Перевозка природного газа в сжиженном состоянии (LNG - liquefied natural gas)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Глава 1.Перспективы развития газовозов LNG

Глава 2.Кто строит и как строят

Глава 3.Типы грузовых танков судов

Глава 4.Криогеника

Глава 5.Процесс погрузки метана

5.1Заполнение азотом первичного и вторичного пространства изоляции

5.2Операции при вводе в эксплуатацию

5.3Балластный переход

5.4Погрузка

5.5Переход в грузу со сжиганием и сжижение пара

5.6Выгрузка с возвратом газа с берега

5.7Подготовка к докованию

Глава 6.Важность LNG для русской индустрии

Глава 7.Обеспечение безопасности на LNG

7.1Охрана труда на газовозах

7.2Предотвращение загрязнения окружающей среды с судов газовозов LNG согласно конвенции МАРПОЛ 73/78

Список литературы

Глава 1. Перспективы развития газовозов LNG

Натуральный газ становиться очень значимым источником энергии. Существует только один экономически целесообразный способ транспортировки природного газа на значительные расстояния - перевозка природного газа в сжиженном состоянии(LNG- liquefied natural gas)

В наши дни, когда запасы традиционных источников энергии, таких как уголь и сырая нефть, иссякают, а также в дополнение политическая нестабильность средне-восточного региона, приводит людей к размышлению об другом энергетическом ресурсе - природном газе. Природный газ добывается из месторождений сырой нефти, а также из месторождений природного газа. Наибольшие месторождения находятся в России и в Иране. Россия экспортирует природный газ в страны западной Европы по трубопроводам. Другие источники располагаются, например, в Индонезии, Алжире и Малайзии во многих милях от стран, которые нуждаются в природном газе для своей индустрии. При невозможности транспортировки природного газа по трубопроводам единственным экономически выгодным способом транспортировки природного газа морем является суда газовозы LNG.

Ученые и энергетики всего мира считают XXI век "эпохой метана ". Уже сегодня в развитых государствах метан составляет значительную часть топлива (в Финляндии более 20%).

Мировые разведанные запасы природного газа оцениваются более чем в 11х10 т, что на два порядка превышает разведанные запасы нефти. Три четверти всех запасов приходятся на страны Ближнего Востока и бывшего Советского Союза. 90% всех мировых запасов обладают всего лишь 20 крупнейших стран.

Благодаря более простой технологии добычи и переработки стоимость природного газа существенно ниже стоимости большинства традиционных топлив, в частности продуктов нефтепереработки.

Природный газ пользуется большим спросом, поскольку он намного безопаснее для окружающей среды по сравнению с другими видами топлива. В продуктах сгорании природного газа содержится в 10 раз меньше окиси углерода и в 2 раза - окислов азота. Так в настоящее время около 4 млн. автомобилей в мире используют природный газ в качестве моторного топлива. Применение природного газа дает возможность менять моторное масло с интервалом в 5-10 раз большим, чем при использовании бензина. Установлено, что двигатель на природном газе работает в 2-3 раза дольше по сравнению с бензиновым

Не только развитие автомобильного транспорта обуславливает необходимость использования природного газа в качестве альтернативного топлива. Ввод в 2005 г. в действие приложения VI к Международной конвенции МАРПОЛ 73/78 регламентирует требования в отношении вредных выбросов в атмосферу с морских судов, ставит вопрос о целесообразности использования природного газа для судовых двигателей.

Из истории видно, что сжижение природного газа это не современная технология. Британский химик-физик Фарадей смог сжижать метан в 1854, а первый компрессор по сжижению был построен в Мюнхене в 1873 году немецким инженером Карлом Вон Линде. Первый завод по производству LNG был построен в США в начале 20 века и начал действовать в 1917 году. Построенный первый коммерческий завод по сжижению в Кливленде штат Огайо в 1941 году дал возможность транспортировать природный газ на дальние расстояния. Первый судно для перевозки сжиженного газа был перестроенный сухогруз "Marlin Hitch" типа "Liberty", постройки 1945 года, в котором свободно стояли алюминиевые танки с внешней теплоизоляцией из бальсы. Оно было переименовано в "Methane Pioneer" и совершило свой первый рейс с 5000 мі груза из США в Великобританию. Несмотря на то, что вода, проникшая в трюм, намочила бальсу, судно работало довольно долго, пока не стало использоваться как плавучее хранилище. Этот эксперимент показал, что большие объемы сжиженного природного газа могут безопасно перевозиться. Коммерческая транспортировка LNG началась в 1964 году. Компания "Британский газ" импортировал природный газ из Алжира в Соединенное Королевство. Они использовали два судна "Methane Progress" и "Methane Princess", которая имела алюминиевые танки, паровую турбину, в котлах которой можно было утилизировать выкипевший метан. Эти суда эксплуатировались до половины 90-х годов 20 века. "Methane Progress" сделало 467 рейсов, после чего была пущена на лом в 1992 году, что касается "Methane Princess", то она сделала свыше 500 рейсов до того, как ее пустили на металлолом в 1998 году.

Численность судов LNG в декабре 2000 г. было119 судов, а суммарная вместимость танков составляла 12003 MSCM (тысячи кубических метров). Много судов было 15 и более лет эксплуатации. Предсказывают, что к 2010 году флот судов LNG составит около 300 судов. Никто не предполагал, что рынок LNG будет развиваться так быстро.

Рис. 1 Возраст флота LNG

На Рис. 1 показано, какое количество новых судов было построено в период с 1970 г. по 2007 г. До 2003 г. только несколько судов строились каждый год, но в начале 21 века несколько новых игроков вступило на рынок судов LNG. Они заказали много судов на службу их новым проектам. Так такие суда стали строиться в 2003 г.-17 новых судов, в 2004 г -20 и в 2005 г.-29. К концу 2005 г. флот судов LNG насчитывал 195 судов (это на 47 больше чем прогнозы в 2000г.), а суммарный объем танков составил 23143 MSCM (тысячи кубических метров). 224 LNG судна пересекали океаны с 1-го марта 2007 г., которые способны перевести 27279,5 MSCM (тысяч кубических метров) сжиженного природного газа. Судовые верфи по всему миру имеют 145 заказов на постройку новых судов, с совокупным объемом танков 25280,7 MSCM (тысяч кубических метров). Эти новые заказы повысят мировой флот LNG свыше 300 судов в 2008 г.

Одним из первых LNG импортеров была Япония. Из-за своего географического местоположения, LNG было единственным решением по поставке природного газа. Поэтому главным регионом LNG судоходства является Тихий океан, а главные LNG пути ведут из Индонезии и Малайзии в Японию. На 1 марта 2007 50% LNG флота имеют продолжительные чартеры в районе Тихого океана. И только 42% LNG судов работают в регионе Атлантического океана. Эти цифры не показывают ясной ситуации. Многие новые терминалы будут построены в США и Западной Европе, так новые суда строятся для обслуживания этих терминалов. За прошедшие 3 года свыше 80% судов были построены для региона Атлантики, 74% заказанных судов назначены для долгосрочных чартеров, 52% новых судов будут перевозить природный газ в США и Европу и только 22% заказаны для региона Тихого океана. Оставшиеся 26% новых построек все еще ждут четких торговых путей.

До нашего времени паровые турбины доминировали, как двигательно-силовая установка для судов LNG, 97% существующих судов сжигают выкипевший газ из судовых грузовых танков для обеспечения энергией привод винтов. Это решение очень старое и было использовано на первом судне LNG в 1964, оно простое и надежное решение для данного типа судов. Тем не менее, относительно малая эффективность такого рода двигательной системы (<30%) и увеличение размера новых судов мотивировало исследования в утилизировании альтернативных движительных систем. На современных судах LNG будут использоваться новые движительные системы. На Рисунке 2 представлены движительные системы строящихся судов.

Рис 2. Движительные системы строящихся судов LNG

Только 47% будут иметь традиционную паровую турбину, 31% будет иметь возможность поставить дизельный двигатель договорено малоборотистый и установку по сжижению выкипевшего газа обратно в грузовой танк. Эта концепция проста на практике для полностью рефрижераторных LPG судов, но до сегодняшних дней были технические проблемы в проектировании экономичных LNG установок по сжижению газа. Другая концепция состоит в том, чтобы использовать двойное топливо для дизельных генераторов, среднеоборотистый, чтобы обеспечить все суда заданной мощностью. Электричество будет использоваться для главной движительной установки, по принципу гидроэлектростанции. Развитие двигателей на двойном топливе, которые могут работать как на газе, так и на дизельном топливе, электрический метод движителя становиться альтернативным решением. Выкипевший газ используется непосредственно в среднеоборотистых двигателях, который будет использоваться в 21% заказанных судов.

Рис 3. Изменения в типах танков судов LNG

Суда LNG-это суда двойного корпуса специально спроектированные, чтобы предотвратить протечку или разрушение в непредвиденном случае. Главная проблема, которая должна быть решена дизайнерами это предельно низкая температура груза. Внутренняя поверхность танка и другие части системы соприкасаются со сжиженным газом при температуре -161,5?С. Такие предельно малые температуры приводят к использованию материалов специальной конструкции: нержавеющей стали или инвара - стали с содержанием 36% никеля. Существующие суда LNG с грузосодержащей системой отражают один из двух главных разработок: сферического типа, разработанные Kvaerner-Moss, и мембранного типа, производящие двумя фирмами: Technigaz и Gaz Transport. Существуют другие разработки грузосодержащей системы судов LNG, например, самоподдерживаемые призматические танки, но их количество это несколько процентов от всего флота LNG. Суда со сферическими танками более отличительны суда LNG, потому что их танки видимы над палубой. На рисунке 3 показано, что такой дизайн был более предпочтителен судами LNG до 2003. В наши дни заказано 21 из 145 новых судов с Moss типом и только оставшиеся будут построены с мембранным типом. Technigaz technology будут установлены в 44% новых построек и 41% будут оборудованы мембранными танками от Gaz Transport. Суда с мембранными танками похожи более на нефтеналивные суда из-за структуры их танков, так как они менее заметны выше палубы.

Технология мембранных танков более популярна из-за своей дешевизны, чем сферический тип, но более важен тот факт, что газовозы со сферическими танками имеют более большой Суэцкий тоннаж. Новые суда предназначены для региона Атлантического океана, таким образом, они будут проходить в Суэцком канале очень часто. Суда с мембранными танками, грузовместимостью такой же, как сферические танки, имеют на 20% меньший Суэцкий тоннаж.

Глава 2. Кто строит и как строят

В связи с увеличением объемов перевозок сжиженного природного газа морем, встает потребность в создании флота способного перевозить необходимые объемы газа, которые смогут удовлетворить потребностям промышленности развитых стран.

Сейчас на рынке строительства газовозов доминируют верфи Южной Кореи и Японии. В Корее производством судов занимаются девять компаний, входящих в Ассоциацию судостроителей Кореи (Korea Shipbuilder`s Association, KOSHIPA). Из них выделяют "большую тройку" - Hyundai Heavy Industries (HHI), Samsung Heavy Industries и Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering. Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Samsung Heavy Industries Co. и Hyundai Heavy Industries Co. выиграли контракт на строительство 12 танкеров для транспортировки сжиженного природного газа для Катара на сумму более $2 млрд. В соответствии с условиями сделки Daewoo поставит Катару через 30 месяцев 5 танкеров, Samsung - 4 танкера и Hyundai - 3 танкера, вместимостью 210 тыс куб.м СПГ каждый.

Южнокорейские судостроительные компании подписали с Катаром в марте 2006г. соглашение о строительства 44 танкеров для транспортировки СПГ к 2010г. Эти танкеры предназначаются для проекта Катаргаз-2, который реализуется государственной газовой компанией Катара Qatar Petroleum и американской Exxon Mobil Corp. Доли компаний в проекте - 70% и 30% соответственно.

Добавим, что Hyundai Heavy Industries является крупнейшей судостроительной компанией не только в Корее, но и в мире. Успешные финансовые показатели квартала в Hyundai Heavy Industries связывают с повышением цен на продукцию и снижением стоимости стали. За период с января по июнь текущего года южнокорейская компания получила новые заказы на общую сумму в 5,01 млрд долл. В настоящий момент в процессе реализации находятся заказы на строительство 236 судов на сумму 19,8 млрд долл.

"Hyundai Heavy Industries Co., Ltd." (HHI) разработала первую корейскую дизельно-электрическую энергетическую установку (DFDE) для судов, перевозящих сжиженный природный газ. DFDE позволяет судну ходить как на жидком топливе, так и на газе в зависимости от ситуации. Система DFDE использует электромотор, подобно крупным круизным лайнерам и субмаринам, вместо стандартной для судов этого типа паровой турбины. Установка DFDE повышает топливную эффективность судна, она более чувствительна в управлении, и обеспечивает наиболее плавный ход.

При разработке интегрированной автоматизированной системы, включающую в себя основной двигатель, электрическую силовую установку и систему "Ecobot", инженеры "HHI" руководствовались как экологическими, так и экономическими требованиями. "Ecobot" стала сердцем системы DFDE, позволив ей использовать испаряющийся во время транспортировки природный газ в качестве топлива для главного мотора. Стоимость такой системы выше порядка 2-4% стандартной паровой ходовой системы, что окупается в течение пяти лет за счет экономии топлива.

По данным лондонского агентства Clarkson, в 2005 году Корея получила заказы на постройку 339 судов общим тоннажем 14,5 млн CGT, или 38% общемирового портфеля. В 2004 году доля Кореи в объеме новых заказов составляла 36% - 441 корабль (16,9 млн CGT). По состоянию на конец прошлого года все корейские верфи имели контракты на изготовление 980 судов общим тоннажем 35,6 млн CGT. Если учесть, что судостроительные мощности страны оцениваются в 8,31 млн CGT в год, то получается, что эта отрасль корейской промышленности обеспечена твердыми заказами больше чем на четыре года вперед.

Корейское судостроение имеет исключительно экспортный характер. В 2005 году все заказы верфям KOSHIPA поступили из-за рубежа, а корейским судоходным компаниям было сдано лишь четыре судна. Более того, по состоянию на конец прошлого года в портфеле ассоциации не было ни одного контракта с корейскими клиентами. Позиции, завоеванные корейскими корабелами, позволяют им постепенно отказываться от прежней практики получения и исполнения максимального объема заказов. Последние несколько лет KOSHIPA целенаправленно специализируется на строительстве сложных и дорогих судов - крупнотоннажных контейнеровозов и нефтетанкеров, а также газовозов. Добавленная стоимость при производстве этих судов в расчете на 1 CGT наиболее высока, поэтому сокращение физического (в CGT) объема новых заказов в 2005 году не нанесло отрасли финансовых потерь. Наоборот, суммарная стоимость контрактов даже увеличилась. Целенаправленная специализация привела к тому, что Корея приблизилась к завоеванию статуса монопольного производителя дорогостоящих судов - в 2005 году ее доля в этом сегменте мирового судостроительного рынка достигла 59,3% (для сравнения: японские компании в этой нише имеют 25,3% -- почти вдвое меньше). Так, в 2005 году Корея увеличила свою долю на рынке крупнотоннажных нефтетанкеров (VLCC) на 6% - до 42,4%, а доля ее участия в изготовлении судов для перевозки сжиженного природного газа (LNG) выросла на 0,1% и составила 71,35%. Прирост невелик, но зато газовозы являются самыми дорогими изделиями корейских верфей - средняя стоимость судна составила в прошлом году $200 млн. Мировое судостроение ожидает длительный период стагнации, связанный с прогнозируемым западными экспертами на рубеже 2006-2007 годов началом спада в мировой экономике. В этих условиях именно с газовозами в KOSHIPA связывают надежды на будущее. По оптимистичным оценкам, в ближайшие 25 лет судовладельцы закажут до 600 судов этого типа. К сентябрю 2005 года на корейских верфях были размещены заказы на 89 газовозов LNG при мировом спросе 123 таких судна.

Японские судостроители также объединены в ассоциацию - The Shipbuilders` Association of Japan (SAJ). Ее членами являются 20 компаний и один ассоциированный участник. Готовясь к предстоящему спаду на мировом судостроительном рынке, японцы проводят концентрацию производства. К концу 2004 года число верфей в Японии сократилось до 34, что на 40% меньше, чем на пике развития японского судостроения. Верфи Японии строят танкеры, продуктовозы, химовозы, газовозы как по заказам из-за рубежа, так и для внутреннего рынка. В свое время Япония считалась лидером в производстве контейнеровозов, но сейчас уступила первенство Корее. Пытаясь найти собственную нишу на рынке, японские компании сосредоточились на выпуске балкеров. В результате в 2005 году они увеличили свою долю на мировом рынке балкеров до 57%, получив на 15% больше заказов, чем в 2004 году. Но Японию уже догоняет Китай, который, видимо, со временем вытеснит ее на третье место.

Китайское судостроение - самое молодое в тройке лидеров отрасли. В 1980 году по годовому объему изготовленных судов КНР занимала 17-е место в мире, а уже в 1995-м Китай вышел на третье место после Японии и Республики Корея. Секрет успеха общий для всей китайской промышленности: заимствование зарубежных технологий и низкие цены. По некоторым оценкам, китайские суда на 20% дешевле, чем продукция других производителей.

Китай активно строит суда как на экспорт, так и для внутреннего рынка. По официальной информации, портфели заказов распределяются в пропорции 70 и 30% соответственно, хотя некоторые эксперты считают, что доля внутреннего потребления составляет 37-38%. При этом Китаю не хватает судов своей постройки, и часть заказов для внутреннего рынка КНР размещает на верфях Японии, Кореи, Сингапура. Секрет успеха общий для всей китайской промышленности: заимствование зарубежных технологий и низкие цены. По некоторым оценкам, китайские суда на 20% дешевле, чем продукция других производителей.

В настоящее время для постройки грузовых танков судов, перевозящих природный сжиженный газ существует две технологии постройки: первая с использование вкладных независимых танков сферической формы Kvaerner-Moss.

Вторая основывается на использовании инновационных технологии мембран, которая разработана фирмами Gas Transport и Techigas (Mark III, No96, Cs1). Система основана на том, что корпус корабля оборудован особой системой мембранных резервуаров с внутренним холодостойким покрытием. В результате удается равномерно распределять давление сжиженного природного газа по всему корпусу, что позволяет максимально оптимизировать объемы перевозок.

Глава 3. Типы грузовых танков судов

Природный газ всегда транспортируется в полностью охлажденном виде при температуре --161 °С и атмосферном давлении. Грузовые танки на метановозах выдерживают давление до 2 бар и температуру до -163°С. Вместимость танкеров-метановозов, которые используются в настоящее время, превышает 125 000 мі, а в недалеком будущем планируется построить метановоз вместимостью свыше 300 000 мі.

На метановозах используются грузовые танки двух типов:

- самоподдерживающиеся

- встроенные.

Из-за теплообмена груза с окружающей средой часть его испаряется. Понижать избыточное давление паров свыше допустимого можно:

* стравливая давление в атмосферу,

* используя газ как топливо,

* сжижая газ и возвращая пары в танк.

На первом судне, перевозившем метан через океан, от избыточного давления в танках избавлялись, используя первый метод. Однако сейчас метан используют как топливо для главного двигателя совместно с обычным топливом. В качестве главного двигателя на таких судах применяют паровую турбину, но существуют и танкеры с дизельными энергетическими установками, использующими и метан, и дизельное топливо (рис. 4).

Количество испаряющегося газа должно быть не больше необходимого для силовой установки. Например, на метановозе вместимостью 125 000 мі ежедневно испаряется от 0,18 до 0,25% общего количества груза. Это значит, что примерно 70--75% топлива, нужного для обеспечения полного хода, можно получить за счет использования метана. Перед погрузкой природного газа грузовые танки следует захолодить до температуры --135°С, чтобы избежать разрушения материала танков в результате перепада температур. Такое захолаживание проводят при использовании системы распыления груза в пространстве танка в соответствии с температурно-временными характеристиками для данного судна. Обычно скорость захолаживания 5--7 град/ч. Выгрузка производится при помощи погружного насоса, который устанавливается внутри специальной колонны в центре танка. Причем и электромотор, и насос представляют собой единую систему и расположены в нижней точке танка, груз используется для охлаждения электродвигателя и смазки насоса. Следует иметь в виду, что средние и небольшие метановозы часто оборудуют установкой для сжижения газа, что позволяет использовать их для перевозки этилена и нефтяных газов. Оборудование же больших метановозов установками для сжижения газа не эффективно, поскольку мощность такой установки для судна вместимостью 125 000 мі должна быть свыше 8500 л. с.

Рис. 4. Утилизация выпара на метановозах

Для перевозки сжиженных газов используются самые разнообразные конструкции грузовых танков. При этом учитываются такие параметры, как

* максимальное рабочее давление,

* максимальная температура груза,

* конфигурация танка,

* материал, используемый в конструкции танка.

В соответствии с правилами ИМО грузовые танки, предназначенные для перевозки сжиженных газов,

делятся на пять основных групп;

* встроенные,

* мембранные,

* полумембранные,

* независимые типов А, В и С,

* с внутренней изоляцией.

Встроенные танки объединены с корпусом судна, испытывают внешние нагрузки и участвуют в обеспечении целостности и прочности корпуса. Рабочее давление в таких танках, как правило, не превышает 0,25 бара, однако оно может быть увеличено до 0,7 бара, если соответствующим образом увеличивается размер и количество внутренних связей танка.

Поскольку в судостроении используется сталь с температурным пределом не ниже -10°С, практического применения при перевозке сжиженных газов такие танки не находят.

Рис 5. Общий вид мембранного танка

Мембранные танки (рис. 5) не являются самонесущими (Self-supporting), состоят из тонкой мембраны, уложенной на изоляцию. Изоляция, в свою очередь, располагается прямо на корпусе судна, так что давление в танке напрямую передается конструкциям корпуса. Корпус является основным несущим элементом таких танков. Мембрана танков проектируется таким образом, чтобы термические и другие виды расширения или сжатия компенсировались без ее чрезмерного напряжения. Чаще всего танки такой конструкции используются на судах Gas Transport французской постройки.

В результате конструирования мембранного танка (рис. 6) получается своеобразный "слоеный пирог", который состоит (по направлению внутрь танка) из следующих слоев:

* борт судна;

* вторичная изоляция;

* вторичный барьер;

* первичная изоляция;

* первичный барьер;

* груз.

Рис. 6. Строение изоляции мембранного танка

Мембранные грузовые танки бывают двух типов: гофрированные мембранные и плоскостные. Гофрированные грузовые танки формируются из тонколистовой хромоникелевой стали, в которой термические деформации компенсируются специальной гофрировкой

Плоскостные танки выполняются из сплава, в котором содержание никеля достигает 36 % (инвар). Сплав практически не подвержен термическим деформациям даже в диапазоне температур сжижения метана. Гофрированные мембраны обладают более высокой стойкостью непроницаемости при значительных деформациях корпуса судна в результате столкновения или посадки на мель, т.е. не образуются трещины и разрывы за счет эластичности материала и гофр. Мембранные грузовые гофрированные танки состоят из двух оболочек: - первичной и вторичной мембраны, между которыми находится слой теплоизоляции. Для изоляции используется перлит - сыпучий материал в виде крупы, состоящий из маленьких стеклянных шариков, наполненных воздухом. Пространство между вторичной оболочкой и корпусом судна заполняется теплоизоляцией из пенополиуретана. К корпусу судна оболочки и теплоизоляция крепятся с помощью обрешетника из бальзового дерева. Толщина оболочек до 0,7 мм.

Полумембранные танки также не являются самонесущими в загруженном состоянии, состоят из оболочки, частично поддерживаемой через изоляцию смежными конструкциями корпуса судна. Компенсация термического и других видов расширения или сжатия достигается за счет округления угловых частей первичной оболочки танка, позволяющих, благодаря особой форме, незначительные горизонтальные перемещения танка. Статические и динамические нагрузки от размещенного в танке жидкого груза передаются непосредственно стенками танка равномерно, через изоляцию, на корпус судна. Полумембранные танки бывают двух типов: опорные и подвесные.

Опорные танки опираются на корпус скругленными углами с помощью опор, имеющих поверхность соответствующую скругленным углам. Опоры являются основным связующим звеном танка с корпусом судна. Плоские стенки танка опираются через обрешетник из деревянных брусков. Ячейки заполняются теплоизоляцией - смесью пенистого фенола и полиуретановой пены. Устанавливается вторичный барьер из фанеры бальзовой древесины толщиной 25-30 мм. Барьер обеспечивает непроницаемость, в случае протечки танка, в течение 15 суток.

Подвесные полумембранные танки предназначены для транспортировки сжиженного природного газа и этилена. Танк состоит из очень тонкой оболочки, подвешенной к палубе судна подпалубной подвеской. Плоские участки мембраны опираются через изоляцию на корпус судна. Вторичный барьер выполнен из двухслойной фанеры. Тонкая оболочка сохраняет форму танка только заполненная сжиженным газом. В порожнем танке создается избыточное давление газа для поддержания тонкой оболочки у стенок корпуса и изоляции. Полумембранные танки изготавливаются из алюминиевых сплавов, толщина оболочки колеблется в пределах 3-12 мм. Они значительно легче танков вкладного типа.

Использование мембранных и полумембранных танков на газовозах с грузовместимостью свыше 125 тыс. кубометров позволяет повысить их технико-эксплуатационные характеристики, по сравнению с газовозами, имеющими сферические вкладные танки.

Независимые танки (вкладные цистерны) -- самонесущие, не являются составной частью корпуса судна и не участвуют в обеспечения общей прочности корпуса. Вкладные цистерны крепятся к корпусу судна только через специальные суппорты, позволяющие им сжиматься и расширяться независимо от корпуса судна. Независимые танки можно разделить на три группы:

1. Независимые танки типа А (рис. 7) представляют собой герметичную оболочку в виде призмы, изготовленную из стали или алюминия, наиболее полно использующую полезный объем корпуса. Для обеспечения необходимой остойчивости и уменьшения влияния свободной поверхности танк разделен продольной переборкой на две части, которые соединены между собой рядом отверстий в куполе танка, т. е. в газовой части. В нижней части переборки обычно ставится переборочный клинкет, позволяющий использовать насосы как для одной части танка, так и для обеих частей. Танк устанавливается над вторым дном на специальные кронштейны, изготовленные из твердых пород дерева, и удерживается этими кронштейнами в вертикальном и горизонтальном направлениях. Кроме того, танк жестко крепится к корпусу судна в своей верхней центральной части, так что он может свободно расширяться и сжиматься. Для таких танков требуется вторичный барьер. На судах LPG это решается использованием низкотемпературной стали в конструкциях корпуса, примыкающих к грузовому танку. На судах, построенных по проекту English Conch, используют танки такой конструкции для перевозки природного газа при температуре -163°С. Их изготовляют из алюминия или 9%-ной никелиевой стали. В качестве изоляции применяют комбинацию полиуретановой пены, стекловолокна и бальсы. Вторичный барьер при этом размещают внутри слоя изоляции в виде стальной мембраны для предотвращения прямого контакта холодного груза с корпусом судна в результате протечки. Рабочее давление в танках не превышает 0,25 бара.

Рис. 7. Независимый танк типа А

2. Независимый танк типа В (рис. 7, 8) может быть точно таким же, как и типа А, но должен быть освидетельствован как более безопасный, чем первый. При оценке и анализе прочности материала, из которого изготовлен танк, его износостойкости и ломкости в процессе старения металла используют более строгие критерии. Танки такого типа обычно требуют установки частичного вторичного барьера. Нормальное рабочее давление в таких танках должно быть 0,25 бар, однако оно может быть увеличено до 0,7 бар.

Рис. 8. Конструкция сферического самонесущего танка типа В

Примером танков типа В могут служить и сферические танки Moss-Rossenberg, предназначенные для перевозки природного газа. Это самоподдерживающие танки, которые закреплены в цилиндрических стаканах. Изготовлены они из алюминия или стали, содержащей 9% никеля. Внутри танка находится цилиндрическая колонна, где помимо всего прочего располагаются все трубопроводы. Танк и часть крепежного стакана изолированы полистиролом. Танки построены по принципу Leak before failure (небольшая течь перед полным разрушением) и отвечают высоким требованиям безопасности. Так, незначительная протечка груза, постепенно после ее появления увеличиваясь, приведет к разрушению танка спустя примерно год, если судно будет находиться в Северном море в сезон штормов.

Благодаря такому запасу прочности устанавливать сплошной вторичный барьер не требуется, но для обнаружения протечек и сбора газа под каждым танком размещают небольшой вторичный барьер.

3. Независимый танк типа С должен соответствовать требованиям безопасности, которые предъявляются к сосудам под давлением. Поскольку эти требования довольно высоки, вторичный барьер вокруг танков типа С не делают. Танки изготавливают в форме одинарного или двойного цилиндра и крепят к корпусу судна с помощью специальных подушек из твердых пород дерева. На одной из подушек танк закреплен жестко, а остальные позволяют ему свободно сжиматься и расширяться независимо от корпуса судна. Танки такого типа используют как на судах, перевозящих газы под частичным давлением, так и на судах, перевозящих газы под полным давлением паров.

Танки с внутренней изоляцией не являются самонесущими; состоят из теплоизоляционных материалов, обеспечивающих стабильность температуры груза и поддерживаемых конструкциями внутреннего корпуса или вкладной цистерны.

Цистерны такого типа могут быть двух типов:

тип 1 -- емкости, в которых изоляция или сочетание изоляции и облицовки выполняют роль первичного барьера, а внутренний корпус или конструкция вкладной цистерны -- функции вторичного барьера;

тип 2 -- емкости, в которых изоляция или сочетание изоляции и одного или более слоев облицовки выполняют функции как первичного, так и вторичного барьеров, причем хорошо различимых. Облицовка -- тонкий несамонесущнй, металлический или композитный материал, который образует часть емкости с внутренней изоляцией для того, чтобы увеличить его сопротивляемость излому или улучшить его другие механические качества. Облицовка в отличие от мембраны не может служить барьером для жидкости.

Нормальное рабочее давление в таких танках не превышает 0,25 бара.

При транспортировке грузов с температурой ниже -10°С требуется грузовые танки изолировать, чтобы избежать воздействия низких температур на корпус судна. Основная функция изоляции грузовых танков -- снижение количества тепла, проникающего внутрь груза, с целью уменьшения количества испаряющегося газа и снижения давления внутри танка. Чаще всего в качестве изоляции используют следующие материалы:

* полиуретан

* полистирол,

* перлит,

* бальсу.

Передача тепла через изоляционный материал может происходить тремя путями:

* за счет радиации тепла,

* за счет теплопроводности твердых материалов изоляции,

* за счет теплопроводности воздушных барьеров или газов, находящихся в изоляции.

Использование большинства изоляционных материалов основано на теплоизолирующей способности неподвижного воздуха. Теплопроводность неподвижного воздуха составляет около 0,024 Вт/(мК). В принципе все изоляционные материалы изготавливают так, чтобы воздух заполнял поры материала или находился между слоями различных материалов. Очень важно, чтобы воздух оставался неподвижным, поскольку его движение приведет к конвекции, т. е. передаче тепла. Поэтому основная задача при создании изоляционного материала -- заключить воздух в порах или так, чтобы тонкие волокна материала задерживали его молекулы. Теплопроводность ячеистых, пористых или волокнистых материалов в значительной степени определяет общую теплопроводность изоляции. До тех пор, пока диаметр пор или ячеек материала будет больше, чем длина свободного пути, совершаемого молекулой газа, но меньше, чем требуется для возникновения конвекции, величина теплопроводности материала данного газа будет постоянной. Если заменить воздух каким-либо газом, теплопроводность которого меньше теплопроводности воздуха, получится изоляционный материал с теплопроводностью ниже, чем теплопроводность неподвижного воздуха. Такие материалы получают при использовании различных пластмасс или полиуретана, где поры материала заполнены не воздухом, а парами фреона, у которого теплопроводность ниже, чем у воздуха.

Виды изоляционных материалов. Все материалы, которые используются в судостроении в качестве изоляции, можно разделить на три основных типа.

* Твердые материалы, которые могут выдерживать значительные нагрузки и использоваться в качестве поддержки танков в корпусе судна. Примером таких видов изоляции могут служить некоторые породы дерева, используемые в качестве изоляционного материала (бальса, азоб), или пластики с высокой плотностью. Все эти материалы должны выдерживать нагрузки, которые испытывает танк при термальных воздействиях.

* Эластичные материалы, такие как минеральная вата или пористые пластики низкой плотности. Их наносят на поверхность танка с помощью клея и (или) различного крепежа, который обеспечивает надежное крепление изоляции к поверхности танка или же ко вторичному барьеру.

* Изоляционные материалы в виде порошка (типа перлита), которым заполняют все пространство вокруг танка. При этом изоляционный материал, изготовленный в виде порошка, легко (как жидкость) заполняет весь объем трюмного пространства или же вторичного барьера. Материалы такого типа очень часто используются для изоляции танков на судах, перевозящих грузы под атмосферным давлением.

Минеральная вата. Название "минеральная вата" объединяет целый ряд различных органических и неорганических тонковолоконных материалов, которые можно также разделить на два вида: стекловата и горная вата. Минеральная вата поставляется и используется в виде листов или матов. Стекловата производится из расплавленного стекла, которое при его вращении формирует очень тонкие (диаметром около 0,005 мм) волокна. После того как в массу стеклянных волокон вводится водоотталкивающий скрепляющий материал (обычно некоторые виды пластмасс), масса затвердевает и разрезается на листы или маты различных формы и размеров. Плотность стекловаты составляет 18--20 кг/м3.

Горная вата изготавливается из некоторых минералов, которые плавятся при температуре около 1600°С. Производство волокон из такой массы аналогично производству стекловолокна. В качестве скрепляющего материала также используется пластик. Плотность каменной или горной ваты -- 40--50 кг/м3 и более. Стекловату и горную вату можно применять не в виде листов, а в виде наполнителя, в таком случае не потребуется скрепляющий материал, однако плотность его существенно увеличится и составит около 100 кг/м3.

Перлит изготавливают из губчатого вулканического камня. Основу материала составляют кремний (71%) и окислы алюминия (16%). Природный материал содержит в своем составе около 3,5% воды, поэтому при его нагревании свыше 1200°С вода вскипает и "раздувает" материал, образуя при этом множество заполненных воздухом ячеек, которые увеличивают объем перлита в 10--20 раз. При испарении воды происходит отделение заполненных воздухом шариков, и материал "взрывается" с образованием мельчайших шариков, заполненных воздухом. Размер таких шариков не более 3 мм в диаметре, и они способны

выдерживать довольно большие механические нагрузки. Плотность перлита составляет около 50 кг/м3.

Пористые пластики. В мире существует очень много пористых пластиков, однако для изоляции грузовых танков на газовозах производители ограничиваются использованием полиуретана и полистирола.

Полиуретан состоит из изоцианидов и полиола. Оба этих вещества производятся в жидкой форме, изоцианиды больше походят на жирное масло, а полиол более напоминает лак. При их смешивании с добавлением воды начинается реакция с выделением большого количества теплоты. Атомы углерода, находящиеся в составе изоциани-да, объединяются с атомами водорода, находящимися в составе полиола, с выделением углекислого газа. Из-за большого количества выделяемого в процессе реакции тепла происходят нагрев углекислого газа и расширение материала с образованием большого количества пены, причем на 90% эта пена содержит замкнутые ячейки, заполненные газом. Полиуретановую пену наносят распылением жидкого полиуретана на поверхности танка. При этом ценообразование начинается в момент контакта жидкости с поверхностью танка и ведет к увеличению ее объема в 30--40 раз. Плотность полиуретановой пены -- 40 кг/м3.

Полистирол. Материал, который используется для производства полистирольной изоляции. При расширении он образует пену с огромным количеством ячеек (пузырьков), заполненных газом. Для заполнения пузырьков используются различные газы, которыми продувают полистирол. Производство изоляции осуществляется в два этапа. На первом происходит образование в жидкости пузырьков диаметром 1--6 мм, т. е. предварительное расширение материала. На втором этапе через 2--4 дня материал заливают в формы, где его расширение продолжается. После отвердевания материала образуются блоки с зернистой структурой, где каждый пузырек газа заключен в свою собственную оболочку. Для того чтобы завершить процесс затвердения, необходимо подогреть пластик до необходимой температуры (произвести вулканизацию). Для этого используется перегретый пар или электрические нагревательные элементы.

Влажность изоляции. Атмосферный воздух содержит некоторое количество водяных паров, которые осаждаются на поверхностях с низкими температурами. Поэтому поверхность изоляции грузовых танков должна быть покрыта материалом с очень низким коэффициентом диффузии, предотвращающим проникновение паров воды внутрь изоляции. Однако даже если таким материалом покрыть наружную поверхность изоляции, это не обеспечит 100%-ной задержки паров воды. Практически такое требование выполняют, покрывая места крепления танков, трубопроводов, куполов танков материалом с низким коэффициентом диффузии. Главной характеристикой таких материалов является их способность противостоять диффузии газов и способности к осаждению паров воды. Перлит, стекловата и горная вата имеют очень низкий коэффициент защиты от диффузии газов, тогда как пористые пластики хорошо защищают танки от влаги. Если коэффициент диффузии воздуха составляет 1,0, то перлита -- 1,2, минеральной ваты -- 1,4, а пористых пластиков - 50-170.

Известны следующие способы предотвращения попадания влаги в изоляцию танков.

* Покрытие изоляции полиэстерами, усиленными стекловолокном, однако такое покрытие легко разрушается и должно быть довольно толстым, чтобы выдерживать значительные нагрузки.

В настоящее время для судов, перевозящих СПГ, применяются три основных вида грузовых танков, - это сферический тип танка MOSS, мембранный тип системы Газ Транспорт № 96, мембранный танк системы Технигаз Mark III. Разработана и внедряется система CS-1, которая является комбинацией вышеуказанных мембранных систем.

Первые суда для СПГ имели грузовые танки типа Conch, но они не получили широкого распространения. Всего было построено 6 судов с этой системой танков. Система базировалась на призматических самоподдерживающих танках, сделанных из алюминия с изоляцией из бальсы, которая в дальнейшем была заменена полиуретановой пеной. При строительстве судов большого размера, до 165000 м3 грузовые танки хотели сделать из никелевой стали, но эти разработки так и не воплотились в жизнь, так как были предложены боле дешевые проекты.

Первые мембранные танки были построены на двух судах в 1969 году по технологии Газ Транспорт и Техник Газ. Одно из ИНВАР стали толщиной 0.5 мм, а другое из рифленой нержавеющей стали толщиной 1.2 мм. Они использовали перлит как изоляционный материал для ИНВАР стали, и ПВХ блоки для нержавеющей стали. Дальнейшее развитие изменило конструкцию TG. Изоляцию заменили на бальсу и фанерные панели. Отсутствовала и вторая мембрана из нержавеющей стали. Роль второго барьера играл триплекс из алюминиевой фольги, покрытой стеклом с обеих сторон для прочности.

В 1994 году GT и TG слились в одну компанию GTT и обе системы стали использоваться при постройке с одинаковым успехом. Это GT № 96 и TG Марк III. Идет работа и над новыми системами GT 2000 и CS-1 (комбинированная система).

Сферические танки системы MOSS были взяты с судов перевозящих нефтяные газы и очень быстро завоевали популярность.

Последние построенные суда с танками MOSS снабжены УПСГ, а также значительно улучшилось качество изоляции. При общем количестве судов СПГ около 170, половина из них имеет танки системы MOSS. В Японии построили два метановоза с танками своей собственной системой SPB.

Почему, несмотря на видимые недостатки,- большой вес и малый объем, танки типа MOSS пользуются популярностью?

Причины здесь две. Первая, - это то, что они самоподдерживающиеся с дешевой изоляцией, а вторая, - они могут быть построены отдельно от судна.

Мембранные танки GTT строятся только после спуска судна на воду, очень дорогие и время их постройки довольно большое, около 1.5 года.

Недостаток сферического танка в том, что необходимо охлаждать большую массу алюминия, так как они на порядок тяжелее мембранных танков. MOSS предложил для избежания этого внутреннюю изоляцию из полиуретановой пены, но это так и осталось на бумаге. До конца 1990-х, конструкция MOSS была доминирующей в строительстве грузовых танков, но в последние годы, в связи с изменением цен, почти две трети танков заказанных судов, - это GTT конструкции, которые разделяются примерно поровну между GT и TG.

Основные задачи судостроения на сегодняшний день, - это увеличение грузовместимости при неизменных размерах корпуса, уменьшение стоимости изоляции, уменьшение времени постройки судов.

Глава 4. Криогеника

Для того, чтобы понимать как происходит перевозка сжиженного природного газа морем, а также взаимодействие перевозимого сжиженного природного газа со стенками грузового танка обратимся к основам термодинамики сжиженных газов, а также свойствам сжиженного природного газа.

Идеальный газ.

Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называются газовыми законами.

Процессы же, протекающие при постоянстве одного из параметров, называются изопроцессами.

Идеальный газ - это газ, который имеет следующие свойства:

- Размеры молекул малы по сравнению с расстояниями между ними.

- Молекулы взаимодействуют друг с другом и со стенками сосуда только в момент соударения.

- Все соударения абсолютно упруги.

- Рассматриваются любые газы, в которых число молекул очень велико.

- Молекулы распределены по всему объёму равномерно.

- Молекулы движется хаотично, то есть все направления движения молекул равноправны.

- Скорость молекул может принимать любые значения.

- К движению отдельной молекулы применимы законы классической механики.

Критические температура и давление.

Теоретически, все газы можно сжижать при охлаждении их до определенной температуры или же путем их сжатия. Некоторые газы необходимо предварительно охладить перед их сжатием. Рассматривая этот вопрос подробнее, можно установить, что все газы имеют строго определенную температуру и давление, при которых их можно обратить в жидкость. Такие параметры называются критическими.

* Критическая температура газа -- это температура, выше которой газ не может быть сжат до состояния жидкости, каким бы высоким ни было давление.

* Критическое давление газа - это минимальное давление, при котором газ, находящийся при критической температуре, может быть сжат до состояния жидкости.

Таблица 1. Значения критических давлений и температур для некоторых газов.

Название Газа	Химическая формула	Критическая температура (°С)	Критическое давление (бар)
Аммиак	NH3	132,4	112,0
Гелий	Не	-268,0	2,3
Водород	Н2	-240,0	12,8
Углекислый газ	С02	31,0	73,0
Метан	СН4	-82,1	45,8
Азот	N2	-147,1	33,9
Кислород	02	-118,8	51,4
Пропан	С3Н8	96,8	42,1
Вода	Н2О	374,0	218,0
Винил хлорид	С2Н3С1	156,5	56,9

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).

Состояние идеального газа характеризуют три инструментально измеряемых параметра

Р - давление,(Па)

v - Удельный объём (м³/кг) или плотность (р, кг/м³).

Т - температура. (К)

Существует общая зависимость, связывающая между собой эти параметры, которая называется уравнением состояния. Параметры состояния, изменяющиеся в процессе, не зависят от пути процесса и определяются только начальным и конечным состояниями.

Для идеального газа уравнение состояния имеет самый простой вид и называется уравнением Клапейрона-Менделеева:

pV=mRT или pv = RT,

в котором Дж/(кг К) есть массовая газовая постоянная число 8314 Дж/(кмольК), определенное Д.И. Менделеевым, универсальная газовая постоянная для мольного количества газа, а - мольное число газа, равное его молярной массе.

Уравнение, устанавливающее связь между давлением, температурой и объёмом газов было получено французским физиком Бенуа Клапейроном. А в форме уравнения состояния идеального газа его впервые использовал Д.И. Менделеев.

Как видно, два параметра определяют третий в любом термодинамическом процессе с неизменным количеством идеального газа.

Многие процессы, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно приближенно рассматривать как процессы, в которых меняются лишь давление и температура.

Тщательная экспериментальная проверка газовых законов современными методами показала, что эти законы достаточно точно описывают поведение реальных газов при небольших давлениях и высоких температурах, в противном случае наблюдаются значительные отступления от уравнения состояния.

Это объясняется двумя причинами:

При сильном сжатии газов объём незанятого молекулами пространства становится сравним с объёмом, занимаемым самими молекулами.

При низких температурах становится заметным взаимодействие между молекулами.

Основы термодинамики

Термодинамика возникла как наука о взаимном превращении двух форм энергии - теплоты и механической работы. В настоящее время термодинамика занимается исследованием практически всех явлений, связанных с получением или потреблением энергии, совершением работы, переносом вещества и т.д.

Техническая термодинамика исследует соотношения между параметрами термодинамических систем и совершаемой работой. Материальные тела, входящие в состав термодинамических систем делятся на:

Горячие источники теплоты и холодные теплоприемники;

Рабочие тела.

Рабочее тело, изменяя свое состояние под воздействием источников тепла и теплоприемников (посредством технических устройств) превращает один вид энергии в другой.

Состоянием системы называют определенное сочетание её свойств в данный момент времени.

Параметром состояния системы называют такой её показатель, изменение которого обязательно связано с изменением состояния системы.

Всякое изменение состояния тела или системы, связанное с теплообменом или механическим воздействием, называют термодинамическим процессом.

Замкнутую совокупность последовательных термодинамических процессов называют термодинамическим циклом (чаще просто циклом).

Параметры состояния, изменяющиеся в процессе, не зависят от пути процесса и определяются только начальным и конечным состояниями. Повторим, что, основными параметрами системы, представляющей собой не перемещающийся объём газа как рабочего тела, являются:

Температура (Т, К);

Давление (р, Па);

Удельный объём (v, м³/кг) или плотность (р, кг/м³).

Напомним также, что все три основных параметра находятся в определенном математическом соотношении, называемом уравнением состояния. Для идеального газа оно имеет вид уравнения Клапейрона-Менделеева:

pV=mRT или pv=RT,

в котором Дж/(кг К) есть массовая газовая постоянная число 8314 Дж/(кмольК), определенное Д.И. Менделеевым, универсальная газовая постоянная для мольного количества газа, а - мольное число газа, равное его молярной массе.

Основу термодинамики составляют два её закона, или начала:

Первый закон термодинамики - это всеобщий закон сохранения и превращения энергии.

Второй закон термодинамики определяет направление самопроизвольного процесса в изолированной термодинамической системе.

Взаимные превращения жидкостей и газов.

В природе и в технике мы часто встречаемся с изменением агрегатного состояния вещества (рис.2), в частности с превращением жидких и твердых тел в газообразное состояние. Для жидкостей существуют два способа перехода в газообразное состояние: