Криогенные резервуары для хранения промышленных газов

Проблема поддержания низких температур

Сжиженный природный газ, жидкий азот, жидкий кислород — это не товары, которые можно хранить в обычных резервуарах при атмосферном давлении. При температурах ниже −150 °C меняются все правила: материалы становятся хрупкими, изоляция приобретает критическое значение, а сам продукт постоянно стремится испариться. Криогенные резервуары — это инженерное решение этих задач, и за десятилетия они эволюционировали в одни из самых сложных сосудов, работающих под давлением, в промышленном мире.

Масштаб впечатляет. Единственный крупный резервуар для хранения СПГ может вместить 160 000 кубометров жидкости — этого достаточно, чтобы обеспечить средний по размеру город в течение нескольких дней. В противоположном конце спектра резервуар для жидкого азота объемом 50 кубометров может обслуживать один больничный комплекс или предприятие по производству электроники. Однако вне зависимости от размера лежащие в основе физические и инженерные принципы остаются неизменными.

Типы резервуаров: от одинарной герметизации до мембранных

Криогенные резервуары для хранения выпускаются в нескольких конфигурациях, каждая из которых основана на различных подходах к обеспечению безопасности и имеет свой профиль стоимости .

Резервуары с одинарной герметизацией представляют собой наиболее базовую конструкцию. Резервуар с одной или двумя стенками содержит криогенную жидкость, а при утечке предполагается, что жидкость будет удержана внешним валом или дамбой. Это самый экономичный вариант, однако он требует значительной площади для зоны герметизации.

Резервуары с двойной герметизацией добавить вторичную стенку вокруг основного резервуара. В случае утечки из внутреннего резервуара внешняя стенка собирает жидкость и обеспечивает герметичное паронепроницаемое уплотнение. Это устраняет необходимость в крупном берме и сокращает занимаемую площадь.

Резервуары полного containment представляют собой современное решение для крупных резервуаров хранения СПГ . Как внутренний, так и внешний резервуары рассчитаны на удержание жидкости, а внешний резервуар также обеспечивает паронепроницаемое containment. В случае отказа внутреннего резервуара внешний резервуар безопасно удерживает всё содержимое. Такие резервуары являются наиболее дорогостоящими, однако обеспечивают наивысший уровень безопасности и требуются многими регуляторами для крупномасштабного хранения.

Мембранные резервуары используют тонкую мембрану из нержавеющей стали, поддерживаемую теплоизоляцией и внешней бетонной оболочкой . Первоначально разработанные для танкеров СПГ, такие конструкции были адаптированы для наземного применения и обеспечивают превосходное containment при меньшей массе материалов по сравнению с резервуарами полного containment.

Стандарты, регулирующие криогенное хранение

Криогенные резервуары для хранения не создаются без толстой подборки стандартов, лежащих в их основе. Ключевые документы включают :

• API 625 – Основной стандарт проектирования и строительства резервуаров для хранения СПГ, охватывающий все аспекты — от материалов до испытаний

• EN 14620 – Европейский стандарт строительства резервуаров для СПГ полного типа containment

• NFPA 59A – Стандарт безопасности, регулирующий противопожарную защиту, расстояния между объектами и предотвращение опасностей

• BS 7777 / EEMUA – Руководство по проектированию резервуаров для хранения охлаждённых веществ

API 625 является наиболее признанным глобальным стандартом . В нем указаны требования к рабочему давлению, материалам, теплоизоляции и протоколам испытаний. Соответствие стандарту API 625 не является опциональным для большинства крупных проектов — оно прямо прописано в страховых полисах и кредитных соглашениях.

Испарение: неизбежные потери

Вот факт, который удивляет новичков в области криогенного хранения: продукт внутри резервуара всегда находится в кипящем состоянии. Даже при использовании наиболее эффективной теплоизоляции тепло проникает в резервуар, и часть жидкости испаряется. Это явление называется газом испарения (BOG), и его контроль является одной из основных задач оператора.

Принятая в отрасли допустимая норма испарения для резервуаров хранения СПГ обычно составляет ≤0,2 % объёма резервуара в сутки. Крупные резервуары полного удержания могут обеспечивать более низкие показатели — от 0,05 % до 0,08 % в сутки — поскольку соотношение площади поверхности к объёму улучшается с увеличением размеров. При испарении 0,08 % в сутки из резервуара объёмом 160 000 кубических метров ежедневно теряется около 128 кубических метров СПГ. Это немалый объём — его достаточно для обогрева нескольких тысяч домов.

Что же происходит с газом, образующимся при испарении? В большинстве терминалов он собирается и либо вновь сжижается, либо направляется в систему топливного газа завода. На небольших установках его могут сжигать в факеле или выпускать в атмосферу (хотя экологические нормы всё чаще ограничивают такой способ). Экономика управления газом, образующимся при испарении (BOG), имеет существенное значение: каждый кубический метр СПГ, подвергшийся испарению, — это продукт, который не будет продан.

Изоляция: настоящий герой

Эффективность криогенной резервуарной установки зависит исключительно от её системы изоляции. Для резервуаров СПГ в качестве изоляции обычно используется вспученный перлит — лёгкое вулканическое стекло, заполняющее пространство между внутренней и наружной стенками, — либо пенополиуретан для небольших резервуаров. Вакуумная изоляция применяется в некоторых резервуарах для жидкого азота и жидкого кислорода, где пространство ограничено, а разница температур крайне велика.

Перлитовая изоляция в большом резервуаре для СПГ может иметь толщину в несколько футов. Проблема заключается не только в тепловой эффективности — важнейшую роль играет оседание перлита. Со временем перлит оседает, образуя пустоты в верхней части изоляционного пространства, через которые тепло может обходить изоляцию. В современных конструкциях предусмотрены индикаторы оседания и возможность пополнения перлита во время простоев резервуара.

Один из часто упускаемых из виду аспектов — изоляция вокруг технологических проходов резервуара: трубопроводов, приборов контроля и измерений, а также люков. Именно в этих местах тепло проникает внутрь наиболее легко. Недостаточная изоляция проходов может вызвать образование холодных зон на внешней стенке резервуара, что приводит к образованию льда, коррозии и, в конечном счёте, к структурным повреждениям. Наилучшие проектные решения предусматривают такую же тщательную изоляцию проходов, как и основных стенок резервуара.

Выбор материалов: задача низкотемпературной эксплуатации

Углеродистая сталь становится хрупкой при криогенных температурах. Это проблема, поскольку большинство промышленных резервуаров для хранения изготавливаются из углеродистой стали. Решение заключается в использовании материалов, сохраняющих ударную вязкость при температурах −162 °C и ниже.

Для резервуаров СПГ внутренний резервуар обычно изготавливается из стали с содержанием никеля 9 % или алюминиевого сплава. Сталь с содержанием никеля 9 % является основным материалом — она сохраняет ударную вязкость до −196 °C и подлежит сварке при соблюдении соответствующих процедур. Алюминиевые сплавы легче и обладают превосходными низкотемпературными свойствами, однако они дороже и требуют применения специализированных технологий сварки.

Внешний резервуар, напротив, обычно изготавливается из углеродистой стали или железобетона. Он не подвергается непосредственному воздействию криогенных температур — теплоизоляция поддерживает его в тепле — однако он должен выдерживать гидростатическое давление содержимого внутреннего резервуара в случае утечки.

Операционные реалии: то, о чём не говорят руководства

Криогенные резервуары для хранения отличаются высокой надежностью, но они не являются обслуживаемыми без вмешательства. Наиболее распространенная эксплуатационная проблема — тепловая стратификация: температурные градиенты в жидкости, которые могут привести к быстрому нарастанию давления, если их не контролировать. Операторы отслеживают температуру резервуаров на разных уровнях и используют перемешивающие устройства или циркуляционные насосы для поддержания равномерной температуры.

Еще один факт: заполнение и опорожнение криогенного резервуара создает термическое напряжение. Внутренний резервуар расширяется и сжимается при изменении температуры, а трубопроводные соединения должны компенсировать это движение. Сильфоны и компенсационные петли являются стандартным решением, но их необходимо регулярно осматривать и при необходимости заменять. Об этом жестоко узнало предприятие по производству жидкого азота на Среднем Западе, когда сильфон вышел из строя во время операции заправки, выпустив холодный газ и вызвав шестинедельный простой.

Проблема изготовления и строительства

Изготовление криогенного резервуара для хранения отличается от изготовления стандартного сосуда под давлением. Допуски более жёсткие, сварочные процессы — более сложные, а требования к контролю — более строгие. Единственный дефект сварного шва во внутреннем резервуаре может поставить под угрозу всю систему герметизации.

Для заказчиков проекта выбор изготовителя имеет чрезвычайно важное значение. Изготовитель с опытом работы с криогенным оборудованием понимает специализированные сварочные процессы, требования к неразрушающему контролю и критическую важность соблюдения чистоты на всех этапах изготовления. Компании, такие как GreenFir, имеющие успешную репутацию в области изготовления криогенного оборудования, применяют этот опыт при реализации каждого проекта резервуара — снижая риск возникновения проблем на объекте и обеспечивая соответствие эксплуатационных характеристик резервуара проектным параметрам с первого наполнения.