Криогенные материалы

Помимо криогенных металлов и сплавов многие другие материалы имеют подходящие характеристики в точно определенной области – при низких (криогенных) температурах. К таким материалам относятся: земля (грунт), бетоны, дерево, пластмассы.

Земля

Первый материал, который можно рассматривать как подходящий при строительстве криогенных установок, — это сама земля. В самом деле, замерзание воды, насыщающей грунт, придает ему механическую прочность, позволяющую использовать его в качестве хранилища. Механическая прочность замороженного грунта зависит не только от температуры, но и от насыщенности водой. Необходимо отличать мгновенную прочность от сопротивления ползучести (текучести), которое во много раз меньше по величине. Это различие o6ъясняется наличием льда, который служит цементом между частицами грунта и обуславливает пластичность и ползучесть замороженных грунтов.

Некоторые грунты типа глинистых вспучиваются при замерзании за счет впитывания воды, другие, как, например, песчаники, не имеют этой особенности. Значительное вспучивание, наблюдаемое при замораживании глинистых грунтов, объясняется незамерзанием первичной воды, а поступлением в грунт воды в результате уменьшения парциального давления паров воды на границе промерзания.

Грунт в криогенной технике используется в двух случаях:

1. Подземные резервуары, в которых СПГ хранится прямо в полостях, вырытых в замороженном грунте. Эта техника, представляющая интерес с точки зрения безопасности, была использована в некоторых случаях в шестидесятые годы (хранилища в Канвей Исланде в Англии и в Арзеве в Алжире), но от нее отказались по двум причинам: вокруг хранилищ сжиженного газа происходит подвижка грунта и потери на испарение слишком велики.
2. Противопожарные рвы, окружающие наземные резервуары хранения сжиженного природного газа, — хранилища СПГ.

Бетоны

Бетоны являются криогенными материалами, их механические свойства: сопротивление сжатию, модуль упругости, сопротивление разрыву, коэффициент Пуассона, увеличиваются при низких температурах, в то же время ползучесть уменьшается. С другой стороны, циклы нагрев-охлаждение им противопоказаны: бетон повреждается тем быстрее и больше, чем больше влажность и чем больше термический шок (амплитуда колебаний температуры).

Теплопроводность растет в интервале температур от 20°C до –170°C на 30-60% для влажного бетона и на 5-20% для сухого бетона. С другой стороны, теплоемкость бетона уменьшается с понижением температуры, это понижение возможно составляет около 50% при –170°C.

Обычно применяют армированные бетоны. Поэтому в каждом случае необходимо учитывать структурное поведение системы бетон-арматура. При охлаждении благодаря разной степени сжатия бетона и стали образуются внутренние напряжения: в первой фазе замораживания влажный бетон расширяется благодаря образованию льда, во второй фазе сокращает свой объем, и при –165°C существует значительное отклонение в степени деформации бетона и стали. Термические циклы в интервале +20°C и –165°C вызывают более или менее значительное повреждение бетона.

В криогенной технике бетон используется по двум направлениям:

1. Как первичный механический барьер для содержания СПГ. От этой технологии постепенно отказываются,так как, поскольку бетон плохо переносит циклы нагрева-охлаждения, эти резервуары могут быть разогреты только в очень редких случаях.
2. Как вторичный барьер, предназначенный для содержания СПГ в случае аварии в первичном барьере. Эта технология в значительной степени увеличивает безопасность наземных резервуаров хранения.

Одно из побочных применений бетона состоит в использовании его в качестве изолирующего материала (например, коллоидный бетон) на поверхности рвов или ловушек, предназначенных для приема СПГ в случае розлива из наземного резервуара.

Во всех перечисленных случаях применения чувствительность бетона к термическим циклам не является проблемой, а его прочность к ударам, огнестойкость и прочность при низких температурах делают его идеальным материалом.

Древесные материалы

Все свойства древесных материалов улучшаются с понижением температуры, и эти материалы не отличаются особой хрупкостью в криогенных условиях. Поэтому деревянные отсеки используются в качестве изоляции, когда хотят одновременно получить достаточную механическую прочность и небольшую теплопроводность.

Тем не менее древесные материалы, используемые в этом качестве, имеют три дефекта в криогенных условиях:

• они растрескиваются;
• их механические характеристики разбросаны;
• их усадка в десять раз больше в поперечном направлении, чем в направлении волокон (размерная нестабильность).

Чтобы избавиться от этих дефектов, часто применяют древесные материалы в виде фанеры, изготовленной в виде листов древесины, склеенных так, что в соседних листах направления волокон ориентированы различно. Свойства клеев, используемых при низких температурах, определяют свойства фанеры, в криогенной технике применяют всегда морские клеи.

Как положительный факт следует отметить, что теплопроводность фанеры сильно уменьшается с понижением температуры и что при –160°C ее значение примерно вдвое меньше теплопроводности при комнатной температуре.

Во всех метановозах, танки которых изготовлены по мембранной технологии, фанера используется как изолирующий материал и механическая опора, а одна из технологий использует фанеру как материал для вторичного барьера.

Пластмассы для стыковых соединений и арматуры

Каучук, который становится хрупким при низких температурах, не может быть использован в криогенной технике. Вместо него в качестве прокладок в соединениях и арматуре используют следующие материалы:

• Смеси синтетических эластомеров и асбеста: это изделия, названия которых в коммерческой практике оканчиваются на «ит»: перманит, вулкорит, клингерит и т.д. Наличие асбеста накладывает определенные ограничения в использовании, такие как запрещение абразивной обработки;
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ), используемый или в чистом виде (тефлон) или смешанный со стекловолокном.