Бытует мнение, что чем толще стенки газгольдера, тем газгольдер долговечнее и надежнее. Позвольте с Вами не согласиться. Во многом эта долговечность и надежность зависит не только от толщины стенки, но и от материала, из которого изготовлен данный газгольдер.
Возьмем для примера:
Отечественную сталь 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г. из которой производятся, в основном, газгольдеры отечественного производства толщина стенки обечайки — 10 мм, а днища – 12 мм. и сталь S355J2+N одного из Европейских производителей Arcelor-Mittal (Бремен, Германия), из которой изготовлены газгольдеры компании Kadatec (Чехия), толщина стенки обечайки которых — 5,1 мм, а днища – 5,7 мм.
Сравним характеристики данных сталей.
Таблица 1. Характеристика стали.
Наименование стали | Предел текучести, МПа (??) +50 |
Временное сопротивление, Мпа (??) |
Скорость коррозии в год, см |
09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г. | 188.5 | 390 | 0.005 |
S355J2+N EN 10025-2 : 2004 | 343 | 470 | 0.000 |
Из данных сравнительных характеристик мы видим, что сталь S355J2+N по основным характеристикам на порядок превосходит нашу отечественную сталь марки 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г. К нашему сожалению, из-за устаревших технологий производства у нас в стране качество изготовления стали оставляет желать лучшего, вследствие чего прочность достигается не качеством, а толщиной.
Произведем сравнительный расчет необходимой толщины стенки газгольдеров, при изготовлении из данных сталей при:
- Исходные данные
Рабочая среда: сжиженные углеводородные газы ГОСТ 20448 и ГОСТ 27578
Рабочее давление Pраб = 1,56 МПа
Расчетное давление Ррасч = 1,56 Мпа
Пробное давление Pпр = 1,95 МПа
Температура рабочая от -40 до +40 °С
Температура расчетная +50 °С
Срок службы — 20 лет
Коэффициент прочности продольных сварных швов при объеме радиографического или ультразвукового контроля 100 %: ?р = 1,0 Возьмем (для сравнения) диаметр газгольдера производства компании Kadatec (Чехия) и диаметр отечественных газгольдеров – 125 см
- Определение допускаемого напряжения для рабочих условий и прибавки к расчетной толщине стенки
Допускаемое напряжение для рабочих условий (п.1.4.1):
09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г. [?] = min{Re/nт; Rm/nв} = min{188,5/1,5; 390/2,4} = 125,7 Мпа
S355J2+N EN 10025-2 : 2004 [?] = min{Re/nт; Rm/nв} = min{343/1,5; 470/2,4} = 195,8 МПа
где: коэффициент запаса прочности для рабочих условий по пределу текучести nт = 1,5 (п.1.4.2)
коэффициент запаса прочности для рабочих условий по пределу прочности nв = 2,4 (п.1.4.2)
Прибавка к расчетным толщинам обечаек и днищ газгольдера (п.1.7.1):
С = С1 + С2 + С3
С1 – скорость коррозии, 20 лет – срок службы газгольдера из стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г., и газгольдера из стали S355J2+N EN 10025-2 : 2004
С1 = 0,00 · 20 = 0,00, где 0,00 – скорость коррозии стали S355J2+N EN 10025-2 : 2004, 20 – срок службы газгольдера
С1= 0.005 · 20 = 0,1, где 0,005 – скорость коррозии стали стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г.
С2 – прибавка для компенсации минусового допуска,
С2 = 0,05 см, для стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г.
С2 = 0,00 см для стали S355J2+N, так как в расчетах принимаются толщины стальных листов с учетом максимального минусового допуска;
С3 – прибавка технологическая, отсутствует
С3 = 0,15 см, для стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г.
С3 = 0,00 см, для стали S355J2+N , EN 10025-2 : 2004
С3 = 0,00 см у обечаек отсутствует, у днищ С3 = 0,00 см, так как в расчетах принимаются минимально допустимые толщины днищ.
С = 0,00 + 0,00 + 0,00 = 0,00 см, для стали S355J2+N EN 10025-2 : 2004
С = 0,1 + 0,05+ 0,150 = 0,30 см, для стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г.
- Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением. Расчет произведен согласно ГОСТ 14249 п.2.3.1.1.
S > Sp + C
Sp = PD / (2 [?] ?р — P)
1.1. Материал – сталь 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г., – сталь S355+N EN 10025-2 : 2004
1.2. ?р – коэффициент прочности сварных швов ?р = 1,0
1.3. С – величина прибавки к расчетной толщине
Для стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г.
Sp = PD / (2 [?] ?р — P) = (1,56 · 124) / (2 · 125,7 · 1,0 — 1,56) = 0,77 см
S = 0,77 + 0,3 = 1,074 cм, принимаем толщину стенки S = 12 мм
Для стали S355J2+N EN 10025-2 : 2004
Sp = PD2 [?] ?р — P = (1,56 · 124) / (2 · 195,8 · 1,0 — 1,56) = 0,49 см
S = 0,49 + 0,0 = 0,49 cм, принимаем толщину стенки S = 5,1 мм
2.2. Проверка применяемости расчетной формулы
(S — C) / D < 0,1
Для обечаек при D ? 200 см
Для стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г.
(1,2 – 0,3) / 124 = 0,0073
0,0073 < 0,1
Для стали S355J2+N EN 10025-2 : 2004
(0,51 – 0,00) / 124 = 0,004
0,004 < 0,1
Условие применяемости формулы выполнено.
Из данного расчета видно, что для Р = 1,56 МПа, газгольдерам производства компании Kadatec, достаточно толщины обечайки, равной 5,1 мм, а для газгольдеров из стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г. толщина обечайки должна быть не менее 11мм, принимаем 12 мм.
При этом: 20 лет – срок службы газгольдера из стали 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г. 20 лет(с возможным продлением после проведения экспертизы промышленной безопасности) – срок службы газгольдера из стали S355J2+N.
На толщину стенки стальных газгольдеров существенное значение оказывают коррозийные повреждения внутренних, а также наружных поверхностей, особенно в нижней части и в местах опор. Самое опасное коррозийное повреждение стенок газгольдера – расслоение металла в результате воздействия сероводорода, содержащегося в СУГ. Расслоение металла появляется в первую очередь на внутренней поверхности газгольдера (местные вздутия, бугорки, пузыри). Часто на месте пузыря образуются трещины, что приводит к разрушению металла, отложению на дне осадков в виде хлопьев.
Поэтому особенно важно проверять паспорт поставляемого СУГ – соответствие (ГОСТ 20448-90), где содержание сероводорода не должно превышать 5 грамм на 100 м3 газа. Расслоение металла в газгольдерах наблюдается при содержании в пропане от 0,3 – до 1 % и более сероводорода.
По своим характеристика сталь S355J2+N гораздо менее восприимчива к содержанию в СУГ сероводорода, чем сталь 09Г2С-6, ГОСТ 5520-79г., но, тем не менее, из опыта эксплуатации, газгольдеры, работающие с очищенным от сероводорода газом, эксплуатируются без малейших признаков расслоения согласно их расчетным срокам службы — 20 лет. Процесс коррозийного расслоения металла не зависит от давления среды в сосудах и температуры СУГ. Очистка сжиженного газа от сероводорода до 0,025% полностью исключает вредное влияние его на металл газгольдеров.
Иногда у наших клиентов возникают вопросы и пожелания относительно необходимости люка-лаза в газгольдерах Kadatec (Чехия).
Согласно «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ 03-576-03)
Пункт 56. Сосуды, состоящие из цилиндрического корпуса и решеток с закрепленными в них трубками (теплообменники), и сосуды, предназначенные для транспортирования и хранения криогенных жидкостей, а также сосуды, предназначенные для работы с веществами 1-го и 2-го классов опасности по ГОСТ 12.1.007 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности», но не вызывающие коррозии и накипи, допускается изготовлять без люков и лючков независимо от диаметра сосудов при условии выполнения требования п. 42 настоящих Правил.
Пункт 42. Если конструкция сосуда не позволяет проведение наружного и внутреннего осмотров или гидравлического испытания, предусмотренных требованиями настоящих Правил, разработчиком конструкции сосуда в руководстве по эксплуатации должны быть указаны методика, периодичность и объем контроля, выполнение которых обеспечит своевременное выявление и устранение дефектов. В случае невозможности (по конструктивным особенностям) проведения внутреннего осмотра сосуда последнее по согласованию с Госпромнадзором может быть заменено гидравлическим или пневматическим испытанием, осмотром в доступных местах и контролем толщины стенки ультразвуковым методом.
На газгольдерах, произведенных компанией Kadatec (Чехия), люки не предусмотрены, так как заводом-изготовителем разработана методика внутреннего осмотра газгольдера с помощью эндоскопа, что упрощает эксплуатацию данных газгольдеров, меньше соединений — меньше возможных утечек.
Отсутствие люков стало результатом многолетних наблюдений работы газгольдеров с люками, в результате чего было отмечено возникновение утечек, связанных с усыханием прокладок крышки люка, уменьшением со временем усилий крепежных болтов.
Так как срок службы газгольдера, производства Kadatec — 20 лет с возможным продлением после проведения экспертизы промышленной безопасности, и, с учетом принципа «меньше соединений — меньше утечек », а так же с учетом современных систем диагностики (методика внутреннего осмотра газгольдера с помощью эндоскопа) надобность в люке отпала.
В случае пожелания клиента компания Kadatec (Чехия) готова изготовить газгольдеры с люками-лазами ? 500 мм.
Часто наши оппоненты, продвигающие на рынке газгольдеры с высокой горловиной, рекламируют преимущества данных газгольдеров над обычным газгольдером, без горловины на предмет улучшенного естественного испарения СУГ при нахождении емкостей в грунте.
Попробуем разобраться…
На рисунках №1 и №2 представлены варианты установки газгольдеров относительно поверхности грунта.
Согласно п.8.1.5. СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы» подземные газгольдеры следует устанавливать на глубине не менее 0,6 м от поверхности земли до верхней образующей газгольдера в районах с сезонным промерзанием грунта и 0,2 м – в районах без промерзания грунта.
Если газгольдер с горловиной и без горловины установлены так, как указано на рис.1, то разницы в наличии горловины или ее отсутствии почти нет никакой. В газгольдере с горловиной расстояние от поверхности земли до поверхности газа в газгольдере составит 800 мм, а расстояние от поверхности земли до верхних образующих — 500 мм. В газгольдере без горловины расстояние от поверхности земли до поверхности газа в емкости составит 900 мм, а расстояние от поверхности земли до верхних образующих – 600 мм.
Отличие при размещении газгольдеров согласно рис.1 в том, что арматура на газгольдере с горловиной выставлена над землей, а без горловины – на глубине 600 мм.
При этом в случае газгольдера с горловиной: газ (если плохого качества), возможно, промерзнет при выходе из газгольдера в редуктор – мостик холода, а в случае газгольдера без горловины газ (если плохого качества) менее подвержен промерзанию.
Вариант решения проблемы: вырезать из пенопласта круг толщиной 100 мм и диаметром ? 600 мм и положить под крышку, получится «термос».
При установке газгольдера с высокой горловиной согласно рис.2 поверхность испарения будет на глубине 1200 мм, а без горловины – 900 мм.
Казалось бы, испарение будет лучше, но это не совсем так. Естественное испарение жидкой фазы происходит за счет тепла окружающего грунта, причем в холодное время года газгольдер получает постоянный поток тепла из глубины грунта (подогревается в основном только снизу, как кастрюля с супом на плите), а в летний период тепловой поток увеличивается за счет теплых поверхностей грунтов.
На испарительную способность подземного газгольдера влияют физико-термодинамические свойства компонентов сжиженного газа, температура окружающих грунтов, коэффициент теплопроводности грунтов, степень заполнения газгольдера.
Особое внимание хотелось уделить физико-термодинамическим свойствам газа. Исходя из температуры, давление насыщенных паров пропана-бутана изменяется следующим образом:
Таблица 2. Зависимость упругости паров (в кг/см2) сжиженных углеводородных газов от температуры.
Температура, °С | Пропан | Бутан | Изобутан |
— 60 | 0.48 | 0.05 | 0.09 |
— 55 | 0.62 | 0.07 | 0.12 |
— 50 | 0.70 | 0.10 | 0.17 |
— 45 | 0.88 | 0.13 | 0.21 |
— 40 | 1.09 | 0.18 | 0.27 |
— 35 | 1.34 | 0.22 | 0.32 |
— 30 | 1.64 | 0.28 | 0.44 |
— 25 | 1.97 | 0.35 | 0.54 |
— 20 | 2.36 | 0.45 | 0.69 |
— 15 | 2.85 | 0.58 | 0.88 |
— 10 | 3.38 | 0.68 | 1.07 |
— 5 | 3.99 | 0.84 | 1.28 |
0 | 4.65 | 1.02 | 1.53 |
5 | 5.43 | 1.23 | 1.82 |
10 | 6.29 | 1.46 | 2.15 |
15 | 7.25 | 1.74 | 2.52 |
20 | 8.33 | 2.05 | 2.94 |
25 | 9.51 | 2.40 | 3.41 |
30 | 10.80 | 2.80 | 3.94 |
35 | 12.26 | 3.24 | 4.52 |
40 | 13.82 | 3.74 | 5.18 |
45 | 15.54 | 4.29 | 5.90 |
50 | 17.40 | 4.90 | 6.69 |
55 | 19.45 | 5.57 | 7.59 |
Из таблицы видно, что для разных температур промерзания грунта:
для газа пропан – концентрация 100%, при
t = -40°С P = 1,09 кг/см2
t = -30°С P = 1,64 кг/см2
t = -15°С P = 2,85 кг/см2
t = -5°С P = 3,99 кг/см2 => все эти показатели достаточны для нормального естественного испарения
для газа бутан – концентрация 100%, при
t = -40°С P = 0,18 кг/см2
t = -30°С P = 0,28 кг/см2
t = -15°С P = 0,58 кг/см2
t= -5°С P = 0,84 кг/см2 => изменения минимальны, испарения практически нет
Если мы рассмотрим, например, данные температуры промерзания грунта по Москве и Санкт-Петербургу, согласно таблицы 3, то увидим: Москва – на глубине 0,8 м зимой температура -0,1°С, на глубине 1,6 м (не 1,2 как на рис.2) +1,1°С
Санкт-Петербург – на глубине 0,8 м зимой температура -2,5°С, на глубине 1,6 м (не 1,2 как на рис.2) +0,7°С
Таблица 3. Температуры грунта в различных населенных пунктах Республики Беларусь.
Наименование населенного пункта | Глубина, мм | |||||
0.4 | 0.8 | 1.6 | ||||
Л | З | Л | З | Л | З | |
Минск | 17.4 | — 1.4 | 15.4 | — 0.1 | 13.5 | — 1.1 |
Витебск | 19.5 | — 6.6 | 16.3 | — 2.5 | 13.7 | 0.7 |
Примечание: Л – максимальная летняя температура, З – минимальная зимняя температура.
Данные взяты из Климатического справочника.
Из таблицы видно:
для газа пропан – концентрация 100%, при
t = -5°С P = 3,99 кг/см2
t = 0°С P = 4,65 кг/см2 => показатели достаточны для нормального естественного испарения
для газа бутан – концентрация 100%, при
t = -5°С P = 0,84 кг/см2
t = 0°С P = 1,02 кг/см2 => показатели минимально достаточны для нормального естественного испарения
ВЫВОД: при содержании в газе пропана в количестве 70-90% разницы в глубине закапывания газгольдера свыше 600 мм от поверхности земли фактически нет. При большем содержании в газе бутана, газ не будет испаряться и при высокой горловине. В большинстве случаев проблема – несоответствие качественных показателей газа нормативным документам (ГОСТ 20448-90).
Покупайте газ только у проверенных поставщиков, и в каждом случае поставки требуйте паспорт качества и сертификат соответствия, выданный поставщику заводом – изготовителем, – вы забудете про проблемы испарения.
В случае пожелания клиента компания Kadatec готова изготовить газгольдеры с горловиной высотой 500 мм.
Все вышеперечисленные сравнительные характеристики газгольдеры, производства компании Kadatec (Чехия) показывают свое преимущество по отношению к другим производителям аналогичной продукции, а с учетом высокого качества производства (срок службы сосудов 30 лет), использования передовых технологий при производстве, постоянном контроле качества на всех этапах производства, позволяет успешно развиваться и быть лидером в данном сегменте.