CN109707946A - 一种低温管道系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温管道系统，解决现有管道系统在管道预冷时，会造成资源浪费以及存在安全事故的问题。该系统包括高压夹层管道单元和高压真空管道；高压夹层管道单元包括第一高压夹层管道、第二高压夹层管道、以及阀门、流量计和过滤器；第一高压夹层管道的一端与高压储罐连接，另一端分别与高压真空管道的一端、试验设备连接，高压真空管道的另一端通过第二高压夹层管道与试验设备连接；高压真空管道包括内层输送管、中间预冷管、外层真空绝热管、第一支撑架、第一柔性连接组件和第二柔性连接组件；第一高压夹层管道和第二高压夹层管道结构相同，包括内部输送管、中部预冷管、外部包覆层、第三支撑架和第三柔性连接组件。

Description

一种低温管道系统

技术领域

本发明涉及试验设备输送装置，具体涉及一种低温管道系统。

背景技术

管道系统用于将超低温介质从高压储罐输送至两台试验设备，为试验提供氧化剂。试验设备为风洞试验加热器，试验介质为液氧，液氧沸点温度－183℃。常规低温液氧管道通过不锈钢管输送介质，为防止冷量通过不锈钢管道传递到大气中，在不锈钢管外再包覆一层保温材料进行隔热，减少冷量的传递。

试验系统开始工作时，打开高压储罐下方的阀门，高压储罐内的液氧流入液氧管道，由于此时的液氧管道为常温状态，低温介质在管道内迅速气化，并流向管道出口。现有的试验过程会将液氧(由于气化，会以气液两相混合存在)持续排放，直至管道内的温度达到液氧气化临界温度-183℃以下，此时液氧全部呈液态，才能输送至试验设备开始试验，该过程称为管道预冷，预冷排放的气液两相介质不能用于试验，全部排空浪费很大，造成资源的浪费。此外，现有的液氧管道直接用液氧介质预冷，液氧气化排放的大量氧气聚集，氧气助燃，能氧化大多数活性物质，遇到易燃物有燃烧和爆炸风险，排放区域环境存在燃烧和爆炸等安全风险。

发明内容

本发明的目的是解决现有管道系统在管道预冷时，会造成资源浪费以及存在安全事故的问题，提供一种低温管道系统。

本发明的技术方案是：

一种低温管道系统，包括高压夹层管道单元和高压真空管道；所述高压夹层管道单元包括第一高压夹层管道、第二高压夹层管道、以及设置在第一高压夹层管道和第二高压夹层管道上的阀门、流量计和过滤器；所述第一高压夹层管道的进口一端与高压储罐连接，出口分别与高压真空管道的进口一端、试验设备连接，所述高压真空管道的另一端通过第二高压夹层管道与试验设备连接；所述高压真空管道包括内层输送管、中间预冷管、外层真空绝热管、第一支撑架、第一柔性连接组件和第二柔性连接组件，所述中间预冷管内设置有预冷介质；所述内层输送管、中间预冷管、外层真空绝热管由内向外依次设置，且同轴，多个外层真空绝热管通过第一柔性连接组件连接，多个中间预冷管通过第二柔性连接组件连接；所述第一支撑架为多个，多个第一支撑架设置在中间预冷管与内层输送管之间，且设置有过流孔；所述外层真空绝热管上设置有抽真空接嘴；所述第一高压夹层管道和第二高压夹层管道结构相同，包括内部输送管、中部预冷管、外部包覆层、第三支撑架和第三柔性连接组件；所述中部预冷管内设置有预冷介质；所述内部输送管、中部预冷管、外部包覆层由内向外依次设置，且同轴，多个中部预冷管通过第三柔性连接组件连接；所述第三支撑架为多个，多个第三支撑架设置在中部预冷管与内部输送管之间，且设置有过流孔。

进一步地，所述第一柔性连接组件包括第一波纹管、第一调节螺杆、两个第二支撑板和两个第一连接管；所述第一连接管的一端设置有连接法兰，另一端与外层真空绝热管连接，所述两个第一连接管的连接法兰通过第一调节螺杆连接，所述第一波纹管位于两个第一连接管之间，且与两个第一连接管连通，所述第二支撑板设置在中间预冷管、外层真空绝热管之间，用于支撑外层真空绝热管。

进一步地，所述第二支撑板为非金属环氧玻璃钢支撑环，所述第二支撑板的外表面均匀设置有多个凸起，且内表面也均匀设置有多个凸起。

进一步地，所述第二柔性连接组件包括第二波纹管、第三连接管和两个第二连接管；所述第二连接管的一端设置有连接法兰，另一端与中间预冷管连接，所述第三连接管的一端与其中一个第二连接管的法兰固定连接，另一端悬空，所述第二波纹管位于两个第二连接管之间，且与两个第二连接管连通。

进一步地，所述第三柔性连接组件包括第三波纹管、第二调节螺杆和两个第四连接管；所述第四连接管的一端设置有连接法兰，另一端与中部预冷管连接，所述两个第四连接管的连接法兰通过第二调节螺杆连接，所述第三波纹管位于两个第四连接管之间，且与两个第四连接管连通。

进一步地，所述外层真空绝热管的两端设置有热桥，所述热桥为多层蛇形管结构；所述外层真空绝热管内腔中设置有分子筛充填腔，用于填充分子筛。

进一步地，所述预冷介质为液氮，所述中间预冷管的外管壁表面包覆有阻燃型铝箔复合绝热材料。

进一步地，所述第一支撑架和第三支撑架结构相同，数量为多个，多个第一支撑架均匀设置在中间预冷管与内层输送管之间，多个第三支撑架均匀设置在中部预冷管与内部输送管之间。

进一步地，所述中间预冷管的两端设置有外套管，所述外套管的一端固定设置在中间预冷管上。

进一步地，所述外层真空绝热管的真空腔内表面抛光至镜面。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明低温管道系统设置有中间预冷管和中部预冷管，从外部完全包覆液氧层壁管，预冷接触面积大，对内层输送管和内部输送管进行有效的冷却，避免使用液氧冷却管道，有效节约能源。

2.本发明将液氧真空管道的预冷介质设置为液氮，液氮气化为氮气，氮气为惰性气体，排放时安全性高。

3.本发明提供的低温管道系统输送最高工作压力为30MPa左右的高压液氧，介质流速较快，若按照传统方法设计，预冷时大量液氧快速流走，不能被充分利用，而本发明中用液氮预冷，液氮介质采用较低的压力，例如1MPa即可，流速大大降低，介质消耗量明显减少。

4.本发明预冷层采用液氮层，液氮沸点温度－196℃，液氧沸点温度－183℃，预冷时，使用的介质温度越低，与管道的温差也就越大，热交换更迅速，因此，采用液氮预冷比液氧预冷效率更高。

5.本发明采用液氮预冷，液氧价格一直比液氮价格略高，使用液氮预冷比使用液氧预冷更经济，从而节约陈本。

附图说明

图1为本发明低温管道系统结构图；

图2为本发明第一高压夹层管道结构图；

图3为本发明第三柔性连接组件结构图；

图4为本发明阀门跨接处结构图；

图5为本发明高压真空管道结构图；

图6为本发明热桥结构图；

图7为本发明第一柔性连接组件结构图；

图8为本发明第二柔性连接组件结构图；

图9为本发明第二支撑板结构图；

图10为本发明第一支撑架结构图；

图11为高压真空管道对接示意图。

附图标记：1-第一高压夹层管道，2-第二高压夹层管道，3-高压真空管道，4-阀门，5-流量计，6-过滤器，7-高压储罐，8-试验设备，11-内部输送管，12-中部预冷管，13-外部包覆层，14-第三支撑架，15-第三柔性连接组件，151-第三波纹管，152-第二调节螺杆，153-第四连接管，31-内层输送管，32-中间预冷管，33-外层真空绝热管，34-第一支撑架，35-第一柔性连接组件，36-第二柔性连接组件，37-热桥，38-抽真空接嘴，39-分子筛充填腔，310-阻燃型铝箔复合绝热材料，311-外套管，351-第一连接管，352-第一波纹管，353-第二支撑板，354-第一调节螺杆，361-第二连接管，362-第二波纹管，363-第三连接管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

为减少低温液体输送管道预冷介质的消耗量，提高预冷介质的排放安全性，本发明提供一种低温管道系统，系统设计压力33MPa，最高工作压力30MPa，公称通径DN150，该系统解决了介质输送的热传导、冷热补偿等问题。本发明低温管道系统用于风洞加热器试验，试验介质液氧，预冷介质为液氮。

如图1所示，一种低温管道系统包括高压夹层管道单元和高压真空管道3；高压夹层管道单元包括第一高压夹层管道1、第二高压夹层管道2、以及设置在第一高压夹层管道1和第二高压夹层管道2上的阀门4、流量计5和过滤器6；第一高压夹层管道1的一端与从高压储罐7连接，另一端分别与高压真空管道3的一端、试验设备8连接，高压真空管道3的另一端通过第二高压夹层管道2与试验设备8连接。

如图2和图3所述，第一高压夹层管道1和第二高压夹层管道2结构相同，包括内部输送管11、中部预冷管12、外部包覆层13、第三支撑架14和第三柔性连接组件15，中部预冷管12内设置有预冷介质；内部输送管11、中部预冷管12、外部包覆层13由内向外依次设置，且同轴，多个中部预冷管12通过第三柔性连接组件15连接；第三支撑架14为多个，多个第三支撑架14设置在中部预冷管12与内部输送管11之间，且设置有过流孔，内部输送管11输送试验介质液氧，中部预冷管12的预冷介质为液氮，外部包覆层13为阿乐斯包覆绝热层，阻止冷量传入大气层。

第三柔性连接组件15包括第三波纹管151、第二调节螺杆152和两个第四连接管153；第四连接管153的一端设置有连接法兰，另一端与中部预冷管12连接，两个第四连接管153的连接法兰通过第二调节螺杆152连接，第三波纹管151位于两个第四连接管153之间，且与两个第四连接管153连通。第三支撑架14和第一支撑架34结构相同，数量为多个，多个第三支撑架14均匀设置在中部预冷管12与内部输送管11之间。在低温状态下，管道遇冷收缩，每米管道收缩约3mm，理论上来说，液氮层和液氧层管道都是不锈钢管，遇冷收缩量一样，但是在实际预冷时，液氮层不锈钢管壁厚薄，易冷透，收缩变形快。本发明在液氮层管道中部设置拉杆式波纹管补偿节，补偿管道遇冷收缩变形。液氮层波纹管为拉杆式，两侧双螺母限位，防止波纹管过量伸缩损坏。另外，高压波纹管在设计时，对波纹的强度要求高，这会导致高压波纹管造价高，补偿量还小，所以不考虑在高压液氧管上加波纹管，而是加到液氮管上。

如图4所示，阀门4、流量计5和过滤器6在第一高压夹层管道1和第二高压夹层管道2上需跨接，具体连接方式为内部输送管11与阀门4的法兰对焊连接，液氮层通过进出液口与相邻管道液氮层跨过阀门4连接，液氮出入口上下垂直安装，用弯头拐弯避让阀门4。系统管道预冷时，介质为气液两相混合存在，朝上的管道走气相介质，冲下的管道走液相介质。

本发明第一高压夹层管道1设置外部包覆层13，具体为在外表面包覆阿乐斯保温材料绝热，阻止冷量传入大气层。阿乐斯包覆保冷是采用多层的低温弹性体保冷材料错缝包裹管线形成保冷层，保冷厚度160mm，分成三层进行包覆，包覆完成后，用金属板材如铝板或无机镁钢材料等为外保护层，包裹在保冷层外表面，接缝处用密封剂进行密封防水处理，系统使用过程中，外保护层表面不允许结霜。

如图5至11所示的高压真空管道3，包括内层输送管31、中间预冷管32、外层真空绝热管33和第一支撑架34，中间预冷管32中设置有预冷介质；内层输送管31、中间预冷管32、外层真空绝热管33由内向外依次设置，且同轴，内层输送管31输送液氧，中间预冷管32的预冷介质为液氮，外层真空绝热管33为抽真空状态。第一支撑架34设置在中间预冷管32与内层输送管31之间，用于支撑中间预冷管32，第一支撑架34上设置有过流孔，用于液氮通过，第一支撑架34具体为扇形结构，数量为多个，多个第一支撑架34均匀设置在中间预冷管32与内层输送管31之间。

内层输送管31的最高工作压力30MPa，设计压力33MPa，公称通径150mm，因为口径大、压力高，选用的06Cr19Ni10不锈钢管道壁厚28mm。管道外层为真空绝热层，阻止冷量传入大气层，真空度：≤2x10-3Pa，真空腔漏放气速率：≤5x10-9Pa.m3/s，真空腔内表面抛光至镜面，以减少热辐射传导。外层真空绝热管33外壁不允许结霜，为防止外管结霜，外层真空绝热管33的两端设置有热桥37封堵，热桥37为多层蛇形管焊接结构，此种设置冷量传递路径较长，使介质热量不能传递到外管上。外层真空绝热管33上设置有抽真空接嘴38，且内腔设置有分子筛充填腔39，用于填充分子筛，分子筛加热活化后充填入分子筛充填腔39，用于吸附设备长期使用过程中释放的杂质气体，延长管道真空寿命。抽真空接嘴38用于连接真空机组抽真空，抽真空接嘴38可重复使用，管道在试验现场安装后，后期可在线抽真空。

低温状态下，内层输送管31、中间预冷管32遇冷收缩，每米管道收缩约3mm，而外层真空绝热管33处于常温态无变形，因此需要加波纹管柔性连接，补偿管道遇冷收缩变形。真空层波纹管为拉杆式，两侧双螺母限位，防止波纹管过量伸缩损坏，具体为多个外层真空绝热管33通过第一柔性连接组件35连接，第一柔性连接组件35包括两个第一连接管351、第一波纹管352、第二支撑板353和第一调节螺杆354；两个第一连接管351的一端设置有连接法兰，另一端分别与两端的外层真空绝热管33连接，两个第一连接管351的连接法兰通过第一调节螺杆354连接，第一波纹管352分别与两个第一连接管351的一端连通；第二支撑板353设置在中间预冷管32、外层真空绝热管33之间，用于支撑外层真空绝热管33。第二支撑板353为非金属环氧玻璃钢支撑，真空层波纹管两端各有一个非金属环氧玻璃钢支撑，为防止冷量沿支撑传递到外层真空绝热管33上使外层真空绝热管33结霜，环氧玻璃钢支撑与外层真空绝热管33和中间预冷管32之间均设计为三点式接触，接触面积小，减少冷量传递，具体为：第二支撑板353为非金属环氧玻璃钢支撑环，支撑环的外侧均匀设置有多个凸起，支撑环的内侧均匀设置有多个凸起。

高压波纹管在设计时，对波纹的强度要求高，这会导致高压波纹管造价高，补偿量还小，所以不考虑在内层输送管31上加波纹管，而是加到中间预冷管32道上。理论上来说，液氮层和液氧层管道都可采用不锈钢管，遇冷收缩量一样，但是在实际预冷时，液氮层不锈钢管壁厚薄，易冷透，收缩变形快，液氧层不锈钢管壁厚较厚，收缩变形慢，也需要对变形量进行补偿。液氮层波纹管为套筒式，波纹管外焊接第一连接管351对波纹管进行径向限位，防止波纹管鼓包变形。具体为：多个中间预冷管32通过第二柔性连接组件36连接，第二柔性连接组件36包括两个第二连接管361、第二波纹管362和第三连接管363；两个第二连接管361的一端设置有连接法兰，另一端分别与两端的中间预冷管32连接，第三连接管363的一端与其中一个第二连接管361的法兰固定连接，另一端悬空，第二波纹管362分别与两个第二连接管361的一端连通。中间预冷管32的外管壁表面包覆阻燃型铝箔复合绝热材料310，厚度约，进一步阻止各管之间的能量传递。中间预冷管32的两端设置有外套管311，外套管311的一端固定设置在中间预冷管32上，方便相邻高压真空管道3的连接。

在系统管道的高点聚气位置设置放气口、系统末端设置回液口、系统前端设置吹扫口等。系统上多处设置液氧/液氮压力测点和温度测点，远程信号传输，实时监测系统温度、压力参数数值。放气口、回液口、吹扫口和压力、温度测点处，需在主管道上开孔并焊接支管，实现与系统连接。

试验开始前，将中间预冷管32和中部预冷管12内通入液氮，液氮流过液氧层的厚壁管，对厚壁管进行预冷。配合温度传感器检测管道温度，温度从常温降到-180℃时，关闭液氮阀门4，液氮预冷结束，然后在内层管道通入液氧，正式开始试验。试验时，不再持续供应液氮保冷，而是靠管道最外层的真空层隔热，使管道温度维持在低温状态。

Claims (10)

1.一种低温管道系统，其特征在于：包括高压夹层管道单元和高压真空管道(3)；

所述高压夹层管道单元包括第一高压夹层管道(1)、第二高压夹层管道(2)、以及设置在第一高压夹层管道(1)和第二高压夹层管道(2)上的阀门(4)、流量计(5)和过滤器(6)；

所述第一高压夹层管道(1)的进口一端与高压储罐(7)连接，出口分别与高压真空管道(3)的进口一端、试验设备(8)连接，所述高压真空管道(3)的另一端通过第二高压夹层管道(2)与试验设备(8)连接；

所述高压真空管道(3)包括内层输送管(31)、中间预冷管(32)、外层真空绝热管(33)、第一支撑架(34)、第一柔性连接组件(35)和第二柔性连接组件(36)，所述中间预冷管(32)内设置有预冷介质；所述内层输送管(31)、中间预冷管(32)、外层真空绝热管(33)由内向外依次设置，且同轴，多个外层真空绝热管(33)通过第一柔性连接组件(35)连接，多个中间预冷管(32)通过第二柔性连接组件(36)连接；所述第一支撑架(34)为多个，多个第一支撑架(34)设置在中间预冷管(32)与内层输送管(31)之间，且设置有过流孔；所述外层真空绝热管(33)上设置有抽真空接嘴(38)；

所述第一高压夹层管道(1)和第二高压夹层管道(2)结构相同，包括内部输送管(11)、中部预冷管(12)、外部包覆层(13)、第三支撑架(14)和第三柔性连接组件(15)；所述中部预冷管(12)内设置有预冷介质；所述内部输送管(11)、中部预冷管(12)、外部包覆层(13)由内向外依次设置，且同轴，多个中部预冷管(12)通过第三柔性连接组件(15)连接；所述第三支撑架(14)为多个，多个第三支撑架(14)设置在中部预冷管(12)与内部输送管(11)之间，且设置有过流孔。

2.根据权利要求1所述的低温管道系统，其特征在于：所述第一柔性连接组件(35)包括第一波纹管(352)、第一调节螺杆(354)、两个第二支撑板(353)和两个第一连接管(351)；所述第一连接管(351)的一端设置有连接法兰，另一端与外层真空绝热管(33)连接，所述两个第一连接管(351)的连接法兰通过第一调节螺杆(354)连接，所述第一波纹管(352)位于两个第一连接管(351)之间，且与两个第一连接管(351)连通，所述第二支撑板(353)设置在中间预冷管(32)、外层真空绝热管(33)之间，用于支撑外层真空绝热管(33)。

3.根据权利要求2所述的低温管道系统，其特征在于：所述第二支撑板(353)为非金属环氧玻璃钢支撑环，所述第二支撑板(353)的外表面均匀设置有多个凸起，且内表面也均匀设置有多个凸起。

4.根据权利要求1或2或3所述的低温管道系统，其特征在于：所述第二柔性连接组件(36)包括第二波纹管(362)、第三连接管(363)和两个第二连接管(361)；所述第二连接管(361)的一端设置有连接法兰，另一端与中间预冷管(32)连接，所述第三连接管(363)的一端与其中一个第二连接管(361)的法兰固定连接，另一端悬空，所述第二波纹管(362)位于两个第二连接管(361)之间，且与两个第二连接管(361)连通。

5.根据权利要求4所述的低温管道系统，其特征在于：所述第三柔性连接组件(15)包括第三波纹管(151)、第二调节螺杆(152)和两个第四连接管(153)；所述第四连接管(153)的一端设置有连接法兰，另一端与中部预冷管(12)连接，所述两个第四连接管(153)的连接法兰通过第二调节螺杆(152)连接，所述第三波纹管(151)位于两个第四连接管(153)之间，且与两个第四连接管(153)连通。

6.根据权利要求5所述的低温管道系统，其特征在于：所述外层真空绝热管(33)的两端设置有热桥(37)，所述热桥(37)为多层蛇形管结构；所述外层真空绝热管(33)内腔中设置有分子筛充填腔(39)，用于填充分子筛。

7.根据权利要求6所述的低温管道系统，其特征在于：所述预冷介质为液氮，所述中间预冷管(32)的外管壁表面包覆有阻燃型铝箔复合绝热材料(310)。

8.根据权利要求7所述的低温管道系统，其特征在于：所述第一支撑架(34)和第三支撑架(14)结构相同，数量为多个，多个第一支撑架(34)均匀设置在中间预冷管(32)与内层输送管(31)之间，多个第三支撑架(14)均匀设置在中部预冷管(12)与内部输送管(11)之间。

9.根据权利要求8所述的低温管道系统，其特征在于：所述中间预冷管(32)的两端设置有外套管(311)，所述外套管(311)的一端固定设置在中间预冷管(32)上。

10.根据权利要求9所述的低温管道系统，其特征在于：所述外层真空绝热管(33)的真空腔内表面抛光至镜面。