Система для тепловой изоляции объектов трубчатой формы

Изобретение относится к области теплоизоляции. В теплоизоляционной системе для объектов трубчатой формы, содержащей, по меньшей мере, две вакуумированные панели (4, 4'), по меньшей мере, одна из вакуумированных панелей содержит полимерный материал наполнителя, и, по меньшей мере, в другой вакуумированной панели в качестве материала наполнителя используется порошок инертного материала, имеющий средний размер частиц менее 100 нанометров. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплоизоляции обьектов трубчатой формы. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение касается систем для тепловой изоляции объектов трубчатой формы, например таких, как трубы для транспортировки холодных или горячих текучих сред.

Известно много типов систем для тепловой изоляции. В частности известно, что теплоизоляцию объекта любой формы можно обеспечить двойной наружной стенкой, в промежуточном пространстве которой может быть размещен материал, имеющий низкую удельную теплопроводность, например минеральная вата, стеклянная вата или полиуретан.

Однако изолирующие свойства таких материалов не очень высоки, и в некоторых случаях необходимо использовать материалы большой толщины для сохранения постоянной внутренней температуры объекта. Это касается, например, подводных морских труб для транспортировки сырой нефти, которые в основном образованы двумя соосными трубами из нержавеющей стали, где нефть течет во внутренней трубе, в то время как наружная труба служит в качестве защиты. Для обеспечения перекачки нефти по трубам на большое расстояние без увеличения ее вязкости повышение температуры должно сохраняться в пределах приблизительно между 60 и 90°С, и поэтому во внутреннем пространстве между двумя трубами должно находиться большое количество изоляционного материала. Это требует использования наружной трубы большого размера, и, следовательно, общий объем и вес трубы значительно увеличиваются, поскольку количество требуемой стали для наружной трубы резко увеличивается в зависимости от ее диаметра. Пропорционально этому также увеличиваются материальные затраты на изготовление трубы.

В качестве альтернативы промежуточное пространство между соосными трубами должно быть вакуумировано, чтобы использовать низкую удельную теплопроводность вакуума для достижения изоляции трубы. Однако, в этом случае конструкция трубы становится более сложной, и в том же промежуточном пространстве необходимо поместить материал газопоглотителя, способного поглощать газы, которые с течением времени могут удаляться из стали, образующей обе трубы.

Также известны вакуумированные изоляционные панели, образованные оболочкой, в которой находится материал наполнителя в вакууме. Оболочка служит для предотвращения (или для снижения до минимума) поступления атмосферных газов в панель, чтобы сохранять уровень вакуума, совместимый со степенью термической изоляции, которая необходима в данном случае. Для этого оболочку делают из так называемой «барьерной» фольги, отличающейся сниженной до минимума газопроницаемостью, которая может быть образована одним компонентом, но что более обычно, множеством слоев различных компонентов. Если используют множество слоев, «барьерный» эффект обеспечивается одним из слоев компонентов, в то время как другие слои имеют в основном функции механической опоры и защиты барьерного слоя. Материал наполнителя, наоборот, имеет в основном функцию сохранения противоположных поверхностей оболочки на расстоянии, когда в панели создается вакуум, и должен иметь пористую или неровную внутреннюю структуру, так что пористость или зазоры могут быть вакуумированы для выполнения функции изоляции. Материал может быть неорганическим, таким как, например, порошок кремнезема, стекловолокна, аэрогели, диатомовая земля и т.д; или полимерным, например, жесткий пенопласт из полиуретана или полистирола, как в виде картонов, так и в виде порошков.

Благодаря их низкой удельной теплопроводности очень тонкие вакуумированные панели способны эффективно изолировать нефтяные трубопроводы. Поэтому можно уменьшить внутренние размеры промежуточного пространства таких труб, таким образом преодолевая вышеупомянутые проблемы.

Например, в публикации РСТ № WO 01/38779 описана вакуумированная изоляционная панель, имеющая трубчатую форму и предназначенная для установки вокруг подводного морского трубопровода для перекачки нефти.

Однако первое неудобство таких панелей заключается в ломкости их оболочки, в которой легко образуются трещины, и они таким образом пропускают газы в панель. Такой проход явно подвергает опасности изоляционные свойства панели и в морских трубопроводах причиняет непоправимый ущерб, поскольку замена поврежденной панели не может быть осуществлена.

Другим недостатком вакуумированных панелей является то, что они не обеспечивают должную изоляцию трубчатых объектов. Фактически в основном они имеют плоскую форму, и поэтому их следует загибать, чтобы расположить бок о бок две противоположные кромки так, чтобы они соответствовали трубчатой форме внутреннего промежуточного пространства нефтяных трубопроводов.

Однако вакуумированная панель, изогнутая таким образом, не дает совершенной изоляции внутренней трубы трубопровода, и в частности зона, соответствующая кромкам, расположенным рядом, может иметь плохую изоляцию. В этой зоне особенно может произойти охлаждение внутренней трубы и, следовательно, охлаждение нефти, текущей во внутренней трубе, в результате чего нефть густеет и вызывает частичное разрушение в трубопроводе.

Поэтому задачей настоящего изобретения является обеспечение изоляционной системы для объектов трубчатой формы, не имеющей указанных недостатков. Решение поставленной задачи достигается с помощью изоляционной системы, основные характеристики которой определены в первом пункте формулы изобретения, а последующие признаки определены в последующих пунктах.

Изоляционная система согласно настоящему изобретению может быть легко выполнена и содержит по меньшей мере две тонкие вакуумированные панели, которые взаимно совмещены, накладываясь одна на другую, и расположены таким образом, чтобы совершенно изолировать объект трубчатой формы, при этом по меньшей мере одна из вакуумированных панелей изоляционной системы содержит в качестве материала наполнителя полимерный материал, в то время как по меньшей мере в другой панели в качестве материала наполнителя используется порошок инертного материала, имеющего предпочтительно средний размер частиц менее 100 нанометров (нм) и предпочтительно приблизительно от 2 до 20 нм. Благодаря сочетанию двух материалов наполнителей, имеющих различные характеристики, изоляционная система согласно такому примеру реализации изобретения особенно подходит для изоляции объекта трубчатой формы, имеющего температуру, которая очень отличается от температуры окружающей среды, как, например, трубопровод, в котором нефть течет при повышенной температуре и который погружен в воду на морской глубине.

Панели, содержащие инертные порошки, по существу выдерживают высокие температуры лучше, чем панели, содержащие полимерные материалы наполнителей, и таким образом могут устанавливаться в качестве защиты последних, изоляционные характеристики которых будут непредсказуемо меняться, если их подвергать воздействию высоких температур в течение длительного периода времени, при этом происходит их заметное старение.

Кроме того, в панелях на основе инертных порошков при трещинах происходит меньше перемен изоляционных свойств. Фактически удельная теплопроводность панелей, содержащих инертные порошки, меняется только незначительно после поступления воздуха, оставаясь таким образом приблизительно ниже 8 мВт/м·К для внутренних давлений, достигающих нескольких десятков мбар, и достигая максимального значения приблизительно 20 мВт/м·К в случае, если внутреннее давление достигает 1 бар. Наоборот, в панелях на основе полимерных пенопластов удельная теплопроводность быстро повышается от 10 мВт/м·К, когда внутреннее давление составляет приблизительно 1 мбар, приблизительно до 35 мВт/м·К при атмосферном давлении. По этой причине в то время как для первых панелей необходимо использование оболочек, содержащих алюминиевую фольгу, для вторых панелей могут быть использованы более стойкие оболочки из многослойного пластика.

Дальнейшие преимущества и признаки изоляционной системы согласно настоящему изобретению станут очевидны специалистам в данной области из нижеследующего подробного описания примера реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 изображен вид в поперечном сечении трубопровода с двойной стенкой, в промежуточное пространство которого вставлена изоляционная система согласно указанному примеру реализации, и

на фиг.2 изображен вид продольного разреза трубопровода по фиг.1.

На фиг.1 показан трубопровод, в котором установлена изоляционная система согласно настоящему изобретению, образованный известным образом, то есть внутренней трубой 1 и наружной трубой 2, соосной внутренней трубе 1 и имеющей такой диаметр, что между трубами имеется внутреннее пространство 3. Внутри трубы 1 протекает жидкая среда, которая должна быть изолирована, например нефть. Трубы 1 и 2 могут быть выполнены из любого подходящего материала, например из нержавеющей стали, которая, например, применяется в морских подводных трубах для транспортировки нефти.

В промежуточном пространстве 3 размещены две вакуумированные панели 4 и 4', каждая из которых свертывается таким образом, чтобы расположить бок о бок две ее противоположные кромки 5 и 5', которые параллельны оси свертывания. Две другие кромки, перпендикулярные относительно оси свертывания, образуют концевые кромки 6 и 6' свернутых панелей 4 и 4'. Таким образом вакуумированные панели 4 и 4' приобретают трубчатую форму, соответствующую трубчатой форме внутреннего промежутка. В некоторых случаях противоположные кромки 5 и 5' могут быть взаимно герметизированы с использованием любых известных средств, например термосвариванием.

Две свернутые таким образом панели 4 и 4' вставляются с возможностью возвратно-поступательного перемещения так, что кромки 5 панели 4 устанавливаются со смещением по окружности относительно кромок 5' панели 4' и предпочтительно располагаются в положении, диаметрально противоположном относительно кромок 5'.

Согласно предпочтительному примеру реализации настоящего изобретения также концевые кромки 6 свернутой панели 4 устанавливаются со смещением по окружности относительно концевых кромок 6' свернутой панели 4', как это видно на фиг.2.

Такое расположение со смещением по окружности позволяет получить по существу равномерную теплоизоляцию, поскольку проход тепла между наружной окружающей средой и изолируемым объектом, который может произойти через зону слабой изоляции кромок панели, предотвращается благодаря наличию другой панели. Кроме того, если в одной из двух панелей образуется трещина во время сооружения трубопровода или после его сооружения, удержание тепла гарантируется наличием другой панели.

Изоляционная система также может содержать более двух панелей, например три или четыре. Такие панели могут быть все одинакового типа и различных типов, и в особенности они должны содержать обычную оболочку, например многослойную и неорганический или полимерный, не сплошной или пористый материал наполнителя.

Согласно предпочтительному примеру реализации изобретения вакуумированные панели бывают двух типов: по меньшей мере панель содержит полимерный, например полиуретановый, материал наполнителя, в то время как по меньшей мере в другой панели в качестве материала наполнителя используется инертный порошок, имеющий средний размер частиц менее 100 нм и предпочтительно приблизительно от 2 до 20 нм. Таким порошком предпочтительно является кремнезем. Кремнезем, имеющий необходимые характеристики размеров, может быть получен осаждением силикатов из щелочных растворов; этот тип кремнезема производит и продает английская компания Microtherm International Ltd под названиями Microtherm G, Microtherm Super G или Waterproof Microtherm Super G. В качестве альтернативы можно использовать пирогенный кремнезем, форму кремнезема, полученную сжиганием в специальной камере SiCl₄ с кислородом согласно реакции

SiCl₄+О₂→SiO₂+2Сl_2.

Кремнезем, полученный в этой реакции, имеет форму частиц размером от нескольких нанометров до десятков нанометров, которые могут связываться, образуя частицы больших размеров. Пирогенный кремнезем производит и продает компания США CABOT Corp. под названием the Nanogel® или немецкая компания Wacker GmbH.

Кремнезем может быть смешан с минеральными волокнами, например стекловолокнами, так что он может легко затвердевать для приготовления блоков толщиной до нескольких миллиметров, которые могут быть помещены в оболочку, вакуумированы и затем относительно легко свернуты.

Поскольку такие инертные материалы в основном хорошо выносят высокие температуры, содержащие их панели расположены в контакте с окружающей средой и изолируемым объектом, имеющими наиболее высокие температуры. Поэтому в трубопроводах для перекачки нефти эти панели предпочтительно расположены непосредственно в контакте с внутренней трубой 1, чтобы защитить панель, содержащую полимерный материал наполнителя, от возможного повреждения от длительного пребывания под воздействием высоких температур сырой нефти, протекающей по внутренней трубе 1. На фиг.1 панель 4 содержит предпочтительно инертный материал наполнителя, а панель 4' выполнена на основе материала полимерного наполнителя.

Несмотря на то, что настоящее изобретение касается изоляции трубопровода для перекачки нефти, изоляционная система согласно настоящему изобретению может быть использована для изоляции любого другого объекта, имеющего трубчатую форму, например котла или трубы для транспортировки криогенной жидкости, как, например, жидкого азота или кислорода.

1. Теплоизоляционная система для объектов трубчатой формы, содержащая, по меньшей мере, две вакуумированные панели (4, 4'), каждая из которых, по существу, образована вакуумированной оболочкой, выполненной из барьерной фольги, внутри которой содержится неорганический или полимерный, несплошной или пористый материал наполнителя и которая свертывается таким образом, что две ее противоположные кромки (5, 5'), параллельные оси свертывания, расположены рядом, а две другие кромки, перпендикулярные оси свертывания, образуют концевые кромки (6, 6') свернутой вакуумированной панели, при этом свернутые вакуумированные панели (4, 4') расположены соосно с кромками (5) вакуумированной панели (4) со смещением по окружности относительно кромок (5') другой вакуумированной панели (4'), отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из вакуумированных панелей содержит полимерный материал наполнителя и, по меньшей мере, в другой вакуумированной панели в качестве материала наполнителя используется порошок инертного материала, имеющий средний размер частиц менее 100 нм.

2. Теплоизоляционная система по п.1, отличающаяся тем, что полимерным материалом наполнителя является полиуретан.

3. Теплоизоляционная система по п.1, отличающаяся тем, что порошок инертного материала имеет средний размер частиц приблизительно от 2 до 20 нм.

4. Теплоизоляционная система по п.3, отличающаяся тем, что порошок инертного материала смешивается с минеральными волокнами.

5. Теплоизоляционная система по п.4, отличающаяся тем, что минеральными волокнами являются стекловолокна.

6. Теплоизоляционная система по п.4, отличающаяся тем, что инертным материалом является кремнезем.

7. Теплоизоляционная система по п.6, отличающаяся тем, что кремнеземом является пирогенный кремнезем.