КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД
CRYOGENIC PIPELINE

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и изготовлении криогенных трубопроводов для транспортировки жидких и газообразных сред, имеющих сверхнизкую температуру.
Известен криогенный трубопровод (RU 2177100 С2, опубл. 20.12.2001), в котором в качестве теплоизоляции используется вакуумированное пространство, которое может быть заполнено порошком или суперизоляцией. Такая изоляция и трубопровод имеют практически неограниченный срок службы и высокую теплоизоляционную эффективность. Однако эти параметры имеют место при условии сохранения и поддержания в теплоизоляционной полости высокого вакуума, что сложно и трудоемко обеспечивать.
Известен также теплоизолированный трубопровод (RU 2318154 С1, 27.02.2008), в котором изоляционный слой выполнен из вспененного отвержденного материала, и имеющий герметичную трубчатую оболочку. Данная конструкция трубопровода существенно упрощает ее конструкцию. Однако данный трубопровод имеет пониженную водостойкость и ограниченный срок службы. Это связанно в первую очередь с тем, что при охлаждении трубопровода до сверхнизких температур происходит неравномерное сжатие различных участков теплоизоляции, так как по радиусу трубопровода в изоляции имеет место значительный градиент температуры. В связи с этим во внутренних участках теплоизоляции происходит более сильное сжатие материала, а во внешних - изоляционный материал сжимается меньше. Это приводит к растрескиванию преимущественно внутренних слоев изоляции. Также данный процесс растрескивания теплоизоляции усугубляется тем, что внутренняя труба трубопровода, как правило, выполняется из металла и имеет коэффициент температурного расширения в 6-10 раз ниже, чем большинство изоляционных материалов. Таким образом, металлический трубопровод при снижении температуры, когда в нем протекает криогенная среда, сжимается менее сильно, чем изоляция. Тепловая изоляция на трубопроводе или приклеивается, или крепится каким либо другим способом, или усилие на нее от трубопровода передается посредством трения. Это увеличивает механическое напряжение в теплоизоляции и также ведет к ее разрывам.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный как прототип криогенный трубопровод (JP 2004084702 (А), опубл. 18.03.2004). Цель данного устройства - получение постоянной во времени изоляционной эффективности устройства. Теплоизоляционная эффективность трубопровода снижается в процессе эксплуатации из-за возникновения дефектов в изоляционном слое вследствие различия в сжатии изоляции и трубопровода при захолаживании трубопровода. В устройстве, рассмотренном в прототипе, внутренняя труба рассматривается выполненной из инвара и предназначена для транспортировки сжиженного природного газа. Инвар имеет практически нулевой коэффициент температурного расширения. В связи с этим эффект разрушения изоляции для трубы, рассмотренной в прототипе, еще более значителен, чем при выполнении трубы из других металлов, например из нержавеющей стали. Для предотвращения разрушения изоляции теплоизоляционная система трубопровода прототипа состоит из двух слоев, а внутренний слой изоляции разделен на блоки, причем блоки могут иметь также продольные разрезы.
Недостатком такой конструкции теплоизоляционной системы является снижение суммарной изоляционной эффективности из-за наличия во внутреннем изоляционном слое продольных и поперечных щелей, незаполненных изоляцией. В дополнение к этому, по газу в щелях холод от внутренней трубы передается к внешнему слою изоляции, что приводит к его сжатию и разрушению.
Задачей настоящего изобретения является предотвращение возникновения трещин и щелей во внутренних слоях изоляции криогенного трубопровода и, как следствие, исключение возникновения добавочного теплопритока по трещинам и щелям, и исключение попадания по ним паров воды во внутренние слои изоляции.
Технический результат заключается в сохранении постоянного значения теплоизоляционной эффективности криогенного трубопровода в течение длительного времени и в увеличении срока службы криогенного трубопровода.
Технический результат достигается тем, что криогенный трубопровод содержит собственно трубопровод, охваченный слоями, по меньшей мере, два из которых теплоизоляционные, при этом часть слоев выполнена попарно, внутренний слой каждой пары выполнен из волокнистого теплоизоляционного материала, а внешний слой - из ячеистого теплоизоляционного материала, а число таких пар в трубопроводе не менее двух.
Отличительная особенность заявляемого изобретения заключается в том, что часть слоев выполнена попарно, при этом внутренний слой каждой пары выполнен из волокнистого теплоизоляционного материала, а внешний слой - из ячеистого теплоизоляционного материала, а число таких пар в трубопроводе не менее двух. Слои из ячеистого теплоизоляционного материала разделены перемычками из волокнистого изоляционного материала, сформированного в виде шнура, многократно навитого в перемычку до полного ее заполнения, причем перемычки верхних слоев выполнены со смещением по отношению к перемычками нижележащих слоев, при этом на перемычки нанесен газонепроницаемый слой или перемычки могут быть расположены таким образом, что сверху и снизу перекрываются ячеистым изоляционным материалом. Внутренний слой каждой пары выполнен из волокнистого изоляционного материала, сформированного в виде многократно навитого шнура.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На Фиг. 1 изображен поперечный разрез криогенного трубопровода по настоящему изобретению.
На Фиг.2 изображен вариант конструкции теплоизоляции, когда слои ячеистой изоляции перемежаются слоями волокнистой изоляции и слои ячеистой изоляции имеют перемычку, заполненную шнуром из волокнистого материала.
На Фиг.3 изображен вариант конструкции теплоизоляционных слоев, обеспечивающий предотвращение поперечного растрескивания слоев ячеистой изоляции в трубопроводе.
На Фиг. 1 представлен поперечный разрез криогенного трубопровода по настоящему изобретению.
Данная конструкция выполняется из указанных ниже слоев, которые наносятся последовательно:
1 - металлическая труба (внутренний трубопровод), внутри
которой находится транспортируемая криогенная среда;
2 - антикоррозионный или антиабразивный, или антиадгезионный
слой, который в конкретных конструкциях может отсутствовать;
3, 5 - слои волокнистой теплоизоляции, например маты из супертонкого базальтового или стеклянного волокна. Волокнистая изоляция является эффективной тепловой изоляцией, обладает в определенной мере упругими свойствами, в ней не возникают существенные механические напряжения при охлаждении ее до криогенных температур. Вместе с этим волокнистая изоляция имеет высокую газопроницаемость, из-за чего в процессе работы криогенного трубопровода в волокнистую изоляцию из окружающей среды могут проникать пары воды. При этом в массиве изоляции происходит накопление воды в жидкой или твердой фазе, из-за которой теплоизоляционные свойства волокнистой изоляции с течением времени резко снижаются. В связи с этим изолирование криогенных трубопроводов только волокнистой изоляцией неэффективно, и такая изоляция имеет короткий ресурс работы;
4, 6 - слои ячеистой эластичной тепловой низкотемпературной изоляции, например вспученные синтетические каучуки, разработанные специально для криогенных условий. Ячеистая изоляция имеет низкие коэффициенты паропроницаемости, что предотвращает проникновение в нее и через ее слой в другие слои изоляции водяного пара. Однако, как правило, ячеистые материалы имеют высокие коэффициенты линейного расширения, что ведет к сильному сжатию этих материалов при их охлаждении до криогенных температур, и их растрескиванию из-за возникающих при этом механических напряжений;
7, 8 - дополнительные слои ячеистой эластичной тепловой изоляции, работающие при температурах, близких к температурам окружающей среды, например вспученные синтетические каучуки. В некоторых конструкциях криогенных трубопроводов данные слои могут отсутствовать;
9 - воздушная прослойка;
10 - защитный слой, предохраняющий изоляцию от воздействия факторов окружающей среды и солнечного излучения (нанесение алюминиевого или стального кожуха или пластиковая труба, или другие внешние покрытия). В некоторых конструкциях криогенных трубопроводов данный слой может отсутствовать.
Таким образом, волокнистая изоляция и ячеистая изоляция имеют ряд противоположных свойств. Волокнистая изоляция имеет высокую газопроницаемость, в то время, когда у ячеистых материалов паропроницаемость близка к нулю. В волокнистых материалах, при их охлаждении до криогенных температур, не происходит каких-либо разрушений. В то же время ячеистые материалы склонны к растрескиванию при тех же условиях. Теплоизоляция криогенных поверхностей, выполненная либо полностью из волокнистых материалов, либо полностью из ячеистых материалов, имеет ограниченный срок службы. Вместе с этим оптимальное сочетание этих двух видов теплоизоляционных материалов позволяет значительно повысить срок службы криогенного трубопровода.
Слои 3 и 4, а также слои 5 и 6 на Фиг.1 образуют пары слоев, что обеспечивает оптимальное сочетание свойств изоляционных материалов, их составляющих. При этом таких пар слоев может быть от двух и более до обеспечения требуемой толщины изоляции и требуемой тепловой эффективности криогенного трубопровода.
На Фиг.2 изображен вариант конструкции теплоизоляции, когда слои ячеистой изоляции перемежаются слоями волокнистой изоляции и слои ячеистой изоляции имеют перемычку, заполненную шнуром из волокнистого материала:
1 - металлическая труба (внутренний трубопровод), внутри которой находится транспортируемая криогенная среда;
3, 5 - слои волокнистой изоляции, лежащие под ячеистой изоляцией;
4, 6 - внутренние слои ячеистой изоляции. Данные слои при охлаждении сжимаются. Для предотвращения растрескивания слоев они выполнены из отдельных участков;
7, 8 - внешние слои ячеистой изоляции;
11 - перемычки, представляют собой волокнистый изоляционный материал, сформированный в виде шнура и заполняющий щели между участками ячеистого материала. Охлаждение шнура из волокнистого материала приводит к сокращению его длины, что, в свою очередь, повышает напряжение в щели, ведет к возрастанию давления на соседние боковые слои ячеистого материала и исключает возникновение при захолаживании незаполненной изоляцией щели;
12 - газонепроницаемый слой над и под перемычкой, который может быть получен намоткой в несколько оборотов газонепроницаемой синтетической пленки или тонкой металлической фольги.
На Фиг.3 изображен вариант конструкции теплоизоляционных слоев, обеспечивающей предотвращение поперечного растрескивания слоев ячеистой изоляции в трубопроводе:
1 - металлическая труба (внутренний трубопровод), внутри которой находится транспортируемая криогенная среда;
4, 6 - внутренние слои ячеистой изоляции. Данные слои при охлаждении сжимаются. Для предотвращения растрескивания слоев, слои выполнены из отдельных участков;
7, 8 - внешние слои ячеистой изоляции;
11 - перемычки, представляющие собой волокнистый изоляционный материал, сформированный в виде шнура и заполняющий щели между участками ячеистого материала. Охлаждение шнура из волокнистого материала приводит к сокращению его длины, что, в свою очередь, повышает напряжение в щели, ведет к возрастанию давления на соседние боковые слои ячеистого материала и исключает возникновение при захолаживании незаполненной изоляцией щели.
Устройство работает следующим образом.
При эксплуатации криогенного трубопровода по Фиг.1 происходит охлаждение до низких температур внутренних слоев изоляционных материалов, при этом слой ячеистого материала уменьшает свой диаметр вследствие температурного сжатия. Однако расположенный под ним слой волокнистого материала упруго сжимается, что компенсирует сжатие ячеистого материала, и разрушения ячеистого материала не происходит. При этом ячеистый материал выполняет функцию парового барьера, диффузия паров воды из окружающей среды во внутренние слои изоляции не происходит, что приводит к длительной работоспособности конструкции. Дополнительно к этому следует отметить, что слой волокнистого материала в конструкции по Фиг.1 имеет ограниченную толщину, что приводит к незначительной величине конвекционной составляющей теплопередачи в изоляции, в то время как в ячеистых материалах данная составляющая равна нулю.
Наличие двух и более пар слоев волокнистой и ячеистой изоляции позволяет получить слои ячеистой изоляции незакрепленные как сверху, так и снизу, что также снижает механические напряжения в ячеистой изоляции.
Внутренние слои ячеистой изоляции рекомендуется выполнять из низкотемпературной изоляции, специально разработанной для применения при криогенных температурах.
На Фиг.2 представлена схема изолирования, когда используются два слоя волокнистой изоляции, что является оптимальным вариантом при изолировании трубопроводов с СПГ (сжиженный природный газ).
При изолировании трубопроводов с жидкими азотом, кислородом, аргоном оптимальными являются три слоя волокнистой изоляции.
К примеру, при применении нижнего волокнистого слоя толщиной от 5 до 15 мм, второго волокнистого слоя - от 3 до 10 мм (оба слоя, например, из базальтовой ваты из супертонкого или ультратонкого волокна), двух внутренних слоев толщиной от 15 до 25 мм из ячеистой изоляции (например, из вспученного синтетического каучука, предназначенного для применения при криогенных температурах) и двух внешних слоев толщиной, примерно, по 25 мм из ячеистого материала (например, из вспученного синтетического каучука, предназначенного для общепромышленного применения) реализуется высокоэффективная с длительным ресурсом работы изоляционная система для трубопроводов с СПГ внутренним диаметром от 50 до 300 мм.
Слои из ячеистого теплоизоляционного материала разделены перемычками из волокнистого теплоизоляционного материала, сформированного в виде шнура, многократно навитого в перемычку до полного ее заполнения, причем перемычки верхних слоев выполнены со смещением по отношению к перемычкам нижележащих слоев.
На перемычки нанесен газонепроницаемый слой или перемычки могут быть расположены таким образом, что сверху и снизу перекрываются ячеистым теплоизоляционным материалом.
Внутренний слой каждой пары выполнен из волокнистого теплоизоляционного материала, сформированного в виде шнура, многократно навитого на нижний слой.
Схема изоляции, представленная на Фиг.3, соответствует случаю изолирования, когда применяются только слои ячеистой изоляции, разделенные перемычками, заполненные шнуром из волокнистой изоляции. Данная схема является оптимальной в случае, когда не требуется высокая теплоизоляционная эффективность криогенного трубопровода, и в то же время трубопровод проектируется на длительный ресурс работы. Это имеет место, например, в случаях циклически функционирующих трубопроводов заправки или выдачи криопродуктов.