СТЕНД ДЛЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к технике испытаний в нефтегазовой, химической, строительной и других отраслей промышленности, в которых проектируют, изготавливают, испытывают и эксплуатируют теплоизолированные трубопроводы.
Из уровня техники известен стенд для имитации тепловых режимов (RU 88147, U1, G01M 9/00, 27.10.2009), включающий блок управления и электрически связанные с ним две нагревательных системы и блок вентиляторов, а также датчики температуры, датчики скорости воздушного потока, а также блоки измерения температуры и скорости воздушного потока, блоки аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютер, при этом стенд выполнен в виде камеры, корпус которой содержит теплоизолирующий слой. Стенд при проведении испытаний объектов различного профиля обеспечивает возможность задания тепловых режимов соответствующим эксплуатационным нагрузкам. Известный стенд обеспечивает возможность соответствующих испытаний объектов различного профиля. Однако, известное решение содержит большое количество оборудования, необходимого для обеспечения работоспособности, и не предназначено для испытания теплотехнических характеристик натурных теплоизолированных труб нефтяного сортамента.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании стенда для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента, длина которых составляет 10-12 м и более. Масса такой трубы может достигать от 500 кг и более. Теплоизолированная труба может быть выполнена в виде сборки из двух и более аналогичных труб, соединенных штатной муфтой, участвующей совместно с трубами в распределении тепловых потоков в радиальном направлении.
Технический результат полезной модели заключается в повышении достоверности результатов испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента с помощью стенда, предназначенного для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента. Технический результат также заключается в создании стенда, обеспечивающего теплотехнические испытания теплоизолированных лифтовых труб не в отдельных точках, а всей трубы или сборки труб при эксплуатационном режиме, приближенном к условиям вечной мерзлоты.
Сущность полезной модели заключается в том, что она представляет собой стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб, содержащий, по меньшей мере, одну испытываемую теплоизолированную трубу, блок нагревания, блок вентиляторов, блок автоматического управления и регистрации, блок измерения температуры, выходы которого соединены с входами блока автоматического управления и регистрации, первый и второй выходы которого соединены с входами управления блока нагревания и блока вентиляторов соответственно. При этом, в стенд введена дополнительная теплоизолированная труба, размещенная параллельно испытываемой теплоизолированной трубе, причем одна пара концов испытываемой и дополнительной теплоизолированных труб соединена герметично отрезком гибкой теплоизолированной трубы, другая пара концов испытываемой и дополнительной теплоизолированных труб соединена другим отрезком гибкой теплоизолированной трубы через расходомер воздуха, блок вентиляторов и блок нагревания, последовательно установленные с возможностью нагревания циркулирующего потока воздуха внутри труб до момента достижения постоянной температуры, как циркулирующего потока воздуха, так и внутренних и внешних стенок теплоизолированных труб, выход расходомера соединен с входом блока автоматического управления и регистрации.
Материал, из которого сделаны стенки теплоизолированной трубы нефтяного сортамента, не является однородным материалом. Конструкция стенок такова, что свойства стенок трубы резко отличаются по ее длине. Поэтому измеренные прибором типа ИТП-МГ4.03 «ПОТОК» тепловые характеристики в одной точке могут резко отличаться от результатов измерений тепловых характеристик, проведенных в другой точке трубы. В особой мере это относится к теплоизолирующим лифтовым трубам с вакуумной изоляцией.
На чертеже показан стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб.
Стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб включает: испытываемую теплоизолированную трубу - 1; теплоизолированную трубу - 2 с теплоизолирующим слоем - 3; гибкую теплоизолированную трубу - 4; гибкую теплоизолированную трубу - 5; расходомер воздуха - 6; блок вентиляторов - 7; блок нагревания - 8; блок измерения температур, который состоит из канального датчика температуры воздушного потока - 9, канального датчика температуры воздушного потока - 10, датчика температуры наружной поверхности трубы - 11, датчика температуры наружной поверхности трубы - 12, датчика температуры внутренней поверхности трубы - 13, датчика температуры внутренней поверхности трубы - 14, датчика температуры окружающего воздуха - 15. Кроме того, в состав стенда входит технологическая теплоизолированная муфта - 16; технологическая теплоизолированная муфта - 17; автоматический блок управления и регистрации - 18; натурные муфты - 19, 20, которые могут быть выполнены как с теплоизолирующим вкладышем, так и без него, которые предназначены для герметичного соединения двух труб, участвующих в распределении тепловых потоков в радиальном направлении.
Блок вентиляторов может содержать, по меньшей мере, один канальный вентилятор. Управляющее воздействие на блок вентиляторов подается с выхода автоматического блока управления и регистрации (18).
Автоматический блок управления и регистрации (18) может быть выполнен на базе компьютера, выходы которого соединены с управляющими входами стенда, а входы связаны через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с блоком измерения температуры.
Испытываемая теплоизолированная труба (1) нефтяного сортамента или сборка из двух таких скрепленных муфтой (19) труб герметично скрепляется с помощью технологических муфт (16, 17), содержащих канальные датчики температуры воздушного потока (9, 10). Одна из технологических муфт связана одним концом с блоком нагревания (8), а другим - с гибкой теплоизолированной трубой (5).
Включение блока вентиляторов (7) и блока нагревания (8), выполненного на канальном нагревателе, осуществляется последовательно. Под действием канального вентилятора в трубах (1, 5, 2, 4) начинает циркулировать поток воздуха, расход которого может быть измерен, расходомером воздуха (6).
Автоматический блок управления и регистрации (18) поддерживает заданную температуру воздушного потока на основании показаний, полученных от всех датчиков температуры (9, 10, 11, 12, 13, 14), и осуществляет управление напряжением, подаваемым на блок нагревания. Датчики температуры (11, 12) перемещают по наружной поверхности испытываемой теплоизолированной трубы, при этом в интересующих точках осуществляются измерения температуры на ее поверхности. Эти показания фиксируются в автоматическом блоке управления и регистрации.
Автоматический блок управления и регистрации (18) непрерывно контролирует изменение температур, измеренных датчиками (10, 11, 12, 13, 14) в заданные интервалы времени для определения и подачи необходимого напряжения на нагреватели, для достижения стационарного теплового режима.
Н
К
эфф
Установившиеся на входе и выходе испытываемой теплоизолированной трубы (1) значения температур Θ и Θ, измеренных датчиками (9, 10) температуры, и расхода воздуха , измеренного расходомером (6), фиксируются автоматическим блоком управления и регистрации (18). На основании этих показаний осуществляется расчет коэффициента теплопроводности λ.
Выключая расходомер (6) и канальный нагреватель (8), следует отсоединить гибкую теплоизолированную трубу (4) от расходомера, затем продуть систему труб (1, 5, 2, 4) "холодным" воздухом, температура которого совпадает с температурой помещения, в котором расположен стенд.
эфф
Эффективную теплопроводность λ теплоизолированной трубы или сборки из двух труб можно вычислить по формуле:
где:
1
2
D, D, L - соответственно, внутренний, наружный диаметры и длина теплоизолированной трубы в метрах;
O
T - температура окружающего воздуха;
Н
К
Θ, Θ - температура воздушного потока на входе и на выходе теплоизолированной трубы в К;
P
c, Дж/кг·К - удельная теплоемкость воздуха;
, кг/с - массовый расход воздуха.
После остывания испытываемой теплоизолированной трубы нефтяного сортамента, отсоединяют от нее технологические муфты (16, 17), демонтируют теплоизолированную трубу (1), после чего стенд готов для испытаний следующей теплоизолированной трубы нефтяного сортамента.
Как вариант, с целью практического устранения влияния коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности теплоизолированной трубы в окружающий воздух на точность определения эффективной теплопроводности, измерение температуры окружающего воздуха, разности температур воздушного потока на входе и выходе испытываемой теплоизолирующей трубы проводят при постоянном массовом расходе дважды:
- один раз, когда теплоизолированная труба укрыта по всей длине слоем теплоизоляции постоянной толщины с известной теплопроводностью,
- другой раз, когда теплоизолированная труба свободна от слоя дополнительной теплоизоляции, а по результатам измерений определяют теплопроводность теплоизолированной трубы с учетом коэффициента теплоотдачи в окружающий воздух.
Эффективную теплопроводность теплоизолированной трубы или сборки из двух труб подсчитывают по формуле:
где:
1
2
D, D, L - соответственно, внутренний, наружный диаметры и длина теплоизолированной трубы (в метрах);
0
Т, (°С) - температура воздуха, измеренная датчиком температуры (15);
Р
С, (Дж/кг·К) - удельная теплоемкость воздуха;
, (кг/с) - массовый расход воздуха;
0
λ, (Вт/м·К) - известная теплопроводность материала слоя теплоизоляции толщиной δ, (м);
3
2
D=(D+2δ), (м) - диаметр теплоизолированной трубы, укрытой дополнительной теплоизоляцией;
Σ
Σ
Н
К
Θ , Θ  - температура воздушного потока на входе и на выходе теплоизолированной трубы (в °С), укрытой дополнительной теплоизоляцией;
Н
К
Θ, Θ - температура воздушного потока на входе и на выходе теплоизолированной трубы (в °С), без дополнительной теплоизоляции.
Таким образом, предлагаемая конструкция стенда для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб позволяет проводить испытания с теплоизолированными трубами нефтяного сортамента, длина которых составляет 10-12 м и более. Масса такой трубы может достигать от 500 кг и более.