автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Обеспечение безопасности резервуаров для хранения сжиженного природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов

На правах рукописи

РАХМАНИН АРТЕМ ИГОРЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА С УЧЕТОМ НЕГАТИВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

Специальность: 05.26.02 - "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" (нефтегазовая промышленность) (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 MAP 2015

Москва-2015

005561046

005561046

Работа выполнена на кафедре «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и хранилищ» ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Иванцова Светлана Георгиевна

Официальные оппоненты Тарасенко Александр Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов»

Ханухов Ханух Михайлович,

кандидат технических наук, ООО «НПК «Изотермик», генеральный директор

Ведущая организация ООО «Газпром ВНИИГАЗ»,

пос. Развилка, Московская обл.

Защита состоится «23» апреля 2015 г. в 16.30 в ауд. 502 на заседании диссертационного совета Д.212.200.06 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина», по адресу: г. Москва, Ленинский проспект д.65, корп.1, 119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина» и на сайте www.gubkin.ru.

Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http://www.gubkin.ru и направлены на размещение в сети Интернет Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу http://vak2.ed.gov.ru

Автореферат разослан « /¿г" » 15 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В современных условиях растет динамика использования сжиженного природного газа (СПГ), что предопределяет диверсификацию рынка энергоносителей и дает возможность решать проблемы газоснабжения удаленных и труднодоступных районов. В РФ в настоящее время функционирует завод по сжижению газа на острове Сахалин, сооружается комплекс по сжижению, хранению и отгрузке СПГ в рамках использования Южно-Тамбейского газового месторождения (проект «Ямал-СПГ»), запроектирован комплекс по освоению Штокмановского газоконденсатного месторождения. Неотъемлемой частью комплексов по сжижению, выдаче и приему СПГ являются крупногабаритные надземные изотермические резервуары (ИР).

Нормативная база и практика проектирования, строительства и эксплуатации таких объектов в России практически отсутствуют. В этой ситуации реализуются зарубежные проекты изотермического хранения, которые не всегда адаптированы к сложным условиям России, что может привести к снижению безопасности эксплуатации резервуаров для СПГ.

В условиях отсутствия нормативно-технического обеспечения и опыта строительства крупногабаритных изотермических резервуаров актуальной является проблема обеспечения их безопасности на основе оценки работоспособности и риска с учетом негативных эксплуатационных факторов. Идентификация, формализация и количественное описание негативных факторов изотермического хранения СПГ позволит не только прогнозировать техническое состояние конструктивных элементов резервуара, но и даст возможность выбрать рациональные конструктивно-технологические решения ИР, способствующие снижению рисков изотермического хранения и обеспечивающие эксплуатационную надежность и экологическую безопасность.

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 целью 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.

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 целью 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, поставлены цели и задачи исследования, сформулированы практическая ценность результатов работы, научная новизна и выделены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе проведен анализ проблем обеспечения безопасности и работоспособности крупногабаритных резервуаров для СПГ, а также анализ зарубежной и отечественной нормативной базы по проектированию, эксплуатации и диагностике ИР, идентифицированы опасности изотермического хранения.

Анализ нормативной базы РФ по проектированию ИР показал, что она разработана для малотоннажных изотермических резервуаров и практически не развивалась с 80-ых годов XX века. Научные исследования в области обеспечения безопасности ИР СПГ ставят акценты, в основном, на изучении последствий отказов конструкций, а не их причин. Таким образом, отсутствует системное описание источников опасностей изотермического хранения газа и сценариев их реализации.

При анализе конструктивных решений и технологических процессов в крупногабаритных ИР выделены следующие негативные факторы хранения СПГ: изменение теплофизических свойств засыпной изоляции со временем; возможность недопустимых деформаций конструктивных элементов резервуара при стратификации и переворачивании слоев продукта; разгерметизация технологической обвязки резервуара с воспламенением продукта.

На основе вышеприведенного анализа поставлена цель исследований, в рамках реализации которой необходимо разработать методические основы оценки работоспособности и безотказности крупногабаритных изотермических резервуаров СПГ на основе выбора рациональных

конструктивных и технологических решений для компенсации влияния негативных эксплуатационных факторов и минимизации риска ущерба.

Во второй главе с целью обеспечения безаварийной эксплуатации изотермических резервуаров разработана методика комплексной оценки их работоспособности, учитывающая влияние проанализированных в первой главе негативных эксплуатационных факторов крупногабаритных ИР.

Первоначально было исследовано изменение свойств засыпной теплоизоляции резервуара при эксплуатации. Засыпная тепловая изоляция ИР со временем имеет тенденцию к уплотнению за счет циклических температурных деформаций внутренней и внешней оболочек. Следствием уплотнения является увеличение бокового давления засыпной изоляции на корпус резервуара, а также интенсификация процесса испарения и повышение давления паров в резервуаре. Данные воздействия необходимо учитывать при прочностном расчете корпуса ИР.

В диссертации разработан алгоритм расчета изменения давления засыпной теплоизоляции на корпус двустенного резервуара. Моделирование совместной работы сыпучего слоя и оболочек корпуса ИР проводилось на основании закона Гука с учетом компрессионного уплотнения засыпной изоляции при сжатии. Расчетная схема деформации оболочек двустенного ИР и сыпучего слоя теплоизоляции приведена на рисунке 1.

внутренняя

1

стенка

Л

деформация внутренней стенки при первом захолаживании

. /

Рь Рл

внешняя стенка

Рисунок 1 - Расчетная схема деформации оболочек и сыпучего слоя р2 - вертикальное давление сыпучего слоя, рх— боковое давление сыпучего слоя, pi - плотность сыпучего слоя при /-ом цикле деформации, г - текущая высота, 6*омп - текущая толщина компенсационного слоя, 6"ерл - текущая толщина засыпной изоляции, ДЯ - деформация внутреннего резервуара

После некоторого количества циклов температурных деформаций внутренней и внешней оболочек происходит стабилизация процессов осадки и уплотнения засыпной теплоизоляции, когда деформации стенок резервуара полностью воспринимаются упругими компенсационными матами, а засыпной слой более не уплотняется. Результаты расчетов для двустенного резервуара объемом 160 ООО м3 с шириной межстенного пространства 2 м (из них упругие маты 0,4 м) представлены на рисунке 2.

"17000 Па

котр 1 8 ре,!'"»

-------

у

/

/

V // _

\ /

// ч

' / -

/

/ - -

--------

о 5 10

20 25

Рисунок 2 - Зависимость деформаций конструкций теплоизоляции ИР и бокового давления перлита в зависимости от числа циклов (п) температурных

перемещений стенок

При этом отмечается увеличение бокового давления засыпной изоляции на корпус ИР более чем в 2 раза (с 3,1 кПа до 6,8 кПа) вследствие описанных выше процессов. Отношение бокового давления засыпной теплоизоляции на корпус ИР после стабилизации процессов осадки рх1 к давлению теплоизоляции в начальный период рх\ есть коэффициент перегрузки п""\ учтенный при расчете напряжений, вызванных давлением изоляции.

Обусловленная давлением изоляции величина кольцевого напряжения

в корпусе ИР, согласно энергетической теории прочности, составляет:

Ц„

(1)

_изол

ат =

где 8 - толщина стенки оболочки корпуса, м; Кср - радиус срединной поверхности оболочки, м; р^ - расчетное значение нагрузки, МПа; р"л - нормативное значение нагрузки с учетом компрессионного уплотнения, МПа.

Для оценки увеличения нагрузок от давления паров при уплотнении изоляции предложен алгоритм расчета стационарного температурного режима крупногабаритных резервуаров для СПГ. Схема теплового взаимодействия ИР с окружающей средой при начальном состоянии тепловой изоляции и в случае появления газовоздушных пустот, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Тепловые процессы при взаимодействии изотермического резервуара с окружающей средой а - состояние в начальный период эксплуатации; б - состояние при образовании газовоздушного пространства в засыпке

На рисунке 3: <7/ - плотность теплового потока через поверхность, граничащую с жидкой фазой; ц"" - плотность теплового потока через часть поверхности стенки, граничащей с газовой фазой; с('2 - плотность теплового потока через покрытие; дз - плотность теплового потока через днище; 7',(:) -температура газа на выходе из резервуара; Тж - температура жидкости; <7,™ -плотность теплового потока через граничащую с жидкой фазой поверхность при появлении прослоек; и Р'ц> - площади граничащей с жидкой и газовой

фазами частей прослойки; цпр - плотность теплового потока через газовую прослойку.

Применение предложенного в диссертации алгоритма к расчету теплового режима ИР объемом 160 000 м3 при температуре наружного воздуха плюс 10°С показывает, что скорость испарения СПГ при осадках изоляции может в 1,5..2 раза превысить допускаемые значения (0,05..0,1% от массы хранящейся жидкости в сутки, т.е. 1500 кг/час при плотности СПГ 479 кг/м3). Вследствие повышения скорости испарения СПГ увеличивается давление паров и, соответственно, напряжения в корпусе. Отношение давления паров СПГ после осадки засыпной изоляции к давлению паров СПГ до осадки есть коэффициент перегрузки пгаз.

Таким образом, в рамках предлагаемого алгоритма обоснована необходимость применения коэффициентов и'""7 и п"\ позволяющих количественно учесть влияние изменений свойств теплоизоляции на

напряжения в корпусе резервуара в случае его полного заполнения продуктом:

К /?

_ем ср.вн. / жид.__тт , газ н иж>л н _нар ср.Ипр. I жид.__м , л*<( н , иип н \ /*1\

а"!=~У~\П РёН + " Ргш~П Р, ¡У'*** =-у-[П Р8Н + П Ргш+" Рл ) ' (3) где ощ - кольцевые напряжения в корпусе, МПа; р"а] - нормативное значение давления газа, МПа; и""4 - коэффициент перегрузки по давлению жидкости, Н - высота налива СПГ, м; р - плотность хранимого СПГ, кг/м3. Указанные воздействия приводят к увеличению напряжений до 15%.

Помимо изменения свойств засыпной теплоизоляции изотермических резервуаров, исследуемым в диссертации опасным фактором, влияющим на безопасность ИР, является нагрузка от возможного разделения хранимого СПГ на слои разной плотности при загрузочных операциях или в штатном режиме. Стратификация слоев и их самопроизвольное перемещение (ролл-овер) приводит к резкому увеличению скорости испарения продукта и давления паровой фазы, что может вызвать перенапряжение оболочечных конструкций резервуара, а также отрыв корпуса от днища и утечку продукта из емкости. В диссертации отмечено, что явление ролл-овера возможно лишь при загрузке СПГ в изотермический резервуар через нижнюю его часть.

Для предотвращения отрыва корпуса резервуара от днища при ролл-овере и утечки хранимого СПГ предложена расчетная схема и алгоритм подбора анкерных строп для компенсации возникающих нагрузок в наиболее опасном случае налива в минимально заполненный ИР. Расчет конструктивных элементов ИР объемом 160 ООО м3 по предлагаемому алгоритму показал, что при ролл-овере для предотвращения недопустимых деформаций элементов необходимо либо увеличить число анкерных строп, изготовленных из 9%-ой никелевой стали, с 162 штук до 181 штук, либо увеличить сечения анкерных строп с 115x12 мм до 127x12 мм. Также установлено, что ролл-овер в полностью заполненном резервуаре вызывает увеличение кольцевых напряжений в корпусе до 15%, увеличение изгибных напряжений в днище до 12% и увеличение перемещений днища до 16%.

Таким образом, наиболее рациональным решением, обеспечивающим технологическую безопасность при загрузке СПГ, является система подачи продукта через верхнюю часть резервуара, предотвращающая образование ролл-овера. Вместе с тем, система нижнего налива в ИР регламентирована действующими ведомственными нормами ВНТП 51-1-88.

Помимо изменения свойств теплоизоляции и явления ролл-овера, на безопасность хранения СПГ влияют температурные воздействия на корпус от пожара при проливе продукта при разгерметизации технологической обвязки резервуара. Достаточно опасным сценарием аварии является разгерметизация

обвязки в непосредственной близости от корпуса и покрытия, так как тепловое излучение пожара вызывает резкое вскипание СПГ и развитие аварии по типу «взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости». Для минимизации риска аварии следует вводить ограничения на длину сквозного дефекта и предъявлять требования к вязкости металла, гарантирующие исключение гильотинных разрывов трубопроводной обвязки.

Исследованные воздействия на корпус ИР вследствие уплотнения теплоизоляции и резкого увеличения давления паровой фазы СПГ при ролл-овере должны комплексно учитываться при оценке работоспособности резервуара в целом. В отсутствии требований к прочностному расчету крупногабаритных, в том числе двустенных, резервуаров СПГ предложено оценивать работоспособность ИР СПГ на основе расчета безотказности его отдельных конструктивных элементов при указанных выше воздействиях. В этом случае, с учетом безопасности сливоналивных операций, безотказность резервуара оценивалась следующим образом:

т п

м М

где Р/О - вероятность безотказной работыу'-ого элемента конструкции, Р,(1) -вероятность успешного выполнения /'-ой технологической операции при проектной интенсивности.

Для оценки вероятности безотказной работы Я(/) элемента Р/!) на примере корпуса разработан имитационный алгоритм, в рамках которого корпус представляется системой, состоящей из двух псевдоэлементов, причем для одного характерен отказ по первому предельному состоянию, для другого - по критерию хладостойкости:

Ии) = Р{сг^<кр-, Ткр{1)<Тжс- т е [0,/]}. (5) где Яр - расчетное сопротивление резервуарной стали, МПа; ажв - напряжения в оболочке по энергетической теории прочности, МПа; Ткр{1) - вторая критическая температура хрупкости корпуса,°С, с учетом ее изменения с течением времени; Тэкс - минимальная температура эксплуатации корпуса, °С.

Поскольку в процессе эксплуатации корпус ИР испытывает деформации от циклических воздействий, то со временем хладостойкость стали корпуса снижается (повышается хрупкость). Вместе с тем сдвиг температуры хрупкости зависит от прочностных характеристик стали, а также от уровня напряжений в стенке корпуса ИР. Следовательно, отказы указанных выше псевдоэлементов являются зависимыми, а безотказность, в этом случае, определяется по формуле:

Л(/) = я,я2 (Я, + Н2- Я,Я2)"', (6)

где Н1 и II2 - безотказности первого и второго псевдоэлементов. Расчет Н1 и Н2 осуществляется по восстановленным функциям плотности распределения случайных величин напряжения, несущей способности, температуры хрупкости, температуры эксплуатации.

В совокупности предлагаемые методики расчетов воздействий на корпус резервуара уплотненной засыпной изоляции и резкого скачка давления паров СПГ при ролл-овере дают возможность оценить работоспособность изотермических резервуаров различных конструкций в экстремальных условиях эксплуатации.

В третьей главе разработана математическая модель расслоения хранимого СПГ при наливе жидкой фазы газа в резервуар, предложена методика оценки безопасности сливоналивных операций, и даны предложения по совершенствованию нормативной базы по проектированию ИР в части схемы загрузки и хранения СПГ.

При загрузке СПГ наибольшую опасность представляет разделение хранимого СПГ на слои разной плотности с последующим резким их переворачиванием (ролл-овер) и интенсификацией испарения. Такое явление, помимо режима штатной эксплуатации, возможно только при подаче жидкой фазы газа в нижнюю часть изотермического резервуара. В диссертации разработана модель, учитывающая обменные процессы при расслоении, а также образование переходного слоя на поверхности «продукт — пары продукта» для оценки вероятности возникновения и последствий ролл-овера. Расчетная схема «ролл-овера» представлена следующим образом (рисунок 4):

Рисунок 4 - Расчетная схема «ролл-овера» qlH — тепловой поток через стенку к нижнему слою; Ц1„ -тепловой поток через стенку к верхнему слою; q2 — тепловой поток через покрытие к парогазовой фазе; qз — тепловой поток через днище; - тепловой поток через стенку к парогазовой фазе; — тепловой поток от парогазовой фазы к жидкости; Мвх -скорость закачки продукта, кг/с; МВЬ]Х — скорость отбора паров СПГ из резервуара, кг/с

(9)

В соответствии с представленной на рисунке 4 схемой предложена следующая система уравнений тепломассобмена нижнего и верхнего слоев СПГ между собой и с окружающей средой, в которой массовые доли компонентов в нижнем слое обозначены через х,, в верхнем - через у,:

Ш 4 4

где М, - масса нижнего слоя, кг; - площадь поверхности массообмена между слоями (площадь внутреннего корпуса); к - коэффициент скорости массобмена, кг/(м2 с); Л/вх - скорость закачки продукта в резервуар через систему нижнего налива, кг/с; М2 - масса нижнего слоя, кг; Мъ - скорость парообразования с поверхности верхнего слоя; г, - мольная доля компонентов испарившегося газа в паровом пространстве резервуара; Мвых -скорость отбора паров СПГ из резервуара, кг/с; Сн - теплоемкость СПГ в нижнем слое, Дж/(кг К); Ти - температура в нижнем слое, К; Т0 - температура СПГ, закачиваемого в резервуар, К; £> - диаметр резервуара, м2; Зи - высота (толщина) нижнего слоя, м; И - коэффициент теплопередачи между слоями, Вт/(м2 К); Тъ - температура в верхнем слое, К; где Св - теплоемкость СПГ в нижнем слое, Дж/(кг К); 8Ъ - высота (толщина) нижнего слоя, м; -площадь поверхности теплообмена через покрытие резервуара, м2; -площадь поверхности теплообмена с газовой фазой, м2; Нп теплосодержание газовой фазы, Дж/кг.

Для решения системы уравнений (9) необходимо определить скорость испарения продукта М3, которая оценивается с учетом образования тонкого пограничного слоя на поверхности раздела фаз следующим образом (рис.5):

паровая фаза -о

пограничный слой у\, Яф

верхний слой

У,.»,

Рисунок 5 - Структура пограничного слоя на границе разделе фаз «СПГ -

пары СПГ»

С учетом структуры пограничного слоя уравнения массо- и теплообмена в пограничном слое имеет вид:

(/и3 + mR)y, = mRy] + m3z„ Qn + Я, (щ + mR) = Н^тк + пцНп, (10) где Ярр - теплосодержание граничного слоя, Дж/кг. у' - мольная доля компонентов в пограничном слое.

При решении системы уравнений (9) и (10) условием образования ролл-овера считалось равенство плотностей слоев и их одинаковый компонентный состав. Для апробации предложенной модели в качестве примера принят известный случай ролл-овера, произошедший в Италии в 1971 году. Результаты решения представлены на графиках зависимостей плотности верхнего и нижнего слоя, скорости испарения и давления паров от временирн(?), pB(t), M3(t), p(t) (рисунок 6).

Полученное в ходе расчетов время инкубации ролловера (31.4 часа) хорошо коррелируется с реальными данными, приводимыми в описании аварии 1971 г. (31 час).

Pvorhn<'>

M3(t)

0 6.4 12.8 19.2 25.6

0 5 10 15 20 25 30 35 t ,, час

4-

Рисунок 6 - Результаты расчета ролл-овера а) зависимость плотностей верхнего и нижнего слоев от времени; б) зависимость скорости испарения СПГ от времени; в) зависимость давления паров СПГ в резервуаре от времени

Результаты моделирования показывают, что при закачке лишь незначительно более тяжелого СПГ (по сравнению с продуктом, находящимся в емкости) в нижнюю часть резервуара возникает опасность разделения слоев с последующим их резким переворачиванием. Также существует потенциальная возможность стратификации в режиме штатной эксплуатации. На основании доказанной опасности расслоения предложено внести в российскую нормативную базу по проектированию ИР требования в части того, что схема загрузки и хранения должна включать: системы верхнего и нижнего налива; систему контроля плотности и температуры с сигнализацией; систему рециркуляции СПГ с использованием насосов; систему барботажного перемешивания. Оптимальная схема загрузки ИР СПГ представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема загрузки и хранения СПГ, предотвращающая расслоение

Для выбора рациональной схемы загрузки жидкой фазы газа в резервуар разработана методика оценки безотказности резервуара при выполнении сливоналивных операций. Технологический процесс загрузки жидкой фазы газа моделируется через составление графов состояний и переходов и их описания с помощью математического аппарата марковских

цепей с непрерывным временем. Общая структура графа, отражающего сценарии развития чрезвычайных ситуаций при наливе СПГ, приведена на рисунке 8. Резервуар представлен в виде системы, подверженной внешнему воздействию п сливоналивных операций с интенсивностью /'-ой операции А, (вход графа), с интенсивностью аварий Хив (/) (выход графа).

На основе построения и решения системы дифференциальных уравнений Чэпмена-Колмогорова для графа, представленного на рисунке 8, показано, что с учетом максимальной (трехступенчатой) защиты резервуара от превышения давления, на миллион операций по загрузке СПГ в верхнюю часть резервуара приходятся три операции, приводящие к аварии. Эти операции связаны с неконтролируемым ростом давления в резервуаре СПГ, ошибками оператора и отказом систем защиты.

т-

т

Рисунок 8 - Общая структура графа переходов для системы при внешних

воздействиях-технологических операциях У- операция выполнена успешно; Оп - в результате выполнения операции в системе возникла опасная ситуация (причина - человеческий фактор, отказ оборудования); Кр - опасная ситуация не устранена и переходит в критическую

Математическое исследование предлагаемых в работе графов переходов и соответствующих сценариев аварий показало, что вероятность возникновения аварии при общем потоке технологических операций за промежуток времени / определяется как:

(И)

где Р^ (?) - вероятность возникновения аварии в ходе /-ой операции.

Разработанная методика оценки безопасности ИР СПГ при сливоналивных операциях позволяет оптимизировать схему загрузки СПГ с учетом конструктивных особенностей резервуара и влияния человеческого фактора.

В четвертой главе диссертации даны практические рекомендации по выбору оптимальных конструктивных решений резервуаров для реализации проектов крупнотоннажного изотермического хранения в условиях Арктики.

На основе полученных в предыдущих главах результатов исследований были проанализированы различные варианты конструктивного исполнения ИР вместимостью 160 000 м3 с давлением паров 19 кПа, сооружаемых в арктических условиях:

/»(/) = 1-/ехр(-Я1(г)Л)=1-ехр

Л')

- резервуар полной герметизации с внутренней емкостью диаметром 75 м из хладостойкой стали с 9%-м содержанием никеля (9% N0 и с внешней емкостью диаметром 77 м из преднапряженного железобетона, облицованного стальным листом с внутренней стороны;

- резервуар полной герметизации с внутренней емкостью из стали 9% N1 и с внешней емкостью из 9% N1 стали, рассчитанной на нагрузки от пролива продукта;

- резервуар одинарной герметизации с внутренним контейнером из стали 9% № с подвесной крышей и с внешней емкостью из стали 09Г2С, рассчитанной на атмосферные воздействия, давление паров и теплоизоляции.

Для расчета безотказности корпуса резервуаров указанных выше конструкций методом имитационного моделирования восстановлены плотности вероятности случайных величин напряжения, расчетного сопротивления, температуры хрупкости, температуры эксплуатации. Блок-схема алгоритма расчета безотказности корпуса ИР приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Алгоритм работы имитационной модели для расчета безотказности внутреннего и внешнего корпуса резервуара

Принимаемые при расчете пределы прочности и текучести: сталь 9% N1 - 680 МП а, 420 МПа; 09Г2С - 520 МПа, 380 МПа.

На рисунке 10 показаны результаты расчетов безотказности внутреннего резервуара (независимо от системы герметизации) при толщине стенки 32 мм. Расчетное значение коэффициента запаса прочности п составляет 1,35. Так как производители стали с 9%-м содержанием никеля гарантируют хладостойкость при температурах до минус 196°С, то работоспособность корпуса определена безотказностью по первому предельному состоянию: Я = Н\ = 1 - 3,7-10"5.

Рисунок 10-Функции /„ (а) и /к{Я) для внутреннего резервуара, толщина стенки 32 мм

На рисунке 11 показаны результаты расчета безотказности по критерию прочности для внешнего резервуара из стали 09Г2С в системе одинарной герметизации для случая толщины стенки 8 мм. Коэффициент запаса прочности п = 1.30, Я, =1-8,7• 10-7.

Рисунок 11 - Функции /а (а) и /л (Я) для случая толщины стенки внешнего резервуара из стали 09Г2С 8 мм в системе одинарной герметизации (справа -укрупненный вид области пересечения)

На рисунке 12 приведены плотности вероятности случайных величин Ткр и Тэкс как результаты расчета безотказности внешнего резервуара при одинарной герметизации из стали 09Г2С по критерию хладостойкости для толщины стенки 8 мм. На начальный период эксплуатации в условиях действующих напряжений, для стали 09Г2С вторая критическая температура хрупкости составляет -68°С. При циклических деформациях корпуса происходит сдвиг второй критической температуры. Для стали 09Г2С в конце 50-летнего нормативного периода эксплуатации резервуара температура хрупкости Ткр = -58°С, что приводит к увеличению вероятности отказа. Так, если в начале эксплуатации вероятность безотказной работы по критерию хладостойкости составляла 0,99945, то после длительной эксплуатации вероятность безотказной работы составляет 0,99567. Расчеты показывают, что для обеспечения безотказности внешнего корпуса по критерию хладостойкости не менее 0,999 в конце нормативного периода эксплуатации необходимо увеличить толщину стенки до 10 мм.

Рисунок 12 - Функции /пР{ТКр) и /?-,„{Тжс) для внешнего резервуара из стали 09Г2С с толщиной стенки 8 мм после 50 лет эксплуатации

Так как законодательство РФ регламентирует подтверждать безопасность принятых при проектировании решений процедурой оценки риска, в ходе которой вычисляется вероятность отказа резервуара с последующей разгерметизацией емкости, то в диссертации произведен расчет риска социального ущерба, а также представлены технико-экономические показатели для рассматриваемых конструктивных решений ИР (таблица 1). Вероятность отказа, т.е. сценарий пролива продукта, принималась как произведение вероятностей отказа внутренней емкости и внешней емкости.

Таблица 1 — Сравнение характеристик изотермических резервуаров различного конструктивного исполнения

Концепция хранения Вероятность отказа в течение нормативного срока эксплуатации Стоим осп. в условных единицах Индивидуальный риск

Одинарная, толщина стенки 32 мм 3,7-10"3 1 9,51-Ю-6

Одинарная, толщина стенки 34 мм 1,510"6 1,05 7,52-10"'

Одинарная с защитной железобетонной стенкой высотой 8м 3,7-10"5 1,12 5,76-10"8

Полная с железобетонной стенкой кг" 1,90 3,40-10"

Полная с внешней металлической стенкой 1,36-10-* 1,53 1,87-10"9

Полная с внешней металлической стенкой и защитной железобетонной стенкой высотой 8м 1,36- 10"у 1,65 3,08-Ю'ш

Анализ результатов расчетов показал, что при одинарной герметизации резервуара с толщиной внутренней стенки до 32 мм индивидуальный риск превышает нормативный показатель, равный 10"6 по Ф3-123 от 2008 г. (с изм. от 23.06.2014). При одинарной герметизации и при толщине стенки внутреннего резервуара 34 мм индивидуальный риск составляет 7,52-10"7, что не превышает нормативных значений.

Таким образом, резервуар одинарной герметизации при определенных технических решениях, лишь незначительно увеличивающих стоимость, также может соответствовать критериям приемлемости риска. Как вариант в диссертации рассмотрено решение по возведению защитной железобетонной стенки на расстоянии от резервуара, равном его радиусу.

При этом минимизировать риск материального и экологического ущербов возможно путем применения конструкции ИР полной герметизации с внешним контейнером из предварительно напряженного железобетона. Вместе с тем такая конструкция имеет высокую стоимость и трудности возведения в условиях Арктики. К трудностям возведения относятся повышенный риск неравномерных осадок, особенно при слабой несущей способности грунтов основания или при наличии консолидирующихся от увеличения нагрузки слоев, а также необходимость применения дорогостоящих технологий монтажа, в том числе при сооружении железобетонной стенки методом скользящей опалубки с электроподогревом.

В связи с этим наиболее рациональной для эксплуатации в Арктических условиях, с точки зрения оптимального сочетания стоимости и ущерба при аварийных ситуациях, является конструкция полной

герметизации с металлической внешней стенкой из хладостойкой никелевой стали (9% №), способной удержать пролив СПГ в межстенное пространство.

Разработанные выше положения могут использоваться для обоснования выбора конструктивных решений при реализации проектов крупнотоннажного хранения сжиженного природного газа, а также в процедурах оценки рисков при обосновании безопасности и при разработке проектной документации.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе анализа исследований и нормативной документации по проектированию, сооружению и эксплуатации изотермических резервуаров для сжиженного природного газа (ИР СПГ) показано, что в России отсутствует нормативная база для ИР СПГ объемом свыше 60 ООО м3, а зарубежные стандарты не в полной мере удовлетворяют требованиям безопасности, предъявляемым на законодательном уровне в РФ.

2. Установлено, что в полностью заполненном изотермическом резервуаре нагрузки на корпус, возникающие при самопроизвольном перемещении стратифицированных слоев в процессе налива СПГ и вследствие изменения со временем теплофизических и деформационных свойств засыпной изоляции, приводят к увеличению кольцевых напряжений в корпусе до 30%.

3. На основе разработанной математической модели расслоения СПГ при наливе в резервуар сжиженного газа доказана опасность регламентируемой действующими ведомственными нормами системы нижнего налива продукта, поскольку в случае налива более тяжелого СПГ, чем находящийся в емкости, происходит расслоение и последующее самопроизвольное перемещение слоев с интенсивным резким вскипанием СПГ (ролл-овер).

4. С целью минимизации риска образования ролл-овера предложено установить в нормах проектирования ИР требования в части обязательного применения конструктивно-технологической схемы верхнего налива, обеспечивающей безопасность сливоналивных операций и предотвращающей возможность расслоения и самопроизвольного перемещения слоев хранимого в резервуаре сжиженного природного газа.

5. В ходе апробации разработанной в диссертации методики оценки работоспособности изотермического резервуара объемом 160000 м3 установлено, что в арктических условиях наиболее рациональной, с точки зрения оптимального сочетания стоимости и риска социального ущерба,

является конструкция резервуара полной герметизации с внешним корпусом из хладостойкой стали с высоким содержанием никеля.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК:

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

2. Рахманин А.И. Концепция анализа риска резервуарных конструкций / Иванцова С.Г., Рахманин А.И., Тарасенко М.А., Сильницкий П.Ф. // Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2011, № 3. - С. 31-35.

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

4. Рахманин А.И. Оценка работоспособности изотермического резервуара методами имитационного моделирования / Иванцова С.Г., Рахманин А.И. // Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2013, № 4. - С. 49-54.

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

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

7. Рахманин А.И. Семиотическая модель как формализм для автоматизации процессов проектирования изотермических резервуаров и верификации принимаемых проектных решений / Башлыков А.А., Рахманин А.И. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности (отечественный и зарубежный опыт), 2014, №4. - С. 7-14.

Подписано в печать 12.02.2015 Формат 60x90/16. Тираж 100 экземпляров. Заказ № 53 Издательство ООО «Копимастер» ИНН 7718871342 КПП 771801001 107076, г. Москва, Колодезный пер., дом №14 +7(495)229-56-62