СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ТРУБ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ
CONNECTING STRUCTURE FOR CRYOGENIC PIPES FOR HYDROCARBONS TRANSPORTATION

Настоящее изобретение относится к соединительной структуре для криогенных труб для транспортировки углеводородов, содержащей первую и вторую секции криогенной транспортной трубы, каждая из которых имеет металлические стенки, и гибкую секцию трубы, соединяющую первую и вторую секции, шарнирную опорную раму, содержащую первый набор рычагов, соединенных концами основания с первой секцией трубы, опорное кольцо, расположенное вокруг гибкой секции трубы, шарнирно прикрепленное к шарнирным концевым частям первого набора рычагов, при этом первый набор рычагов выполнен с возможностью поворота вокруг первой оси, второй набор рычагов, соединенный концами основания со второй секцией трубы, прикрепленный шарнирными концевыми частями к опорному кольцу и выполненный с возможностью поворота вокруг второй оси, проходящей поперечно первой оси.
Из патента США 4097073 известно соединение жестких трубных секций трубы для транспортировки нефти гибким шлангом. Гибкий шланг проходит внутри карданного шарнира, имеющего форму клетки и передающего большие статические и динамические механические нагрузки от одной жесткой трубчатой секции на другую, позволяя этим трубчатым секциям поворачиваться относительно друг друга вокруг двух перпендикулярных осей. Гибкий трубопровод обеспечивает свободу перемещений и образует герметичное соединение, не передавая существенных усилий.
При транспортировки криогенных сред, таких как сжиженный природный газ (СПГ) или сжиженный нефтяной газ (СНГ), температура секций трубопровода может опуститься до очень низких величин, таких как -130°С. Необходимо принять особые меры к предотвращению хрупкости и растрескивания гибкого шланга после циклов изгиба. Кроме того, структурные элементы кардана или универсального шарнира страдают от низких температур. Особенно при начале и прекращении транспортировки криогенной среды разница температур приводит к относительно большим локальным сокращениям и расширениям, которые могут привести к отказу карданного шарнира из-за несовпадения осей пар вращения, которые больше не могут поворачиваться вокруг своих осей и заклиниваются. Другим вредным эффектом, который возникает при воздействии на кардан низкой температуры, является смерзание пар вращения из-за образования льда во влажной морской среде.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание шарнирно-сочлененной криогенной транспортной трубы, которая может работать при низких температурах надежно и безотказно и которой применяется универсальное шарнирное соединение, уменьшающее тепловые нагрузки на центры вращения муфты.
Эта цель достигается тем, что соединительная структура для криогенных труб для транспортировки углеводородов содержит первую и вторую секции трубы, имеющие, каждая, металлическую стенку, и гибкую секцию трубы, соединяющую первую и вторую секции, шарнирную опорную раму, содержащую первый набор рычагов, соединенных концами основания с первой секцией трубы и выполненных с возможностью поворота вокруг первой оси, опорное кольцо, расположенное вокруг гибкой секции трубы и шарнирно прикрепленное к шарнирным концевым частям первого набора рычагов, второй набор рычагов, соединенных концами основания со второй секцией трубы, прикрепленных шарнирными концевыми частями к опорному кольцу и выполненных с возможностью поворота вокруг второй оси, проходящей поперечно первой оси. Согласно изобретению рычаги имеют форму полого цилиндра, концы основания первого и второго набора рычагов соединены с двумя расположенными на расстоянии друг от друга нижним и верхним соединительными элементами, проходящими поперечно относительно соответствующей секции, при этом концы основания рычагов прикреплены к соединительным элементам на предварительно определенном расстоянии от металлической стенки секции трубы, и рычаги проходят вдоль соответствующих секций трубы на предварительно определенную длину от нижнего соединительного элемента вдоль верхнего соединительного элемента так, что между металлической стенкой секции трубы и рычагом образован зазор.
Прикрепляя поддерживающие рычаги к поперечному соединительному элементу, можно обеспечить механически прочное соединение, способное выдерживать большие усилия в осевом направлении. Кроме того, прикрепляя рычаги на расстоянии от металлических стенок секций криогенной трубы, можно сформировать изолирующее пространство, препятствующее переохлаждению рычагов и, следовательно, пар вращения, расположенных на концах этих рычагов.
Под термином "цилиндрический" здесь понимаются не только круглые цилиндрические рычаги, но и рычаги с некруглым замкнутым контуром сечения, например прямоугольным или овальным. Под термином "полый " понимается выполнение из структурно прочного материала только стенок рычагов, тогда как внутреннее пространство рычагов может быть заполнено изолирующим материалом.
Ширина соединительных элементов в направлении высоты зазора может быть относительно мала по сравнению с высотой зазора. Зазор может быть вакуумирован, но может содержать изолирующий материал, такой как полимеры, армированные стекловолокном, нейлон, xytrex, керамические материалы и прочее.
Соединительный элемент может быть выполнен, по существу, в форме плиты.
Альтернативно, соединительный элемент может быть выполнен из изолирующего материала, например композитного материала, армированного волокнами, но он может быть, например, и стальной плитой, выполненной относительно тонкой по сравнению с длиной рычагов и высотой изолирующего зазора. Таким образом, площадь сечения для теплопереноса от рычагов на секции трубы является небольшой, и обеспечивается хороший эффект изоляции рычагов, одновременно обеспечивая прочное соединение рычагов и металлических секций трубы.
Ширина указанного зазора может составлять от 0,1 до 5 наружного диаметра секций трубы.
Структура может содержать изолирующий материал, размещенный в зазоре.
Полый цилиндр рычагов может иметь диаметр, составляющий 0,5-1 диаметра секций трубы, что уменьшает проводящее сечение между концом основания рычагов и шарнирной концевой частью.
Секции трубы могут содержать внешнюю трубу и внутреннюю трубу, расположенную на расстоянии от внешней трубы.
Секции трубы могут содержать изолирующее покрытие, расположенное снаружи или изнутри металлической стенки.
Концы основания рычагов могут быть размещены в изолирующей камере, которая может быть вакуумирована или заполнена изолирующим материалом.
Рычаги могут расходиться от секций трубы на протяжении от концов основания к шарнирным концам рычагов. Таким образом, одновременно создается эффективное изолирующее расстояние между рычагами и секциями трубы, и опорное кольцо может иметь относительно большой диаметр, так что изгиб гибкой трубы может осуществляться без контакта гибкой трубы с опорным кольцом.
Структура может содержать вертлюг, расположенный между, по меньшей мере, одной из секций трубы и гибкой секцией трубы.
Соединительная структура согласно настоящему изобретению может использоваться, например, в погруженной или плавающей на поверхности структуре для погрузки/выгрузки сжиженного природного газа, такой как буй или причал (например, для загрузки средней части судна) или в серии шарнирных сочленений жестких труб в криогенном подводном транспортном трубопроводе.
Далее следует подробное описание некоторых вариантов соединения согласно настоящему изобретению со ссылками на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 - вид в перспективе варианта соединительной структуры по настоящему изобретению;
фиг.2 - продольное сечение соединительной структуры по фиг.1;
фиг.3 - поперечное сечение соединительной структуры по фиг.1;
фиг.4 - вариант соединительной структуры с зазором между рычагами и секциями трубы, частично заполненным изолирующим материалом и концами основания рычагов, размещенными в изолирующем коробе;
фиг.5 - деталь криогенной гибкой трубы с двойными стенками;
фиг.6-8 схематически изображает различные конфигурации соединительной структуры по настоящему изобретению.
На фиг.1 показана соединительная структура 1 по настоящему изобретению, содержащая первую секцию 2 трубы и вторую секцию 3 трубы. Первая и вторая секции 2, 3 выполнены из относительно жесткого материала, такого как сталь, но могут быть сформированы и из композитных материалов и являются относительно жесткими. Промежуточная гибкая секция 5 трубы соединяет секции 2, 3 друг с другом через соединительные фланцы 6, 7. Секции 2, 3 соединены друг с другом через шарнирную опорную раму 9, имеющую первый набор рычагов 11, 13, соединяющий первую секцию 2 трубы с опорным кольцом 15. Второй набор рычагов 16, 18 соединяет вторую секцию 3 трубы с опорным кольцом 15.
Рычаги 11, 13 своими концами 20, 22 основания соединены с соединительным элементом 23, а рычаги 16, 18 соединены с соединительным элементом 25. Шарнирные концы 27, 29 первых рычагов 11, 13 прикреплены к опорному концу 15 через шарниры 30, 31 так, что рычаги могут поворачиваться вокруг оси 30. Концы 32, 33 рычагов 16, 18 прикреплены к опорному кольцу 15 в точках 34, 35 шарнирного сочленения с возможностью поворота вокруг оси 36.
Как показано на фиг.2, рычаги 16, 18 имеют форму полого цилиндра, и их верхние концы расходятся от секций 3, 5 трубы в направлении шарниров 34, 35. Концы 38, 39 основания расположены на расстоянии от металлической внешней стенки 40 секции 3 трубы так, что образуют зазор 41. Соединительный элемент 25, соединяющий рычаги 16, 18 с секцией 3 трубы, образован двумя плитами 42, 43, которые поддерживаются на секции 3 трубы и охватывают рычаги 16, 18. Толщина t плит 42, 43 является небольшой по сравнению с высотой Н зазора 41 так, что для теплопереноса от рычагов 16, 18 к холодной внешней стенке 40 имеется лишь небольшая площадь сечения.
Гибкая секция 5 трубы содержит гибкую внешнюю стенку 45 и изолирующую гибкую внутреннюю стенку 44.
На фиг.4 показаны изолирующие короба 50, 51, расположенные вокруг соединительных элементов 23, 25, которые могут быть вакуумированы или заполнены изолирующим материалом. Зазор 41 частично заполнен изолирующим материалом 52.
На фиг.5 показана гибкая секция 5 трубы с двойной стенкой, которая соединена с нижней секцией 3 трубы с двойной стенкой через внешний соединительный фланец 7. Секция 5 трубы содержит гибкую внутреннюю трубу 55, которая соединена со стальным фланцем 57. Фланец 57 соединен со стальным фланцем 58 внутренней трубы 59 нижней секции 3 трубы. Внутренняя труба 59 может быть выполнена из гибкого материала, но может быть выполнена и из стали или из композитного материала, содержащего металлические или синтетические волокна, тефлон и т.п. Внешняя гибкая труба 60 соединена через фланец 61 со стальной внешней трубой 62 нижней секции 3 трубы. Фланцы 57, 58 охвачены кольцевым установочным элементом 63, в котором выполнен паз 64, в который входят выступающие вбок элементы 65, чем обеспечивается их теплоизоляция. Внешний соединительный элемент 66 установочного элемента 63 прикреплен к соединительным фланцам 7 внешней трубы 62. Таким образом, осевое и радиальное положение внутреннего фланца 65 и внешнего соединительного фланца 7 удерживается в четко определенном состоянии, при котором внутренний фланец 65 легко доступен при отсоединении внешних секций 60, 62 трубы.
На фиг.6 показан танкер 70 для перевозки сжиженных углеводородов, таких как СПГ, который имеет плавающий шланг 71, соединенный с находящимся в средней части судна загрузочным/разгрузочным коллектором 72. На конце шланга 71 расположена соединительная структура 73 по настоящему изобретению. К одной структуре 73 при необходимости можно подсоединить несколько шлангов 71 для приема больших статических и динамических нагрузок.
В варианте по фиг.7 погрузочный/разгрузочный буй на поверхности воды прикреплен к подвешенному под водой криогенному шлангу 76 (который частично может плавать на поверхности воды) через соединительную структуру 77. Буй 75 прикреплен якорем к дну якорными тросами 78.
В варианте по фиг.8 показано множество жестких стальных криогенных труб 79, 80, поддерживаемых погрузочной/разгрузочной структурой, например буем 78. Трубы 79, 80 соединены друг с другом соединительными структурами 81, 82 по настоящему изобретению.