ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА ИЗОЛЯЦИИ ТРУБОПРОВОДА С ПОДОГРЕВОМ
HYBRID SYSTEM FOR PIPELINE INSULATION WITH HEATING

Ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка претендует на приоритет предварительной патентной заявки US 61/383258, поданной 15 сентября 2010 г., введенной в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к подогреваемым трубопроводам для текучих сред. В частности, настоящее изобретение относится к подогреваемым трубопроводам для текучих сред, имеющих гибридную теплоизоляцию.
Уровень техники
Внешняя тепловая изоляция часто является важным компонентом подогреваемых трубопроводов, включающих, помимо других, трубопроводы транспортировки серы. Обычно такая тепловая изоляция применяется для обеспечения сохранения тепла и защиты персонала на наземных трубопроводах. В существующих трубопроводах транспортировки текучих сред, например, трубопроводах транспортировки жидкой серы и (или) системах трубопроводов, часто используются теплостойкие изоляционные материалы, включающие, помимо других, следующие: (1) аэрогелевую изоляцию; (2) перлитную изоляцию; (3) минеральную вату; и (4) полиуретановую изоляцию.
Преимуществом аэрогелевой изоляции является низкая теплопроводность, по сравнению с обычно используемой теплостойкой изоляцией. Более того, аэрогелевая изоляция обладает гибкостью и легко наносится на трубопроводы. Поскольку аэрогелевая изоляция обладает низкой теплопроводностью, для покрытия и теплоизоляции трубопровода можно использовать тонкий слой изоляции. Стоимость аэрогелевой изоляции обычно высока, что снижает ее конкурентоспособность по сравнению с другими известными теплоизоляционными материалами.
Другим известным изоляционным материалом является перлит. Перлитная изоляция отличается невысокой стоимостью и является проверенным изоляционным материалом, обладающим высокой прочностью на сжатие и высокой теплоустойчивостью. Перлит хрупок и может быть поврежден при транспортировке и установке. Перлит обычно имеет низкие теплоизоляционные свойства, что требует увеличения толщины или количества материала для достижения нужных тепловых характеристик.
Еще одним известным изоляционным материалом является минеральная вата. Минеральная вата является рентабельным в применении изоляционным материалом, используемым при высоких температурах. Минеральная вата обычно обеспечивает лучшую изоляцию по сравнению с перлитом, но не имеет высокой прочности на сжатие для создания опоры для трубопровода.
Еще один известный изоляционный материал, полиуретан, обладает низкой теплопроводностью. Как правило, по теплоизоляционным характеристикам полиуретан уступает только аэрогелевой изоляции. Обычно использование и (или) теплоизоляция полиуретановой изоляцией ограничено температурой примерно 150°C. При этом обычно полиуретановая изоляция не может непосредственно противостоять воздействию высоких температур, например, температур трубопроводов транспортировки серы.
Требуется создание системы, в которой были бы устранены ограничения, присущие обычным изоляционным материалам, и в максимальной степени обеспечены преимущества, свойственные каждому из этих изоляционных материалов.
Раскрытие изобретения
Раскрытая трубопроводная система с подогревом, имеющая гибридную комбинированную изоляцию в соответствии с настоящим изобретением, включает трубопровод для текучей среды, имеющий первый конец и второй конец. Удлиненный элемент подогрева располагается параллельно по меньшей мере части наружной поверхности трубопровода для текучей среды и соединен с ней.
Системы подогрева трубопроводов хорошо известны специалистам. Такие системы подогрева трубопроводов обычно содержат по меньшей мере один тепловыделяющий элемент (например, нагревательные трубки), привязанный или приваренный к рабочей трубе. Для получения более высокой температуры, к такой рабочей трубе может быть по всей длине приварено большое число трубок. В большинстве случаев такая сварка не относится к несущей конструкции и требуется только как средство теплопередачи от тепловыделяющего элемента(-ов) к рабочей трубе. Хотя конкретные механизмы и конструкции могут быть изменены, нагревательные трубки могут содержать нагревательный элемент(-ы), используемый для выделения тепла.
Кроме того, также может быть использована по меньшей мере одна волоконно-оптическая линия для обеспечения функций управления и (или) мониторинга. Например, по меньшей мере одна волоконно-оптическая линия может быть использована для непрерывного мониторинга температуры трубопровода, по существу, по всей его длине, для обеспечения безопасной и надежной работы систем.
В настоящем изобретении предлагается гибридная система изоляции трубопровода, имеющего полое внутреннее пространство для транспортирования текучей среды и по меньшей мере одну нагревательную трубку на наружной поверхности, содержащая:
первый слой изоляции, включающий:
i) первую изолирующую часть, расположенную вдоль первой периферийной части наружной поверхности трубопровода и, по существу, с противоположной стороны от по меньшей мере одной нагревательной трубки, размещенной на наружной поверхности, и выполненную из первого изоляционного материала; и
ii) вторую изолирующую часть, расположенную вдоль второй периферийной части наружной поверхности трубопровода и выполненную из второго изоляционного материала, разделенного с первым изоляционным материалом и отличающегося от него;
второй слой изоляции, охватывающий первый слой изоляции и проходящий вдоль наружной поверхности трубопровода.
В частных вариантах выполнения первый слой изоляции дополнительно содержит промежуточную металлическую обертку, охватывающую первую изолирующую часть и вторую изолирующую часть.
Гибридная система изоляции может дополнительно содержать паронепроницаемый слой, охватывающий второй слой изоляции, в частности, из полиэтилена высокой плотности.
Трубопровод может представлять собой трубу из углеродистой стали.
Гибридная система изоляции может также содержать трубку с волоконно-оптическим кабелем, расположенную в основном вблизи по меньшей мере одной нагревательной трубки.
Первая изолирующая часть может представлять собой тепловую изоляцию из вспученного перлита.
Вторая изолирующая часть может представлять собой тепловую изоляцию из минеральной ваты высокой плотности.
Второй слой изоляции может быть выполнен из полиуретанового пенопласта.
Таким образом, согласно изобретению, на наружной поверхности трубопровода с текучей средой имеется первый изоляционный материал, при этом эта первая изоляция покрывает первую часть наружной поверхности трубопровода. На наружной поверхности трубопровода для текучей среды также имеется второй изоляционный материал, закрывающий вторую часть наружной поверхности, при этом вторая часть наружной поверхности отличается от первой части наружной поверхности. Первый и второй изоляционные материалы приспособлены для того, чтобы во взаимодействии совместно закрывать наружную поверхность трубопровода для текучей среды. Трубопровод для текучей среды также содержит третий изоляционный материал, расположенный поверх второй наружной поверхности, совместно образованной первым и вторым изоляционными материалами.
Раскрыты и другие варианты выполнения, которые могут быть использованы как по отдельности, так и в комбинации. Дополнительные признаки и преимущества рассмотренных вариантов выполнения будут очевидны из приведенного далее подробного описания и приложенных чертежей.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания приведенного выше краткого изложения существа изобретения, а также следующего далее подробного описания предпочтительных вариантов выполнения, их рассмотрение лучше проводить совместно с приложенными чертежами. Для иллюстрации изобретения, на чертежах показаны некоторые предпочтительные варианты выполнения. Само собой разумеется, однако, что изобретение не сводится к раскрытым конкретным способам и устройствам. Кроме того, размеры, материалы и названия частей приведены только для иллюстрации, и не ограничивают изобретения.
На фиг. 1 представлен в перспективе вид частного варианта гибридной изоляции трубопровода для текучей среды, конструкция которой соответствует настоящему изобретению;
на фиг. 2 представлен вид поперечного сечения частного варианта гибридной изоляции трубопровода для текучей среды, конструкция которой соответствует настоящему изобретению;
на фиг. 3-6 представлены результаты теплового анализа элементов частного варианта гибридной изоляции трубопровода для текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание осуществления изобретения
Описываемая система трубопровода с подогревом в соответствии с настоящим изобретением включает сборку 100 трубопровода с гибридной комбинированной системой изоляции и тепловыделением за счет скин-эффекта, расположенной вокруг наружной поверхности.
На фиг. 1 приведен в перспективе вид частного варианта гибридной изоляции трубопровода для текучих сред, конструкция которой соответствует настоящему изобретению. Сборка 100 трубопровода включает трубопровод 102, который может представлять собой по существу цилиндрический отрезок трубы с наружной поверхностью 104 и в целом полым внутренним пространством 106. Следует отметить, что трубопровод 102 может быть использован для выполнения различных функций, включая, в частности, транспортировку текучих сред в полом внутреннем пространстве 106 трубопровода 102.
Трубопровод 102 включает элемент обогрева, предпочтительно, состоящий из первой нагревательной трубки 108 и второй нагревательной трубки 110. Эти нагревательные трубки 108 и 110 могут использоваться для подведения тепла способами, известными специалистам. Следует заметить, что размещение этих нагревательных трубок 108 и 110 относительно трубопровода 102 может меняться в соответствии с конкретными условиями монтажа и конструктивными параметрами. К наружной поверхности 104 трубопровода 102 также может быть прикреплена защитная трубка 112 волоконно-оптического кабеля, обычно располагаемая между нагревательными трубками 108 и 110. Эта защитная трубка 112 волоконно-оптического кабеля может быть использована способами, известными специалистам.
Также, согласно фиг. 1, вокруг части трубопровода 102 может быть, предпочтительно, расположена первая жесткая изоляция 118, обладающая высокой теплоустойчивостью и несущей способностью. Второй изоляционный материал 120 может быть расположен вокруг другой части трубопровода 102, как более подробно будет описано ниже. В этом втором изоляционном материале 120 могут быть предварительно сформированы пазы, приспособленные для взаимодействия с первой и второй нагревательными трубками 108, 110 и защитной трубкой 112 волоконно-оптического кабеля. Первый изоляционный материал 118 и второй изоляционный материал 120 могут закрываться или помещаться в оболочку промежуточной металлической обертки 122, отделяющей первый и второй изоляционные материалы 118 и 120, соответственно, от наружного слоя 126 изоляции. Вокруг наружного слоя 126 трубопровода 102 может быть обернут или нанесен иным способом паронепроницаемый слой 128 из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).
На фиг. 2 показан вид поперечного сечения частного варианта выполнения трубопровода 102 и гибридной комбинированной системы 100 изоляции. Трубопровод 102 может представлять собой по существу цилиндрическую трубу с наружной поверхностью 104 и полым внутренним пространством 106. В качестве частного примера, трубопровод 102 может представлять собой трубу из углеродистой стали А106 Марки В, приспособленной для транспортировки расплавленной серы по полому внутреннему пространству 106 трубопровода 102.
Трубопровод 102 может включать первую нагревательную трубку 108. Как показано на фиг. 2, нагревательная трубка 108 расположена примерно в положении "10:30". Трубопровод 102 также может включать вторую нагревательную трубку 110, показанную на фиг. 2 примерно в положении "1:30". Эти первая и вторая нагревательные трубки 108 и 110 могут иметь для защиты, например, стальную оболочку из углеродистой стали А106 Марки В. При этом, первая и вторая нагревательные трубки 108 и 110 могут быть приварены или прикреплены другим путем к наружной поверхности 104 трубопровода 102. На наружной поверхности 104 трубопровода 102 также может быть закреплена защитная трубка 112 волоконно-оптического кабеля, примерно в положении "12:00". В настоящем описании, обозначениями положения "10:30", "1:30", "12:00" показаны положения относительно трубопровода 102 по аналогии со стандартным циферблатом, при этом 12 часам соответствует центральное расположение по вертикали на трубопроводе 102.
Наружная поверхность 104 трубопровода 102 может включать первую периферийную часть, определяемую между радиальной линией С и радиальной линией С, включая и эти линии. Наружная поверхность 104 трубопровода 102 также может включать вторую периферийную часть 116, определяемую между радиальной линией С и радиальной линией С, не включая этих линий. Другими словами, в варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, первая периферийная часть 114 может составлять нижний сектор (относительно положения нагревательных трубок 108 и 110). Эта первая периферийная часть 114 может включать первую жесткую изоляцию 118, обладающую теплостойкостью и нагрузочной способностью. В качестве частного примера, упомянутая жесткая изоляция может быть выполнена с возможностью противостоять температурам трубы, превышающим 235°C. В качестве примера подходящей жесткой изоляции может служить, среди прочего, вспученный перлит/силикат кальция высокой плотности/HITLIN™.
Вторая периферийная часть 116 (т.е. оставшаяся наружная часть 104 трубопровода 102 в частном варианте выполнения, изображенном на фиг. 2) может быть помещена в оболочку или покрыта вторым изоляционным материалом 120. Второй изоляционный материал 120 может представлять собой высокотемпературный гибкий изоляционный материал высокой плотности, например, теплоизоляционную минеральную вату высокой плотности, в которой в заводских условиях отформованы пазы, соответствующие первой и второй нагревательным трубкам 108, 110 и защитной трубке 112 волоконно-оптического кабеля.
Наружная поверхность первой и второй периферийных частей 114, 116 может быть закрыта или заключена в оболочку промежуточной металлической оберткой 122. Преимуществом использования этой промежуточной металлической обертки 122 является то, что она может распределять тепло по окружности трубопровода 102. Комбинация первой изоляции 118 и второй изоляции 120 дает первый слой 124 изоляции. В предпочтительном варианте выполнения, промежуточная металлическая обертка 122 охватывает первый слой 124 изоляции и отделяет его от второго, или наружного, слоя 126 изоляции.
Второй, или наружный, слой 126 изоляции может представлять собой теплостойкую пенопластовую изоляцию достаточной толщины и плотности для снижения потерь тепла вдоль трубопровода 102, имеющую достаточную прочность на сжатие для поддержания веса трубопровода, заполненного серой. В одном варианте выполнения, пенополиуретан может быть нанесен посредством "управляемого распыления", создающего концентрическую изоляцию, хотя могут быть использованы и другие способы. Дополнительно, вокруг второго, или наружного, слоя 126 трубопровода 102 может быть обернут или нанесен иным путем паронепроницаемый слой 128 полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).
На фиг. 3-6 графически представлены результаты теплового анализа элементов частного варианта гибридной системы изоляции трубопровода для текучих сред в соответствии с настоящим изобретением. В частности, каждая из диаграмм является графическим представлением результата анализа методом конечных элементов тепловых процессов и (или) их воздействий в трубопроводе 102. Например, каждый слой тепловой изоляции может быть выбран или использован для представления однородной утечки тепла сквозь этот слой изоляции. В дополнительном примере на фиг. 5 показаны режимы, представляющие температуру границы раздела при температуре стенки трубы 180°C и окружающей температуре 40°C, в отсутствие ветра. В еще одном дополнительном примере на фиг. 6 показаны режимы, представляющие температуру границы раздела при температуре стенки трубы 232°C и окружающей температуре 40°C, в отсутствие ветра. Данные, полученные из приведенных на фиг. 3-6 изображений, отражающих результаты анализа методом конечных элементов, могут быть использованы для предотвращения неоднородных утечек тепла сквозь слои изоляции, охватывающие трубопровод 102, которые приводят к неравномерности температуры на границе раздела между внутренним слоем и наружным слоем.
Изображения на фиг. 3-6, полученные методом конечных элементов, могут быть использованы для анализа и (или) определения толщины пар материалов, образующих внутренний, или первый, слой изоляции. Каждый из пары материалов первого слоя имеет коэффициент теплопроводности и коэффициент сжатия, отличающиеся от коэффициентов других материалов, поэтому важен правильный выбор конкретных материалов. Более того, может быть важным управление температурой на границе раздела внутреннего, или первого, слоя и наружного, или второго, слоя, потому что номинальные рабочие температуры наружного слоя пенопласта ниже, чем возможные температуры, которые могут быть на этой границе раздела. При воздействии на наружный, или второй, слой изоляции более высоких температур зачастую может происходить деградация или снижение срока службы пенопластовой изоляции и, в итоге, возникать неприемлемые потери тепла. Таким образом, для предотвращения возникновения нежелательных температурных режимов может быть выбрана и использована в трубопроводе 102 описанная гибридная геометрия расположения изоляционных материалов.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения, трубопровод 102 может быть закреплен с возможностью его вращения для обеспечения целенаправленного нанесения изоляционного материала на наружные поверхности трубопровода 102 в заданные места, в нужном количестве и требуемой толщины. Например, секция трубопровода может закрепляться по концам и вращаться вокруг центральной оси. Может использоваться одна или более распылительных форсунок, управляемых компьютером и (или) по результатам анализа, для точного нанесения изоляционного материала в нужные места и нужной формы. Раскрытые варианты выполнения представляют собой рентабельную теплоизолированную систему с нагревом за счет скин-эффекта, обеспечивающую безопасное и надежное повторное расплавление текучих сред, содержащихся и транспортируемых в трубопроводе (включая, в числе прочего, серу), например, в трубопроводе 102, путем концентрированного теплового воздействия в требуемых точках трубы для создания потока расплавленной серы. Расплавленный поток серы или "крысиная нора" проходит вдоль трубопровода 102 вблизи первой и второй нагревательных трубок 108 и 110. "Крысиная нора" позволяет расплавленной сере затекать в пустые секции трубопровода 102, исключая при этом возможность перегрева трубопровода 102 для транспортировки серы. Гибридная комбинированная изоляция также предотвращает возможность образования воздушных зазоров в пазах в жесткой изоляции, и обеспечивает при этом требуемую прочность на сжатие в нижней части трубы.
Описанное изобретение имеет ряд конкретных признаков, которые желательно использовать совместно, однако каждый из них можно использовать отдельно, не выходя за пределы области притязаний изобретения. Хотя здесь были показан и описан предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения, должно быть понятно, что возможны и другие варианты выполнения, отличающиеся от показанных или описанных, и что определенные изменения в форме и расположении частей и конкретные способы использования изобретения возможны в рамках концепции или принципов изобретения.