Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод и способ его изготовления
Владельцы патента RU 2763335:
ШИНЬДА (ТАНШАНЬ) КРЕАТИВ ОИЛ ЭНД ГАС ЭКВИПМЕНТ КО., ЛТД. (CN)
Группа изобретений относится к области теплоизолированных трубопроводов и, в частности, к сверхдлинному теплоизолированному трубопроводу и способу его изготовления. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод содержит рабочую стальную трубу и кожух стальной трубы, покрывающий рабочую стальную трубу. Между рабочей стальной трубой и кожухом стальной трубы образована кольцевая вакуумная полость. Оба конца кожуха стальной трубы затянуты. Для обеспечения герметичности между кожухом и наружной стенкой рабочей стальной трубы затянутые части кожуха стальной трубы уплотняются посредством множества уплотнительных колец. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод дополнительно содержит спиральное опорное кольцо, расположенное снаружи рабочей стальной трубы и соприкасающееся со стенкой рабочей стальной трубы. Спиральное опорное кольцо выполнено из материала с фазовым переходом, и материал с фазовым переходом содержит 20-30 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 50-100 мас.ч. эластомера и 50-100 мас.ч. связующего компонента, причем ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом выполнено из парафина, а оболочка – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1. Также в настоящем изобретении представлен способ изготовления сверхдлинного теплоизолированного трубопровода. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области теплоизолированных трубопроводов и, в частности, к сверхдлинному теплоизолированному трубопроводу и способу его изготовления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время большинство областей в зимний период используют угольное отопление, и в процессе передачи неизбежно происходит потеря тепла, что приводит к резкому увеличению расхода угля. С непрерывным сокращением энергоресурсов существует острая необходимость в сокращении энергопотребления.
Геотермальная энергия – это тепловая энергия, запасенная в недрах Земли. У нее есть два разных источника, один из которых находится снаружи земли, а другой внутри. Внутри поверхности земли, воздействие солнечного излучения постепенно ослабевает. На определенной глубине это воздействие исчезает, и температура не меняется в течение года, то есть достигает так называемого «слоя нормальной температуры». От слоя нормальной температуры температура земли постепенно увеличивается из-за влияния внутреннего тепла земли. Этот вид тепловой энергии из недр Земли называется «внутренним теплом». Повышение температуры грунта каждые 100 м или 1 км под землей называется скоростью геотермального нагрева. С точки зрения развития и использования, геотермальная энергия имеет больший потенциал развития, чем другие возобновляемые источники энергии, и ей уделяется все больше внимания во всем мире.
В настоящее время геотермальная энергия в основном используется в следующих областях.
Генерация геотермальной энергии является наиболее простым способом использования геотермальной энергии. Генерация геотермальной энергии аналогична генерации тепловой энергии, которая заключается в преобразовании тепловой энергии пара в механическую энергию в паровой турбине, а затем в генератор для выработки электроэнергии. Разница в том, что для выработки геотермальной энергии не нужен огромный нагреватель, необходимый для выработки тепловой энергии, и не требуется потребление топлива. Используемая энергия является геотермальной энергией. Процесс выработки геотермальной энергии – это процесс преобразования подземной тепловой энергии в механическую энергию, а затем преобразования механической энергии в электрическую. В настоящее время теплоносителями, которые могут использоваться геотермальными электростанциями, в основном являются подземные природные источники пара и воды.
Геотермальный нагрев – это прямое использование геотермальной энергии для отопления, теплоснабжения и горячего водоснабжения, что является способом использования геотермальной энергии, уступающим только производству геотермальной энергии.
Еще один способ использования геотермальной энергии – использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве. Орошение сельскохозяйственных угодий геотермальной водой с соответствующей температурой может повысить урожайность на ранних сроках созревания сельскохозяйственных культур. Использование геотермальной воды для разведения рыбы с температурой 28°C может ускорить откорм рыбы и увеличить улов. Геотермальная энергия используется для строительства теплиц, выращивания рассады, овощей и цветов. Геотермальное тепло используется для нагрева биогазового реактора для увеличения выхода биогаза.
Другим способом использования геотермальной энергии является применение в промышленности. Геотермальная вода содержит много ценных редких элементов, радиоактивных элементов, редких газов и соединений, таких как бром, йод, бор, калий, гелий, оксид дейтерия и калийные соли, которые являются незаменимым сырьем для национальной оборонной промышленности, атомной энергетики, химической промышленности и сельского хозяйства.
Еще один способ использования геотермальной энергии – использование геотермальной энергии в медицине и туризме. Геотермальная вода имеет высокую температуру, особый химический состав и газовый состав, небольшое количество биоактивных ионов и радиоактивных веществ и т.д., а в некоторых геотермальных областях образуется минеральная грязь, которая оказывает очевидное медицинское и оздоровительное воздействие на организм человека.
Геотермальная энергия имеет широкую область применения. Для более эффективного использования геотермальных ресурсов необходимо решить следующие задачи: низкий коэффициент использования малопригодных геотермальных ресурсов, и высокие эксплуатационные расходы.
Из-за ограниченной технологии добычи, может использоваться только малая геотермальная энергия, а теплоизоляция труб в процессе добычи является слабой, что еще больше снижает коэффициент использования геотермальной энергии и значительно влияет на добычу и использование геотермальной энергии.
Аналогично, плохая теплоизоляция трубопроводов затрудняет процесс добычи нефти из подземных месторождений. Нефть, также известная как сырая нефть, представляет собой коричнево-черную легковоспламеняющуюся и вязкую жидкость, которая добывается из глубоких подземных источников. Температура замерзания сырой нефти составляет от около -50°С до 35°С. Слабая теплоизоляция трубопроводов в процессе добывания легко приводит к затвердеванию сырой нефти в рабочих трубопроводах. Затвердевшая сырая нефть должна быть вовремя нагрета чтобы обеспечить бесперебойную добычу, что значительно увеличивает стоимость и цикл добычи нефти. Следовательно, в процессе добычи нефти необходим трубопровод с хорошей теплоизоляцией.
В патенте CN 208090184 U представлена стальная теплоизолированная труба со стальным кожухом, которая содержит рабочую стальную трубу, трубу PPR, покрывающую рабочую стальную трубу, и защитную стальную трубу, покрывающую трубу PPR, где между рабочей стальной трубой и трубой PPR образуется замкнутая полость, опорную конструкцию, расположенную между рабочей стальной трубой и трубой PPR для поддержания соосности, и нагревательный элемент, расположенный на внешней стенке рабочей стальной трубы. Труба PPR расположена в середине стальной теплоизолированной трубы со стальным кожухом, а нагревательный элемент расположен на наружной стенке рабочей стальной трубы для теплоизоляции. Однако в стальной теплоизолированной трубе со стальным кожухом, в рабочей среде с более высокой температурой, труба PPR легко деформируется, что приводит к быстрому снижению ее теплоизоляции. Следовательно, стальная теплоизолированная труба не подходит для подземного источника тепла или для добычи нефти.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с вышеизложенным, в настоящем изобретении представлен сверхдлинный теплоизолированный трубопровод и способ его изготовления. Представленный сверхдлинный теплоизолированный трубопровод обладает такими преимуществами, как хорошая теплоизоляция и длительный срок службы и может быть использован для добычи и освоении ресурсов подземных источников тепла и нефтяных ресурсов.
В настоящем изобретение представлен сверхдлинный теплоизолированный трубопровод, содержащий рабочую стальную трубу и кожух стальной трубы, покрывающий рабочую стальную трубу, где между рабочей стальной трубой и кожухом стальной трубы образована кольцевая вакуумная полость; два конца кожуха стальной трубы затянуты; и для обеспечения герметичности между кожухом и наружной стенкой рабочей стальной трубы затянутые части кожуха стальной трубы уплотняются посредством множества уплотнительных колец, также сверхдлинный теплоизолированный трубопровод дополнительно включает в себя:
спиральное опорное кольцо, которое расположено снаружи рабочей стальной трубы и соприкасается со стенкой рабочей стальной трубы, спиральное опорное кольцо выполнено из материала с фазовым переходом, причем материал с фазовым переходом содержит:
20-30 массовых частей парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы выполнено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
50-100 массовых частей эластомера; и
50-100 массовых частей связующего компонента.
В сверхдлинном теплоизолированном трубопроводе, согласно настоящему изобретению, для тепловой изоляции рабочей стальной трубы используется вакуумная полость, а спиральное опорное кольцо расположено на внешней стороне рабочей стальной трубы. Спиральное опорное кольцо представляет собой упругий опорный элемент, выполненный из материала с фазовым переходом, эластомера и связующего компонента. С одной стороны, материал с фазовым переходом может накапливать и выделять тепло, вследствие чего улучшается эффект теплоизоляции теплоизолированного трубопровода; а с другой стороны, эластомер и связующий компонент могут улучшить поддержку спирального опорного кольца.
В соответствии с настоящим изобретением спиральное опорное кольцо расположено снаружи рабочей стальной трубы и соприкасается со стенкой рабочей стальной трубы, причем спиральное опорное кольцо выполнено из материала с фазовым переходом. Материал с фазовым переходом включает в себя:
20-30 массовых частей парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы выполнено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
50-100 массовых частей эластомера; и
50-100 массовых частей связующего компонента.
Парафиновые микрокапсулы с фазовым переходом обладают эффектом накопления тепла и выделения тепла. Согласно настоящему изобретению ядро капсулы выполнено из парафина, оболочка капсулы выполнена из полимера метилметакрилата и стирола, где молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1. Настоящее изобретение не накладывает особых ограничений на источник парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, так, парафиновые микрокапсулы с фазовым переходом могут быть получены в соответствии со способами, хорошо известными специалистам в данной области техники, или приобретены на рынке. В настоящем изобретении материал с фазовым переходом имеет хорошую теплостойкость и высокотемпературную теплоемкость фазового перехода около 100-300°С, так, материал с фазовым переходом может быть использован в геотермальной области или в процессах добычи нефти из подземных месторождений и т.п.
В материале с фазовым переходом, эластомер служит для увеличения эластичности спирального опорного кольца и защищает выступы теплоизолированного трубопровода от воздействия удара; а связующий компонент служит для увеличения сцепления между спиральным опорным кольцом и рабочей стальной трубой, чтобы материал с фазовым переходом выполнял свою функцию. Настоящее изобретение не накладывает особых ограничений на выбор эластомера и связующего компонента, применимых для сверхдлинного теплоизолированного трубопровода. Например, эластомер может быть выбран из ТПЭ, ТПУ и т.д. Связующий компонент может быть выбран из эпоксидной смолы, полиэфира и т.д.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, сверхдлинный теплоизолированный трубопровод дополнительно содержит слой неорганического теплоизоляционный материала, расположенный снаружи рабочей стальной трубы, причем слой неорганического теплоизоляционного материала входит в состав спирального опорного кольца. То есть слой неорганического теплоизоляционного материала непосредственно покрывает внешнюю стенку рабочей стальной трубы, а спиральное опорное кольцо расположено в слое неорганического теплоизоляционного материала.
Согласно настоящему изобретению слой неорганического теплоизоляционного материала может препятствовать потери тепла и улучшать теплоизоляцию теплоизолированного трубопровода.
В варианте осуществления настоящего изобретения слой неорганического теплоизоляционного материала включает в себя:
20-40 мас. ч. керамических нано-глиноземных микросфер;
10-20 мас. ч. полых стеклянных микросфер;
20-30 мас. ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы выполнено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
5-10 мас.ч. армированных волокон;
50-80 мас.ч. связующего компонента; а также
10-20 мас.ч. жидкого стекла.
Микросферы материала с фазовым переходом добавляют к слою неорганического теплоизоляционного материала с вышеуказанным составом, так слой неорганического теплоизоляционного материала обладает определенным эффектом поглощения тепла и накопления энергии с фазовым переходом, таким образом улучшая теплоизоляцию. Использование жидкого стекла и связующего компонента может повысить эффективность сцепления с рабочей стальной трубой, увеличивая тем самым срок службы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения связующий компонент в слое неорганического теплоизоляционного материала является таким же, как и связующий компонент в спиральном опорном кольце, что повышает совместимость материалов между слоем неорганического теплоизоляционного материала и спиральным опорным кольцом, а также увеличивает срок службы теплоизолированного трубопровода.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина слоя неорганического теплоизоляционного материала составляет 3-5 мм.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения теплоизолированный трубопровод дополнительно включает в себя множество газопоглотительных блоков, расположенных на слое неорганического теплоизоляционного материала. Блок газопоглотителя может поглощать газ в кольцевой вакуумной полости, так что кольцевая вакуумная полость сохраняет высокую степень вакуума и теплоизоляция улучшается.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения теплоизолированный трубопровод дополнительно включает в себя С-образные опорные элементы, намотанные с некоторым промежутком вокруг слоя неорганического теплоизоляционного материала, также С-образные опорные элементы служат для поддержки кожуха стальной трубы. В одном из вариантов, в качестве материала для С-образного опорного элемента выбирают нержавеющую сталь, углеродистую сталь или титановый сплав, что может быть так же использовано в качестве материала для рабочей стальной трубы или кожуха стальной трубы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения теплоизолированный трубопровод дополнительно содержит антикоррозионный слой, нанесенный на внешнюю стенку кожуха стальной трубы. Настоящее изобретение не накладывает особых ограничений на выбор антикоррозийного слоя, и антикоррозионный слой может быть образован путем нанесения силиконового масла, цинкового порошка, лимонной кислоты, эпоксидной смолы, оксида алюминия, диатомита и полиакриламида. Более конкретно, антикоррозионный слой содержит 50-60 мас. ч. силиконового масла, 20-30 мас. ч. порошка цинка, 1-3 мас. ч. лимонной кислоты, 5-8 мас. ч. эпоксидной смолы, 1-5 мас. ч. оксида алюминия, 1-5 мас. ч. диатомита и 5-10 мас. ч. полиакриламида. В одном варианте осуществления антикоррозионный слой содержит 55 мас. ч. силиконового масла, 25 мас. ч. порошка цинка, 2 мас. ч. лимонной кислоты, 7 мас. ч. эпоксидной смолы, 3 мас. ч. глинозема, 3 мас. ч. диатомита и 8 мас. ч. полиакриламида. В одном варианте осуществления толщина антикоррозионного слоя составляет 0,1-0,3 мм.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина кольцевой вакуумной полости сверхдлинного теплоизолированного трубопровода составляет 3-10 мм, предпочтительно 5-7 мм. В настоящем изобретении, в случае, когда сверхдлинный теплоизолированный трубопровод содержит слой неорганического теплоизоляционного материала, под толщиной кольцевой вакуумной полости понимается расстояние от слоя неорганического теплоизоляционного материала до кожуха стальной трубы; и, в случае, когда сверхдлинный теплоизолированный трубопровод не содержит слой неорганического теплоизоляционного материала, под толщиной кольцевой вакуумной полости понимается расстояние от рабочей стальной трубы до кожуха стальной трубы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения длина теплоизолированного трубопровода составляет 1000-8000 м, предпочтительно 3000-8000 м.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения в качестве материала для рабочей стальной трубы и кожуха стальной трубы сверхдлинного теплоизолированного трубопровода независимо друг от друга, выбираются нержавеющая сталь или углеродистая сталь.
Более конкретно, материалы для рабочей стальной трубы и кожуха стальной трубы могут быть выбраны из нержавеющей стали, состоящей из следующих компонентов:
0,019%-0,020% C, 0,49%-0,50% Si, 1,25%-1,26% Mn, 0,022% P, 0,00005% S, 5,16%-5,17% Ni, 22,46%-22,52% Cr, 0,163%-0,180% N, 0,003%-0,006% Cu, 3,07%-3,09% Mo и остальное – Fe. Нержавеющая сталь имеет следующие характеристики: предел прочности на растяжение – больше или равный 655 МПа, предел текучести – больше или равный 620 МПа, внутреннее давление – не более 89,3 МПа и разрушающее давление – не более 74,1 МПа.
Также, материалы рабочей стальной трубы и кожуха стальной трубы могут быть выбраны из углеродистой стали, состоящей из следующих компонентов:
0,11% C, 0,22%-0,24% Si, 1,44%-1,5% Mn, 0,008%-0,012% P, 0,001% S, 0,58%-0,59% Cr, 0,14% Ni, 0,24% Cu, 0,15%-0,16% Мо и остальное – Fe. Углеродистая сталь имеет следующие характеристики: предел прочности на растяжение – больше или равный 795 МПа, предел текучести – больше или равный 760 МПа, внутреннее давление – не более 103,4 МПа и разрушающее давление – не более 86,2 МПа.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения сверхдлинный теплоизолированный трубопровод дополнительно содержит слой алюминиевой фольги на основе из стекловолокна, расположенный между слоем неорганического теплоизоляционного материала и кожухом стальной трубы. Слой алюминиевой фольги на основе из стекловолокна может представлять собой алюминиевую ленту на основе из стекловолокна, которая, с одной стороны, может отражать тепло, а с другой стороны, фиксировать неорганические теплоизоляционные материалы, улучшая, таким образом, эффект теплоизоляции.
Настоящее изобретение также описывает технологию изготовления сверхдлинного теплоизолированного трубопровода, включающий следующие этапы:
а) скручивание и сварка стальной пластины, используемой для рабочей стальной трубы, в трубу, и выполнение термической обработки, в результате чего получают рабочую стальную трубу;
b) использование материала с фазовым переходом для спирального опорного кольца на наружной стенке рабочей стальной трубы, причем материал с фазовым переходом содержит:
20-30 мас. ч. Парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы выполнено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
50-100 мас. ч. эластомера; и
50-100 мас.ч. связующего компонента;
с) скручивание стальной пластины, используемой для кожуха стальных труб; в процессе скручивания рабочую стальную трубу со спиральным опорным кольцом на внешней стенке и слоем неорганического теплоизоляционного материала оборачивают внутренней стороной стальной пластины, сваривание и герметизация рабочей стальной трубы в кожух с кольцевой полостью и затем выполнение термической обработки кожуха;
d) размещение множества резиновых колец в монтажных отверстиях кожуха стальной трубы для герметизации, вакуумирование кольцевой полости, сварка и герметизация отверстий кожуха стальной трубы ; а также
е) термообработка сваренного и герметизированного трубопровода.
Согласно настоящему изобретению стальная пластина, используемая изготовления рабочей стальной трубы, сначала скручивается и сваривается в трубу, далее для получения рабочей стальной трубы выполняется термическая обработка, в частности, включающая следующие этапы:
Первоначальная очистка поверхности стальной пластины, используемой для рабочей стальной трубы, последовательно используя поверхностно-активное вещество, такое как додецилбензолсульфонат натрия, и чистую воду для последующей очистки поверхности в резервуаре для ультразвуковой очистки, сушка очищенной стальной пластины на воздухе, затем скручивание и сварка стальной пластины в трубу с помощью лазера, далее выполнение термической обработки на трубе. Предпочтительный процесс термообработки включает: нагревание трубы при 700-1070°С в течение 10-40 мин, затем охлаждение в восстановительной среде (предпочтительно в водороде) и прокаливание при температуре 550-720°С. В результате, рабочая стальная труба, прошедшая термическую обработку, подвергается калибровке и неразрушающему контролю.
После того как рабочая стальная труба изготовлена, материал с фазовым переходом переходит в спиральное опорное кольцо на наружной стенке рабочей стальной трубы, в частности, включая следующие этапы:
После изготовления рабочей стальной трубы, из материала с фазовым переходом изготавливают спиральное опорное кольцо на внешней стенке рабочей стальной трубы, в частности, включая следующие этапы:
Расплавляют 20-30 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 50-100 мас.ч. эластомера и 50-100 мас.ч. связующего компонента с последующим образованием спирального опорного кольца на наружной стенке рабочей стальной трубы и отверждение спирального опорного кольца.
Эластомер и связующий компонент смешивают и расплавляют, добавляют парафиновые микрокапсулы с фазовым переходом и равномерно перемешивают, затем на внешней стенке рабочей стальной трубы формируют спиральное опорное кольцо, и происходит отверждение. В другом варианте, парафиновые микрокапсулы с фазовым переходом полностью смешивают с расплавленным эластомером, и затем образуется спиральное кольцо эластомера, и затем спиральное кольцо из эластомера скрепляется с внешней стенкой рабочей стальной трубы через связующий компонент.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения парафиновые микрокапсулы с фазовым переходом получают согласно следующему способу, который включает: взаимодействие материала ядра капсулы и материала оболочки с водой, эмульгатором и окислительно-восстановительно инициирующей системой. Эмульгатор выбран из OP-10. В окислительно-восстановительно инициирующей системе в качестве окислителя выбирают перекись водорода, а в качестве восстановителя сульфит натрия.
Согласно настоящему изобретению стальной лист, используемый для кожуха стальной трубы, скручивают; в процессе скручивания рабочую стальную трубу со спиральным опорным кольцом на внешней стенке оборачивают внутренней стороной стальной пластины, далее стальную пластину сваривают путем лазерной сварки в кожух с кольцевым зазором и герметизируют, далее выполняют термообработку кожуха.
В частности, в соответствии с настоящим изобретением поверхность стальной пластины, используемой для стальной трубы с наружным рукавом, первоначально очищают; в частности, поверхностно-активным веществом, таким как додецилбензолсульфонат натрия, и чистой водой, для последующей очистки поверхности в резервуаре для ультразвуковой очистки, далее очищенную стальную пластину сушат на воздухе, а затем скручивают; в процессе скручивания рабочую стальную трубу со спиральным опорным кольцом на внешней стенке оборачивают внутренней стороной стальной пластины, далее стальную пластину сваривают путем лазерной сварки в кожух с кольцевым зазором и герметизируют, далее выполняют термообработку кожуха.
В частности, предпочтительный процесс термообработки включает в себя: нагрев трубы при 700-1070°С в течение 10-40 мин, затем охлаждение в восстановительной среде (предпочтительно в водороде) и прокаливание при 550-720°С. Наконец, стальная труба, прошедшая термическую обработку, подвергается калибровке и неразрушающему контролю.
Для герметизации кожуха стальной трубы в монтажных отверстиях кожуха размещают множество резиновых колец, вакуумируют кольцевой зазор с образованием кольцевой вакуумной полости, и, затем, отверстия кожуха стальной трубы заваривают и герметизируют, затем, сваренный и геометризованный трубопровод подвергается термической обработке. В частности, термическую обработку проводят при 100-300° С в течение 30-60 мин, а затем трубопровод охлаждают до комнатной температуры.
В завершении, внешнюю сторону кожуха стальной покрывают антикоррозийной жидкостью с последующим образованием антикоррозийного слоя.
Кроме того, когда сверхдлинный теплоизолированный трубопровод дополнительно включает в себя слой неорганического теплоизоляционного материала, снаружи рабочей стальной трубы, технология изготовления дополнительно включает следующие этапы b2):
b3): покрытие наружной стенки рабочей стальной трубы неорганическим теплоизоляционным материалом с образованием слоя неорганического теплоизоляционного материала после отверждения, причем неорганический теплоизоляционный материал содержит:
20-40 мас.ч. керамических нано-глиноземных микросфер;
10-20 мас.ч. полых стеклянных микросфер;
20-30 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы изготовлено из парафина, оболочка капсулы - из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
5-10 мас.ч. армированных волокон;
50-80 мас.ч. связующего компонента; а также
10-20 мас.ч. жидкого стекла.
Согласно настоящему изобретению первоначально равномерно перемешивают 20-40 мас.ч. керамических микросфер из наноглинозема, 10-20 мас.ч. полых стеклянных микросфер, 10-20 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 5-10 мас.ч. армированных волокон 50-80 мас.ч. связующего и 10-20 мас.ч. жидкого стекла, а затем покрывают наружную стенку рабочей стальной трубы, заполняя зазоры между спиральным опорными кольцами, в результате после отверждения на наружной стенке рабочей стальной трубы образуется слой неорганического теплоизоляционного материала.
Слой неорганического теплоизоляционного материала может полностью или частично покрывать спиральное опорное кольцо.
В сверхдлинном теплоизолированном трубопроводе, согласно настоящему изобретению, для тепловой изоляции рабочей стальной трубы используется вакуумная полость, а спиральное опорное кольцо расположено на внешней стороне рабочей стальной трубы. Спиральное опорное кольцо представляет собой упругий опорный элемент, выполненный из материала с фазовым переходом, эластомера и связующего компонента. С одной стороны, материал с фазовым переходом может накапливать и выделять тепло, вследствие чего улучшается эффект теплоизоляции теплоизолированного трубопровода; а с другой стороны, эластомер и связующий компонент могут улучшить поддержку спирального опорного кольца. Экспериментальные результаты показывают, что сверхдлинный теплоизолированный трубопровод, представленный настоящим изобретением, обладает хорошей теплоизоляцией и не имеет явной механической деформации в процессе использования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схему поперечного разреза сверхдлинного теплоизолированного трубопровода, представленного в 1 варианте осуществления настоящего изобретения; и
фиг. 2 представляет собой схему поперечного разреза сверхдлинного теплоизолированного трубопровода, предоставленного во 2 варианте осуществления настоящего изобретения.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно фиг. 1, на фиг. 1 представлена схема поперечного разреза сверхдлинного теплоизолированного трубопровода, в соответствии с 1 вариантом осуществления настоящего изобретения. Содержащий рабочую стальную труба 1, кожух стальной трубы 2, спиральное опорное кольцо 3, соприкасающееся со стенкой рабочей стальной трубы 1, и слой неорганического теплоизоляционного материала 4 входящий в состав спирального опорного кольца 3 и заполняющий пространство между кожухом стальной трубы 2 и рабочей стальной трубой 1.
Согласно фиг. 2, на фиг. 2 представлена схема поперечного разреза сверхдлинного теплоизолированного трубопровода, в соответствии со 2 вариантом осуществления настоящего изобретения. Содержащий рабочую стальную трубу 1, кожух стальной трубы 2, спиральное опорное кольцо 3, соприкасающееся со стенкой рабочей стальной трубы 1, слой неорганического теплоизоляционного материала 4, входящий в состав спирального кольца опорной рамы 3 и заполняющий пространство между кожухом стальной трубы 2 и рабочей стальной трубой 1, и слой из алюминиевой фольги на основе из стекловолокна 5, расположенный между слоем неорганического теплоизоляционного материала 4 и кожухом стальной трубы 2.
В следующих вариантах осуществления настоящего изобретения парафиновые микрокапсулы с фазовым переходом изготавливаются согласно следующему способу, который включает:
растворение эмульгатора в воде с образованием водной фазы, где эмульгатор получают путем смешивания Спан 80 (Span 80) и Твин 80 (Tween 80) в весовом соотношении 1: 2; растворение парафина и материала оболочки в масляной фазе; смешивание водной фазы с масляной фазой и сдвиг с высокой скоростью 6000 об / мин в течение 10 минут с образованием стабильной эмульсии; добавление перекиси водорода и бисульфита натрия и реакция при 25° С в течение 5 ч, в результате чего получают парафиновые микрокапсулы фазовым переходом.
1 вариант осуществления
Стальную пластину, используемую для рабочей стальной трубы, трижды поочередно очищают в резервуаре для ультразвуковой очистки додецилбензолсульфонатом натрия и чистой водой, сушат на воздухе, а затем единовременно скручивают и сваривают лазером в трубу с внутренним диаметром 31 мм; затем трубу нагревают при 700°С в течение 20 мин, охлаждают в атмосфере водорода и прокаливают при 550°С, в результате чего получают рабочую стальную трубу, причем рабочая стальная труба изготовлена из нержавеющей стали, со следующими основными компонентами: 0,019% C, 0,49% Si, 1,25% Mn, 0,022% P, 0,00005% S, 5,16% Ni, 22,46% Cr, 0,163% N, 0,003% Cu, 3,07% Мо, остальное – Fe.
Расплавляют 80 мас.ч. эластомера ТПУ, добавляют 20 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом и равномерно перемешивают, после чего образуется спиральное кольцо из эластомера, а затем, для образования спирального опорного кольца, кольцо из эластомера крепится к внешней стенке рабочей стальной трубы с помощью 100 мас. ч. полиэстера.
Стальную пластину, используемую для кожуха стальных труб, трижды поочередно очищают в резервуаре для ультразвуковой очистки додецилбензолсульфонатом натрия и чистой водой, сушат на воздухе, а затем скручивают, в процессе скручивания рабочую стальную трубу со спиральным опорным кольцом на внешней стенке оборачивают внутренней стороной стальной пластины; далее стальную пластину сваривают в кожух и герметизируют путем лазерной сварки, где кольцевой зазор между наружной стенкой рабочей стальной трубы и внутренней стенкой кожуха стальной трубы составляет 7 мм; и кожух, полученный сваркой, нагревают при 700°С в течение 20 мин, затем охлаждают в атмосфере водорода и прокаливают при 550°С.
Для герметизации кожуха стальной трубы в монтажных отверстиях кожуха размещают множество резиновых колец, вакуумируют кольцевой зазор с образованием кольцевой вакуумной полости, и, затем, отверстия кожуха стальной трубы заваривают и герметизируют.
Полученный кожух подвергают термообработке; в частности, термообработку проводят при температуре 100°С в течение 60 мин, затем охлаждают на воздухе до комнатной температуры и, затем, покрывают антикоррозийной жидкостью для образования антикоррозионного слоя толщиной 0,1 мм, в результате чего получают теплоизолированный трубопровод длиной 3000 метров. Антикоррозийная жидкость включает в себя 55 мас. ч. силиконового масла, 25 мас. ч. порошка цинка, 2 мас. ч. лимонной кислоты, 7 мас. ч. эпоксидной смолы, 3 мас. ч. глинозема, 3 мас. ч. диатомита и 8 мас.ч. полиакриламида.
Ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом изготавливают из парафина, а оболочку – из полимера метилметакрилата и стирола в молярном соотношении 3:1.
2 вариант осуществления
Стальную пластину, используемую для рабочей стальной трубы, трижды поочередно очищают в резервуаре для ультразвуковой очистки додецилбензолсульфонатом натрия и чистой водой, сушат на воздухе, а затем единовременно скручивают и сваривают лазером в трубу с внутренним диаметром 31 мм; затем трубу нагревают при 700°С в течение 20 мин, охлаждают в атмосфере водорода и прокаливают при 550°С, в результате чего получают рабочую стальную трубу, причем рабочая стальная труба изготовлена из нержавеющей стали, со следующими основными компонентами: 0,019% C, 0,49% Si, 1,25% Mn, 0,022% P, 0,00005% S, 5,16% Ni, 22,46% Cr, 0,163% N, 0,003% Cu, 3,07% Мо, и остальное – Fe.
Расплавляют 80 мас.ч. эластомера ТПУ, добавляют 20 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом и равномерно перемешивают, после чего образуется спиральное кольцо из эластомера, а затем, для образования спирального опорного кольца, кольцо из эластомера крепится к внешней стенке рабочей стальной трубы с помощью 100 мас. ч. полиэстера.
Внешнюю стенку рабочей стальной трубы покрывают неорганическим теплоизоляционным материалом, неорганический теплоизоляционный материал частично покрывает спиральное опорное кольцо, и после отверждения образуется слой неорганического теплоизоляционного материала, причем часть спирального опорного кольца покрыта слоем неорганического теплоизоляционного материала, а часть остается не покрытой, причем слой неорганического теплоизоляционного материала содержит 20 мас.ч. керамических микросфер из нанооксида алюминия с диаметром частиц 100-200 нм, 10 мас.ч. полых стеклянных микросфер с диаметром частиц 100-200 нм, 15 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 8 мас.ч. армированных волокон, 80 мас.ч. связующего полиэстера и 15 мас.ч. жидкого стекла.
Стальную пластину, используемую для кожуха стальных труб, трижды поочередно очищают в резервуаре для ультразвуковой очистки додецилбензолсульфонатом натрия и чистой водой, сушат на воздухе, а затем скручивают, в процессе скручивания рабочую стальную трубу со спиральным опорным кольцом на внешней стенке и слоем неорганического теплоизоляционного материала оборачивают внутренней стороной стальной пластины; далее стальную пластину сваривают в кожух и герметизируют с помощью лазерной сварки, где кольцевой зазор между слоем неорганического теплоизоляционного материала и внутренней стенкой кожуха стальной трубы составляет 7 мм; и кожух, полученный путем сварки, нагревают при 700°С в течение 20 мин, затем охлаждают в атмосфере водорода и прокаливают при 550°С.
Для герметизации кожуха стальной трубы в монтажных отверстиях кожуха размещают множество резиновых колец, вакуумируют кольцевой зазор с образованием кольцевой вакуумной полости, и, затем, отверстия кожуха стальной трубы заваривают и герметизируют.
Полученный кожух подвергают термообработке; в частности, термообработку проводят при температуре 100°С в течение 60 мин, затем охлаждают на воздухе до комнатной температуры и, покрывают антикоррозийной жидкостью для образования антикоррозионного слоя толщиной 0,1 мм, в результате чего получают теплоизолированный трубопровод длиной 3000 метров. Антикоррозийная жидкость включает в себя 55 мас. с. силиконового масла, 25 мас. ч. порошка цинка, 2 мас. ч. лимонной кислоты, 7 мас. ч. эпоксидной смолы, 3 мас. ч. глинозема, 3 мас. ч. диатомита и 8 мас.ч. полиакриламида.
Ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом изготавливают из парафина, а оболочку из полимера метилметакрилата и стирола в молярном соотношении 3:1.
3 вариант осуществления
Данный вариант осуществления отличается от 1 варианта осуществления тем, что изготовлен теплоизолированный трубопровод длиной 5000 метров, и спиральное опорное кольцо в основном содержит 30 мас. ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 80 мас. ч. эластомера ТПУ и 80 мас.ч. связующего полиэстера.
Ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом изготовлено из парафина, а оболочка изготовлена из полимера метилметакрилата и стирола, в молярном соотношении 5:1.
4 вариант осуществления
Данный вариант осуществления отличается от 3 варианта осуществления тем, что внешняя стенка рабочей стальной трубы дополнительно покрыта неорганическим теплоизоляционным материалом, неорганический теплоизоляционный материал частично покрывает спиральное опорное кольцо, также слой неорганического теплоизоляционного материала образуется после отверждения, причем часть спирального опорного кольца покрыта слоем неорганического теплоизоляционного материала, а часть остается не покрытой, причем слой неорганического теплоизоляционного материала содержит 25 мас.ч. керамических нано-глиноземных микросфер с диаметром частиц 200-400 нм, 15 мас.ч. полых стеклянных микросфер с диаметром частиц 100-200 нм, 10 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 8 мас.ч. армированных волокон 60 мас.ч. связующего полиэстера и 15 мас.ч. жидкого стекла.
5 вариант осуществления
Данный вариант осуществления отличается от 1 варианта осуществления тем, что представлен теплоизолированный трубопровод длиной 5000 метров, и спиральное опорное кольцо в основном содержит 25 мас. ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 100 мас. ч. эластомера ТПУ и 80 мас.ч. связующего полиэстера.
Ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом изготовлено из парафина, а оболочка изготовлена из полимера метилметакрилата и стирола, в молярном соотношении 4: 1.
6 вариант осуществления
Данный вариант осуществления отличается от 3 варианта осуществления тем, что внешняя стенка рабочей стальной трубы дополнительно покрыта неорганическим теплоизоляционным материалом, неорганический теплоизоляционный материал частично покрывает спиральное опорное кольцо, также слой неорганического теплоизоляционного материала образуется после отверждения, причем часть спирального опорного кольца покрыта слоем неорганического теплоизоляционного материала, а часть остается не покрытой, причем слой неорганического теплоизоляционного материала содержит 35 мас.ч. керамических нано-глиноземных микросфер с диаметром частиц 200-400 нм, 20 мас.ч. полых стеклянных микросфер с диаметром частиц 100-200 нм, 10 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 8 мас.ч. армированных волокон 60 мас.ч. связующего полиэстера и 12 мас.ч. жидкого стекла.
Сравнительный Пример 1
Теплоизолированный трубопровод длиной 8000 метров изготовлен в соответствии со способом, раскрытым в 4 варианте осуществления CN109578752A.
Сравнительный Пример 2
Теплоизолированный трубопровод длиной 8000 метров изготовлен в соответствии со способом, представленным в 5 варианта осуществления. С той разницей что, спиральное опорное кольцо в основном содержит 125 мас. ч. эластомера ТПУ и 80 мас. ч. связующего полиэфира.
Сравнительный Пример 3
Теплоизолированный трубопровод длиной 8000 метров изготовлен в соответствии со способом, представленным в 5 варианте осуществления. С той разницей что, спиральное опорное кольцо в основном содержит 25 мас. ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 100 мас. ч. эластомера ТПУ и 80 мас. ч. связующего полиэстера.
Ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом изготовлено из парафина, а оболочка изготовлена из полиметилметакрилата.
Сравнительный Пример 4
Теплоизолированный трубопровод длиной 8000 метров изготовлен в соответствии со способом, представленным в 5 варианте осуществления. С той разницей что, спиральное опорное кольцо в основном содержит 25 мас. ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, 100 мас. ч. эластомера ТПУ и 80 мас. ч. связующего полиэстера.
Ядро капсулы парафиновых микрокапсул с фазовым переходом изготовлено из парафина, а оболочка изготовлена из полистирола.
Теплоизолированные трубопроводы, представленные в вариантах осуществления 1-5 и сравнительных примерах 1-4, соответственно применялись для моделирования подземных рабочих сред, с целью использования источников тепла.
Значения температуры экстрагированной воды соответственно составляла 250°С, 200°С и 150°С. Теплоизолированные трубопроводы, в соответствии с вариантами осуществления 1-2, применялись для извлечения воды 150°С. Внешняя среда трубопроводов моделировала температуру подземной поверхности на глубине 3000 метров до поверхности земли (трубопроводы устанавливается на глубину до 3000 метров для извлечения воды 150°C). Трубопроводы подвергали ступенчатому нагреву до тех пор, пока верхние части трубопроводов не достигли комнатной температуры. Аналогично, теплоизолированные трубопроводы, в соответствии с вариантами осуществления 3-4, использовались для извлечения воды 200°C, а теплоизолированные трубопроводы, в соответствии с вариантами осуществления 5-6 и сравнительными примерами 1-4, использовались для извлечения воды 250°C, при этом скорость потока составляла 1,72 м3/час. моделирование проводилось непрерывно пять раз. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты испытаний температуры воды, извлеченной из теплоизолированного трубопровода, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, и сравнительными примерами
| 1 вариант осуществления | 2 вариант осуществления | 3 вариант осуществления | 4 вариант осуществления | 5 вариант осуществления | 6 вариант осуществления | Сравнительный Пример 1 | Сравнительный Пример 2 | Сравнительный Пример 3 | Сравнительный Пример 4 | |
| Температура (°С) воды, извлекаемой в первый раз | 144 | 146 | 195 | 197 | 243 | 247 | 198 | 201 | 218 | 215 |
| Температура (°С) воды, извлекаемой во второй раз | 146 | 148 | 197 | 198 | 245 | 248 | 202 | 206 | 223 | 221 |
| Температура (°С) воды, извлекаемой в третий раз | 147 | 148 | 197 | 198 | 246 | 248 | 208 | 211 | 232 | 225 |
| Температура (°С) воды, извлекаемой в четвертый раз | 147 | 148 | 198 | 198 | 248 | 249 | 215 | 218 | 237 | 231 |
| Температура (°С) воды, извлекаемой в пятый раз | 149 | 150 | 199 | 200 | 249 | 249 | 218 | 221 | 241 | 236 |
Как видно из таблицы 1, теплоизоляция теплоизолированного трубопровода, в соответствии с настоящим изобретением, лучше.
Также после пятикратного моделирования теплоизолированный трубопровод был испытан, и в рабочей стальной трубе и в кожухе стальной трубы не было обнаружено явных механических деформаций.
Вышеприведенные описания представляют собой только предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что для специалиста в данной области техники могут быть дополнительно внесены различные усовершенствования и модификации без отступления от принципа настоящего изобретения. Эти усовершенствования и модификации также должны рассматриваться как находящиеся в пределах объема защиты настоящего изобретения.
1. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод, содержащий рабочую стальную трубу и кожух стальной трубы, покрывающий рабочую стальную трубу, где между рабочей стальной трубой и кожухом стальной трубы образована кольцевая вакуумная полость; два конца кожуха стальной трубы затянуты; и для обеспечения герметичности между кожухом и наружной стенкой рабочей стальной трубы затянутые части кожуха стальной трубы уплотнены посредством множества уплотнительных колец, также сверхдлинный теплоизолированный трубопровод дополнительно включает в себя:
спиральное опорное кольцо, которое расположено снаружи рабочей стальной трубы и соприкасается со стенкой рабочей стальной трубы, спиральное опорное кольцо выполнено из материала с фазовым переходом, причем материал с фазовым переходом содержит:
20-30 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы изготовлено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
50-100 массовых частей эластомера; и
50-100 массовых частей связующего компонента.
2. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит слой неорганического теплоизоляционного материала, расположенный снаружи рабочей стальной трубы, где слой неорганического теплоизоляционного материала входит в состав спирального опорного кольца.
3. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по п.2, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество газопоглотительных блоков, расположенных на слое неорганического теплоизоляционного материала.
4. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по п.3, отличающийся тем, что дополнительно содержит С-образные опорные элементы, намотанные вокруг слоя неорганического теплоизоляционного материала с интервалами.
5. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дополнительно содержит антикоррозионный слой, нанесенный на внешнюю стенку кожуха стальной трубы.
6. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что слой неорганического теплоизоляционного материала содержит:
20-40 мас.ч. керамических нано-глиноземных микросфер;
10-20 мас.ч. полых стеклянных микросфер;
20-30 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы изготовлено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
5-10 мас.ч. армированных волокон;
50-80 мас.ч. связующего компонента; а также
10-20 мас.ч. жидкого стекла.
7. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что толщина кольцевой вакуумной полости составляет 3-10 мм; а длина теплоизолированного трубопровода составляет 1000-8000 м.
8. Сверхдлинный теплоизолированный трубопровод по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что дополнительно содержит слой алюминиевой фольги на основе из стекловолокна, расположенный между слоем неорганического теплоизоляционного материала и кожухом стальной трубы.
9. Способ изготовления сверхдлинного теплоизолированного трубопровода, включающий следующие этапы:
а) скручивание и сварка стальной пластины, используемой для рабочей стальной трубы, в трубу, и выполнение термической обработки, в результате чего получают рабочую стальную трубу;
b) использование материала с фазовым переходом для спирального опорного кольца на наружной стенке рабочей стальной трубы, причем материал с фазовым переходом содержит:
20-30 мас. ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы выполнено из парафина, оболочка капсулы – из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
50-100 мас. ч. эластомера; и
50-100 мас.ч. связующего компонента;
с) скручивание стальной пластины, используемой для кожуха стальных труб; в процессе скручивания рабочую стальную трубу со спиральным опорным кольцом на внешней стенке оборачивают внутренней стороной стальной пластины, сваривание и герметизация рабочей стальной трубы в кожух с кольцевой полостью и затем выполнение термической обработки кожуха;
d) размещение множества резиновых колец в монтажных отверстиях кожуха стальной трубы для герметизации, вакуумирование кольцевой полости, сварка и герметизация отверстий кожуха стальной трубы; а также
е) термообработка сваренного и герметизированного трубопровода.
10. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что после этапа b) способ дополнительно содержит:
b3) покрытие наружной стенки рабочей стальной трубы неорганическим теплоизоляционным материалом с образованием слоя неорганического теплоизоляционного материала после отверждения, причем неорганический теплоизоляционный материал содержит:
20-40 мас.ч. керамических нано-глиноземных микросфер;
10-20 мас.ч. полых стеклянных микросфер;
20-30 мас.ч. парафиновых микрокапсул с фазовым переходом, где ядро капсулы изготовлено из парафина, оболочка капсулы - из полимера метилметакрилата и стирола, а молярное отношение метилметакрилата к стиролу составляет (3-5):1;
5-10 мас.ч. армированных волокон;
50-80 мас.ч. связующего компонента; а также
10-20 мас.ч. жидкого стекла.
