Криогенный трубопровод
CRYOGENIC PIPELINE

Криогенный трубопровод предназначен для транспортировки сжиженных газов, в частности, сжиженного природного газа (СПГ), этана, пропана, азота и др., между технологическими аппаратами, от технологических установок в хранилища, из хранилищ в танкеры-газовозы и может быть использован в газоперерабатывающей и газохимической отраслях промышленности.
Специфической особенностью криогенных трубопроводов является движение сжиженных газов при низкой температуре, вследствие чего происходит нежелательный нагрев транспортируемого сжиженного газа за счет тепла окружающей сред, что приводит к переходу в газообразное состояние. В этой связи актуальным вопросом является обеспечение высококачественной тепловой изоляции криогенного трубопровода от окружающей среды.
Известен гибкий трубопровод для транспортировки криогенной текучей среды, содержащий внутреннюю гофрированную трубу с осью (А-А'), ограниченную множеством гофр, открытых в радиальном направлении в сторону оси (А-А'), по меньшей мере один слой усилений, работающих на растяжение, расположенный вокруг гофрированной трубы, и по меньшей мере один теплоизоляционный слой, расположенный вокруг слоя усилений, при этом трубопровод содержит внутреннюю оболочку, направляющую поток криогенной текучей среды и расположенную в гофрированной трубе, внутренняя оболочка состоит из множества цилиндрических сегментов, каждый из которых перекрывает множество последовательных гофр гофрированной трубы и содержит наружный упор осевой фиксации, заходящий в гофру гофрированной трубы (патент на изобретение RU 2554173 С2, МПК F16L 11/115, заявлен 31.01.2011 г., опубликован 27.06.15 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) введение во внутреннюю гофрированную трубу дополнительной усложняющей и удорожающей изготовление гибкого трубопровода без повышения его прочностных свойств внутренней оболочки из множества цилиндрических сегментов поскольку избыточное давление потока криогенной среды передается непосредственно на внутреннюю гофрированную трубу, так как дополнительная внутренняя оболочка, состоящая из множества цилиндрических сегментов, не является герметичной конструкцией;
2) не рассчитанный на возможность проявления деформаций сжатия в ходе эксплуатации гибкий трубопровод по причине работы расположенного вокруг гофрированной трубы слоя усилений только на растяжение;
3) использование одного или нескольких расположенных вокруг слоя усилений гофрированной трубы теплоизоляционных слоев, незначительно снижающее потери холода в окружающую среду, отчего при низкой температуре криогенного потока (минус 80 - минус 100°С) создаются условия для намораживания слоя льда на поверхности гибкого трубопровода (при прокладке трубопровода в воде или конденсации влаги из воздуха на его поверхности), лишая таким образом гибкости.
Известен криогенный перекачивающий рукав для перекачивания углеводородов, содержащий относительно гибкий внутренний рукав, и расположенные вокруг внутреннего рукава концентрическим образом: средство противодействия удлинению, внешний рукав, содержащий эластомерный и/или пластический материал и волокнистый изоляционный материал, намотанный вокруг внутреннего рукава и сопрягающийся по меньшей мере на части длины с внутренним рукавом, заполняя зазор между внутренним и внешним рукавами, при этом зазор имеет кольцеобразную форму с шириной по меньшей мере 0,5 см, содержащийся в зазоре волокнистый материал образует разделительный элемент между внутренним рукавом и внешним рукавом, предотвращающий контакт между ними, при этом перекачивающий рукав имеет радиус изгиба равный по меньшей мере четырем внутренним диаметрам внутреннего рукава, волокнистый материал образует упругую трехмерную матрицу из волокон, противодействующую сжатию при изгибе внешнего рукава или растягивании внутреннего и внешнего рукавов, и является эластично удлиняемым в направлении длины рукава по меньшей мере на 10%, внешний рукав является относительно жестким по сравнению с внутренним и имеет толщину стенки по меньшей мере 3 см и поглощает по меньшей мере 50%, и предпочтительно, 95% осевых сил, действующих на узел внутреннего и внешнего рукавов во время загрузки и разгрузки (патент на изобретение RU 2571696 С2, МПК F16L 59/153, F16L 11/133, заявлен 07.12.2007 г., опубликован 10.03.2013 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) использование прокладки из волокнистого материала между внешним и внутренним рукавами, практически не обеспечивающей дополнительной тепловой изоляции, например, по сравнению с воздухом, заполняющим это пространство (коэффициент теплопроводности воздуха 0,0244 Вт/(м*К), а теплопроводность таких волокнистых материалов как шерстяной войлок, стеклянная и шлаковая вата составляет, соответственно, 0,047, 0,035 и 0,076 Вт/(м*К));
2) опасность намораживания льда в слое волокнистого изоляционного материала во время перекачивания низкотемпературных углеводородных жидкостей, приводящего к нарушению механических свойств волокнистого материала после размораживания перекачивающего рукава вплоть до разрушения;
3) исполнение внешнего рукава с толщиной стенки не менее 3 см, не поглощающей действие на узел внутреннего и внешнего рукавов осевых сил во время загрузки и разгрузки и чрезмерно увеличивающей металлоемкость, вес и стоимость криогенного перекачивающего рукава;
4) не имеющая практического применения возможность эластичного удлинения волокнистого материала на 10% при кольцеобразном зазоре между внешним и внутренним рукавами толщиной в несколько миллиметров и в несколько раз большей толщине внешнего рукава с учетом жесткости конструкции обоих рукавов.
Известен также криогенный трубопровод, включающий внутреннюю трубу и герметичный наружный кожух, пространство между которыми вакуумировано, а труба и кожух разделены теплоизолирующими опорами, при этом в одну или более опор вмонтирована акустопрозрачная вставка так, что обеспечен акустический контакт между внутренним трубопроводом и кожухом (патент на изобретение RU 2305217 С1, МПК F16L 9/18, F17D 5/00, G01N 29/00, заявлен 29.05.2006 г., опубликован 27.08.2007 г. ). Недостатками данного изобретения являются:
1) жесткость конструкции, не позволяющая деформировать линейные участки трубопровода;
2) возникновение механических напряжений как во внутренней трубе, так и в наружном кожухе, из-за разных температур в этих элементах конструкции на различных стадиях ее функционирования (простой, эксплуатация, изменение температуры окружающей среды и др.);
3) применение акустопрозрачной вставки только для обнаружения факта нарушения герметичности внутренней трубы и попадания микроколичеств перекачиваемого сжиженного газа в вакуумное пространство между внутренней трубой и наружным кожухом ввиду возможности восстановления теплоизоляционных свойств криогенного трубопровода только в ходе ремонта.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является криогенный трубопровод, содержащий вакуумный кожух с установленной на опорах внутренней трубой, включающей охлаждаемый экран, выполненный в виде охлаждающей трубки и теплоотражательного высокотеплопроводного экрана, и суперизоляцию, образующую в ваккумном пространстве по обе стороны экрана внутренний и наружный слои в виде чередующихся пар теплоотражательных экранов и прокладок, при этом криогенный трубопровод дополнительно содержит стяжной хомут, охватывающий внутреннюю трубу поверх суперизоляции, и размещенное под хомутом внутри слоя суперизоляции непосредственно под охлаждающим экраном незамкнутое кольцо, снабженное по крайней мере тремя держателями, притупленные концы которых опираются на трубу через слой суперизоляции (патент на изобретение RU 2042875 С1, МПК F17C 13/00, F17C 3/06, заявлен 22.06.1992 г., опубликован 27.08.1995 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) чрезмерно усложняющее конструкцию трубопровода использование в условиях вакуума между внутренней трубой и кожухом дополнительных элементов в виде охлаждаемого экрана, поджимаемого к поверхности внутренней трубы механическими конструктивными элементами (хомуты, кольца);
2) отсутствие обоснований поддержания температуры охлаждаемого экрана близкой к температуре среды, циркулирующей по охлаждающей трубке, за счет отвода тепла теплопроводностью экрана, выполненного из фольги из материала с высокой теплопроводностью, например, алюминия или меди, в зону ее контакта со стенкой трубки, поскольку в данном случае внутренняя труба плотно обжимается охлаждаемым экраном и положительная роль вакуума как теплоизолирующей среды нивелируется;
3) возникновение механических напряжений как во внутренней трубе, так и в вакуумном кожухе, из-за разных температур в этих элементах конструкции на различных стадиях ее функционирования (простой, эксплуатация, изменение температуры окружающей среды и др.).
Задачей заявляемого изобретения является совершенствование конструкции криогенного трубопровода с целью снижения уровня механических напряжений, возникающих в конструкции трубопровода из-за разницы температур отдельных его элементов, и обеспечения его эксплуатации в условиях возникновения аварийных ситуаций как при незначительной, так и при существенной разгерметизации.
Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что криогенный трубопровод выполняют из коаксиально установленных внутренней и наружной труб, вакуумное пространство между которыми разделяют на секции, при этом криогенный трубопровод дополняют боковыми стенками, температурным компенсатором, укрепленными между внутренней и наружной трубами внутренними опорами, выполненными из суперизолирующего материала, и корзиной с адсорбирующим агентом, а также клапаном создания вакуума и предохранительным клапаном.
-3
Изготовление криогенного трубопровода из отдельных унифицированных секций, ограниченных боковыми стенками, позволяет упростить транспортировку секций необходимой длины от завода-изготовителя до места монтажа трубопровода, а также сам процесс монтажа трубопровода. Вакуумирование пространства между внутренней и наружной трубами обеспечивает надежную теплоизоляцию внутренней трубы, по которой движется сжиженный газ. Так, если при атмосферном давлении коэффициент теплопроводности воздуха в коаксиальном пространстве трубопровода равен 0,0244 Вт/(м*К), что значительно ниже коэффициента теплопроводности лучших теплоизоляционных материалов, то уже при давлении 10 мм рт.ст. коэффициент теплопроводности воздуха уменьшается до значения 0,002 Вт/(м*К).
Установка температурных компенсаторов позволит существенно снизить механические напряжения как во внутренней, так и в наружной трубе из-за разных температур в этих элементах конструкции на различных стадиях ее функционирования (простой, эксплуатация, изменение температуры окружающей среды и др.), избегая деформации конструкции в целом, а внутренние опоры, фиксирующие положение внутренней трубы относительно наружной, обеспечивают жесткость конструкции в целом.
Для обеспечения работы криогенного трубопровода при микроразгерметизации внутренней трубы, например, при возникновении микротрещин в стенке внутренней трубы, сохранение вакуума обеспечивается адсорбцией просочившегося транспортируемого сжиженного газа адсорбирующим агентом, например, цеолитом, помещенном в корзины с проницаемыми стенками, укрепленные в пространстве между внутренней и наружной трубами. Также в случае микроразгерметизации, т.е. при попадании наружного воздуха через клапан создания вакуума, адсорбцирующий агент обеспечивает удаление влаги и предотвращает образование льда на внутренней поверхности наружной трубы. При этом если вакуум в коаксиальном пространстве трубопровода начнет снижаться, то с помощью клапана создания вакуума снижается давление в корзинах с адсорбирующим агентом, за счет чего происходит регенерация адсорбента и восстановление его адсорбционной способности. В случае аварийной ситуации, когда во внутренней трубе возникает свищ, через который сжиженный газ попадает в коаксиальное пространство и вместо вакуума в нем нарастает давление газа, то срабатывает предохранительный клапан и сбрасывается излишнее давление, предотвращая от разрушения наружную трубу криогенного трубопровода.
В зависимости от способа эксплуатации трубопровода: циклично или непрерывно, температурный компенсатор устанавливают на наружной и/или внутренней трубах, что позволяет практически полностью устранить механические напряжения внутренней трубы во время подачи низкотемпературного сжиженного газа и сокращения по этой причине длины внутренней трубы при большом перепаде температур между наружной и внутренней трубами. Полезно температурный компенсатор наружной трубы укрепить защитным кожухом для предохранения его от повреждений при изменении длины температурного компенсатора во время перехода криогенного трубопровода с одного режима работы на другой, поскольку толщина стенки температурного компенсатора меньше толщины стенки наружной трубы.
Для мониторинга состояния криогенного трубопровода каждая секция криогенного трубопровода может быть оснащена приборами контроля вакуума и/или температуры в качестве локальной системы противоаварийной защиты, поскольку при снижении или полной потери вакуума резко возрастает теплоперенос, приводя к нагреву транспортируемого сжиженного газа. Кроме приборов контроля вакуума с получением прямых измерений о состоянии криогенного трубопровода можно судить опосредованно с помощью приборов контроля температуры. Так, например, резкое охлаждение наружной трубы криогенного трубопровода, в частности, свидетельствует о разгерметезации внутренней трубы.
Для формирования трассы криогенного трубопровода секции криогенного трубопровода изготавливают произвольной длины, ограниченной техническими возможностями изготовителя и возможностями транспорта, перевозящего секции от изготовителя до места эксплуатации трубопровода, а отводы и/или тройники используют в вакуумном исполнении. При этом для изоляции стыков между секциями криогенного трубопровода, отводами и/или тройниками применяют вакуумные муфты, что позволяет создавать единое вакуумное пространство между внутренними и наружными трубами на всем протяжении криогенного трубопровода. В случае большой протяженности криогенного трубопровода для изоляции стыков между секциями криогенного трубопровода, отводами и/или тройниками можно применять обычную тепловую изоляцию, при этом вакуум создается в отдельных секциях или группах секций криогенного трубопровода.
Фрагмент секции криогенного трубопровода представлен на фигуре с использованием следующих обозначений:
1 - внутренняя труба (продуктопровод);
2 - наружная труба (кожух);
3 - вакуумное пространство;
4 - температурный компенсатор;
5 - внутренняя опора из суперизолирующего материала;
6 - корзина с адсорбирующим агентом;
7 - клапан создания вакуума;
8 - предохранительный клапан.
Криогенный трубопровод выполнен из внутренней трубы 1, которая представляет собой продуктопровод с перемещающимся по нему при низких температурах и высоком давлении сжиженным природным или иным газом, и коаксиально ей расположенной наружной трубы 2, представляющей защитный кожух криогенного трубопровода, между которыми находится вакуумное пространство 3, которое играет роль высокоэффективной тепловой изоляции, препятствующей переносу тепловой энергии от окружающей среды к перекачиваемому сжиженному газу. Для обеспечения коаксиальности внутренней 1 и наружной 2 труб внутренняя труба 1 размещается на внутренних опорах из суперизолирующего материала 5 с возможностью свободного перемещения в осевом направлении, что позволяет компенсировать изменение длины внутренней трубы 1 при изменении ее температуры в широком диапазоне температур: от температуры окружающей среды при строительстве трубопровода (плюс 30 - минус 30°С) до температуры транспортировки сжиженного природного газа (до минус 160°С на технологических установках по производству сжиженного природного газа и при перевозке его на криогенных танкерах-газовозах). Пространство секции криогенного трубопровода на концах между внутренней 1 и наружной 2 трубами герметично перекрыто боковыми стенками (не показаны). Часть наружной трубы 2 выполняют гофрированной для выполнения роли температурного компенсатора 4, который нивелирует температурное удлинение наружной трубы 2 по сравнению с внутренней 1 и снижает механические напряжения в наружной трубе 2 в целом, а также обеспечивает возможность небольшого дрейфа ее в нормальном сечении криогенного трубопровода. В вакуумном пространстве 3 устанавливают корзины с адсорбирующим агентом 6, сорбирующим сжиженный газ, проходящий через неплотности соединений секций криогенного трубопровода из внутренней трубы 1, или влагу, попадающую при микроразгерметизации вместе с воздухом через клапан создания вакуума 7, что поддерживает регламентный вакуум в вакуумном пространстве 3 криогенного трубопровода. Аналогично происходит адсорбция сжиженного газа при его просачивании в вакуумное пространство 3 в случае возникновения микротрещин в стенке внутренней трубы 1. Если при этом вакуум в коаксиальном вакуумном пространстве 3 трубопровода начнет снижаться, то с помощью клапана создания вакуума 7 снижается давление в корзинах с адсорбирующим агентом 6, благодаря чему происходит регенерация адсорбента с откачкой продуктов десорбции и восстановлением его адсорбционной способности. В случае аварийной ситуации, когда во внутренней трубе 1 возникает свищ, через который сжиженный газ попадает в вакуумное пространство 3 и в нем нарастает давление газа, срабатывает предохранительный клапан 8 и сбрасывается излишнее давление, предотвращая от разрушения наружную трубу 2 и обеспечивая безопасность конструкции.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи по совершенствованию конструкции криогенного трубопровода с целью снижения уровня механических напряжений, возникающих в конструкции трубопровода из-за разницы температур отдельных его элементов, и обеспечения его эксплуатации в условиях возникновения аварийных ситуаций как при незначительной, так и при существенной разгерметизации.