Обеспечение безопасности резервуаров для хранения сжиженного природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, кандидат наук Рахманин, Артем Игоревич

• Рахманин, Артем Игоревич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Рахманин, Артем Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ КРУПНОТОННАЖНОГО ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1 Анализ конструктивных решений и опыта эксплуатации резервуаров для хранения сжиженного природного газа

1.2 Обзор исследований и анализ нормативной документации по проектированию и строительству изотермических резервуаров

1.3 Постановка задач исследования

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ С ЦЕЛЫО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ БЕЗАВАРИЙНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

2.1 Определение воздействий тепловой изоляции на корпус резервуара

2.2 Напряженное состояние конструктивных элементов резервуара при стратификации и перемещении слоев продукта

2.3 Методические основы предупреждения аварийных ситуаций при разгерметизации трубопроводной обвязки

2.4 Методика комплексной оценки работоспособности изотермического резервуара с учетом негативных факторов эксплуатации

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ПРИ СЛИВОНАЛИВНЫХ ОПЕРАЦИЯХ

3.1 Разработка математической модели расслоения продукта при наливе в резервуар сжиженного газа

3.2 Выбор технических решений для оптимизации схемы загрузки в резервуар сжиженного газа

3.3 Методика оценки безопасности сливоналивных операций при крупнотоннажном хранении сжиженного природного газа

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ПРИМЕРЕ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ

РИСКА ВОЗМОЖНОГО УЩЕРБА

4.1 Описание конструктивных решений резервуаров для хранения сжиженного газа в арктических условиях и критерии их выбора

4.2 Сравнительный анализ безотказности резервуаров различных конструкций

4.3 Анализ рисков в случае разгерметизации технологической обвязки резервуара

4.4. Практические рекомендации по выбору оптимальных конструктивных решений изотермического резервуара для безопасной эксплуатации в сложных условиях

Выводы по главе 4

ВЫВОДЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение безопасности резервуаров для хранения сжиженного природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В последние десятилетия растет динамика использования сжиженного природного газа (СПГ), что дает возможность решать проблемы газоснабжения удаленных и труднодоступных районов, прокладка трубопроводов в которые технически затруднена или экономически нецелесообразна. В России в настоящее время функционирует завод по сжижению газа на острове Сахалин, сооружается комплекс по сжижению, хранению и отгрузке СПГ в рамках освоения Южно-Тамбейского газового месторождения (проект «Ямал-СПГ»), запроектирован комплекс по освоению Штокмановского газоконденсатного месторождения. В июне 2013 года введен в эксплуатацию крупнейший в СНГ терминал по перевалке сжиженных газов в составе порта Усть-Луга. Неотъемлемой частью высокотехнологичных комплексов по сжижению, выдаче и приему СПГ являются крупногабаритные надземные изотермические резервуары (ИР).

Крупногабаритные резервуары СПГ являются хранилищами больших объемов пожаровзрывоопасного продукта, разгерметизация которых с истечением продукта в атмосферу может привести к катастрофическим последствиям. Вместе с тем, нормативная база и практика проектирования, строительства и эксплуатации таких резервуаров в России, практически отсутствуют. В этой ситуации реализуются зарубежные проекты изотермического хранения, не адаптированные к сложным условиям России, что может привести к проблемам с безопасной эксплуатацией резервуаров СПГ.

Таким образом, при отсутствии отечественной нормативно-технической документации и опыта строительства крупногабаритных изотермических резервуаров становится актуальной задача обеспечения их безопасности на основе идентификации, формализации негативных факторов изотермического хранения СПГ и их учета в процедуре оценки риска. Решение данной задачи позволит не только прогнозировать техническое

состояние конструктивных элементов резервуаров, но и даст возможность выбора рациональных конструктивно-технологических решений, снижающих риск изотермического хранения и обеспечивающих безопасность и работоспособность резервуаров для СГГГ в конкретных условиях эксплуатации.

Цель исследования

С учетом изложенного, целью настоящего диссертационного исследования является обеспечение безопасности крупногабаритных изотермических резервуаров для хранения СПГ на основе выбора рациональных конструктивных и технологических решений, компенсирующих влияние негативных эксплуатационных факторов резервуаров и минимизирующих риск социального, материального и экологического ущербов.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании необходимо решить следующие основные задачи:

1. Идентифицировать и формализовать опасные факторы изотермического хранения СПГ с целью оценки их влияния на работоспособное состояние крупнотоннажных резервуаров с различными конструктивно-технологическими решениями.

2. Разработать методические основы для оценки работоспособности изотермических резервуаров с учетом влияния негативных факторов эксплуатации на напряженно-деформированное состояние оболочечных конструктивных элементов.

3. Разработать методику оценки технологической безопасности сливоналивных операций для оптимизации конструктивной схемы загрузки жидкой фазы в резервуар.

4. Разработать практические рекомендации по выбору рациональной конструкции резервуаров для реализации проектов крупнотоннажного изотермического хранения в сложных природно-климатических условиях

Арктики с целыо снижения риска социального, материального и экологического ущербов.

Научная новизна

1.На основе анализа негативных факторов эксплуатации резервуаров для хранения сжиженного природного газа идентифицированы и формализованы опасности изотермического хранения СПГ, основными из которых являются: деградация теплофизических свойств перлитовой изоляции; возможность образования недопустимых деформаций при стратификации и переворачивании слоев продукта; разгерметизация технологической обвязки резервуара.

2. Разработаны методические основы для оценки работоспособности крупнотоннажных изотермических резервуаров, учитывающие воздействие засыпной изоляции на корпус резервуара, возможность резкого перемещения слоев хранимого СПГ, разгерметизацию трубопроводов обвязки резервуара.

3. Разработана математическая модель расслоения хранимого продукта при наливе в резервуар жидкой фазы газа, что дает возможность выбрать рациональную схему загрузки СПГ в резервуар для обеспечения технологической безопасности сливоналивных операций.

4. На основе вероятностных моделей разработан подход к выбору безопасных конструктивных решений резервуаров для реализации проектов крупнотоннажного изотермического хранения в условиях Арктики.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации методики и алгоритмы могут использоваться для обоснования выбора конструктивных и технологических решений при реализации проектов крупнотоннажного хранения сжиженного природного газа, а также в процедурах оценки рисков при разработке деклараций промышленной безопасности на этапе проектирования изотермических резервуаров с целыо обоснования их безопасности.

Методы исследования

Поставленные в работе задачи решены с использованием системного подхода, положений строительной механики, теории надежности, математического аппарата марковских цепей, теории непараметрической оценки плотности вероятности, уравнений термодинамики и теплотехники.

Основные положения, выносимые на защиту:

- оценка влияния негативных эксплуатационных факторов на работоспособное состояние крупнотоннажных резервуаров с различными конструктивно-технологическими решениями;

- математическая модель расслоения хранимого продукта при наливе в резервуар сжиженного газа, разработанная с целью обеспечения технологической безопасности сливоналивных операций;

- риск-ориентированный подход к выбору рациональных конструктивно-технологических решений резервуаров при реализации проектов крупнотоннажного изотермического хранения в сложных условиях эксплуатации.

Достоверность результатов исследования обосновывается использованием классических положений строительной механики, термодинамики и теплотехники, теории оболочек, вероятностно-статистических моделей, методов непараметрической оценки функции плотности вероятности. Достоверность прогнозирования времени инкубации «ролл-овера» подтверждается достаточной корреляцией результата, полученного в ходе расчета времени расслоения хранимого СПГ по предлагаемой модели, с периодом инкубации «ролл-овера» в реальных условиях эксплуатации изотермического резервуара.

Апробация результатов

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях различного уровня: Девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности" (газ, нефть, энергетика) (г. Москва,

4-7 октября 2011 года); 66-ой Международной молодежной научной конференции "Нефть и газ - 2012" (г. Москва, 17-20 апреля 2012 года); 67-ой Международной молодежной научной конференции "Нефть и газ - 2013" (г. Москва, 9-12 апреля 2013 года); Юбилейной Десятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности" (газ, нефть, энергетика) (г. Москва, 8-11 октября 2013 года); Десятой Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России" (г. Москва, 10-12 февраля 2014 года).

Публикации

По теме диссертационного исследования опубликовано 7 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка из 110 наименований. Диссертация содержит 137 страниц основного текста, 38 рисунков, 13 таблиц.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРОБЛЕМЫ

БЕЗОПАСНОСТИ КРУПНОТОННАЖНОГО ХРАНЕНИЯ

СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1 Анализ конструктивных решений и опыта эксплуатации резервуаров для хранения сжиженного природного газа

При проектировании комплексов по подготовке и использованию сжиженного природного газа неизбежно встает вопрос о выборе способа хранения значительных объемов СПГ. Практика строительства комплексов показывает, что на долю резервуаров для хранения СПГ приходится до 50% общих капиталовложений. После получения первой крупной промышленной партии СПГ в 1937 году возникла необходимость разработки конструкции низкотемпературных хранилищ сжиженного газа. Пилотный проект низкотемпературного резервуара вместимостью 54,88 м был реализован в 1939 году в штате Виргиния. Резервуар был изготовлен из стали с 2%-м содержанием никеля, в качестве тепловой изоляции использовались пробковые плиты толщиной 750 мм [1]. Устанавливался резервуар горизонтально на деревянных козлах.

В современной практике использования сжиженных газов существуют различные конструктивно-технологические схемы их хранения [2].

Первый способ хранения возможен в горизонтальных или шаровых резервуарах под давлением и при температуре не выше плюс 50°С.

Второй способ хранения возможен при пониженном давлении. Конструктивно данный метод реализуется путем сооружения подземных, надземных, передвижных резервуаров. Также для хранения СПГ используются искусственно создаваемые пустоты под землей. Температура продукта в рамках данной схемы совпадает с температурами хранения по третьей схеме, приведенной ниже.

Третья схема реализует изотермический способ хранения, сущность которого заключается в том, что природный газ сжижается и в таком состоянии хранится при небольшом избыточном давлении (до 29 кПа) и

температуре, близкой к температуре насыщения при данном давлении. Температура насыщения метана — основного компонента СПГ — при таком давлении составляет -162°С. Изотермический способ хранения СПГ возможно осуществить при использовании подземных льдогрунтовых хранилищ или в подземных и надземных изотермических резервуарах. Третий способ хранения является наиболее предпочтительным для хранения больших объемов СПГ. При этом в международной практике наибольшее распространение получили надземные вертикальные изотермические резервуары (ИР). Классификация ИР для сжиженного природного газа по конструктивному исполнению приведена на рисунке 1.

Рисунок 1

- Классификация изотермических резервуаров для СПГ по конструктивному исполнению

Изотермические резервуары одинарной герметизации состоят из внутренней металлической емкости, непроницаемой для жидкости, и внешней емкости, непроницаемой для пара и защищающей тепловую изоляцию от атмосферных воздействий.

Изотермические резервуары двойной герметизации также состоят из внутренней металлической емкости, непроницаемой для жидкости, и внешней емкости. Внешняя емкость открыта сверху и, соответственно, не может препятствовать утечке паров продукта. Межстенное пространство может накрываться "дождевым щитом" для защиты от осадков.

В мембранных резервуарах внутренняя емкость представляет собой изготовленную из аустенитной стали оболочку толщиной не менее 1,2 мм, гофрированную в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Система гофрирования допускает расширение и сжатие при тепловых нагрузках. Внутренняя емкость не является полностью несущей, а опирается на твердую тепловую изоляцию, плотно примыкающую к внешней стенке. Внешняя емкость состоит из железобетонной фундаментной плиты, стенки из предварительно напряженного бетона и железобетонной крыши куполообразной формы. Несущая способность емкости обеспечивается совместной работой трех слоев: внутренней стенки, теплоизоляции и внешней стенки. Резервуары мембранной конструкции в России практически не используются.

Резервуары закрытого типа (или полной герметизации, или двухоболочечные резервуары) состоят из непроницаемой для жидкости внутренней емкости и внешней емкости, непроницаемой для жидкости и пара. Внутренняя емкость может быть открытой сверху или иметь подвесное перекрытие. Внешняя емкость представляет собой стальной или железобетонный резервуар, оснащенный купольной крышей и рассчитанный на комбинированное выполнение следующих функций:

- в режиме штатной эксплуатации служить в качестве первичной паровой герметизации резервуара (в случае внутренней емкости с открытым верхом) и заключать в себе теплоизоляцию внутренней емкости;

- в случае разгерметизации внутренней емкости локализовать разлитие СГТГ и сохранять паронепроницаемость конструкции. Допускается выброс паров в атмосферу при условии его контроля системой защиты от избыточного давления. Для восприятия давления жидкости при разгерметизации внутренней емкости внешняя железобетонная стенка выполняется с предварительным напряжением. Преднапряжение железобетонной стенки осуществляется с помощью пучков высокопрочных стальных канатов, проложенных в специальных внутренних желобах и замоноличенных раствором после натяжения. Внешняя емкость, изготовленная из предварительно напряженного железобетона, должна иметь стальную облицовку по внутренней поверхности для обеспечения газонепроницаемости.

Для защиты от внешнего теплопритока, способствующего испарению хранимого СГТГ, применяют теплоизоляцию. В конструкциях полной герметизации межстенное пространство заполняется тепловой изоляцией из вспученного перлитового песка. Для частичной компенсации температурных деформаций внутренней емкости дополнительно устраивается слой теплоизоляции из эластичного минерального войлока в обкладке из металлической сетки по всей наружной поверхности емкости. В конструкциях ИР одинарной герметизации применяют теплоизоляцию экранного или пористого типа. Для защиты от атмосферных воздействий изоляцию обшивают тонкостенными алюминиевыми листами.

Вышеописанные конструкции изотермических резервуаров приведены на рисунке 2.

Одинарная герметизация

^-тТТТТТГг^

пары пары

1

Двойная герметизация

Полная герметизация

Д

Рисунок 2 - Конструктивное исполнение изотермических резервуаров а) одинарная герметизация б) двойная герметизация в) мембранный резервуар г) полная герметизация д) схема герметизации ИР при утечке продукта 1 - первичный контейнер (стальной); 2 - вторичный контейнер, рассчитанный на удержание разлития продукта; 3 - изоляция днища; 4 -фундамент; 5 - система обогрева фундамента; 6 - гибкое изоляционное уплотнение; 7 - подвесное перекрытие (изолированное); 8 - стационарная крыша; 9 - несущая теплоизоляция; 10 - мембрана; 11 - засыпная тепловая изоляция; 12 - наружная стальная оболочка, неспособная удерживать жидкость; 13 - покрытие (дождевой щит); 14 - защитная дамба; 15 -

железобетонное покрытие

Независимо от типа герметизации резервуара покрытие состоит из внешней купольной крыши, опирающейся на корпус внешней емкости, и внутреннего подвесного перекрытия, которое представляет собой плоскую конструкцию, подвешенную к внешней крыше над внутренней емкостью и несущую теплоизоляцию. Подвесная крыша крепится к стропилам стационарной наружной крыши с помощью подвесок. В ИР полной герметизации с подвесной крышей пары продукта свободно проникают в межстенное пространство, вследствие этого избыточное давление газа воспринимает также и внешняя емкость.

Конструкция внешней крыши зависит от материала внешнего корпуса. При металлическом корпусе в системах одинарной и полной герметизации купольная крыша выполняется из углеродистой стали с расчетной температурой эксплуатации, равной минимальной средней температуре самого холодного дня.

Если внешняя емкость изготовлена из преднапряженного железобетона, то купольная крыша также выполняется из железобетона, монолитно соединенного с корпусом. Внутренняя поверхность всей купольной крыши должна быть облицована углеродистой сталью для обеспечения герметичности и предотвращения утечек паров СПГ. Каркас стальной облицовки должен иметь достаточную несущую способность, чтобы удерживать нагрузку от веса незатвердевшего бетона в процессе его укладки и твердения.

Фундаменты изотермических резервуаров имеют два конструктивных решения: фундамент на сваях, состоящий из свайного поля и монолитного ростверка; фундамент, состоящий из нижней и верхней (ростверка) железобетонных плит, соединенных между собой колоннами. Фундаменты предусматривают устройство проветриваемого пространства между ростверком и грунтом. В случае железобетонной внешней емкости, фундаментная плита является интегрированной частью емкости и жестко связана с внешней стенкой.

Для предотвращения подъема окраек днища внутренней емкости под действием избыточного давления по периметру нижнего пояса внутренней емкости устанавливаются анкерные крепления.

Для осуществления всех необходимых технологических операций при эксплуатации ИР оборудуется соответствующими патрубками. В современных зарубежных конструкциях ИР врезки и патрубки в днище и стенке резервуара (как внешней, так и внутренней емкостей) не разрешаются.

При проведении технологических операций слива, налива продукта, а также в процессе хранения СПГ избыточное давление отпарного газа может отклоняться от проектной величины в сторону вакуума, или же, наоборот, в сторону повышения. С этой целыо конструкция ИР предусматривает предохранительные клапаны давления и вакуума. Предохранительные клапаны должны располагаться на удаленном расстоянии от площадок обслуживания основного оборудования и насосов для безопасности, в случае возникновения пожара на клапане в момент его срабатывания.

Помимо конструктивного исполнения изотермических резервуаров, важным аспектом безопасного хранения СПГ является выбор резервуарных сталей. Необходимость хранения СПГ при отрицательных температурах предъявляет повышенные требования к механическим характеристикам резервуарных сталей. Для уменьшения вероятности хрупкого разрушения при отрицательных температурах стали должны иметь достаточную ударную вязкость, по которой судят об их хладостойкости.

Для изготовления резервуаров с температурой хранения продуктов до минус 104 °С применяется сталь, содержащая 6% никеля, ниже минус 104 °С - сталь, содержащая 9% никеля, (например, сталь АБТМ А553 тип I или аналогичная российская сталь 0Н9), а также аустенитная нержавеющая сталь. Для изготовления внешней металлической емкости или металлической герметизирующей сварной облицовки железобетонной стенки применяется углеродистая сталь. Минимальная расчетная температура металла внешней емкости и облицовки принимается в зависимости от климатических условий.

Используемые типы сталей для конструкций изотермических резервуаров для сжиженных природных и углеводородного газов в зависимости от температуры продукта приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Используемые типы сталей для конструкций изотермических

резервуаров

Продукт Температура изотермического хранения, °С Тип стали Российские аналоги*

Пропан -42.1 Различные группы углеродистых сталей 09Г2С, 09Г2, 16ГС, 16Г2ЛФ

Пропилен -47.7

Ацетилен -84 3.5% Ni 0113

Этан -88.4

Этилен -103.8 5% Ni 0Н6

Метан (СПГ) -163 9% Ni 0Н9

* - по данным ЦНИИПСК им. Мельникова

Ниже в таблице 2 приведен перечень наиболее значимых международных проектов изотермических резервуаров для хранения СПГ, реализованных компаниями TGE Gas Engineering (Германия), CB&I (США) и KOGAS (Южная Корея) в период 2004 по 2014 гг.

Таблица 2 - Реализованные международные проекты изотермических

резервуаров СПГ

Тип, количество и вместимость (м3) резервуаров Год ввода в эксплуат ацию Расположение объекта Владелец

Полная герметизация, 9x200,000 2014 Самчок, Южная Корея, Korea Gas Corp., Korea

Полная герметизация, 2x180,000 2013 Джуронг-Айленд, Сингапур Singapore LNG Pte. Ltd.

Полная герметизация, 3x160,000 2012 Нинбо, Чжэцзян, Китай CNOOC Ningbo LNG Co., Ltd.

Полная герметизация, 150 000 2012 Синиш, Португалия REN Atlántico

Одинарная герметизация, 30,000 2012 Мунай, Китай Xinjiang Ji Munai Guanghui LNG Development Ltd. Co.

Полная герметизация, 2x20000 2012 Порт Усть-Луга Sibur Portenegro

Одинарная герметизация, 30000 2011 Иу, Чжэцзян, Китай Xinjiang Guanghui New Energy Co. Ltd.

Одинарная герметизация, 2x160 000 м3 2010 Папуа Новая Гвинея Chiyoda (экспорт СПГ)

Полная герметизация, 2010 Австралия Woodside Burrup Pty. Ltd.

2x120 ООО

Полная герметизация, 2x100000 м3 2009 о.Сахалин, Россия Sakhalin energy (перевалка СПГ)

Полная герметизация, 1x155 000 20082009 Милфорд Хейвен, Великобритания Qatar Petroleum LNG Services

Мембранная конструкция 10x100 000, полная герметизация 3x200,000 2008 Тхонъён, Корея Korea Gas Corp., Korea

Двойная герметизация, 2x200 000 20072008 США Southern LNG (импорт спг)

Полная герметизация, 2x160000 2008 Кинтеро, Чили GNL Quintero S.A. (импорт СПГ)

Полная герметизация, 2x160000 2008 Фуцзянь, Китай CNOOC Gas & Power Group's

Одинарная герметизация, 70 500 2008 Канада Terasen Gas (пиковый терминал)

Полная герметизация, 2x150,000 2007 Мургадое, Ла-Корунья, Испания Reganosa

Одинарная герметизация, 2x130 000 2007 Перу Peru LNG

Полная герметизация, 2x125000 СПГ 2006 Хаммерфест, Норвегия Statoil ASA, Norway

Полная герметизация, 2x160,000 2006 Порт Лавака, Техас, США Calhoun LNG, LP

Полная герметизация, 3x160,000 2005 Китимат, Канада, приемный терминал Kitimat LNG Inc., Canada

Двойная герметизация, 1x160 000 2004 Доминикана AES Corporation (импорт СПГ)

Одинарная герметизация, 2x140 000 2004 США Trunklie (импорт СПГ)

Полная герметизация, 1x60000 2004 Уотербери, Коннектикут Yankee Gas Service Company

Общемировой парк изотермических резервуаров (по данным за 2012 год) представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Общемировой парк изотермических резервуаров

Тип объекта Одинарная герметизация single+double containment Полная герметизация full-containment

Терминалы на импорт 118 101

Терминалы на экспорт 35 51

«Пиковые» установки и установки сжижения 88 2

ИТОГО 241 154

Анализ данных таблиц 2 и 3 показал, что среди крупногабаритных резервуаров наиболее распространены конструкции полной герметизации, однако ИР одинарной герметизации в ряде случаев являются не менее

конкурентоспособными, обеспечивающими требуемый уровень безопасности хранения при меньшей стоимости.

Конструктивные решения на стадии проектирования выбирают исходя из источников опасностей изотермического хранения и сценариев реализации аварийных ситуаций, т.е. на основании идентификации опасностей.

Идентификация опасностей изотермического хранения СПГ требует анализа опыта эксплуатации, основных и вспомогательных технологических процессов на объекте, компоновочных решений и конструктивных особенностей оборудования.

При этом при эксплуатации РТР выделяются, во-первых, внешние источники опасности, связанные с аварийными ситуациями на соседних объектах, при попадании рассматриваемого резервуара в зону действия поражающих факторов аварии — взрывной ударной волны, осколков и теплового излучения. Во-вторых, выделяются внутренние источники опасности, связанные с физическими свойствами СПГ, конструктивными и технологическими решениями, характерными как для вертикальных резервуаров в общем, так и только для изотермических резервуаров, в частности.

Так, специфической опасностью, характерной только изотермических резервуаров, является возможность образования недопустимых деформаций корпуса и днища при воздействии нагрузок от разделения слоев и их последующего самопроизвольного перемешивания, сопровождающегося бурным вскипанием СПГ (ролл-овер). Данное явление идентифицировано после реального случая возникновения ролл-овера в 1971 году г. Специя (Италия). По дайным Сарстена [79], в заполненный на 20% резервуар диаметром 42 м и высотой 26,77 м, находящийся под атмосферным давлением, в течение 13 часов происходила закачка из танкера тяжелого СПГ под слой более легкого, уже находившегося в резервуаре ранее. Через 19 часов после завершения закачки произошло резкое увеличение количества

продукта, испаряющегося в единицу времени. Скорость испарения СПГ при этом составила около 100 ООО кг/час, а величина избыточного давления паров продукта 710 мм.вод.ст., при расчетном рабочем давлении 250 мм.вод.ст.

Известен случай ролл-овера, произошедший в 1993 году в Партингтоне, Великобритания [80]. Плотности закачиваемого продукта и СПГ, хранящегося в ИР, отличались на 12,5 кг/м3.

Таким образом, на стадии проектирования необходимо учитывать возможность данного явления и разрабатывать мероприятия по минимизации вероятности его образования с целью обеспечения безаварийной эксплуатации ИР.

Другой особенностью изотермических резервуаров является нарушение сплошности засыпной тепловой изоляции, вызванное ее уплотнением при температурных деформациях внутренней и внешней оболочек. Следствием данного процесса является нарушение теплового режима работы хранилища, увеличение нагрузок на корпус от уплотненного слоя изоляции и избыточного давления паров СПГ, а также обмерзание конструкций.

Приведенные в работах [3-5] случаи аварий при эксплуатации хранилищ сжиженных газов свидетельствуют, что при оценке опасностей хранения СПГ необходимо учитывать сценарий разгерметизации трубопроводной обвязки резервуара.

В работе [6] приведены примеры значительных по величине осадок оснований изотермических резервуаров, возведенных на свайном фундаменте, позволяющие сделать вывод, что подобные фундаменты, во-первых, не представляют собой конструкцию достаточной жесткости, во-вторых, применение их может оказаться даже опасным в случае, когда в основании резервуара на больших глубинах находятся слои консолидируемых грунтов, обнаружить которые не всегда возможно из-за технических трудностей, связанных с бурением и отбором проб грунтов со значительных глубин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рахманин, Артем Игоревич, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сорокин А.Р., Черняк Л.М. Сжиженный метан за рубежом. - М. «Недра», 1965. - 135 с.

2. Руководство по безопасности для складов сжиженных углеводородных газов и легковоспламеняющихся жидкостей под давлением. Серия 09. Выпуск 34. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012.-56 с.

3. Дешевых Ю.И. Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа. Диссертация ... кандидата техн. наук: 05.26.03., ФГУ ВНИИПО МВД России, 2001. - 206 с.

4. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Анализ состояния проблемы // Болодьян И.А [и др.]; Пожарная безопасность. - 2000. -№2. - с. 86-96.

5. Провести исследования опасности аварийных проливов криогенных жидкостей из оборудования и разработать рекомендации по их оценке и мерам защиты: Отчет // ВНИИПО МВД СССР: Макеев В.И., Некрасов В.П., Чугуев А.П., тема С.6.1 .НОО1.90, "Риф-А", 1991.

6. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований / П.А. Коновалов, P.A. Мангушев, С.Н. Сотников [и др.]. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2009. - 336 с.

7. Махутов H.A., Лыглаев A.B., Большаков A.M. Хладостойкость (метод инженерной оценки). - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. - 195 с.

8. Рачевский Б.М. Сжиженные углеводородные газы. М.: Нефть и газ, 2009. - 640 с.

9. Сафонов В. С. Физические особенности и способы предотвращения стратификации СПГ в изотермических резервуарах. М., 1989. - Обз. информ. Сер. "Транспорт и подземное хранение газа"/ВНИИЭгазпром; Вып. 7, 50 с.

10. В.А. Котляревский, A.A. Шаталов, Х.М. Ханухов. Безопасность резервуаров и трубопроводов / М.: Экономика и информатика, 2000. - 552 с.

11. Ханухов Х.М., Алипов, A.B., Зимина C.B., Симонов И.И. Особенности соблюдения требований промышленной безопасности при проектировании изотермических резервуаров // Безопасность труда в промышленности, 2011, № 12, с. 57-64.

12. Ханухов Х.М., Алипов A.B. Нормативно-техническое и организационное обеспечение безопасной эксплуатации резервуарных конструкций. Предотвращение аварий зданий и сооружение: Сборник научных трудов, выпуск 10, Москва, 2011 г. - стр. 384-422.

13. Яковлев Е.И. Тепловые режимы хранилищ сжиженных газов. -СПб.: Недра, 1992.- 184 с.

14. Васильев Г.Г., Иванцова С.Г., Рахманин А.И. Особенности обеспечения безопасной эксплуатации крупногабаритных изотермических резервуаров для хранения сжиженного природного газа // Газовая промышленность, 2013, №11, с. 57-61.

15. ВНТП 51-1-88. Ведомственные нормы на проектирование установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (временные). ВНТП 51-1-88. Мингазпром СССР.

16. СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах» (актуализированная редакция СНиП II-7-81*). Минрегион России. - М.: ОАО "ЦПП", 2011.

17. СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП П-23-81*). Минрегион России. - М.: ОАО "ЦПП", 2011.

18. СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*). Минрегион России. - М.: ОАО "ЦПП", 2011.

19. СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений». - Госстрой СССР, Москва, 1995.

20. СП 28.13330.2012 «Защита строительных конструкций от коррозии» (акт. ред. СНиП 2.03.11-85). - Минрегион России. - М., 2012.

21. СТБ ЕЫ 14620-2-2009. Проектирование и производство вертикальных цилиндрических стальных емкостей с плоским дном для хранения охлажденных сжиженных газов с рабочей температурой от 0 °С до 165 °С на строительной площадке.

22. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. Госгортехнадзор России, М., 1999.

23. ГОСТ Р 52857.1-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. М., Стандартинформ, 2008.

24. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. - Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1997. - 60 с.

25. СТО-СА-ОЗ-002-2009. Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. - Ассоциация Ростехэкспертиза. М., 2009. - 216 с.

26. ПБ 03-110-96. Правила безопасности для складов сжиженных углеводородных газов и легковоспламеняющихся жидкостей под давлением.

27. РД 03-410-01. Инструкция по проведению комплексного технического освидетельствования изотермических резервуаров сжиженных газов. - М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2001. — 60 с.

28. СТО-ОЗ-110-10 «Методика комплексного мониторинга технического состояния изотермических резервуаров сжиженных газов». -НПС «Риском, 2011. - 36 с.

29. ПБ 03-584-03. Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных. — М., ПИО ОБТ, 2003.

30. ГОСТ 52630-2006. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. - М., Стандартинформ, 2006. - 68 с.

31. ГОСТ 23055-78. Классификация сварных соединений по результатам радиографического контроля. — М., Госстандарт России, 1991.

32. Федеральный закон Российской Федерации от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» ( с изм).

33. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Утверждены Госгортехнадзором России постановлением от 10.07.2001 г. №30. 2-е издание, исправленное и дополненное. Москва, ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002.

34. Сафонов B.C. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности / B.C. Сафонов, Г.Э. Одишария, A.A. Швыряев. М.: РАО "Газпром", 1996. 208 с.

35. РД-03-26-2007. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ / Сер. 27. Вып. 6 / Кол. авт. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2008.

36. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. Утверждена постановлением Госгортехнадзора России от 26 июня 2001 г. N 25. — М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2001.

37. Методика определения расчетных величин пожарного риска на опасных производственных объектах. Утверждена приказом МЧС № 404 от 10.07.2009 г.

38. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. 432 с.

39. Шевчук А.П., Гуринович П.В. Исследование истечения сжиженных газов при авариях резервуаров. // Пожарная безопасность промышленных объектов: Сб. научных трудов. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1991. - с.21-27.

40. Иванцова С.Г., Рахманин А. И. Идентификация опасностей при оценке риска изотермического хранения сжиженных газов // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2012. - №4. - С. 36-40.

41. Шойхет Б.М. Засыпная тепловая изоляция двухстенных изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов: Дис. ... канд. технических наук: 05.23.05. - Москва, 1984. - 191 с.

42. Клейн, Г.К. Строительная механика сыпучих тел / Г.К. Клейн. - М.: Стройиздат, 1977. - 256 с.

43. Одишария Г.Э, Сафонов B.C., Тарабрин В.А. Тепловые процессы в низкотемпературных изотермических хранилищах сжиженных газов. -Газовая промышленность, 1982, № 11, С. 43-46.

44. Борисов В.В., Владимиров А.Е., Зверева Т.В., Черепенников А.Н. Методика расчета стационарного температурного режима большеобъемных низкотемпературных резервуаров для хранения СПГ. Труды МИНХиГП им. И.М.Губкина. 1980, № 153, с. 123-131.

45. Рачевский Б.С., Борисов В.В., Гальперин JI.A. Низкотемпературный резервуар с перекрытием и облицовкой стен в виде предварительно напряженных оболочек. — Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 1977, №6, с.12-14.

46. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. Изд. "Машиностроение", М., 1966 г., 270 с.

47. Камерер И.О. Теплоизоляция в промышленности и строительстве. Издательство литературы по строительству. М., 1965 г., 370 с.

48. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - Стройиздат, М., 1973 г., 280 с.

49. Морачевский А.Г. [и др]. Термодинамика равновесия жидкость-пар. -JT.: Химия, 1989.-344 с.

50. Терегулов Р.К. Совершенствование технологий производства и хранения сжиженного природного газа. Диссертация ... кандидата технических наук: 02.00.13. - Уфа, 2009. - 170 с.

51. Тимошенко, С.П., Пластинки и оболочки / С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер. Пер. с англ. - М.: Наука, 1966. - 625 с.

52. ГОСТ 25.506-85. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

53. Методические указания по проведению анализа риска для опасных производственных объектов газотранспортных предприятий ОАО Газпром. СТО Газпром 2-2.3-351-2009 / ОАО Газпром, ООО "Газпром ВНИИГАЗ", ООО " Газпром Экспо". М., 2009. 377 с.

54. Обеспечение надежности трубопроводных систем / С.Н. Перов [и др.]; - Самара: ООО «Издательство СНЦ», 2008. - 246 с.

55. К. Капур, Л. Ламберсон. Надежность и проектирование систем. Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 604 с.

56. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы. Москва. 1973. с. 392.

57. Надежность технических систем: Справочник / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин [и др.]; Под ред. И.А. Ушакова. - М.: Радио и связь, 1985.-608 с.

58. Михок Г., Урсяну В. Выборочный метод и статистическое оценивание / Пер. с румынского В. М. Остияну; Под ред. В.Ф. Матвеева. -М.: Финансы и статистика, 1982.-245 с.

59. Губинский А.И., Гречко Ю.П., Ротштейн А.П. Методические рекомендации по аналитическим методам оценки эффективности, качества и надежности эргатических систем. - М.: АН СССР. 1978. - 164 с.

60. Рахманин А.И., Иванцова С.Г. Применение графов переходов и состояний для вероятностного анализа безопасности проведения технологических операций при эксплуатации изотермических резервуаров для сжиженного природного газа // Трубопроводный транспорт: теория и практика, 2013, № 3 (37). - С. 36-42.

61. В.Н. Сызранцев, С.Л. Голофаст. Вероятностная оценка прочностной надежности трубопроводов // Трубопроводный транспорт: теория и практика, 2011, №5 (27).-С. 14-22.

62. В.Н. Сызранцев, СЛ. Голофаст, Я.П. Невелев. Расчет прочностной надежности изделий на основе методов непараметрической статистики. — Новосибирск: Наука, 2008. - 218 с.

63. Деврой JL, Дьерфи JI. Непараметрическое оценивание плотности. Ll-подход: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 408 с.

64. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей / Под. ред. В.Н. Вапника. - М: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 816 с.

65. Лапко A.B., Медведев A.B., Тишина Е.А. К оптимизации непараметрических оценок // Алгоритмы и программы для систем автоматизации экспериментальных исследований: Сб. науч. тр. — Фрунзе, 1975.-С. 105-116.

66. Епанечников В.А. Непараметрическая оценка многомерной плотности вероятности // Теория вероятности и ее применения. — 1969. — Т.14, №1. - С. 156-161.

67. Орлов А.И. Непараметрические оценки плотности в топологических пространствах. - В сб.: Прикладная статистика. Ученые записки по статистике, т.45. - М.: Наука, 1983. - С. 12-40.

68. Хардле В. Прикладная непараметрическая регрессия: Пер. с англ. М.: Мир, 1993.-349 с.

69. СП 11-113-2002. Свод правил. Порядок учета инженерно-технических мероприятий гражданской обороны и мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций при составлении ходатайства о намерениях инвестирования в строительство и обоснований инвестиций в строительство предприятий, зданий и сооружений. МЧС России, 2002.

70. Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. N 123-Ф3 "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" (с изменениями и дополнениями).

71. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. — 232 с.

72. Отчет о выполнении работ по корректировке раздела «Анализ риска» для декларации промышленной безопасности в составе проекта «Незавершенный строительством магистральный продуктопровод «Губкинский ГПЗ - Нижневартовский ГПЗ - Южно-Балыкский ГПЗ — Тобольский НХК», протяженностью 976,4 км (участок 543 — 867 км)». М., НТЦ «ПБ», 2009.

73. Савина A.B. Аварийность на отечественных и зарубежных магистральных трубопроводах. Доклад на IV всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Безопасность критичных инфраструктур и технологий». Екатеринбург, 2011 г.

74. Оценка индивидуального и социального риска аварий с пожарами и взрывами для наружных технологических установок // Шебеко Ю.Н. и др. -Пожаровзрывобезопасность, 1995, т.4, №1.- С.21 - 29.

75. Методика определения расчетных величин пожарного риска на опасных производственных объектах (в ред. Приказа МЧС РФ от 14.12.2010 N 649). Утверждена приказом МЧС № 404 от 10.07.2009 г.

76. Федеральный закон Российской Федерации от 30 декабря 2009 г. N 384-Ф3 "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".

77. СП 63.13330.2012. Свод правил. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 5201-2003 (утв. Приказом Минрегиона России от 29.12.2011 № 635/8).

78. Рахманин А.И., Иванцова С.Г. Исследование теплового режима двустенных изотермических резервуаров с нарушенной тепловой изоляцией // Трубопроводный транспорт: теория и практика, 2012, № 2 (30). - С. 30-34.

79. Sarsten J.A. LNG stratification and rollover, Pipeline Gas Journal. September, 1972, p. 37 - 39.

80. Baker N., Creed M., Stratification and rollover in liquefied natural gas storage tanks, The Institution of Chemical Engineers, 74 (Part B) (1996), p. 25-30.

81. Germeles A. E. A model for LNG tank rollover //Advan. in Cryog. Eng. -1976.

82. Smith K. A., Germeles A. E. LNG tank stratification consequent to filling procedures, 4th Inter. Conf. of LNG, Algier, June 1974.

83. Heestand J., Shipman C.W, Meader J.W. A predictive model for rollover in stratified LNG tanks //AICHE Journal. -1983.

84. J. Kim, et al., "Preliminary Earthquake Response Analysis of 200,000 Kilolitres Large Capacity above- Ground LNG Storage Tank for the Basic Design Section," Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C Co., Ltd., 2005.

85. Fischer, D., F. and Rammerstorfer, F. G. (1982), "The stability of liquid-filled cylindrical shells under dynamic loading", Buckling of Shells, E. Ramm (ed.), Springer-Verlag, pp. 569-597.

86. N. Chaterjee, J.M. Geist, The effects of stratification on boil-off rates in LNG tanks, Pipeline Gas J. 199 (40) (1972).

87. J. Turner, The coupled turbulent transport of salt and heat across a sharp density interface, Int. J. Heat Mass Transfer 8 (1965) 759.

88. S. Globe, D. Dropkin, Natural convection heat transfer in liquids confined by two horizontal plates and heated from below, Trans. ASME, J. Heat Trans. C81 (1959)24.

89. API 620. Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks.

90. BS7777-4:1993. Flat-bottomed, vertical, cylindrical storage tanks for low temperature service.

91. NFPA 58. Standard for the Storage and Handling of Liquefied Petroleum Gases.

92. NFPA 59. Standard for the Storage and Handling of Liquefied Petroleum Gases at Utility Gas Plants.

93. API 2510. Design and Construction of LPG Installations. American Petroleum Institute (API), Eighth Edition, May 1995. - 34 p.

94. DIN EN 1473-2007. Installation and equipment for liquefied natural gas - Design of onshore installations.

95. DIN EN 970-1997. Non-destructive examination of fusion welds -Visual examination.

96. DIN EN 571-1-1997. Non-destructive testing - Penetrant testing - Part 1 : General principles.

97. DIN EN 1593-1999. Non-destructive testing - Leak testing - Bubble emission techniques.

98. DIN EN 1714-2002. Non-destructive testing of welds -Ultrasonic testing of welded joints.

99. DIN EN 1435-2002. Non-destructive testing of welds. Radiographic testing of welded joints.

100. EN ISO 17640:2010. Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Techniques, testing levels, and assessment.

101. Janssen H. A. Versuche über Getreidedruck in Silozellen Zeitschr. d. Vereines deutscher Ingenieure. Vol. 39. №. 35. P. 1045—1049.

102. Hencky K. Warmeverluste durch ebene Wände. Berlin, 1921.

103. Niemann H. Die H Wärmeübertragung durch natürliche Konvection in spaltfÖrmigen Hohlräumen. Ges.- Ing. Bd, 69 (1948), S. 224 - 228.

104. SINTAP: Structural INTegrity Assessment Procedures for European Industry. Final Procedure, 1999.

105. J. Klosek, C. McKinley, Densities of liquefied natural gas and of low molecular weight hydrocarbons, in: Proceedings of the First International Conference on LNG, Session No. 5, Paper 22, 1968.

106. Hashemi H. T, Wesson H. R. Cut LNG storage costs// Hydrocarbon Processing. August, 1971, Pages 117-120.

107. Parzen E. On estimation of a probability density function and mode // Ann. Math. Statistic. - 1962. Vol. 33, № 3. - P. 1065-1076.

108. Health and Safety Executive (2012). Failure Rate and Event Data for use within Risk Assessments. Planning Case Assesment Guide, Chapter 6K (Version 12).

109. Hazards Analysis of a Proposed LNG Import Terminal in the Port of Long Beach, California, Quest Consultants Inc., Aug 2005.

110. A.J. Harrison, J.A. Eyre, The effect of obstacle arrays on the combustion of large premixed gas/air clouds, Combustion Science and Technology vol. 52 (1987), p.121-137.