Введение в криогенное емкостное оборудование
Криогенные емкости представляют собой специализированное оборудование для хранения и транспортировки сжиженных газов при температурах ниже минус 153°C. В химической промышленности такие резервуары применяются для работы с жидким кислородом, азотом, аргоном, углекислым газом и сжиженным природным газом. Основная задача криогенного оборудования заключается в поддержании стабильной низкой температуры продукта при минимальных теплопритоках из окружающей среды.
Конструктивно криогенные емкости выполняются по принципу сосуда в сосуде с вакуумной теплоизоляцией в межстенном пространстве. Внутренний сосуд содержит криогенную жидкость, а внешний кожух защищает изоляционную полость от механических воздействий и атмосферных факторов. Качество изоляции определяет эффективность хранения и величину естественных испарительных потерь продукта.
Важно: Криогенными считаются температуры ниже минус 153°C. Температура кипения жидкого кислорода составляет минус 183°C, жидкого азота минус 196°C. Для работы в таком диапазоне требуются специальные конструкционные материалы, сохраняющие механические свойства и высокую ударную вязкость при экстремально низких температурах.
Проектирование и изготовление криогенных емкостей регламентируется техническими регламентами ТР ТС 032/2013 о безопасности оборудования под давлением и нормативными документами по промышленной безопасности. Особое внимание уделяется подбору материалов, расчету теплоизоляции, системам безопасности и предотвращению аварийных ситуаций.
Классификация криогенных емкостей
По назначению и мобильности
Криогенные емкости подразделяются на стационарные резервуары для длительного хранения продукта на промышленных площадках и транспортные криоцистерны для перевозки сжиженных газов. Стационарные резервуары монтируются на бетонные фундаменты и оснащаются полным комплексом технологического оборудования. Транспортные цистерны размещаются в защитных рамах, обеспечивающих безопасность при транспортировке различными видами транспорта.
По геометрической форме
Вертикальные цилиндрические резервуары применяются для объемов от 5 до 250 кубометров. Они занимают минимальную площадь основания и считаются технически более безопасными благодаря пониженному центру тяжести и стабильности конструкции. Горизонтальные цилиндрические емкости объемом от 10 до 300 кубометров отличаются простотой обслуживания и высокой заводской готовностью.
Сферические резервуары используются для крупнотоннажного хранения объемами до 1440 кубометров. Сферическая форма обеспечивает минимальную площадь поверхности при максимальном объеме, что снижает теплопритоки и уменьшает расход изоляционных материалов. Однако монтаж сферических резервуаров требует сборки на месте эксплуатации из отдельных сегментов, что увеличивает трудоемкость и стоимость.
По рабочему давлению
Криогенные емкости работают в диапазоне избыточных давлений от 0,05 до 4,0 МПа. Резервуары низкого давления до 0,3 МПа применяются для крупнотоннажного хранения с минимальными потерями на испарение. Емкости среднего давления до 1,6 МПа позволяют выдавать продукт потребителям без дополнительного насосного оборудования. Резервуары высокого давления свыше 2,0 МПа используются в специальных технологических схемах с повышенными требованиями к прочности.
Конструктивные особенности криогенных резервуаров
Система двойных стенок
Конструкция криогенной емкости включает внутренний сосуд из хладостойкой стали и внешний кожух из углеродистой или нержавеющей стали. Внутренний сосуд выдерживает криогенную температуру рабочей среды и рабочее давление. Внешний кожух защищает теплоизоляцию и воспринимает атмосферные нагрузки. Оба сосуда опираются на независимые опоры, передающие нагрузку на фундамент через теплоизолирующие элементы.
Днища и крышки
Днища криогенных емкостей выполняются эллиптическими с отношением высоты к диаметру 1:2, что обеспечивает оптимальное распределение напряжений при внутреннем давлении. Верхние крышки оснащаются технологическими патрубками для установки контрольно-измерительных приборов, предохранительной арматуры и загрузочно-разгрузочных устройств. Все проходки через изоляционную полость выполняются с минимальными мостиками холода.
Опорные конструкции
Опоры внутреннего сосуда проектируются с учетом минимизации теплопритоков. Применяются стоечные опоры из материалов с низкой теплопроводностью или комбинированные опоры с теплоизолирующими вставками. Внешний кожух устанавливается на седловидные или стоечные опоры, которые крепятся к фундаменту анкерными болтами. Конструкция опор должна исключать передачу деформаций от внутреннего сосуда к внешнему кожуху.
Материалы для изготовления криогенных емкостей
Аустенитные нержавеющие стали
Хромоникелевые аустенитные стали марок 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т широко применяются для внутренних сосудов криогенных емкостей благодаря сохранению высокой ударной вязкости при температурах до минус 196°C. Гранецентрированная кубическая структура аустенита не подвержена хладноломкости. Эти стали хорошо свариваются аргонодуговой сваркой, обеспечивая герметичность конструкции.
Высоколегированные аустенитные стали 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ6 обладают повышенной прочностью и применяются для толстостенных крупногабаритных резервуаров. Сталь 03Х20Н16АГ6 работоспособна при температурах до минус 269°C, что позволяет использовать ее для хранения жидкого водорода и гелия. Кратковременный нагрев при сварке не вызывает выделения избыточных фаз, поэтому термообработка сварных соединений не требуется.
Никелевые стали
Стали с содержанием никеля около 9 процентов представляют экономичную альтернативу аустенитным сталям для работы при температурах до минус 196°C. Никель повышает ударную вязкость и предел текучести при криогенных температурах. Термическая обработка включает двойную нормализацию и старение при температуре от 550 до 600°C. Эти стали применяются в крупнотоннажных резервуарах для сжиженного природного газа.
Алюминиевые сплавы
Алюминий и его сплавы на основе системы алюминий-магний составляют около 30 процентов металлоконструкций криогенной техники. Алюминий не имеет порога хладноломкости и сохраняет высокую пластичность при понижении температуры. Сплав AG 4MC широко используется для криогенных резервуаров и теплообменников. Алюминиевые сплавы свариваются аргонодуговой сваркой в среде инертного газа с применением присадочной проволоки аналогичного состава.
Инварные сплавы
Сплавы с содержанием 36 процентов никеля обладают низким коэффициентом линейного расширения в диапазоне от нормальной до криогенных температур. Это свойство минимизирует термические напряжения в конструкции при охлаждении и нагреве. Инварные сплавы применяются в прецизионных конструкциях и для изготовления сварных соединений, не требующих последующей термообработки.
Системы теплоизоляции криогенного оборудования
Перлито-вакуумная изоляция
Перлито-вакуумная изоляция состоит из межстенного пространства, заполненного вспененным перлитом и вакуумированного до давления от 1 до 10 Па. Вспененный перлит получают термической обработкой алюмосиликатов, в результате которой влага мгновенно испаряется, образуя микропористую структуру с низкой теплопроводностью. Материал огнестоек, химически инертен и экологически безопасен.
Эффективная теплопроводность перлито-вакуумной изоляции составляет от 0,001 до 0,002 Вт/(м·К). Такая изоляция применяется в стационарных резервуарах большого объема благодаря доступности материала и простоте монтажа. Периодичность повторного вакуумирования для поддержания изоляционных свойств составляет около двух лет при условии сохранения герметичности межстенного пространства.
Экранно-вакуумная изоляция
Экранно-вакуумная изоляция представляет наиболее эффективный тип теплоизоляции с эффективной теплопроводностью до 0,00005 Вт/(м·К). Конструкция состоит из множества слоев металлизированной полиэтиленовой пленки толщиной от 0,006 до 0,012 миллиметра с алюминиевым напылением. Слои разделены прокладками из волокнистых материалов с низкой теплопроводностью.
Межстенное пространство вакуумируется до давления от 0,001 до 0,01 Па с использованием многоступенчатых безмасляных вакуумных систем. Отражающие экраны многократно снижают лучистый теплообмен между холодной и теплой поверхностями. Экранно-вакуумная изоляция применяется в транспортных криоцистернах, ISO-контейнерах и малообъемных резервуарах от 0,2 до 50 кубометров.
Техническое преимущество: Экранно-вакуумная изоляция обеспечивает в 10-100 раз меньшие теплопритоки по сравнению с перлито-вакуумной, что критично для транспортных емкостей с длительным временем доставки.
Контроль герметичности и вакуума
Качество изоляции напрямую зависит от уровня вакуума в межстенном пространстве. Все сварные швы внутреннего сосуда и внешнего кожуха контролируются масс-спектрометрическим методом с использованием гелиевых течеискателей. Периодический контроль вакуума осуществляется вакуумметрами через специальные штуцера. При ухудшении изоляционных свойств проводится повторное вакуумирование с предварительной продувкой и прогревом.
Технологическое оснащение криогенных емкостей
Предохранительная арматура
Предохранительные клапаны прямого действия защищают резервуар от недопустимого повышения давления. Согласно ГОСТ 12.2.085-2017, для криогенных емкостей предусматривается система из рабочего и резервного предохранительных клапанов равной пропускной способности. Давление настройки клапана устанавливается согласно требованиям стандарта и технической документации на оборудование. Пропускная способность рассчитывается на случай полной потери вакуума или разрушения теплоизоляции.
Запорная и регулирующая арматура
Запорная арматура на криогенных резервуарах выполняется из материалов, сохраняющих работоспособность при криогенных температурах. Применяются шаровые краны и задвижки с удлиненным шпинделем, обеспечивающим теплоизоляцию привода от холодной среды. Регулирующие клапаны оснащаются пневматическими приводами с позиционерами для точного дозирования расхода продукта.
Контрольно-измерительные приборы
Уровнемеры емкостного или радарного типа контролируют уровень жидкости в резервуаре. Манометры с разделительными мембранами измеряют давление в газовой фазе. Термометры сопротивления контролируют температуру продукта и температуру вакуумной полости. Современные резервуары оснащаются системами телеметрии для передачи данных в диспетчерский центр.
Испаритель подъема давления
Испаритель наддува представляет теплообменник, в котором часть жидкого продукта газифицируется за счет теплоты окружающей среды. Полученный газ подается в газовую фазу резервуара для поддержания рабочего давления. Производительность испарителя рассчитывается исходя из максимального расхода продукта и естественного испарения. Конструктивно испаритель выполняется в виде оребренных трубных секций или пластинчатых теплообменников.
Требования безопасности при эксплуатации
Система противоаварийной защиты
Система ПАЗ криогенного резервуара включает датчики верхнего аварийного уровня, датчики предельно допустимого давления и отсекающие клапаны с автоматическим управлением. При достижении критических параметров система автоматически прекращает заполнение или выдачу продукта и активирует световую и звуковую сигнализацию. Отсекающие клапаны имеют дублированное питание и резервные источники управляющего воздуха.
Размещение и фундаменты
Криогенные резервуары устанавливаются на железобетонные фундаменты, возвышающиеся над прилегающей площадкой не менее чем на 0,2 метра. Размеры фундамента в плане превышают габариты резервуара на 0,5 метра во все стороны. Поверхность фундамента выполняется с уклоном два градуса наружу для отвода дождевой и талой воды. Конструкция фундамента рассчитывается на полную массу заполненного резервуара с учетом сейсмических нагрузок.
Ограждение и противопожарные разрывы
Резервуары с СПГ устанавливаются в ограждении, высота которого определяется расчетом растекания жидкости при разгерметизации. Минимальные расстояния от криогенных резервуаров до зданий и сооружений устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности в зависимости от объема резервуара и класса опасности вещества. При размещении насосов и испарителей допускается их установка в общем ограждении с резервуаром.
Защита персонала
Температура наружных поверхностей оборудования, доступных для прикосновения, не должна быть ниже плюс 4°C или выше плюс 40°C. В местах возможного контакта с холодными поверхностями устанавливаются защитные ограждения или теплоизоляционные кожухи. Персонал, работающий с криогенным оборудованием, обеспечивается спецодеждой из материалов, защищающих от низких температур, и средствами индивидуальной защиты рук и лица.
Особенности эксплуатации и обслуживания
Ввод в эксплуатацию
Перед первым заполнением криогенного резервуара проводится комплекс подготовительных работ. Внутренний сосуд продувается сухим азотом для удаления влаги и воздуха. Осуществляется контроль уровня вакуума в изоляционной полости вакуумметром. Выполняется настройка предохранительных клапанов на стенде с проверкой давления начала открытия. Производится наладка систем контроля и автоматики с имитацией аварийных ситуаций.
Первичное охлаждение резервуара выполняется постепенно во избежание термических напряжений в металлоконструкциях. Жидкий продукт подается малым расходом через нижний патрубок. Интенсивное испарение на начальном этапе охлаждения отводится через предохранительные клапаны. Процесс первичного охлаждения крупнотоннажного резервуара может занимать несколько суток.
Заполнение и выдача продукта
Заполнение криогенного резервуара осуществляется как в верхнюю часть на уровень жидкости, так и в нижнюю часть под уровень. Заполнение сверху снижает гидравлические удары, но увеличивает испарение за счет разбрызгивания струи. Заполнение снизу более эффективно для минимизации потерь продукта. Скорость заполнения ограничивается допустимой производительностью предохранительных клапанов.
Выдача продукта в жидком виде производится центробежными насосами криогенного исполнения или за счет избыточного давления в газовой фазе. Насосы устанавливаются ниже уровня жидкости в резервуаре для обеспечения подпора на всасывании. При выдаче продукта давлением газификация жидкости в испарителе наддува должна компенсировать расход из резервуара и естественное испарение.
Техническое обслуживание
Регламентное техническое обслуживание криогенных резервуаров включает ежедневный контроль приборов, проверку исправности предохранительных клапанов, осмотр трубопроводной обвязки на отсутствие обмерзания и утечек. Ежемесячно проверяется работоспособность системы ПАЗ, калибруются датчики уровня и давления. Ежегодно производится ревизия предохранительных клапанов с демонтажем и проверкой на стенде.
Особое внимание уделяется контролю состояния теплоизоляции. Повышение расхода продукта на испарение свидетельствует об ухудшении вакуума в изоляционной полости. В этом случае проводится повторное вакуумирование с предварительной продувкой сухим азотом и прогревом межстенного пространства для удаления адсорбированной влаги.
Техническое диагностирование и контроль
Периодичность диагностирования
Полное техническое диагностирование криогенных резервуаров проводится в сроки, установленные экспертной организацией, но не реже одного раза в десять лет. Диагностирование включает наружный и внутренний осмотр, толщинометрию стенок, ультразвуковой контроль сварных швов, гидравлическое испытание пробным давлением. По результатам диагностирования устанавливается возможность и срок дальнейшей эксплуатации.
Методы неразрушающего контроля
Ультразвуковая дефектоскопия применяется для выявления внутренних дефектов сварных соединений и основного металла. Радиографический контроль используется на стадии изготовления для оценки качества сварки. Магнитопорошковый контроль выявляет поверхностные трещины в ферромагнитных материалах. Визуальный и измерительный контроль позволяет обнаружить коррозионные повреждения, деформации и нарушения геометрии.
Испытания на герметичность
Контроль герметичности внутреннего сосуда и изоляционной полости осуществляется масс-спектрометрическим методом с использованием гелия в качестве пробного газа. Чувствительность метода достигает десяти в минус десятой степени миллибара на литр в секунду. Пневматическое испытание воздухом с обмыливанием применяется для локализации крупных течей перед масс-спектрометрическим контролем.
Области применения криогенных емкостей
Химическая промышленность
В химической промышленности криогенные емкости применяются для хранения жидкого кислорода, азота и аргона, используемых в качестве сырья или вспомогательных материалов. Жидкий азот находит применение в процессах инертирования реакторов, создания защитных атмосфер, охлаждения реакционных сред. Жидкий кислород используется в процессах окисления, газификации твердого топлива, интенсификации горения.
Газоразделительные производства
Криогенные резервуары являются неотъемлемой частью воздухоразделительных установок. Они обеспечивают аккумулирование жидких продуктов разделения воздуха и выравнивание неравномерности производства и потребления. Типичная схема включает резервуары жидкого кислорода, азота и аргона с системами налива и слива железнодорожных и автомобильных криоцистерн.
Металлургия
В металлургических производствах криогенные резервуары обеспечивают хранение жидкого кислорода для кислородно-конвертерных цехов, установок внепечной обработки стали, резки и газопламенной обработки металла. Жидкий азот применяется для азотирования металлов, создания инертной атмосферы в плавильных агрегатах, охлаждения технологического оборудования.
Пищевая промышленность
Криогенное замораживание продуктов с использованием жидкого азота обеспечивает высокое качество заморозки за счет быстрого прохождения зоны кристаллизации. Криогенные емкости устанавливаются на пищевых производствах для хранения хладагента. Жидкий углекислый газ применяется для газирования напитков, создания модифицированной атмосферы в упаковке, охлаждения при транспортировке.
Нефтегазовая отрасль
Сжиженный природный газ хранится в криогенных резервуарах на терминалах сжижения, регазификационных терминалах, пиковых источниках газоснабжения. Криогенные емкости обеспечивают буферный запас топлива и выравнивание неравномерности потребления газа. Мобильные криоцистерны используются для доставки СПГ потребителям, не имеющим доступа к газораспределительным сетям.
Часто задаваемые вопросы
Какой срок службы криогенных резервуаров?
Расчетный срок службы стационарных криогенных резервуаров составляет от 20 до 30 лет при условии соблюдения правил эксплуатации и проведения регламентных работ. Фактический срок службы может быть продлен по результатам технического диагностирования, подтверждающего работоспособность металлоконструкций и изоляции. Транспортные криоцистерны имеют расчетный срок службы от 15 до 20 лет с учетом более интенсивных режимов эксплуатации.
Как часто требуется повторное вакуумирование резервуара?
Периодичность повторного вакуумирования зависит от типа изоляции и качества изготовления. Для резервуаров с экранно-вакуумной изоляцией срок сохранения вакуума составляет от 3 до 5 лет. Перлито-вакуумная изоляция требует повторного вакуумирования каждые 2-3 года. Признаками ухудшения вакуума служат повышенное обмерзание внешнего кожуха и увеличение естественного испарения продукта.
Какие материалы применяются для внутренних сосудов?
Для внутренних сосудов криогенных резервуаров применяются аустенитные нержавеющие стали марок 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т, сохраняющие ударную вязкость при температурах до минус 196 градусов Цельсия. Алюминиевые сплавы используются для малообъемных резервуаров благодаря отсутствию порога хладноломкости. Никелевые стали с содержанием никеля около 9 процентов применяются в крупнотоннажных резервуарах для СПГ.
Что такое естественное испарение и как его минимизировать?
Естественное испарение представляет постоянный процесс перехода жидкости в газообразное состояние за счет теплопритоков из окружающей среды. Величина испарения зависит от качества теплоизоляции и площади поверхности резервуара. Минимизация достигается применением экранно-вакуумной изоляции, поддержанием глубокого вакуума, использованием сферической формы резервуара, установкой эффективных теплоизолирующих опор.
Какие требования к персоналу, обслуживающему криогенные емкости?
Персонал должен иметь соответствующую квалификацию и пройти обучение по программе безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Обязательна аттестация в области промышленной безопасности опасных производственных объектов. Работники обеспечиваются спецодеждой, защищающей от низких температур, и средствами индивидуальной защиты. Проводятся регулярные инструктажи по действиям при аварийных ситуациях.
Можно ли хранить в одном резервуаре разные продукты?
Хранение разных криогенных продуктов в одном резервуаре без промежуточной очистки не допускается из-за возможного загрязнения и изменения свойств продукта. При необходимости перехода на другую среду проводится полное опорожнение резервуара, продувка азотом, вакуумирование и анализ на отсутствие примесей предыдущего продукта. Такая процедура трудоемка и применяется только в исключительных случаях.
Отказ от ответственности
Настоящая статья носит исключительно информационный и ознакомительный характер для технических специалистов химической промышленности. Информация не является руководством по проектированию, изготовлению или эксплуатации криогенного оборудования. Для практической реализации проектов необходимо руководствоваться актуальными нормативными документами, техническими регламентами и получить консультации квалифицированных специалистов.
Автор не несет ответственности за последствия использования представленной информации в практической деятельности без надлежащего инженерного обоснования и экспертизы.
