявил следующие основные опасности и возможные сценарии аварий [1]:
• образование пролива;
• пожар в проливе;
• выброс паров СПГ без последующего воспламенения;
• выброс паров СПГ с последующим воспламенением;
• взрыв паров СПГ в ограниченном пространстве.
Исходным событием возникновения и развития аварий является разгерметизация оборудования с дальнейшим выбросом газа. Исходя из особенностей конструкции резервуара все опасности можно разделить на две группы [2]:
1) связанные с воздействием на внешний корпус. Это воздействия цунами (если объект СПГ находится на побережье океана), сейсмическое (опасности - удар подвесной крыши о внешний резервуар, опрокидывание
резервуара), штормового ветра, взрывов на соседних объектах, высоких температур в случае возникновения пожара в резервуарном парке;
2) связанные с воздействием на внутренний корпус. К внешним воздействиям, способным повлиять на корпус, следует отнести сейсмическое воздействие (возможны перелив продукта вследствие возникновения волн и потеря устойчивости нижнего пояса внутреннего резервуара), внешнее барическое воздействие (данная опасность связана с изменением давления в межстенном пространстве в результате колебания атмосферного давления), внешнее термическое воздействие в результате пожара на крыше.
Специфической особенностью ИР с засыпной теплоизоляцией является нарушение ее сплошности, вызванное ее уплотнением при температурных деформациях внутренней и внешней оболочек. Вследствие данного процесса нарушается тепловой режим работы хранилища, увеличиваются нагрузки на корпус со стороны уплотненного слоя изоляции и избыточного давления паров СПГ, а также возникает обмерзание конструкций.
Стратификация СПГ в хранилищах является серьезной технологической проблемой, которой за рубежом уделяется большое внимание со стороны научных и промышленных организаций. Она возникает, как правило, при закачке без перемешивания нового СПГ в уже частично заполненный резервуар, в котором хранится СПГ с характеристиками (компонентный состав, плотность, температура и др.), отличными от характеристик закачиваемого продукта. В результате расслоения происходят постепенный перегрев нижнего слоя относительно состояния насыщения при рабочем давлении в резервуаре и последующее резкое самопроизвольное смешение («переворачивание», или ролловер) слоев с интенсивным парообразованием СПГ, во много раз превышающим номинальное испарение.
Явление ролловера в хранилищах СПГ активно изучается зарубежными специалистами уже более 30 лет. Большинство случаев связано с расслоением при доливке в не полностью опорожненный резервуар СПГ иного состава, чем уже находящегося в нем. Отмечены случаи рол-ловера за счет саморасслоения СПГ вследствие преимущественного выкипания из него азота, также явление может возникать в результате резкого падения барометрического давления.
Образование разделенных (стратифицированных) слоев при загрузке резервуара и их последующее самопроизвольное перемещение может привести к значительному (в несколько десятков раз) увеличению скорости испарения продукта и давления паровой фазы, что в конечном итоге вызывает перенапряжение обо-лочечных конструкций резервуара, в том числе отрыв корпуса от днища и утечку продукта из емкости.
Существующие способы предотвращения ролловера можно разделить на четыре основные группы:
1) раздельное хранение СПГ, т.е. закачка СПГ различной плотности (состава) в разные резервуары;
2) заполнение и перемешивание с использованием эффекта плавучести. Способ подразумевает закачку относительно более легкой жидкости снизу, т.е. под слой хранимого продукта, а более тяжелой - наоборот, сверху. Согласно имеющимся на сегодня теоретическим проработкам, способ позволяет обеспечить эффективное перемешивание жидкостей уже в процессе заполнения;
3) перемешивание после заполнения с использованием насосов. Предполагаются отбор СПГ из резервуара с помощью штатных погружных насосов и повторная его закачка в резервуар;
4) перемешивание после заполнения с использованием барботажа.
Оценка риска аварии ИР показывает, что наибольшая опасность аварии возникает при значительном, в несколько раз превышающем проектный уровень, повышении в ИР внутреннего давления, что чревато разрушением резервуара. Поэтому наиболее безопасными считаются двустенные ИР закрытого типа, т.е. полного сдерживания (англ. full containment), состоящие из открытой внутренней емкости, содержащей хранимый продукт, и внешней емкости, не проницаемой для жидкости и пара (рис. 1). Внутренняя емкость закрыта сверху паропроницаемой подвесной крышей с теплоизоляцией. Подвесная крыша представляет собой мембрану, крепящуюся на подвесках к стационарной крыше наружного резервуара, внешняя емкость - стальной или железобетонный резервуар, оснащенный купольной крышей. Конструкция ИР с полностью герметичными внутренним и внешним резервуарами, каждый из которых имеет свою стационарную
Рис. 1. Железобетонный изотермический резервуар полной герметизации:
1 - подкладка крыши; 2 - тяжи из нержавеющей стали; 3 - железобетонная крыша; 4 - наружная стенка из преднапряженного железобетона; 5 - железобетонная фундаментная плита; 6 - сваи; 7 - тепловая изоляция крыши; 8 - подвесная платформа; 9 - внутренний корпус из стали; 10 - засыпная тепловая изоляция стенки (перлит); 11 - подкладка наружной стенки; 12 - вторичная перегородка
купольную крышу, является менее надежной [2-4].
Для восприятия давления жидкости при разгерметизации внутренней емкости внешняя железобетонная стенка выполняется с предварительным напряжением. Преднапряжение осуществляется с помощью пучков высокопрочных стальных канатов, проложенных в специальных внутренних желобах и замоноличен-ных раствором после натяжения. Внешняя емкость, изготовленная из предварительно напряженного железобетона, должна иметь стальную облицовку по внутренней поверхности для обеспечения газонепроницаемости.
Наружный резервуар предохраняет теплоизоляцию от повреждения и проникновения влаги. В большинстве случаев наружную стенку не рассчитывают на гидравлическое давление продукта, так как на случай аварийного разлива предусмотрена защитная железобетонная стенка, способная удержать разлившийся продукт и предотвратить его распространение на большой площади.
При использовании в качестве материала наружной стенки железобетона в зависимости от требований, предъявляемых к конструкции резервуара, применяют предварительное
напряжение арматуры как в кольцевом направлении, так и вдоль образующих цилиндра. Возможно использование конструкций без предварительного напряжения. Обычно днище и стенку сооружают из монолитного бетона. Толщина стенки порядка 1 м. При отсутствии металлической облицовки для предотвращения попадания через бетон в теплоизоляцию влаги между внутренней поверхностью стенки и теплоизоляцией обычно устраивают вентилируемое пространство, по которому прокачивают сухой азот.
Внешний железобетонный резервуар может выдержать большие аварийные нагрузки, чем внешний стальной резервуар, и, как минимум, удержать большую часть СПГ в случае утечки из внутреннего резервуара, что ведет к повышению безопасности. Железобетонная крыша также имеет преимущества перед металлической с точки зрения защиты от механических воздействий и перегрева при пожаре на соседних объектах (см. ранее).
Наиболее ответственная часть всего сооружения - внутренний резервуар. Такой фактор, как низкая эксплуатационная температура, который в сочетании с неизбежными конструктивно-технологическими несовершенствами может привести к хрупкому разрушению, предопределяет выбор материалов и конструктивно-технологических требований, направленных на повышение хладостойкости конструкций внутреннего резервуара. При выборе материалов для внутренних конструкций изотермических резервуаров определяющим показателем является температура хранимого
Рис. 2. Установленная скользящая маятниковая опора ИР СПГ, Греция
продукта. В качестве таких материалов применяют хладостойкие стали или алюминиевые сплавы.
При исполнении внутреннего корпуса резервуара в виде самонесущей конструкции выполняются расчеты гидростатической нагрузки и давления сыпучего изоляционного материала (обычно перлита).
Существует три варианта конструктивного решения фундамента ИР:
1) «на сваях», т.е. из свайного поля и монолитного ростверка;
2) из нижней и верхней железобетонных плит, соединенных колоннами;
3) «с подогревом» - железобетонная плита, оборудованная системой подогрева.
Варианты 1 и 2 предусматривают устройство проветриваемого пространства между ростверком и грунтом. В случае железобетонной внешней емкости фундаментная плита является интегрированной частью емкости и жестко связана с внешней стенкой.
При сооружении ИР в зоне с сейсмической активностью можно применять системы эффективной сейсмической изоляции, в том числе скользящие маятниковые опоры [5] (рис. 2 и 3).
Независимо от типа герметизации резервуара покрытие состоит из внешней купольной крыши, опирающейся на корпус внешней емкости, и внутреннего подвесного перекрытия, которое представляет собой плоскую конструкцию, подвешенную к внешней крыше над внутренней емкостью, и несущую теплоизоляцию. Подвесная крыша крепится к стропилам стационарной наружной крыши с помощью подвесок. В ИР полной герметизации с подвесной крышей пары продукта свободно проникают в межстенное пространство, вследствие этого избыточное давление газа воспринимает внешняя емкость.
Конструкция внешней крыши зависит от материала внешнего корпуса. При металлическом корпусе в системах одинарной и полной герметизации купольная крыша выполняется из углеродистой стали с расчетной температурой эксплуатации, равной минимальной средней температуре самого холодного дня. Если внешняя емкость изготовлена из предна-пряженного железобетона, то купольная крыша также выполняется из железобетона, монолитно соединенного с корпусом. Внутренняя поверхность всей купольной крыши должна быть облицована сталью для обеспечения герметичности и предотвращения утечек паров
СПГ. Каркас стальной облицовки обязан иметь достаточную несущую способность, чтобы удерживать нагрузку от веса незатвердевшего бетона в процессе его укладки и твердения.
Для осуществления всех необходимых технологических операций при эксплуатации ИР оборудуется соответствующими патрубками. В современных зарубежных конструкциях ИР врезки и патрубки в днище и стенке резервуара (как внешней, так и внутренней емкостей) не разрешаются. Патрубки для осуществления всех необходимых технологических операций при эксплуатации ИР располагаются на крыше резервуара.
Низкотемпературное хранение предъявляет высокие требования к качеству теплоизоляции. Теплоизоляцию ИР проектируют с таким расчетом, чтобы хладопотери продукта не превышали установленных нормативных величин. Конструкция теплоизоляции должна удовлетворять ряду требований, а именно: характеризоваться низкой теплопроводностью, малой проницаемостью водяных паров, низкой адсорбцией влаги в период строительства и эксплуатации, технологичностью при монтаже, стойкостью к различным воздействиям (коррозионным, атмосферным и др.).
В качестве теплоизоляции ИР для СПГ чаще всего применяют засыпную изоляцию. Для засыпной теплоизоляции характерны оседание и уплотнение, возникающие в результате деформации стенок при изменении температуры. Внутренний корпус сжимается при охлаждении в процессе залива с образованием кольцевой щели, ширина которой зависит от диаметра резервуара и перепада температур. Перемещение теплоизоляции может быть вызвано также случайной вибрацией грунта и действием ее собственного веса. Оседание и уплотнение изоляции потенциально может привести к потере устойчивости внутренней стенки при повторном цикле нагрева-охлаждения.
Конструктивные решения межстенного пространства при использовании засыпной теплоизоляции направлены на устранение дефектов, образование которых возможно в результате действия перечисленных факторов. Сплошь и рядом насыпную изоляцию в двустенных резервуарах применяют в комбинации со слоем эластичного материала, частично компенсирующего тепловые деформации конструкций. В качестве засыпки обычно используют
Рис. 3. ИР на скользящих маятниковых опорах для хранения химических реагентов, Италия
вспученный перлитовый песок. Возможны и другие решения.
В СССР первые работы в области изотермического хранения сжиженного природного газа, в том числе в хранилищах большого объема, проводились начиная с 1970-х гг. Специально для строительства ИР, содержащих низкотемпературные сжиженные газы с температурой хранения от минус 100 до минус 170 °С, в НИИЧерМет были разработаны конструкционные криогенные легированные никелем стали 0Н3, 0Н6, 0Н9 с содержанием никеля 3-9 %, а также технологии их сварки и сварочные материалы. ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко и другими организациями разработаны2 методы расчета резервуаров, заполненных жидкостью.
Первый отечественный проект ИР СПГ объемом 60 тыс. м3 для постройки в г. Абовяне (Армения) подготовлен в 1986 г. в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова. Строительство было доведено до стадии заводского изготовления металла и поставки на стройплощадку. Однако закончен проект не был: помешали отсутствие финансирования из-за землетрясения в Спитаке (декабрь 1988 г.) и последующей необходимости восстановления разрушенного в значительной степени промышленного потенциала Армении, а затем и развал СССР.
Согласно проекту ЦНИИПСК изотермический резервуар СПГ должен был быть двустенным с металлическими внутренним и внешним корпусами и засыпной перлитовой теплоизоляцией между ними толщиной до 1,5 м.
2 См. также ВНТП 51-1-
Внутренний корпус, непосредственно предназначенный для хранения СПГ, был изготовлен из низкотемпературной стали 0Н9. И внутренний, и наружный корпуса должны были иметь стационарные герметичные и прочные купольные крыши. Такая конструкция ИР представлялась в те времена наиболее безопасной. Со временем взгляды на надежность конструкции ИР изменились.
Анализ риска аварии ИР, выполненный НПК «Изотермик» на примере резервуара для жидкого аммиака, показал, что наиболее вероятная внутренняя причина разрушения резервуара - повышение внутреннего давления в результате выхода из строя установки компри-мирования газа, отказа или сбоя в работе предохранительных клапанов, нарушения технологии эксплуатации и др. Риск аварии по этой причине несопоставимо выше риска аварии из-за развития внутренних, невыявленных при монтаже, дефектов сварных соединений и т.п. Вертикальный цилиндрический резервуар с плоским днищем и купольной крышей, способный выдерживать гидростатическое давление 2-3 кгс/см2, не предназначен для сдерживания внутреннего давления газа, которое неизбежно возникает при постоянном испарении сжиженного газа. Проектное избыточное давление газа в проектах прошлых лет полагалось равным 0,1 кгс/см2; в современных проектах это, как правило, 0,12-0,18 кгс/см2. Под действием внутреннего давления происходит стремительный рост напряжений на участках резкого изменения геометрии оболочки: на стыке цилиндрической стенки с плоским днищем, а также на стыке стенки с крышей. Причина в том, что внутреннее давление, действуя во всех направлениях, в том числе на крышу, создает огромную подъемную силу, которая вызывает большие изгибные напряжения в верхнем утор-ном узле3 и через стенку резервуара передается на нижний уторный узел. От деформации окраечной части днища и разрушения соединения стенки с днищем предохраняет анкерное крепление стенки ИР к фундаменту. При давлении, в два-три раза превосходящем проектное, напряжения в этих зонах могут превысить предел прочности материала, что чревато разрушением сварных соединений стенки и крыши, а при повышенной прочности соединения
3 Уторными называются узлы соединения крыши со стенкой (верхний) и стенки с днищем (нижний).
стенки с крышей - недопустимой деформацией и обрывом анкеров и затем разрушением соединения стенки и днища.
Например, при диаметре резервуара 50 м и внутреннем давлении 0,3 кгс/см2 (т.е. 3 т/м2) подъемная сила составляет 5900 т, при этом погонная нагрузка на сварное соединение стенки и крыши составляет 37,5 т/м. Согласно проведенным расчетам давление 0,35-0,4 кгс/см2 не способен выдержать практически ни один металлический ИР из доступных отечественных и зарубежных проектов. (Оценки подтверждаются фактическими данными: авария ИР жидкого аммиака в г. Ионава (1989 г.), сопровождавшаяся растяжением и обрывом анкеров и затем отрывом стенки резервуара от днища, произошла при повышении внутреннего давления до значения порядка 0,4 кгс/см2.)
Проектирование ИР в виде двух равнопрочных герметичных корпусов - внутреннего и внешнего, каждый из которых рассчитан на действие гидростатического давления при полном наливе ИР и избыточного давления газа - не лучший выход. В рамках концепции двух герметичных корпусов, каждый из которых имеет собственную стационарную крышу, при неконтролируемом аварийном повышении внутреннего давления избежать разрушения сначала внутреннего, а затем и наружного корпуса практически невозможно.
Оценка риска также показывает, что следование некоторым традиционным нормативным требованиям оказывается неэффективным. Например, требование о применении при проектировании ИР повышенного коэффициента надежности по ответственности сооружения (уи > 1,1) снижает риск аварии незначительно - пропорционально уи. Расчет показывает, что при увеличенной в 1,1 раза толщине стенок резервуара давление для достижения уровня разрушающих напряжений повышается также в 1,1 раза.
Таким образом, приходим к выводу, что риск аварии ИР с двойным силовым корпусом и двумя герметичными купольными крышами в основном зависит от надежности работы компрессорной установки и пропускной способности предохранительных клапанов и в незначительной степени определяется увеличением сечений конструктивных элементов из-за применения повышенного уи. При резком повышении внутреннего давления в результате
стратификации или при длительном выходе из строя компрессорной установки и недостаточной пропускной способности предохранительных клапанов сначала внутренний, а затем и наружный резервуар с большой вероятностью могут быть разрушены, и тогда уже речь пойдет не о предотвращении разрушения, а о контролируемом разрушении, т.е. о конструктивных мероприятиях, препятствующих отрыву стенки от днища. К таким конструктивным решениям относятся проектирование лег-косбрасываемой крыши или повышение прочности анкерных креплений. В то же время применение оптимальных конструктивных решений может снизить риск аварии ИР на два-три порядка.
Следующий по степени опасности сценарий аварии ИР, в ходе которого также может произойти частичная разгерметизация резервуара, содержащего сжиженный газ, - это потеря устойчивости стенки резервуара в результате образования вакуума при превышении скорости откачки продукта и/или неотключен-ном компрессоре. Такое развитие аварии менее опасно. В зону потери устойчивости вовлекается часть стенки, находящаяся выше уровня хранимой жидкости, поэтому такой сценарий аварии с большей вероятностью может привести к разгерметизации стенки и крыши, но не к разливу жидкости.
Даже если допустить возможность потери устойчивости наружным резервуаром, она может выразиться в образовании волнообразных деформаций стенки резервуара в кольцевом направлении с одной полуволной по высоте стенки и с возможным отрывом крыши от стенки (то, что произошло в США в 1978 г.). При потере устойчивости наружного резервуара жидкий продукт остается во внутреннем резервуаре, который полностью сохраняет при этом работоспособность. Внутренний резервуар, выполненный в виде открытого стакана и не подверженный действию осевых сжимающих нагрузок и вакуума, в принципе не может потерять устойчивость.
Согласно современным представлениям, подтвержденным анализом риска, выполненным НПК «Изотермик», наиболее безопасной признана конструкция ИР, состоящая из открытого внутреннего резервуара («стакана») с подвесной паропроницаемой крышей и герметичного наружного корпуса. Причина надежности такой конструкции в том, что внутренний
резервуар, непосредственно содержащий жидкость, не подвержен давлению газа, так как в силу проницаемости пара через подвесную крышу давление газа внутри него и снаружи одинаково. Поэтому основная наиболее вероятная и опасная причина разрушения внутреннего резервуара в данном случае в принципе исключена.
Конструкция внутреннего резервуара в виде стакана с паропроницаемой подвесной крышей обеспечивает максимальную из возможных вариантов надежность (см. ранее) и имеет ряд других преимуществ. Поскольку подвесная крыша негерметична, обеспечивается невозможность создания во внутреннем резервуаре чрезмерного избыточного давления или вакуума, которые могут привести к нарушению прочности либо потере устойчивости. При такой конструкции разрушение внутреннего резервуара с отрывом стенки от днища (что имело место в Ионаве в 1989 г.) принципиально невозможно.
Для хранения большинства сжиженных газов при низких температурах, в том числе и СПГ, нехарактерно повреждение в виде общей коррозии металла (для резервуаров нефти и нефтепродуктов это основной повреждающий фактор). По многолетнему опыту обследования резервуарных конструкций и трубопроводов, даже после 20 лет и более эксплуатации в среде жидкого продукта на сталях марок 09Г2, 09Г2С, 17ГС и аналогичных, и тем более никелевых сталях 0Н6 и 0Н9, не наблюдается ни малейших следов коррозии. Поэтому коррозионный механизм разрушения основных элементов ИР не рассматривается.
Внутренний резервуар изготавливается из стали 0Н9 (или из ее зарубежного аналога ASTM А-553 Type 1), отличающейся высокой ударной вязкостью и свариваемостью, предназначенной для работы при низких температурах и не склонной к образованию трещин в сварных соединениях. При качественно выполненном монтаже резервуара и надежном контроле качества сварных соединений физических причин для образования и роста усталостных трещин в корпусе внутреннего резервуара нет. Корпус внутреннего резервуара, выполненный без грубых дефектов, способен выдержать десятки тысяч циклов полного налива-слива жидкого продукта.
Поэтому при надлежащем контроле качества сварочных и прочих монтажных работ
и соблюдении правил эксплуатации ИР вероятность образования и роста усталостных трещин в сварных соединениях внутреннего резервуара и его хрупкого разрушения при нагружении его только гидростатической нагрузкой СПГ чрезвычайно мала. По оценкам Американского института нефти4 (англ. American Petroleum Institute, API), даже для нефтяных резервуаров, выполненных из значительно менее вязких сталей, она составляет 10-7 год-1. Для ИР она в 70 раз меньше: 1,410-9 год-1.
При полистовой сборке оболочек внутреннего и наружного резервуаров со смещением листов в соседних поясах исключаются протяженные вертикальные монтажные сварные швы (в отличие от рулонной сборки). Поэтому хрупкое разрушение внутренней стенки в результате распространения протяженной вертикальной трещины практически исключено. Наиболее неблагоприятный сценарий проникновения жидкости из внутреннего резервуара во внешний - течь в днище или стенке через не выявленный при монтаже дефект сварного соединения, что не может привести к аварии резервуара.
Наружный резервуар в процессе эксплуатации не испытывает гидростатических нагрузок со стороны продукта, следовательно, физических причин для образования и роста трещин в сварных соединениях слабонагруженного наружного резервуара нет в принципе. Поэтому сценарий хрупкого разрушения внутреннего резервуара и одновременно с этим аварийного повышения давления, приводящего к разрушению наружного резервуара с проливом жидкого продукта во внешнюю среду, считается невероятным и не рассматривается. Вероятность такого события не превышает 10-14 год-1.
При любом повреждении внутреннего резервуара наружный резервуар полностью удержит содержимое от пролива во внешнюю среду. По этой причине основное требование к наружному корпусу - не столько сдерживание гидростатического давления в целях предотвращения полного разрушения внутреннего резервуара, сколько охрана внутреннего резервуара
4 См. API recommended practice 581 "Risk-Based Inspection Technology". - 2d ed. - September 2008. См. также СТБ EN 14620-2-2009. Проектирование и производство вертикальных цилиндрических стальных емкостей с плоским дном для хранения охлажденных сжиженных газов с рабочей температурой от 0 °С до 165 °С на строительной площадке.
от внешних воздействий. Этой цели в наибольшей степени соответствует прочный железобетонный наружный корпус из предварительно напряженного железобетона. Для ИР СПГ объемом 100 тыс. м3 и более толщина железобетонного корпуса может составлять 0,5-1 м. Под наружными понимаются вполне определенные воздействия ограниченной интенсивности: например, удар о корпус предмета массой 50 кг, летящего со скоростью 50 м/с, (осколок конструкции при взрыве на соседнем объекте) или аварийное падение на купольную железобетонную крышу погружного насоса массой до 4 т с высоты до 2 м и т.п. Падение самолета или авиационной бомбы не подразумевается. Под воздействия такого рода современные конструкции ИР не проектируются.
На основании анализа зарубежного и отечественного опыта проектирования ИР и технологий хранения СПГ предлагаются мероприятия, направленные на снижение вероятности (частоты) реализации аварийных ситуаций на ИР и повышение надежности их эксплуатации, а именно:
• изменение коэффициентов запаса прочности при расчетах толщин стенок;
• изменения коэффициентов запаса по нагрузкам;
• проектирование трубопроводной обвязки по методике, исключающей появление разрывов на полное сечение;
• проектирование резервуара без врезок во внутренний резервуар;
• оборудование ИР системой верхнего налива, минимизирующей вероятность образования стратифицированных слоев и ролловера;
• использование хладостойких и прочных сталей;
• применение предохранительных клапанов с более узким диапазоном срабатывания;
• применение средств и технологий, исключающих образование пожара на сбросных клапанах и вблизи ИР;
• оснащение ИР системой комплексного мониторинга технического состояния;
• ужесточение требований по неразруша-ющему контролю сварных соединений;
• применение способов сооружения, исключающих образование хрупкой структуры сварных соединений металла при сооружении ИР в условиях экстремальных температур;
• внедрение системы сигнализации уровня и расслоения;
• подготовка грунтового основания с целью создания однородности и равной несущей способности грунта под всей площадью фундаментной плиты резервуара и в радиусе не менее 3 м за его пределами;
• обогрев фундаментной плиты для предотвращения промерзания грунта под резервуаром (в случае фундамента с подогревом);
• оборудование части крыши резервуара под основной площадкой обслуживания насосов отбортованным листом 9%-ной никелевой стали, обеспечивающим защиту от возможных утечек СПГ с площадки обслуживания;
• рентгенографический, дублирующий ультразвуковой контроль, капиллярная дефектоскопия, контроль с использованием вакуум-камеры всех сварных соединений внутреннего и внешнего корпусов, днища внутреннего и днища внешнего резервуара, покрытия;
• предварительное напряжение железобетонной стенки после бетонирования с помощью пучков высокопрочных стальных канатов, проложенных в специальных внутренних желобах и замоноличенных раствором после натяжения;
• обязательное преднапряжение в горизонтальном направлении;
• бетонирование купольной крыши слоями для уменьшения нагрузки на облицовку или поддержка облицовки поддувкой воздухом;
• недопущение утечки холодного продукта из внешнего резервуара в случае его утечки из внутренней емкости;
• при расчетах железобетонных конструкций должны быть учтены внешние нагрузки, деформации усадки, нагрузки преднапряжения (как в процессе строительства, так и при эксплуатации) и условия совместности деформаций в узлах сопряжения стенки с фундаментом и стенки с крышей;
• применение специальных средств сейсмической изоляции.
Меры снижения ущерба при вероятной реализации аварийных ситуаций:
• применение запорной арматуры с дистанционным управлением;
• выдерживание безопасных расстояний от ИР или парка ИР до смежных или сторонних зданий и сооружений;
• применение систем автоматического пожаротушения, в том числе для предотвращения нагрева СПГ при пожаре на технологических трубопроводах;
• проектирование площадки, исключая за-громожденность пространства (для избегания взрывного сгорания газопаровоздушных смесей (ГПВС) в режиме детонации);
• оснащение ИР автоматическими установками водяного орошения на крыше и боковых поверхностях оболочки, площадках обслуживания, запорной и регулирующей арматуре;
• устройство водяных завес для предотвращения распространения пожара и рассеяния облака ГПВС на территорию производственных и сторонних объектов.
***
Выводы из проведенной НПК «Изотермик» оценки риска ИР для хранения жидкого аммиака в основном справедливы для СПГ даже в большей степени, так как явление ролловера, характерное для СПГ, связано с многократным повышением давления.
Учитывая, что ИР может находиться не на территории завода и не на территории грузового терминала, а отдельно - в отдалении от промышленных площадок, т.е. там, где отсутствует необходимость защищать внутренний резервуар от внешних воздействий, НПК «Изотермик» предлагает в этом случае выполнять наружный резервуар из стали, что обеспечивает более экономичное и целесообразное изготовление и монтаж резервуара.
Список литературы
1. Ханухов Х.М. Нормативно-техническое и организационное обеспечение безопасной эксплуатации резервуарных конструкций / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов // Предотвращение аварий зданий и сооружений: сб. научных трудов. - М., 2011. - Вып. 10. - С. 384-422.
2. Рахманин А.И. Обеспечение безопасности резервуаров для хранения сжиженного природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов: дис. ... канд. тех. наук (05.26.02) / А.Р. Рахманин; Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина. - Москва, 2014. - 137 с.
3. Ханухов Х.М. Конструкционные мероприятия по повышению безопасности и снижению риска эксплуатации изотермических резервуаров для хранения жидкого аммиака / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин и др. // Безопасность труда в промышленности. - 2015. - № 8. - С. 74-82.
4. Лесконог А.А. Особенности и основные проблемы обеспечения промышленной безопасности терминалов сжиженного природного газа / А.А. Лесконог, Г.Ю. Чуркин // Безопасность труда в промышленности. -2016. - № 12. - С. 57-62.
5. Опыт применения фрикционных маятниковых подшипников для сейсмозащиты: презентация. - М.: НГБ «Энергодиагностика», 2012.
Constructional methods of risk reduction at operation of isothermal reservoirs for storage of liquefied natural gas
Kh.M. Khanunov1*, A.V. Alipov1, N.V. Chetvertukhin1, A.V. Kolomytsev1, R.R. Shigapov1
1 NPK Izotermik LLC, Bld. 125, Est. 1, Section 11, Varshavskoye shosse, Moscow, 117587, Russian Federation * E-mail: [email protected]
Abstract. The absence of domestic regulatory environment on designing units for liquefied natural gas (LNG) storage is noted. Necessity to develop new normative documents, which will represent state-of-art world practice of engineering measures and characteristics of isothermal reservoirs (IR) for LNG storage aimed at improvement of IR safety, is stressed.
The hazards of IR operation are identified. Some possible emergency scenarios simulated after analyzing data on real accidents at LNG storages are described. The specific hazards (typical only for LNG reservoirs), which occur at quick self-induced mixing (rollover) of LNG layers with intensive vapor generation, are depicted. It is mentioned that finally rollover causes overstrain of jacket constructions of the reservoir. The ways to prevent rollover in LNG storages are listed.
Using results of comparative analysis of different-type IRs' structures it is concluded that the most safe are the double-walled close-ended reservoirs consisting of an open inner cold-proof-steel vessel for placing a stored product, and an external liquid-and-vapor impermeable vessel made of previously stressed ferroconcrete. The constructions of IR foundations are reviewed. Some design solutions for equipment of IR foundations with effective seismic-protection systems are suggested.
Also constructions of heat insulation for IRs are analyzed including requirements to heat-insulating systems. On the grounds of Russian and foreign experience of IR development and operation some measures concerning preparation of IR design documentation, techniques of LNG storage, and building of structures, which are aimed at reduction of accidents' probability and support of industrial safety, are suggested.
Keywords: isothermal reservoir, modifications of construction, designing, standards, liquefied natural gas (LNG), emergency risk analysis, industrial safety, disaster situation, measures for reducing probability of realization of disaster situations.
References
1. KHANUNOV, Kh.M. and A. V. ALIPOV. Standard-technical and management support for safe operation of reservoir-type constructions [Normativno-tekhnicheskoye i organizatsionnoye obespecheniye bezopasnoy ekspluatatsii rezervuarnykh konstruktsiy]. Predotvrashcheniye avariy zdaniy i sooruzheniy. Moscow, 2011, iss. 10, pp. 384-422. ISSN 0409-2961. (Russ.).
2. RAKHMANIN, A.I. Support of safety for reservoirs aimed at storage of liquefied natural gas on account of negative working factors [Obespecheniye bezopasnosti reservuarov dlya khraneniya szhizhennogo prirodnogo gaza s uchetom negativnykh ekspluatatsionnykh faktorov]. Cand. sci. (Eng.). Gubkin Russian State University of oil and gas. Moscow, 2014. (Russ).
3. KHANUNOV, Kh.M., A.V. ALIPOV, N.V. CHETVERUKHIN et al. Constructive arrangements on improving safety and reduction of risk in operation of isothermal reservoirs for liquid ammonia [Konstruktsionnyye meropriyatiya po povysheniyu bezopasnosti i snizheniyu riska ekspluatatsii izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya zhidkogo ammiaka]. Bezopasnost truda v promyshlennosti. 2015, no. 8, pp. 74-82. ISSN 0409-2961. (Russ.).
4. LESKONOG, A.A. and G.Yu. CHURKIN. Peculiarities and main issues in provision for industrial safety of liquefied natural gas terminals [Osobennosti i osnovnyye problem obespecheniya promyshlennoy bezopasnosti terminalov szhizhennogo prirodnogo gaza]. Bezopasnost truda v promyshlennosti. 2016, no. 12, pp. 57-62. ISSN 0409-2961. (Russ.).
5. Practice of friction-pendulum bearings application for seismic protection [Opyt primenenya friktsionnykh mayatnikovykh podshipnikov dlya seysmozashchity]: presentation. Moscow: Energodiagnostika, 2012.
