СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ КРИОГЕННОГО РЕЗЕРВУАРА, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩИЙ КАТОДНУЮ ЗАЩИТУ Российский патент 2008 года по МПК G01N17/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к резервуарам для криогенного хранения сжиженных газов и, более конкретно, к способу испытания криогенного резервуара на утечки и механическую прочность перед вводом резервуара в эксплуатацию. В еще более конкретной формулировке изобретение относится к способу обеспечения металлического криогенного резервуара катодной защитой.

Уровень техники

Перед вводом в эксплуатацию криогенные резервуары, предназначенные для сжиженных газов, обычно испытывают на прочность и утечки, заполняя их пресной водой. Для более четкого выявления каких-либо возможных утечек предпочтительно заполнять резервуар до давления выше атмосферного.

Кроме того, такое заполнение водой служит для испытания механической прочности того участка резервуара, который подвергается воздействию наивысших уровней нагрузки, т.е. нижней части резервуара. В указанном испытании используют тот факт, что более высокая плотность d воды по сравнению с жидким газом (для жидкого метана при -170°С d=0,48) позволяет прикладывать усилия, которые в два раза больше максимальных давлений в резервуаре, заполненном сжиженным газом. Кроме того, в случае резервуаров, установленных на земле, это испытание одновременно имеет целью проверку механической прочности фундаментов, на которых установлен резервуар, поскольку они в данном случае подвергаются воздействию нагрузки, в два раза превышающей воздействие в ходе нормального режима эксплуатации.

Криогенные резервуары изготавливают из специальных сталей, в частности из стали, известной как "9%-никелевая сталь". Она соответствует стандартам ASTM А-353 или А-353-тип 1 и имеет следующий состав:

углерод (макс.)0,13%марганец (макс.)0,90%фосфор (макс.)0,035%сера (макс.)0,035%кремний0,15%-0,40%никель8,50%-9,50%железоостальное

В криогенных резервуарах этот тип стали применяют по той причине, что она обладает свойствами, которые являются предпочтительными в криогенных приложениях. Речь идет, в частности, о хороших ударной прочности и механической прочности при низких температурах. С другой стороны, к ее недостаткам относится высокая чувствительность к коррозии в присутствии воды, в особенности в том случае, когда рН воды не совсем нейтрален, как это естественным образом имеет место при использовании морской воды.

Как правило, проявления коррозии локализуются и ухудшают ситуацию в переходных зонах, т.е. у сварных швов, или в дефектах материала. Эти дефекты могут образоваться во время получения отливки из сырьевого материала и прокатывания листов или брусков для формирования указанной стенки металлического резервуара. Поэтому существенным моментом является предоставляемая проведением такого испытания водой гарантия абсолютной целостности для металлического резервуара, предназначенного для заполнения криогенным газом.

Чтобы посредством заполнения криогенного резервуара водой провести испытание на механическую прочность и утечки, обычно практикуют заполнение резервуара пресной водой. Возможен вариант, в котором такая вода содержит пассивирующие химические добавки, добавляемые с целью ограничения коррозии. Предпочтительно оставлять металл неокрашенным, т.к. наложение антикоррозионной краски только для испытания, использующего заполнение водой, привело бы к неприемлемым затратам.

Заполнение резервуара водой позволяет испытать его на утечки, осматривая снаружи стенку резервуара, в частности его вертикальную боковую стенку, и зону, где она стыкуется с нижней стенкой резервуара. При заполнении резервуара водой можно также испытать прочность фундамента, на котором помещен резервуар. С этой целью измеряют общее или локальное оседание конструкции под нагрузкой, соответствующей, по существу, увеличенному в два раза весу, который будет необходимо выдерживать при нормальном заполнении жидким газом. Наконец, такое испытание служит для ослабления напряжения, являющегося последствием сварки. В особенности это касается сварных швов, расположенных в зоне стыковки вертикальной стенки со стенкой, образующей дно резервуара. Такое напряжение возникает главным образом под воздействием сдавливания давлением воды, существующим у дна резервуара и составляющим при высоте резервуара 50 м приблизительно 5×10⁵ Па, с последующим ослаблением по мере освобождения резервуара от воды.

Для проведения испытания на механическую прочность и утечки, использующего заполнение резервуара водой, требуется много времени, причем главным образом за счет времени, необходимого для заполнения указанного резервуара и осуществления различных измерений и проверок. На практике длительность указанного периода может превышать восемь недель. В случае использования особо чувствительной стали этого достаточно для возникновения проблем коррозии.

Далее, в настоящее время с экономической и экологической точек зрения важную проблему представляет собой применение пресной воды. Указанная проблема связана с тем, что запасы пресной воды в большинстве случаев малы, в то время как ее количества, соответствующие объемам применяемых криогенных резервуаров, могут доходить до 150000 м³ или даже до 250000 м³. Кроме того, затраты на такой объем воды составляют весьма существенную долю от общей стоимости однократно заполненного резервуара. Наконец, чтобы избежать сильной перегрузки соответствующих подающих магистралей, пресную воду можно подавать только при ограниченной почасовой норме. Такое ограничение приводит к увеличению сроков заполнения, что дополнительно увеличивает опасность коррозии, не говоря уже о дополнительном времени, необходимом для того, чтобы сделать установку приемлемой в эксплуатации. В этом отношении следует также иметь в виду, что может возникнуть необходимость в добавлении ингибиторов коррозии в случае присутствия хлора или в добавлении пассивирующих агентов для корректировки слишком агрессивного рН. При таких обстоятельствах, кроме дополнительных затрат вследствие введения добавок, имеют место ограничения, накладываемые природоохранительными нормами на способ, посредством которого можно сбрасывать воду в природную окружающую среду при опорожнении резервуара в конце испытания. В частности, такой сброс должен происходить со скоростью, при которой возможна абсорбция сбрасываемых продуктов. По этим причинам может оказаться необходимым опустошать резервуар в конце испытания медленно, тем самым дополнительно удлиняя время до приведения таких установок в рабочее состояние.

Раскрытие изобретения

Таким образом, первой задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка нового способа проведения испытания металлических криогенных резервуаров на механическую прочность и утечки до ввода указанных резервуаров в эксплуатацию. Этот способ свободен от недостатков, указанных выше, и, в частности, менее дорог и более эффективен в плане предотвращения коррозии металлического резервуара.

Согласно основному аспекту настоящего изобретения такие способы испытания металлических криогенных резервуаров осуществляют, применяя морскую воду.

Поскольку терминалы для хранения сжиженных газов обычно располагаются в портовых зонах, реализация непосредственного применения морской воды является преимуществом в плане наличия неограниченных ресурсов. Кроме того, очень просто организовать заборный пункт для забора требуемого количества воды при высоких почасовых нормах. В то же время забор пресной воды из подающей сети или прямо из реки накладывает обычно заметное ограничение на скорость, при которой можно проводить эту процедуру, не доводя перегрузку окружающей среды или сети до неприемлемой степени. Применяя морскую воду, заполнение можно провести в десять-двадцать раз быстрее. Тем самым получают соответствующее сокращение времени, в течение которого резервуар содержит воду. Следовательно, укорачивается время до приведения резервуара в рабочее состояние и соответственно уменьшается длительность испытания.

В присутствии морской воды сразу же проявляется интенсивная коррозия, причем в особенной степени она концентрируется в той зоне резервуара, которая была подвергнута термическому воздействию при формировании сварных швов между стальными пластинами и особенно в нижней части резервуара, как это было описано выше. Однако настоящее изобретение предоставляет возможность испытания криогенных резервуаров за счет использования преимуществ применения именно морской воды вместо пресной. При этом, несмотря на высокое коррозионное воздействие морской воды, гарантируется целостность всех металлических стенок резервуара как над его дном, так и вдоль вертикальных боковых стенок.

Таким образом, вторая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа, обеспечивающего высокие уровни антикоррозионной защиты для металлического криогенного резервуара во время проведения испытания, использующего заполнение резервуара водой перед вводом его в эксплуатацию. При этом предпочтительно решить эту задачу без применения какой-либо защитной краски (т.е. оставляя металл неокрашенным).

В патенте США № 3855102 описаны принципы продолжительной катодной защиты от коррозии в металлических резервуарах, содержащих пресную воду. Применены аноды, соединенные в гирлянды и подвешенные вертикально внутри указанного резервуара во внутреннем объеме воды, которую содержит резервуар. Через аноды пропускают электрический ток.

Такая катодная защита противодействует коррозии, возникающей в результате контакта между металлическими стенками и водой. Указанная защита дополняет защиту, создаваемую антикоррозийными покрытиями типа краски. Принцип катодной защиты заключается в искусственном понижении природного электрохимического потенциала защищаемого металла, чтобы обеспечить насыщение окружающей водной среды, обладающей окислительной способностью, электронами. Тем самым устраняется возможность какого бы то ни было растворения металла. Такое насыщение электронами осуществляют посредством погружения металлических анодов в указанную водную среду, содержащую электролит с заданным рН, и пропускания через них постоянного тока.

Обычной практикой является анализ так называемой диаграммы Пурбэ (Pourbaix), представляющей в виде функции от рН и типа электролита значения электрохимических потенциалов, при которых рассматриваемый металл обладает иммунностью (состоянием высокой коррозионной стойкости). В данном случае это электрохимический потенциал, ниже которого металл имеет катодную защиту, т.е. обладает необходимой поляризацией.

Такая поляризация не возникает мгновенно. Она формируется вокруг анода медленно, с постепенным нарастанием до достижения желаемой величины по всей поверхности, на которую воздействует указанный анод. В обычно используемых системах катодной защиты поляризация металлической поверхности, подлежащей защите, формируется, как правило, в течение нескольких недель или даже нескольких месяцев, прежде чем становится полностью эффективной. В этих известных системах желательно ограничить потребление электричества приемлемой величиной, поскольку электрический ток нужно поддерживать постоянно в течение всего времени функционирования конструкции.

На практике катодную защиту используют в добавление к антикоррозийным покрытиям, обеспечивающим эффективную защиту. Для этого применяют оборудование, содержащее аноды и систему подачи тока, способную генерировать плотность тока приблизительно 50 мА/м². Такая плотность достаточна для обеспечения катодной защиты, эффективной в течение всего периода времени в любых зонах, в которых может повредиться антикоррозийное покрытие. В общем случае к таким зонам относят 10% или 20% общей окрашенной площади, находящейся в контакте с водой.

В патенте США № 4936969 описана система катодной защиты, предусматривающей подвешивание внутри резервуара с пресной водой, на половине его высоты, кабеля, который выполняет функцию анода при непрерывном пропускании через него тока. Подвешивание кабеля осуществляется с поплавков с помощью соответствующих линий. Это анодное устройство в форме кабеля допускает низкую нагрузку по току, однако, эта нагрузка достаточна для защиты резервуара с пресной водой в течение очень долгого периода времени. Первичный процесс поляризации, наоборот, протекает очень медленно и не способен обеспечить надлежащую эффективную катодную защиту для предотвращения любого инициирования коррозии во время испытания, использующего заполнение водой и проводимого по отношению к криогенному резервуару, который изготовлен из неокрашенной стали, обладающей высокой чувствительностью к коррозии.

Сила подводимого тока пропорциональна площади, подлежащей защите. В современной практике для стандартных нелегированных сталей обычно его ограничивают значением 80 мА/м², которое является достаточным для обеспечения катодной защиты, эффективной в течение нужного периода времени. Кроме того, выбор такого значения ограничивает расход электричества до приемлемого уровня с учетом того обстоятельства, что указанный ток необходимо поддерживать на постоянном уровне в течение всего срока службы конструкции.

В более точной формулировке настоящее изобретение предлагает способ испытания металлического криогенного резервуара перед вводом его в эксплуатацию. Согласно способу по изобретению такой резервуар заполняют водой, причем способ характеризуется наличием следующих этапов:

- заполняют металлический криогенный резервуар морской водой и

- обеспечивают временную катодную защиту металлического дна и металлических боковых стенок (металлической боковой стенки) указанного резервуара, состоящих, по существу, из неокрашенной стали, путем установки внутри резервуара системы анодов и пропускания электрического тока через аноды сразу же после их погружения.

При заполнении резервуара большая площадь его стенок уже в начальной стадии быстро увлажняется. В частности, смачивается нижняя стенка (дно) резервуара, причем ее периферия является одной из наиболее уязвимых зон. Чтобы избежать инициирования любой коррозии, в соответствии с настоящим изобретением для того, чтобы антикоррозионная защита начала действовать так быстро, насколько это возможно, считая с момента начала заполнения, систему первых анодов, состоящую из первого анода или первых анодов, помещают в непосредственной близости от дна резервуара, применяя при этом поддерживающие устройства. Предпочтительно, чтобы указанные поддерживающие устройства и первый анод (первые аноды) были съемными.

Такая установка анодов близко к дну резервуара позволяет им оказаться в погруженном состоянии и, таким образом, способными к началу функционирования за минимальный отрезок времени. Следует иметь в виду, что указанные поддерживающие устройства должны обеспечить возможность установить первый анод (первые аноды) вблизи дна резервуара, удерживая его (их), однако, на расстоянии, достаточном для предотвращения любого электрического контакта между первым анодом (первыми анодами) и дном.

В контексте настоящего изобретения термин "съемный" означает, что после завершения испытания первые аноды и поддерживающие устройства можно удалить из резервуара.

Более конкретно, первые аноды, подведенные близко к дну резервуара, располагают над дном на расстоянии менее 50 см. Предпочтительно, чтобы это расстояние составляло 2,5-20 см, а более предпочтительно 5-10 см. Это оптимальное расстояние выбирается не только для того, чтобы избежать электрического контакта между указанными анодами и металлическим дном резервуара, но и для устранения возможности любого электролитического короткого замыкания, которое могло бы быть вызвано слишком близким расположением анодов. Таким образом, вследствие выбора небольшого расстояния между анодом и дном резервуара поддерживается максимальная эффективность и одновременно с этим устраняется любая опасность электролитического короткого замыкания.

Согласно настоящему изобретению для получения оптимальной катодной защиты дна резервуара первые аноды размещают по окружности с центром, совпадающим с центром поверхности дна резервуара. Предпочтительно, чтобы диаметр этой окружности составлял 40-75% диаметра поверхности указанного дна.

Такое кругообразное размещение первого анода или первых анодов, расположенных у дна резервуара, представляет собой вариант, оптимальный для устранения взаимодействия между анодами или различными участками единичного анода. В противном случае это взаимодействие могло бы оказать вредное воздействие на плотность реально обеспечиваемого тока.

В том случае, когда резервуар имеет большую площадь дна, указанные аноды можно разместить таким образом, чтобы сформировать несколько концентрических окружностей. Однако на практике для резервуаров, имеющих диаметр до 75-90 м, и анодов, выдерживающих ток 50 А, представляется достаточным размещение первых анодов в виде единичной окружности с диаметром 40-75% диаметра резервуара.

Система первых анодов может состоять из следующих компонентов:

- одного или нескольких гибких металлических кабельных анодов, называемых также "сетчатыми анодами"; указанные аноды предпочтительно формируют окружность; альтернативно, несколько различных первых анодов представляют собой участки окружности и размещены по периметру этой окружности; и/или

- множества жестких анодов, размещенных по отдельности друг за другом и при необходимости соединенных между собой проводящим кабелем.

Однако для достижения более высокой плотности тока предпочтительно изготовить указанные первые аноды в виде множества жестких анодов, каждый из которых имеет, например, форму блока цилиндрической, удлиненной или дисковой формы.

В частности, первые аноды соединяют между собой одним или несколькими кабелями, чтобы сформировать одну или несколько первых гирлянд. Указанные первые гирлянды размещают, по существу, горизонтально, немного приподняв над дном резервуара.

Термин "гирлянда анодов" используется в контексте изобретения для обозначения того, что указанные жесткие аноды соединены между собой кабелем, содержащим проводящий провод. Первые аноды размещают вдоль этого кабеля, причем предпочтительно с разнесением на одинаковое расстояние. Между двумя соседними анодами провод электрически изолирован, а между проводом и анодами установлен электрический контакт.

Внутри каждой из гирлянд первые аноды располагают как можно ближе друг к другу, помещая их, однако, с разнесением, достаточным, чтобы избежать электрического взаимодействия такого типа, который может оказать вредное воздействие на их эффективность, т.е. на плотность тока в резервуаре.

В одном из вариантов осуществления изобретения поддерживающие устройства образованы элементами из электроизоляционного материала, установленными на дне резервуара. Указанные элементы размещают у противоположных концов каждого первого анода вдоль первой гирлянды.

В конкретном варианте поддерживающие устройства формируют из дисков, установленных вертикально на дне резервуара. Через центры дисков проложены участки изолированного кабеля, обеспечивающие взаимное электрическое соединение двух соседних первых анодов первой гирлянды. Диаметр указанных дисков в вертикальном направлении больше размера первых анодов.

Чтобы после увлажнения дна резервуара обеспечить катодную защиту вертикальной боковой стенки резервуара, желательно поместить указанные первые аноды горизонтально внутри резервуара у его дна, а также установить вторые аноды, которые подвешивают вертикально внутри резервуара от его верхней части, причем предпочтительно съемным образом. Желательно, чтобы указанные вторые аноды также были соединены в одно целое в форме вторых гирлянд, подвешенных вертикально. При этом вторые гирлянды также предпочтительно разнесены одна от другой на одинаковое расстояние таким образом, чтобы в предпочтительном варианте они располагались на боковой поверхности кругового цилиндра, соосного с резервуаром.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения крайние вторые аноды, т.е. аноды, размещенные у нижних концов вертикально подвешенных вторых гирлянд, находятся на высоте Н от дна, причем таким образом, что площадь S₁ поверхности круга, ограниченного указанной окружностью первых анодов, по существу, равна сумме площадей S₂ и S₃, где S₂ - площадь остающейся поверхности дна резервуара, а S₃ - площадь ограниченного высотой Н нижнего участка нижней части боковой стенки резервуара. Другими словами, площадь S₂ представляет собой остающуюся зону дна резервуара, которая находится вне площади S₁, a S₁=S₂+S₃.

Следует иметь в виду, что для указанных первых анодов такие параметры, как допустимая нагрузка по току, их количество и расположение, выбирают таким образом, чтобы они могли обеспечить плотность тока, достаточную для достижения надлежащего электрохимического потенциала, при котором устраняется опасность проявления коррозии. Отрезок времени, за который достигается этот уровень потенциала, короче интервала, необходимого для инициирования коррозии, и составляет, в частности, менее одного часа, предпочтительно менее 20 мин. Желательно, чтобы этот процесс происходил практически мгновенно, причем на всех точках поверхности (S₁+S₂) дна резервуара и в надлежащих местах во всех точках на поверхности ограниченного высотой Н нижнего участка (с площадью S₃) вертикальной боковой стенки резервуара. Такое размещение первых анодов, находящихся близко к дну резервуара, позволяет обеспечить полную катодную защиту для его нижней части (т.е. для площади S₁+S₂+S₃) до погружения и приведения в действие вертикально подвешенных вторых анодов, предназначенных для обеспечения защиты боковой стенки (боковых стенок).

Измерения, проведенные согласно настоящему изобретению для 9%-никелевой стали в присутствии морской воды, показали, что для обеспечения иммунности стали достаточен защитный электрохимический потенциал на уровне -950 мВ относительно контрольного электрода типа Ag/AgCl.

Более конкретно, металл указанного резервуара представляет собой 9%-никелевую сталь, защитный электрохимический потенциал которой составляет -950 мВ, а первые аноды располагают вблизи дна резервуара так, чтобы обеспечить достижение плотности тока 200-400 мА/м². Таким образом, эта плотность в 4-8 раз выше значений плотности тока, реализуемых, как правило, при обеспечении катодной защиты обычных металлических резервуаров, содержащих воду, где поляризацию необходимо поддерживать в течение всего срока эксплуатации конструкции.

Гирлянды анодов, размещенные по периметру геометрической фигуры в виде окружности у дна резервуара, позволяют получить токи при плотности тока приблизительно 200-400 мА/м².

Используя в соответствии с настоящим изобретением вблизи металлического дна и металлических стенок резервуара аноды, выдерживающие большие электрические токи (в особенности аноды, которые могут совмещать очень большие токи, порядка 50 А, и способность обеспечивать плотность тока 200-400 мА/м²), расположенные с очень высокой плотностью их размещения при очень маленьком расстоянии (лежащем в интервале 25-500 мм) между дном и ближайшими к нему анодами, можно достигнуть иммунного электрохимического потенциала -950 мВ. Одновременно обеспечивается возможность активизировать процесс поляризации над всей площадью дна резервуара, изготовленного из 9%-никелевой стали, причем очень быстро или даже практически мгновенно, как только указанные аноды будут приведены в действие после своего погружения в воду.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность проводить использующее воду испытание, положительным фактором которого является применение морской воды вместо традиционно употребляемой пресной. Тем не менее, при этом гарантируется целостность всей поверхности стенок как над дном, так и вдоль вертикальных сторон резервуара.

Согласно другой позитивной характерной особенности настоящего изобретения резервуар первоначально заполняют пресной водой до тех пор, пока первые аноды, находящиеся в непосредственной близости от дна резервуара, не окажутся полностью погруженными. После этого через первые аноды пропускают электрический ток и продолжают заполнение резервуара, но уже применяя морскую воду.

При близости первых анодов к дну резервуара первоначальное заполнение пресной водой сводится к небольшому объему воды и служит для уменьшения любой дополнительной опасности коррозии до того момента, когда первые аноды получат возможность вступить в действие и обеспечить эффективную катодную защиту дна резервуара.

Преимуществом настоящего изобретения является тот факт, что согласно другой его характерной особенности на дне и у стенки (стенок) указанных резервуаров помещают устройства для измерений электрохимического потенциала стенки (стенок) и управления электрогенераторами или контроллерами, способными подавать электрический ток дифференцировано к первым и вторым анодам. Это дифференцированное распределение тока проводят таким образом, чтобы иметь возможность регулировать количество электрического тока, который пропускают через различные аноды в зависимости от результатов измерений, проведенных применительно к различным анодам с учетом их положения.

Кроме того, в рамках настоящего изобретения предлагается криогенный резервуар, имеющий неокрашенные металлические (стальные) стенки и пригодный для осуществления способа испытания по изобретению. Указанный резервуар характеризуется тем, что имеет временную систему катодной защиты, содержащую описанные выше аноды. Предпочтительно, чтобы указанные аноды были размещены внутри указанного резервуара съемным образом. Другой характерной особенностью резервуара по изобретению является то, что он в своем предпочтительном варианте содержит также устройства, позволяющие измерять электрохимический потенциал стенки (стенок) с обеспечением возможности управления электрогенераторами или контроллерами, пригодными для подачи различных количеств электрического тока к анодам, как это было описано выше.

Краткое описание чертежей

Другие характерные особенности и преимущества настоящего изобретения будут видны из последующего подробного описания различных вариантов его осуществления. Указанное описание приводится со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет собой трехмерное схематичное перспективное изображение резервуара по изобретению; систему анодов запитывают током посредством электрогенераторов.

Фиг.2 представляет собой осевое полусечение резервуара по изобретению, иллюстрирующее детали одного конкретного варианта осуществления соединения между электрогенератором и гирляндами анодов.

Фиг.3 иллюстрирует участок гирлянды анодов, подвешенной вертикально.

Фиг.4 иллюстрирует участок гирлянды анодов, расположенной у дна резервуара.

Фиг.5 представляет собой вид сверху, в сечении, иллюстрирующий, каким образом различные гирлянды анодов распределяют для расположения у дна резервуара по круговой геометрической схеме.

Фиг.6 представляет собой перспективное изображение зоны поверхности нижней части резервуара для варианта с анодом, расположенным вблизи дна.

Фиг.7A-7D представляют собой графики, в которых аноду соответствует знак •; по абсциссе и ординате отложены соответственно расстояние от анода и плотность поляризующего тока (в мА/м²).

Фиг.8А и 8В представляют собой графики, иллюстрирующие, каким образом электрохимический потенциал Е (фиг.8А) и плотность тока (I/м²) изменяются в произвольной точке М на металлической боковой стенке или на дне, которые требуется защитить; точка М находится на определенном расстоянии от анода, как это показано на фиг.7А.

Фиг.9 иллюстрирует систему управления подачей поляризующего тока.

Фиг.10 представляет собой вид сверху на круглый резервуар, оборудованный установленными на его дне гирляндами анодов, как это показано на фиг.5; в дополнение в центральной части резервуара имеется круглый анод, составленный из двух непрерывных полукруглых частей, удерживаемых на определенном расстоянии над дном посредством изолирующих дисков (не показаны).

Фиг.11 и 12 иллюстрируют вертикальные гирлянды анодов, у нижних концов каждой из которых предусмотрен вытянутый анод цилиндрической формы (фиг.11) или в форме диска (фиг.12), располагающийся вблизи дна и изолированный от дна дисками (фиг.11) или штырями (фиг.12); таким образом, этот анод функционирует в качестве одного из первых анодов.

Осуществление изобретения

Фиг.1 иллюстрирует цилиндрический металлический резервуар 1 с круглым сечением, имеющий большую вместимость и состоящий из дна 2 и боковой стенки 3 в виде цилиндра с круглым сечением. Резервуар предназначен для заполнения криогенной жидкостью, подлежащей хранению.

Фиг.2 иллюстрирует систему изоляции для цилиндрического металлического резервуара 1, придающую ему криогенные свойства. Указанная система состоит из слоя термоизоляционного материала 3₁, причем сам этот слой окружен жесткой трубчатой конструкцией, представляющей собой стенку 3₂ из армированного бетона. Сверху резервуар 1 снабжен куполообразной крышкой 4, поддерживаемой металлической рамой 4₁.

Цилиндрический металлический резервуар может, например, представлять собой емкость, имеющую внутренний диаметр 75 м и высоту 50 м. Соответствующий объем составляет 165000 м³. Общая площадь металла, составляющего внутренние стенки резервуара и нуждающегося в защите посредством приложения катодного тока, равна приблизительно 16000 м².

Предпочтительно изготавливать такой резервуар из описанной выше 9%-никелевой стали. Его стенки имеют толщину 19 мм для дна 2, а у нижних концов вертикальных боковых стенок (вертикальной боковой стенки) желательна толщина 28,8 мм. При этом указанная толщина этих стенок монотонно уменьшается по направлению к верхней части резервуара, достигая минимальной толщины 10 мм на верхнем участке вертикальной боковой стенки 3 резервуара.

На фиг.2 показана также плита 2₁ фундамента, имеющая толщину 130 см. Она придает конструкции большую жесткость и снабжена изолирующей системой.

Слой 3₁ термоизоляции, окружающий металлическую боковую стенку 3 резервуара 1, изготавливают, например, из перлита. Указанный слой имеет толщину 100 см, а толщина наружной стенки 3₂ из армированного бетона равна 80 см.

На фиг.1, 5, 9 и 10 можно видеть различные конструкции первых анодов, размещенных горизонтально по кругу вблизи дна 2 резервуара.

На фиг.1 указанные первые аноды 5₁ формируют единичную первую гирлянду 5, размещенную по окружности. На фиг.9 они формируют две первые гирлянды 5, каждая из которых занимает, по существу, половину окружности, образуя в совокупности окружность. На фиг.5 указанные первые аноды образуют множество гирлянд, а именно восемь первых гирлянд 5, расположенных горизонтально, при этом каждая из указанных первых гирлянд 5 содержит три анода 5₁. Эти гирлянды формируют участки окружности и размещены таким образом, чтобы их разнесение по окружности было равномерным. Представленный на фиг.5 вариант осуществления изобретения с множеством указанных первых гирлянд представляется предпочтительным, поскольку эти гирлянды можно запитать надлежащими различающимися токами, чтобы подобрать уровни тока, соответствующие требованиям конкретных зон.

Для очень больших резервуаров, в частности, для резервуаров с диаметром больше 75 м, указанные первые гирлянды 5, размещенные по первой окружности C₁, можно сочетать с удлиненными гибкими анодами, имеющими меньшую допустимую нагрузку по электрическому току и размещенными по окружности С₂ меньшего диаметра. Тем самым в центральной зоне на поверхности дна резервуара обеспечивается дополнительная катодная защита. Так, на фиг.10 два из указанных первых гибких анодов располагают в центральной зоне дна резервуара в форме изогнутого кабеля, пролегающего по концентрической окружности C₂, причем каждый из таких удлиненных первых анодов занимает, по существу, половину ее длины. Этот второй комплект первых анодов, размещенный по окружности С₂ меньшего диаметра, обеспечивает, таким образом, дополнительную катодную защиту дна 2 резервуара.

На фиг.1 и 2 можно видеть также вторые гирлянды 6 анодов, подвешенные вертикально к раме 4₁ купола 4 резервуара.

Фиг.1 иллюстрирует предпочтительное круговое размещение различных вторых гирлянд 6 анодов, расположенных вертикально, т.е. образующих структуру с круглым горизонтальным поперечным сечением.

На фиг.1 и 9 показаны шесть вертикальных (вторых) гирлянд 6, каждая из которых содержит (только по причинам, связанным с удобством изображения) пять анодов 6₁, разнесенных равномерным образом, причем нижний анод находится над дном на высоте Н.

Каждая из представленных на фиг.3 и 4 гирлянд 5 и 6 анодов образована проводящим кабелем 7, предпочтительно изготовленным из меди и соединяющим между собой указанные аноды 5₁, 6₁ или проходящим через них. Предпочтительно обжать аноды вокруг кабеля 7, а сам кабель механически закрепить на месте. Указанные аноды 5₁, 6₁ изготавливают из благородного металла (например, из вольфрама), покрытого различными драгметаллами. Эти аноды желательно равномерно разнести вдоль указанного проводящего кабеля 7. Между двумя анодами 5₁ или 6₁ в данной гирлянде (соответственно 5 или 6) кабель 7 снабжен изоляцией 7₁. Однако, поскольку проводящий кабель 7, естественно, электрически соединен с анодами 5₁, 6₁, изолированы только те его участки, которые расположены между двумя соседними анодами 5₁ или 6₁.

В каждой из гирлянд аноды 5₁, 6₁ способны выдерживать большой электрический ток, например, до 50 А. Они имеют цилиндрическую или эллипсоидную форму, причем длина и наружный диаметр каждого из них равны соответственно приблизительно 1 м и приблизительно 22 мм. Чтобы избежать взаимодействия и получить максимальную плотность тока, аноды разделены вдоль указанных гирлянд интервалами, составляющими 3-5 м.

Хотя в вертикальных (вторых) гирляндах 6 для удобства изображения на чертеже показано только пять анодов 6₁, понятно, что для резервуара высотой 50 м необходимо большее количество указанных анодов.

Горизонтальные гирлянды 5 удерживают в непосредственной близости от дна 2 резервуара посредством поддерживающих элементов 5₂, которые состоят, например, из дисков, изготовленных из изолирующего материала. Диаметр этих дисков больше диаметра анодов 5₁. Диски охватывают кабель 7 у каждого конца каждого анода 5₁. Указанные изолирующие диски 5₂ установлены вертикально и опираются своими краями на дно 2 резервуара. Для анодов диаметром 25 мм наружный диаметр этих дисков составляет 225 мм. Тем самым гарантируется, что аноды 5₁ находятся, по существу, на постоянном расстоянии 100 мм от дна 2 резервуара. Таким образом, устраняется возможность электрического контакта между анодами 5₁ и дном 2, а также возможность электролитического короткого замыкания.

Для резервуара, имеющего диаметр 75 м, желательно разместить указанные первые аноды в виде множества гирлянд по окружности радиусом R₁=27 м.

Для устранения возможности взаимодействия между анодами, которое могло бы оказать вредное воздействие на плотность тока, оптимальным расположением указанных первых анодов 5₁, установленных на дно резервуара, является размещение их по окружности. Этот вариант для первых анодов, обладающих приведенными выше параметрами (аноды длиной 1 м, допускающие электрический ток до 50 А и разнесенные друг от друга на 3-5 м), за счет пропускания через аноды тока 50 А позволяет получить первичную плотность тока 250-275 мА/м². Тем самым в течение нескольких десятков минут или даже нескольких минут у поверхности резервуара, находящейся в пределах радиуса, выступающего на несколько десятков метров от указанных анодов, формируется электрический потенциал.

На фиг.1 указанные вертикальные гирлянды 6 анодов размещены по окружности, имеющей тот же диаметр, что и окружность, образованная горизонтальными гирляндами 5 анодов, но это связано исключительно с практическими обстоятельствами установки и удаления анодов. Однако с функциональной точки зрения расстояния, на которых вертикальные вторые аноды 6₁ и первые аноды помещены относительно боковой стенки резервуара, могут различаться между собой. Слишком близкое положение вертикальных анодов 6₁ по отношению к поверхности боковой стенки резервуара не обязательно является преимуществом, т.к. при этом может потребоваться увеличить их количество.

Для горизонтальных гирлянд 5 анодов, размещенных по окружности, как это показано на фиг.1, 5 и 9, в предпочтительной версии размещения указанная окружность имеет радиус R₁=25-30 м. Этот радиус определяет площадь S₁ внутренней поверхности, равную, по существу, сумме площадей S₂ и S₃ поверхности (S₁=S₂+S₃), где S₂ - площадь части поверхности на дне резервуара, которая остается вне окружности, образованной указанными горизонтальными гирляндами 5, а S₃ - площадь поверхности нижнего участка вертикальной боковой стенки 3, который ограничен высотой Н, соответствующей высоте нижних концов указанных вертикальных гирлянд анодов (фиг.5 и 6). В результате для радиуса R₁ в интервале 25-30 м значение Н лежит в интервале 1-4 м.

Во время заполнения резервуара морской водой до концевых анодов 6₁ у нижних концов указанных вертикальных вторых гирлянд 6 анодов, но прежде, чем она войдет с ними в контакт, в указанной горизонтальной первой гирлянде 5 анодов, находящейся на дне, катодную защиту для нижней части резервуара, включающей в себя дно и участок вертикальной стенки, увлажненные морской водой, обеспечивают только первые аноды 5₁. Таким образом, до тех пор, пока в процесс не включены аноды 6₁ вертикальных гирлянд 6, горизонтальные гирлянды 5 анодов, располагающиеся на дне, охватывают, по существу, основную часть поверхности резервуара, подлежащей защите в данный период и включающей в себя площадь S₁+S₂ поверхности дна резервуара плюс площадь S₃ поверхности нижнего участка боковых стенок, находящегося ниже нижних подвешенных анодов 6₁.

При этом экстремально большие токи, которые пропускаются для того, чтобы выйти на требуемый уровень поляризации так быстро, насколько это возможно, распределяются равномерным и оптимальным образом от центра резервуара к периферии дна и вверх по боковой стенке до высоты Н.

Далее процесс поляризации разъясняется со ссылками на фиг.7A-7D и 8А-8В. На фиг.7A-7D показано, каким образом плотность тока (измеряемая в мА/м²) изменяется в зависимости от положения относительно анода. Фиг.7А иллюстрирует указанную плотность тока в начале пропускания тока через анод, а фиг.7В, 7С и 7D представляют собой графики, соответствующие последовательным, более поздним моментам. На фиг.8А и 8В в виде функции от времени показаны соответственно графики электрохимического потенциала Е и плотности тока (I/м²), измеренные у выбранной точки поверхности резервуара, подлежащей обработке.

На фиг.8А и 8В можно видеть, что электрохимический потенциал и плотность тока синхронно растут до момента времени t_p, в который указанный потенциал достигает иммунного значения, составляющего в данном случае -0,95 В. Это значение является характеристикой поляризации применяемой 9%-никелевой стали. По существу, одновременно пик плотности тока выходит на уровень 250-275 мА/м². Как можно видеть на фиг.7A-7D, как только начинается пропускание тока через анод, указанная плотность становится очень большой в зоне, близкой к аноду, и уменьшается по мере удаления от него. Пропускаемый ток преднамеренно ограничивают максимальным значением, лежащим в интервале 250-275 мА/м², т.к. этот уровень достаточен для очень быстрого достижения защитного потенциала (-950 мВ) для указанной стали.

Во внутреннем объеме морской воды, насыщенной минеральными солями, происходит электрохимический процесс. При этом наблюдается отложение твердого осадка, имеющего кальциевую и магниевую основу. Таким образом, указанный осадок выпадает в интервале времени между t=0 и t=t_p (см. фиг.8А и 8В) в зоне, близкой к аноду. После этого плотность тока уменьшается и стабилизируется на уровне 50-100 мА/м², причем напряжение далее существенно не изменяется и удерживается при приблизительно -1 В. Выпадение осадка происходит вследствие увеличения рН на поляризованной поверхности, при этом оно создает естественный изолирующий барьер, обладающий свойством понижать плотность тока над рассматриваемой площадью до значения, лежащего приблизительно в интервале 50-100 мА/м². В случае 9%-никелевой стали этого достаточно для удерживания потенциала Е у значения, более отрицательного, чем -0,95 В, в результате чего предотвращается любой процесс коррозии.

Таким образом, можно заключить, что при смещении анода как можно ближе к дну резервуара и повышении уровня пропускаемого тока процесс, посредством которого формируется защитный слой, существенно ускоряется.

На практике при помещении анодов 5₁ в нескольких сантиметрах от дна они оказываются погруженными за несколько минут, если скорость заполнения морской водой превышает 1000 м³/ч. Сразу же после погружения аноды фактически мгновенно начинают действовать и в течение нескольких минут дают начало эффективной защите. Далее, когда в анодах, рассчитанных на большой электрический ток (до 50 А), уровень пропущенного через них тока достаточно высок, а аноды присутствуют в достаточных количествах и надлежащим образом распределены, как это описано выше, появляется также возможность быстро (в течение нескольких минут) получить катодную защиту на расстоянии, которое может достигать приблизительно 10 м. В результате за несколько десятков минут вся поверхность дна резервуара оказывается полностью защищенной таким образом, чтобы избежать любого инициирования коррозии.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения испытание, проверяющее резервуар на утечки и механическую прочность посредством заполнения его водой, начинается с заполнения резервуара пресной водой при скорости 1000 м³/ч до тех пор, пока придонные аноды 5₁ не погрузятся полностью. Это обычно происходит при глубине 5-10 см, т.е. необходимый объем воды является приемлемым. После этого через указанные аноды пропускают ток и продолжают заполнение морской водой при очень высокой скорости.

"Пресную" воду можно получить из местных магистралей, подающих воду, а также из речной или технической воды, проследив, чтобы она не была слишком агрессивной.

После смешивания морской воды с пресной и пропускания тока через аноды металлическая поверхность дна резервуара за несколько минут поляризуется, обеспечивая катодную защиту в соответствующей зоне. Быстрая поляризация определяется характером распределения анодов и очень большими токами, которые пропускаются одновременно через все аноды, располагающиеся над дном резервуара.

Указанные гирлянды 5 и 6 анодов присоединяют к одному или нескольким электрогенераторам 9 (генераторам тока - см. фиг.1), а посредством устройства 9₁ отслеживают и регулируют ток через кабель 8, проложенный от резервуара 1 предпочтительно через его верхнюю часть. Множество гирлянд 5, 6 можно соединить друг с другом в системы и связать с одним электрогенератором тока. Однако предпочтительно первые (горизонтальные) гирлянды 5 анодов и вторые (вертикальные) гирлянды 6 анодов присоединить к разным электрогенераторам 9 или к одному такому электрогенератору, связанному, однако, с разными контроллерами 9а-9с (фиг.9). Желательно каждую из указанных гирлянд 6 анодов подключить к своему электрогенератору 9 или к своему контроллеру 9а-9с. В этом случае можно проводить дифференцированную регулировку тока в каждой из указанных гирлянд 5, 6 (как это описано далее), чтобы оптимизировать катодную защиту, рассматривая ее как функцию зон стенки 2 (дна) и боковой стенки 3, подлежащих защите. Это может оказаться необходимым при наличии дефектов, образующихся в какой-то одной из указанных зон, и однозначно необходимо, если резервуар имеет призматическую форму на многоугольном основании. Действительно, такой резервуар имеет углы, которые относительно уязвимы и по сравнению с остальной поверхностью резервуара требуют повышенного уровня катодной защиты.

В варианте по фиг.2 различные вертикальные гирлянды 6 анодов, подвешенные к раме 4₁ купола 4 резервуара, и различные горизонтальные гирлянды 5 анодов, располагающиеся у дна резервуара, посредством кабелей 8, 8₁ электрически присоединены к одному электрогенератору 9 (генератору тока), причем различные кабели 8 подвешены к кронштейну 20. Такой кронштейн можно использовать также в предпочтительном и эффективном варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.9.

Как показано на фиг.9, электрохимический потенциал Е стенки резервуара 1 отслеживают за счет установки устройств для измерений электрохимического потенциала, а именно трех датчиков 10а, 10b и 10с на дне 2 резервуара и трех дополнительных датчиков 10d, 10e и 10f вдоль кабелей, идущих от электрогенераторов по вертикальной стенке. Эти датчики 10a-10f, относящиеся, например, к типу контрольных Ag/AgCl элементов (электродов), присоединяют к блоку 11 слежения и управления, а значения электрохимического потенциала в течение испытания регистрируют на компьютере 12 (например, на персональном компьютере). Низковольтный поляризующий ток, например, постоянный ток при напряжении 24 В, обеспечивается трансформаторным и выпрямительным блоком, выполняющим функции электрогенератора 9 и присоединенным к электрической сети, а также к трем электронным контроллерам 9а, 9b и 9с. В указанных устройствах используют тиристоры, управляемые центральным блоком 11 слежения и управления. Контроллер 9а подключают ко всем вторым (вертикальным) гирляндам 6, а контроллеры 9b и 9с подсоединяют соответственно к двум разным гирляндам, входящим в комплект первых гирлянд 5 анодов, и к двум анодам, входящим в комплект непрерывных первых анодов 5₁, размещенных полукругом и располагающихся у дна резервуара, но изолированных от него, как это разъяснялось в комментарии к фиг.10.

Датчики 10а-10с, размещенные на дне, желательно расположить следующим образом:

- датчик 10а помещают близко к кругу анодов, чтобы отслеживать поляризационную волну, показанную на фиг.7А, и ее превращение в форму, представленную на фиг.7В;

- датчик 10b располагают близко к углу с цилиндрической боковой стенкой, чтобы отслеживать, каким образом изменяется поляризующий ток по мере увеличения глубины воды;

- последний датчик 10с желательно сместить к центру резервуара, чтобы отслеживать поляризационное состояние над всем дном резервуара, как это показано на фиг.7С и 7D.

Датчики 10d, 10е и 10f рекомендуется установить вдоль кабелей, идущих от электрогенераторов по вертикальной стенке 3. Эти датчики предназначены для отслеживания поляризации по мере увеличения глубины воды до верхнего уровня в резервуаре.

Чтобы чертежи были понятнее, кабели, ведущие к датчикам, изображены присоединенными к блоку 11 слежения и управления по самому короткому пути. Однако в действительности они следуют по такой же траектории, что и кабель 8 питания, т.е. их прокладывают внутри резервуара вверх, выводят наружу на уровне купола через кронштейн 20 и только потом подводят к блоку 11 слежения и управления.

Электрохимический потенциал необходимо поддерживать в интервале, лежащем выше минимального (абсолютного) значения. В частности, он может быть более отрицательным по сравнению с величиной -0,95 В, но не должен выходить за пределы, например, -1,2 В. Таким образом, как только указанный электрохимический потенциал достигает указанного минимального (абсолютного) значения -0,95 В, блок 11 слежения и управления существенно увеличивает ток, подводимый соответствующими контроллерами 9а, 9b и 9с. Сходным образом, когда этот потенциал достигает уровня -1,2 В, указанный блок 11 реагирует существенным понижением подводимого тока.

Как показано на фиг.10, настоящее изобретение охватывает также распределение анодов на дне в виде нескольких окружностей или любой другой тип геометрического распределения. При этом независимо от того, являются ли аноды по форме дискретными и цилиндрическими, овальными или многоугольными, а также независимо от того, являются они непрерывными в форме кабеля (так называемые "сетчатые" аноды), имеющего высокую эффективность в плане допустимой нагрузки по подводимому току, во всех таких размещениях указанные аноды с целью предотвращения непосредственных или электрохимических коротких замыканий удерживают посредством изолирующих устройств на расстоянии от поверхности.

На фиг.11 и 12 показаны различные варианты выполнения первых анодов 5₁. В приведенных вариантах первые аноды присоединяют к концам вертикальных вторых гирлянд 6. Указанные первые аноды 5₁ опираются на дно 2 резервуара через поддерживающие устройства 5₂, а ближайший второй анод 6₁, который находится непосредственно над ними, располагают на высоте, лежащей в интервале 1-4 м.

На фиг.11 и 12 первые аноды 5₁ размещены горизонтально, т.е. их основной размер ориентирован в горизонтальном направлении. В то же время в системе вторых анодов 6₁, предназначенных для защиты вертикальных боковых стенок, аноды размещают вертикально, т.е. их основной размер ориентирован в вертикальном направлении. Представленный на фиг.11 первый анод имеет овальную форму и удерживается поддерживающими устройствами 5₂, которые образованы вертикально установленными изолирующими дисками, прикрепленными к соответствующим концам анода. Представленный на фиг.12 первый анод 5₁ является горизонтальным диском, удерживающимся поддерживающими устройствами, которые образованы штифтами или ножками 5₂. Детали 5₂ размещают под дисками, составляющими первые аноды 5₁.

После изготовления резервуара, но до его заполнения морской водой первые аноды устанавливают на дне указанного резервуара и закрепляют на месте, фиксируя их механически, приклеивая временным образом или стабилизируя с помощью дополнительных грузов. Тем самым гарантируется, что при заполнении резервуара сборка не деформируется или не смещается, хотя указанное заполнение проводят при значительной скорости (1000-1500 м³/ч), создавая, таким образом, большие количества завихрений.

Указанные вертикальные вторые гирлянды 6 подвешивают к раме 4₁ купола, а различные кабели, предназначенные для подачи тока, а также различные измерительные кабели, которые отходят от датчиков, измеряющих электрохимический потенциал, до подключения их к блокам питания, а также к блокам слежения и управления, выводят из резервуара на уровне купола 4.

Стенки резервуара испытывают на утечки, причем это касается как вертикальной боковой стенки, так и ее соединения со стенкой, образующей дно. Эту процедуру проводят, осматривая указанные стенки снаружи, в частности, из зоны, выбранной для нанесения изоляционного материала и доступной для наблюдения с учетом ее размера.

В конце испытания опоражнивают резервуар, после чего удаляют датчики, а также первые и вторые аноды.

Далее, используя струю пресной воды под давлением, промывают резервуар по всей поверхности его стенок, чтобы устранить все следы соли, после чего позволяют воде испариться.

Способ включает заполнение металлического криогенного резервуара, изготовленного из неокрашенной стали, морской водой, обеспечение металлического дна и боковых стенок резервуара временной катодной защитой, посредством пропускания электрического тока через аноды, размещенные внутри резервуара, сразу же после их погружения в воду. В непосредственной близости от дна резервуара устанавливают первую систему анодов. Количество анодов и их способность выдерживать ток достаточны для получения плотности тока, обеспечивающей достижение электрохимического потенциала, необходимого для защиты стали, образующей дно резервуара, фактически мгновенно, как только первые аноды введены в действие после их погружения в воду. Также предложен криогенный резервуар, пригодный для осуществления описанного выше способа испытания. Изобретение обеспечивает повышение эффективности испытания криогенного резервуара на утечки, за счет исключения влияния длительности заполнения резервуара, и снижение стоимости. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ испытания металлического криогенного резервуара перед вводом его в эксплуатацию, предусматривающий заполнение указанного резервуара (1) водой и проведение соответствующих измерений, когда это необходимо, при этом указанный резервуар выполнен, по существу, из специальной стали типа неокрашенной "9%-никелевой стали", отличающийся тем, что включает следующие этапы:

заполняют металлический криогенный резервуар (1) морской водой, и

обеспечивают временную катодную защиту металлического дна и металлических боковых стенок (металлической боковой стенки) (2, 3) резервуара (1) путем установки внутри резервуара (1) системы анодов и пропускания электрического тока через систему анодов сразу же после того, как указанные аноды оказываются погруженными, при этом система анодов содержит систему первых анодов (5₁), расположенную в непосредственной близости от дна резервуара, а количество анодов и их способность выдерживать ток достаточны для получения плотности тока, обеспечивающей достижение электрохимического потенциала, необходимого для защиты стали, образующей дно резервуара, фактически мгновенно, как только первые аноды введены в действие после их погружения в воду.