Рис. 3. Схема расположения ПАЭ на наружной поверхности ИР

Авторы: Х.М Ханухов, А.В. Алипов, Н.В. Четвертухин, А.Р. Чернобров (ООО «НПК Изотермик»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2016

Хранение сжиженных газов является важной и неотъемлемой составляющей технологической цепочки добыча –переработка–потребление. Самый эффективный способ хранения газа – в сжиженном состоянии при температуре кипения и давлении, близком к атмосферному, в вертикальных цилиндрических резервуарах (ИР), которые относятся к особо опасным производственным объектам (ОПО). Основные типы ИР, получившие распространение в странах бывшего СССР, представлены на рис. 1. В настоящее время в наиболее ответственных случаях (вблизи городской застройки, пожарои взрывоопасных объектов, на берегах водоемов и т.п.) используются резервуары с двумя силовыми корпусами и железобетонным стаканом вокруг резервуара.

Рис. 1. Основные виды конструкций вертикальных изотермических резервуаров (ИР) для хранения сжиженных газов: а – одностенный ИР; б – двустенный ИР с двумя купольными крышами; в – двустенный ИР с подвесной крышей внутреннего резервуара
Рис. 1. Основные виды конструкций вертикальных изотермических резервуаров (ИР) для хранения сжиженных газов: а – одностенный ИР; б – двустенный ИР с двумя купольными крышами;
в – двустенный ИР с подвесной крышей внутреннего резервуара

Анализ риска аварий данных резервуаров показал, что наиболее опасный из всех возможных сценариев аварий – это разрушение резервуара с купольным покрытием от повышения внутреннего давления при отказе компрессоров либо предохранительных клапанов. В связи с этим система постоянного акустико-эмиссионного мониторинга (СПАЭМ) должна быть ориентирована на предупреждение именно этого сценария аварии.

Предложения по организации СПАЭМ даны на примере ИР жидкого аммиака с двойной силовой стенкой и паропроницаемой подвесной крышей над внутренним резервуаром-стаканом. Однако они применимы в той или иной степени и к одностенным, и двустенным ИР с двумя купольными крышами.

Установка СПАЭМ на внутреннем резервуаре, выполненном в виде открытого стакана без стационарной крыши, особенно с усиленным корпусом за счет применения повышенного коэффициента надежности по ответственности сооружения γ

n = 1,2, лишена смысла. При качественно выполненном монтаже резервуара и надежном контроле качества сварных соединений физических причин для роста усталостных трещин в корпусе внутреннего резервуара нет. Корпус внутреннего резервуара, выполненный без грубых дефектов, способен выдержать десятки тысяч циклов полного налива–слива жидкого аммиака.

Образование хрупкой трещины при захолаживании резервуара для жидкого аммиака, температура кипения которого находится в диапазоне климатических зимних температур, – явление, близкое к невероятному. Установка СПАЭМ с целью предупреждения этой близкой к невероятной ситуации также лишена смысла, тем более, что процесс хрупкого разрушения в этом случае произойдет мгновенно, и СПАЭМ не сможет обеспечить его предотвращение.

На основании фактов и анализа риска аварий и разрушений приходим к выводу, что наиболее вероятный и наиболее опасный сценарий аварии ИР – это нарушение в работе агрегата компримирования аммиака, приводящее к его остановке, повышению температуры в резервуаре и росту внутреннего давления до значения, в 2–3 раза превышающего расчетное. Далее может произойти разрушение резервуара по двум сценариям: либо обрыв анкеров при недостаточной их прочности, недопустимая деформация корпуса и разрушение сварного соединения стенки с днищем, либо (при повышенной прочности анкеров) разрушение сварного соединения стенки с крышей. Именно такие сценарии аварии реализовались при двух документально зафиксированных случаях в истории эксплуатации изотермических резервуаров (первый случай в СССР в г. Ионава в 1989 г., второй – в США в г. Гейсмаре, шт. Луизиана в 1984 г.). Из этих двух сценариев аварии наиболее опасным является первый: отрыв стенки от днища с полным проливом жидкого аммиака во внешнюю среду (г. Ионава). Второй сценарий – отрыв крыши от стенки значительно менее опасный, так как в этом случае продукт остается во внутреннем резервуаре (г. Гейсмар).

Анализ напряжения деформированного состояния резервуара с купольной крышей показывает, что при давлении газа до 13 кПа окрайка днища прижимается к плоскому основанию давлением жидкости и не отрывается от основания независимо от наличия или отсутствия анкерных креплений резервуара (рис. 2).

Рис. 2. Меридиональное напряжение σz в узлах стыка стенки резервуара с днищем и крышей при действии гидростатической нагрузки и избыточного давления р: 1 – напряжение в окрайке днища (анкеры есть); 2 – напряжение в стенке в узле стыка с крышей (не зависит от наличия анкеров); 3 – напряжение в окрайке днища (усиленный корпус резервуара – γz = 1,2); 4 – напряжение в окрайке днища (анкеров нет; корпус резервуара без усиления – γz = 1)
Рис. 2. Меридиональное напряжение σz в узлах стыка стенки резервуара с днищем и крышей при действии гидростатической нагрузки и избыточного давления р: 1 – напряжение в окрайке днища (анкеры есть); 2 – напряжение в стенке в узле стыка с крышей (не зависит от наличия анкеров); 3 – напряжение в окрайке днища (усиленный корпус резервуара – γz = 1,2); 4 – напряжение в окрайке днища (анкеров нет; корпус резервуара без усиления – γz = 1)

При больших давлениях газа анкеры активно включаются в работу. До тех пор, пока резервуар удерживается анкерами, напряжение в окрайке днища в уторном узле практически постоянно, определяется гидростатическим давлением жидкости и незначительно зависит от давления газа. Видно, что в этом случае при всех значениях давления газа напряжение в узле стыка стенки с днищем меньше напряжения в узле стыка стенки с крышей.

Поэтому при наличии анкеров и их надежной работе при любом давлении газа отрыв стенки от днища невозможен, так как отрыв крыши от стенки произойдет раньше.

При отсутствии анкеров окрайка днища сильно деформируется, и напряжения в узле стыка стенки с днищем при всех значениях давления газа, превышающих в данном случае 0,13 кгс/см2, оказываются выше напряжений в узле стыка стенки с крышей. В связи с этим при обрыве анкеров в первую очередь должен произойти отрыв стенки от днища, что и имело место в Ионаве.

Если происходит обрыв анкеров, вызванный ростом давления, то изгибные меридиональные напряжения в окрайке днища в районе уторного узла оказываются значительно выше напряжений в стенке резервуара.

В этом случае разрушение (раскрытие) стенки по вертикальным сварным соединениям, тем более с учетом полистовой сборки, исключающей образование протяженных вертикальных швов, практически невозможно, так как ранее него произойдет разрушение сварного соединения стенки с днищем.

Учитывая это, считаем нецелесообразным сооружение защитного железобетонного стакана вокруг ИР, так как его функцию выполняет наружный корпус резервуара [1].

Расчеты показывают, что разрушение резервуара может произойти при следующих значениях нагрузок:

  • внутреннее давление газообразного аммиака – не менее 30 кПа;
  • разрежение (вакуум) – не менее 1,5 кПа.

Внутреннее давление, при котором произошло разрушение ИР в г. Ионава, оценивается величиной в 40 кПа.

На основе анализа риска и с учетом расчета напряженного состояния наружного резервуара при повышении давления считаем целесообразным установку датчиков СПАЭМ на внешней поверхности наружного резервуара.

Как в процессе эксплуатации ИР, так и при аварийном повышении давления, большая часть поверхности наружной стенки, кроме узких зон высотой по 0,5 м от днища и крыши, находится в слабо напряженном состоянии.

Из этого следует, что контролировать нужно только узкие зоны сопряжения стенки с днищем и крышей.

Для такого контроля состояния металла достаточно разместить небольшое число датчиков – преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) равномерно по периметру наружной стенки на высоте 0,5…1 м от днища и на таком же расстоянии от крыши (рис. 3). В настоящее время специалистами НПК «Изотермик» совместно с партнерами проводится экспериментально-расчетная работа по уточнению оптимальных зон регистрации сигналов акустической эмиссии в местах соединения стенки с днищем и крышей ИР.

Рис. 3. Схема расположения ПАЭ на наружной поверхности ИР
Рис. 3. Схема расположения ПАЭ на наружной поверхности ИР

Условия для проявления акустической эмиссии могут возникнуть в узле соединения стенки и крыши при повышении давления газообразного аммиака свыше 0,15…0,2 кгс/см2. В этом случае СПАЭМ в дополнение к штатным приборам контроля давления будет указывать непосредственно на опасное состояние металла – растущие трещины или возникновение зон пластической деформации. С учетом того, что отрыв крыши от стенки возможен при внутреннем давлении не ниже 0,3 кгс/см2, а повышение давление до этого уровня займет несколько часов, система акустико-эмиссионного мониторинга заблаговременно предупредит о приближении опасного состояния металла.

Исходя из изложенного, можно сделать следующие выводы:

  • ИР с подвесной конструкцией крыши и двумя силовыми стенками является наиболее надежным с точки зрения риска аварии. Работа внутреннего резервуара-стакана направлена лишь на сдерживание гидростатического давления продукта, а наружного – на избыточное давление газа и на гидростатическое давление при аварии. Исходя из анализа риска, при такой конструкции не требуется сооружение защитного железобетонного стакана вокруг резервуара, что позволяет получить значительную экономию средств при сооружении ИР;
  • межстенное пространство ИР может быть использовано в качестве аварийного объема, способного вместить продукт без потерь и без снижения его качества, в случае повреждения внутреннего резервуара-стакана, поскольку межстенное пространство освобождено от тепловой изоляции и постоянно находится при температуре, близкой к температуре кипения продукта. Таким образом, экономические затраты, связанные с разработкой и организацией специальных мероприятий по оперативному освобождению резервуара от продукта, снижаются до нуля;
  • тепловая изоляция ИР монтируется на внешней стороне наружного резервуара, вследствие чего ее фактическое техническое состояние можно контролировать в режиме реального времени, предотвращая или оперативно устраняя причины увеличения теплопотерь;
  • особенности описанной конструкции, а также результаты анализа риска аварии ИР, позволяют по-новому использовать СПАЭМ и предназначить ее для раннего оповещения о наступлении наиболее опасной аварийной ситуации – отрыва крыши или днища от стенки резервуара или недопустимое растяжение анкерных креплений в результате аварийного повышения давления.

При таком использовании СПАЭМ не требуется точная локализация дефектов, как таковая, так как линия возможного нарушения сплошности конструкции известна заранее по результатам проведенных прочностных расчетов, а конкретное место начала отрыва крыши от стенки резервуара не имеет принципиального значения;

  • наиболее опасные с точки зрения повышения давления места в конструкции ИР, подтвержденные расчетными данными, должны быть выделены в зоны контроля, в которые целесообразно устанавливать датчики СПА-ЭМ (места соединения стенки с крышей и днищем, а также места врезки технологических патрубков). Это существенно сокращает необходимое число ПАЭ и, соответственно, снижает стоимость всей системы мониторинга;
  • расположение датчиков СПАЭМ с внешней стороны наружной стенки ИР обеспечивает свободный доступ для их технического обслуживания (калибровка, замена, ремонт и т.д.).

Список литературы

    1. Ханухов Х.М., Алипов А.В., Четвертухин Н.В., Чернобров А.Р. Конструкционные мероприятия по повышению безопасности и снижению риска эксплуатации изотермических резервуаров для хранения жидкого аммиака//Безопасность труда в промышленности. №8. 2015. С. 74–82.