CN110513544A - 一种适用于输送超低温介质的管道 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于输送超低温介质的管道。该管道包括管道本体及所述管道本体外表面设置的功能层，所述功能层从内至外依次设置保温系统层和防撞保护外层；所述保温系统层包括保冷材料层和/或真空保冷层；所述保冷材料层是通过保冷材料直接在所述管道本体外部包裹实现；所述真空保冷层包括内壁和外壁两层套管，所述两层套管道之间通过支架连接，且所述两层套管道之间呈真空；所述防撞保护外层为混凝土套管。本发明中管道本体铺设膨胀节及保冷层满足工艺及土壤环境要求，管道承压能力满足道路要求，综合方案满足埋地环境的相关要求，能解决超低温(‑162度)化工原料无法埋地输送的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于输送超低温介质的管道，属于石油化工领域。
背景技术
液化天然气(LNG)的运输管道材料通常采用奥氏体不锈钢，如双牌号304/304L，304L等。奥氏体不锈钢出色的低温物理性能以及低廉的价格使得该材料在LNG行业中得到广泛应用，但由于该材料有较大的收缩率，需要设计膨胀节作为二次应力的补偿。膨胀节的设计虽然可有效解决管道二次应力的收缩问题，但增大了管廊架的设计宽度，更无法实现超低温介质管道的埋地，更无法满足低温介质海底埋地管道需求，成为LNG管道埋地方案的技术瓶颈，约束LNG低温产业的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于输送超低温介质的管道，本发明能解决超低温(-162度)化工原料无法埋地输送的问题。
本发明提供的一种适用于输送超低温介质的管道，该管道包括管道本体及所述管道本体外表面设置的功能层，所述功能层从内至外依次设置保温系统层和防撞保护外层；
所述保温系统层包括保冷材料层和/或真空保冷层；所述保冷材料层是通过保冷材料直接在管道外部包裹实现；所述真空保冷层包括内壁和外壁两层套管，所述两层套管道之间通过支架连接，且所述两层套管道之间呈真空；
所述防撞保护外层为混凝土套管。
本发明中，所述保冷材料层达到降低传热率的目标；
所述防撞保护外层为混凝土套管，以增强低温工艺管道的抗压强度，满足埋地路面上部载荷要求。
上述的管道中，所述保冷材料层采用气凝胶垫制成；
所述真空保冷层采用钢结构真空保冷材料制成；所述钢结构真空保冷材料为本领域公知的常用材料；具体地，所述真空保冷层可为采用双层不锈钢套管，两层套管之间通过不锈钢支架连接，且两层套管之间的气体抽真空制成。
上述的管道中，所述管道本体外表面与所述保温系统层之间，沿所述管道本体轴向设置波纹管，代替传统路面设计中的膨胀弯，吸收管道材料因温度载荷而产生的冷缩位移。
上述的管道中，所述管道本体外表面与所述波纹管之间采用对焊的方式连接。
上述的管道中，所述波纹管的外部通过双头螺栓实现所述管道本体轴向的补强；
所述双头螺栓处的所述保温系统层为保冷材料层，所述双头螺栓处的所述保冷材料层采用气凝胶垫、聚异三聚氰酸酯层和聚氨酯(简称PUR)中的至少一种制成，所述保冷材料层通过在所述管道本体外部包裹的方式实现。
本发明中，实现吸收低温介质材料的冷缩位移并在所述波纹管外增加双头螺杆进行管道轴向的补强，避免管道受冷后位移过大产生过大拉力；
所述波纹管外层的两端通过所述双头螺栓连接实现对于其螺纹部分的紧固，补强波纹管的抗拉强度；在所述双头螺栓上轴向设有锁紧通孔，所述锁紧通孔两端均螺纹连接有推动螺柱，螺栓的螺柱外壁上均设一圈和锁紧通孔连通的安装孔，安装孔内安装有锁紧螺母。
上述的管道中，所述保冷材料层采用包覆厚度取决于所述波纹管外层的轴向补强的双头螺栓；通过所述保冷材料层增厚，实现管道外径的一致。
上述的管道中，所述保温系统层和所述外层防撞保护层之间设置防潮层。
上述的管道中，所述防潮层采用网布制成，且在网布上涂抹玛蹄脂或沥青制成。
上述的管道中，所述管道本体采用奥氏体不锈钢和/或高镍合金钢制成；通过上述设置的所述波纹管膨胀节，使得管道介质材料得到更多的选择，埋地管道材料不仅仅可使用收缩系数较低的奥氏体不锈钢和/或高镍合金钢制成，以节约成本。
上述的管道中，所述奥氏体不锈钢包括304、304L或双排号304/304L；
所述高镍合金钢包括36Ni或9Ni合金钢。
上述的管道中，所述防撞保护外层和与其相邻的所述保温系统层或防潮层之间可采用两种方式：当所述管道本体的数量为单根时，所述防撞保护外层直接套设在所述保温系统层或所述防潮层外面；
当所述管道本体的数量为多根时，所述防撞保护外层具体可设置成涵洞的形状，多根所述管道本体设置在所述防撞保护外层内部；当所述防撞保护外层设置成涵洞形状时，其内也可增加其他介质管道的铺设，所述防撞保护外层保护所述管道本体物理结构的良好。
本发明中，所述保温系统层中保冷材料层或真空保冷层的厚度按照GB50264计算，按照下式Ⅰ进行计算：
圆筒面绝热层外表面温度，按照下式Ⅱ进行计算：
式Ⅰ和式Ⅱ中，
qL：圆筒面绝热层单位冷损失，W/m；
t：产品温度，℃；
ta：环境温度，℃；
td：露点温度，℃；
ts：绝热层外表面温度，℃；
D0：管道、圆筒形设备及球形容器的外径，m；
D1：管道、圆筒形设备及球形容器单层绝热层的外径，m；
λ：单层绝热层材料制品在使用温度下的导热系数，W/(m·K)；
αs：表面换热系数，W/(m2·K)。
本发明中，所述真空保冷层的真空度需满足传热系数为0.003W/m·K，保冷材料的传热系数不低于为0.023W/m·K，需要结合蒸发气BOG产生量和当地环境温度进行调整计算；所述外层防撞保护层的厚度需要结合管道强度要求综合考虑。
本发明具有以下优点：
1、本发明管道中铺设膨胀节及保冷层满足工艺及土壤环境要求，管道承压能力满足道路(公路)要求，综合方案满足埋地环境的相关要求。
2、本发明能解决地下土壤导热系数大、埋地承重需求和管道膨胀节无法铺设的技术难题；尤其是解决公路道路、铁路道路、堤坝甚至海底等区域所面临的超低温(如 -162度)介质(如LNG、LPG等)无法通过传统铺设方法实现输送的问题。
3、本发明管道本体采用奥氏体不锈钢和/或高镍合金钢制成，相比于在地面上铺设的超低温管道而言，不仅在某些工程项目中大幅节约了管道铺设成本，还可提高环保要求。本发明特别适用于低温介质管道埋地、海底管道铺设的需求，可解决众多项目低温介质输送涉及的路由问题。
附图说明
图1为本发明管道的横截面结构示意图。
图2为本发明管道中波纹管结构示意图。
图3为本发明应用时管道在LNG埋地区域布置的示意图。
图中各标记如下：
1钢管；2保温系统层；3防潮层；4防撞保护外层。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，为本发明管道的结构示意图。本发明适用于输送超低温介质的管道包括管道本体(具体如钢管1)及管道本体外表面依次设置的保温系统层2和防撞保护外层4。
保温系统层2包括由内之外的保冷材料层和/或真空保冷层；真空保冷层包括内壁和外壁两层套管，两层套管道之间通过支架连接，且两层套管道之间呈真空；
防撞保护外层4具体可为混凝土套管，以增强低温工艺管道的抗压强度，满足埋地路面上部载荷要求；
保温系统层2和防撞保护外层4之间设置防潮层3。
进一步地，防潮层3采用网布制成，且在网布上涂抹玛蹄脂或沥青制成。
进一步地，保冷材料层采用气凝胶垫制成；
真空保冷层采用钢结构真空保冷材料制成；钢结构真空保冷材料为本领域公知的常用材料；具体地，所述真空保冷层可为采用双层不锈钢套管，两层套管之间通过不锈钢支架连接，且两层套管之间的气体抽真空制成。
进一步地，管道本体外表面与保温系统层之间，沿管道本体轴向设置波纹管(具体结构如图2所示)，代替传统路面设计中的膨胀弯，吸收管道材料因温度载荷而产生的冷缩位移。
进一步地，管道本体外表面与波纹管之间采用对焊的方式连接，避免低温介质的泄露风险，通过波纹管替代膨胀节吸收管道冷缩位移。
进一步地，波纹管的外部通过双头螺栓实现管道本体轴向的补强；
双头螺栓处的保温系统层2为保冷材料层，双头螺栓处的保冷材料层采用气凝胶垫、聚异三聚氰酸酯层和聚氨酯至少一种制成，此处的保冷材料层通过在管道本体外部包裹的方式实现。
本发明中，实现吸收低温介质材料的冷缩位移并在波纹管外增加双头螺杆进行管道轴向的补强，避免管道受冷后位移过大产生过大拉力；
波纹管外层的两端通过双头螺栓连接实现对于其螺纹部分的紧固，补强波纹管的抗拉强度；在双头螺栓上轴向设有锁紧通孔，锁紧通孔两端均螺纹连接有推动螺柱，螺栓的螺柱外壁上均设一圈和锁紧通孔连通的安装孔，安装孔内安装有锁紧螺母。
进一步地，保冷材料层采用包覆厚度取决于波纹管外层的轴向补强的双头螺栓；通过保冷材料层增厚，实现管道外径的一致。
进一步地，保温系统层2和防撞保护外层4之间设置防潮层3。
进一步地，防潮层3采用网布制成，且在网布上涂抹玛蹄脂或沥青制成。
进一步地，管道本体采用奥氏体不锈钢和/或高镍合金钢制成；通过上述设置的波纹管膨胀节，使得管道介质材料得到更多的选择，埋地管道材料不仅仅可使用收缩系数较低的奥氏体不锈钢和/或高镍合金钢制成，以节约成本。
进一步地，奥氏体不锈钢包括304、304L或双排号304/304L；
高镍合金钢包括36Ni或9Ni合金钢。
进一步地，防撞保护外层4和与其相邻的保温系统层2或防潮层3之间为无间隙或有间隙设置；具体地，当无间隙时，防撞保护外层4直接套设在保温系统层2或防潮层3外面；当有间隙时，防撞保护外层4具体可设置成“涵洞”的形式，防撞保护外层4保护管道本体，以防撞。
优选的一个实施例中，如图1所示，保温系统层具体设置如下：保温系统层分为两层，从工艺管道(具体如钢管1)表面起向外，依次需要气凝胶垫和真空层保冷层两部分。
第一层的气凝胶垫(膨胀节螺栓部分采用发泡剂PUR)通过缠绕在LNG管道外表面起到隔绝水蒸气和保冷的作用，气凝胶垫厚度大于膨胀节外层螺栓结构，通过第一层的保冷层将带有螺栓加强LNG管道膨胀节部分和管道其他部分厚度一直。
第二真空保冷层是在将完成第一层保冷的管道套入真空保冷套管中。第二真空保冷层分本身分为内壁和外壁两层套管(采用不锈钢制成)，两层套管之间通过支架(采用不锈钢制成)连接。将第一层管道与完成第一层保冷的管道外表面进行接触，实现第二层保冷结构的设计。完成二层管道的安装后，将第二层真空保冷层套管之间的气体抽空，形成真空保冷层。
优选的一个实施例中，外层防撞保护层具体设置如下：
防撞保护外层4部分是将完成保温系统层的低温管道套入混凝土套管中，以增强低温工艺管道的抗压强度，满足埋地路面上部载荷要求。
本发明中，保温系统层2中保冷材料层或真空保冷层的厚度按照GB50264计算，按照下式Ⅰ进行计算：
圆筒面绝热层外表面温度，按照下式Ⅱ进行计算：
式Ⅰ和式Ⅱ中，
qL：圆筒面绝热层单位冷损失，W/m；
t：产品温度，℃；
ta：环境温度，℃；
td：露点温度，℃；
ts：绝热层外表面温度，℃；
D0：管道、圆筒形设备及球形容器的外径，m；
D1：管道、圆筒形设备及球形容器单层绝热层的外径，m；
λ：单层绝热层材料制品在使用温度下的导热系数，W/(m·K)；
αs：表面换热系数，W/(m2·K)。
本发明中，所述真空保冷层的真空度需满足传热系数为0.003W/m·K，保冷材料的传热系数不低于为0.023W/m·K，需要结合蒸发气BOG产生量和当地环境温度进行调整计算；外层防撞保护层的厚度需要结合管道强度要求综合考虑。
本发明特别适用于超低温介质(如：LNG、LPG等低温介质)的管道埋地输送方案。
进一步地，防撞保护外层4和与其相邻的保温系统层2或防潮层3之间可采用两种方式：当管道本体(钢管1)的数量为单根时，防撞保护外层4直接套设在保温系统层2或防潮层3外面；
当管道本体(钢管1)的数量为多根时，防撞保护外层4具体可设置成涵洞的形状，多根管道本体设置在防撞保护外层4内部；当防撞保护外层4设置成涵洞形状时，其内也可增加其他介质管道的铺设，防撞保护外层4保护管道本体物理结构的良好。
具体地一个实施例中，钢管1的数量为2根时，如图3所示，本发明应用时，LNG 埋地段可通过混凝土框架作为保护壳，即为管道外壁外层防撞保护层4(混凝土套管) 设置成“涵洞”的形式，保护钢管1物理结构的良好。
Claims (10)
1.一种适用于输送超低温介质的管道，其特征在于：该管道包括管道本体及所述管道本体外表面设置的功能层，所述功能层从内至外依次设置保温系统层和防撞保护外层；
所述保温系统层包括保冷材料层和/或真空保冷层；所述保冷材料层是通过保冷材料直接在所述管道本体外部包裹实现；所述真空保冷层包括内壁和外壁两层套管，所述两层套管道之间通过支架连接，且所述两层套管道之间呈真空；
所述防撞保护外层为混凝土套管。
2.根据权利要求1所述的管道，其特征在于：所述保冷材料层采用气凝胶垫制成；
所述真空保冷层采用钢结构真空保冷材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的管道，其特征在于：所述管道本体外表面与所述保温系统层之间，沿所述管道本体轴向设置波纹管。
4.根据权利要求3所述的管道，其特征在于：所述管道本体外表面与所述波纹管之间采用对焊的方式连接。
5.根据权利要求3或4所述的管道，其特征在于：所述波纹管的外部通过双头螺栓实现所述管道本体轴向的补强；
所述双头螺栓处的所述保温系统层为保冷材料层，所述双头螺栓处的所述保冷材料层采用气凝胶垫、聚异三聚氰酸酯层和聚氨酯中的至少一种制成，所述保冷材料层通过在所述管道本体外部包裹的方式实现。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的管道，其特征在于：所述保温系统层和所述外层防碰撞保护层之间设置防潮层。
7.根据权利要求6所述的管道，其特征在于：所述防潮层采用网布制成，且在网布上涂抹玛蹄脂或沥青制成。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的管道，其特征在于：所述管道本体采用奥氏体不锈钢或选择高镍合金钢制成；
所述奥氏体不锈钢具体选自304、304L或双排号304/304L；
所述高镍合金钢具体选自36Ni或9Ni合金钢。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的管道，其特征在于：当所述管道本体的数量为单根时，所述防撞保护外层直接套设在所述保温系统层或所述防潮层外面；
当所述管道本体的数量为多根时，所述防撞保护外层设置成涵洞的形状，多根所述管道本体设置在所述防撞保护外层内部。
10.权利要求1-9中任一项所述的管道在低温介质管道埋地、海底管道铺设中的应用。
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