Особенности мониторинга технического состояния изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов

Четвертухин Никита Вячеславович

Ларионов Максим Викторович Чернобров Алексей Ринатович Журавлев Михаил Дмитриевич Широнин Евгений Васильевич ООО «НПК Изотермик»

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: одностенный ИР; двустенный ИР с двумя купольными крышами; двустенный ИР с подвесной крышей внутреннего резервуара.

Рис. 1. Основные виды конструкций вертикальных изотермических резервуаров (ИР) для хранения сжиженных газов

• 1.    Одностенный 2. Двустенный ИР с двумя 3. Двустенный ИР с подвесной Резервуар купольными несущими крышами крышей внутреннего резервуара

В настоящее время в наиболее ответственных случаях (вблизи городской застройки, вблизи пожаро- и взрывоопасных объектов, на берегах водоемов и т.п.) используются резервуары с двумя силовыми корпусами.

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

Предложения по организации САЭМ даны на примере ИР с двойной силовой стенкой и паропроницаемой подвесной крышей над внутренним резервуаром. Однако они применимы и к одностенным и двустенным ИР с двумя купольными крышами.

Установка САЭМ на внутреннем резервуаре, выполненном в виде открытого стакана без стационарной крыши, тем более 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 САЭМ с целью предупреждения этой близкой к невероятной ситуации также лишена смысла, тем более что процесс хрупкого разрушения в этом случае произойдет мгновенно, и САЭМ не сможет обеспечить его предотвращение.

На основе анализа риска и с учетом расчета напряженного состояния наружного резервуара при повышении давления считаем целесообразным установку датчиков САЭМ 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 количество 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.2).

Места установки датчиков системы постоянного акустико-эмиссионного Мониторинга ___________

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 САЭМ 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.

Природа опасного состояния для наружного резервуара ясна априори – развитие пластических деформаций на линии стыка крыши (днища) и стенки при повышении давления. Поэтому для идентификации источника эмиссии в этом случае достаточно зонной локации, что вполне обеспечивается одним слоем ПАЭ по высоте. Установка ПАЭ на наружной крыше (также как и на днище в межстенном пространстве) с целью планарной локации источников эмиссии (определения координат источника эмиссии на поверхности оболочки) для этого не требуется.

Побочными эффектами предлагаемого варианта САЭМ являются:

• -    свободный доступ к датчикам АЭ, их контроль и ремонтопригодность;

• -    значительное сокращение датчиков АЭ.