Кріогенні резервуари для зберігання промислових газів

Проблема підтримки низьких температур

Рідкий природний газ, рідкий азот, рідкий кисень — це не товари, які можна зберігати в звичайних резервуарах при атмосферному тиску. За температур нижче −150 °C правила змінюються. Матеріали стають крихкими. Ізоляція набуває критичної важливості. А сам продукт постійно прагне випаруватися. Кріогенні резервуари — це інженерна відповідь на ці виклики, і протягом десятиліть вони розвинулися в одні з найскладніших посудин під тиском у промисловому світі.

Масштаб просто вражаючий. Єдиний великий резервуар для зберігання РПГ може вміщати 160 000 кубічних метрів рідини — цього достатньо, щоб забезпечити середнє за розміром місто протягом кількох днів. З іншого боку, резервуар об’ємом 50 кубічних метрів для рідкого азоту може обслуговувати єдину лікарню або завод з виробництва електроніки. Однак незалежно від розміру основні фізичні та інженерні принципи залишаються тими самими.

Типи резервуарів: від одинарного до мембранного контейнменту

Кріогенні резервуари для зберігання виготовляються в кількох конфігураціях, кожна з яких має різні підходи до безпеки та різний рівень витрат .

Резервуари з одинарним контейнментом є найпростішою конструкцією. Резервуар з одношаровою або двошаровою стінкою утримує кріогенну рідину, а в разі витоку рідина повинна утримуватися зовнішнім валом або дамбою. Це найдешевший варіант, але вимагає значної площі для зони утримання.

Резервуари з подвійним контейнментом додати вторинну стінку навколо первинного резервуара. Якщо внутрішній резервуар протікає, зовнішня стінка утримує рідину й забезпечує паронепроникне ущільнення. Це усуває необхідність у великому бермі та зменшує площу земельної ділянки.

Резервуари повного утримання представляють сучасний стан технологій для великих резервуарів для зберігання СПГ . Як внутрішній, так і зовнішній резервуари проектуються для утримання рідини, а зовнішній резервуар також забезпечує паронепроникне утримання. У разі виходу з ладу внутрішнього резервуара зовнішній резервуар безпечно утримує весь його вміст. Ці резервуари є найбільш дорогими, але забезпечують найвищий рівень безпеки й вимагаються багатьма регуляторними органами для масштабного зберігання.

Мембранні резервуари використовують тонку мембрану з нержавіючої сталі, яку підтримує теплоізоляція та зовнішній бетонний корпус . Спочатку розроблені для танкерів СПГ, цей тип конструкції перейшов на наземне використання й забезпечує чудове утримання при меншій вазі матеріалів порівняно з резервуарами повного утримання.

Стандарти, що регулюють кріогенне зберігання

Кріогенні резервуари для зберігання не виготовляються без товстого набору стандартів, що їх підтримують. До ключових документів належать :

• API 625 – Основний стандарт щодо проектування та будівництва резервуарів для зберігання рідкого природного газу (LNG), який охоплює все: від матеріалів до випробувань

• EN 14620 – Європейський стандарт щодо будівництва повністю герметичних резервуарів для зберігання рідкого природного газу (LNG)

• NFPA 59A – Стандарт з техніки безпеки, що регулює протипожежний захист, відстані між об’єктами та запобігання небезпекам

• BS 7777 / EEMUA – Рекомендації щодо проектування резервуарів для зберігання криогенних речовин

API 625 є найбільш визнаним глобальним стандартом він визначає робочий тиск, матеріали, вимоги до теплоізоляції та протоколи випробувань. Дотримання стандарту API 625 є обов’язковим для більшості великих проектів — це передбачено у полісах страхування та кредитних угод.

Випаровування: неминучі втрати

Ось один факт, який приголомшує новачків у сфері кріогенного зберігання: продукт усередині резервуара завжди кипить. Навіть за наявності найкращої теплоізоляції тепло проникає в резервуар, і частина рідини випаровується. Це називається газом випаровування (BOG), і його контроль є однією з основних відповідальностей оператора.

Промислово прийнятна норма випаровування для резервуарів для зберігання ПКГ зазвичай становить ≤0,2 % об’єму резервуара на добу. Великі резервуари повної місткості можуть забезпечити нижчі показники — 0,05–0,08 % на добу — через те, що співвідношення площі поверхні до об’єму покращується зі збільшенням розмірів. У резервуарі об’ємом 160 000 кубічних метрів, що випаровується зі швидкістю 0,08 % на добу, щодня втрачається близько 128 кубічних метрів ПКГ. Це не незначна кількість — цього газу достатньо, щоб опалювати кілька тисяч будинків.

Що ж відбувається з газом випаровування? У більшості терміналів його збирають і або повертають у рідкий стан, або направляють у систему паливного газу заводу. У менших установках його можуть спалювати у факелі або випускати в атмосферу (хоча екологічні норми все частіше забороняють такий підхід). Економіка управління газом випаровування має велике значення: кожен кубічний метр ПКГ, що випаровується, — це продукт, який не буде проданий.

Ізоляція: справжній герой

Ефективність кріогенного резервуара залежить від його ізоляційної системи. Для резервуарів із рідким природним газом (LNG) ізоляція, як правило, складається з розширеного перліту — легкого вулканічного скла, що розташовується між внутрішніми та зовнішніми стінками резервуара, або з пінополіуретану для менших резервуарів. Вакуумна ізоляція використовується в деяких резервуарах для рідкого азоту та рідкого кисню, де простір обмежений, а різниця температур надзвичайно велика.

Товщина шару перлітової ізоляції в великому резервуарі для LNG може становити кілька футів. Проблема полягає не лише в тепловій ефективності — це також осідання. З часом перліт осідає, утворюючи порожнини в верхній частині ізоляційного простору, через які тепло може обходити ізоляцію. Сучасні конструкції передбачають індикатори осідання та можливість поповнення перліту під час простоїв резервуара.

Одним часто ігнорованим аспектом є теплоізоляція навколо проникнень у резервуар — трубопроводів, приладів контролю та люків. Це слабкі місця, через які тепло проникає всередину. Погано ізольоване проникнення може спричинити виникнення холодної ділянки на зовнішній стінці резервуара, що призводить до утворення льоду, корозії та, зрештою, до структурних пошкоджень. Найкращі конструкції резервуарів передбачають такий самий ретельний підхід до ізоляції проникнень, як і до основних стінок резервуара.

Підбір матеріалів: виклик низьких температур

Вуглецева сталь стає крихкою при кріогенних температурах. Це проблема, оскільки більшість промислових резервуарів для зберігання виготовлені з вуглецевої сталі. Рішення полягає у використанні матеріалів, які зберігають ударну в’язкість при температурі -162 °C та нижче.

Для резервуарів для ПГ (рідкого природного газу) внутрішній резервуар зазвичай виготовляють із сталі, що містить 9 % нікелю, або алюмінієвого сплаву. Сталь із 9 % нікелю є основним матеріалом — вона зберігає ударну в’язкість до −196 °C і піддається зварюванню за належних технологічних умов. Алюмінієві сплави легші й мають чудові властивості при низьких температурах, але дорожчі й потребують спеціальних технологій зварювання.

Зовнішній резервуар, навпаки, зазвичай виготовляють із вуглецевої сталі або залізобетону. Він безпосередньо не піддається кріогенним температурам — ізоляція підтримує його в теплому стані, — однак повинен витримувати гідростатичний тиск вмісту внутрішнього резервуара у разі протікання.

Експлуатаційні реалії: те, про що не пишуть у керівництвах

Кріогенні резервуари для зберігання надзвичайно надійні, але вони не є позбавленими обслуговування. Найпоширенішою експлуатаційною проблемою є термічна стратифікація — температурні градієнти всередині рідини, які можуть призводити до швидкого зростання тиску, якщо їх не контролювати. Оператори вимірюють температуру резервуарів на кількох рівнях і використовують пристрої для перемішування або циркуляційні насоси, щоб підтримувати однакову температуру.

Інша реальність: наповнення та спорожнення кріогенного резервуара створюють теплове навантаження. Внутрішній резервуар розширюється й стискається під час зміни температури, а трубопровідні з’єднання мають забезпечувати компенсацію цього руху. Компенсатори та компенсаційні петлі є стандартним рішенням, проте їх потрібно регулярно оглядати й іноді замінювати. Підприємство з виробництва рідкого азоту на Середньому Заході дійшло до цього висновку за жорстким досвідом, коли компенсатор вийшов із ладу під час операції наповнення, що призвело до витоку холодного газу та шеститижневого простою.

Виклик у процесі виготовлення та будівництва

Виготовлення кріогенного резервуара — це не те саме, що виготовлення стандартного посудини під тиском. Допуски є суворішими. Процедури зварювання — складнішими. А вимоги до інспекції — жорсткішими. Єдиний дефект зварного шва у внутрішньому резервуарі може поставити під загрозу всю систему місткості.

Для замовників проекту вибір виробника має вирішальне значення. Виробник із досвідом роботи з кріогенним обладнанням добре розуміє спеціалізовані процедури зварювання, вимоги до неруйнівного контролю та критичну важливість чистоти під час виготовлення. Такі компанії, як GreenFir, що зарекомендували себе у виготовленні кріогенного обладнання, застосовують цей досвід у кожному проекті резервуарів — зменшуючи ризик виникнення проблем на об’єкті та забезпечуючи відповідність роботи резервуара проектним характеристикам від першого наповнення.