Секционированный криогенный трубопровод
SECTIONED CRYOGENIC PIPELINE

Секционированный криогенный трубопровод относится к устройствам для транспортировки сжиженных газов, например, сжиженного природного газа (далее СПГ), водорода, этилена, пропана и других, и предназначен для передачи сжиженных газов между технологическим оборудованием предприятий, производящих эти газы и перемещения товарных сжиженных газов от предприятия-изготовителя к транспортным средствам, например, к танкерам-газовозам и может быть использован в газоперерабатывающей промышленности, в системе морского и речного транспорта и других отраслях промышленности.
3
3
3
Основную часть транспортируемых сжиженных газов составляет СПГ. Мировая индустрия СПГ включает крупнотоннажное производство, основная цель которого - поставка СПГ на мировые рынки, и малотоннажное производство, нацеленное на межрегиональную торговлю и удовлетворение спроса на внутреннем рынке. В Российской Федерации базовыми являются крупнотоннажные производства СПГ. При добыче природного газа в 2021 году 662 млрд м, производство СПГ составило 30,1 млн тонн, что эквивалентно 414 млрд м исходного природного газа, при этом два крупных завода по производству СПГ «Сахалин-2» и «Ямал СПГ» вырабатывают 28,1 млрд м/г. По прогнозу министра энергетики России Александра Новак, с учетом планируемых крупнейших российских СПГ-проектов производство сжиженного природного газа в России к 2030 году будет увеличено до 80 млн тонн, а доля России на мировом рынке - до 20% (URL: https://www.rbc.ru/business/29/01/2021/6013dc059a79473d601ea315). Одной из приоритетных проблем, связанных с развитием производства СПГ, является создание эффективных криогенных трубопроводов, обеспечивающих тепловую изоляцию перекачиваемого низкотемпературного продукта от окружающей среды.
В сущности, все многообразие конструкций криогенных трубопроводов можно объединить в два класса: к первому классу относятся криогенные трубопроводы с вакуумной теплоизоляцией, ко второму классу - с использованием изолирующих материалов с низкой теплопроводностью.
-11
3
Так, например, к первому классу криогенных трубопроводов можно отнести известный трубопровод для подводной транспортировки нефтепродуктов, включающий внутреннюю трубу (2), предназначенную для транспортировки нефти, внешнюю трубу (4), расположенную концентрически вокруг внутренней трубы (2) с промежутком (5) между двумя трубами (2.4), пространство (5) между двумя трубами (2.4) находится под вакуумом при давлении от 0 до 1 бар абс., в котором пространство (5) под вакуумом содержит газ с концентрацией криптона в молярных долях более 70% и предпочтительно более 80%, внутренняя труба (2) покрыта, по крайней мере, на ее внешней поверхности слоем материала с пониженной излучательной способностью от 0,05 до 0,2, и/или внешняя труба (4) покрыта, по крайней мере, на ее внутренней поверхности слоем с пониженной излучательной способностью между 0,05 и 0,2 (патент на изобретение WO 2019/175488, МПК F16L 59/065, F16L 59/08, заявл. 20.02.2019 г., опубл. 19.09.2019 г.). Недостатком данного изобретения является покрытие внешней поверхности внутренней трубы и/или внутренней поверхности внешней поверхности слоем с пониженной излучательной способностью, так как при низких, тем более криогенных температурах перенос тепла за счет излучения незначим и составляет по формуле Планка даже для абсолютно черного тела менее 10 вт/м и использование такого слоя увеличивает затраты на изготовление криогенного трубопровода.
Известен также криогенный трубопровод, включающий внутреннюю трубу и герметичный наружный кожух, пространство между которыми вакуумировано, а труба и кожух разделены теплоизолирующими опорами, при этом в одну или более опор вмонтирована акустопрозрачная вставка так, что обеспечен акустический контакт между внутренним трубопроводом и кожухом (патент на изобретение RU 2305217, МПК F16L 9/18, F17D 5/00, G01N 29/00, заявл. 29.05.2006 г., опубл. 27.08.2007 г.). Недостатком данного изобретения является то, что для проведения пневмоиспытаний датчики акустической эмиссии устанавливаются на внешней поверхности наружного кожуха в районе контакта опор с внутренней поверхностью кожуха, при этом из внутренней трубы сбрасывается перекачиваемый продукт и подается воздух, то есть снижается в целом производительность криогенного трубопровода, кроме того по акустическим вставкам в ходе перекачки продукта происходит приток тепла к продукту, способствующий парообразованию и возникновению сдувок.
Известна транспортирующая труба, содержащая: основную вакуум изолированную трубу, имеющую двойную трубчатую структуру, включающую вакуумный участок в области между внутренней трубой и внешней трубой, центральную трубу, через которую должны проходить жидкие транспортируемые потоки, расположенную в основной вакуум изолированной трубе, а также соединительную трубу с вакуумной изоляцией, имеющую двойную трубчатую структуру с вакуумным участком в области между внутренней трубой и наружной трубой, при этом две основные вакуум изолированные трубы основного корпуса трубы с вакуумной изоляцией вставляются в соединительную трубу с вакуумной изоляцией с соответствующих концов соединительной трубы с вакуумной изоляцией, и, наконец, концы двух основных вакуум изолированных труб удалены друг от друга и соединяются друг с другом через соединительную трубу с вакуумной изоляцией (патент на изобретение US 20190162357, МПК F16L 59/14, F16L 59/18, F16L 59/22, F16L 59/065, заявл. 28.07.2017 г., опубл. 30.05.2019 г.). Недостатками данного изобретения являются:
• асимметричное расположение центральной трубы относительно вакуум изолированной трубы, что приводит к созданию конвективных потоков в газовом пространстве между центральной и вакуум изолированной трубами, что способствует теплоподводу от нагреваемой среды к перекачиваемому продукту;
• отсутствие герметизации стыка между вакуум изолированными трубами и соединительными трубами с вакуумной изоляцией способствует проникновению относительно теплой внешней среды в пространство между центральной трубой и вакуум изолированными трубами, предлагаемое уплотнение 52 препятствует только проникновению влаги в данное пространство.
-1
-4
3
-1
-4
3
Известен также криогенный трубопровод, содержащий собственно трубопровод, охватывающий его с образованием теплоизоляционной полости кожух и размещенные на внешней поверхности собственно трубопровода эластичный адсорбент и теплоизоляционный материал, при этом собственно трубопровод дополнительно снабжен эластичным газопроницаемым материалом, плотно охватывающим адсорбент, а теплоизоляционный материал размещен над газопроницаемым материалом (патент на изобретение RU 2239746, МПК F16L 9/18, заявл. 21.10.2002 г., опубл. 10.11.2004 г.). Недостатком данного изобретения является практическая невозможность снизить давление в теплоизоляционной полости с 10 до 10 мм рт.ст. предполагаемым эластичным адсорбентом за счет адсорбции остаточного газа (воздуха или метана, просочившегося через микротрещины в трубопроводе), так как при снижении давления в 1000 раз по закону Генри в области низких давлений адсорбционная емкость любого адсорбента уменьшится в 1000 раз, что потребует пропорционального увеличения загрузки адсорбента и увеличения внешнего диаметра трубопровода и его стоимости, кроме того, эластичные материалы и, в частности, модифицированные активированные угли имеют низкую адсорбционную емкость даже при атмосферном давлении, так например, если при 760 и 7,6 мм рт.ст. сорбция азота (приведенная к стандартным условиям) составляет 500 и 100 см/г, то при 10 и 10 мм рт.ст. сорбция азота снижается соответственно до 1,5 и 0,0015 см/г сорбента при одновременном уменьшении скорости адсорбции. Поэтому адсорбционное вакуумирование применяется, в основном, в лабораторной практике для создания глубокого вакуума в лабораторном сосуде небольшого объема, связанного перетоком с значительно большей емкостью, заполненной адсорбентом.
Общим недостатком криогенных трубопроводов с вакуумными теплоизоляционными полостями является сложность трубопроводов для перекачки сжиженных углеводородных газов (далее СУГ) на большие расстояния при изменении профиля местности размещения трубопроводов, использовании подводных трубопроводов при форсировании рек и подаче СУГ на удаленные от берега терминалы для загрузки и разгрузки танкеров-газовозов, а также наплавное размещение трубопроводов на понтонах, так как при этом:
1) теплоизоляционную полость необходимо разделять на герметичные участки небольшой протяженности, что приводит к росту материалоемкости оборудования и дополнительным капиталовложениям, так как иначе при локальном разрушении поверхности наружного кожуха (внешней трубы) криогенного трубопровода за счет появления (свища, трещины, разгерметизации соединений и др.) аварийно выходит из рабочего режима весь трубопровод;
2) при изготовлении внутренней и внешней трубы криогенного трубопровода из гладких стальных труб сложно обеспечивать профиль трубопровода в соответствии с природным профилем трассы или приходится нивелировать местность с выполнением большого объема земляных и строительных работ, а при использовании гофрированных труб резко возрастают материалоемкость и капитальные затраты на сооружение;
3) использование дополнительного оборудования и прецизионных контрольно-измерительных приборов для создания и поддерживания вакуума в теплоизоляционной полости.
Ко второму классу криогенных трубопроводов на основе теплоизолирующих материалов можно отнести, например, известный криогенный трубопровод, содержащий собственно трубопровод, охваченный слоями, по меньшей мере, два из которых теплоизоляционные, при этом часть слоев выполнена попарно, причем внутренний слой каждой пары выполнен из волокнистого теплоизоляционного материала, внешний слой из ячеистого теплоизоляционного материала, а число таких пар в трубопроводе не менее двух (патент на изобретение RU 2532476, МПК F16L 59/04, заявл. 28.02.2013 г., опубл. 10.09.2014 г.). Недостатками данного изобретения являются:
• высокая стоимость и металлоемкость стального трубопровода, выполненного из гофрированных металлических труб;
• большие затраты на формирование многослойного теплоизоляционного покрытия криогенного трубопровода для снижения теплоподвода к нему за счет теплопроводности покрытия;
• жесткость трубопровода, усложняющая прокладку трубопровода по местности.
Известен также криогенный перекачивающий рукав (3) для перекачивания углеводородов, содержащий относительно гибкий внутренний рукав (4), и расположенные вокруг внутреннего рукава концентрическим образом: средство противодействия удлинению, внешний рукав (8), содержащий эластомерный и/или пластический материал и волокнистый изоляционный материал, намотанный вокруг внутреннего рукава и сопрягающийся по меньшей мере на части длины с внутренним рукавом, заполняя зазор (9) между внутренним и внешним рукавами, при этом зазор (9) имеет кольцеобразную форму с шириной по меньшей мере 0,5 см, при этом содержащийся в зазоре волокнистый материал (11) образует разделительный элемент между внутренним рукавом (4) и внешним рукавом (8), предотвращающий контакт между внутренним рукавом и внешним рукавом, при этом перекачивающий рукав имеет радиус изгиба равный по меньшей мере четырем внутренним диаметрам внутреннего рукава (4), причем волокнистый материал образует упругую трехмерную матрицу из волокон, противодействующую сжатию при изгибе внешнего рукава или растягивании вследствие расширения и сжатия под действием тепла и давления внутреннего и внешнего рукавов, при этом волокнистый материал (11) является эластично удлиняемым в направлении длины рукава (3) по меньшей мере на 10%, внешний рукав является относительно жестким по сравнению с внутренним рукавом и имеет толщину стенки по меньшей мере 3 см и поглощает по меньшей мере 50%, и предпочтительно, 95% осевых сил, действующих на узел внутреннего и внешнего рукавов во время загрузки и разгрузки (патент на изобретение RU 2571696, МПК F16L 54/153, F16L 11/133, заявл. 07.12.2007 г., опубл. 20.12.2015 г.). Недостатком данного изобретения является отсутствие компенсации деформации сжатия, так как в конструкции предусмотрено только средство противодействия удлинению, расположенное вокруг внутреннего рукава при наличии внешнего рукава с толщиной стенки не менее 3 см относительно жесткого по сравнению с внутренним рукавом, однако при начале подачи низкотемпературного СПГ в рукав, который имеет температуру окружающей среды, произойдет температурное сжатие внутреннего рукава, что может привести к его разрыву или образованию трещин на его поверхности с последующим заполнением изоляционного материала СПГ, что приведет к увеличению его теплопроводности.
Известен также принцип совмещения вакуумной и материальной теплоизоляции гибкий трубопровод для транспортировки находящейся под давлением текучей среды, состоящий из двух металлических труб с гофрированными поперек их продольного направления стенками, из одной внутренней трубы (1) и одной наружной трубы (2), которые расположены концентрично друг другу на расстоянии друг от друга с образованием кольцевого зазора, причем в этом кольцевом зазоре между обеими трубами помещена вакуумная изоляция, при этом снаружи на внутреннюю трубу (1) помещено прочное на растяжение армирование, которое жестко соединено с внутренней трубой (1) на обоих ее концах, армирование выполнено из прочных на растяжение жгутов (4, 5), которые, располагаясь по меньшей мере в два слоя друг на друге, со встречным направлением навивки спиралеобразно обвиты вокруг указанной внутренней трубы (1) (патент на изобретение RU 2594086, МПК F16L 11/15, F16L 11/00, заявл. 10.11.2014 г., опубл. 10.08.2016 г.). Недостатком данного изобретения является высокая стоимость и металлоемкость трубопровода, выполненного из гофрированных металлических труб.
При создании изобретения ставилась задача разработки секционированного криогенного трубопровода для перекачки сжиженного газа, например, СПГ, водорода, этилена, пропана и других, обеспечивающего одновременно высокие теплоизоляционные качества, вариативность профиля трубопровода, снижение затрат при его прокладке и его адаптацию к воздействию внешних и внутренних динамических сил, возникающих в ходе эксплуатации трубопровода.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что секционированный криогенный трубопровод для перекачки сжиженных газов, включающий металлические жесткие линейные секции и металлические деформируемые секции, наземную часть, подводную часть, наплавную понтонную часть, при этом каждая из металлических жестких линейных секций содержит жесткую линейную внутреннюю продуктовую трубу, коаксиально размещаемую в цилиндрическом жестком кожухе с линзовым и/или сильфонным компенсатором, цилиндрический жесткий кожух по концам герметично сопряжен с внешней поверхностью жесткой линейной внутренней продуктовой трубы с линзовым и/или сильфонным компенсатором при помощи колец, каждая из металлических деформируемых секций содержит гофрированную деформируемую внутреннюю продуктовую трубу с гладким переходом по концам, коаксиально размещаемую в гофрированном кожухе, который по концам герметично сопряжен с внешней поверхностью гладких переходов по концам гофрированной деформируемой внутренней продуктовой трубы при помощи колец, металлические жесткие линейные и/или металлические деформируемые секции соединяют между собой при помощи фланцев, закрепляемых на входных и выходных концах продуктовых труб, пространство металлических жестких линейных секций между наружной поверхностью жесткой линейной внутренней продуктовой трубы и цилиндрическим жестким кожухом, ограниченное кольцами, формирует зону вакуумной теплоизоляции, пространство металлических деформируемых секций между наружной поверхностью гофрированной деформируемой внутренней продуктовой трубы и деформируемым кожухом, ограниченное кольцами, заполнено упругим теплоизолирующим веществом и формирует зону теплоизоляции с использованием материалов с низкой теплопроводностью, пространство между наружной поверхностью двух соединенных при помощи фланцев продуктовых труб двух смежных секций, ограниченное с двух сторон кольцами заполнено упругим теплоизолирующим веществом и перекрыто полуцилиндрическими пластинами внахлест, фиксируемыми разъемными крепежными хомутами.
Металлические жесткие линейные секции - конструктивно предельно простой и доступный вариант фрагмента криогенного трубопровода, в котором между жесткими линейной внутренней продуктовой трубой и герметично закрепленном на ней жестким цилиндрическим кожухом формируется зона вакуумной теплоизоляции, являющаяся наиболее эффективным способом предотвращения потерь холода от секционированного криогенного трубопровода.
Полезно цилиндрический жесткий кожух снабдить патрубком с запорным клапаном для создания и контроля вакуума, что одновременно позволяет отсекать пространство вакуумной теплоизоляции от окружающей среды и периодически проверять величину вакуума в пространстве вакуумной теплоизоляции, которая может постепенно уменьшаться в силу подсоса окружающего воздуха или СПГ через микротрещины.
Целесообразно пространство металлических жестких линейных секций между наружной поверхностью жесткой линейной внутренней продуктовой трубы и цилиндрическим жестким кожухом, ограниченное кольцами, дополнительно заполнить адсорбентом частично или полностью, что позволит при подсосе окружающего воздуха или СПГ через микротрещины в это пространство восстанавливать вакуум за счет адсорбции введенного при подсосе газа.
3
3
Полезно в качестве адсорбента использовать цеолит КА или цеолит NaA или силикагель. Эффективность цеолитного вакуумирования зависит от скорости подсоса, например, 1 г цеолита при давлении не менее 0,1 мм рт.ст. может поглощать до 100 см воздуха, тогда при подсосе воздуха в секцию при появлении микротрещины в количестве 1000 см/ч и работе секционированного криогенного трубопровода в течение 50 часов при загрузке танкера СПГ наличие в пространстве вакуумной теплоизоляции 500 г адсорбента обеспечит сохранение в этом пространстве давления в 0,1 мм рт.ст. и, таким образом, эффективность вакуумной тепловой изоляции секции сохраняется.
Желательно металлическую деформируемую секцию криогенного трубопровода исходно выполнять линейной, так как под воздействием внешнего усилия при монтаже трубопровода и его фиксировании она изменяет свою форму в виде дуги необходимого радиуса или S-образной кривой в зависимости от траектории трассы трубопровода, а при снятии приложения внешнего усилия металлическая деформируемая секция возвращается в линейную форму.
Целесообразно упругое теплоизолирующее вещество сформовать в виде протяженной ленты, навитой слоями встык на наружную поверхность гофрированной деформируемой внутренней продуктовой трубы так, чтобы стыки смежных витков лент одного слоя перекрывались лентами последующего слоя, что позволит перекрывать стыки ленты и повысить теплоизолирующее свойство системы.
Желательно упругое теплоизолирующее вещество сформовать в виде протяженного шнура квадратного сечения, навитого слоями встык на наружную поверхность гофрированной деформируемой внутренней продуктовой трубы так, чтобы последующий слой витков шнура навивать в противоположном направлении по отношению к шнурам предыдущего слоя, что позволит перекрывать стыки шнура и повысить теплоизолирующее свойство системы.
Целесообразно в качестве упругого теплоизолирующего вещества использовать вспененный каучук, характеризующийся существенно меньшей величиной теплопроводности 0,036 Вт/(м.град) в сравнении с величиной теплопроводности часто применяемой пористой резины равной 0,06 Вт/(м.град).
Рационально между слоями упругого теплоизолирующего вещества размещать деформируемую механическую систему, поскольку данная система укрепляет упругое теплоизолирующее вещество и за счет того, что жестко соединяется с внутренней продуктовой трубой на обоих ее концах, то защищает внутреннюю продуктовую трубу от механического воздействия при повышении давления транспортируемой среды, сохраняя ее центральное положение в наружной трубе стабильным.
Желательно деформируемую механическую систему выполнять из сетки рабицы и/или стальных прутков, которые позволят обеспечить необходимую механическую прочность без значительного снижения теплопроводности изолирующего упругого вещества и без значительного утяжеления конструкции трубопровода. При наличии упрочняющих элементов деформируемые секции при изгибе сохраняют заданную форму, что позволяет обеспечивать отклонение трассы криогенного трубопровода от линейной направленности.
Целесообразно между металлическими линейными и/или металлическими деформируемыми секциями установить тройники с фланцами для подключения к базовому криогенному трубопроводу дополнительного криогенного трубопровода.
Полезно на секцию криогенного трубопровода устанавливать приборы контроля температуры в составе аналогового датчика и цифрового преобразователя аналогового сигнала, поскольку изменение фиксируемой температуры сверх регламентной свидетельствует о нарушении режима работы тепловой изоляции, например, о нарушении целостности кожуха секции, при этом аналоговый датчик устанавливают на наружной стенке внутренней трубы, а цифровой преобразователь аналогового сигнала устанавливают на наружную стенку внешней трубы.
Целесообразно металлические жесткие линейные секции и металлические деформируемые секции выполнять различной длины, формируя ряд стандартных типоразмеров.
Желательно наземную часть трубопровода формировать преимущественно из набора металлических жестких линейных секций с единичным использованием металлических деформируемых секций в местах поворотов трассы трубопровода с учетом геометрии трассы в соответствии с задачами прокладки и последующей эксплуатации трубопровода.
Рационально подводную часть трубопровода выполнять чередованием металлических жестких линейных секций и металлических деформируемых секций с учетом рельефа линии сборки.
Полезно наплавную понтонную часть трубопровода выполнять в виде последовательности металлических деформируемых секций для компенсации динамических воздействий волн.
Сочетание в пределах криогенного трубопровода секций с различными конструктивными особенностями и различной длиной обеспечит снижение затрат при его прокладке и его адаптацию к воздействию внешних и внутренних динамических сил, возникающих в ходе эксплуатации трубопровода.
На фиг. 1-7 представлены конфигурации возможных вариантов реализации секционированного криогенного трубопровода с использованием следующих обозначений:
1 - металлические жесткие линейные секции;
2 - металлические деформируемые секции;
3 - резервуар сжиженного газа;
4 - насос;
5 -наземная часть трубопровода;
6 - стендер налива продукта;
7 - газовоз;
8 - подводная часть трубопровода;
9 - наплавная понтонная часть трубопровода;
10 - понтоны;
11 - плавучий морской терминал сжиженного природного газа;
12 - жесткий кожух линейной секции;
13 - внутренняя продуктовая труба линейной секции;
14 - линзовый и/или сильфонный компенсатор кожуха;
15 - линзовый и/или сильфонный компенсатор продуктовой трубы;
16 - подвижная опора;
17 - герметизирующие кольца;
18 - гофрированная деформируемая внутренняя продуктовая труба;
19 - гофрированный кожух.
На фиг. 1-3 приведены схемы четырехсекционного линейного трубопровода, включающие металлические жесткие линейные секции 1 и металлические деформируемые секции 2. Металлические жесткие линейные секции 1 содержат внутреннюю продуктовую трубу линейной секции 13, коаксиально размещаемую в цилиндрическом жестком кожухе линейной секции 12 с линзовым и/или сильфонным компенсатором, а цилиндрический жесткий кожух линейной секции 12 по концам герметично сопряжен с внешней поверхностью внутренней продуктовой трубы линейной секции 13 с линзовым и/или сильфонным компенсатором при помощи подвижной опоры 16 и герметизирующих колец 17. Металлическая деформируемая секция 2 содержит гофрированную деформируемую внутреннюю продуктовую трубу 18 с гладким переходом по концам, коаксиально размещаемую в гофрированном кожухе 19, который по концам сопряжен с внешней поверхностью гладких переходов по концам гофрированной деформируемой внутренней продуктовой трубы при помощи подвижной опоры 16 и герметизирующих колец 17. Металлические жесткие линейные секции 1 и/или металлические деформируемые секции 2 соединяются между собой при помощи фланцев, закрепляемых на входных и выходных концах продуктовых труб (на фигурах 1-3 не показаны).
На фиг. 4 приведена схема подачи сжиженного газа из резервуара сжиженного газа 3 насосом 4 по наземной части трубопровода 5 в соответствии с рельефом местности при помощи стендера налива продукта 6 в газовоз 7.
На фиг. 5 приведена схема подачи сжиженного газа из резервуара сжиженного газа 3 насосом 4 по наземной части трубопровода 5 в соответствии с рельефом местности и по подводной части трубопровода 8 при помощи стендера налива продукта 6, расположенного на плавучем морском терминале сжиженного природного газа 11, в газовоз 7.
На фиг. 6 приведена схема подачи сжиженного газа из резервуара сжиженного газа 3 насосом 4 по наплавной понтонной части трубопровода 9, уложенного на понтоне 10 и по наземной части трубопровода 5, проведенной по поверхности плавучего морского терминала сжиженного природного газа 11 при помощи стендера налива продукта 6, расположенного на плавучем морском терминале сжиженного природного газа 11, в газовоз 7.
На фиг. 7 приведена схема секции линейного трубопровода, включающая металлическую внутреннюю продуктовую трубу линейной секции 13, размещаемую в жестком кожухе линейной секции 12 с линзовым и/или сильфонным компенсатором кожуха 14. Между жестким кожухом линейной секции 12 и внутренней продуктовой трубой линейной секции 13 периодически помещают подвижные опоры 16, обеспечивающие коаксиальность внутренней продуктовой трубы линейной секции 13 и жесткого кожуха линейной секции 12. По концам секции между внутренней продуктовой трубой линейной секции 13 и жестким кожухом линейной секции 12 привариваются герметизирующие кольца 17, обеспечивающие создание вакуума в пространстве между внутренней продуктовой трубой линейной секции 13 и жестким кожухом линейной секции 12 при откачке воздуха из этого пространства через патрубок, связывающий секцию линейного трубопровода с вакуум-насосом (не показаны). Свободные концы внутренней продуктовой трубы линейной секции 13, выступающие за пределы жесткого кожуха линейной секции 12, при их сварке позволяют объединять последовательно необходимое число секций, чтобы формировать трассу криогенного трубопровода.
Для оценки эффективности теплоизоляции криогенного трубопровода для ряда примеров была оценена величина ее термической проводимости (теплоизолирующей способности) ϕ
где λ - коэффициент теплопроводности, теплоизолирующего материала, Вт/м . градус,
δ - толщина теплоизолирующего материала.
В расчетах использовалась формула для расчета коэффициента теплопередачи К:
1
2
1
3
2
1
3
2
2
2
2⋅
2
2
3
где α=35 Вт/мK и α=5 Вт/м. К соответственно коэффициенты теплоотдачи от СПГ к стенке трубопровода и от кожуха к окружающему атмосферному воздуху, δ=δ=0,0025 м и δсоответственно толщина трубопровода, кожуха и теплоизолирующего слоя, λ=λ=60 Вт/м⋅K и λ соответственно коэффициент теплопроводности материала трубопровода, кожуха и теплоизолирующего слоя, величина К=0,015Вт/м⋅K для теплоизолированных автоцистерн и контейнеров объемом до 60 м (Теровик О.В., Реуцкий А.С., Топаль Л.Г. Оценка потерь бункеровки СПГ от испарения // Мир транспорта, 2020, т. 18, №3, с. 84-106). По формуле (2) при подстановке коэффициента теплопроводности материала теплоизолирующего слоя λрассчитывалась толщина слоя теплоизоляции δ и наружный диаметр кожуха D по величине наружного диаметра трубопровода d:
Температура СПГ и окружающего атмосферного воздуха соответственно минус 160 и плюс 20°С (113 и 293 K).
2
Пример 1. Между трубопроводом СПГ в виде жесткой линейной секции с наружным диаметром трубопровода d=0,1 м и негерметизированным кожухом находится воздух под атмосферным давлением 0,1 МПа с температурой 270 K, с учетом обмена массой с окружающей средой, коэффициент теплопроводности воздуха λ=0,0238Вт/м⋅K (Энциклопедия по машиностроению XXL. URL: https://mash-xxl.info/).
Расчетная толщина воздушного слоя при атмосферном давлении составляет 0,543 м, наружный диаметр кожуха 1,23 м.
3
2
Пример 2. Между трубопроводом СПГ в виде жесткой линейной секции с наружным диаметром трубопровода d=0,1 м и герметизированным кожухом находится воздух под вакуумом с остаточным давлением 0,01 МПа со средней температурой 210 K, с учетом снижения плотности воздуха до 0.314 кг/м коэффициент теплопроводности воздуха составляет λ=0,0118 Вт/м⋅K (Энциклопедия по машиностроению XXL. URL: https://mash-xxl.info/).
Расчетная толщина воздушного слоя при давлении 0,01 МПа составляет 0,282 м, наружный диаметр кожуха 0,71 м.
Сопоставление результатов расчетов примеров 1 и 2 показывает, что при прочих равных условиях материалоемкость трубопровода для перекачки СПГ в виде жесткой линейной секции с наружным диаметром трубопровода d=0,1м и герметизированным кожухом при вакуумировании теплоизолирующего пространства (пример 2) в 1,72 раза ниже, чем при поддержании в нем атмосферного давления (пример 1).
2
Пример 3. Между трубопроводом СПГ в виде гибкой деформируемой секции с наружным диаметром трубопровода d=0,1 м и герметизированным кожухом находится флисовый или фетровый теплоизолирующий материал, рекомендуемый аналогом (патент на изобретение RU 2571696, МПК F16L 59/153, F16L 11/133, заявл. 07.12.2007 г., опубл. 20.12.2015 г.), при этом, например, фетр представляет собой плотную валяную шерсть с коэффициентом теплопроводности λ=0,047 Вт/м⋅K (URL: https://www.citadel-irk.ru/ehto-interesno/teploprovodnost-fasadnykh-paneley).
Расчетная толщина теплоизолирующего слоя из фетра составляет 0,98 м, наружный диаметр кожуха 2,01 м. Подобная конструкция криогенного трубопровода практически вряд ли реализуема, а уменьшение толщины теплоизолирующего слоя до реальных величин приведет к резкому росту нагрева СПГ по сравнению с примерами 1 и 2, сопровождающегося испарением части СПГ в трубопроводе.
2
Пример 4. Между трубопроводом СПГ в виде гибкой деформируемой секции с наружным диаметром трубопровода d=0,1 м и герметизированным кожухом находится вспененный каучук в соответствии с заявляемым изобретением с коэффициентом теплопроводности λ=0,033 Вт/м⋅K (URL: https://plastinfo.ru/information/articles/7/).
Расчетная толщина теплоизолирующего слоя из вспененного каучука составляет 0,73 м, наружный диаметр кожуха 1,61 м, что значительно меньше, чем в примере 3. С учетом того, что гибкие деформируемые секции будут обеспечивать формирование профиля криогенного трубопровода в основном в местах отклонения трубопровода от линейного профиля, деформируемые секции будут существенно короче и в них можно уменьшить толщину теплоизолирующего слоя, допуская незначительное увеличение теплопередачи. Можно также полагать, что дальнейшее развитие технологии утеплителей позволит получать теплоизоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности на уровне 0,023-0,01Вт/м⋅K не только твердые, но и эластичные, что позволит формировать жесткие и деформируемые секции с одинаковым диаметром кожуха.
Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу разработки секционированного криогенного трубопровода для перекачки сжиженного газа, обеспечивающего одновременно высокие теплоизоляционные качества, вариативность профиля трубопровода, снижение затрат при его прокладке и его адаптацию к воздействию внешних и внутренних динамических сил, возникающих в ходе эксплуатации трубопровода.