DE69609726T2

DE69609726T2 - Biegsame rohrkupplung

Info

Publication number: DE69609726T2
Application number: DE69609726T
Authority: DE
Inventors: Antonius Bakker; Fui Liew
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2016-11-28
Also published as: TW321712B; MX9804134A; MY120682A; DE69609726D1; JP2000500848A; ZA969909B; JP3948748B2; KR100443294B1; AR004740A1; KR19990071687A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine flexible Verbindung zur Verwendung in Leitungen und Gefäßen, durch welche ein Fluid strömt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine flexible Verbindung für den Einsatz unter aggressiven Bedingungen, wie hohen Temperaturen, und zur Handhabung von Fluiden korrosiver oder abrasiver Art.
Die Notwendigkeit für flexible Verbindungen in Leitungen und Gefäßen tritt häufig beim Entwurf und der Konstruktion von chemischen Prozeßanlagen auf. In vielen Bereichen sind herkömmliche Gefäß- und Rohrkonstruktionen für die herrschenden Prozeßbetriebsbedingungen zu starr und der Betrieb einer solchen starren Konstruktion würde zu einem unannehmbar rascher. Abnutzen und Ausfallen der Prozeßausrüstung führen. Demgemäß besteht ein Bedarf für eine flexible Verbindung, die in die Wand eines Gefäßes oder Rohres integriert werden kann und welche flexible Verbindung das notwendige Maß an Flexiblität mit der geforderten Integrität kombiniert, um den Prozeßbetriebsbedingungen zu widerstehen. Entwürfe von flexiblen Verbindungen gibt es seit vielen Jahren. Für eine allgemeine Erörterung von flexiblen Verbindungen für den Einsatz in Rohrkonstruktionen wird auf das Chemical Engineers' Handbook, Fünfte Ausgabe, ausgegeben von R. H. Perry und C. H. Chilton, Seiten 6-48, verwiesen. Eine typische flexible Verbindung zum Einsatz in einem Gefäß, Rohr od. dgl. weist einen ersten und einen zweiten starren Wandabschnitt auf, die über einen flexiblen Wandabschnitt verbunden sind. Die drei Wandabschnitte definieren einen Längsdurchlaß, durch den ein Prozeßfluid strömen kann, und sind entlang der Länge des Durchlasses angeordnet. Der flexible Wandabschnitt liegt typischerweise in Form einer gewellten Wand vor, die in der Technik häufig als "Balg" bezeichnet wird.
In letzter Zeit hat es sich mit dem Fortschritt der chemischen Prozesse als notwendig erwiesen, flexible Verbindungen vorzusehen, die sogar noch härteren Umgebungsbedingungen widerstehen können, wie der Einwirkung von Fluiden mit hohen Temperaturen, korrosiven Fluiden und abrasiven Fluiden. Ein Beispiel einer besonders harten Prozeßumgebung findet sich beim fluidkatalytischen Cracken von Kohlenwasserstoffen, bei welchem es notwendig ist, Fluide einzuschließen und zu transportieren, die Kohlenwasserstoffdämpfe und mitgerissene Katalysatorpartikel auf hohen Temperaturen enthalten. Typische Prozeßbetriebstemperaturen liegen in der Größenordnung von 550ºC in der Reaktionsstufe und 750ºC in der Regenerationsstufe. Es ist leicht zu sehen, daß solch hohe Betriebstemperaturen und die Anwesenheit einer abrasiven Komponente, wie des Crackkatalysators, eine sehr aggressive Umgebung für den flexiblen Abschnitt der flexiblen Verbindung entstehen lassen. Um einen vorzeitigen Ausfall des flexiblen Abschnittes der Verbindung zu verhindern, hat es sich als notwendig erwiesen, die Verbindung aus geeigneten widerstandsfähigen Materialien zu fertigen, beispielsweise Stahllegierungen, und den flexiblen Abschnitt gegenüber einer direkten Einwirkung der Prozeßfluide zu schützen.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 445 352 offenbart eine flexible Verbindung mit einem ersten starren Wandabschnitt, einem zweiten starren Wandabschnitt und einem flexiblen Wandabschnitt, dessen Enden mit den starren Wandabschnitten verschweißt sind, welche drei Wandabschnitte einen Längsdurchlaß durch die Verbindung definieren, welche Verbindung weiters ein Hülsenelement mit einer Hülse aufweist, deren eines Ende am ersten starren Wandabschnitt befestigt ist und deren anderes Ende sich in den zweiten starren Wandabschnitt hineinerstreckt, wobei der Außendurchmesser der Hülse kleiner ist als der Innendurchmesser des flexiblen Wandabschnittes und kleiner als der Innendurchmesser des zweiten starren Wandabschnittes.
Die bekannte flexible Verbindung weist ferner ein Gehäuse auf, das mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt ist, welches auf der Außenoberfläche der Hülse angeordnet ist, und eine Dichtung, die zwischen dem freien Ende der Hülse und dem zweiten starren Wandabschnitt liegt. In einer Modifikation sind der dem Durchlaß zugewandte Teil des ersten starren Wandabschnittes, die Innenseite der Hülse und die Innenseite des zweiten starren Wandabschnittes mit einer Schicht aus erosionsbeständigem Material versehen.
Die zwischen dem freien Ende der Hülse und dem zweiten starren Wandabschnitt angeordnete Dichtung dient dazu, das wärmeisolierende Material zurückzuhalten und das Eindringen von Prozeßfluid und Schmutz in den Hohlraum zu beschränken. Diese Konstruktion schafft eine verbesserte Wärmeisolierung für den flexiblen Abschnitt der Verbindung. Sie ist jedoch im Aufbau komplizierter und schwieriger zu warten. Zusätzlich wurde gefunden, daß die Abdichtung sich auf Grund von Korrosion, Versprödung und/oder der Relativbewegung zwischen der Hülse und dem zweiten starren Wandabschnitt abnützt, was zu einem eventuellen Ausfall der Dichtung führt. Dichtungsabrieb oder -reste können dann vom Prozeßfluid in andere Teile der Anlage getragen werden, was zu Verstopfungen und Schäden der Anlagenausrüstung führen kann.
Wenn die Dichtung sich verschlechtert hat, kann auch heiße Prozeßflüssigkeit in den Ringraum zwischen dem Hülsenelement und dem flexiblen Wandabschnitt eintreten. Das Prozeßfluid bildet dann eine stagnierende Schicht, die zur Wärmeisolierung beiträgt. Am Eingang der ringförmigen Zone wird die Fluidströmung jedoch turbulent sein, und dadurch steht Prozeßfluid hoher Temperatur in direktem Kontakt mit dem zweiten starren Wandabschnitt. Dieser Kontakt erhöht die Temperatur des zweiten Wandabschnittes. Obwohl dies nicht den zweiten Wandabschnitt selbst beeinträchtigen wird, beeinträchtigt es doch die Schweißstelle zwischen dem flexiblen Wandabschnitt und dem zweiten starren Wandabschnitt.
Demgemäß besteht ein Bedarf für eine flexible Verbindung, welche sowohl einfache Konstruktion als auch leichte Wartbarkeit in sich vereint, während sie gleichzeitig den notwendigen Schutz für den flexiblen Abschnitt der Verbindung gegenüber der hohen Prozeßfluidtemperatur bietet, welche herrscht. Insbesondere besteht ein Bedarf für eine flexible Verbindung, welche eine Kontrolle des genauen Ausmaßes an Wärmeisolierung des flexiblen Wandabschnittes ermöglicht. Dies ist bei solchen Anwendungen wie dem oben erwähnten fluidkatalytischen Crackprozeß wichtig, wo der flexible Wandabschnitt auf einer Temperatur gehalten werden muß, die signifikant unter der Temperatur des Prozeßfluides ist, während er auf einer Temperatur ist, die über dem Taupunkt der gerade verarbeiteten Kohlenwasserstoffdämpfe liegt. Ein zu großes Maß an Isolierung würde dazu führen, daß die Temperatur des flexiblen Wandabschnittes unter den Taupunkt des Prozeßfluides fällt, was das Auftreten von Kondensation an der Innenseite der flexiblen Verbindung bewirken könnte. Dies könnte wiederum zu Korrosion und einem vorzeitigen Ausfall des flexiblen Wandabschnittes führen.
Darüber hinaus sollte ein Ausfall der Schweißstelle zwischen dem flexiblen Wandabschnitt und dem zweiten Endabschnitt vermieden werden.
Zu diesem Zweck weist die flexible Verbindung gemäß der vorliegenden. Erfindung einen ersten starren Wandabschnitt, einen zweiten starren Wandabschnitt und einen flexiblen Wandabschnitt auf, dessen Enden mit den starren Wandabschnitten verschweißt sind, welche drei Wandabschnitte einen Längsdurchlaß durch die Verbindung definieren und entlang der Länge des Durchlasses angeordnet sind, welche flexible Verbindung ferner ein Hülsenelement mit einer Hülse aufweist, deren eines Ende am ersten starren Wandabschnitt befestigt ist und deren anderes Ende sich in den zweiten starren Wandabschnitt hineinerstreckt, wobei der dem Durchlaß zugewandte Teil des ersten starren Wandabschnittes, die Innenseite der Hülse und die Innenseite des zweiten starren Wandabschnittes mit einer Schicht aus erosionsbeständigem Material versehen sind, wobei der Außendurchmesser des Hülsenelementes kleiner als der Innendurchmesser des flexiblen Wandabschnittes und kleiner als der Innendurchmesser der Schicht aus erosionsbeständigem Material auf dem zweiten Wandabschnitt ist, und wobei der zweite starre Wandabschnitt weiters mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material versehen ist, die zwischen dem zweiten Wandabschnitt und der Schicht aus erosionsbeständigem Material liegt.
Die Anmelderin hat gefunden, daß die Anwesenheit des wärmeisolierenden Materials im normalen Betrieb die Temperatur des zweiten starren Wandabschnittes so reduziert, daß ein Schaden an der Schweißung verhindert wird, so daß die Betriebsdauer der flexiblen Verbindung erhöht wird.
Die flexible Verbindung kann in die Wand eines Gefäßes, oder typischer, in eine Leitung oder Pipeline eingebaut sein. Im Querschnitt können die Wandabschnitte der flexiblen Verbindung jede beliebige geeignete Form haben, angepaßt an den Querschnitt des Gefäßes oder der Leitung, in welches bzw. welche die Verbindung eingebaut werden soll. Im typischsten Fall werden die starren Wandabschnitte im Querschnitt zylindrisch sein. Die starren Wandabschnitte sind typischerweise aus demselben Material wie die angrenzende Vorrichtung gefertigt. Typische Materialien sind u. a. Weichstahl, rostfreier Stahl und andere Stahllegierungen, wobei die Wahl von den herrschenden Prozeßbedingungen und dem aufzunehmenden Fluid abhängt.
Der flexible Wandabschnitt liegt zwischen dem ersten und dem zweiten starren Wandabschnitt und ist dafür bestimmt, die Relativbewegung zwischen den beiden starren Wandabschnitten zu absorbieren. Eine solche Bewegung tritt typischerweise z. B. auf Grund von Vibration und Druck- und Temperaturdifferenzen auf, die in der Prozeßausrüstung auftreten können. Der flexible Wandabschnitt kann jede beliebige geeignete Form haben. Am typischsten liegt der flexible Wandabschnitt in Form einer Wellung im Längsschnitt vor, häufiger bezeichnet als "Ziehharmonika" oder "Balg". Die Größe und Form der Wellungen werden entsprechend dem erforderlichen Maß an Flexibilität und Verstellung gewählt. Verfahren für die Auswahl und den Entwurf der flexiblen Wandabschnitte sind in der Technik gut bekannt. Der flexible Wandabschnitt kann aus jedem beliebigen geeigneten Material gefertigt sein, einschließlich jener, die zuvor in Verbindung mit dem Aufbau der starren Wandabschnitte genannt wurden. Der flexible Wandabschnitt, der im allgemeinen dünn ist, kann höheren Korrosions- und Versprödungsrißbeanspruchungen unterworfen sein als die starren Wandabschnitte. Demgemäß müssen widerstandsfähigere und folglich teurere Materialien für den flexiblen Wandabschnitt ausgewählt werden. Es ist jedoch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß allgemeiner verfügbare Materialien verwendet werden können, beispielsweise Inconel- und Incoloy-Legierungen.
Die Hülse erstreckt sich entlang des Durchlasses im Inneren der flexiblen Verbindung. An einem Ende ist die Hülse am ersten starren Wandabschnitt befestigt. Jedwede geeignete Befestigungsmittel können verwendet werden. Verschweißen ist ein am besten geeignetes Mittel zum Befestigen der Hülse am ersten starren Wandabschnitt. Die Hülse verläuft im Inneren des Durchlasses so, daß sie den zweiten starren Wandabschnitt überlappt. Die Hülse ist vom flexiblen Wandabschnitt beabstandet. Das verbleibende Ende der Hülse ist nicht befestigt, so daß sich die Hase relativ zum zweiten starren Wandabschritt bewegen kann. Typischerweise hat der Endabschnitt der den zweiten starren Wandabschnitt überlappenden Hülse vom zweiten starren Wandabschnitt einen Abstand.
In einer bevorzugten Anordnung geht das Hülsenelement vom ersten starren Wandabschnitt so aus, daß es eine kontinuierliche Wandoberfläche darbietet, wodurch es nur wenig oder gar kein Hindernis für die Fluidströmung durch die flexible Verbindung darstellt, d. h. die Hülse und ein Teil jeweils des ersten und des zweiten starren Wandabschnittes wirken zusammen, um einen im wesentlichen glattwandigen Durchlaß für die Fluidströmung durch die Verbindung zu bilden. Der geforderte Abstand des Hülsenelementes vom flexiblen Wandabschnitt wird erreicht, indem die Breite des vom flexiblen Wandabschnittes definierten Durchlasses größer ist als die nominale Breite der flexiblen Verbindung, d. h. die Breite des glattwandigen Durchlasses, der vom Hülsenelement und einem Abschnitt jeweils des ersten und des zweiten starren Wandabschnittes gebildet wird. Eine alternative, weniger bevorzugte Anordnung umfaßt ein Hülsenelement, welches sich in den Durchlaß hineinerstreckt, wodurch eine Einschränkung in dem Fluidströmungspfad durch die Verbindung geschaffen wird.
Die Hülse kann aus jedem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, das die geforderte Widerstandsfähigkeit gegenüber den Prozeßbetriebsbedingungen bietet. Typischerweise wird die Hülse aus demselben Material wie der erste und der zweite starre Wandabschnitt sein.
Es ist beabsichtigt, daß im Betrieb das Prozeßfluid den Ringraum zwischen dem Hülsenelement und dem flexiblen Wandabschnitt einnehmen darf. Prozeßfluid kann in diesen Raum zwischen dem freien Ende des Hülsenelementes und dem zweiten starren Wandabschnitt eintreten. Das Prozeßfluid im Ringraum ist verhältnismäßig ruhig und wirkt als Isolationsmedium für den flexiblen Wandabschnitt. Um zu ermöglichen, daß das Prozeßfluid im Ringraum ruhig bleibt, wird bevorzugt, daß der erste starre Wandabschnitt sich am stromaufwärtigen Ende der flexiblen Verbindung befindet, wenn sie montiert und in Gebrauch ist.
Wärmeisolierendes Material ist an einer Oberfläche der Hülse vorgesehen. Das Material kann an jener Oberfläche der Hülse befestigt sein, welche in direktem Kontakt mit dem verarbeiteten Prozeßfluid steht. Bevorzugt ist das Isolationsmaterial an der Oberfläche der Hülse befestigt, welche dem flexiblen Wandabschnitt zugewandt ist. Isolationsmaterial kann auf beide Oberflächen aufgebracht werden, falls gewünscht. Das wärmeisolierende Material kann aus einer Schicht aus Material bestehen oder kann mehrere Schichten umfassen. Wenn mehrere Schichten verwendet werden, können die Schichten aus demselben oder aus verschiedenem Material sein. Die Wahl der Anzahl und Lage der Schichten und der Art des wärmeisolierenden Materials hängt von den Prozeßbetriebsbedingungen ab, welchen die flexible Verbindung unterworfen sein wird, dem Material, aus dem der flexible Wandabschnitt aufgebaut ist, und der Art des gehandhabten Prozeßfluides. Das wärmeisolierende Material sollte eine geringe Wärmeleitfähigkeit bei hohen Betriebstemperaturen haben, so daß eine verhältnismäßig dünne Schicht des Materials das geforderte Ausmaß an Isolierung liefern kann. Das Material sollte bevorzugt einen Asche-, Schwefel- und Chloridgehalt so gering wie möglich haben. Das Material sollte zur Verwendung bei den herrschenden Betriebsbedingungen geeignet sein, beispielsweise Hochtemperaturbedingungen. Das Isolationsmaterialist bevorzugt ein faseriges keramisches Material. Geeignete Keramikmaterialien sind Fasern aus Silizium-, Aluminium-, Zirkonium-, Magne sium- oder Kalziumoxid und Mischungen daraus. Geeignete Materialien sind kommerziell erhältlich, beispielsweise unter den Marken "Saffil" und "Zircar". Alternative, weniger bevorzugte Materialien zur Verwendung als Isolationsmaterial sind unter anderem Graphit und Aschenpapier. Wiederum sind solche Materialien kommerziell erhältlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Schicht aus wärmeisolierendem Material auf der Hülse von einer Schutzhülse überdeckt. Die Schutzhülse bedeckt bevorzugt im wesentlichen das gesamte Isolationsmaterial, so daß ein Sandwich aus Hülsen und Isolationsmaterial gebildet wird. In einer Weiteren Ausführungsform ist die Schutzhülse an der Schicht aus Isolationsmaterial nicht befestigt, so daß sich die Schutzhülse relativ zum Isolationsmaterial bewegen kann. Dies erlaubt eine Relativbewegung zwischen den Komponenten, welche beispielsweise von den Auswirkungen einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung herrühren kann.
Die flexible Verbindung ist mit einer Schicht aus erosionsbeständigem Material in Form eines hitzebeständigen Oxids versehen, welches die an das Prozeßfluid angrenzende Oberfläche der Hülse bedeckt, wenn die Verbindung in Gebrauch ist. Geeignete hitzebeständige Materialien sind kommerziell erhältlich und in der Technik gut bekannt. Geeignete Materialien sind unter anderem Silizium-, Aluminium-, Titan-, Zirkonium-, Kalzium- oder Magnesiumoxid und Mischungen daraus. Ein geeignetes Material umfaßt eine Mischung aus Aluminium- und Siliziumoxid und ist unter der Marke "CURAS 90 PF" erhältlich. Das hitzebeständige Oxid wird typischerweise in Form eines Zementes oder in Ziegeln oder Blöcken aufgebracht. Die Schicht aus hitzebeständigem Oxid ist verhältnismäßig dick, verglichen mit jener der Schicht aus Isolationsmaterial. Das hitzebeständige Oxid ist porös, was einen gewissen Zutritt von Prozeßfluid zu der darunterliegenden Oberfläche gestattet. Ein Hauptzweck des hitzebeständigen Oxids ist es, die darunterliegende Oberfläche gegen Abrasion und Erosion zu schützen. Falls gewünscht kann die Schicht aus hitzebeständigem Oxid über eine Schicht aus Isolationsmaterial aufgebracht werden, welche die Oberfläche der Hülse bedeckt.
Die Schicht aus wärmeisolierendem Material, welche auf der Oberfläche des zweiten starren Wandabschnittes vorgesehen ist, sollte zumindest jenen Abschnitt der Oberfläche des zweiten starren Wandabschnittes bedecken, welcher von der Hülse überlappt wird. Noch stärker bevorzugt erstreckt sich die Schicht aus wärmeisolierendem Material über wesentlich mehr der Oberfläche des zweiten starren Wandabschnittes. Jedes der Materialien, die oben für die Verwendung als Schicht aus wärmeisolierendern Material auf der Hülse beschrieben wurden, kann verwendet werden. Wieder können eine oder mehrere Schichten verwendet werden, wobei die Schichten aus demselben oder verschiedenem Material aufgebaut sind. Die Schicht aus wärmeisolierendem Material ist mit einer Schicht aus hitzebeständigem Oxid bedeckt, wie zuvor hinsichtlich des hitzebeständigen Oxids erörtert wurde, das auf die Oberfläche der Hülse aufgebracht ist.
Wie oben erwähnt, hat das Hülsenelement Abstand vom flexiblen Wandabschnitt, was einen Ringraum bildet, in welchen Prozeßfluid während des Betriebes strömen kann. Das Prozeßfluid im Ringraum bildet ein Reservoir an verhältnismäßig ruhigem Fluid, welches als weitere Isolierung des flexiblen Wandabschnittes wirkt. Für die richtige Wirkung dieses Fluidreservoirs als Isolator ist es wichtig, daß es verhältnismäßig ruhig bleibt. Es wurde nun gefunden, daß die Konstruktion des freien Endabschnittes des Hülsenelementes und seine Beziehung zu dem zweiten starren Wandabschnitt eine wichtige Rolle bei den isolierenden Eigenschaften des Prozeßfluides im Ringraum spielt, insbesondere das Maß, um welches das Hülsenelement den zweiten starren Wandabschnitt überlappt.
Die Länge des den zweiten starren Wandabschnitt überlappenden Abschnittes des Hülsenelementes ist zumindest das Fünfache des Abstandes des Hülsenelementes vom zweiten starren Wandabschnitt, gemessen senkrecht zum Hülsenelement.
Bevorzugt beträgt die Länge des den zweiten starren Wandabschnitt überlappenden Abschnittes des Hülsenelementes zumindest 100 mm, noch stärker bevorzugt zumindest 200 mm, unter allen Bedingungen.
Es ist leicht zu ersehen, daß der Abstand zwischen dem freien Ende des Hülsenelementes und dem zweiten starren Wandabschnitt ausreichend sein muß, um jedwede Relativbewegung zwischen den beiden. Komponenten aufzunehmen, wenn die Verbindung in Betrieb ist. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeiten das Hülsenelement und ein Teil sowohl des ersten als auch des zweiten starren Wandabschnittes zusammen, um einen im wesentlichen glattwandigen Durchlaß für die Fluidströmung durch die Verbindung zu bilden. In diesen Fällen wird bevorzugt, daß der Abstand des freien Endes dar Hülse vom zweiten starren V3andabschnitt, gemessen entlang einer Linie parallel zur Längsachse der Hülse, zumindest 10 mm beträgt, noch stärker bevorzugt 25 mm unter allen Bedingungen.
Die flexible Verbindung der vorliegenden Erfindung kann bei jeder Anwendung eingesetzt werden, welche eine flexible Verwendung erfordert. Wie zuvor erwähnt ist die Verbindung besonders geeignet für eine Verwendung bei der Handhabung von Fluiden unter aggressiven Bedingungen, d. h. bei der Handhabung von Fluiden korrosiver Natur und/oder Fluiden unter Hochtemperaturbedingungen. Die Verwendung von hitzebeständigen Oxidmaterialien stattet die Verbindung auch mit einem hohen Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasiven und erosiven Fluiden aus. Die Verbindung kann bei allen Arten von chemischen Anlagen und Raffinerien eingesetzt werden. Wie zuvor erwähnt ist die Verbindung besonders nützlich bei Prozessen, welche fluidisierte Feststoffmedien einsetzen, wie dem fluidkatalytischen Cracken von Kohlenwasserstoffen od. dgl. Andere spezielle Anwendungen umfassen das Handhaben von Gasen bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise das Handhaben von heißen Abgasen.
Die vorliegende Erfindung wird an Hand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine Hälfte einer flexiblen Verbindung gemäß einer ersten Ausführungsform des ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teiles der Hülse einer flexiblen Verbindung gemäß einer zweiten Ausführungsform des ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Teiles der Hülse einer flexiblen Verbindung gemäß einer dritten Ausführungsform des ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teiles einer flexiblen Verbindung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 weist eine allgemein zylindrische Verbindung zur Verwendung in einer Prozeßpipeline, allgemein mit 2 bezeichnet, einen ersten starren Wandabschnitt 4 mit einem engen zylindrischen äußeren Endabschnitt 6 und einem weiten zylindrischen inneren Endabschnitt 10 auf, die über einen mittleren kegelstumpfförmigen Wandabschnitt 8 miteinander verbunden sind.
Ein allgemein zylindrischer flexibler Wandabschnitt 12 erstreckt sich vom inneren Ende des ersten starren Wandabschnittes 4 zu einem zweiten starren Wandabschnitt 14, welcher ähnliche Innenend-, Mittel- und Außenend-Wandabschnitte (16, 18 bzw. 20) wie der erste starre Wandabschnitt 4 besitzt, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Die Enden des flexiblen Wandabschnittes sind mit den starren Wandabschnitten verschweißt. Der erste Wandabschnitt, der flexible Wandabschnitt und der zweite Wandabschnitt 4, 12, 14 sind symmetrisch um eine einzige zentrale Längsachse angeordnet und definieren einen Durchlaß P.
Der flexible Wandabschnitt 12 besitzt eine gewellte Form im Querschnitt, die in der Technik allgemein verwendet wird und häufig auch als "Balg" bezeichnet wird.
Ein zylindrisches Hülsenelement 21 mit einer Hülse 22 liegt koaxial im Inneren der Wandabschnitte 4, 12, 14 und ist an einem Ende am ersten starren Wandabschnitt 4 im Bereich der Schnittstelle zwischen äußerem Endabschnitt 6 und zentralem Abschnitt 8 mit Hilfe von Schweißungen (nicht gezeigt) befestigt. Die Hülse 22 erstreckt sich über den flexiblen Wandabschnitt 12 hinaus und überlappt den inneren Endabschnitt des zweiten starren Wandabschnittes.
Eine Schicht 26 aus erosionsbeständigem Material ist auf der Innenoberfläche der Hülse 22 und einem Teil des ersten starren Wandabschnittes dem Durchlaß P zugewandt angeordnet. Darüber hinaus ist eine Schicht 28 aus erosionsbeständigem Material an der Innenseite des zweiten starren Wandabschnittes 20 angeordnet.
Der Außendurchmesser des Hülsenelementes ist kleiner als der kleinste Innendurchmesser des flexiblen Wandabschnittes 12 und kleiner als der Innendurchmesser der Schicht aus erosionsbeständigem Material 30 auf dem zweiten starren Wandabschnitt 20. Ferner liegt eine Schicht 30 aus wärmeisolierendem Material zwischen der Innenoberfläche des zweiten Wandabschnittes 20 und der Schicht 28 aus erosionsbeständigem Material.
Es versteht sich, daß herkömmliche weitere Bestandteile von flexiblen Verbindungen, wie expansionsbegrenzende Stäbe, ein Leckdetektorsystem, eine Wetterabdeckung und die Entgasungsverbindung zwecks Klarheit weggelassen wurden.
Im Betrieb ist die flexible Verbindung 2 von Fig. 1 so angeordnet, daß Prozeßfluid in Richtung vom ersten starren Wandabschnitt 4 zum zweiten starren Wandabschnitt 14 fließt, wie durch den Pfeil A angedeutet. Prozeßfluid tritt in den zwischen der Hülse 22 und dem flexiblen Wandabschnitt 12 verbleibenden Raum durch den Ring zwischen der Hülse 12 und dem inneren Endabschnitt 16 des zweiten starren Wandabschnittes 14 ein, um eine wärmeisolierende Schicht zu bilden.
Die Wärmeisolierung wird von einer stagnierenden Schicht von Prozeßfluid in dem Ringraum zwischen dem Hülsenelement 21 und dem flexiblen Wandelement 12 dargeboten. Das Fluid im Ringraum zwischen dem Hülsenelement 21 und dem Innenend-Wandabschnitt 16 des zweiten starren Wandabschnittes 14 wird ständig mit dem Prozeßfluid im Durchlaß P vermischt. Folglich würde in Abwesenheit der Schicht 30 aus wärmeisolierendem Material die Temperatur des Innenend-Wandabschnittes 16 auf ein solches Maß anheben, daß die Schweißung, mit welcher der flexible Wandabschnitt 12 am zweiten starren Wandabschnitt 14 befestigt ist, beeinträchtigt würde.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist darin eine vergrößerte Ansicht des Hülsenelementes 21 und des Isolationsmaterials gezeigt, das darauf im Bereich neben dem ersten starren Wandabschnitt 4 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform von Fig. 2 weist das Hülsenelement 2 eine Schicht aus wärmeisolierendem Material 32 auf, die auf der Innenoberfläche der Hülse 22 angeordnet ist. Die Schicht aus hitzebeständigem Oxid 34 erstreckt sich über der Schicht aus isolierendem Material 32.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3, welche eine alternative, besonders bevorzugte Ausführungsform in einer ähnlichen Ansicht wie Fig. 2 zeigt, weist das Hülsenelement 21 eine Schicht aus wärmeisolierendem Material 36 auf, die auf der Außenoberfläche der Hülse 22 liegt. Eine zylindrische Schutzhülse 38 erstreckt sich über der Schicht aus wärmeisolierendem Material 36. Die Schicht aus hitzebeständigem Oxid 26 liegt auf der Innenoberfläche der Hülse 22. Die Schicht aus wärmeisolierendem Material 36 und die Schutzhülse 38 sollten sich bevorzugt so nahe wie möglich bis zum ersten starren Wandabschnitt 4 erstrecken, während sie gleichzeitig einen ausreichenden Abstand zulassen, um jegliche Relativbewegung zwischen den verschiedenen Komponenten aufzunehmen. Raum wird beispielsweise in dem Fall erforderlich sein, in welchem die Schutzhülse 38 nicht starr an der Schicht aus wärmeisolierendem Material 36 befestigt ist.
Typischerweise besitzt bei den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen, die zur Anwendung in einer Pipeline bei dem oben genannten fluidkatalytischen Crackprozeß geeignet sind, die Hülse eine Dicke in der Größenordnung von 10 mm. Die Schicht aus isolierendem Material, oder mehrere Schichten davon, falls verwendet, besitzen eine Gesamtdicke in der Größenordnung von 3 bis 10 mm. Die Schicht aus hitzebeständigem Oxid besitzt eine Dicke in der Größenordnung von 25 mm. Die Schutzschicht, falls vorhanden, besitzt eine Dicke in der Größenordnung von 3 bis 6 mm. Es ist einfach zu ersehen, daß die Dicke der verschiedenen Komponenten von der betrachteten Anwendung vorgegeben wird.
Fig. 4 zeigt im Detail (nicht maßstabsgerecht) eine flexible Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung. Komponenten, die mit den oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen identisch sind, haben dasselbe Bezugszeichen in Fig. 4, und zwecks Klarheit wurde das wärmeisolierende Material des zweiten starren Wandabschnittes 14 nicht gezeigt. Somit erstreckt sich in Fig. 4 das Hülsenelement 21 so, daß es den inneren Endabschnitt 16 des zweiten starren Wandabschnittes 14 überlappt. Der Abstand d in Fig. 4 ist der Abstand zwischen der Außenoberfläche des Hülsenelementes 21 und der Innenoberfläche des inneren Endabschnittes 16, der mit der Schicht aus erosionsbeständigen Material 28 versehen ist, gemessen senkrecht zur Längsachse der Hülse 22. Die Überlappung des Hülsenelementes 21 im Inneren des zweiten starren Wandabschnittes 14, dargestellt durch den Abstand 1 in Fig. 4, beträgt zumindest das Fünffache des Abstandes d. Bevorzugt ist 1 zumindest 200 mm. Der Abstand a, gemessen vom Ende des Hülsenelementes 21 bis zum zweiten starren Wandabschnitt 14 entlang einer Linie parallel zur Längsachse der Hülse 22, beträgt zumindest 25 mm.
Die vorliegende Erfindung wird nun an Hand des folgenden veranschaulichenden Beispieles weiter beschrieben.

BEISPIEL

Die Betriebstemperatur des flexiblen Wandabschnittes einer flexiblen Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung kann berechnet werden. Eine flexible Verbindung wurde betrachtet, die die in Fig. 1 gezeigte allgemeine Struktur hat, wobei jedoch die Anordnung von Schichten aus isolierendem Material, Schutzhülse und Schicht aus hitzebeständigem Oxid verwendet wurde, die in Fig. 3 gezeigt ist. Es wurde angenommen, daß die Verbindung im Katalysatorstandrohr des Regenerators einer herkömmlichen fluidkatalytischen Crackanlage installiert ist. Es wurde angenommen, daß das gehandhabte Prozeßfluid Kohlenwasserstoffgase und mitgerissenen Katalysator umfaßt. Als "wcrst case"- Szenario wurde angenommen, daß der Raum zwischen der Hülse und dem flexiblen Wandabschnitt mit Gas gefüllt ist, wobei kein Katalysator vorhanden ist. Es wurde angenommen, daß die flexible Verbindung eine Geometrie am freien Ende der Hülse gemäß den Anforderungen des zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung hat, wie in Fig. 4 gezeigt. Details der Konstruktion der Verbindung, die Betriebstemperatur und die sich einstellende Temperatur des flexiblen Wandabschnittes der Verbindung sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt.
Zu Vergleichszwecken wurde eine ähnliche Berechnung für eine flexible Verbindung identischer Struktur, jedoch unter Weglassung der Isolationsmaterialien, durchgeführt. Die Details und Ergebnisse dieses Versuches sind ebenfalls in der Tabelle angeführt. TABELLE
Aus den Daten der Tabelle ist klar ersichtlich, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute flexible Verbindung zu einer signifikant geringeren Temperatur führt, welche der flexible Wandabschnitt der Verbindung erfährt. Dies führt wiederum zu einer verlängerten Lebensdauer der Verbindung und der Möglichkeit, allgemeiner erhältliche und somit wirtschaftlichere Konstruktionsmaterialien zu verwenden.

Claims

1. Flexible Verbindung (2) mit einem ersten starren Wandabschnitt (4), einem zweiten starren Wandabschnitt (14) und einem flexiblen Wandabschnitt (12), dessen Enden mit den starren Wandabschnitten (4, 14) verschweißt sind, welche drei Wandabschnitte einen Längsdurchlaß (P) durch die Verbindung definieren und entlang der Länge des Durchlasses angeordnet sind, wobei die flexible Verbindung (2) ferner ein Hülsenelement (21) mit einer Hülse (22) aufweist, deren eines Ende am ersten starren Wandabschnitt (4) befestigt ist und deren anderes Ende sich in den zweiten starren Wandabschnitt (14) hineinerstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Durchlaß (2) zugewandte Teil des ersten starren Wandabschnittes (4), die Innenseite der Hülse (22) und die Innenseite des zweiten starren Wandabschnittes (14) mit einer Schicht aus erosionsbeständigem Material (28) versehen sind, daß der Außendurchmesser des Hülsenelementes (21) kleiner als der Innendurchmesser des flexiblen Wandabschnittes (12) und kleiner als der Innendurchmesser der Schicht (28) aus erosionsbeständigem Material auf dem zweiten Wandabschnitt (14) ist, und daß der zweite starre Wandabschnitt (14) ferner mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material (30) versehen ist, die zwischen dem zweiten Wandabschnitt (14) und der Schicht aus erosionsbeständigem Material (28) liegt.

2. Flexible Verbindung nach Anspruch 1, bei welcher das Hülsenelement (21) und ein Abschnitt sowohl des ersten als auch des zweiten starren Wandabschnittes (4, 14) zusammenwirken, um einen im wesentlichen glattwandigen Durchlaß für die Fluidströmung durch die Verbindung zu bilden.

3. Flexible Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Hülsenelement (21) eine Schicht aus wärmeisolierendem Material (32) aufweist, die zwischen der Hülse (22) und der Schicht aus erosionsbeständigem Material (34) liegt.

4. Flexible Verbindung nach einem der Ansprüche 1-3, bei welcher eine Schicht aus wärmeisolierendem Material (36) auf der dem flexiblen Wandabschnitt (12) zugewandten Oberfläche der Hülse (22) liegt.

5. Flexible Verbindung nach Anspruch 4, bei welcher die Schicht aus wärmeisolierendem Material (36) des Hülsenelementes (21) von einer Schutzhülse (38) bedeckt ist.

6. Flexible Verbindung nach Anspruch 5, bei welcher die Schutzhülse (38) an der Schicht aus wärmeisolierendem Material (36) nicht befestigt ist, so daß sich die Schutzhülse (38) relativ zum wärmeisolierenden Material (36) bewegen kann.

7. Flexible Verbindung nach allem der Ansprüche 1-6, bei welcher das wärmeisolierende Material ein faseriges keramisches Material aufweist, bevorzugt ein Material mit Fasern aus Silizium-, Aluminium-, Zirkonium-, Magnesium- oder Kalziumoxid und Mischungen daraus.

8. Flexible Verbindung nach einem der Ansprüche 1-7, bei welcher das erosionsbeständige Material ein hitzebeständiges Oxid ist, geeignet ausgewählt aus der Gruppe: Silizium-, Aluminium-, Titanium-, Zirkonium-, Kalzium-, Maqnesiumoxid und Mischungen daraus.

9. Flexible Verbindung nach einem der Ansprüche 1-8, bei welcher die Länge des den zweiten starren Wandabschnitt (14) überlappenden Abschnittes des Hülsenelementes (21) zumindest das Fünffache des Abstandes des Hülsenelementes (21) von dem mit der Schicht aus erosionsbeständigem Material (28) versehenen zweiten starren Wandabschnitt (14) ist, gemessen senkrecht zur Hülse.

10. Flexible Verbindung nach Anspruch 3, bei welcher die Länge des den zweiten starren Wandabschnitt (14) überlappenden Abschnittes des Hülsenelementes (21) zumindest 100 mm, bevorzugt zumindest 200 mm, ist.

11. Verwendung einer flexiblen Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche beim fluidkatalytischen Cracken von Koh lenwasserstoffen od. dgl. oder bei der Handhabung von heißen Abgasen.