Теплоизоляция низкотемпературных газовозов

Глава 1.

Цели обучения.

В этом разделе дано краткое введение в следующие темы:

• Зачем мы изолируем различные части судна и компоненты.

• Какие виды судовой изоляции считаются важными.

• Различные концепции грузовых танков и типы холодильных систем.

Зачем изолируют грузовые танки и оборудование? Тепловая изоляция должна устанавливаться на охлаждаемые грузовые танки по следующим причинам:

Минимизировать приток тепла в грузовые танки и тем самым снизить скорость естественного испарения (boil-off).

Защитить конструкцию корпуса вокруг грузовых танков от воздействия низких температур.

Для минимизации притока тепла необходимо изолировать груз, танки, трубопроводы и оборудование, контактирующее с грузом.

Цель – перевозить груз с максимально низкими энергозатратами. Если температура груза повышается, его приходится вновь охлаждать корабельными холодильными установками, что дорого. Судно с недостаточной или повреждённой изоляцией грузовых танков и труб может создавать значительные расходы – в зависимости от размера и типа судна и топлива, используемого во вспомогательных двигателях. Кроме того, увеличиваются затраты из-за возросших моточасов вспомогательного оборудования. Если холодильная установка судна не справляется с давлением в грузовом танке, часть паров груза придётся сбрасывать в атмосферу – это означает потерю груза по высокой цене, а также загрязнение окружающей среды.

Типы судов, для которых изоляция важна.

Обычно газовозы делят на пять групп в зависимости от вида груза, для перевозки которого они спроектированы. Температура и давление конкретного груза определяют, нужно ли его перевозить на судне атмосферного давления (полностью охлаждённом), полупрессуризованном (полуохлаждённом) или полностью прессуризованном (под давлением). Эти суда классифицируются так:

Суда для СУГ (LPG/аммиак) – атмосферные, полупрессуризованные и полностью прессуризованные.

Суда для СЭГ (LEG/LPG/аммиак) – атмосферные и полупрессуризованные.

Суда для СПГ (LNG/LEG/LPG) – атмосферные.

Полностью прессуризованные суда-перевозчики хлора.

Комбинированные газо- и химовозы.

По конструкции и проекту суда для перевозки LPG/LEG/аммиака довольно похожи, поэтому категории 1 и 2 далее рассматриваются вместе. СПГ-газовозы обычно строятся для перевозки только СПГ, однако суда малого и среднего размера могут быть приспособлены и для LEG/LPG.

Группы 1 и 2: LPG и LEG. Эти группы делятся на три класса судов.

Полностью прессуризованные суда. Доминировали на рынке в 1960-е. Грузовые танки не изолированы, вместимость порядка 2000 м³. Холодильных машин для груза нет – транспортировка при температуре окружающей среды. Танки рассчитаны на внутреннее давление 17,5 бар и на температуру кипения пропана −42,2 °C. Геометрия танков цилиндрическая; установка – горизонтально или вертикально.

Вертикальные танки опираются в ложементы на основании из древесины азобе, используемой как базовый и изоляционный материал. Один фундамент – фиксированный, другой (скользящий) допускает перемещение танка при температурных изменениях. Типичные грузы – СУГ и аммиак, а также некоторые другие газы.

Грузы, которые невозможно перевозить на судах этого типа, – LEG и LNG, поскольку при температуре окружающей среды они не переходят в жидкое состояние.

На части полностью прессуризованных судов могут стоять сферические грузовые танки.

Полупрессуризованные суда (полуохлаждённые). Наиболее распространённый тип LPG-судов, обычно вместимость 2000–15 000 м³. Часто спроектированы работать и как полу-, и как полностью прессуризованные.

Танки рассчитаны на расчётное давление 4–8 бар – подходит для температур полностью охлаждённых грузов, таких как аммиак, пропан и этилен.

Обычно геометрия цилиндрическая (часто сдвоенная), танки самонесущие, опираются на два ложемента через слой изоляционной древесины азобе: один фундамент фиксированный, другой – скользящий для компенсации перемещений. Танки могут устанавливаться продольно или поперёк судна, ниже и выше палубы. Встречаются и сферические танки.

Для снижения теплопритока танки изолируются, обычно ячеистыми пластиками – полистиролом или полиуретаном заданной толщины. Для поддержания низкой температуры и давления полупрессуризованные суда оснащены холодильной установкой. Танки часто разделены на две и более независимые системы, что позволяет перевозить разные грузы одновременно. Современные полупрессуризованные суда способны перевозить и растворители – танки рассчитаны на высокую плотность груза. На некоторых танках снаружи приварен узор змеевиков (каналов), что позволяет возить тёплые грузы, циркулируя по ним пар, горячую воду или другие теплоносители.

Суда атмосферного давления (полностью охлаждённые). Развитие полупрессуризованных судов; первые построены в 1961 г. Объём груза – до 100 000 м³. Обычно танки рассчитаны на давление 0,28 бар и температуру груза −48 °C. Танки – «неприлипшие» к корпусу конструкции, которым нужна только опорная прочность корпуса: нагрузка передаётся на фундаменты рядами на настиле танков (tank-top). Опоры на фундаментах обычно установлены на скользящих изоляционных элементах с прокладками из твёрдой древесины, такой как азобе. Танки крепят к корпусу анкерами в центре фундаментов, сохраняя возможность продольных и поперечных перемещений. Помимо опор-фундаментов танк часто фиксируют от смещений поперёк и вверх верхними фундаментами (top foundations), зависящими от конструкции верхних наклонных участков (wing supports).

Из-за необходимости вторичного барьера за пределами грузового танка настил танков и борта грузовой шахты часто выполняют из низкотемпературной стали. Как и полупрессуризованные, атмосферные суда оснащаются холодильной установкой. Главное преимущество – большая грузовместимость: до и свыше 100 000 м³, что обеспечивает высокую экономичность.

Группа 3: СПГ-суда (атмосферного давления). СПГ всегда перевозится полностью охлаждённым. Танки рассчитаны на макс. давление 0,25 бар и температуру −163 °C. Объём – до 135 000 м³, обычно 4–5 танков. Во время длинного рейса полное предотвращение испарения невозможно. Чтобы не допустить роста давления, его снимают одним из трёх способов:

• Использование газа как топлива – самый распространённый метод.

• Реконденсация газа – энергозатратно и дорого.

• Сброс в атмосферу – сегодня неприемлем.

Допустимый показатель boil-off сегодня – 0,15 % от грузовместимости в сутки.

Группа 4: суда-перевозчики хлора (полностью прессуризованные). Хлор – высокотоксичный газ, поэтому требования к конструкции таких судов крайне жёсткие. Танки рассчитаны на полное давление – 13,5 бар (давление насыщенных паров хлора при +45 °C). Снаружи изолируются полистиролом или полиуретаном. Оснащены непрямой холодильной установкой: по змеевикам, приваренным снаружи танков, циркулирует охлаждённый этанол. Охлаждение этанола осуществляется в теплообменнике с кипящим фреоном.

Эти суда могут перевозить различные грузы – как газовые, так и химические. Проектируются по правилам ИМО; учитывается более жёсткий из двух соответствующих кодексов. Обычно такие суда строят полупрессуризованными.

Помимо обычной холодильной установки снаружи танков устанавливают систему змеевиков для циркуляции охлаждающих/нагревающих сред – непрямое охлаждение/нагрев. Эту систему применяют для газов, которые нельзя сжимать или нагревать из-за опасности полимеризации (например, бутадиен). Систему используют и для охлаждения танков перед погрузкой.

Суда могут брать разные грузы одновременно: у каждого танка – отдельные линии налива/слива и вентиляции. Если одинаковый груз в нескольких танках, их можно соединить съёмными соединениями.

Конструкции грузовых танков и материалы. При выборе материала танка учитывают требования классификационного общества. Ключевое – хрупкость материала при низких температурах.

Обычно для грузов до −55 °C (например, пропан) применяют углеродисто-марганцовистую сталь; для температур до −105 °C (например, этилен) – сталь с 5 % Ni.

Для СПГ (до −165 °C) используют сталь с 9 % Ni или алюминий.

Конструкции грузовых танков. При проектировании учитывают: внешнее/внутреннее давление, динамические напряжения от движения судна, температурные, волновые, реактивные напряжения от фундаментов/креплений из-за веса танка и его внутренней конструкции, веса груза и изоляции. Важен зазор между танком и корпусом. Учитывают также напряжения при затоплении корпуса. Существует несколько типов систем грузовых танков на морских газовозах. Каждый тип судна строят в пределах допуска для макс. рабочего давления, минимальной температуры груза, материалов, геометрии танка и его размещения в корпусе.

По правилам ИМО типы танков делят на четыре группы: 1) интегральные (встроенные) грузовые танки; 2) мембранные; 3) полумембранные; 4) независимые грузовые танки типов A, B и C.

Интегральные грузовые танки. Выполнены как часть корпуса и испытывают те же нагрузки, что и корпус. Если предел холодостойкости корпусной стали выше −10 °C, такой тип не подходит для перевозки сжиженных газов.

Мембранные грузовые танки. Не самонесущие. Для соответствия требованиям безопасности КО используются мембрана, первичный слой изоляции и слой листов из никелевой стали; далее – вторичный слой изоляции. Вторичный барьер (0,5 мм никелевая сталь) расположен между внешней изоляцией и корпусом. Давление в танке передаётся непосредственно на корпус. Материал никелевой стали INVARSTEEL содержит 36 % Ni и имеет почти нулевой коэффициент термического расширения, поэтому усадочные деформации при охлаждении минимальны. Часто применяют изоляцию из перлитовых коробов, закреплённых на корпусе с рисунком, позволяющим воспринимать температурные деформации – предотвращаются трещины и конвекция.

Полумембранные грузовые танки. Не самонесущие; нагрузка воспринимается частично танком, частично изоляцией между корпусом и танком. Материал – алюминий или сталь с 9 % Ni.

Независимые грузовые танки. Самонесущие, крепятся к корпусу только фундаментами; могут свободно расширяться независимо от корпуса. Делятся на три группы: A, B, C.

Группа A. Танки призматической формы, под форму корпуса. Установлены на фундаментах, приваренных к настилу танков, через изоляционные подушки из твёрдой древесины азобе, выполняющей роль промежуточного скользящего слоя. Фундаменты размещены рядами, танк фиксируется по центру, что позволяет свободное расширение по бокам. На верхней и боковых частях танков устанавливают соответствующие опоры для фиксации в нужном положении. Для LNG (−163 °C) применялась английская конструкция CONCH; материал – алюминий или сталь 9 % Ni. Изоляция – комбинация бальзы, минеральной ваты и пенополиуретана; внутри изоляции – мембранный вторичный барьер, чтобы при утечке груз не контактировал с корпусом.

Группа B. Конструктивно может быть похожа на A, но с более жёсткими требованиями безопасности: расчёты напряжений, усталости и трещиностойкости. Обычно вторичный барьер обязателен. Танки группы B – атмосферные, нормальное рабочее давление 0,25 кг/см²; допускается до 0,7 кг/см². Сферические танки MOSS-ROSENBERG для LNG относятся к группе B. Принцип «leak before failure» («утечка до разрушения»): время от обнаружения утечки до критического состояния превышает год при воздействии условий непрерывного шторма, как в Северном море. Для этого типа вторичный барьер не требуется из-за высокой собственно конструктивной надёжности; под танком предусмотрена ограниченная изоляция для восприятия возможных малых утечек.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.