CN1644972A - 绝热管道 - Google Patents

Abstract

绝热管道(T)，其从内到外包括：第一密封管(1)，第一绝热层(2)，第二密封管(3)，第二绝热层(4)，镇重物(5)，以及密封的，抗冲击的保护外壳(6)。

Description

绝热管道

技术领域

本发明涉及一种绝热管道，该管道特别用于运输(尤其是海下运输)液化天然气至其使用处和包含该管道的海运码头。

背景技术

已知的技术是使用不锈钢或镍合金管道在沿靠码头的甲烷油船和以地面为基地的储存箱之间进行液化气的水陆运输。当这些管道投入使用时，该管道从环境温度冷却到一个非常低的温度(例如当液化甲烷在常压下的情况下该温度为-162℃)，会伴随着构成该管道的材料的收缩。设置用于补偿热收缩的机构来防止由于强烈收缩而导致的管道的损坏，该机构可以为环的形式，即管部具有U形的侧向偏差，该机构或者可以为补偿器的形式，即管部以风箱的方式成皱褶状。

而且，该管道应当必需包括绝热体，用以防止液化气被加热，从而限制液化气被汽化。

法国专利申请FR-A 2 748 545公开了一种用于运输液化天然气的绝热管道。该管道包括：两根同轴管；填充管状空间的绝热物，该管状空间位于上述管之间，该管位于可控工业真空装置下；以及用作镇重物的外部混凝土涂层。上述外管由钢组成而内管由不胀钢制成。

在传统的带有镇重物的管道中，如果外部镇重物破裂，管道的局部密度会低于水且被托离底部。该现象一旦开始，就会沿着管道自发蔓延，接着管道就会弯曲或上升到水面。

此外，法国专利申请FR-A 2 746 891公开了一种用于运输石油产品的绝热管道。该管道包括：两根同轴管以及部分填充管状空间的绝热物，该管状空间位于上述两管之间，该管位于可控工业真空装置下。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的表现出许多优点的绝热管道。特别是，本发明的目的在于提供一种具有高水平的绝热性和运行安全性的管道。

最后，本发明的主题是一种绝热管道，其从内到外包括：

-第一密封管，

-第一绝热层，

-第二密封管，

-由绝热材料制成的第二绝热层，以及

-由密度高于海水的材料制成的镇重物，

其特征在于：所述第一绝热层是由绝热材料制成的，在所述镇重物的外部，所述管道另外还包括密封的抗冲击的保护外壳。

所述双绝热层能够使第二管所承受的热循环的幅度最小化，而同时保留第二绝热，其能够热隔离混凝土镇重物和钢外壳从而使其免受由液体引起的第一绝热的侵入。

由于双管和保护外壳的叠加，对于上述应用以及其它类似的工业应用，本发明提高了安装的安全性。

即使在镇重物压裂的场合，该镇重物仍被外壳维持在原位，因而管道的视重量保持不变，这就防止了管道的上升或断裂。

优选的是，由第一管、第二管以及保护外壳组成的组中至少有一个元件具有如下的机械特性：

Re＞E.α.ΔT

-其中E是组成材料的弹性模量，

-α是组成材料的热膨胀系数，

-ΔT是所述元件的工作温度和环境温度的差，

-以及Re是材料在所述元件的工作温度下的屈服强度。

上述特性使得相应的元件可以在合适的地方省却用于补偿热收缩的系统。这样，在运输液化气的情况下，同样在其它类似的工业应用的情况下，本发明提出了一种用于适应热膨胀的特别简单的方法。

有利的是，上述双管表现出了上述特性。

有利的是，至少有一根上述密封管由具有高镍成分的合金组成。这些合金(例如不胀钢)使得可以获得上述的机械特性。

根据一个实施例，第二密封管是由一种基于聚合物树脂的复合物制成的。使用该材料生产第二密封管极大地降低了管道的制造成本。而且，该复合物也可以选择为使其表现出上述机械特性。

有利的是，该双管和外壳符合上述标准，这就使得可以生产出一种管道，该管道可以不含任何用于补偿热收缩的系统。

根据另一个特定的实施例，至少有一个上述管道设有至少一个用于补偿热收缩的系统。这种系统使得热效应的调整得以改进。

优选的是，上述用于补偿热收缩的系统采用套筒的形式，该套筒包括至少一个径向的皱褶。

作为优选，由第一管、第二管和保护外壳组成的组中，至少有一个元件在其端部与固定支座锚固在一起，该支座吸收了所述元件所受的热应力。

有利的是，镇重物由一种材料组成，该材料能够以液态，粉状或颗粒状的形式被浇铸到容纳于第二绝热层和保护外壳之间的柱状空间内。优选的是，所述镇重物包括在保护外壳内部的混凝土。这是因为混凝土易于浇铸，而外壳就担当了模具的作用。此外，混凝土被钢外壳保护而免受外界环境影响，该钢外壳为组件提供了良好的抗冲击性和理想的密封性。

正是管道的组成和材料性质的选择导致了本发明的迅速实施和利用。具体而言，混凝土的使用使得可以克服传统生产技术中遇到的装配缺点。将混凝土浇铸到钢外壳内也使得可以从钢的良好的机械弹性中得到最佳获益，从而降低了管道的冲击敏感性，同时使得可以对外壳进行目测检查用以发现任何的腐蚀点。

更优选的是，保护膜设在混凝土镇重物和所述第二绝热层之间。该保护膜的任务是防止混凝土浮浆在浇铸过程中侵入第二绝热层。

有利的是，所述镇重物包含至少一个设于后者内的中空管，该中空管可以用于通风或排水。优选的是，该中空管沿着所述管道的纵向且遍及其全长布置。另外，该中空管使得可以排出进行干燥时从混凝土中流出的水，或者可以探测任何的海水浸入。在合适的地方，也可以使得惰性气体流通。

优选的是，至少有一个绝热层是由在环境温度下导热系数低于20.10^-3W.m^-1.K^-1的材料制成的，优选的是该导热系数在-160℃时低于16.10^-3W.m^-1.K^-1。气凝胶通常满足该标准。

采用上述的绝热，就不再强制用可控工业真空装置来确保令人满意的绝热，这就免去了必须设减压设备以及必须具体设定管道的尺寸以使得可控工业真空装置能够得以安装。通过使用高性能的绝热材料，本发明可以省却上述的可控工业真空装置，这样就简化了所述管道的实施和利用。

有利的是，至少有一个绝热层是由气凝胶型的纳米多孔材料制成的。气凝胶是一种低密度的固体材料，其具有特别精细和高度多孔(高达90％)的结构。例如，它可以用多种材料来制造，包括二氧化硅，氧化铝，碳化铪以及各种聚合物。如果气体分子的平均运动距离减少以及因此在该距离内能量和质量的传送减少，其纳米尺寸的结构会赋予该材料独特的绝热体特性。该材料的导热系数比其它绝热体(例如固体或绝缘泡沫胶型绝热体)要低两到四倍。

基于本发明的一个特定实施例，至少有一个绝热层是织物的形态。基于本发明的另一个特定实施例，至少有一个绝热层是呈粉末或颗粒的形态，从而使其能够被浇铸到要容纳其的容积内。例如，象这样的绝热层可以是呈珠粒(bead)的形态。特别通过施加比现有的生产技术更小的精密公差，使用粉末或颗粒状的材料可以方便管道的装配。具体而言，该材料允许管道之间有定位误差而不会引起绝热的不连续性。

更优选的是，所述呈粉末或颗粒形态的绝热层包含至少一个管段，该管段在其纵向的两端被由绝热材料制成的阻塞装置所封闭。该阻塞装置可以是能透过气体的。该阻塞装置也可以被孔沿纵向经过，该孔在合适的位置被能透过气体的过滤器(例如玻璃织物型)所堵塞。该气体可透过性使得可以进行例如氮冲刷。

有利的是，所述呈粉末或颗粒形态的绝热层包含至少一个由绝热材料制成的间隔条，该间隔条与所述管道平行布置，其厚度基本等于所述绝热层的厚度。该间隔条可以是能透过气体的。

基于本发明的特定实施例，在第一管和保护外壳之间，用于探测泄漏的设备(例如可以是光纤)沿着纵向遍及所述管道的全长布置。

有利的是，该管道由可以端对端连接的预制管段构成。在该连接的区域，绝热层有利的是呈织物的形式。外壳和密封管可以借助附属部件或直接由焊缝来连接。

更有利的是，所述管段有至少一个阶梯状的端部，所述管段的组成元件沿着径向向外的方向具有相对减少的纵向延伸。所述管段的该结构形成了方便安装的凸起(reliefs)。

在此，本发明也提供了用于运输低温流体的上述管道的一种用途。例如，该低温流体可以是液化气。

基于本发明的特定实施例，惰性气体通过至少一层绝热层循环。但是，在优选实施例中提出了惰性气体的循环，目的是为了防止形成爆炸混合物，该爆炸混合物是由可能的泄漏所产生的气体与绝热层中的空气接触所导致的。惰性气体可以在高于大气压的压力下循环。

本发明的另一个主题是用于运输液化气的海运码头，其特征在于：该海运码头包括通过基于本发明的至少一根管道与地面装置连接的装载和卸载站，所述管道的端部可以锚定在固定支座上。例如，该地面装置可以是液化气储存库。

附图说明

下面参照所附示意图，通过纯粹示意性而非限定性的例子，详细解释说明本发明的多个实施例，期间本发明将会得到更好的理解，其它目的、细节、特征和优点将变得更为清晰明显。

图中：

-图1是基于本发明的第一个实施例的管段的端部的侧视图；

-图2是基于图1的管段沿轴线II-II的纵向剖面的局部视图；

-图3是图2中由III指示的区域的放大视图；

-图4是图2中的管段沿线IV-IV的剖视图；

-图5是图4中由V指示的区域的放大视图；

-图6是图1中的管段的内管的透视图，表示出阻塞装置和间隔条；

-图7是基于第一个实施例的位于两个管段间的连接件的区域的管道的剖视图；

-图8是图7中的连接件沿线VIII-VIII的纵向剖面的局部放大视图；

-图9是用于在管段的端部构成连接件的各种附属元件的分解示意图；

-图10是表示用于运输液化气的海运码头的构造的示意图，其中包括基于第一个实施例的管道。

-图11是图10中的锚接在固定支座上的管道的一端的纵向部分剖视图；

-图12是表示图10中的管道在不同点的温度分布的图表；

-图13是基于本发明的第二个实施例的管道中用于补偿热收缩的系统的部分剖视图；以及

-图14是图7中的连接件的另一个实施例沿线XIV-XIV的纵向剖面的局部放大视图。

具体实施方式

下面参考图1至图6，描述基于第一个实施例的管道C的管段T。该管段T具有多层结构，其从内到外有：第一密封管1，被称为主绝热层2的第一绝热层，第二密封管3，被称为副绝热层4的第二绝热层，保护膜13，混凝土涂层5和保护外壳6。

图1、2和3说明了管段T的端部E的构造。

根据图2，管段T包括柱形的且具有圆形截面的第一管1。该第一管1是密封的，其由一种具有低热膨胀系数的材料构成。例如该管可以由不胀钢(可以专门从Imphy Alloys得到)构成。

该第一管1使得流体(优选为液化气)可以穿过管孔7运输。该管构成了关于所运输流体的第一密封屏障。

主绝热层2在第一管1的外表面上环绕该管。该主绝热层2的纵向延伸比主管1要短。该主绝热层2由导热系数低的材料构成，即在环境温度下导热系数低于20.10^-3W.m^-1.K^-1。例如该材料可以是气凝胶，其在-160℃时导热系数低于16.10^-3W.m^-1.K^-1。优选的是，用于该绝热层2的气凝胶为珠粒的形态。合适的气凝胶珠可以专门从CabotCorporation得到。

在管段T的每一端E处，复曲面形的阻塞装置8占据了主绝热层2的端部。

从图4、5和6中可以看出，主绝热层2沿纵向包括沿方位角(azimuthal)方向隔开的成对的间隔条14。根据图4和5，该间隔条14基本以90°角隔开，且位于主绝热层2的下部生成线(generatingline)的各侧。根据图6，每个管段T有五对间隔条14。优选的是，该阻塞装置8和间隔条14由一种可透过气体的材料构成，该材料的导热系数接近层2的气凝胶的导热系数。例如，该材料可以是酚醛泡沫体或聚氨酯泡沫体。

因此，在第一管1和管段T的其它元件之间没有形成热桥。

作为变型，该间隔条14可以以不同的角度隔开，且可以在数量、尺寸、形状和在方位角平面上的布置方面变化。也可以设想该间隔条14采用沿着主绝热层2的下部生成线呈单一纵向排列的条的形式。

主绝热层2用于限制来自外部环境的热朝着第一管1供给。

阻塞装置8使得可以将气凝胶珠局限在主绝热层2内。第一阻塞装置8布置在主绝热层2的一端，用于形成密封的接收部。在主绝热层2被气凝胶珠填满后，第二阻塞装置8布置在主绝热层2的另一端。

最后，第一管1是通过存在于主绝热层2中的至少一个间隔条(即示例中成对的间隔条14)来由第二管3支承的。具体而言，所述间隔条14使得可以将第一管1的自重传递到第二管3，而不会损坏主绝热层2。

阻塞装置8优选是可透过气体的，以使得可以在主绝热层2内循环惰性气体(可以是氮气)，用以防止形成爆炸混合物，该爆炸混合物是由于所运输的流体在第一管1失去密封性的情况下与空气接触所导致的。通过在主绝热层2的一端注入氮气(N₂)，就可以用惰性气体冲刷主绝热层2。惰性气体的循环可以通过在主绝热层2的一端施加压力以及在另一端抽出而进行。使主绝热层2惰性气体化(inerting)使得可以监测该层2中出现的气体，从而可以探测出任何的泄漏。

根据图1，每个阻塞装置8被八个孔9沿纵向通过。该孔9被可透过气体的材料所封闭。但是，如果阻塞装置8是可透过气体的，则该孔9就是可选的。在阻塞装置8内该孔9的数目和布置是可以变化的，该孔被可透过气体的材料(如粘合的玻璃织物)所封闭，该孔用于方便惰性气体的循环同时不允许主绝热层2(即气凝胶珠)漏出。

第二管3也是密封的且具有圆形截面，其与第一管1同轴地环绕主绝热层2布置。在该实施例中，第二管3由与第一管1相同的材料构成，且具有与第一管1相同的厚度。其不同于第一管1之处在于其在各端E的纵向延伸比第一管1要短。可以发现第二管3与在下面的主绝热层2具有相同的长度。这意味着在第一管1和第二管3之间设有相应的凸起。

如果发生第一管1泄漏后气体侵入到主绝热层2的情况，则该第二管3也构成了关于所运输流体的一道密封屏障。与传统管道相比，该第二管3也起到了减少管道C收缩的作用。具体而言，和第一管1一样，该第二管3由一种具有低膨胀系数的材料(如不胀钢)构成，其膨胀远小于任何其它的金属；和第一管1一样，该第二管3免去了安装用于补偿膨胀应力的设备(如环型或风箱型的补偿器)的需要。

副绝热层4环绕该第二管3。该副绝热层4由两个重叠的层构成：内层41和外层42。它们由一种具有低导热系数的材料组成，该材料可以是由气凝胶制成的纳米多孔材料(优选的是织物的形式)，其在-160℃时的导热系数为12.10^-3W.m^-1.K^-1。同时优选的是该材料为可透过气体的。合适的气凝胶织物可以专门从Aspen Aerogels得到。各个内层41或外层42以与图9中所示的层141和142类似的方式由两个半壳组成。根据一个特定的例子，内绝热层41的厚度是19.2mm，外层42的厚度是22.4mm。确定形成外层42的半壳的尺寸(特别是厚度方面)，使得在组成外层42的两个半壳的下部连接处能够容纳具有圆形截面的中空鞘15，该鞘15纵向贯穿管段T的全长。该鞘15用于容纳光纤或其它任何探测泄漏和确定泄漏位置的系统。该鞘15具有以承插接口的形式向外展开的端部16a，其与相邻管段T的鞘15的另一端部16b相连。副绝热层4的纵向延伸比第二管3要短。这意味着在副绝热层4和第二管3之间设有另外的凸起。该副绝热层4可以由不同数量的层组成，由另一种材料组成或者可以不在其厚度内容纳用于光纤的鞘15。

副绝热层4用于限制来自外部环境的热朝着第二管3供给。如果发生第一管1泄漏后液化气侵入到主绝热层2的情况，副绝热层4也用于将第二管3的外部热隔离，并防止外部保护涂层6的过度冷却。该副绝热层4优选是可透过气体的。这意味着可以在该绝热层4内循环惰性气体(可以是氮气)，其目的与前述的用于绝热层2的目的相同。

光纤(未示)优选的是布置在鞘15内，形成泄漏探测装置的一部分。该用于探测泄漏和确定泄漏位置的装置是一种线性光学纤维型的温度传感器(DTS：分布式温度传感器)，其用于探测和定位由于任何液化气的泄漏而在外层42内形成的不正常的冷点。一旦装配管道C，该光纤就被布置在鞘15内。可以用例如芳香尼龙纤维来沿着管道拉动该光纤，或者可以用压缩空气来沿着管道推动光纤。通过沿着管道拉动(例如用同样的芳香尼龙纤维)该光纤，可以用与安装它相同的方式来替换它，而不会干涉到管道C。也可以设想当连接管段时安装这种泄漏定位装置。由于多个原因，优选的是将光纤布置在副绝热层4的外层42内。首先，如果发生任何泄漏，光纤在该位置探测出明显幅度的变化，并且光纤不会受到会损坏其运行的太大的热循环。最后，在该位置，尽管是低温，光纤信号的幅度仍然是可接受的。

保护外壳6也具有圆形截面，其以一定的距离环绕副绝热层4而同轴布置。保护外壳6在其上部生成线之上设有提升装置61。根据图9，该提升装置61为条状，其长度比管段T短，该条沿管段T的纵向布置在两端E的中间。该提升装置61被孔62沿横向通过。该保护外壳6由具有超厚度的钢制成，并且带有抗腐蚀涂层以便可以限制海水的腐蚀。该超厚度也使得可以保护管道C免受任何外部的冲击。

对提升装置61来说，其使得管道C可以通过孔62而被提升和操纵。保护外壳6的纵向延伸比副绝热层4要短，这样在管道C的外部和副绝热层4之间造成了另外的凸起。

保护膜13可以环绕副绝热层4布置，用以防止其被混凝土侵入。

混凝土涂层3被浇铸和填充在位于管道中心部分(管1，绝热层2，管3，绝热层4和任何保护膜13)和保护外壳6之间的管状空间。中空管12沿着纵向且贯穿管段T的全长布置。该中空管12可以具有圆形截面。

混凝土涂层5使得可以为空管提供一个高于海水密度的整体密度，因此管道C在空的状态下可以自然地保持在海洋的底部(加载的混凝土密度约为3)。浸入的管的表观质量应大于10kg/m。这就限制了管道C参与的移动从而限制了其损坏。中空管12使得不仅可以在环绕混凝土涂层5的保护外壳6泄漏后清除混凝土涂层5中的海水的渗透；而且可以排出由于浇铸的混凝土的干燥所产生的水，且在合适的位置还可循环惰性气体。该中空管12的功能是对所述管道进行排水和通风。

保护膜13可选地环绕副绝热层4布置，其功能是当混凝土浇铸到保护外壳6内时，防止混凝土5的浮浆侵入到副绝热层4。该保护膜13也可以保护副绝热层4免受混凝土涂层5的磨损效应，以及在通过液化气的过程中，由于热收缩的差别而导致的在副绝热层4和混凝土涂层5之间的任何摩擦。

管道C是由管段T在端部E处进行端对端地连接形成的。例如，管段T测量为4m长。该管段被端对端地连接成所需长度(例如大约5000m)的管道C。显然，管段T的长度及其数量可以依据其应用来变化。如上所述，组成管段T的多个元件相对于彼此的纵向延伸沿着径向向外的方向减少。管段T的端部E的阶梯结构可以有助于将多个管段T焊接在一起的操作。具体而言，该结构制造出的凸起有助于进入最深层的结构，例如第一管1。这样制造的凸起也使得可以供给焊接操作用的附属部件，以及可以在连接区域内定位绝热材料的层。

两个管段T之间的连接结构在图7、8和9中表示。

两个相邻管段T1和T2的第一管1通过焊缝端对端地焊接。

接着，环绕第一管1的焊缝而设置两个主绝热层102：内主绝热层121和外主绝热层122。如图9所示，该内主绝热层121和外主绝热层122各由一对由绝热材料组成(例如可以是气凝胶的织物的形态)的半壳形成。两对半壳的连接平面互相垂直。

然后，两个管段T1和T2的第二管3在附属部件的辅助下被相互焊接在一起，根据所示实施例，该附属部件可以是半壳103的形式，也可以是开口环的形式。两个由不胀钢制成的半壳103以密封的方式通过周边焊缝与第二管3焊接在一起，以及通过纵向焊缝相互焊接在一起。

接着，环绕着连接第二管3的半壳103而设置两个副绝热层104：内副绝热层141和外副绝热层142。该内副绝热层141和外副绝热层142具有与上述的内主绝热层121和外主绝热层122相同的组成。外副绝热层142使得鞘15可以在其两个半壳的下部接合区域穿过。而且，光纤的鞘15在焊接半壳103后滑入该接合处，从而不会影响到该焊接。使用成对的用于主绝热层102和副绝热层104的预制的半壳，可以简化处理和安装绝热体的操作。使用不同颜色的成对的半壳更进一步简化了其布置。

接着，环绕着副绝热层104设有一对混凝土半壳105。各半壳105被中空管112在其上部生成线上沿纵向贯穿。在下半壳中的中空管112使得可以连接相连续的管段T1和T2的中空管12。

保护膜13(图9中未示)可以可选地增加在副绝热层104和混凝土半壳105之间。

最后，通过外部附属部件的辅助，将两个管段T1和T2的保护涂层6相连接，该附属部件有利的是与具有更大直径的相邻管6配对的开口环106。开口环106沿着管段之一沿纵向引入，直到位于连接的位置，从而使得通过两道密封的周边焊缝将该开口环106焊接到相邻管段T1和T2的保护涂层6的端部。

确定尺寸的具体实例

第一管1的内径是800mm，厚度是3mm。通过压降的第一次估计来调整内径。作为甲烷油船的泵的滞点压力的函数，第一管1的厚度定为3mm，使得应力等于屈服强度的66％。

主绝热层2的厚度是40mm。第二管3的外径是892mm，其纵向延伸比第一管1要短，在两端E各短150mm。

副绝热层4的厚度也为40mm，其纵向延伸比第二管3要短，在两端E各短100mm。

保护外壳6的厚度约为16mm。

混凝土涂层5的厚度约为55mm，中空管12的直径约为40mm。

4000mm的管段T，第一管1的长度为4000mm，主绝热层2和第二管3的长度为3700mm，副绝热层4、保护膜13和保护外壳6的长度为3500mm，以及混凝土涂层的长度为3480mm。

如图10所示，下面描述海运码头，其中上述管道C用于在装载和卸载站P及地面装置I之间传送液化气。标号75指的是海平面。

装载和卸载站P指的是固定的海上装置。装载和卸载站P包括移动臂71和平台24，该平台由柱子70支承同时支承该移动臂71。固定的混凝土塔25建造在平台24的下面。该移动臂71带有套筒(图10中未示)，该套筒可以和基于现有技术的甲烷油船的装载/卸载管线相连。该移动臂71和连接管23相连，该连接管23在平台24和固定塔25内的海床F之间延伸。在固定塔25的底部，连接管23通过嵌入到混凝土26内的固定支座部件B与管道C连接。

装载和卸载站P通过其可旋转的移动臂71(适用于所有规格的甲烷油船)使其可以为甲烷油船(未示)装载液体或从甲烷油船上卸载液体。

地面装置I同样包括连接管23a，该连接管与液化气储罐(未示)连接并且延伸到固定塔25a内的海床F。在固定塔25a的底部，连接管23a同样通过嵌入到混凝土26内的固定支座部件B与管道C连接。未浸入的连接管23和23a可以根据现有技术设计，例如以衬有合适的绝热体并及设有补偿系统的不锈钢管的形式。

管道C的端部锚接在装载或卸载站P以及地面装置I的固定支座部件B上。

连接装载和卸载站P以及地面装置I的管道C位于海床F上。液化气可以在装载或卸载站P及地面装置I间长距离(例如5公里)地传送，该长距离使得站P可以布置成离海岸有很长的距离。两根基于上述例子确定尺寸的管道C可以运输流量为6000m³/h的液化气，这使得144000m³的甲烷油船的货物可以在十二小时内运送完。

基于本发明的管道C也可以安装在装载和卸载站P与地面装置I之间用以传递蒸汽状的气体。该管道与两种前述的传输液化气的管道在功能上不相同但物理上相同。在对甲烷油船卸载的过程中，该管道用于向甲烷油船传送用于替代被卸载的液化气体积所需要的蒸汽状的气体体积。

管道C的布置包括以下步骤：在地面上预装管段T，然后在海中装配该预装管段T，以及将管道C与固定的支座部分B连接。为了使海中装配操作的次数最小化，可以例如以40m至60m为单元来预装该4m长的管段。接着可以设想从S-驳船上来装配该预装的40m至60m的管段T。该驳船必须配有支架，用以支承悬挂在海床F和驳船之间的部分管道C。也可以设想从地面上安装。

图11表示了管道C与固定支座部件B的连接。各个固定支座部件B由多个元件组成，即：内部夹子17、外部夹子18和盖子19。

内部夹子17包括管17b，该管17b的内表面有台肩17c，外表面有径向凸出的周边环圈17a。外径从环圈17a朝着面向盖子19的端部的方向减小。

外部夹子18包括三个部件：管18b，径向外部周边环圈18a，其端部面向盖子19，位于管18b的两端之间的径向内部环形环圈18c。环形环圈18c的内径基本对应于位于环圈17a和面向管道C的端部之间的管17b在该部分的外径。外部夹子18包括一系列设在环圈18a的面向盖子19的表面上的螺销18d。外部夹子18的外径在其容纳于环圈18a和端部S3(与管道C的保护外壳6连接)之间的部分稍微减少。

盖子19大致为盘形，该盖子被孔19b沿纵向贯穿，该孔设在与盖子的旋转轴同心的圆上。该盖子19有一个中心开口孔19c，其直径基本对应于管17b的外径。该盖子19还有从其远离外部夹子18的表面凸出的肋19a，该肋不仅促进了传热而且加强了盖子19。

最后，混凝土26环绕管18b的外表面及连接该管的管道C的端部E的外表面。

下面描述将管道C装配到固定支座部件B上的方法。

管道C的端部E优选是在水外面装配到固定支座部件B上，接着，在装配了塞子(stopper)之后，将该组件浸入水中使其可以固定到混凝土中。首先，管道C的端部E被推入到内部夹子17的管17b的管孔内，而没有接触到台肩17c。将第一管1的端部焊接在位于端部S1和台肩17c之间的管17b的内表面。对第二管3来说，其被焊接在位于端部S2和外部夹子18的径向内部环圈18c之间的管17b的外表面，该管17b在整个该部分的厚度精确对应于容纳于第一管1和第二管3之间的厚度。

绝热元件22布置在环圈18c和副绝热层4及混凝土涂层5的端部之间确定的空间内。绝热元件22使得副绝热层4及混凝土涂层5的绝热体可以在外部夹子18内延伸。

通过在径向内部环圈18c和内部夹子17的径向外部环圈17a之间插入第一定位楔20a，使内部夹子17相对于外部夹子18纵向定位。在端部S3进行焊接用以固定保护外壳6和外部夹子18。远离第一定位楔20a的第二定位楔20b布置成抵住环圈17a。

通过穿过孔19b连接销18d，将盖子19布置成抵住第二定位楔20b和径向外部环圈18a。然后，通过拧到销18d上的螺母21，使盖子19保持为支承接触。该盖子19抵着楔20b，使得外部夹子18内的内部夹子17固定。

也可以设想在水下安装固定支座部件B。

因此，由于管道C的两端E锚固在固定支座部件B上，该管道C可以在装载和卸载站P与地面装置I之间在张力下布置，而不用设置用于补偿热收缩的装置。结果导致压降的减少和运输流量的提高。固定支座部件B的设计和固定的方式使得可以抵抗由于运输液化气造成的热收缩。这样固定支座部件B就构成了用于吸收热负荷的元件。由于管1和3的急剧冷却以及在合适的位置由于外部保护外壳6(其温度跟随周围环境的温度)的冷却而引起的张力在卸载运行中得到部分补偿，该补偿通过对应于管1中的压降(施加于流动截面)的底部效应(bottom effect)来实现。但是，与由于材料收缩产生的应力相比较，由于底部效应产生的应力是低的。

当然，上述例子中的尺寸既不是必要的也不是限定的，而是每次都应该适合目标应用所加的限制。

下面给出确定具有圆形截面的管的尺寸的方法，该管承受内压和外压，就管道C而言，该管是密封管1和3以及保护外壳6。

管所承受的内压(Pint)和外压(Pext)是已知的。接着就可以用下面的公式来计算其最小厚度(eMin)：

$\mathrm{eMin}=\frac{\mathrm{Peff}\×d}{2A\×\mathrm{Rpe}}+C$

其中：

Peff＝|(Pint-Pext)|

$\mathrm{Rpe}=\frac{\mathrm{Re}}{S}$

其中d：管的内径(mm)

Peff：压差(MPa)

Rpe：材料的实际张力(MPa)

Re：材料的屈服强度(MPa)

S：安全系数＞1

A：取决于管形成方法的装配系数

C：腐蚀余量(mm)

举例说明：所附表1给出了确定在海下深度为35m的管道C的尺寸的例子。所用内部计算压力是运送液体的甲烷油船的泵的滞点压力的1.5倍，即15bar。该15bar的压力预计由第一管1以及在合适的位置由第二管3来承受，如果第一管1弯曲，则第二管必须抵抗该压力。保护外壳6必须抵抗两倍的浸入压力，即大约7bar。因为位于管3和外壳6之间的空间通过支座部件B与大气连通，水下的保护外壳6的内压是大气压。由于浸入到水下30m加上5m的潮汐带，该保护外壳的外压6约为3.5bar。

用于抵抗各管内压的最小厚度eMin是：第一管1为1.49mm，第二管3为1.75mm。当管道C浸入到水下30m时，保护外壳6的最小厚度预计为2.63mm。

但是，在实际中且考虑到安全的原因，在上述的数值例子中，第一管1和第二管3的厚度选为3mm，保护外壳6的厚度选为16mm。

根据上述的数值例子，用于海下运输液化甲烷的管道C在其厚度范围内的温度分布如图12所示。该图将工作温度(以℃为单位)表示为距管道C中心的距离(以mm为单位)的函数。该工作温度是指当运输液化气时，管道的各种元件内的温度。曲线72代表管C的外部温度为4℃时的情形，曲线73代表的是管C的外部温度为30℃时的情形。

这两根曲线具有相同的大致路线。从管道C的中心朝向管道外部温度升高。每条曲线由六个点组成。位于约-160℃的温度处的各曲线的第一点代表了第一管1内部的温度，第二点代表了第一管1外部的温度，第三点代表了第二管3内部的温度，第四点代表了第二管3外部的温度，第五点代表了混凝土涂层5外部的温度，以及第六点代表了保护外壳6外部的温度，即周围海洋的环境温度。

在曲线72和73的第二点与第三点之间的温度梯度很陡。这意味着主绝热层2有效地实现了其作为绝热物的功能。

在曲线72和73的第三点与第四点处，第一条曲线72的温度约为-100℃，第二条曲线73的温度约为-85℃。可见在第二管3的区域内温度仍然很冷。

在曲线72和73的第四点与第五点之间，可以看出其梯度甚至比主绝热层2处更陡。这意味着副绝热层4比主绝热层2略微地更有效。

最后，在曲线72和73的第五点与第六点处，温度梯度几乎为零。这意味着混凝土涂层5和外壳6在管道C的绝热方面没有起到实质性的作用。

下面描述管道C的第二个实施例，其中，在运输液化气的过程中，第一管1或第二管3上的热收缩效应被沿着管道C的补偿机构所吸收。

基于第二个实施例的管段T的结构和基于第一个实施例的管段T的结构相同。因此第二个实施例的管段T的结构如图1至图5所示。

基于第二个实施例的管道C在管段之间包括与第一个实施例不同的连接件，因为该连接件包括与第一管1和/或第二管3相互连接的用于补偿热收缩的系统30。

用于补偿热收缩的系统30被部分表示在图13中。该系统是一个管状套筒31，其两端的内径对应于所连接的第一管1或第二管3的外径。上述后一个特征使得该套筒31可以容纳第一管1或第二管3的端部。这样，套筒31的端部34就通过密封的周边焊缝与第一管1或第二管3的表面焊接在一起。在图13中，套筒31与属于两个相邻管段T1和T2的两个第一管1或第二管连接。

套筒31由一种使其可以与相邻管3进行可调整的装配(例如通过粘接或焊接)的材料构成。该套筒在其中部位置至少有一个手风琴状的周边径向皱褶32，即示例中的三条皱褶32。在运输液化气的过程中，由皱褶32形成的结构与由温度变化而导致的相应的管的变形相一致进行伸缩。这样，套筒31构成了用于局部吸收热效应的元件。

在第二个实施例的连接件中，用于补偿热收缩的系统30跨装于两个相邻管段T1和T2的第二管3上，即代替第一个实施例中的附属部件103，以及/或在第一管1之间。构成该连接件的其它元件(主绝热层102、副绝热层104、混凝土涂层105和保护外壳6的开口环106)与第一个实施例中的元件相同。

管道C的第二个实施例的有利之处在于可以使得第一管1和/或第二管3由一种材料构成，该材料(例如不锈钢、各种合金或复合物)与第一个实施例相比不具有低膨胀系数。这导致了经济上的收益。在该情况下，补偿系统用于由不锈钢或另一种可膨胀材料制成的管中。不由低膨胀系数的材料组成的管在急剧冷却下表现出强烈的纵向收缩，在没有合适补偿的情况下，其结果可能是锚固处从管道C的端部被拉离，或者是如果锚定件用于抵抗该应力时，该管自身被撕裂。

但是，在由可膨胀材料制成的管中，基于图7至图9的连接件也可以用于替代补偿系统30。于是，不具有补偿系统30的连接件的结构就和第一个实施例中的连接件的结构相同，只是用于焊接第二管3的那对半壳103是由一种材料制成，该材料不必具有低的热膨胀，但是该材料与装配的方法相适应。

在第二个实施例中，也可以使用不胀钢管1和3。在该第二个实施例中，也可以设想设计一种管道C，其中管1或3之一是由低膨胀系数的材料制成，另一根管则不是。通过有限元来进行完整的计算使得可以分情况决定是否需要局部吸收热效应。

参考图10和图11，也可以用与第一个实施例相同的方式通过固定支座B来将基于第二个实施例的管道C的端部锚接到装载和卸载站P以及地面装置I上。

下面描述图14所示的第三个实施例。

在上述给出尺寸的例子中，认为有必要使第二管3能够承受泵的滞点压力的1.5倍。如果第一管1的净破裂是非常不可能的，在实际中只有管1的潜在泄漏或多孔区域应当被预想到，则上述要求可能显得太严格了。

因此可以更适当地确定第二管3的尺寸，设想例如有效计算压力为0.2MPa。由复合物制成的专用管可以很容易地满足该要求。

在该第三个实施例中，管道可以与前述实施例中的管道不同，不同之处在于该管道包括由复合物制成的第二管3。根据该最后的实施例，相邻的第二管3的端部通过由柔性复合物(例如注册商标为Triplex)制成的连接盖203所连接，该连接盖的端部203a与相邻的第二管3的端部的外表面重合并粘接在一起。

该复合物由例如纤维加强的聚合物树组成，如用玻璃或碳纤维加强的聚酯或环氧树脂，该纤维可选为编织成的。而且，该复合物可以合成为能够展示出机械特性用以验证标准：Re＞E.α.ΔT。

Triplex是一种包含三层的材料，即两个玻璃纤维织物的外层和一个薄金属片的中间层。Triplex专门由Hutchinson销售。

该管道的其它相同的特点具有与前面实施例中同样的参考。各种元件的大体构造和管道的使用在该实施例中保持不变。

使用由复合物制成的第二管3使得制造管道的成本极大地降低。

尽管本发明结合了多个特定实施例来描述，但决不是说仅限于此，在本发明的范围内，所有与前述机构及其合成相等同的技术都包括在内。

表1：确定位于海下35m深的管道C的尺寸的例子

	Pint(MPa)	Pext(MPa)	Peff(MPa)	D(mm)	A	C％	S	Re(MPa)	Rpe(MPa)	eMin(mm)
												第一管1	1.6	0.1	1.5	800	0.9	0.00	15	670	446.67	1.49	C冷
第二管3	1.6	0.1	1.5	886	0.9	0.00	1.11	470	42.3	1.75	A在20℃
												保护外壳6	0.1	0.45	-0.35	1118	0.9	0.33	2	215	107.5	2.63	A在20℃

Claims (21)

1.绝热管道(T，C)，其从内到外包括：

-第一密封管(1)，

-第一绝热层(2)，

-第二密封管(3)，

-由绝热材料制成的第二绝热层(4)，以及

-由密度高于海水的材料制成的镇重物(5)，

其特征在于：所述第一绝热层(2)是由绝热材料制成的，所述管道另外还包括在所述镇重物(5)的外部的密封的抗冲击的保护外壳(6)。

2.根据权利要求1所述的管道，其特征在于：由第一管(1)、第二管(3)和保护外壳(6)组成的组中，至少有一个元件具有如下的机械特征：

Re＞E.α.ΔT

其中，E是组成材料的弹性模量，

α是组成材料的热膨胀系数，

ΔT是所述元件的工作温度和环境温度的差，

以及Re是材料在所述元件的工作温度下的屈服强度。

3.根据权利要求1或2所述的管道，其特征在于：至少有一个所述管道(1，3)设有至少一个用于补偿热收缩的系统(30)。

4.根据权利要求3所述的管道，其特征在于：用于补偿热收缩的所述系统(30)采用套筒(31)的形式，所述套筒包括至少一个径向皱褶(32)。

5.根据权利要求1至4中的一个所述的管道，其特征在于：由第一管(1)、第二管(3)和保护外壳(6)组成的组中，至少有一个元件在其端部被锚接在固定支座(B)上，所述固定支座吸收所述元件受的热应力。

6.根据权利要求1至5中的一个所述的管道，其特征在于：至少有一个绝热层(2，4)是由在环境温度下导热系数低于20.10^-3W.m^-1.K^-1的材料制成的，优选的是该导热系数在-160℃时低于16.10^-3W.m^-1.K^-1。

7.根据权利要求6所述的管道，其特征在于：至少有一个绝热层(2，4)是由气凝胶型的多孔纳米材料制成的。

8.根据权利要求1至7中的一个所述的管道，其特征在于：至少有一根所述密封管(1，3)是由具有高镍成分的合金组成的。

9.根据权利要求1至8中的一个所述的管道，其特征在于：第二密封管(3)是由基于聚合物树脂的复合物制成的。

10.根据权利要求1至9中的一个所述的管道，其特征在于：所述镇重物(5)由一种材料组成，该材料能够以液态、粉状或颗粒状的形式被浇铸到容纳于第二绝热层(4)和保护外壳(6)之间的柱状空间内。

11.根据权利要求10所述的管道，其特征在于：所述镇重物(5)包括混凝土。

12.根据权利要求11所述的管道，其特征在于：所述镇重物(5)包含至少一个设于后者内的中空管(12)。

13.根据权利要求1至12中的一个所述的管道，其特征在于：至少有一个绝热层(2，4)是呈粉末或颗粒的形态，从而使其能够被浇铸到要容纳它的容积内。

14.根据权利要求13所述的管道，其特征在于：所述呈粉末或颗粒形态的绝热层(2，4)包含至少一个管段，该管段在其纵向的两端被由绝热材料制成的阻塞装置(8)所封闭。

15.根据权利要求13或14所述的管道，其特征在于：所述呈粉末或颗粒形态的绝热层(2，4)包含至少一个由绝热材料制成的间隔条(14)，该间隔条设为与所述管道平行，其厚度基本等于所述绝热层(2，4)的厚度。

16.根据权利要求1至15中的一个所述的管道，其特征在于：该管道由可以端对端连接的预制段(T)组成。

17.根据权利要求16所述的管道，其特征在于：所述管段(T)有至少一个阶梯状的端部(E)，所述管段(T)的组成元件沿着径向向外的方向具有相对减少的纵向延伸。

18.根据权利要求1至17中的一个所述的管道，其特征在于：在第一管(1)和保护外壳(6)之间，用于探测泄漏的装置沿着纵向遍及所述管道(C)的全长布置。

19.根据权利要求1至18中的一个所述的管道(C)的应用，其用于运输低温流体。

20.根据权利要求18所述的应用，其中惰性气体通过至少一个绝热层(2，4)循环。

21.用于运输液化气的海运码头，其特征在于：所述海运码头包括装载和卸载站(P)，该装载和卸载站(P)通过至少一根根据权利要求1至20之一所述的管道与地面装置(I)连接。

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