CN1078943C - 柔性连接件 - Google Patents

Abstract

一个柔性连接件(2)包括：一个第一刚性管壁段(4)，一个第二刚性管壁段(14)，一个柔性管壁段(12)，跨在第一和第二刚性管壁段(4，14)之间，此三段管壁构成了一条通过连接件的纵向通道，并沿通道的长度方向分布，一个套管(22)，一端固定在第一刚性管壁段(4)上，延长穿过通道以便与第二刚性管壁段(14)搭接，套管(22)与柔性管壁段(12)隔离开，可以相对于第二刚性管壁段(14)自由移动。一方面，一层隔热材料(24)配置在套管(22)的一个表面上，同时在套管(22)与柔性管壁段(12)之间留下空隙，以便在使用时可以大体上被工作流体占据。第二方面，套管(22)与第二刚性管壁段(14)搭接部分的长度，至少要5倍于从套管(22)到第二刚性管壁段(14)之间、垂直于套管(22)测量的距离。

Description

柔性连接件

本发明涉及一种柔性连接件，用于流体流过的管道和容器中。特别是，本发明涉及一种柔性连接件，在侵蚀条件—如高温一下使用并用来处理腐蚀性或磨蚀性流体。

在化工厂的设计和建筑中经常要在管道和容器中采用柔性连接件。在许多情况下，普通的容器和管道建筑相对于主要过程的工作条件来说刚度太大，使用这样一个刚性建筑会导致不能接受的迅速磨损和加工设备的毁坏。因此，要求有一个柔性连接件，可以接在容器或管道的壁内，此柔性连接件有必要的柔性度，又有承受加工工作条件所需要的完整性。柔性连接件的设计已实现许多年。参见由R.H.Perry和C.H.Chilton编著的化学工程师手册第五版第6-48页关于用于管道的柔性连接件的一般讨论。用于容器、管道或类似物的典型柔性连接件包括第一和第二刚性管壁段，借助一段柔性管壁连接起来。这三部分管壁构成一条工作流体可以流过的纵向通道并沿通道长度方向分布。该段柔性管壁典型的形式是一个波浪形管壁，在本技术领域经常被称为“波纹管”。

最近，随着化学加工的发展，已经发现需要提供能够承受更苛刻条件的柔性连接件，比如：暴露于高温流体、腐蚀性流体和磨蚀性流体中。在流体烃类催化裂化中可以见到这种特别苛刻的工作条件的例子，在这个工作过程中，要求在高温下存贮和输送含有烃类蒸气的流体并夹带催化剂颗粒。典型的工艺过程工作温度是这样：反应阶段为550℃左右，还原阶段为750℃左右。容易断定，这样高的工作温度加上磨蚀性因素，如裂化催化剂，使柔性连接件的柔性部分所处的很严重的侵蚀环境更加严重。为防止连接件的柔性部分过早损坏，已发现有必要用合适的耐腐材料来构筑连接件，如使用合金钢，并且避免让柔性部分直接暴露在工作流体中。

欧洲专利No.445352揭示的柔性连接件包括：一个第一刚性管壁段，一个第二刚性管壁段，一个其端部焊在刚性管壁段上的柔性管壁段，这三部分管壁构成一条穿过连接件的纵向通道，该连接件还包括一个套管部件，此部件包括一个套管，其一端固定在第一刚性管壁段上，另一端延伸进第二刚性管壁段内，其中套管的外径小于柔性管壁段的内径，也小于第二刚性管壁段的内径。

已知的柔性连接件还包括：一个罩子，内装隔热材料，安装在套管的外表面上；一个密封件，安装在套管的自由端与第二刚性管壁段之间。在一个变形例中，第一刚性管壁段的一部分面向通道，套管的内侧和第二刚性管壁段的内侧上设有一层耐腐材料。

置于套管自由端和第二刚性管壁段的密封件用于夹持隔热材料和限制工作流体和残渣侵入腔内。这一设计改善了连接件的柔性部分的保温性能。但是结构太复杂，维护更困难。还有，已经发现，由锈蚀、脆化和/或套管与第二刚性管壁段之间相对移动引起的密封件的损伤，导致了密封件的彻底毁坏。从密封件上掉下来的残渣随后被工作流体带往工厂的其它部分，造成工厂设备的堵塞和毁坏。

当密封件损伤后，热的工作流体就能进入套管部件与柔性管壁段之间的环形空隙里。工作流体将形成一个滞流层，附加在隔热层上。不过，在环形区域的入口处，流体流将变成紊流，这样，高温工作流体就与第二刚性管壁段直接接触。这一接触将使第二管壁段温度上升。尽管这并不影响第二管壁段本身，但它确实会影响柔性管壁段与第二刚性管壁段之间的焊缝。

因此，需要这样一个柔性连接件，结构简单，且易于维护，而同时又为连接件的柔性部分提供必要的保护，以抵御要输送的工作流体的高温。特别是，要求有一个柔性连接件，使得能够控制柔性管壁段隔热的准确的程度。在象上面所述的流体催化裂化工艺流程一类的应用中，这一点很重要，其中，柔性管壁段的温度必须保持明显低于工作流体的温度，同时又要高于要输送的烃类蒸气的露点。绝缘水平太高，会导致柔性管壁段的温度低于工作流体的露点，从而在柔性连接件内出现冷凝。这会接着导致柔性管壁段的锈蚀和过早损毁。

另外，还应该避免柔性管壁段和第二端部间的焊缝的损毁。

为此，根据本发明设计的柔性连接件包括：一个第一刚性管壁段，一个第二刚性管壁段，和一个其端部焊接在刚性管壁段上的柔性管壁段，这三段管壁构成一条穿过连接件的纵向通道并沿通道的长度方向分布，该柔性连接件还包括一个套管部件，该部件包括一个套管，其一端固定在第一刚性管壁段上，另一端延伸进第二刚性管壁段内，其中第一刚性管壁段的一部分面向通道，在套管的内侧和第二刚性管壁段的内侧上设有一层耐腐蚀材料，套管部件的外径小于柔性管壁段的内径，并小于第二管壁段上的耐腐材料层的内径，第二刚性管壁段上还设有一层隔热材料，嵌在第二管壁段和耐腐材料层之间。

申请人已发现：隔热材料的使用降低了正常运行中的第二刚性管壁段的温度，这就避免了焊缝的损坏，从而使柔性连接件的服务寿命加长。

柔性连接件能够与容器壁，或更典型的是与管道或管线结合在一起。在横截面中，柔性连接件的管壁部分可以具有任何合适的形状，以便与它将装在其中的容器或管道的截面匹配。最典型的是，刚性管壁段的横截面将呈圆柱形。制成刚性管壁段的典型材料与相邻装置的材料相同。典型材料包括低碳钢、不锈钢和其它合金钢，这要依据主要的工艺过程条件和要输送的流体进行选择。

柔性管壁段安装在第一和第二刚性管壁段之间，旨在容纳两段刚性管壁之间的相对移动。这种移动典型地是，比如说，由产生于加工设备中的振动、压力差和温度差引起的。柔性管壁段可以具有任何合适的外形。最典型的是，柔性管壁段的纵剖面呈波浪形，更常见的是被称为“可伸缩件”或“波纹管”的那种。波浪纹的尺寸和外形要根据所要求的柔软程度和位移选定。柔性管壁段的选择和设计技术在本技术领域众所周知。制造柔性管壁段的材料可以是任何合适的材料，包括前面提到的与构成刚性管壁段有关的那些。柔性管壁段一般较薄，对更高度的强锈蚀和脆化很敏感。因此，需要选择更耐腐的从而也就更贵的材料用于柔性管壁段。但本发明的优势在于可以采用更常用的材料，例如，铬镍铁合金和耐热镍铬铁合金。

在柔性连接件内套管沿通道延伸。在其一端，套管被固定在第一刚性管壁段上，可以采用任何固定方法，熔焊是把套管固定到第一刚性管壁段上的最合适的方法。套管在通道内延伸以便与第二刚性管壁段搭接。套管与柔性管壁段间隔开。套管剩下的一端没有固定，因此允许套管相对于第二刚性管壁段移动。典型地，套管与第二刚性管壁段交错的那一段将与第二刚性管壁段隔开。

在一个优选配置中，套管从第一刚性管壁段中延伸，提供一段连续的管壁表面，对通过柔性连接件的流体流产生很小或不产生阻碍。也就是说，套管与第一和第二刚性管壁段的每一个的一部分结合，以便为通过连接件的流体流形成了一条侧面大体平滑的通道。从套管到柔性管壁段之间所需要的间隔这样调节：让柔性管壁段构成的通道的宽度大于柔性连接件的名义宽度，即大于由套管部件与第一和第二刚性管壁段中的每一个的一部分构成的侧面平滑的通道的宽度。有一配置稍差的备选方案，包括一个套管部件，延伸进入通道，从而沿连接件在流体流道上形成缩颈。

套管可以由任何合适的、能够满足工艺流程工作条件所要求的耐腐性的材料制成。典型地，套管材料将与第一和第二刚性管壁段的材料相同。

意图是：在工作过程中，允许工作流体占据套管部件与柔性管壁段间的环形空隙。工作流体可以进入套管部件自由端与第二刚性管壁段间的空隙。在环形空隙里的工作流体相对静止，成为柔性管壁段的隔热介质。为让环形空隙里的工作流体保持静止，最好在安装和运行时，让第一刚性管壁段处于柔性连接件的上游端。

套管表面设有隔热材料。该隔热材料可以贴在套管的表面上，直接与要输送的流体接触。最好是把隔热材料贴到朝着柔性管壁段的那个套管表面上。如果需要，两个表面上都可以加隔热材料。隔热材料可以由一层材料构成，或者也可以由多层材料组成。如果采用多层，各层可以用相同材料，也可以用不同材料。隔热层的数量和位置以及隔热材料的类型，将根据柔性连接部件经受的工艺流程的工作条件、构成柔性管壁段的材料以及要处理的流体的性质进行选择。要求隔热材料在高工作温度下具有低导热性，从而保证以较薄的材料层提供所需要的隔热水平。该材料所含灰分、硫和氯化物的成分最好尽可能的低。该材料应当适于在主要的工艺流程条件下使用，比如在高温条件下。隔热材料最好是纤维陶瓷材料。合适的陶瓷材料有二氧化硅、铝氧土、锆土、镁砂、氧化钙及其混合物等纤维材料。合适的材料是市场上买得到的，例如商品名为“Saffil”和“Zircar”的材料。作为隔热材料稍差一点的替代材料有石墨和煤粉纸。这样的材料市场上也买得到。

在本发明的优选实施例中，套管上的隔热材料层被一个保护套管包起来。保护套管最好把隔热材料大体上全部包起来，这样，套管和隔热材料就形成了夹心结构。在另一个实施例中，保护套管并不固定在隔热材料层上，因此允许套管相对于隔热材料移动。这样便于各个零件间相对移动，比如由不同的热膨胀作用引起的移动。

柔性连接件上设有一层耐腐材料，其形式是：耐蚀氧化物覆盖在套管的表面上，此表面在连接件工作时贴着工作流体。合适的耐腐材料市场上有，本技术领域也很熟知。合适的材料包括二氧化硅、铝氧土、二氧化钛、锆土、氧化钙、镁砂及其混合物。有一种合适的材料由矾土和二氧化硅的混合物构成，市场上的商品名叫做“CURAS90PF”。耐腐氧化物典型的是以烧结形式，或者是瓦片或瓷砖的形式使用。耐腐氧化物层与隔热层相比，相对较厚。耐腐氧化物疏松多孔，允许有一些工作流体渗到基面。使用耐腐氧化物的主要目的是保护基面免遭磨蚀与腐蚀。如果需要的话，可以在覆盖于套管表面上的隔热层上铺一层耐腐氧化物。

附在第二刚性管壁段表面的隔热材料层，至少应当遮盖住第二刚性管壁段上面与套管搭接的那部分表面。更好的是，让隔热层延伸，遮过第二刚性管壁段上的更多的表面。上面讨论的用作套管上隔热材料层的任何一种材料这里都可以使用。还有，可以用一层，也可以用多层，各层可以用相同材料，也可以用不同材料。与前面讨论的关于用在套管表面上的耐腐氧化物一样，隔热材料层被一层耐腐氧化物覆盖。

如上所述，套管部件与柔性管壁段被隔开，形成一个环形空隙，在运行中工作流体可以流进去。环形空隙中的工作流体形成一湾相对静止的流体，这部分流体进一步为柔性管壁段隔热。为使这湾流体作为隔热体发挥适当作用，重要的是要保持它相对静止。已经发现：套管的自由端及其与第二刚性管壁段的关系这一设计，在环形空隙里的工作流体的隔热性能方面发挥了重要作用，特别是加长部分，靠这部分套管部件与第二刚性管壁段交错搭接。

套管部件与第二刚性管壁段搭接部分的长度，至少要五倍于从套管部件到第二刚性管壁段之间的距离--垂直于套管部件测量。

套管部件与第二刚性管壁段搭接部分的长度，无论如何最好至少要100mm，更好的是至少200mm。

很容易理解，套管部件的自由端到第二刚性管壁段间的间隙必须足够大，以便在连接件工作时，能够容纳两个零件之间的任何相对移动。在一个优选实施例中，套管部件与第一和第二刚性管壁段的一部分结合，为通过连接件的流体流形成一个侧面大体平滑的通道。在这种情况下，最好是：套管的自由端到第二刚性管壁段之间的距离，沿与套管的纵轴平行的线测量，无论如何至少要10mm，更好的是25mm。

本发明所述的柔性连接件可以用在任何需要柔性连接的地方。

如上所述，这一连接件特别适合用于在侵蚀条件下输送流体，也就是说，用于输送具有腐蚀性的流体和/或处于高温下的流体。耐腐氧化物材料的使用为连接件提供了高水平的耐受磨蚀性和腐蚀性流体的能力。该连接件可以用于各种形式的化工厂和精炼厂。如上所述，此连接件在使固体介质流体化的工艺过程中有特别的用途，比如烃类的流体催化裂化以及类似过程。其它特殊应用包括输送非常高温的气体，比如输送热的烟道气。

下面将通过例子并结合附图，对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明第一方案的第一实施例的柔性连接件的对半剖面示意图。

图2是根据本发明第一方案的第二实施例的柔性连接件的套管的局部示图。

图3是根据本发明第一方案内容的第三实施例的柔性连接件的套管的局部示图；

图4是根据本发明第二方案的柔性连接件的局部示图。

如图1所示，是一个总体上呈圆柱形的柔性连接件，用在工艺流程管线里，整体标为2，包括：第一刚性管壁段4，其圆柱形外端段6较细，圆柱形内端段10较粗，两段由截头锥形的中段管壁8连在一起。

一个总体呈圆柱形的柔性管壁段12，从第一刚性管壁段4的内端延伸到第二刚性管壁段14，这一部分有着与第一刚性管壁段4相似的内端、中部和外端管壁段(分别为16，18，20)，但方向相反。柔性管壁段的两端焊在刚性管壁段上。第一、柔性和第二管壁段4、12、14关于一条中心纵轴对称布置，它们形成一条通道P。

本技术领域中通常使用的柔性管壁段12，其截面形状呈波浪形，经常被称为“波纹管”。

包括一个套管22的圆柱形套管部件21，同轴地安装在管壁段4、12、14内，其一端通过焊接(未标)固定在第一刚性管壁段4上，焊在外端段6与中段8相接区域上。套管22延伸跨过柔性管壁段12，与第二刚性管壁段的内端段搭接。

耐腐材料层26贴在套管22的内表面以及第一刚性管壁段上朝向通道P的一部分内表面上。另外，还有一个耐腐材料层28被贴在第二刚性管壁段20的内侧。

套管部件的外径小于柔性管壁段12的最小内径，并小于第二刚性管壁段20上的耐腐材料层30的内径。

另外，隔热材料层30插在第二管壁段20的内表面和耐腐材料层28之间。

要说明的是，为了简明起见，这里删去了柔性连接件上的常用配件，诸如膨胀限制棒、泄漏检测系统、风雨遮挡板和气体净化连接机构等。

在实际使用中，图1中的柔性连接件2配置成这样：工作流体沿从第一刚性管壁段4到第二刚性管壁段14的方向流动，如箭头A所示。工作流体通过套管12与第二刚性管壁段14的内端段16之间的环状空隙进入套管22与柔性管壁段12之间留下的空隙，从而形成一个隔热层。

隔热作用是由套管部件21和柔性管壁部件12之间的环状空隙里的工作流体滞流层产生的。套管部件21与第二刚性管壁段14的内端管壁段16之间的环状空隙里的流体，与通道P里的工作流体连续不断地混合。因此，如果没有隔热材料层30，内端管壁段16的温度将会上升到这样的水平，即：使柔性管壁部件12与第二刚性管壁段14连接的焊缝受到影响。

参见图2，这是套管部件21与布置在其上的隔热材料的放大图，展示的是与第一刚性管壁段4毗连的部分。在图2的实施例中，套管部件2包括一层隔热材料32，贴在套管22的内表面上。耐腐氧化物层26在隔热材料层32上面延伸。

如图3所示，这是一个与图2相似的另一可选方案的示意图，一个特别优选的实施例，套管部件21包括一层隔热材料36，贴在套管22的外表面。一个圆柱形保护套管38包在隔热材料层36上。耐腐氧化物层26贴在套管22的内表面上。隔热材料层36和保护套管38的延伸最好尽可能地靠近第一刚性管壁段4，而同时仍保留足够的空间以容纳各部件之间的任何相对移动。在这种情况下将需要留有空间，例如，保护套管38不是刚性地固定在隔热材料层36上时。

典型地，对于如图1到3所示的、应用于上述流体催化裂化加工管线中的实施例，其套管的厚度在10mm左右。一层隔热材料层，或多层-如果采用的话，其总的厚度大约在3--10mm的范围内。耐腐氧化物层的厚度在25mm左右。保护层--如果有的话—的厚度大约在3--6mm的范围内。这将很容易理解，各个零部件的厚度要由上述的实际应用决定。

图4展示了本发明所述的柔性连接件的详细结构(非比例图)。在图4中，与上述图1中一致的零件被标以相同号码，并且为清楚起见，第二刚性管壁段上的隔热材料没有标出。这样，在图4中，套管部件21延长，以便与第二刚性管壁段14的内端段16搭接。图4中的距离d是套管部件21的外表面与配置了耐腐材料层28的内端段16的内表面之间的距离，在垂直于套管22的纵轴方向测量。套管部件21搭接在第二刚性管壁段14内的部分，在图4中以l表示，其长度至少要5倍于距离d。l最好至少为200mm。从套管部件21的端部到第二刚性管壁段14的距离a，沿一条平行于套管22纵轴的线测量，至少要25mm。

本发明将通过下面说明性的例子作进一步描述。

例子

本发明的柔性连接件的柔性管壁段的工作温度可以计算。一个柔性连接件具有图1所示的通用结构，但在图3中采用了隔热材料层、保护套管和耐腐氧化物层等配置。设想连接件被装在普通的流体催化裂化厂的还原器的催化剂管(Catalyst stand-pipe)上。设定要输送的工作流体包括烃类气体以及夹带的催化剂。作为最坏的情形，假定套管和柔性管壁段之间的空隙充满了气体，其中没有催化剂。如图4所示，根据本发明第二方面内容的要求，设定柔性连接件在套管的自由端有一个几何结构。连接件的详细结构、工作温度以及连接件的柔性管壁段的最后温度等，在下表中列明。

为了比较，对结构一致但舍去了隔离材料的柔性连接件进行了类似计算。该例子的详细内容和结果也列在表中。

                                    表

	示例	比较例
			套管厚度(mm)	3	10
陶瓷纤维隔热层36的厚度(mm)	3	无
			保护套管的厚度(mm)	3	无
风雨罩	有	有
			最高加工温度(℃)	750	750
柔性管壁段的最高温度(℃)	324	497

由表中的数据可以清楚地看到，根据本发明设计的柔性连接件，将使连接件的柔性管壁段经受的温度大大降低。这将使连接件的寿命加长，并且可以采用更加通用的、从而也更经济的结构材料。

Claims (13)

1.一种柔性连接件，包括：一个第一刚性管壁段，一个第二刚性管壁段，和一个其端部焊接在刚性管壁段上的柔性管壁段，这三段管壁构成一个穿过连接件的纵向通道，并沿通道的长度方向分布，此柔性连接件还包括一个套管部件，此部件包括一个套管，该套管的一端固定在第一刚性管壁段上，另一端延伸进第二刚性管壁内，其特征在于：第一刚性管壁段的一部分面向通道，套管的内侧和第二刚性管壁段的内侧上设有一层耐腐蚀材料，其中套管部件的外径小于柔性管壁段的内径，并小于第二管壁段上的耐腐材料层的内径，并且其中第二刚性管壁段上还设有隔热材料层，插在第二管壁段与耐腐材料层之间。

2.如权利要求1所述的柔性连接件，其特征在于：套管部件与第一和第二刚性管壁段的一部分为通过连接件的流体流提供了一条侧面基本平滑的通道。

3.如权利要求1所述的柔性连接件，其特征在于：该套管部件包括一层隔热材料，夹在套管与耐腐材料层之间。

4.如权利要求3中所述的柔性连接件，其特征在于：隔热材料层置于套管朝着柔性管壁段的表面上。

5.如权利要求4所述的柔性连接件，其特征在于：套管部件上的隔热材料层被保护套管包覆。

6.如权利要求5所述的柔性连接件，其特征在于：保护套管不固定在隔热材料层上，因此，允许保护套管相对于隔热材料移动。

7.如权利要求1-6中任一项所述的柔性连接件，其特征在于：隔热材料由一种纤维陶瓷材料构成。

8.如权利要求7所述的柔性连接件，其特征在于：所述纤维陶瓷材料是一种包括二氧化硅、铝氧土、锆土、镁砂、氧化钙及其混合物的纤维的材料。

9.如权利要求1-6中任一项所述的柔性连接件，其特征在于：该耐腐材料是耐腐蚀氧化物。

10.如权利要求9所述的柔性连接件，其特征在于：该耐腐蚀氧化物从二氧化硅、铝氧土、二氧化钛、锆土、氧化钙、镁砂及其混合物中选择。

11.如权利要求1-6中任一项所述的柔性连接件，其特征在于：套管部件与第二刚性管壁段搭接部分的长度，至少要5倍于从套管到配置了耐腐材料层的第二刚性管壁段之间、垂直于套管测量的距离。

12.如权利要求3所述的柔性连接件，其特征在于：套管部件与第二刚性管壁搭接部分的长度，至少应是100mm。

13.如权利要求12所述的柔性连接件，其特征在于：套管部件与第二刚性管壁搭接部分的长度，至少应是200mm。

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