Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 [ 140 ] 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284

если хотят придать ей улучшеннью механические свойства, и нижеприведенная таблица уточняет минимально необходимые механические свойства, требуемые нормами (ASTM - ASME - Afnor).

Сталь с 9% никеля используется преимущественно для изготовления криогенных емкостей и трубопроводов или арматуры, где встречаются трудности изготовления сложных по форме изделий. Ее теплопроводность изменяется от 19,23 при -150°С до 29,26 Вт • М"» • К"» при 25°С.

4.3.1.4. Частный случай сталей со структурным отвердением

Мартенситнью стали, имеющие характеристики между аустенитными и легированными никелем сталями, структурные отвердения, могут быть использованы в криогенной технике, в частности сталь KS1140, механические характеристики которой приведены в нижеследующей таблице.

4.3.1.5. Сварка металлов и сплавов, используемых в области СПГ

4.3.1.5.1. Медь и медные сплавы

Они всегда свариваются классическими способами с использованием припоев с составом, аналогичным составам основных материалов.

4.3.1.5.2. Алюминий и его сплавы

Эти материалы должны свариваться электросваркой в атмосфере инертного газа, лучше всего автоматическим или полуавтоматическим способом.

Сплав AG 4МС, не так часто используемый, должен свариваться с алюминиево-магниевым припоем с содержанием 5% магния (испарение магния).

4.3.1.5.3. Аустенитные стали

Свариваемые элементы и припои должны выбираться преимущественно из марок с очень низким содержанием углерода и с минимальным содержанием примесей для того, чтобы эти материалы, имеющие тенденцию к миграции в соединениях зерен, были бы достаточно надежного качества, чтобы не возникало межзерновой хрупкости.

4.3.1.5.4. Стали с 9% содержанием никеля

Для сварки этих сталей рекомендуется в качестве припоя сплав типа инконель, статические механические свойства которого и юяффициент расширения близки к аналогичным характеристикам указанных сталей и который, кроме того, не имеет зоны перехода пластичности.

4.3.2. Другие криогенные материалы

Кроме металлов многие другие материалы имеют подходящие характеристики в точно опроде-леннои области - при низких температурах:

- земля (грунт),

- бетоны,

- дерево,

- пластмассы.

4.3.2.1. Земля

Первый материал, который можно рассматривать как подходящий при строительстве криогенных установок, - это сама земля. В сгмом деле, замерзание воды, насыщающей фунт, придает ему механическую прочность, позволяющую использовать его в качестве хранилища. Механическая прочность замороженного фунта зависит не только от температуры, но и от насыщенности водой. Необходимо отличать мгновенную прочность от сопротивления ползучести (текучести), которое во много раз меньше по величине. Это различие o6v ясняется наличием льда, который служит цементом между частицами грунта и обуславливает пластичность и ползучесть замороженных грунтов.

Некоторые грунты типа глинистых вспучиваются при замерзании за счет впитывания воды, доуше, как, например, песчаники, не имеют этой особенности. Зненительное вспучивание, наблюдаемое при замораживании глинистых фунтов, объясняется не замерзанием первичной воды, а поступлением в грунт воды в результате уменьшения парциального давления паров воды на границе промерзания.

Грунт в криогенной технике используется в двух случаях:

- подземные резервуары, в которых СПГ хранятся прямо в полостях, вырытых в замороженном Фунте. Эта техника, представляющая интерес

Механические характеристики стали KS 1140.

с точки зрения безопасности, была использована в некоторых сулчаях в шестидесятые годы (хранили1ца в Канвей Исланде в Англии и в Арзеве в Алжире), но от нее отказались по двум причинам: вокруг хранилищ происходит подвижка грунта; потери на испарение слишком велики (теплопроводность грунта заключена в првделах от 1 до 2 Вт • м- • К");

- противопожарные рвы, окружающие наземные резервуары, - хранилища СПГ.

4.3.2.2. Бетоны

Бетоны являются криогенными материалами, их механические свойства: сопротивление сжатию, модуль упрупхгги, сопротивление разрыву, коэффициент Пуассона, увеличиваются при низких температурах, в то же время ползучесть уменьшается. С другой стороны, циклы нагрев-охлкдение им противопоказаны: бетон поврвждается тем быстрее и больше, чем больше влажность и чем больше термический шок (амплитуда колебаний температуры).

Теплопроводность растет в интервале температур от 20°С до -170°С на 30 - 60% для влажного бетона и на 5 - 20% для сухого бетона. С другой стороны, теплоемкость бетона уменьшается с понижением температуры, это понижение возможно составляет около 50% при -170°С.

Обычно применяют армированные бетоны. Поэтому в каждом случае необходимо учитывать структурное поведение системы бетон-арматура. При охлаждении благодаря разной степени сжатия бетона и стали образуются внутрвнние напряжения: в первой фазе замораживания влажный бетон расширяется благодаря образованию льда, во второй фазе сокраищет свой объем, и при -165°С существует значительное отклонение в степени деформации бетона и стали. Термические циклы в интервале +20°С и -165°С вызывают более или менее значительное ловрвждение бетона.

В криогенной технике бетон используется по двум направлениям:

- как первичный механический барьер для содержания СПГ (пример - резервуары в Барселоне). От этой технологии постепенно отказываются, так как, поскольку бетон плохо переносит циклы нагрвва-охлаждения, эти резервуары могут быть разогрвты только в очень рвдких случаях;

- как вторичный барьер, лрвдназначенный для содержания СПГ в случае аварии в первичном барьера. Эта технология в значительной степени увеличивает безопасность наземных рвзер-ByaipoB.

Одно из побочных применений бетона состоит в использовании его в качестве изолирующего материала (например, коллоидный бетон) на поверхности рвов или ловушек, предназначенных для приема СПГ в случае розлива иэ наземного резервуара.

Во всех первчисленных случаях применения чувствительность бетона к термическим циклам не является проблемой, а его прочность к ударам, огнестойкость и прочность при низких температурах делают его идеальным материалом.

4.3.2.3. Древесные материалы

Все свойства древесных материалов улучшаются с понижением температуры, и эти материалы не

отличаются особой хрупкостью в криогенных условиях. Поэтому деревянные отсеки используются в качестве изоляции, когда хотят одноврвменно получить достаточную механическую прочность и небольшую теплопроводность.

Тем не менее древесные материалы, используемые в этом качестве, имеют три дефекта в криогенных условиях:

- они растрескиваются;

- их механические характеристики разбросаны;

- их усадка в десять раз больше в поперечном направлении, чем в направлении волокон (размерная нестабильность).

Чтобы избавиться от этих дефектов, часто применяют древесные материалы в виде фанеры, изготовленной в виде листов древесины, склеенных так, что в соседних листах направления волокон ориентированы различно. Свойства клеев, используемых при низких температурах, определяют свойства фанеры, в криогенной технике применяют всегда морские клеи.

Как положительный факт следует отметить, что теплопроводность фанеры сильно уменьшается с понижением температуры и что при -160°С ее значение примерно вдвое меньше теплопроводности при комнатной температуре.

Во всех метановозах, танки которых изготовлены по мембранной технологии, фанера используется как изолирующий материал и механическая опора, а одна иэ технологий использует фанеру как материал для вторичного барьера (см. § 4.6.1.2.1).

Свойства древесных материалов при комнатной температура.

4.3.2.4. Пластмассы для стыковых соединений и арматуры

Каучук, который становится хрупким при низких температурах, не может быть использован в криогенной технике. Вместо него в качестве прокладок в соединениях и арматура используют следующие материалы:

- смеси синтетических эластомеров и асбеста: это изделия, названия которых в коммерческой практике оканчиваются на "ит.": перманит, вулкорит, клингерит и т.д. Наличие асбеста накладывает определенные ограничения в использовании, такие как запрещение абразивной обработки;

- политетрафторэтилен (ПТФЭ), используемый или в чистом виде (коммерческое название -тефлон) или смешанный со стекловолокном (коммерческое название - Кел Ф).

4.3.3. Изолирующие материалы

Неоходимость термоизоляции оборудования, содержащего СПГ, показана в § 4.4.1.3.4.

4.3.3.1. Критерии выбора термоизоляции в криогенной технике

Хорошая изоляция должна отвечать пяти типам критериев:

- физическим;

- механическим;

- безопасности;

- конструктивным;

- экономическим.

4.3.3.1.1. Физические критерии

4.3.3.1.1.1. Коэффициент теплопроводности

Изолирующие материалы, используемые в криогенной технике, имеют в большинстве случаев величину коэффициента теплопроводности меньше 0,050 Вт • м- • К". Численное значение этой характеристики зависит от температуры.

4.3.3.1.1.2. Непроницаемость

В отличие от паропроводов холод в случае СПГ находится внутри трубопровода; влага воздуха имеет тенденцию к проникновению внутрь теплоизоляции с образованием инея или льда. Коэффициенты теплопроводности этих вешеств имеют средние значения {X = 0,6 Вт • м~ • К* для воды и А, =1 от 2 до 3,5 Вт • м~ • К~ для льда в диапазоне ог О до -100°С), поэтому общее качество теплоизоляции уменьшается.

Следовательно, необходимо использовать непроницаемую теплоизоляцию или предохранить ее от проникновения воды посредством водонепроницаемого покрытия или предохранить изолируемое пространство от проникновения воды, создав в нем избыточное давление с помощью сухого газа.

4.3.3.1.1.3. Старение

Помимо проникновения влаги процесс старения обусловлен тем, что некоторые виды теплоизоляции вследствие внутренних химических изменений (очень медленные вторичные реакции, миграция компонентов) или внешних (изменения структуры из-за воздействия ультрафиолетового излучения солнца, например воздействий подвержены трансформациям, которые ухудшают их первоначальные изоляционные свойства. Применение таких материалов требует особых мер предосторожности при строительстве криогенных сооружений, срок службы которых превышает 20 лет.

4.3.3.1.2. Механические критерии

4.3.3.1.2.1. Плотность

Хорошая термоизоляция должна быть как можно более легкой для того, чтобы не перефужать сооружения (резервуары, трубопроводы и т.д.), на которые она наносится.

4.3.3.1.2.2. Термическая усадка

Если изолирующий материал и изделие, на которое он нанесен, имеют различные коэффициен-

ты термоусадки, теплоизоляция должна иметь термокомпенсирующие вставки (соединения).

4.3.3.1.2.3. Жесткость

Интересно отметить, что, в случав, например, полиуретана, жесткость материала компенсирует утяжеление из-за нанесения теплоизоляции.

4.3.3.1.2.4. Ударопрочность

Этот критерий важен в особенности для трубопроводов. Монтаж предварительно покрытых изоляцией участков трубопроводов или особых узлов вызывает необходимость использования грузоподъемных механизмов, которые могут вызвать удары, поэтому хорошая теплоизоляция не должна быть хрупкой.

4.3.3.1.3. Критерии безопасности

По очевидным причинам для объектов газовой промышленности термоизоляция должна быть огнестойкой.

Нормы Afnor классифицируют различные теплоизоляционные материалы в соответствии с их огнестойкостью.

4.3.3.1.4. Эксплуатационные критерии

Теплоизоляция должна не только легко наноситься но и быть легко контролируема, в частности в особых точках, таких как, например, задвижки, компенсаторы, опоры трубопроводов.

4.3.3.1.5. Экономические критерии

Эти критерии, естественно, различны для различных видов теплоизоляции. Расходы на оплату труда при покрытии теплоизоляцией трубопроводов СПГ пластинками предварительно изготовленного полиуретана могли бы быть здесь определяющим параметром (см. § 4.3.3.2.3).

4.3.3.2. Различные типы теплоизолирующих материалов

Теплоизоляция может быть классифицирована в четыре большие группы:

- многослойная теплоизоляция, называемая также суперизоляцией;

- волоконные материалы;

- насыпные материалы;

- жесткие материалы.

4.3.3.2.1. Многослойные теплоизолирующие материалы

Суперизоляция получается наложением слоев материалов с высокой отражающей способностью (таких как алюминиевые листы, медные листы, алюминированный милар) на материалы с низкой теплопроводностью, например, нейлон. В случае поддержания в теплоизолируемом пространстве давления ниже 1300 Па, можно получить очень низкое значение коэффициента кажущейся теплопроводности, порядка 2 • 10"* Вт • м- К".

Этот вид теплоизоляции очень дорогой и применяется главным образом в лабораторной технике и в метрологии (измерительной технике).