Гибкий трубопровод с улучшенной тепловой изоляцией

 

Использование: в транспортировке углеводородов. Сущность изобретения: гибкий трубопровод с улучшенной тепловой защитой, предназначенный для циркуляции жидкости под давлением и содержащий по меньшей мере одну герметичную оболочку или трубу из полимерного материала, по меньшей мере один армирующий слой, содержит средство тепловой защиты, содержащее оболочку 7 из композиционного материала, содержащего частицы пробки, и гибкую металлическую трубку 10, расположенную снаружи от теплозащитной композитной оболочки 7. Применяется для создания гибких трубопроводов нефтяных установок. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гибким трубопроводам с улучшенной тепловой защитой, в частности к трубопроводам, в которых циркулирует жидкость под повышенным давлением, как, например, в трубопроводах, используемых в исследовательских и эксплуатационных установках углеводородных месторождения, расположенных как на земле, так и на море.

Следует отметить, что изобретение касается создания гибких трубопроводов, имеющих диаметры 2,5 30 см, причем внутреннее давление в гибком трубопроводе может достигать 1000 бар и более.

При таких условиях любая утечка из гибкого трубопровода, особенно в случае пожара, может иметь серьезные последствия. По этой причине необходимо сохранение герметичности и механической прочности указанных гибких трубопроводов при пожаре, чтобы иметь возможность поддержать расход жидкости без утечек при рабочем давлении до тех пор, пока не будут осуществлены операции по прекращению этого расхода или же пока не затушат пожар.

Хотя и нет точных норм, рекомендуется, чтобы гибкие трубопроводы выдерживали в течение 30 мин окружающую температуру 700^oC.

Известные в настоящее время гибкие трубопровода с тепловой защитой содержат, как правило, по меньшей мере одну герметичную оболочку и по меньшей мере один ароматический слой, содержащий металлическую проволоку, причем сечение проволоки может быть любым. Часто гибкие трубопроводы содержат две оболочки, одна из которых, внешняя, располагается над армирующим слоем, а другая, внутренняя, -под ним, что осуществляется в зависимости от конкретного использования указанных гибких трубопроводов. Некоторые гибкие трубопроводы содержат также третью оболочку, промежуточную, расположенную между двумя армирующими слоями.

Кроме того, рассматриваемые гибкие трубопроводы частично снабжены средствами внешней защиты, образованными свернутой по спирали с малым шагом металлической лентой, например профилированной лентой.

Известен, в частности, гибкий трубопровод с улучшенной тепловой защитой (SU, A, 1658827), предназначенный для циркуляции жидкости под давлением и содержащий по меньшей мере одну герметичную оболочку или трубу из полимерного материала, по меньшей мере один армирующий слой, средство тепловой защиты и оболочку из теплоотражающего материала, включающего тонкий слой (пленку) металла.

В известном трубопроводе армирующий слой выполнен преимущественно из слюды, которая является неорганическим материалом. Использование слоя на основе слюды не позволяет осуществлять удлинение или укорачивание такого трубопровода в случае необходимости.

Оболочка из теплоотражающего материала имеет снаружи тонкий слой (пленку) алюминия и предназначена лишь для отражения теплового потока. Такая оболочка не способствует механическому усилению гибкого трубопровода и не выдерживает многократных изгибов, приводящих к ее повреждениям и разрушению.

Средство тепловой защиты в известном устройстве выполнено многослойным и включает в себя теплозащитный слой из керамических волокон, оплетку, играющую роль прижимной манжеты, и наружную защитную оболочку, выполненную из жаростойкого материала, например силиконового каучука или фторсодержащего полимера.

Многослойная и волокнистая структура оболочки предназначена для трубопроводов малого диаметра при использовании на трубопроводах большого (≈30 см) диаметра потребует больших затрат при изготовлении.

В основу изобретения положена задача создать гибкий трубопровод с улучшенной тепловой защитой такой конструкции, которая при обеспечении высоких теплозащитных свойств характеризовалась бы высокой механической прочностью на сжатие, допускала бы возможность удлинения или укорачивания трубопровода в зависимости от конкретных условий его использования и при этом не требовала бы больших затрат при изготовлении.

Эта задача решается тем, что в трубопроводе с улучшенной тепловой защитой, предназначенном для циркуляции жидкости под давлением и содержащем по меньшей мере одну герметичную оболочку или трубу из полимерного материала, по меньшей мере один армирующий слой, средство тепловой защиты и оболочку из теплоотверждающего материала, согласно изобретению средство тепловой защиты содержит оболочку из композиционного материала, включающего частицы пробки, а оболочка из теплоотражающего материала выполнена в виде гибкой металлической трубы, расположенной снаружи от теплозащитной оболочки.

Целесообразно использовать композиционный материал, представляющий собой агломерированную пробку. При этом желательно чтобы средняя плотность композиционного материала имела величину, заключенную в диапазоне 500 800 кг/м³, а теплопроводность композиционного материала имела величину менее 0,30 Вт/м·^oC.

Предпочтительно чтобы оболочка из композиционного материала была образована по меньшей мере одной лентой, намотанной по спирали поверх армирующего слоя с выдерживанием значительного угла относительно продольной оси гибкого трубопровода. При этом возможно, чтобы витки спиральной намотки прилегали друг к другу или слегка были раздвинуты. Возможно также, чтобы витки спиральной намотки частично перекрывали друг друга.

Целесообразно, чтобы оболочка из композиционного материала представляла собой цилиндрический рукав, натягиваемый поверх армирующего слоя.

В других случаях желательно, чтобы эта оболочка была выполнена непосредственной экструзией поверх армирующего слоя.

Возможно, кроме того, чтобы оболочка из композиционного материала была образована примыкающими друг к другу отформованными элементами. Предпочтительно, чтобы тепловая защита содержала по меньшей мере два концентрических слоя композиционного материала, содержащего частицы пробки. При этом желательно, чтобы по меньшей мере одна липкая лента была вставлена между концентрическими слоями.

Целесообразно, чтобы гибкий трубопровод содержал два армирующих слоя, а оболочка из композиционного материала была выполнена из по меньшей мере одной ленты материала, содержащего частицы пробки, причем эта лента намотана по спирали поверх наружной оболочки с выдерживанием значительного угла по отношению к продольной оси этого гибкого трубопровода.

Возможно между металлической трубой и оболочкой из композиционного материала расположить слой огнестойкого материала.

Гибкий трубопровод с улучшенной тепловой защитой, выполненный в соответствии с изобретением, благодаря наличию слоя пробки, которая кальцинируется раньше, чем сгорает, характеризуется наилучшим состоянием оболочки в условиях воздействия огня, причем слой пробки образует перемычку между гибким металлическим наружным рукавом и внутренними броневыми слоями, а этот наружный гибкий металлический рукав обеспечивает механическую прочность трубопровода на сжатие и отражение теплового потока. Комбинация свойств составных элементов позволяет исключить появление эффекта теплового моста, а пробка обеспечивает также увеличение отнесенного к единице длины коэффициента теплопроводности.

Трубопровод характеризуется высокой механической прочностью на сжатие, допускается возможность удлинения и укорачивания его при необходимости и не требует высоких затрат при изготовлении.

На фиг. 1 приведен вид в перспективе с частичным разрезом первого варианта выполнения трубопровода; на фиг. 2 вид в перспективе с частичным разрезом второго варианта выполнения трубопровода; на фиг. 3 вид в перспективе с частичным вырывом и в разрезе третьего варианта выполнения трубопровода.

Гибкий трубопровод (фиг. 1) содержит герметичную полимерную внутреннюю трубку или оболочку 1, изготовленную преимущественно из термопластичного материала, такого как полиамид, полиэтилен, или другого подходящего материала, один или два в данном случае, два внутренних каркаса 2 и 3, предназначенных для восприятия внутреннего давления в трубопроводе и образованных намоткой по спирали металлической проволоки или ленты, промежуточную оболочку 4, изготовленную из такого же термопластичного материала, что и внутренняя труба 1, или же из другого материала, по меньшей мере один армирующий слой, образованный двумя слоями 5 проволоки, угол армирования или угол наклона проволок относительно продольной оси трубопровода, который меньше или равен 55^o, и одну внешнюю оболочку 6 из термопластичного материала. Угол наклона проволок одного слоя 5 может изменяться от одного слоя к другому, причем проволоки двух слоев могут пересекаться, как это и бывает на практике. Структура и природа образующих трубопроводов элементов выбираются в зависимости от условий использования этого гибкого трубопровода. Из этих же соображений материал внешней оболочки 6 может быть идентичным или отличным от материала внутренней герметичной оболочки 4. В варианте, показанном на фиг. 1, создается тепловая защиты в соответствии с изобретением также и в случае, когда гибкий трубопровод содержит внутреннюю оболочку 1, один или два каркаса 2 и 3, по меньшей мере один армирующий слой 5 и внешнюю оболочку 6, но не имеет промежуточной оболочки 4.

Следует упомянуть, что изобретение применимо к трубам типа "Rougt-Goze", содержащим внутри внутренней герметичной оболочки внутренний каркас, образованный свитой с малым шагом металлической лентой, имеющей преимущественно вид сцепленной ленты.

В соответствии с изобретением вокруг гибкого трубопровода располагают защитную термооболочку 7, имеющую толщину, равную или превышающую 2 мм, которая показана на фиг. 1 в виде рукава 8 и которая изготовлена из композиционного материала, содержащего частицы коробки. Преимущественно, композиционный материал образован частицами пробки, которые агломерированы при помощи пластической связки.

Лучшим вариантом является погружение частиц пробки размерами от 1 до 2 мм в матрицу материала из эластомера, типа полимера, содержащего галоген, в том числе и хлор с преимущественной добавкой огнеупорного агента, такого как трехокись сурьмы или гидратированный алюминий. В качестве образующих матрицу материалов можно указать эластометрические хлорсульфональные или, преимущественно, хлоропреновую резину (неопрен). Композиция, содержащая частицы пробки и полимера, дополнена различными вспомогательными элементами, такими как агент вулканизации, ускоритель вулканизации, антитепловой агент, пластификатор (минеральное масло) и краситель. Возможно при использовании хорошо известных способов изготовления выполнить композиционный материал, содержащий частицы пробки и обладающий определенным механическим сцеплением, причем оказалось, что такой материал способен служить средством тепловой защиты. Интересные результаты были получены при использовании материалов, имеющих среднюю плотность порядка 500 800 кг/м³, преимущественно 650 700 кг/м³. Средняя теплопроводность такого материала может быть равна или ниже приблизительно 0,30 Вт/м·^oC, например составлять 0,20 Вт/м·^oC.

Само собой разумеется, что плотность полученного таким образом композиционного материала является функцией процентного содержания пробки в хлоропреновой резине, который зависит также от структуры защищаемого гибкого трубопровода и/или от условий его использования, а также от тех температур, которые должен выдерживать гибкий трубопровод.

Как показано на фиг. 2, оболочка 7 преимущественно образована при помощи намотки ленты 9, имеющей толщину около 6 мм, витки которой могут соприкасаться или нет, преимущественно, при наличии небольшого перекрывания между ними, причем ширина перекрытия одного витка другим может быть, например, немного меньше половины ширины ленты. Хорошие результаты были получены с лентой, имеющей толщину 4 8 мм, в особенности, если внутренний диаметр гибкого трубопровода заключен между 30 и 150 мм, что является типичным для некоторых применений изобретения. Однако толщина может достигать и даже превосходить 10 мм, в зависимости от характеристик гибкости и условий использования. Можно при помощи машины известного типа, такой как ленточная машина, легко экономично изготовить защитную оболочку 7 гибкого трубопровода, осуществляя намотку ленты 9, изготовленной преимущественно из композиционного материала, содержащего частицы пробки, в особенности из материала, имеющего сопротивление на разрыв, равное или превышающее приблизительно 1 даН/см², а предпочтительно, около 5 даН/см², и способного выдержать удлинение, например, 10 20% Преимущественно, лента 9 вулканизирована перед намоткой на гибкий трубопровод. Подобная лента должна соответствовать норме BSUS 120 и нормам ASTMF104 и F36.

В альтернативном варианте, когда оболочка 7 выполнена в виде рукава 8, показанного на фиг. 1, она может содержать один или несколько рукавов, натянутых на гибкий трубопровод. Оболочка может быть выполнена также из деталей, каждая из которых покрывает сектор кругового контура внешней оболочки 6, например из двух полуоболочек. Рукав 8 может устанавливаться на место непрерывным образом на большой длине при помощи экструзии смеси частиц пробки и эластомера, а также различных адекватных дополнительных элементов. Операция экструзии осуществляется непрерывно с помощью головки с угольником вокруг сердечника, который образован гибким трубопроводом, покрытым внешней оболочкой 6; за этой операцией может следовать операции вулканизации эластомера.

Комплекс, образованный гибким трубопроводом и защитной оболочкой 7 (такой как рукав 8 или слой, образованный навивкой лент 9), покрывается внешней гибкой металлической трубой 10, которая завершает термическую защиту и образована намоткой металлической ленты 11, особенностью которой является хорошая теплоотражающая способность. Материалом такой ленты может служить, например, нержавеющая сталь типа аустенитной. Указанная металлическая лента может быть просто непрерывной лентой или же фасонной, имеющей конфигурацию в виде уплощенной буквы S, в этом случае соседние витки могут перекрывать друг другу.

Преимущественно, металлическая лента имеет сечение с зацеплениями в виде радиальных выступов, позволяющих ограничить относительное перемещение витков ленты по длине трубопровода. В частности, металлическая лента может быть выполнена в виде фасонной (сцепленной) ленты, которая описана, например, в патенте FR, A, 2555920. В альтернативном варианте реализации внешняя металлическая труба может иметь форму волнистой трубы.

В показанном на фиг. 3 особом виде реализации изобретения гибкий трубопровод содержит между внешней трубой 10 и внешней оболочкой 6 две навитые ленты 12 и 13 из агломерированной пробки и по меньшей мере одну, а преимущественно две липких ленты 14 и 15, из которых одна лента 15, расположена между пробковыми лентами 12 и 13. Липкие ленты 14 и 15 могут быть в случае необходимости усилены стекловолокном или другим эквивалентным материалом.

Были проведены испытания гибкого трубопровода, имеющего следующую структуру в направлении изнутри наружу: внутренняя герметичная труба 1 из полиамида с внутренним диаметром 76 и толщиной 6 мм, свод давления 2 из стальной проволоки типа сцепки с малым шагом, свод давления для усиления из стальной плоской проволоки с малым шагом спирали (позиция 3), промежуточная оболочка 4 из полиэтилена толщиной 2 мм, два слоя 5 броневой проволоки из стальной проволоки, расположенные симметрично с углом бронирования 35^o, липкая, не показанная на чертеже, лента, намотанная на верхний слой 5, внешняя оболочка 6 из полиэтилена толщиной 5 мм, теплозащитный кожух 7 из агломерированной пробки толщиной 6 мм,
внешняя труба 10 из сцепленной ленты, изготовленной из нержавеющей стали типа аустенитной AISI 304.

В случае подвергающегося испытаниям трубопровода теплозащитный кожух был образован слоем ленты 9 из агломерата пробки и хлоропреновой резины, имеющего следующие характеристики:
гранулометрия частиц пробки 1 2 мм, средняя плотность 660 670 кг/м³, теплопроводность порядка 0,20 Вт/м·^oC, сопротивление на разрыв порядка 10 даН/см² (1 МПа).

Лента имела толщину 6 мм и ширину 60 мм и была навита простым слоем с витками, почти соприкасающимися друг с другом на диаметре 140 мм, соответствующем внешнему диаметру внешней оболочки 6.

Наконечник был установлен на каждом конце выбранного отрезка гибкого трубопровода большой длины. Таким образом получили гибкий трубопровод длиной 5,5 м, похожий на широко используемые трубопроводы, которые не содержат дополнительного слоя тепловой защиты.

Описанный трубопровод подвергался испытаниям на пожаростойкость при следующих условиях:
гибкий трубопровод закрывался с двух сторон глухими фланцами и металлическими прокладками,
наполнялся водой под давлением 1040 бар,
один из концов, который непосредственно подвергался воздействию огня, был защищен листовым кожухом, покрывающим изоляцию из преломляющего волокна Cerablanket® de Manville.

На длине 3 м гибкий трубопровод был подвергнут воздействию температуры 700^oC, которая достигалась в течение 5 мин и затем поддерживалась на этой величине во время нагрева печи в течение общей длительности, которая достигала 80 мин. Давление воды в трубопроводе поддерживалось постоянным, равным 1040 бар, в течение всего времени испытаний, нагрев печи прекращался по истечении 80 мин. Испытания показали отсутствие малейших утечек.

Результаты испытания показали, что температура воды не превосходит 140^oC, что существенно ниже температуры плавления (183^oC) полиамида, из которого изготовлена внутренняя герметичная оболочка.

Полученный описанным образом положительный результат можно считать особенно существенным, если принять во внимание, что общий коэффициент теплоизоляции гибкого трубопровода относительно мало увеличен из-за добавления к нему теплозащитного кожуха, так как толщина и коэффициент теплопроводности кожуха одного порядка величины с характеристиками каждой из трех оболочек гибкого трубопровода. Причина достижения такого хорошего результата заключается, вероятно, в высокой термопрочности агломерата пробки, которая выше чем у пластмассы, образующей оболочки трубопровода. Действительно можно наблюдать, что даже обугленный (обожженный) агломерат пробки остается на месте, образуя перегородку между внешней металлической трубой из нержавеющей стали и броневым проводом, в то время как внешняя пластиковая оболочка гибкого трубопровода существенно видоизменялась, эта перегородка мешает появлению явления теплового моста, который мог бы существенно ускорить повышение температуры внутренней пластиковой оболочки герметичности и содержащейся в трубопроводе воды.

Для подвергнутого испытанию гибкого трубопровода было найдено, что линейный коэффициент теплопроводности (коэффициент теплообмена на метр линейный трубопровода, Вт/м·K) уменьшился приблизительно на 25% в соответствующем изобретению гибком трубопроводе относительно такого же трубопровода, не содержащего ленты из пробки.

Кроме того, замечено, что металлическая труба способствует исключению горячих точек, так как она распределяет тепло по всему трубопроводу и, в частности, вокруг теплового кожуха, который в результате оказывается по всей своей поверхности подвержен воздействию приблизительно равной температуры.

Кроме того, было обнаружено, что сочетание защитной оболочки из агломерированной пробки и внешней металлической трубы создает синергический эффект, следствием которого является способность к повышению защиты гибкого трубопровода от высоких температур. Действительно, кроме своей собственной защитной роли, заключающейся в отражении теплоты, гибкая внешняя металлическая труба позволяет в случае пожара улучшить стойкость слоя агломерированной пробки, так как последний находится в пространстве, ограниченном внутри этой металлической трубы.

Само собой разумеется, что если температуры превосходят указанные в изобретении величины и/или их время действия существенно больше указанного, то возможно увеличить толщину композиционной оболочки, которая может достигать нескольких сантиметров. И в таком случае агломерат пробки продолжает оказывать тепловую защиту, образуя перегородку даже в обугленном состоянии.

Наконец, можно установить между внешней металлической трубой и агломератом пробки слой огнеупорного материала, например, содержащего преломляющие волокна, такого как материал, имеющийся в продаже под названием Cerablanket.

Формула изобретения

1. Гибкий трубопровод с улучшенной тепловой защитой, предназначенный для циркуляции жидкости под давлением и содержащий по меньшей мере одну герметичную оболочку или трубу из полимерного материала, по меньшей мере один армирующий слой, средство тепловой зашиты и оболочку из теплоотражающего материала, отличающийся тем, что средство тепловой защиты содержит оболочку из композиционного материала, включающего частицы пробки, а оболочка из теплоотражающего материала выполнена в виде гибкой металлической трубы, расположенной снаружи от теплозащитной оболочки.

2. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что композионный материал представляет собой агломерированную пробку.

3. Трубопровод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средняя плотность композиционного материала составляет 500 800 кг/м³.

4. Трубопровод по пп. 1 3, отличающийся тем, что теплопроводность композиционного материала менее 0,30 Вт/м².

5. Трубопровод по пп. 1 4, отличающийся тем, что оболочка из композиционного материала образована по меньшей мере одной лентой, намотанной по спирали поверх армирующего слоя с выдерживанием значительного угла относительно продольной оси гибкого трубопровода.

6. Трубопровод по п. 5, отличающийся тем, что витки спиральной намотки прилегают друг к другу или слегка раздвинуты.

7. Трубопровод по п. 5, отличающийся тем, что витки спиральной намотки частично перекрывают друг друга.

8. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что оболочка из композиционного материала представляет собой цилиндрический рукав, натягиваемый поверх армирующего слоя.

9. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что оболочка из композиционного материала выполнена непосредственной экструзией поверх армирующего слоя.

10. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что оболочка из композиционного материала образована примыкающими друг к другу отформованными элементами.

11. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что тепловая защита содержит по меньшей мере два концентрических слоя композиционного материала, содержащего частицы пробки.

12. Трубопровод по п. 11, отличающийся тем, что по меньшей мере одна липкая лента вставлена между концентрическими слоями.

13. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере два армирующих слоя.

14. Трубопровод по п. 13, отличающийся тем, что оболочка из композиционного материала выполнена из по меньшей мере одной ленты материала, содержащего частицы пробки, причем эта лента намотана по спирали поверх наружной оболочки с выдерживанием значительного угла по отношению к продольной оси этого гибкого трубопровода.

15. Трубопровод по пп. 1 14, отличающийся тем, что слой огнестойкого материала расположен между металлической трубой и оболочкой из композиционного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3