ГИБКИЙ ТРУБОПРОВОД ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ КРИОГЕННОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FLEXIBLE PIPELINE FOR TRANSFER OF CRYOGENIC FLUID AND APPROPRIATE METHOD OF ITS FABRICATION

Настоящее изобретение касается гибкого трубопровода для транспортировки криогенной текучей среды, содержащего:
- внутреннюю гофрированную трубу с осью, ограниченную множеством гофр, выступающих радиалыю в сторону оси;
- по меньшей мере, один слой усилений, работающих на растяжение, расположенный вокруг гофрированной трубы;
- и по меньшей мере один теплоизоляционный слой, расположенный вокруг слоя усилений.
Такой трубопровод предназначен для транспортировки криогенной текучей среды, получаемой, например, в результате процесса сжижения газа. Транспортируемой текучей средой является, например, сжиженный природный газ, имеющий температуру кипения ниже 163°С.
Как правило, криогенная текучая среда, транспортируемая по трубопроводу, имеет температуру кипения ниже 0°С.
Добываемый под землей природный газ представляет собой важный источник топлива для коммерческого использования.
Как известно, для транспортировки природного газа в газообразном состоянии от места его добычи до места его использования используют магистральные трубопроводы. Однако во многих случаях, в частности, когда место добычи находится в водной акватории, проще и экономичнее транспортировать природный газ в жидком виде, чтобы уменьшить его объем во время транспортировки и облегчить его хранение и перекачку.
Вместе с тем, перемещение криогенных текучих сред, в частности, перекачку криогенной текучей среды от завода по сжижению к танкеру или от танкера к наземному хранилищу необходимо производить вблизи побережья, часто при помощи шарнирных соединительных рукавов, соединяющих танкер с заводом или с хранилищем.
Такие шарнирные рукава не приспособлены для ситуации, когда операции погрузки или выгрузки осуществляют вдали от берега в мало защищенных зонах, в частности, когда заводы по сжижению находятся на плавающих установках типа "FLNG".
В этом случае выгрузку сжиженного газа можно производить только в спокойных метеорологических условиях, что затрудняет производственный процесс.
Кроме того, известные гибкие трубопроводы связанного или не связанного типа, предназначенные для выгрузки углеводородных текучих сред при температуре окружающей среды, не подходят для транспортировки криогенных текучих сред при температурах ниже -40°/-50°С, учитывая сверхнизкие температуры криогенных текучих сред и их особые свойства.
Для решения этой проблемы в документе ЕР 1945983 описан гибкий трубопровод, предусмотренный для транспортировки криогенной текучей среды.
Такой трубопровод содержит негерметичную сшитую внутреннюю трубу, обладающую стойкостью к наружному давлению. Этот трубопровод содержит изнутри наружу внутренний каркас, который должен выдерживать наружное давление, непроницаемый слой, состоящий из тонкой полимерной пленки, входящей в непосредственный контакт с каркасом, слой изоляции и пластиковую оболочку, стойкую к низким температурам. Изолирующий слой позволяет создавать температурный градиент, достаточный для его покрытия пластиковой оболочкой. Сшитая внутренняя труба покрыта изоляцией и усилена снаружи стойким к давлению сводом и слоями усилений, работающих на растяжение.
Для обеспечения хорошей теплоизоляции и предупреждения нагрева криогенной текучей среды или образования льда снаружи гибкого трубопровода вокруг слоев усилений, работающих на растяжение, предусмотрены слои теплоизоляции для поддержания поверхности контакта гибкого трубопровода с водой при достаточно высокой температуре, чтобы избежать образования льда.
Однако такая конструкция не является вполне удовлетворительной из-за сложности своей внутренней структуры.
Гибкий трубопровод для транспортировки криогенной текучей среды описан заявителем в публикации "LNG Transfer - Cryogenic flexible pipe for transfer - May-June 2000". Этот гибкий трубопровод содержит в направлении изнутри наружу гофрированную трубу, выполненную с возможностью обеспечения герметичности по отношению к криогенной текучей среде и обладающую стойкостью к внутреннему давлению, слои работающих на растяжение усилений, которые могут выдерживать осевые нагрузки, действующие на трубопровод, и комплекс слоев теплоизоляции.
Однако такие гибкие трубопроводы не являются вполне удовлетворительными в том, что касается потери напора текучей среды, циркулирующей в трубопроводе. Следовательно, на практике эти трубопроводы можно использовать только на относительно небольшом расстоянии, что затрудняет их промышленное использование.
Задача изобретения состоит в создании гибкого трубопровода для транспортировки криогенных текучих сред, который имеет достаточную длину для промышленного использования без ущерба для транспортировки текучей среды, находящейся в трубопроводе.
В этой связи объектом изобретения является трубопровод вышеуказанного типа, который, согласно изобретению, содержит внутреннюю оболочку, направляющую поток криогенной текучей среды и расположенную в гофрированной трубе, при этом внутренняя оболочка состоит из множества цилиндрических сегментов,
при этом каждый цилиндрический сегмент внутренней оболочки перекрывает множество последовательных гофр гофрированной трубы и содержит наружный упор осевой фиксации, заходящий в гофру гофрированной трубы.
Трубопровод в соответствии с изобретением может содержать один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:
- каждый цилиндрический сегмент образует внутреннюю цилиндрическую поверхность, не содержащую неровностей, на удалении в осевом направлении от наружного упора;
- каждый цилиндрический сегмент содержит выходной край, заходящий во входной край смежного цилиндрического сегмента;
- каждый наружный упор выполнен в угловом направлении по углу более 90°, предпочтительно более 180°, вокруг оси;
- каждый цилиндрический сегмент содержит цилиндрический корпус, выполненный заодно с наружным упором, при этом наружный упор выполнен посредством локальной деформации цилиндрического корпуса;
- наружный упор каждого цилиндрического сегмента выполнен в осевом направлении напротив части смежного цилиндрического сегмента;
- наружная поверхность каждого наружного упора покрыта оболочкой из пластического материала, предназначенной для вхождения в контакт с гофрированной трубой;
- каждый цилиндрический сегмент может упруго деформироваться в направлении оси между радиально расширенной конфигурацией покоя и радиально сжатой конфигурацией, при этом каждый цилиндрический сегмент занимает свою радиально сжатую конфигурацию, когда его вставляют в гофрированную трубу;
- каждый цилиндрический сегмент содержит прорезь вдоль образующей по всей своей длине; и
- трубопровод содержит спиралевидный слой для удержания слоя работающих на растяжение усилений, при этом спиралевидный слой выполнен между слоем усилений и слоем теплоизоляции;
- смежные цилиндрические сегменты оболочки установлены с возможностью перемещения скольжением относительно друг друга вдоль оси;
- цилиндрические сегменты являются разомкнутыми;
- каждый сегмент выполнен с возможностью перемещения относительно других сегментов полностью на удалении от других сегментов без механического разрыва сегмента.
Объектом изобретение является также способ изготовления гибкого трубопровода для транспортировки криогенной текучей среды, содержащий следующие этапы:
- поставляют внутреннюю гофрированную трубу с осью, ограниченную множеством гофр, выступающих в радиальном направлении в сторону оси;
- вокруг гофрированной трубы располагают по меньшей мере один слой работающих на растяжение усилений;
- вокруг слоя усилений укладывают по меньшей мере один слой теплоизоляции;
согласно изобретению, содержит этап установки внутренней оболочки для направления потока криогенной текучей среды в гофрированной трубе, при этом внутреннюю оболочку выполняют из множества цилиндрических сегментов,
при этом каждый цилиндрический сегмент внутренней оболочки перекрывает множество последовательных гофр гофрированной трубы и содержит наружный упор осевой фиксации, заходящий в гофру гофрированной трубы.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - частичный вид половины сечения стенки первого гибкого трубопровода в соответствии с изобретением;
фиг.2 - вид с торца цилиндрического сегмента внутренней оболочки трубопровода, показанного на фиг.1;
фиг.3 - вид, аналогичный фиг.2, варианта цилиндрического сегмента;
фиг.4 - частичный вид сегмента в варианте трубопровода в соответствии с изобретением в разрезе по центральной осевой плоскости;
фиг.5 - вид сбоку секции гофрированной трубы и внутренней оболочки второго трубопровода в соответствии с изобретением;
фиг.6 - вид секции, показанной на фиг.5, в разрезе по центральной осевой плоскости;
фиг.7 - вид детали, обозначенной позицией VII на фиг.6.
Первый криогенный трубопровод 10 в соответствии с изобретением показан на фиг.1 в сечении по центральной осевой плоскости.
Этот трубопровод 10 предназначен для транспортировки криогенной текучей среды, такой как сжиженный газ, предпочтительно сжиженный природный газ между своим входным концом и своим выходным концом.
Трубопровод 10 проходит по длине более 30 метров и, в частности, составляющей от 50 метров до 300 метров. Он ограничивает центральный канал 12 циркуляции криогенной текучей среды с локальной осью А-А'.
Такой гибкий трубопровод имеет относительно небольшой минимальный радиус кривизны при прогибе без повреждения ("MBR" или "minimal bending radius" на английском языке), например, несколько метров, что позволяет наматывать и разматывать его реверсивно без пластической деформации на барабане или в контейнере, перевозимом на судне.
В направлении от оси А-А' наружу трубопровод 10 в соответствии с изобретением содержит внутреннюю оболочку 14 для направления текучей среды, гофрированную трубу 16, обеспечивающую герметичность по отношению к текучей среде и стойкость к внутреннему давлению, и слои 18 работающих на растяжение усилений, выдерживающих осевые нагрузки, действующие на трубопровод 10.
Кроме того, трубопровод 10 содержит факультативный спиралевидный слой 19 для удержания слоев 18 усилений, комплекс 20 слоев теплоизоляции, поддерживающих температуру снаружи трубопровода более 0°С, и факультативный наружный герметичный слой 22, препятствующий проникновению воды и, в случае необходимости, обеспечивающий дополнительную теплоизоляцию.
Внутренняя гофрированная труба 16 выполнена на основе металла. Для обеспечения хорошей температурной стойкости при температуре циркуляции криогенной текучей среды эту трубу выполняют, например, из стали 304L или 316L.
Предпочтительно труба 16 имеет средний диаметр, превышающий 30 сантиметров, например, составляющий от 30 сантиметров до 60 сантиметров.
Если эту трубу рассматривать в осевом направлении параллельно оси А-А', она имеет множество гофр 30 с шагом по меньшей мере в десять раз меньшим среднего диаметра трубы 16.
Гофры 30 трубопровода образованы рядом впадин 32 и выпуклостей 34, ограничивающих впадины 32 в осевом направлении.
Впадины 32 радиально направлены к оси А-А'. Максимальная радиальная глубина впадин 32, измеренная перпендикулярно к оси А-А' между вершиной выпуклости 34 и дном впадины 32, в двадцать раз меньше среднего диаметра трубы 16.
В примере, представленном на фиг.1, впадины 32 образуют ряд параллельных друг другу разомкнутых кольцевых пазов. В варианте впадины 32 образованы сплошным спиралевидным пазом с шагом, равным шагу гофр 30.
Труба 16 выполнена, например, посредством соединения встык множества секций гофрированной трубы, при этом каждая секция выполнена, например, посредством штамповки. Каждая секция гофрированной трубы содержит множество гофр, например, более десяти гофр 30. Каждая секция гофрированной трубы образует сплошную и герметичную внутреннюю поверхность по всей своей длине и по всей своей периферии.
После соединения, например, сваркой секции гофрированной трубы 16 образуют сплошной герметичный канал по всей своей длине.
В варианте трубу 16 выполняют наматыванием ленты, сгибаемой по меньшей мере по одному краю, сшиваемому со смежным краем ленты.
Таким образом, труба 16 обладает стойкостью к внутреннему давлению, обеспечивая некоторую гибкость за счет деформации с учетом наличия гофр 30 трубы 16, в частности, при низких температурах использования.
Слои 18 работающих на растяжение усилений образованы перекрестным спиралевидным наматыванием волокон, например, из синтетического материала, такого как полиэфир, или из металла. Так, например, первый слой усилений 40 наматывают в виде спирали вокруг оси А-А' с углом спирали +α, составляющим от 20° до 45° по отношению к оси А-А'. Второй слой усилений 42 наматывают, например, с углом спирали -α снаружи первого слоя 40 и в контакте с этим слоем 40.
Предпочтительно слои 18 усилений имеют толщину от 1 мм до 4 мм. Они не связаны с гофрированной трубой 16.
Вокруг слоев усилений 40, 42 наматывают факультативный спиралевидный слой 19 с углом наматывания, меньшим угла наматывания слоев усилений. Так, например, угол наматывания составляет от 2° до 5°.
Спиралевидный слой 19 выполняют на основе нитевидного элемента, например, на основе волокон пластического материала, таких как полиэфирные волокна.
Спиралевидный слой 19 обеспечивает усиление слоев 18 усилений и препятствует нарушению структуры этих слоев 18 во время использования трубопровода или во время его прогиба.
Спиралевидный слой 19 не связан со слоями 18 усилений.
В этом примере комплекс теплоизоляции 20 образован двумя аналогичными изоляционными слоями 44, 46, разделенными промежуточным герметичным слоем 48.
Изоляционные слои 44, 46 выполнены из твердого теплоизоляционного материала, имеющего теплопроводность по меньшей мере в 300 раз ниже теплопроводности внутренней трубы 16.
Слои 44, 46 выполнены, например, из пеноматериала, предпочтительно из вспененного полиолефина, или из аэрогеля.
В примере, представленном на фиг.1, слои 44, 46 изоляции образованы, например, лентами пенополиэтилена, намотанными вокруг оси А-А'.
Предпочтительно промежуточный герметичный слой 48 выполнен из адгезивной ленты с каучуковой мастикой. Он обеспечивает дополнительную герметичность по отношению к природному газу в случае, когда внутренняя труба 16 не обеспечивает этой герметичности.
Герметичный комплекс 20 имеет толщину, превышающую толщину внутренней трубы 16, например, составляющую от 3 см до 15 см.
Его общий коэффициент теплоизоляции позволяет сохранять внутреннюю температуру в канале 12 в значении, меньшем или по существу равном температуре кипения криогенной текучей среды, и одновременно избегать образования льда снаружи трубопровода 10.
Герметичный комплекс 20 не связан со спиралевидным слоем 19 или со слоем 18 усилений.
Наружный слой 22 предназначен для обеспечения общей герметичности между наружным пространством трубопровода 10 и внутренним пространством трубопровода 10, чтобы препятствовать попаданию воды в трубопровод 10. Он выполнен, например, в виде спиралевидных полос из каучука - ПВХ или из арамида, такого как кевлар, или в виде экструдированной или нанесенной напылением термопластической оболочки.
Предпочтительно наружный слой 22 содержит также дополнительный подслой теплоизоляции.
Наружный слой 22 не связан с герметичным комплексом 20.
Согласно изобретению, внутренняя оболочка 14 образована рядом цилиндрических сегментов 50, заходящих в осевом направлении друг в друга внутри гофрированной трубы 16.
Внутренняя оболочка 14 имеет общую длину, по существу равную общей длине гофрированной трубы 16.
Каждый сегмент 50 имеет общую цилиндрическую форму. Он содержит радиально расширяющийся цилиндрический корпус 52 с осью А-А' и наружный упор 54 осевой фиксации на гофрированной трубе 16.
Как показано на фиг.2, корпус 52 ограничивает продольную прорезь 56, выполненную между входным краем 58 и выходным краем 60 корпуса 52 по всей его длине.
Длина каждого цилиндрического сегмента 50, измеренная между входным краем 58 и выходным краем 60 по меньшей мере в два раза превышает шаг гофр 30. Таким образом, сегмент перекрывает множество гофр 30 после его установки в гофрированной трубе 16.
Упор 54 выполнен заодно с цилиндрическим корпусом 52. Он выполнен, например, посредством штамповки или обкатки. В примере, представленном на фиг.2, упор 54 образует по существу кольцевой буртик 60А, проходящий по углу не менее 90°, предпочтительно не менее 180° по окружности вокруг оси А-А'.
Упор 54 имеет осевой размер, взятый вдоль оси А-А', меньший осевого размера впадины 32 гофра 30, чтобы иметь возможность заходить в эту впадину 32. Таким образом, каждый сегмент 50 можно перемещать в осевом направлении относительно гофрированной трубы 16 с заданным осевым ходом, меньшим шага гофр и определяемым осевым ходом упора 54 во впадине 32.
Кроме того, упор 54 имеет радиальный размер, взятый от наружной цилиндрической поверхности 61 корпуса 52, меньший максимальной глубины впадины 32, в которую он заходит.
На удалении от упора 54 внутренняя поверхность 62 и наружная поверхность 61 цилиндрического корпуса 52 по существу не имеют неровностей, то есть не имеют рельефа радиальным размером более 10% от средней толщины корпуса 52, взятой между внутренней поверхностью 62 и наружной поверхностью 61.
В частности, средняя толщина цилиндрического корпуса 52, измеренная между поверхностями 61 и 62, меньше 2% внутреннего диаметра трубы 16.
Как показано частично на фиг.2, каждая цилиндрическая секция 50 может сжиматься в радиальном направлении между расширенным положением покоя, показанным на фиг.2, в котором внутренний диаметр, ограниченный цилиндрическим корпусом 52, превышает минимальный диаметр трубы 16, и положением, сжатым радиально в сторону оси А-А', когда цилиндрический сегмент 50 вставляют в гофрированную трубу 16.
В сжатом положении боковые края прорези 56 входят в контакт друг с другом или частично перекрывают друг друга, как в варианте, показанном на фиг.3. Прорезь 56 оказывается закрытой, и внутренний канал 64, ограниченный внутренней поверхностью 62, остается открытым исключительно только через входной край 58 и выходной край 60 цилиндрического корпуса 52.
Когда в гофрированную трубу 16 устанавливают внутреннюю оболочку 14, смежные сегменты 50 частично заходят друг в друга.
Так, выходной край 60 каждого сегмента 50 заходит скольжением во внутренний канал 64 смежного выходного сегмента 50А. Таким образом, цилиндрический сегмент 50 закрывает в радиальном направлении к оси А-А' упор 54 выходного цилиндрического сегмента 50А.
Точно так же входной сегмент 50В, смежный с сегментом 50, заходит скольжением во внутренний канал 64 сегмента 50. Выходная часть сегмента 50В закрывает упор 54 сегмента 50 в направлении к оси А-А'.
Таким образом, канал 12 ограничен по существу не имеющими неровностей внутренними поверхностями 62 последовательных сегментов 50, что обеспечивает минимальное сопротивление потоку криогенной текучей среды от входа к выходу, то есть слева направо на фиг.1.
В частности, оболочка 14 не имеет никакой поперечной поверхности, направленной в сторону входа в канале 12, в частности вблизи внутренней поверхности 62 каждого сегмента 50.
Это позволяет увеличить длину трубопровода 10 и обеспечивать эффективную транспортировку криогенной текучей среды с минимальными потерями напора.
Внутренняя оболочка 14 сохраняет возможность деформироваться при прогибе за счет относительного скольжения цилиндрических секций 50 по отношению друг к другу.
Кроме того, каждый упор 54 цилиндрического сегмента 50 заходит во впадину 32 гофра 30, что обеспечивает осевую фиксацию вдоль оси А-А' за счет взаимодействия с выпуклостями 34, смежными с впадиной 32.
Таким образом, каждый цилиндрический сегмент 50 удерживается в осевом направлении гофрированной трубой 16, противостоя потоку криогенной текучей среды, а также во время возможных деформаций трубопровода 10 при растяжении или при прогибе.
Далее следует описание способа сборки трубопровода 10 в соответствии с изобретением.
Первоначально поставляют различные секции гофрированной трубы 16. Затем каждую секцию трубы 16 оснащают частью сегментов 50 внутренней оболочки 14 до ее соединения сваркой с другой секцией.
Для этого цилиндрические сегменты 50 последовательно переходят из своих расширенных конфигураций в свои сжатые конфигурации. Их последовательно вводят в каждую секцию внутренней трубы 16 до их необходимого осевого положения, начиная с сегмента 50, находящегося ближе всего к выходу в секции трубы 16.
Когда каждый сегмент 50 достигает своего необходимого положения, он прилегает к гофрированной трубе 14 за счет упругого радиального расширения. Каждый упор 54 сегмента 50 заходит при этом во впадину 32 гофры 30, и выходной край 60 каждого сегмента 50 проходит через входной край 58 смежного сегмента 50А, перекрывая упор 54 смежного сегмента 50А.
Затем различные секции гофрированной трубы 16 соединяют друг с другом, например, при помощи сварки.
По завершении сборки сегменты 50, находящиеся на концах каждой секции внутренней трубы 16, располагают в сплошной внутренней трубе, чтобы закончить формирование внутренней оболочки 14.
После этого вокруг внутренней трубы 16 известным образом наматывают слои 18 усилений. Затем в факультативном варианте вокруг слоев 18 усилений наматывают спиралевидный слой 19.
После этого выполняют первый изоляционный слой 46, промежуточный слой 48 и второй изоляционный слой 44, которые располагают вокруг слоев 18 усилений.
Наконец, вокруг герметичного комплекса 20 располагают наружный герметичный слой 22.
В варианте способа внутреннюю трубу 16 полностью собирают до введения цилиндрических сегментов 50 в трубу 16 для формирования оболочки 14.
В варианте, показанном на фиг.4, упор 54 или узел 50 содержит наружную оболочку 69 из пластика, которая выполнена с возможностью уменьшения трения с гофрированной трубой 16. Оболочку 69 выполняют, например, в виде нейлонового слоя, прилегающего снаружи к буртику 60А.
В других вариантах спиралевидный слой 19 и, в случае необходимости, наружный слой 22 не устанавливают.
В других вариантах упоры 54 выполнены только на части окружности наружной поверхности 61, например по углу менее 90°.
На фиг.5-7 показана секция гофрированной трубы 16 и внутренней оболочки 14 второго гибкого трубопровода 70 в соответствии с изобретением.
Второй гибкий трубопровод 70 в соответствии с изобретением отличается от первого трубопровода 10 тем, что цилиндрический корпус 52 каждого сегмента 50 имеет вблизи своего выходного края 60 периферическое кольцевое сужение 72. Периферическое кольцевое сужение 72 образует кольцевой паз 74 в наружной поверхности 61 и периферический выступ 76 во внутреннем канале 64.
На удалении от выступа 76 внутренняя поверхность по существу не содержит неровностей.
В отличие от первого трубопровода 10 входной край 58 содержит периферический фиксирующий бортик 78, который выступает в радиальном направлении в сторону оси А-А' на расстояние в поперечном направлении, по существу равное глубине паза 74.
Бортик 78 заходит в паз 74 и упирается во входной заплечик 80, образованный пазом, для удержания в осевом направлении каждого выходного сегмента 50 по отношению к смежному входному сегменту 50.
Смежные сегменты 50 сохраняют возможность перемещения скольжением относительно друг друга по длине продольного хода, по существу равной ширине паза 74, измеренной вдоль оси А-А'.
В этом примере труба 16 предпочтительно содержит впадину 32 глубиной по меньшей мере равной шагу гофр 30, чтобы в них мог зайти каждый упор 54.
Кроме того, радиальный размер каждого упора 64 по существу равен глубине впадины 32.
Из представленного выше описания следует, что сегменты 50 являются разомкнутыми. Таким образом, каждый цилиндрический сегмент 50 можно перемещать относительно других цилиндрических сегментов 50 полностью на удалении от других цилиндрических сегментов 50 без механического разрыва сегмента 50.
Таким образом, каждый сегмент 50 образован цилиндрической стенкой, ограниченной в осевом направлении входным краем 58 и выходным краем 60, при этом входной и выходной края 58, 60 предпочтительно находятся в плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрической стенки.