Способ защиты металлических конструкций от негативного воздействия внешней среды (варианты)

Изобретение относится к наземному строительству и может быть использовано в газовой и нефтехимической промышленности при сооружении опорных и ограждающих металлических конструкций. Способ включает заполнение полости металлической конструкции, имеющей устройство для ввода жидкости и связь с наружной средой, жидкостью, не замерзающей при низких температурах, типа антифриза. В качестве антифриза выбирают смесь жидкости из группы гликолей с водой. Согласно первому варианту способа по марке металла металлической конструкции определяют минимальную температуру хладостойкости металлической конструкции, далее выбирают ниже этой температуры хладостойкости металла температуру замерзания антифриза, по которой выбирают относительную объемную концентрацию гликоля в антифризе по известным зависимостям, кроме того, определяют относительную объемную концентрацию гликоля , исходя из условия не превышения объемом антифриза при замерзании его водной фазы начального объема при воздействии отрицательных температур внешней среды, по формуле:

где K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с объемом исходной воды при снижении температуры антифриза от атмосферной температуры до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды, а K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды. Далее из полученных объемных концентрацией гликоля и выбирают концентрацию большей величины и с этой концентрацией гликоля приготавливают антифриз, которым и заполняют полость металлической конструкции. Согласно второму варианту способа используют смесь жидкости из группы гликолей с водой с исходной относительной объемной концентрацией гликоля , для которой определяют относительную величину изменения объема антифриза при замерзании водной фазы в исходной смеси жидкости, при воздействии отрицательных температур внешней среды, по формуле:

где δV - относительная величина изменения объема антифриза при замерзании водной фазы, причем при δV≤0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, равный объему полости металлической конструкции, а при δV>0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, который рассчитывают по формуле:

где V_aнт - объем антифриза, заливаемого в полость металлической конструкции, дм³; V_пол - объем полости металлической конструкции, дм³; δV - относительное изменение объема антифриза от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза. При этом создается свободный объем, компенсирующий вынужденное увеличение объема антифриза при замерзании водной фазы под воздействием низких температур внешней среды. Технический результат заключается в повышении надежной и эффективной защиты металлических конструкций от разрушений при аварийном проливе на поверхность металлической конструкции криогенных жидкостей. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к наземному строительству и может быть использовано в газовой и нефтехимической промышленности при сооружении опорных и ограждающих металлических конструкций, в частности, для повышения надежности трубчатых опорных конструкций и конструкций, содержащих закрытые не рабочие полости, например, имеющих двойную стенку, при охлаждении до отрицательных температур, возможном при аварийном проливе криогенных жидкостей, например, на заводах по производству сжиженных природных газов.

При аварийном проливе криогенная жидкость, например, сжиженный природный газ (СПГ), попавшая на металлические конструкции, имеющие температуру, равную атмосферной, начинает кипеть и интенсивно снижает их температуру. Температура кипения, например, жидкого этана составляет минус 89°С, а СПГ, в составе которого преимущественно метан, составляет минус 160°С, жидкого азота - минус 195,8°С. Глубокое охлаждение углеродистой или низколегированной стали, попавшей в зону пролива криогенных жидкостей, приводит к охрупчиванию и разрушению металлических опорных и ограждающих строительных конструкций. Например, специальные хладостойкие марки конструкционной стали типа 09Г2С, применяемые для изготовления опорных и ограждающих металлических конструкций, имеют порог хладостойкости минус 70°С (см. ГОСТ 52630-2012 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия», ГОСТ 27772-2015 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия»), а основные марки строительных углеродистых сталей, также применяемых для изготовления опорных и ограждающих металлических конструкций, имеют порог хладостойкости от минус 20°С до минус 40°С.

Известен способ защиты от воздействия внешней среды при пожаре полых элементов металлических конструкций путем заполнения их статичной негорючей жидкостью, в качестве которой используют воду, при этом в полости элементов дополнительно помещают покрытые терморегулирующими оболочками из парафина охлаждающие гранулы (лед). При нагревании элемента металлической конструкции из-за пожара происходит нагревание воды и расплавление парафина оболочек ледяных гранул, освободившийся лед при таянии охлаждает жидкость и стенки элемента, при этом температура снижается, процесс происходит до полного расплавления всего парафина и льда внутри элемента (см. авторское свидетельство СССР №558092, Е04В 1/94, опуб. 15.05.1977).

Общими признаками известного и предлагаемого способов защиты металлических конструкций является заполнение полых элементов металлических конструкций жидкостью.

Недостатком известного способа является то, что данный способ не позволяет защитить металлическую конструкцию при ее охлаждении до температуры ниже 0°С, сопровождающее пролив криогенных углеводородных жидкостей, а в некоторых случаях может ухудшить состояние металлической конструкции, так как вода, замерзая при охлаждении, может разорвать металлическую конструкцию изнутри, снизив ее несущую способность.

Известен также способ пассивной защиты полой металлической конструкции от нагрева при воздействии внешней среды при пожаре, реализуемый известной огнестойкой металлической конструкцией (см. патент РФ №2017907, Е04В 1/94, опуб. 15.08.1994). Согласно данному способу осуществляют заполнение металлической конструкции охлаждающей жидкостью предпочтительно с низкой температурой замерзания типа «антифриз» и конструктивным путем создают условия для самопроизвольной циркуляции антифриза по специальным каналам при возникновении очага пожара и при нагревании конструкции из нагретой части конструкции в менее нагретую ее часть, тем самым предупреждая закипание жидкости, перегрев конструкции и потерю несущей способности конструкции.

Общими признаками известного и предлагаемого способов защиты металлических конструкций является заполнение полых элементов металлических конструкций антифризом.

Недостатком известного способа является то, что при понижении температуры (например, при охлаждении до температур ниже 0°С, сопровождающем пролив криогенных углеводородных жидкостей), антифриз, используемый в известном способе, густеет, циркуляция по каналам металлической конструкции отсутствует, при этом малое сечение трубок с антифризом может привести к разрыву трубок, что не обеспечивает эффективную защиту металлической конструкции и ее несущую способность в случае пролива криогенных углеводородных жидкостей в условиях производства СПГ.

Также известен способ пассивной защиты металлических опорных конструкций при воздействии внешней среды при пожаре (см. патент на изобретение ЕР 0616090 (А1), Е04В 1/94), который реализуется в металлической конструкции полой опорной стойки, оборудованной запорным клапаном, через который вводится жидкость - теплоноситель, в качестве которой использована вода, и клапанами, выпускающими пар или жидкость при повышении давления в полости при пожаре. Известный способ позволяет за счет повышения суммарной теплоемкости конструкции снизить скорость нагрева опорной конструкции при воздействии внешнего источника тепла, например, пожара.

Общими признаками известного и предлагаемого способов защиты металлических конструкций является заполнение полой металлической конструкции, оборудованной запорными клапанами, жидкостью - теплоносителем.

Недостатком данного способа является то, что в качестве жидкости - теплоносителя использована вода, которая при охлаждении металлической конструкции до температуры ниже 0°С замерзает и ее свойства, как теплоносителя, резко снижаются, кроме того, при увеличении объема льда по сравнению с исходной водой может быть повреждена опорная конструкция. Таким образом, данный способ не может быть использован для снижения скорости охлаждения металлической конструкции при проливе криогенных жидкостей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ пассивной защиты от нагрева металлических конструкций (см. патент на изобретение CN 202644717 (U), Е04В 1/08, Е04В 1/94), согласно которому осуществляют заполнение полости металлической конструкции антифризом, при этом полость снабжена каналом для уравнивания внутреннего давления с наружным давлением. Такой способ позволяет за счет повышения суммарной теплоемкости конструкции снизить скорость нагрева опорной конструкции при воздействии внешнего источника тепла, например, пожара.

Общими признаками известного и предлагаемого способов защиты металлических конструкций является заполнение антифризом полости металлической конструкции, имеющей устройство для ввода жидкости и связь с наружной средой.

Недостатком известного способа является невозможность его использования для надежной и эффективной защиты металлической конструкции от охлаждения до температуры хладостойкости металла, так как в известном способе антифриз применяют без учета его свойств при различных температурах, в том числе без учета изменения его объема при температурах ниже 0°С, что может привести к увеличению объема антифриза и, как следствие, к разрушению металлической конструкции, попавшей в зону охлаждения, при проливе криогенных жидкостей.

Техническая задача предлагаемого способа заключается в повышении надежной и эффективной защиты металлических конструкций от разрушений в диапазоне внешних низкотемпературных воздействий при аварийном проливе на поверхность металлической конструкции криогенных жидкостей.

Поставленная задача по первому варианту достигается тем, что в способе защиты металлических конструкций от негативного воздействия внешней среды, включающем заполнение полости металлической конструкции, имеющей устройство для ввода жидкости и связь с наружной средой, жидкостью, не замерзающей при низких температурах, типа антифриза, согласно изобретению, в качестве антифриза выбирают смесь жидкости из группы гликолей с водой, по марке металла металлической конструкции определяют минимальную температуру хладостойкости металлической конструкции, далее выбирают ниже этой температуры хладостойкости металла температуру замерзания антифриза, по которой выбирают относительную объемную концентрацию гликоля в антифризе по известным зависимостям, кроме того определяют относительную объемную концентрацию гликоля , исходя из условия не превышения объемом антифриза при замерзании его водной фазы начального объема при воздействии отрицательных температур внешней среды, по формуле:

где - относительная объемная концентрация гликоля в антифризе;

K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с объемом исходной воды при снижении температуры антифриза от атмосферной температуры до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

далее из полученных объемных концентрацией гликоля и выбирают концентрацию большей величины и с этой концентрацией гликоля приготавливают антифриз, которым и заполняют полость металлической конструкции.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемой совокупностью признаков по первому варианту способа, заключается в возможности регулирования температуры замерзания (кристаллизации) антифриза до температур ниже температуры хладостойкости (охрупчивания) конструкционных сталей. Это позволяет сохранить подвижность антифриза и его теплообмен с металлом металлической конструкции, что приводит к снижению скорости охлаждения металлической конструкции при проливе криогенных жидкостей и увеличению периода времени от момента пролива криогенной жидкости до охрупчивания конструкции, при этом обеспечивается возможность определения необходимого объема антифриза и объемной концентрации гликоля в водной среде антифриза при замерзании его водной фазы, обеспечивая при этом исключение превышения объема антифриза относительно объема полости металлических конструкций. Способ позволяет определить объемную концентрацию гликоля в антифризе, при которой уменьшением объема гликоля компенсируют увеличение объема водяного льда при охлаждении антифриза и, тем самым, предохраняет металлическую конструкцию от повреждения в аварийных технологических ситуациях на заводах СПГ. Заполнение полости металлической конструкции антифризом с выбранной объемной концентрацией гликоля, позволяет не допускать повреждения металлической конструкции за счет повышения давления в полости металлической конструкции, что повышает надежность и эффективность защиты металлической конструкции от разрушений в диапазоне внешних низкотемпературных воздействий при аварийном проливе криогенных жидкостей.

Поставленная задача по второму варианту достигается тем, что в способе защиты металлических конструкций от негативного воздействия внешней среды, включающем заполнение полости металлической конструкции, имеющей устройство для ввода жидкости и связь с наружной средой, жидкостью, не замерзающей при низких температурах, типа антифриза, согласно изобретению, в качестве антифриза используют смесь жидкости из группы гликолей с водой с исходной относительной объемной концентрацией гликоля , для которой определяют относительную величину изменения объема антифриза при замерзании водной фазы в исходной смеси жидкости, при воздействии отрицательных температур внешней среды, по формуле:

где δV - относительная величина изменения объема антифриза при замерзании водной фазы;

- исходная относительная объемная концентрация гликоля в антифризе;

K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с исходным объемом воды при снижении температуры антифриза от атмосферной температуры до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

причем при δV≤0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, равный объему полости металлической конструкции,

а при δV>0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, который рассчитывают по формуле:

V_ант≤V_пол×(1-δV),

где V_ант - объем антифриза, заливаемого в полость металлической конструкции, дм³;

V_пол - объем полости металлической конструкции, дм³;

δV - относительное изменение объема антифриза от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза;

при этом создавая свободный объем, компенсирующий вынужденное увеличение объема антифриза при замерзании водной фазы под воздействием низких температур внешней среды.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемой совокупностью признаков по второму варианту способа, заключается в возможности определения величины вынужденного увеличения объема антифриза с исходной относительной объемной концентрацией гликоля в водной среде антифриза при замерзании его водной фазы для подачи через устройство для ввода жидкости в полую металлическую конструкцию определенного количества антифриза. Так, при δV≤0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, равный объему полости металлической конструкции, а при δV>0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, который рассчитывают по приведенной формуле, что обеспечивает создание свободного объема, компенсирующего увеличение объема антифриза, предотвращая разрушение металлической конструкции. Таким образом, заявляемая совокупность признаков позволяет сохранить подвижность антифриза и его теплообмен с металлом металлической конструкции, что приводит к снижению скорости охлаждения металлической конструкции при проливе криогенных жидкостей и увеличению периода времени от момента пролива криогенной жидкости до охрупчивания конструкции, тем самым обеспечивая повышение надежности и эффективности защиты металлической конструкции от разрушений в диапазоне внешних низкотемпературных воздействий при аварийном проливе на металлическую конструкцию криогенных жидкостей. Кроме того, совокупность признаков дает возможность использовать готовый антифриз с исходной концентрацией гликоля.

Осуществление способа защиты металлических конструкций от негативного воздействия внешней среды по первому и второму вариантам поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид в разрезе металлической конструкции для осуществления способа по первому варианту, на фиг. 2 представлен общий вид в разрезе металлической конструкции для осуществления способа по второму варианту, а на фиг. 3 показана опытная установка.

Металлическая конструкция (см. фиг. 1, 2) представляет собой полую металлическую колонну 1, закрепленную герметично сверху и снизу к металлическим плитам 2 и 3, соответственно, с полостью 4 заданного объема. Металлическая колонна 1 устанавливается на бетонный фундамент 5. На металлическую плиту 2, расположенную сверху металлической колонны 1, устанавливается ростверк 6.

Полость 4 соединена с внешней атмосферой клапаном 7, открывающимся в полость 4 металлической колонны 1 и обеспечивающим заливку и слив антифриза из полости 4, и каналом 8, обеспечивающим выравнивание внутреннего давления в полости 4 с атмосферным давлением.

Полость 4 металлической колонны 1 заполнена антифризом.

Полость 4 (см. фиг. 2) имеет свободный объем 9, образующийся в случае, если в полость 4 заливается объем антифриза V_ант меньший, чем V_пол.

Способ по первому варианту (см. фиг. 1) осуществляется следующим образом:

В качестве антифриза для заполнения полости 4 металлической колонны 1 выбирают смесь жидкости из группы гликолей с водой. По марке металла металлической конструкции определяют минимальную температуру хладостойкости металлической конструкции. Далее выбирают ниже этой температуры хладостойкости (охрупчивания) металла температуру замерзания антифриза, по которой выбирают относительную объемную концентрацию гликоля в антифризе по известным зависимостям (см. Дымент О.Н., Казанский К.С, Мирошников А.М. «Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена». М., «Химия», 1976, таблица 15, стр. 42 и диаграмма рисунок 6, стр. 43). Кроме того, определяют относительную объемную концентрацию гликоля , исходя из условия, чтобы объем антифриза при замерзании его водной фазы не превышал начального объема при воздействии низких температур внешней среды, по формуле:

где - относительная объемная концентрация гликоля в антифризе;

K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с объемом исходной воды при снижении температуры антифриза от атмосферной температуры до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды.

Далее из полученных объемных концентраций гликоля и выбирают концентрацию большей величины и с этой концентрацией гликоля приготавливают антифриз, которым и заполняют полость 4 металлической колонны 1 следующим образом: к клапану 7 присоединяют напорный трубопровод от насоса, подающего антифриз (на фиг. 1 насос не показан). Антифриз, находясь под давлением, заполняет полость 4 металлической колонны 1. По мере заполнения полости 4 металлической колонны 1 антифризом избыточное давление газовой среды из полости 4 стравливается в атмосферу через канал 8. После полного заполнения антифризом полости 4 закрывают клапан 7, а нагнетательный трубопровод насоса антифриза отсоединяют от клапана 7.

В процессе эксплуатации металлической конструкции температура металла металлической колонны 1 и антифриза внутри ее полости 4 равна атмосферной температуре. При аварийном розливе криогенная углеводородная жидкость попадает на внешнюю поверхность металлической конструкции. Испаряясь, криогенная углеводородная жидкость отбирает тепло у металла металлической конструкции, в результате чего металл охлаждается. При этом температура металла может снизиться до критической температуры хладостойкости (охрупчивания), при которой металлическая конструкция может потерять несущую способность. Продолжительность времени, в течении которого температура металлической конструкции снизится от атмосферной температуры до температуры хладостойкости металла, зависит от отношения запаса тепла, которым обладает металл металлической конструкции, к величине теплового потока охлаждения из металла во внешнюю среду. Антифриз, заполняющий полость 4 металлической колонны 1, также обладает определенным запасом тепла, который присоединяется к запасу тепла металла металлической колонны 1, т.е. запас тепла является суммарным. Запас тепла, которым обладает антифриз, заполняющий полость 4 металлической колонны 1, может кратно превышать запас тепла металла металлической колонны 1. Поэтому период времени, в течение которого после попадания криогенной жидкости на металлическую колонну 1 температура металлической конструкции может снизиться от атмосферной температуры до температуры охрупчивания металла, значительно увеличивается. В результате повышается надежность металлической конструкции при проливе криогенной жидкости на металлические конструкции.

Способ по второму варианту используется в случае невозможности регулирования концентрации гликоля, когда, например, приобретен уже готовый антифриз, и осуществляется следующим образом (см. фиг. 2):

В качестве антифриза для заполнения полости 4 металлической колонны 1 используют готовую смесь жидкости из группы гликолей с водой с исходной относительной объемной концентрацией гликоля , для которой определяют относительную величину изменения объема антифриза при замерзании водной фазы в исходной смеси антифриза, при возможном воздействии внешней среды с низкими температурами в случае аварийного разлива криогенной жидкости, по формуле:

где δV - относительная величина изменения объема антифриза при замерзании водной фазы;

- исходная относительная объемная концентрация гликоля в антифризе;

K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с исходным объемом воды при снижении температуры антифриза от атмосферной до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды.

При δV≤0 в полость 4 металлической колонны 1 заливают объем антифриза равный объему полости 4 металлической колонны 1.

При δV>0 в полость 4 металлической колонны 1 заливают объем антифриза, который рассчитывают по формуле:

V_ант≤V_пол×(1-δV),

где V_ант - объем антифриза, заливаемого в полость 4 металлической колонны 1, дм³;

V_пол - объем полости 4 металлической колонны 1, дм³;

δV - относительное изменение объема антифриза от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза.

Таким образом, создается свободный объем 9, компенсирующий вынужденное увеличение объема антифриза при замерзании водной фазы под воздействием низких температур внешней среды.

Заполнение антифризом полости 4 металлической колонны 1 осуществляют через клапан 7. При этом по мере заполнения полости 4 металлической колонны 1 антифризом избыточное давление газовой среды из полости 4 стравливается через канал 8.

Поскольку при δV>0 в полость 4 заливается объем антифриза V_ант меньший, чем V_пол, то над поверхностью залитого антифриза остается свободный объем 9, равный или больший вынужденного увеличения объема антифриза из-за замерзания водной фазы. Таким образом, при замерзании водной фазы увеличение объема антифриза компенсируется наличием свободного от антифриза объема, поэтому не произойдет повышения давления в металлической колонне 1 вследствие ее повреждения.

Таким образом, предлагаемый способ по первому и второму варианту, позволяет повысить надежность полых опорных и ограждающих металлических конструкций, которые могут быть подвержены глубокому охлаждению после аварийного разлива криогенных углеводородных жидкостей.

Были проведены опытные испытания предлагаемого способа защиты металлических конструкций при воздействии отрицательных температур внешней среды. Для определения продолжительности периода охлаждения металла от комнатной температуры до критической температуры охрупчивания металла при резком захолаживании внешней среды было проведено три серии опытов:

1. Контрольная серия, при которой охлаждали полую металлическую колонну, не заполненную антифризом.

2. Охлаждение полой металлической колонны, заполненной антифризом по первому варианту.

3. Охлаждение полой металлической колонны, заполненной антифризом по второму варианту.

Испытания проводили с помощью криостата (см. фиг. 3), включающего внутренний тонкостенный металлический сосуд 10 (далее по тексту - внутренний сосуд 10), установленный на подставке 11 внутри наружного теплоизолированного сосуда 12 (далее по тексту - наружный сосуд 12). Внутренний сосуд 10 заправлен жидким хладагентом 13. Внутри внутреннего сосуда 10 располагался объект испытаний - фрагмент трубчатой колонны 14. Пространство между внутренним сосудом 10 и наружным сосудом 12 заполнено охлаждающим веществом 15. Полость внутреннего сосуда 10 связана с системой циркуляции (на фиг. 3 не показана), с помощью которой регулировалась температура хладагента 13.

Объект испытаний: фрагмент трубчатой колонны 14, изготовленный из отрезка трубы (сталь 20), имеющей наружный диаметр 100 мм, толщину стенки 6 мм и длину 600 мм. В нижней части трубчатой колонны 14 установлено глухое теплоизоляционное днище 16. Верхняя часть трубчатой колонны 14 закрыта теплоизолированной крышкой 17. Внутри трубчатой колонны 14 образована герметичная полость 18 объемом 4650 мл. Трубчатая колонна 14 снабжена трубкой 19 для заполнения полости 18 антифризом и трубкой 20 для выравнивания давления в полости 18 с атмосферным давлением. Внутри стенок трубчатой колонны 14 в рассверленных каналах установлены резистивные термопреобразователи 21 типа ТПТ-3-7, связанные электрокабелем 22 с цифровым датчиком ZET 7021 (на фиг. 3 не показан). Ручка 23 служит для переноски фрагмента трубчатой колонны 14. После заливки антифриза трубку 19 перекрывали заглушкой, а в трубке 20 размещали индикатор внутреннего давления антифриза (на фиг. 3 не показаны).

Для подготовки к опытному испытанию внутренний сосуд 10 криостата заправили жидким хладагентом 13, имеющим температуру замерзания ниже минус 75°. Пространство между внутренним сосудом 10 и внешним сосудом 12 заполнили охлаждающим веществом 15 (замороженной углекислотой), температура возгонки которого составляет минус 78,5°С. За счет охлаждения внутреннего сосуда 10 сухим льдом и циркуляции хладагента, температура хладагента 13 установлена на величине минус 70°С, т.е. на криогенном уровне. Криостат готов к проведению испытаний.

Пример 1 (контрольная серия опытов).

Критическая температура охлаждения металла (t_кp) фрагмента трубчатой колонны 14 принята равной минус 40°С и соответствует нормативной характеристике большинства конструкционных сталей.

Сухой фрагмент трубчатой колонны 14 (без заполнения антифризом) поместили в сухой термостат (на фиг. 3 не показан) и выдержали до установления равновесной температуры металла фрагмента трубчатой колонны 14 равной 20±1°С.

После термостатирования сухой фрагмент трубчатой колонны 14 быстро перенесли во внутренний сосуд термостата для контактирования с хладагентом 13, имеющим температуру минус 70°С.

С момента установки фрагмента трубчатой колонны 14 в криостате начали отчет времени до снижения температуры металла фрагмента трубчатой колонны 14 до температуры минус 40°С, принятой в качестве критической температуры охлаждения.

Средний период времени охлаждения сухого фрагмента трубчатой колонны 14 от температуры 20°С до температуры минус 40°С составил 392 секунды (0,109 часа).

Пример 2 (способ по первому варианту).

Критическая температура охлаждения металла (t_кp) фрагмента трубчатой колонны 14 принята равной минус 40°С. Температура замерзания антифриза была принята равной минус 41°С.

Для приготовления антифриза были использованы:

- моноэтиленгликоль (МЭГ) по ГОСТ 19710-83 - гликоль, наиболее часто применяемый для приготовления промышленных антифризов;

- вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72.

Необходимую концентрацию гликоля в антифризе определили двумя путями:

1. В зависимости от заданной от температуры замерзания антифриза -минус 41°С (по известным зависимостям). Необходимая концентрация гликоля составила 54%.

2. Исходя из условия отсутствия объемного расширения антифриза при замерзании водной фазы по формуле где:

K₁>1 - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с объемом исходной воды при снижении температуры антифриза от 20°С до температуры минус 40°С;

K₂<1 - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза равной 20°С до температуры минус 40°С.

Расчетная относительная объемная концентрация гликоля в антифризе составила 0,532 или 53,2%.

Из двух полученных величин концентрации гликоля в антифризе приняли большую - 54%.

Антифриз приготовили при температуре 20°С.

Антифризом, приготовленным с расчетной концентрацией гликоля, полностью заполнили через трубку 19 полость 18 трубчатой колонны 14. После заливки антифриза трубку 19 перекрыли заглушкой, а в трубке 20 разместили индикатор внутреннего давления антифриза (на фиг. 3 не показаны).

Заполненный антифризом фрагмент трубчатой колонны 14 поместили в сухой термостат (на фиг. 3 не показан) и выдержали до установления равновесной температуры металла фрагмента трубчатой колонны 14 равной 20±1°С.

После термостатирования фрагмент трубчатой колонны 14 быстро перенесли во внутренний сосуд термостата для контактирования с хладагентом, имеющим температуру минус 70°С.

С момента установки фрагмента трубчатой колонны 14 в криостате начали отчет времени до снижения температуры металла трубчатой колонны 14 до температуры минус 40°С, принятой в качестве критической температуры охлаждения, соответствующей нормативной характеристике большинства конструкционных сталей.

Средний период времени охлаждения сухого фрагмента трубчатой колонны 14 от температуры 20°С до температуры минус 40°С составил 1807 секунды (0,502 часа). Повышения давления внутри трубчатой колонны 14 не индицировалось.

Пример 3 (способ по второму варианту).

Критическая температура охлаждения металла (t_кp) фрагмента трубчатой колонны 14 принята равной минус 40°С.

Для опытов был использован готовый покупной антифриз на основе МЭГ - тосол ОЖ-40 по ГОСТ 28084-89 с относительной объемной концентрацией гликоля 0,53% и с температурой замерзания равной минус 39,5°С.

Вынужденное увеличение относительного объема антифриза за счет замерзания водной фазы было рассчитано по формуле:

а объем антифриза, которым необходимо заполнить полость трубчатой колонны 14, был рассчитан по формуле:

V_ант≤V_пол×(1-δV),

где K₁>1 - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с объемом исходной воды при снижении температуры антифриза от 20°С до температуры минус 40°С;

K₂<1 - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза равной 20°С до температуры минус 40°С;

V_ант - объем антифриза, заливаемого в полость 18, мл;

V_пол - объем полости 18, равный 4650 мл;

δV - относительное изменение объема от начальной температуры 20°С до температуры минус 40°С.

Расчетное значение δV=0,00346, расчетное значение V_ант=4630 мл.

Расчетное количество антифриза V_ант=4630 мл, было залито через трубку 19 в полость 18 фрагмента трубчатой колонны 14.

Таким образом, в полость 18 фрагмента трубчатой колонны 14 залито антифриза меньше, чем объем полости 18 фрагмента трубчатой колонны 14, что позволило создать свободный объем для компенсации вынужденного увеличения объема антифриза за счет замерзания водной фазы.

После заливки антифриза трубку 19 перекрыли заглушкой, а в трубке 20 разместили индикатор внутреннего давления антифриза (на фиг. 3 не показаны).

Заполненный частично антифризом фрагмент трубчатой колонны 14 поместили в сухой термостат (на фиг. 3 не показан) и выдержали до установления равновесной температуры металла фрагмента трубчатой колонны 14 равной 20±1°С.

После термостатирования фрагмент трубчатой колонны 14 быстро перенесли во внутренний сосуд термостата для контактирования с хладагентом, имеющим температуру минус 70°С.

С момента установки фрагмента трубчатой колонны 14 в криостате начали отчет времени до снижения температуры металла фрагмента трубчатой колонны 14 до температуры минус 40°С, принятой в качестве критической температуры охлаждения и соответствующей нормативной характеристике большинства конструкционных сталей.

Средний период времени охлаждения сухого фрагмента трубчатой колонны 14 от температуры 20°С до температуры минус 40°С составил 1785 секунды (0,496 часа). Повышения давления внутри фрагмента трубчатой колонны 14 не индицировалось.

Параметры гликоля и антифриза для испытаний по первому и второму варианту предлагаемого способа определены и рассчитаны на основе таблицы 15 и рис. 6, приведенными в работе Дымент О.Н., Казанский К.С., Мирошников А.М. «Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена», под общей редакцией О.Н. Дымента. М., «Химия», 1976, 376 стр.

Сводные результаты опытных испытаний приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, время охлаждения фрагмента трубчатой колонны, заполненной антифризом, до критической температуры охрупчивания металла увеличилось по сравнению с незаполненной колонной по первому варианту предлагаемого способа защиты в 4,6 раза, а по второму варианту предлагаемого способа защиты в 4,55 раза. Повышения давления внутри колонны не зафиксировано для обоих вариантов предлагаемого способа.

Таким образом, опыты подтвердили возможность повышения надежности полых металлических конструкций при воздействии на них пролитых криогенных жидкостей путем их полного или частичного заполнения антифризом.

1. Способ защиты металлических конструкций от негативного воздействия внешней среды, включающий заполнение полости металлической конструкции, имеющей устройство для ввода жидкости и связь с наружной средой, жидкостью, не замерзающей при низких температурах, типа антифриза, отличающийся тем, что в качестве антифриза выбирают смесь жидкости из группы гликолей с водой, по марке металла металлической конструкции определяют минимальную температуру хладостойкости металлической конструкции, далее выбирают ниже этой температуры хладостойкости металла температуру замерзания антифриза, по которой выбирают относительную объемную концентрацию гликоля в антифризе по известным зависимостям, кроме того определяют относительную объемную концентрацию гликоля , исходя из условия не превышения объемом антифриза при замерзании его водной фазы начального объема при воздействии отрицательных температур внешней среды, по формуле:

где - относительная объемная концентрация гликоля в антифризе;

K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с объемом исходной воды при снижении температуры антифриза от атмосферной температуры до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

далее из полученных объемных концентраций гликоля и выбирают концентрацию большей величины и с этой концентрацией гликоля приготавливают антифриз, которым и заполняют полость металлической конструкции.

2. Способ защиты металлических конструкций от негативного воздействия внешней среды, включающий заполнение полости металлической конструкции, имеющей устройство для ввода жидкости и связь с наружной средой, жидкостью, не замерзающей при низких температурах, типа антифриза, отличающийся тем, что в качестве антифриза используют смесь жидкости из группы гликолей с водой с исходной относительной объемной концентрацией гликоля , для которой определяют относительную величину изменения объема антифриза при замерзании водной фазы в исходной смеси жидкости, при воздействии отрицательных температур внешней среды, по формуле:

где δV - относительная величина изменения объема антифриза при замерзании водной фазы;

- исходная относительная объемная концентрация гликоля в антифризе;

K₁ - коэффициент относительного увеличения объема льда по сравнению с исходным объемом воды при снижении температуры антифриза от атмосферной температуры до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

K₂ - коэффициент относительного изменения объема гликоля от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза при воздействии низких температур внешней среды;

причем при δV≤0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, равный объему полости металлической конструкции;

а при δV>0 в полость металлической конструкции заливают объем антифриза, который рассчитывают по формуле:

V_aнт≤V_пол×(1-δV),

где V_aнт - объем антифриза, заливаемого в полость металлической конструкции, дм³;

V_пол - объем полости металлической конструкции, дм³;

δV - относительное изменение объема антифриза от начальной температуры антифриза до температуры замерзания водной фазы антифриза,

при этом создавая свободный объем, компенсирующий вынужденное увеличение объема антифриза при замерзании водной фазы под воздействием низких температур внешней среды.