Конструкции, прилегающие к грузовым танкам газовоза

Грузовые танки связаны с корпусными конструкциями газовозов так, что смещения их относительно корпуса под действием статических и динамических нагрузок, возникающих при движении судна в море, исключаются. При обеспечении неподвижности крепления грузовых танков нужно предусмотреть возможность их термических деформаций при захолаживании (при вводе танков в эксплуатацию) или при нагревании (в балластном рейсе или при выводе танков из эксплуатации). Опорные Конструкции грузовых танков газовозовкрепления грузовых танков должны функционировать при статическом накренении вплоть до углов, равных 30°.

Опоры грузовых танков

Опоры грузовых танков должны препятствовать их всплытию под действием сил плавучести. Всплытие порожнего грузового танка допускается при затоплении трюмного пространства газовоза до осадки, соответствующей летней ГВЛ (ЛГВЛ). Суммарное усилие, действующее на призматические вкладные, мембранные и полумембранные грузовые танки при затоплении трюмного пространства,

где:

• ρ – плотность морской воды, кг/м³;
• S – площадь сечения призматического танка, расположенная ниже уровня летней ГВЛ, м³;
• l – длина грузового танка, м.

В случае затопления трюмного пространства газовоза со сферическими вкладными грузовыми танками суммарное усилие, действующее на их опоры,

где:

• R – радиус вкладного грузового танка, м;
• h – расстояние между нижней его точкой и летней грузовой ватерлинией, м.

Напряжения, возникающие вследствие воздействия усилий формул 1 и 2 в грузовых танках и их опорах, не должны превышать предела текучести. Архитектурно-конструктивные особенности судов-газовозовСтенки безнаборных танков, например полумембранных, следует проверять на устойчивость.

В конструкции крепления грузовых танков необходимо предусматривать специальные упоры, которые способны воспринимать горизонтальные усилия, возникающие при столкновении судов. Горизонтальное усилие, действующее с кормы на нос, приравнивается силе тяжести половины танка с грузом, а усилие, действующее с носа в корму, – одной четвертой силы тяжести груженого танка. Конструкции опор и грузовых танков должны быть спроектированы так, чтобы при их взаимодействии в процессе эксплуатации они не наносили повреждений друг другу.

При расчетах прочности опорных конструкций грузовых танков предполагается независимое воздействие сил, вызванных максимально возможным результирующим ускорением, сообщаемым грузовому танку и его опорам в процессе эксплуатации, а также воздействие силами, которые потенциально могут быть вызваны при столкновении судов. Максимальное наиболее вероятное результирующее ускорение, сообщаемое грузовым танкам и их опорам. Указанные усилия считаются действующими независимо друг от друга и не налагаются на усилия, возникающие при деформациях корпуса судна на волнении.

Конструкции опор грузовых танков газовозов зависят, прежде всего, от типа танков. Опоры вкладных танков обычно схожи с судовыми фундаментами, что подтверждает их общий вид (рис. 1).

Вертикальные листы 5 имеют облегчающие вырезы и устанавливаются в одной плоскости с флорами, что обеспечивает надежное опирание на днищевое перекрытие всей опоры. Опоры вкладных цилиндрических грузовых танков могут простираться по всей ширине трюмного помещения газовоза и доходить до борта, где вертикальные опорные листы 5 обычно опираются на шпангоуты 1. Вкладные цилиндрические грузовые танки, расположенные горизонтально, обычно устанавливаются на две опоры. Своей обшивкой 3 грузовой танк опирается на цилиндрическую опорную поверхность 2, при этом одна из связей 4 набора грузового танка должна лежать в той же плоскости, что и один из вертикальных листов 5.

Сферические грузовые танки обычно значительно массивней цилиндрических, поэтому их опоры располагаются в основном в экваториальной части танка. Опорный пояс 2, расположенный в экваториальной части грузового танка 1, подвижно соединен с опоясывающей танк системой стоек 3, высота которых составляет 2-3 м (рис. 2, а). В нижней части стоек 3 прикреплены бруски 4, которые опираются на корпусные конструкции 6 посредством изоляционных прокладок 5. Как видно, теплоизоляционные прокладки 5 устанавливаются снизу и с боков, что дает возможность исключить боковые смещения бруса 4, но позволяет радиально смещаться вследствие, как правило, термических деформаций грузового танка.

На рис. 2, б показано подвесное закрепление грузового сферического танка 1 посредством шарнирно сочлененного четырехзвенника 7, располагаемого по периметру экваториального пояса танка. На обшивке грузового танка 1 приварены кронштейны 11, к которым шарнирно закреплены тяги 10. Они же с помощью сухаря 9 крепятся к кронштейну верхней палубы 8. Шарнирная система подвесной конструкции крепления сферических танков обеспечивает свободу термическим деформациям танка, но она содержит много деталей и может привести к повышению ЦТ газовоза, если точка подвеса грузового танка окажется выше его ЦТ. Вследствие этого подвесная система крепления вкладных сферических грузовых танков применяется на газовозах со сравнительно небольшими танками.

Опора вкладного сферического грузового танка 1, выполненная в виде оребренной цилиндрической оболочки, показана на рис. 2, в. Экваториальный пояс 12 сферического вкладного грузового танка при такой конструкции крепления имеет λ-образное поперечное сечение. Более подробно форма такого сечения представлена на рис. “Конструкция спаренного цилиндрического вкладного грузового танкаКонструкции грузовых танков газовозов“, б и в. Экваториальный пояс крепится к опоре грузового танка, состоящей из цилиндрической обшивки 13, вертикальных стоек 14 и горизонтальных ребер жесткости 15. Экваториальный пояс сферического вкладного грузового танка при таком креплении является наиболее нагруженным элементом и требует высокой технологической техники исполнения.

Вкладные грузовые танки 16, выполненные в виде сочлененных поверхностей сферической, цилиндрической и конической оболочек, имеют большую вместимость, чем вместимость сферических танков, и лучше заполняют трюмное пространство внутри корпуса газовоза. Особенности крепления такого грузового танка газовоза показаны на рис. 2, г. Танк опирается своей конической частью на тепловую изоляцию 20. Надежность обжатия грузового танка и теплоизоляционной опоры 20 обеспечивается с помощью металлических лент, которые одним своим концом крепятся к скобкам 17, установленным на сферической части танка. Вторым концом обтягивающие ленты 18 крепятся к корпусу газовоза – к рымам 19, расположенным на настиле второго дна судна. От горизонтальных смещений грузовой танк удерживает сточный колодец 21, расположенный в средней части танка. Он углублен на 500-600 мм ниже уровня днища танка и своими боковыми стенками через прочную тепловую изоляцию упирается в стенки поддона 22, выполненного во втором дне газовоза непосредственно под сточным колодцем.

Опоры грузовых танков мембранного и полумембранного типа как самостоятельные конструкции отсутствуют. Крепление таких танков обычно объединяется с креплениями тепловой изоляции и обшивки танков (рис. 3, а). Перлит, помещенный в фанерные блоки 4 и 7, составляет в данной конструкции основу тепловой изоляции грузового танка. Блоки вторичной изоляции 4 удерживаются между горизонтальными направляющими 2 и примыкают непосредственно к обшивке 1 корпуса судна. Шпильки 3 удерживают не только горизонтальные направляющие 2, но и вертикальные швеллерные стойки 5 в межбарьерном пространстве. Стойки удерживают блоки с межбарьерной изоляцией 7, располагаются между первичной мембраной грузового танка 8 и вторичной мембраной 6. Для закрепления швеллерных стоек 5 шпильки 3 проходят в отверстия, сделанные в обшивке вторичной мембраны 6. Отверстия, предназначенные для прохода шпилек 3, тщательно герметизируются. Мембранная оболочка 8 грузового танка удерживается металлическими полосами, укладываемыми и закрепляемыми между блоками межбарьерной изоляции 7. К таким полосам листовая мембранная обшивка 8 грузового танка крепится посредством сварки, осуществляемой по отогнутым вдоль длинных сторон фланцам.

Для обеспечения небольшого смещения вкладных призматических грузовых танков относительно корпусных конструкций газовоза рассчитывают коэффициент трения между опорой и танком. Чем он меньше, тем легче происходит смещение грузового танка относительно опоры. Этим обстоятельством объясняется использование опор двух танков – трения скольжения и трения качения. Опоры трения скольжения имеют простейшую конструкцию (рис. 3, б). Обычно они состоят из продольных балок 9, подкрепленных кницами 10 и удерживающих опорную плиту 11. На эту плиту укладываются деревянные брусья 12, выполняющие роль теплоизолятора.

Опоры трения качения вкладных призматических грузовых танков имеют более разнообразные конструкции. Их основным конструктивным элементом являются опорные шары или ролики. При проектировании опор вкладных грузовых танков следует учитывать, что они должны не только давать возможность перемещаться отдельным частям грузового танка вследствие тепловых деформаций, но и обеспечивать неподвижность всего танка в целом относительно корпусных конструкций газовоза. Довольно часто вкладные грузовые танки удерживаются от смещения выступающими ниже уровня днища грузового танка сточными колодцами. Пример размещения опор трения качения вкладных грузовых танков, обеспечивающих неподвижность танка в целом и одновременно не сдерживающих термических деформаций, приведен на рис. 3, в. Вокруг днищевого поддона сточного колодца 13 устанавливают шариковые подшипники 14 радиального типа, которые монтируют между двух термоизоляционных прокладок 15. Шариковые или роликовые опоры 16, устанавливаемые под плоскими частями днища, также имеют теплоизоляционную основу 17.

Предлагается к прочтению: Управление судном на мелководье и узкостях

Для повышения надежности крепления подшипника 14 в районе его постановки настил второго дна слегка приподнимают.

В случае использования опор трения качения со сферическими или цилиндрическими катками тепловой изоляцией могут служить деревянные брусья 19, которые удерживают блоки 18 и 20 (рис. 3, г, д). Блоки 18 обеспечивают опирание грузового танка, а блоки 20 могут являться упором, препятствующим смещению грузового танка в одном из направлений. Сферические или цилиндрические катки передают высокие контактные давления на поверхности грузового танка, контактирующего с ними, поэтому в этих местах предусматриваются высокопрочные опорные пластины 21.

Если опоры служат только для поддержания грузового танка, то их принято называть несущими (рис. 3, г), а если опоры удерживают грузовой танк от бокового смещения, то их называют упорно-несущими (рис. 3, д). Расстановка опор под грузовыми вкладными танками носит вполне последовательный характер. Упорно-несущие опоры 22 (рис. 3, е) устанавливают в ДП судна или вдоль миделевого сечения грузового танка. Несущие опоры 23 определяются сравнительно равномерно (рис. 3, з) по остальной поддерживаемой ими части днища призматического грузового танка. Верхняя часть танка обычно имеет только упорно-несущие опоры 26 (рис. 3, и). От продольного и поперечного смещения вкладные призматические грузовые танки удерживаются боковыми несущими опорами 23 (рис. 3, ж). Купола грузовых танков 25 также используются в качестве средства удержания грузового танка относительно палубных конструкций газовоза.

На выбор конструкции опор в значительной степени влияют условия переноса теплоты от корпусных конструкций судна к конструкциям грузовых танков. С позиций теплопереноса можно выделить две разновидности опор. Одна из них контактирует с грузовым танком через тепловую изоляцию (рис. 3, к), другая непосредственно с грузовым танком, а изолированию подлежит только стенка опоры (рис. 3, л). Второй тип опор конструктивно проще, нет необходимости подбирать твердые сорта изоляции, способные выдерживать нагрузки от действующих сил тяжести танка и груза.

На рис. 3, к, л приведены диаграммы изменения температуры опоры по их высоте. Температурный градиент принят обычным для судов, перевозящих СНГ. С наружной поверхности грузового танка температура -40 °C, расчетная температура окружающей среды 34 °C принята на поверхности корпусных конструкций газовоза. Как видно, при использовании опор первой разновидности значительный перепад температуры происходит в зоне, расположенной между обшивкой грузового танка и металлоконструкцией опоры. Для опоры второй разновидности характерно более плавное изменение температуры по высоте (рис. 3, л). Такие Общие вопросы конструкции судов-газовозовконструкции опор применяются в грузовых танках, поддерживающих танки в их экваториальном сечении (см. рис. 2, в).

Изоляционные материалы и методы их нанесения

Изоляция грузовых танков предусматривается на газовозах, транспортирующих сжиженные газы при атмосферном давлении с температурой кипения ниже -10 °C. Изоляция предназначена для снижения тепловых потерь сжиженного груза, а также для поддержания температуры корпусных конструкций не ниже минимально допустимой рабочей температуры, свойственной материалам корпусных конструкций. Расчетной температурой, лежащей в основе выбора параметров теплоизоляционной защиты окружающей среды, принимается температура воздуха 5 °C и температура морской воды 0 °C.

Температура окружающей среды, используемая для расчета тепловой изоляции, остается такой же, даже в тех случаях, когда корпусные конструкции снабжены устройствами подогрева.

Параметры теплоизоляционной защиты грузовых танков зависят от наличия системы регулирования температуры перевозимого груза. К таким системам относят Установка вторичного сжижения газа на судах-газовозах рефрижераторного типаустановки повторного сжижения или системы сжигания испарившегося груза в главных энергетических установках или в установках производства инертного газа. Изоляционные материалы, применяемые для защиты тепловых грузовых танков газовозов, принято разделять на три категории: твердые, мягкие и сыпучие.

Твердые теплоизоляционные материалы обычно выдерживают нагрузки, возникающие от действия сил тяжести грузовых танков с грузом, и используются в качестве обрешетника или в составе конструкций, фиксирующих грузовые танки относительно корпусных конструкций. К ним относят некоторые породы древесины, например бальзу, азоб, а также пенопласты с относительно высокой удельной плотностью, имеющие обычно плиточное исполнение.

Мягкие теплоизоляционные материалы не способны воспринимать сколько-нибудь существенные нагрузки. Такие материалы крепят к оболочкам грузовых танков при помощи фиксаторов или клея. К ним относят вату волокнистого исполнения, вспененный эбонит, а также пенопласты малой плотности.

Сыпучие материалы тепловой изоляции засыпают в пространстве вокруг изолируемого грузового танка или помещают в фанерные блоки, которыми обкладывают оболочку танка. Наиболее характерным видом таких материалов являются пробковая крошка, перлит, получаемый из вулканических пород. Перлит легко перемещается в изолирующем пространстве, не впитывает сжиженный газ после попадания в него, а также легко высушивается и может быть использован многократно после просушки.

К материалам тепловой изоляции грузовых танков газовозов предъявляется целый ряд требований. Они должны выдерживать нагрузки, которым могут быть подвергнуты в процессе эксплуатации судна, не должны впитывать в себя влагу, слеживаться, растворяться сжиженным газом, разрушаться под действием вибрации, а также быть негорючими, неспособными распространять пламя. Изоляционные материалы должны иметь минимальный коэффициент теплового расширения, обладать хорошей деадсорбцией газа и не образовывать трещины. Кроме перечисленных требований не менее важными для теплоизоляционных материалов являются их стоимостные показатели, а также технологические, в частности они должны быть пригодными для автоматизированного нанесения на поверхность грузовых танков. Поэтому Судостроительные материалытеплоизоляционные материалы подвергаются всесторонним испытаниям с целью определения приемлемости их свойств и механических характеристик, пригодности для использования в судовых условиях. Особо важны испытания материалов тепловой изоляции на старение, пористость, истирание, вибростойкость и долговечность. Некоторые физико-механические свойства изоляционных материалов судового назначения приведены в табл. 1. Для сравнения в таблице приведены теплофизические свойства неподвижного воздуха.

 
Важным является и испытание на долговечность искусственных теплоизоляционных материалов. Например, некоторые виды пенопластов наряду с их очевидными преимуществами имеют серьезные недостатки. При низких температурах некоторые сорта пенопластов проявляют склонность к рекристаллизации, ведущей к ухудшению их теплоизоляционных свойств. Ухудшаться могут теплоизоляционные свойства пенопластов в процессе длительной эксплуатации вследствие диффузии неконденсирующихся газов, проникающих в поры материала.

Тепловая изоляция грузовых танков газовозов может быть нанесена как снаружи, так и изнутри. В тех случаях, когда изоляционные материалы располагаются с внутренней стороны грузового танка, оцениваются еще и такие свойства, как сопротивляемость сжатию от давления сжиженного груза, сопротивляемость распространению усталостных трещин, совместимость с компонентами груза, а также адгезионные свойства изоляции. Учитывается также влияние воды на изоляцию и деабсорбция газа. Испытания свойств материалов тепловой изоляции проводят при температуре примерно на 5° ниже расчетной. Изоляционные материалы обычно не испытывают в температурном режиме ниже -196 °С.

Материалы, приведенные в табл. 1, являются только основными компонентами изоляции грузовых танков. Тепловая изоляция грузовых танков газовозов обычно состоит из нескольких слоев. На металлическую поверхность танка наносят антикоррозионный слой (битум, лак или краску). Поверх него укладывают основной слой изоляционных материалов, который и определяет термическое сопротивление при теплообмене сжиженного газа, находящегося в грузовом танке с окружающей средой. Поверх него наносят пароизоляционный и защитно-покровный слои. Последний защищает уложенные в изоляционное покрытие материалы от влаги, грызунов, механических повреждений.

Выбор метода нанесения тепловой изоляции зависит от формы изолируемой поверхности, типа используемого материала. Изоляционные материалы в плиточном исполнении обычно приклеиваются. Выбор марки клея зависит от вида склеиваемого материала и температурного режима эксплуатации. Для схватывания клея плиты должны быть обжаты, что требует соответствующей оснастки. Если плиточная изоляция укладывается в несколько слоев, то плиты последующих слоев приклеиваются к предыдущему так, чтобы стыки перекрывались не менее чем на 100 мм. Толщина клеевого слоя не должна превышать 2 мм, следовательно, и раскрой плит должен выполняться с такой же точностью.

Читайте также: Противообрастающие покрытия для борта и надстроек

Волокнистые материалы тепловой изоляции помещают в герметичные пакеты, что предотвращает распиливание волокна при его закреплении на грузовых танках. Этим снижается вредное воздействие мелких распыленных волокон на организм человека, работающего на укладке изоляции этого вида. В качестве обертки волокнистых материалов тепловой изоляции обычно используют трудносгораемые защитные пленки. В целях предотвращения усадки изоляционных волокнистых материалов под действием собственной тяжести и вибрации их надлежит уплотнить при монтаже. Пакеты с волокнистой изоляцией крепятся клеями. Если толщина изоляционного слоя превышает 80 мм, то для удержания пакетов с волокнистой изоляцией используется обрешетник.

Сыпучие материалы, такие как перлит, пробковую крошку, используют в основном в фанерных блоках, которые закрепляют на вертикальных стойках, связанных с корпусными конструкциями судна. Стыки между блоками заполняют изолирующей мастикой. Иногда пенопластовую или пробковую крошку смешивают с изолировочной мастикой для нанесения изоляции методом обмазки в труднодоступных местах грузовых танков и отдельных участков трубопроводов.

К заливаемым изоляционным материалам относят пенопласты, исходные компоненты которых смешивают и дозируют в небольших переносных установках непосредственно перед нанесением тепловой изоляции на грузовые танки. Установки по смешиванию компонентов заливаемых теплоизоляционных материалов состоят из двух насосов-дозаторов и смесительной камеры. Напыляемые теплоизоляционные материалы также смешивают из отдельных компонентов непосредственно перед их нанесением на изолируемую поверхность. Напыление обычно ведут вручную. Полиуретановые пенопласты напыляют струей воздуха из распылителя, в процессе чего они воспламеняются, попадая на изолируемую поверхность, и затвердевают. Заливаемые и напыляемые пенопласты при вспенивании увеличиваются в объеме примерно в 30 раз. При использовании такой технологии нанесения тепловой изоляции стыковочные швы не образуются.

Перспективные лакокрасочные и конструкционные материалы для судов и кораблейИзоляционные материалы, используемые на газовозах, не должны впитывать воду. Высокой стойкостью к диффузии воды обладают пенистый полихлорвинил, пенополиуретан, ячеистый эбонит. Менее стойки к диффузии воды перлит, минеральная вата. Для защиты изоляционных материалов от влаги на газовозах применяют специальные покрытия. Они состоят из полиэфирных смол, армированных стекловолокном. Наносят их методом напыления или обмазки. Гидрозащитные покрытия наносятся сравнительно толстым слоем, что позволяет избегать растрескивания покрытия, а следовательно, и потери его прочности. В качестве гидрозащитного покрытия используют асфальтовую эмульсию, армированную стекловолокном, а также алюминиевую фольгу, наклеиваемую непосредственно на пенополиуретановые плиты посредством огнестойкой мастики.

Покрытия изоляционных материалов тех частей грузовых танков, которые находятся выше уровня верхней палубы газовоза, должны быть покрыты негорючими материалами. Если материалы тепловой изоляции относятся к категории материалов, не поддерживающих горение, то части грузовых танков, выступающие над уровнем верхней палубы, надлежит покрыть стальным кожухом.

Возгораемость изоляционных материалов принято оценивать с помощью показателя возгораемости

где:

• q₀ – количество тепла, выделяемое образцом материала, подвергнутого сжиганию;
• q_и – количество тепла, выделяемое источником поджигания в процессе испытаний.

При k ≤ 0,1 материал считается несгораемым, при 0,1 < k ≤ 0,5 – трудносгораемым, при 0,5 < k ≤ 2,1 – трудновоспламеняемым. В качестве изоляционных материалов, используемых на газовозах, материалы со значением k > 0,6 использовать нельзя.

Конструкции изоляции грузовых танков газовозов должны иметь минимум деталей, обладающих повышенным коэффициентом теплопроводности. К таким деталям относятся металлические скобы, шпильки, планки, обрешетник и т. п. Поверхность обрешетника, если в конструкции тепловой изоляции обойтись без него невозможно, соприкасающаяся с конструкциями грузового танка или корпуса газовоза должна быть минимальной. Материалы, применяемые в судоремонтеТепловая изоляция накладывается на поверхности, содержащие набор, по-разному. Изоляция, не прорезаемая набором, имеет такую толщину, что покрывает изолируемую поверхность и набор равномерным слоем. Изоляция, перекрывающая набор, крепится к пояскам набора и укладывается поверх них. Изоляция, обходящая набор, раздельно изолирует гладкие поверхности и набор, расположенный на них. При нанесении тепловой изоляции внутри грузовых танков предпочтение отдается изоляции, не прорезаемой набором. Если же тепловая изоляция наносится на грузовые танки, имеющие наружное расположение набора, то чаще используется изоляция, перекрывающая набор. Нанесение изоляции, обходящей набор, – более трудоемкий процесс, который практически не поддается автоматизации.

Детальный анализ современных газовозов показал, что некоторым видам изоляционных материалов отдается предпочтение, выбор их зависит от типа грузовых танков. Для изолирования вкладных призматических грузовых танков чаще используют:

• бальзовую древесину и полиуретановую пену;
• поливинилхлорид и пенополиуретан;
• стекловолокно (стекловату);
• пенополиуретан.

В качестве тепловой изоляции вкладных сферических грузовых танков обычно применяют такие материалы, как полиуретан, перлит и полиуретан, стекловолокна в состав изоляции вкладных цилиндрических грузовых танков газовозов нередко используют перлит и поливинилхлорид. При конструировании тепловой изоляции мембранных грузовых танков предпочтение отдают бальзовой древесине, а также перлиту, помещаемому в фанерные блоки. В качестве изоляции полумембранных грузовых танков используют стекловату или стекловолокно.

Выбор материала, тепловой изоляции грузовых танков определяется технологией их нанесения. В связи с этим каждому типу грузовых танков свойственны определенная конструкция изоляции, вид используемых в ее составе материалов и креплений, а также конкретная технология нанесения изоляции. По мере увеличения толщины изоляции приток наружного тепла в грузовой танк уменьшается, что приводит к уменьшению количества испарившегося танка. Наибольшая Концепция конструкции грузовой системы морских газовозовтолщина тепловой изоляции грузовых танков, например метановозов, лежит в пределах 400-500 мм.

На рис. 4 показана конструкция изоляции грузовых танков трех типов: полумембранного, содержащего частичный вторичный барьер, призматического с двойной обшивкой грузового танка, а также мембранного танка. Фрагмент общей конструкции полумембранного грузового танка, его изоляции и части вторичного барьера показан на рис. 4, а. Он подразделяется на две части – конструкцию изоляции, в которую входит частичный вторичный барьер, и конструкцию, в которой вторичный барьер отсутствует. На участке, где вторичный барьер отсутствует, изоляция состоит из слоя полиуретана 4, нанесенного на обшивку 5 корпуса газовоза, и слоя стекловолокна 2, примыкающего к обшивке 1 полумембранного грузового танка. Слои тепловой изоляции из пенополиуретана, расположенные ближе к стекловолокну, армированы капроновой сетью 3.

Частичный вторичный барьер, состоящий из щитов бальзового дерева 8, уложенных в несколько слоев и обшитых фанерой 7, опирается через бруски обрешетника 6 на корпусные конструкции газовоза. Между вторичным барьером и обшивкой полумембранного грузового танка 1 располагается слой тепловой изоляции 2, состоящий из стекловолокна. Между вторичным барьером и корпусом судна уложен слой пенополиуретана. Стыки между бальзовыми щитами вторичного барьера заливаются формовочной поливинилхлоридной мастикой 9.

Конструкция тепловой изоляции вкладного призматического грузового танка с двойной обшивкой, в которой Наружная обшивка и подкрепляющий ее наборнаружная обшивка выполняет функции вторичного барьера, показана на рис. 4, б. Видно, что вертикальные 11 и горизонтальные 13 балки набора закреплены на внутренней обшивке 10, а наружная обшивка 14 соединена со свободными поясками 12 наружного набора 11 и 13 посредством сварки, выполняемой через шлицы 15. Между наружной обшивкой 14 грузового танка и корпусными конструкциями 19 расположены два слоя пенополиуретановой изоляции 16, фанерная прослойка 17 и слой алюминиевой фольги 18. Фанерная прослойка 17 поддерживает изоляцию, сама же крепится к корпусу судна с помощью шпилек.

Конструкция тепловой изоляции мембранного танка, в которой в основном используется бальзовая древесина, показана на рис. 4, в. На этом рисунке приведен фрагмент углового участка мембранного танка как наиболее характерный. Как видно, мембранная обшивка 34 гофрированного типа опирается на бруски деревянного обрешетника 31, а угловая соединительная мембранная полоса 28 опирается и на угловую прокладку 26. Бруски деревянного обрешетника 31, примыкающие к угловому соединению днищевой части мембранного танка, с бортовой соединены угловой прокладкой 26 с помощью соединительного угольника 30 на шурупах 29.

Бальзовая древесина достаточно прочна, чтобы передавать нагрузки, возникающие от сил тяжести грузового танка с грузом на корпусные конструкции. Кроме того, бальза – дополнительный барьер, препятствующий распространению сжиженного груза в случае повреждения первичной мембраны. Зашивка с двух сторон бальзовых щитов повышает надежность конструкции вторичного барьера. Такой вторичный барьер (рис. 4, в) состоит из фанерной зашивки 35 и 36, трехслойных бальзовых щитов 25, стыки 33 между ними заформованы пенополивинилхлоридной мастикой. Стык покрыт фанерной планкой 32. Угловой стык вторичного барьера поддерживается угольником 27 и герметизируется полосой из стеклоткани, пропитанной мастикой.

Вторичный барьер грузового танка опирается на корпусные конструкции 20 газовоза через брусья деревянного обрешетника 21. Брусья обрешетника крепятся к корпусу 20 с помощью шпилек 23 и гаек 24, а также поддерживаются угольниками 22. Промежутки между балками обрешетника 21 могут быть заполнены сыпучими или волокнистыми изоляционными материалами.

Тепловая изоляция двухмембранных грузовых танков имеет свои конструктивные особенности. В качестве вторичного барьера используются мембранная оболочка, подобная по конструкции первичному барьеру, а также тепловая изоляция, помещаемая в фанерные блоки (рис. 5, а). Блоки вторичной изоляции 2 прижимаются к обшивке 1 корпуса газовоза швеллерами 7, устанавливаемыми вертикально. По концам швеллеров 7 имеются штыри 6, которые заводятся в отверстия, выполненные в скобках 5. На станках 8, устанавливаемых на расстоянии, кратном ширине изоляционных блоков, расположены шпильки 4, на которые нанесены скобы 5 и обжаты гайками 3. Узел крепления швеллера 7 к стакану 8 показан на рис. 5, б. Крепление блоков 9 первичной изоляции к швеллерам 7 показано на рис. 5, в. Как видно, для крепления используются болты 16 с четырехугольными шайбами 15. Болты 16 ввинчиваются в полки швеллеров 7.

Вторичная мембрана 10 грузового танка посредством контактной сварки крепится к Г-образным полосам 11, заведенным в пазы, расположенные на блоках 2 вторичной изоляции (см. рис. 5, а). Ширина изоляционных блоков обычно согласуется с шириной листового инвара, используемого для формирования оболочек грузового танка. Полоса инвара имеет ширину, достаточную для того, чтобы по ее краям отогнуть фланцы и приварить их к Г-образным полосам 11. Мембраны первичного 12 и вторичного 10 барьеров формируются по единой технологической схеме.

Предлагается к прочтению: Краткие сведения по эксплуатации систем автоматики и тренажерам автоматизированных СЭУ

Швеллер 7 располагается в межбарьерном пространстве, и, чтобы его закрепить между скобами 5, необходимо обеспечить проход шпильки 4 через мембранную оболочку вторичного барьера 10. С этой целью в оболочке 10 проделывают отверстия по диаметру шпилек 4. Герметичность оболочки 10 вторичного барьера в местах установки шпилек 4 обеспечивается с помощью прокладок 14, обжимаемых шайбами 13 при закреплении скоб 5 гайками 3 (см. рис. 5, б).

На рис. 5, г дано изопараметрическое изображение всей конструкции изоляции двухмембранного грузового танка. Видно крепление блоков вторичной изоляции 2 к корпусу 1 газовоза с помощью шпилек 18, привариваемых к корпусу, и шайб 17 прямоугольной формы. Подобными шайбами 15 и болтами 16 блоки 9 первичной изоляции крепятся к расположенным вертикально швеллерам 7.

Технология нанесения тепловой изоляции грузовых танков мембранного типа требует особо тщательного исполнения монтажных работ, которые довольно часто приходится выполнять вручную. В качестве примера на рис. 6 показана общая технологическая схема нанесения тепловой изоляции на газовозах с танками двухмембранного типа. Технологическая поточная линия, обеспечивающая нанесение изолирующей мастики на блоки с тепловой изоляцией, показана на рис. 6, а. Блоки 6 поступают по ленточному транспортеру 5 под шприцевальную установку 4. Изоляционная мастика подается на одну из поверхностей блока 6 через коллектор 3, который обеспечивает равномерную укладку мастики в виде пяти валиков 2. Далее блоки изоляции с нанесенной на них мастикой перемещаются по рольгангу 1 в грузовые помещения газовоза, где они монтируются.

Предварительно на борту судна монтируются направляющие брусья, необходимые для крепления блоков тепловой изоляции (рис. 6, б). Деревянные направляющие брусья 7 устанавливаются горизонтально на расстоянии 2,5 м друг от друга. Крепятся они к корпусным конструкциям газовоза 12 с помощью Т-образных профилей 9 и гвоздей 8. Профили 9 привариваются своим основанием к обшивке корпуса 12. Для уплотнения мест контакта брусьев 7 с корпусными конструкциями используется изоляционная мастика, которая подается через специально предусмотренные отверстия в деревянных направляющих брусьях. Средством подачи мастики в отверстия является переносное шприцующее устройство 10, к которому мастика подается по гибким шлангам 11.

В промежутке между направляющими блоками 7 в пять ярусов укладываются теплоизоляционные блоки 6 (рис. 6, в). Стороны блоков 6, на которые нанесены валики 5 изоляционной мастики, обращены к обшивке 12 корпуса газовоза. Блоки выравниваются швеллером 13, пространство между блоками заполняется мастикой. Собранный таким образом изоляционный слой показан на рис. 6, г. Для удобства монтажа швеллер 13 снабжен ручками 14.

Читайте также: Грузовые и грузопассажирские морские транспортные суда

На готовый изоляционный слой наносится оболочка мембранного танка (рис. 6, д). Формированию оболочки танка предшествует установка на изоляционных блоках Г-образных полос 21. Для сборки обшивки мембранного грузового танка используется подвижный контейнер 16 со смотанной в рулон лентой 17 из инвара. Контейнер 16 установлен на подвижной раме, позволяющей поднимать и опускать его до уровня укладки ленты инвара на готовый слой тепловой изоляции. Рама 18 с контейнером 16 перемещается по временному дощатому настилу 19, возведенному на лесах внутри грузового танка.

При формировании оболочки мембранного грузового танка лента инвара 17 подается из рулона, расположенного на раме 18, к вальцам 20, позволяющим не только протягивать ленту, но и отгибать фланцы с двух ее сторон. Чтобы лента с отогнутыми фланцами удерживалась между закрепленными на изолировочных блоках 6 полосами 21, предусмотрены подпружиненные ролики 15. Пружины ролика 15 закрепляются за отверстия, сделанные в той части полосы, которая выступает над уровнем отогнутых фланцев ленты 17.

Герметизация мембранной оболочки грузового танка выполняется обычно роликовой контактной сваркой или сваркой трением. Однако предварительная фиксация полос инвара 17 с Г-образными полосами 21 производится контактной сваркой (рис. 6, е). На сварочном контейнере – четыре прижимных ролика 22 и два тянущих ролика 28. Тянущие ролики 23 имеют несколько наклоненную ось вращения, что позволяет проводить с их помощью не только продольное перемещение сварочного контейнера, но и выполнять обтяжку полос 21 относительно отогнутых фланцев листа 17. На рис. 6, ж, з в двух проекциях показано взаимодействие прижимных роликов 22 и тянущих роликов 23. Стрелками показаны усилия, возникающие при их взаимодействии.

Технология нанесения тепловой изоляции на Общие вопросы проектирования газовозовгрузовые танки вкладного типа значительно отличается от технологии изолирования мембранных грузовых танков. Дело в том, что изготовление вкладных грузовых танков не зависит от степени готовности тепловой изоляции танка. Блоки теплоизоляционного материала могут быть нанесены на оболочку вкладного грузового танка только после окончательной ее сборки, мембранные же танки обычно формируются параллельно с монтажом изоляции.

Сечение тепловой изоляции вкладного грузового танка, сформированной из блоков пенополистирола, показано на рис. 7, а. Первичные блоки 1 размерами 1,2 × 1,2 м и укладываются на клею поверх оболочки грузового танка 4. Укладка блоков ведется обычно вручную. Между блоками предусматриваются эластичные вставки 3, предназначенные для компенсации напряжений, которые могут возникнуть в тепловой изоляции при термических деформациях грузового танка. Блоки 1 обтягиваются сеткой 5, выполненной из стекловолокна.

Поверх стенки наносятся вторичные блоки 7 и фиксируются на клею. Между блоками 7 также предусматриваются эластичные вставки 2. Различные виды судовых покрытий на основе современных полимеровНаружный влагозащитный слой 6, покрывающий два слоя теплоизоляционных блоков, выполняется из алюминиевой фольги.

Более производителен способ нанесения тепловой изоляции в виде ленты (рис. 7, б). Поскольку при таком способе нанесения тепловой изоляции трудно включить эластичные вставки, позволяющие компенсировать тепловые деформации грузового танка, прочность материала обычно рассчитана на касательные напряжения, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации танка. В связи с этим в окружном направлении изоляция армируется сеткой из стекловолокна, а в меридианальном с внутренней стороны изоляционной ленты делаются небольшие компенсационные пазы. В качестве материала изоляции используется полистирол. Лента от места непрерывного формирования 9 подается по транспортерам 8 к нижней и к верхней частям сферического грузового танка, где расположено по одной подвижной поворотной стреле 10. Каждая из стрел 10 способна вращаться вокруг грузового танка, нанося слой за слоем теплоизоляционную ленту и соединяя слои между собой сварочной (для полистирола) головкой. Нижняя поворотная стрела закрепляется на временном фундаменте, устанавливаемом непосредственно на втором дне, верхняя – на временной монтажной платформе 11, имеющей защитное от непогоды покрытие 12. Функционирование оборудования для намотки тепловой изоляции на оболочку вкладного сферического грузового танка невозможно без наличия зазора между грузовым танком и корпусом судна не менее 700-800 мм.

Повышению технико-экономических показателей строительства газовозов должно, как предполагают, способствовать применение внутренней изоляции. Два фрагмента такой изоляции, применяемой на грузовых танках мембранного типа, показаны на рис. 8, а, б. В одном случае предусматривается установка деревянного обрешетника 5 непосредственно на корпусные конструкции 6. Промежутки 4 между обрешетником заполняются или полиуретановой пеной или теплоизоляцией из стекловолокна. Обрешетник и изоляцию покрывают фанерой 3, поверх нее укладывают мембранную оболочку грузового танка, выполненную из тонколистового инвара. Мембранную оболочку грузового танка покрывают толстым слоем внутренней изоляции 1, в основе которой – пенополифениленоксид (рис. 3, а).

В другом случае (рис. 8, б) на обшивку корпуса 6 судна наносится слой пенополиуретановой изоляции 8, который выравнивается фанерой 3. На фанеру 3 в несколько слоев укладываются доски бальзовой древесины 7. Мембранная оболочка 2 грузового танка находится между бальзовыми досками 7 и слоем пенополифениленоксидной изоляции 1. Этот слой изоляции является непроницаемым для сжиженного газа и поэтому выполняет функции первичного барьера; мембранная оболочка 2 грузового танка является вторичным барьером.

Это интересно: Загрязнение атмосферы

Конструкция внутренней изоляции вкладных грузовых танков имеет незначительные отличия от конструкции однотипной изоляции мембранных танков. В одном случае, на обшивку грузового танка 9 крепится обрешетник 5, пространство 4 между его брусьями заполняется пенополиуретаном или стекловолокном (рис. 8, в). Обрешетник покрывается фанерой 3, на которую укладываются доски бальзовой древесины 7 в три-четыре слоя. Стыки между ними заполняются мастикой. Слой изоляций 1, входящий в соприкосновение со сжиженным газом, выполняется из пенополифениленоксида.

Слой такого же материала 1 применен и во фрагменте внутренней изоляции, изображенном на рис. 8, г. Он наносится на фанеру 3, покрывающую слой поливинилхлоридной изоляции 8, армированной неметаллической сеткой 10. Фанера 3 позволяет выравнивать слой поливинилхлоридной изоляции, наносимый непосредственно на оболочку 9 вкладного грузового танка.

Перспективным в конструировании внутренней тепловой изоляции считается направление, в соответствии с которым теплоизоляционные материалы предполагается наносить на внутренние поверхности грузовых танков методом напыления. Такая технология уменьшает трудоемкость работ при формировании внутренних теплоизоляционных покрытий грузовых танков газовозов.

Расчет теплоотдачи и теплоизоляции грузосодержащих систем

Эффективность теплоизоляционной защиты грузовых танков, грузосодержащих трубопроводов и арматуры определяет тепловую нагрузку на транспортируемый сжиженный газ, от чего в свою очередь зависит производительность установок повторного сжижения газа, грузовместимость и провозоспособность судна, а также его строительная стоимость. Расчеты, связанные с оценкой эффективности тепловой изоляции грузовых танков, выполняют с целью определения количества теплоты, поступающей к сжиженному газу и вызывающей его интенсивное испарение. Зная количество теплоты, поступающей в грузовой танк, можно оценить количество испаряющегося газа и рационально им распорядиться: использовать в судовых энергетических установках или подвергнуть повторному сжижению. Еще одна цель, которая преследуется при расчетах эффективности тепловой изоляции грузовых танков, – это оценка интенсивности воздействия низкотемпературного груза на температуру корпусных конструкций. Расчеты количества теплоты, поступающей в грузовые танки газовоза, и температуры корпусных конструкций, защищенных тепловой изоляцией, выполняют в соответствии с зонами стационарных тепловых потоков. Основу этих вычислений составляют прямое определение коэффициента теплопередачи и анализ строения температурных полей на различных участках тепловой изоляции.

Зоны стационарных тепловых потоков, расположенные вокруг грузовых танков газовоза с танками призматической (а) и сферической (б) форм, показаны на рис. 9. Для зоны 1 газовоза с прямостенной формой грузового танка характерно постоянство расстояния между наружной обшивкой танка и настилом Изготовление палубы судна из стеклопластикапалубы судна (рис. 9, а). В районе подпалубной цистерны (зона 2) расстояние между обшивками борта, палубы судна и оболочкой грузового танка не одинаково, однако с некоторым допущением можно считать, что в пределах этой зоны тепловой поток стационарен. Зоны 3 и 1 подобны, отличие между ними состоит лишь в различном расстоянии между наружной обшивкой судна и оболочкой грузового танка. В одном случае оно равно высоте рамного бимса и толщине тепловой изоляции, в другом к изоляции добавляется или высота профиля шпангоута, или ширина двойного борта газовоза. Стационарные тепловые потоки зон 1-3 определяются расчетной температурой воздуха и воздействием солнечной радиации, зон 4-6 – расчетной температурой морской воды.

У газовоза со сферической формой грузового танка (рис. 9, б) солнечная радиация учитывается в тепловых потоках зон 1 и 2. Конструкции зон 3-5 газовоза со сферическими грузовыми танками и зон 4-6 газовоза с прямостенными грузовыми танками аналогичны.

Расчленив грузовой танк на зоны стационарных тепловых потоков, можно рационально распределить материалы тепловой изоляции вокруг грузовых танков. Для каждой из выделенных зон теплота, проникающая из окружающей среды к грузовым танкам, может быть определена следующей зависимостью:

где:

• k_i – коэффициент теплопередачи i-й зоны, Вт(м² · K);
• F_i – поверхность i-й зоны;
• θ_н, θ – температура окружающей среды и груза;
• τ – время, ч.

Суммарный тепловой поток, поступающий из окружающей среды в грузовой танк,

где:

• n – число зон с равномерным распределением теплового потока.

Так как размеры грузовых танков современных газовозов значительные, можно считать, что к танкам всех типов применимы зависимости, разработанные для теплообмена через плоскую стенку.

Проектирование тепловой изоляции грузовых танков газовозов выполняется итерационным путем. Этому предшествует выбор типа материала, его конструктивная схема крепления, а также технология формирования изоляционного покрытия. Решения, принятые на этом этапе проектирования, значительно влияют на технико-экономические показатели тепловой изоляции и газовоза в целом. Такие показатели, как значение удельного теплового потока q_f, коэффициент теплопередачи k и толщина теплоизоляционного покрытия Δ_и, тесно связаны между собой. Варьируя толщину тепловой изоляции Δ_и, определяют коэффициент теплопередачи k. Физические свойства СПГ, подготовка к перевозке моремУдельный тепловой поток q_f зависит от температуры сжиженного груза и температуры окружающей среды. При температуре окружающего воздуха, например, 20 °С значения q_f нормируются.

На следующем этапе проектирования тепловой изоляции определяют наименьшую толщину изоляции, которая исключает конденсацию водяного пара на корпусных конструкциях газовоза. Далее рассчитывают укрупненные стоимостные показатели, необходимые для технико-экономического анализа проектируемого теплоизоляционного покрытия.

Наружные поверхности корпусных конструкций газовоза подвержены воздействию прямой или отраженной от поверхности моря солнечной радиации Í. Интенсивность ее (Вт/м²) определяется полным количеством лучистой энергии, падающей на единицу поверхности в единицу времени. Часть этой энергии отражается в окружающее пространство, часть поглощается корпусными конструкциями. Поглощаемая теплота εÍ повышает температуру облучаемой поверхности корпусных конструкций газовоза. Тогда количество теплоты Q_п, проникающее в единицу времени через изолированное покрытие в грузовой танк, определяется не температурой окружающего воздуха θ_н, а температурой поверхности наружных корпусных конструкций t_к. Для i-й зоны стационарного теплового потока можно записать:

где:

• α_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности корпуса в окружающую среду;
• k_i – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² · K);
• θ – температура внутри грузового танка, K;
• F_i – площадь поверхности, освещаемая солнечными лучами, м².

Уравнение теплового баланса, в котором переход теплоты в воду по металлическим конструкциям корпуса газовоза не учитывается, имеет вид:

где:

• Q_c = ε_iÍF_i – вся теплота, поглощенная наружной обшивкой газовоза;
• Q_к = α_н (t_к – θ_н)F_i – теплота, отданная конвекцией окружающему воздуху;
• Q_п – теплота, проникшая через изолированную поверхность, определяемая по формуле 3.

Следовательно, уравнение 4 можно записать иначе:

Температура наружной судовой поверхности (конструкции)

Суммировав по зонам стационарные Безопасность газовозов и источники воспламенения газовтепловые потоки газовоза, а также подставив формулу 5 в формулу 3, получим выражение для полного теплового потока, проходящего через теплоизоляционный слой грузового танка:

Расчетные среднесуточные значения интенсивности солнечной радиации можно принимать постоянными. Для горизонтальных поверхностей Í = 325,6 Вт/м², для вертикальных – Í = 174,5 Вт/м². Коэффициент поглощения солнечных лучей ε зависит от материала, его шероховатости и окраски. Для стальных корпусных конструкций белой окраски ε = 0,12÷ 0,40, серой ε = 0,50 ÷ 0,70. Следует учитывать, что оба борта газовоза не могут быть подвергнуты воздействию солнечной радиации, поэтому радиационный поток следует учитывать лишь для одного из них.

Количество теплоты, проходящее через тепловую изоляцию той части грузового танка, которая расположена ниже ватерлинии,

где:

• t_в – расчетная температура морской воды, K;
• F_0i – площадь ватерлинии наружной обшивки корпуса газовоза, м², находящейся ниже ватерлинии.

Тепловая изоляция, покрывающая оболочку грузового танка, может иметь плоскую, цилиндрическую или сферическую многослойную конструкцию. Для плоской многослойной тепловой изоляции коэффициент теплопередачи

где:

• α_и и α_в – коэффициент теплоотдачи со стороны наружной и внутренней поверхностей тепловой изоляции, Вт/(м² · K) (например, α_в = 12 ÷ 58 Вт/(м² · K) – для метановоза в балластном переходе, α_в = 1 050 ÷ 1 510 Вт/(м² · K) – для метановоза в грузу);
• δ_j – толщина каждого отдельного слоя тепловой изоляции;
• λ_j – коэффициент теплопроводности каждого слоя;
• j – порядковый номер слоя;
• m – количество слоев.

Выражение 8 применимо и для расчета коэффициента теплопередачи изоляции цилиндрических и сферических грузовых танков большого диаметра. Если многослойная тепловая изоляция содержит воздушную прослойку, то полный коэффициент теплопередачи

где:

• B_в – термическое сопротивление воздушной прослойки, (м² · K)/Вт.

Термическим сопротивлением теплопроводности стальной обшивки корпуса газовоза и обшивки грузового танка принято пренебрегать. Температура наружной поверхности теплоизоляционного слоя может быть определена по формуле:

где:

• k – определяется согласно формуле 8.

Температура внутренней поверхности изоляционного слоя

На стыке двух слоев тепловой изоляции, например между (j-1)-м и j-м слоями, температура

Внутри любого теплоизоляционного слоя на расстоянии х от его наружной поверхности температура

где:

• j – номер изоляционного слоя, отсчитываемый от наружной поверхности тепловой изоляции.

Если между тепловой изоляцией грузового танка газовоза и обшивкой корпуса имеется воздушная прослойка, то температура на границе между стальным корпусом и воздушной прослойкой

Температура на границе между воздушной прослойкой и тепловой изоляцией определяется зависимостью

где:

• λ_и, λ_н – коэффициент теплопроводности внутреннего и наружного слоев изоляции, Вт/(м · K).

Как известно, изолированию подлежат не только грузовые танки газовозов, но и трубопроводы грузовых систем. Линейный коэффициент теплопередачи (отнесенный к одному погонному метру трубопровода) для цилиндрической многослойной изоляции можно определить, пользуясь зависимостью

где:

• r_т – наружный радиус трубопровода;
• r_и, r_н – радиус внутреннего изоляционного слоя и наружного защитного;
• λ_и, λ_н – коэффициент теплопроводности внутреннего слоя изоляции и защитного слоя;
• α_н, α_в – коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней поверхностей тепловой изоляции.

Тепловой поток трубопровода длиной L

где:

• θ – температура сжиженного газа, находящегося в трубопроводе, K;
• t_н – средняя температура среды, окружающей грузовой трубопровод, K.

В некоторых конструкциях мембранных танков газовозов предусматривают использование тонких мембран в качестве первичного и вторичного барьеров. При этом вторичная мембрана располагается между двумя слоями тепловой изоляции. Полный коэффициент теплопередачи через вторичный барьер и теплоизоляцию, наложенную с двух сторон,

где:

• k₁ и k₂ – коэффициенты теплопередачи каждой стороны мембраны вторичного барьера;
• α₁, α₂ – коэффициенты теплоотдачи через изоляцию, расположенную снаружи вторичного барьера и внутри него.

Среди конструкций тепловой изоляции грузовых танков газовозов распространены такие, у которых волокнистая или другая изоляция мягкого типа размещается между обрешетником бальзовой древесины. Обрешетник передает нагрузки от грузового танка на корпусные конструкции. Обрешетник вносит изменения в Тепловое состояние и охлаждение форсуноктепловые потоки, проходящие через изоляцию такой конструкции. При параллельном соединении тепловых зон тепловые потоки нужно суммировать. Для периодически повторяющихся участков, имеющих различные теплоизоляционные материалы, коэффициент теплопередачи может быть определен по формуле:

где:

• b_д, b_и – ширина брусьев деревянного обрешетника и ширина укладки мягкого изоляционного материала, м, уплотненного между брусьями обрешетника;
• l – размер, определяющий протяженность обрешетника, м.

Для одномерного и двумерного температурных полей величин l сокращается, поэтому в расчетах можно принять l = 1.

Как уже отмечено, при проектировании теплоизоляционных покрытий грузовых танков газовозов используются значения удельного теплового потока, который представляет собой отношение полного теплового потока к площади поверхности, через которую проходит данный поток. На этом основании вместо формул 6, 7 и 17 можно записать выражения для определения удельных тепловых потоков

Толщина теплоизоляционного слоя грузового танка газовоза

где:

• λ_и – теплопроводность изоляционного слоя, Вт/(м · K);
• q – удельный тепловой поток, определяемый по одной из зависимостей (Формулы 20, 21) или по нормативным таблицам.

Толщина изоляционного покрытия трубопровода с наружным диаметром d_н

где наружный диаметр изолированной конструкции, м, определяется из следующего уравнения:

Удельный тепловой поток q_т определяется по формуле 22 или по табличным данным.

При решении уравнения 25 следует варьировать величину d_н. Сходимость итерационного поиска решений хорошая, это обеспечивает сравнительно быстрый поиск искомой величины.

Приведенные выше зависимости могут быть использованы в проектных расчетах эффективности тепловой изоляции. Выбрав тип изоляционного покрытия, его конструкцию и технологию нанесения на оболочки грузовых танков и трубопроводы, содержащие сжиженный груз, в первом приближении задают толщину теплоизоляционного покрытия. Тогда исходными величинами для расчета являются: коэффициенты теплоотдачи α_н и α_в, толщины каждого отдельного слоя изоляции δ_j если изоляция многослойна, коэффициенты теплопроводности λ_j и общее количество слоев тепловой изоляции m. Если конструкцией тепловой изоляции предусматривается наличие воздушной прослойки, то известным считается и ее термическое сопротивление B_в.

Коэффициенты теплопередачи определяют по формулам 8, 9. Для расчета коэффициента теплопередачи двухмембранных грузовых танков используют выражение 18. Коэффициент теплопроводности изоляции трубопроводов находят согласно формуле 16.

Предлагается к прочтению: Безопасность газовозов и источники воспламенения газов

Величину теплового потока, проходящего через тепловую изоляцию грузового танка газовоза, определяют с учетом расчленения судна на зоны стационарных тепловых потоков по формулам 6 и 7. Тепловой поток, проходящий через теплоизоляцию трубопровода, определяется по формуле 17. Коэффициент теплопроводности изоляции, подкрепленной обрешетником, можно найти, воспользовавшись формулой 19, удельные тепловые потоки, проходящие через изоляцию, – (Формулы 20-22). Найденные значения сравнивают с нормативными.

Возможности конденсирования влаги на корпусных конструкциях газовоза, расположенных вблизи тепловой изоляции грузовых танков, оценивают по формулам, позволяющим определить температуру различных слоев изоляции – формулы 10-15. Значение толщины теплоизоляционного слоя грузового танка, найденная по формуле 23, может совпасть со значением толщины этого слоя, принятым на начальном этапе проектирования, или не совпасть. Если параметры тепловой изоляции не отвечают оптимальным, то следует варьировать толщину изоляции, а расчеты повторить.

Технико-экономическое обоснование проектируемой тепловой изоляции выполняется после каждого изменения ее толщины, а также после изменения конструкции или технологии нанесения на грузовые танки. Заключительным этапом проектирования теплоизоляционной защиты грузовых танков является разработка технологической оснастки монтажа изоляции и контроль ее качества.

Теплофизические и прочностные свойства изоляции тесно связаны между собой. Иногда расчеты по оценке эффективности тепловой защиты изоляции грузовых танков проводятся параллельно с расчетами ее прочности. Если тепловая изоляция формируется из отдельных блоков или из щитов бальзовой древесины, то вопрос о прочности изоляции обычно не возникает. Бальза способна выдерживать контактные давления до 25-39 МПа, прочность фанерных блоков, заполняемых мягкой или сыпучей тепловой изоляцией, может изменяться в значительных пределах за счет постановки внутренних диафрагм.

Расчет прочности газовозовОценка прочности тепловой изоляции обязательна при спиральном ее нанесении на поверхность сферических вкладных грузовых танков, поскольку при этом образуется монолитное изоляционное покрытие (рис. 10). Термические деформации приводят к возникновению касательных напряжений в слоях изоляции, непосредственно примыкающих к обшивке грузового танка. В окружном направлении прочность изоляционного покрытия увеличивают с помощью стекловолокнистой сетки. В меридианальном направлении тепловая изоляция освобождается от напряжений с помощью небольших тепловых пазов. Излом кривой 1 объясняется условиями подвижности компенсационных пазов, устанавливаемых между спиральными витками тепловой изоляции. Прямая 3 на этом же рисунке отражает изменение температуры изоляции в зависимости от расстояния точки измерения температуры от наружной поверхности вкладного сферического грузового танка.

Экономическая оценка различных материалов применяемой на газовозах тепловой изоляции – одна из завершающих стадий ее проектирования. Оптимальную толщину тепловой изоляции определяют в соответствии с оценкой технико-экономических показателей всего судна. Основными показателями экономической эффективности газовозов являются: строительная стоимость C, годовые эксплуатационные расходы E, годовая провозоспособность P и срок окупаемости капитальных вложений T. Изменение толщины изоляции грузовых танков в общепризнанных пределах не сказывается на изменении скорости судна, определяющей его провозоспособность. Однако от толщины тепловой изоляции вследствие Грузовые операции на газовозах морского типаиспарения груза в течение рейса зависит в конечном счете провозоспособность газовоза. Толщина изоляции сказывается и на экономических затратах, связанных со строительством и эксплуатацией судовых установок поворотного сжижения груза, паровых котлов, работающих на жидких и газообразных сортах топлива.

При экономической оценке эффективности тепловой изоляции грузовых танков газовозов в качестве основного показателя приняты суммарные удельные приведенные затраты Z. Их можно определить по формуле Z = C/P + E/PT. Приведенная зависимость наиболее эффективна при сопоставлении большого количества вариантов теплоизоляционной защиты грузовых танков. Экономически целесообразной будет такая изоляция, при которой сумма всех удельных приведенных затрат наименьшая.

Вторичные барьеры

Вторичным барьером принято называть замкнутую конструкцию, своего рода емкость, внутри которой располагается грузовой танк. В случае утечки из него сжиженного газа при атмосферном давлении выше -10 °C, то вторичный барьер защищает от контакта с ним, а также от переохлаждения. Если температура кипения сжиженного газа при атмосферном давлении выше -10 °C, то вторичный барьер обычно не требуется. Не нужен он на газовозах с вкладными грузовыми танками, спроектированными в соответствии с требованиями, предъявляемыми к сосудам давления типа С (см. статью Конструкции грузовых танков газовозов“Вкладные танки”). На них достаточно поставить брызгоотражатели, предотвращающие доступ просачивающегося сжиженного газа к настилу второго дна и к скуловым цистернам. На газовозах со сферическими вкладными грузовыми танками (рис. 11) брызгозащитное покрытие 4 опирается на фундамент 1 сферического грузового танка 5, а также на обшивку скуловой цистерны 2 и на настил междудонного пространства 3. Брызгозащитное покрытие 4 формируется из фанерных листов бальзовой древесины толщиной 25-30 мм. Оно способно удерживать протекший сжиженный газ в течение 15 суток и более.

Особенности конструкции морских газовозовЧастичный вторичный барьер допускается на газовозах, имеющих грузовые танки типа В. К таким танкам относятся вкладные призматические или полумембранные. Размеры частичного вторичного барьера определяют обычно, исходя из потенциально возможного размера образующихся трещин в обшивке грузового танка, а также исходя из учета скорости утечки газа и скорости его испарения при протекании. Размеры потенциально возможных трещин рассчитывают, исходя из склонности к образованию трещин при многократном термическом нагружении материалов, из которых изготавливают грузовые танки.

Расчетные динамические нагрузки, способствующие трещинообразованию, определяют на основании долговременного распределения всех видов перемещений судна на нерегулярном волнении. Допустимо рассмотрение упрощенного спектра динамических нагрузок. Для практической оценки скорости распространения трещин допускается анализировать воздействие нагрузки в течение 15 суток, т. е. срока, в течение которого вторичный барьер функционирует безотказно. Если σ₀ — наибольшее вероятное напряжение, действующее в течение всего срока эксплуатации судна, то упрощенное распределение нагрузки в течение 15 суток может быть представлено в виде линейной зависимости.

Вторичный барьер, частично опоясывающий поверхность вкладных грузовых танков призматического типа, впервые был применен на судах “Метан-принцес” и “Метан-пионер” грузовместимостью 27,4 тыс. м³. Первичным барьером была оболочка грузового танка, вторичным — фанерный поддон, расположенный в нижней части грузовых танков. Частичный вторичный барьер полумембранного грузового танка, спроектированного в соответствии с требованиями, предъявляемыми к грузовым танкам типа В, показан на рис. 12. Как видно, он возвышается примерно на 1/3 высоты грузового танка. Изоляционные материалы и верхняя кромка вторичного барьера выполнены таким образом, чтобы протекающий сжиженный газ из верхней части грузового танка попадал в полость вторичного барьера. Между ним и обшивкой грузового танка в качестве изоляции используется стекловолокно. Полиуретановый слой изоляции наносится со стороны корпусных конструкций. Изоляция вертикальных стенок грузового танка состоит из слоя стекловолокна 1 и слоя пенополиуретана 2, армированного капроновой сетью. Изоляция днищевой части грузового танка включает деревянный обрешетник, закрепленный на настиле второго дна, слой фанеры, несколько слоев бальзовой древесины и еще один слой фанеры. Бальзовая древесина, покрытая с двух сторон фанерой, образует частичный вторичный барьер 4. Верхняя кромка его отрезана на ус и оперта на брус деревянного обрешетника 3. Опора грузового полумембранного танка 5 выполнена из бальзовой древесины и расположена в районе скругления оболочки грузового танка.

Большинство классификационных обществ допускают использование корпусных конструкций в качестве вторичного барьера, если температура кипения сжиженного газа при атмосферном давлении лежит в пределах от -10 до -55 °C и если материал корпуса может эксплуатироваться в таком температурном режиме. Однако вследствие дороговизны сталей, выдерживающих пониженные температуры, использование корпусных конструкций в качестве вторичного барьера ограничено.

Полный вторичный барьер предусматривается на газовозах с мембранными типами, а также с вкладными и полумембранными, спроектированными в соответствии с требованиями, предъявляемыми к грузовым танкам типа А. Вторичный барьер предусматривается на газовозах, грузовые танки которых имеют внутреннюю изоляцию. Конструкции вторичных барьеров, используемых на судах для транспортировки сжиженных газов, должны обеспечивать возможность периодического контроля непроницаемости барьера в процессе эксплуатации судна. Методы и объем таких испытаний достаточно разнообразны.

Читайте также: Судостроительные чертежи и конструкторские документы по принятым стандартам

Конструкция вторичного барьера в основном зависит от материала, из которого она изготовляется. Барьер может быть выполнен из древесины, листового или гофрированного инвара, а также листового алюминия. Формирование вторичного барьера из бальзовой древесины довольно распространено, поскольку бальза — хороший теплоизоляционный материал. Это упрощает компоновку материалов тепловой изоляции и вторичного барьера, поскольку между вторичным барьером из бальзовой древесины и корпусными конструкциями слой изоляции часто не прокладывается. Бальзовая древесина, довольно пориста по своей структуре, и поэтому сжиженный газ, вытекающий из грузового танка и попадающий на такой вторичный барьер, начинает испаряться в порах. Давление образовавшихся паров газа препятствует проникновению сжиженного газа через вторичный барьер или изоляцию из бальзы.

Вторичные барьеры, конструкция которых формируется из листового алюминия, применяют в основном только на газовозах с призматическими вкладными танками, имеющими наружное расположение набора и двойную обшивку. Внутренняя обшивка является первичным барьером, наружная — вторичным. Расстояние между наружной и внутренней обшивками таких грузовых танков газовозов — в пределах 150-250 мм. Жесткость вкладного призматического грузового танка с двойной обшивкой обеспечивается тавровыми балками набора, расположенными между наружной и внутренней обшивками. Так, на газовозе с вкладными призматическими грузовыми танками имеется двойная обшивка, внутренняя 11 и наружная 12 (рис. 13). Между ними располагаются тавровые связи набора 4, обращенные свободными поясками к наружной обшивке 12, что позволяет набор 4 приваривать ко внутренней обшивке по всей его длине, а к наружной только через шлицевые отверстия в ней. В остальном рассматриваемый грузовой танк мало чем отличается от вкладного призматического, он также разделен продольной переборкой 2, подкрепляемой рамными стойками 3, также поддерживается опорами на днище 9 и 10, по бортам 8, у купола 1. Между вторичным барьером 12 грузового танка и корпусными конструкциями 13 расположены два слоя тепловой изоляции 5 и 6, выполненной из полиуретана. Разделяет эти два слоя изоляции фанера 7, закрепляемая к корпусу газовоза на шпильках и служащая для удержания тепловой изоляции от оплывания, которое может вызвать вибрация.

Вторичный барьер из тепловой изоляции был испытан на первых газовозах с мембранными танками, в том числе на экспериментальном судне “Пифагор” (Франция). Первичным барьером служила гофрированная мембранная оболочка из инвара толщиной 1,2 мм, вторичным — Изготовление и монтаж изоляции корпусных конструкций суднатепловая изоляция. Гофрировка первичной мембранной оболочки грузового танка позволяет компенсировать термические деформации и закреплять оболочку в узловых точках, в которых соединяется несколько листов. Вторичный барьер состоит из внутреннего и наружного слоев фанеры толщиной по 12 мм каждый, а также из щитов бальзовой древесины толщиной 55-60 мм. Стыки между щитами, между щитами и фанерной облицовкой тщательно изолированы и заполнены пенистым поливинилхлоридом. Вторичный барьер опирается через деревянный обрешетник на внутренние корпусные конструкции. Пустоты, образуемые обрешетником, заполняются теплоизоляцией из стекловолокна.

В начале 60-х гг.,по Франции была разработана конструкция грузовых танков с вторичным барьером, выполненным в виде двух однотипных мембран. Такие конструкции состоят из следующих последовательно уложенных слоев: первичная мембранная оболочка грузового танка, первичный теплоизоляционный слой, мембранная .оболочка, выполняющая роль вторичного барьера, вторичный изолирующий слой, контактирующий с корпусными конструкциями.

Первичный и вторичный слои тепловой изоляции выполняются прочными, что позволяет передавать нагрузки от давления сжиженного груза на корпусные конструкции. Тепловая изоляция формируется из фанерных блоков, заполненных теплоизоляционным материалом — перлитом. Жесткость блоков обеспечивается внутренними диафрагмами, располагаемыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Длина блоков обычно 1,0 м, ширина 0,4 м (рис. 14, а). Толщина блоков может изменяться в зависимости от тепловой эффективности теплоизоляционного материала, которым наполнены блоки, а также от температурного градиента между сжиженным газом и корпусными конструкциями.

Чаще всего первичная и вторичная оболочки двухмембранных грузовых танков выполняют из сплава инвар, содержащего 36 % никеля и обладающего чрезвычайно низким коэффициентом термического расширения при низких температурах. Это позволяет изготовлять мембраны из тонкого листового материала без его гофрировки. Поскольку плоская мембранная обшивка грузового танка газовоза может прилегать вплотную к изоляционному слою, то ее толщина может быть минимальной. Допускаемые толщины материала, используемого как для первичного, так и для вторичного барьеров, определяются технологией проката и сварки листов в единую конструкцию мембранного танка. По мере утонения листов обшивки вторичных барьеров мембранных грузовых танков ужесточаются требования, предъявляемые к поверхности изоляционного слоя, на который эти листы опираются. Если тепловая изоляция формируется из отдельных блоков, то они должны быть подогнаны так, чтобы уровень одного блока возвышался над уровнем другого не более чем на 1—2 мм.

Пример формирования вторичного барьера из тонколистового негофрированного инвара показан на рис. 14. В качестве тепловой изоляции грузового танка используются, как уже было сказано, фанерные блоки (рис. 14, а). Каждый такой блок имеет угловые уступы 1, продольный паз 2 и С-образную планку 3. Продольный паз 2 позволяет прикреплять блоки вторичной изоляции 9 к корпусным конструкциям 10 с помощью шпилек 11 и гаек 8 (рис. 14, б). К средней части блоков вторичной изоляции крепятся угольник 6, к которым приваривается обшивка вторичного барьера 7. Первичная мембранная оболочка 4 грузового танка крепится посредством полос 5, имеющих отогнутые нижние кромки. Отогнутые кромки полос 5 притягиваются в С-образные планки блоков 12 первичной изоляции. Полосы удерживаются за счет изгибной жесткости С-образной планки, действующей как захват.

Фанерные блоки первичной тепловой изоляции закрепляются на корпусных конструкциях 10 посредством стаканов 19, имеющих на свободном конце шпильку 13 с резьбой, выполненной под гайку 17 (рис. 14, в). Гайкой крепится швеллер 16 к стакану 19. Между швеллером и стаканом устанавливается герметизирующая прокладка. При заворачивании гайки фиксируются швеллер и одновременно обжимается прокладка 18, обеспечивая непроницаемость мембраны вторичного барьера в тех местах, где сделаны отверстия, необходимые для прохода шпильки. Блоки 12 первичной изоляции крепятся к швеллеру 16 с помощью болтов 14 и шайб 15. Шайбы 15 упираются в угловые уступы 1 фанерных блоков тепловой изоляции, и это позволяет фиксировать блоки.

Это интересно: Грузовые помещения и балластные цистерны

Особо ответственным узлом в конструкциях двухмембранных грузовых танков является его угловая часть, где формируется обшивка вторичного барьера, и компоновка с тепловой изоляцией. Здесь мембрана вторичного барьера 7 опирается на блоки 1 вторичной тепловой изоляции, она закреплена так, как это было описано выше. Угловое сечение двухмембранного грузового танка, ориентированное вдоль судна, показано на рис. 15, а. Угловые блоки 9 вторичной тепловой изоляции имеют меньшие размеры, чем фанерные блоки 1 и блоки 2, укладываемые вдали от угловых частей грузового танка. К угловым блокам 9 крепятся деревянные угловые брусья 10. Угловые блоки 4 первичной тепловой изоляции установлены аналогично блокам 9, и на них также опираются деревянные угловые брусья 5 первичной изоляции. Мембрана вторичного барьера 7 двухмембранного грузового танка соединяется с полосами 12 с помощью угольника 11. Сварка угольника 11, полос 12 и обшивки вторичного барьера 7 осуществляется внахлест (рис. 15, б). Аналогично соединяются с помощью угольника 6 полосы 12 и обшивка первичной мембраны грузового танка 3.

Угловое сечение грузового двухмембранного танка, ориентированное поперек грузового танка, показано на рис. 15, в. Как видно, соединение обшивки вторичного барьера 7 также осуществляется с помощью полос 12 и угольников 11. Основной порой вторичного барьера 7 в угловой части грузового танка являются башмаки вторичного барьера 15, удерживаемые на корпусных конструкциях судна 8 посредством соединительных брусьев 16. Угловые башмаки 15 служат опорой для стаканов 14, которые, проходя через отверстия в обшивке вторичного барьера, удерживают башмаки первичной изоляции 13. Места прохода стаканов 14 через обшивку мембранного вторичного барьера 7 тщательно герметизируются.