Как предотвратить разрушение резервуара при испарении СПГ: логика построения систем сброса

Как предотвратить взрыв резервуара при испарении СПГ. Разбор систем сброса давления с применением диверторов и криогенных клапанов. Инженерные решения Sigmatrix. </p&gt

В эксплуатации криогенного оборудования одной из наиболее критических задач является управление внутренним давлением в изотермических резервуарах и транспортных емкостях. Сжиженный природный газ (СПГ) постоянно находится в состоянии термодинамического равновесия, которое крайне чувствительно к внешним факторам.

Любое нарушение этого равновесия ведет к лавинообразному нарастанию давления, что при отсутствии корректно спроектированной системы сброса неизбежно приводит к деформации или физическому разрушению сосуда. Проблема осложняется тем, что защита должна срабатывать безотказно в условиях сверхнизких температур, где обычные материалы теряют пластичность, а механизмы склонны к обмерзанию.

Техническая суть и причины

Основной причиной роста давления в закрытом объеме является теплоприток из окружающей среды. Несмотря на применение высокоэффективной экранно-вакуумной или перлитовой изоляции, полностью исключить передачу тепловой энергии внутрь резервуара невозможно.

Поступающее тепло инициирует фазовый переход: часть СПГ переходит из жидкого состояния в газообразное. Учитывая, что коэффициент объемного расширения метана при переходе из жидкой фазы в газообразную составляет примерно 1 к 600, даже незначительное испарение генерирует огромный объем паров. В замкнутом пространстве это мгновенно создает избыточное давление. Если система потребления газа (отбор паров) временно неактивна, единственным барьером, предотвращающим аварию, становится предохранительная арматура.

Риски и ошибки эксплуатации

Типовой ошибкой при проектировании является занижение требуемой пропускной способности защитных устройств. Зачастую расчет ведется только исходя из нормативного испарения (BOG — Boil-off gas), однако не учитываются сценарии аварийного нагрева — например, при разгерметизации вакуумной рубашки или внешнем возгорании вблизи объекта. В таких условиях стандартный клапан может не справиться с критическим объемом генерируемого газа.

Другой риск связан с отсутствием дублирования. Согласно требованиям ГОСТ 12.2.085-2002 (Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные), оборудование должно быть защищено от превышения расчетных параметров. В криогенике важно обеспечить возможность обслуживания системы без ее полной разгерметизации, что недопустимо при наличии только одного предохранительного устройства на линии.

Инженерное решение

Для обеспечения абсолютной безопасности применяется комплексный подход. Логика построения системы строится на принципе «рабочее + резервное устройство». Центральным узлом такой архитектуры является дивертор (переключающее устройство), который соединяет резервуар с двумя независимыми линиями сброса.

На каждой линии устанавливается предохранительный криогенный клапан, настроенный на проектное давление срабатывания. Конструкция дивертора исключает возможность одновременного перекрытия обоих каналов: поток всегда открыт либо на один клапан, либо на второй, либо на оба сразу в момент переключения. Это гарантирует, что емкость ни на секунду не остается без защиты, даже во время проведения поверки или замены одного из клапанов.

Решение:

Для предотвращения обмерзания и потери герметичности в подобных системах применяются [криогенные переключающие устройства] в связке с пружинными клапанами, имеющими удлиненный шток (боннет). Это позволяет вынести узел уплотнения (сальник) из зоны сверхнизких температур, предотвращая его отвердевание и гарантируя плавность хода затвора.

Техническое решение Sigmatrix

Для реализации надежной схемы защиты резервуарных парков и КриоАЗС в линейке Sigmatrix предусмотрены следующие компоненты:

Тип оборудования	Назначение и параметры	Ссылка
Криогенные диверторы	Дублирование линий сброса; Т до −196°C; PN до 50	Диверторы криогенные
Предохранительные клапаны	Автоматический сброс паров СПГ при превышении давления	Предохранительные клапаны
Узлы защиты в сборе	Комплектная система безопасности «дивертор + клапаны»	Предохранительные клапаны

Связанные вопросы безопасности и защиты оборудования от динамических нагрузок подробно разобраны в статье «Гидроудары в криогенных магистралях высокого давления: причины и методы демпфирования».

FAQ

1. Как правильно подобрать пропускную способность клапана для СПГ?

Расчет должен основываться на суммарном массовом расходе газа при самом неблагоприятном сценарии — полной потере вакуумной изоляции. Пропускная способность клапана должна обеспечивать невозможность роста давления выше 110% от расчетного значения давления в сосуде.

2. Почему нельзя использовать запорный орган общего назначения (шаровой кран) перед предохранительным клапаном?

Это прямое нарушение норм промышленной безопасности. Запорный орган общего назначения может быть ошибочно оставлен в закрытом положении, что заблокирует путь сброса давления. Специализированный дивертор конструктивно не имеет положения, при котором перекрыты все отводящие линии.

3. Как часто требуется поверка предохранительных клапанов на СПГ?

Сроки устанавливаются техническим регламентом объекта и эксплуатационными документами, но стандартная периодичность поверки составляет 6–12 месяцев. Использование диверторов позволяет демонтировать клапан для поверки без остановки и опорожнения резервуара.