HU222891B1 - Szélsőséges hőáramsűrűségeknek ellenálló cső vagy tömlő - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya szélsőséges hőáramsűrűségnek ellenálló cső vagytömlő, amelynek perforált betétje és ezen betétet határoló külsővédőburkolata van. A találmány szerinti csövet vagy tömlőt azjellemzi, hogy a csőnek (10) vagy tömlőnek van egy körkörös gumi belsőrétege (11) és egy perforált köpenye (12), amely szoros érintkezésbenkörbefogja a körkörös gumi belső réteget (11) és amelyben lyukak vagyperforációk szorosan egymás mellett helyezkednek el, valamintlyukméretük a csőben (10) vagy tömlőben, a köpennyel (12) közvetlenülérintkezve, öntömítő és önvédő tulajdonságúnak 500 kW/m2-es hő-áramsűrűségnek is ellenállóan és az oltási folyamat teljes ideje alattfolyamatos folyadékáramot fenntartó nagyságúra van kialakítva. ŕ

Description

A találmány tárgya egy cső vagy tömlő, elsősorban tűzvédelmi célokra, mely ellenáll a szélsőséges hőáramsűrűségeknek.

Tűz esetén, a tűz természetétől függően, különbözően nagy hőáramsűrűségek lépnek fel magas hőmérsékletek kíséretében. Egy bonyolult, tüzelőanyagokat is égető tűz, úgynevezett cellulóztűz esetén a tűz területén a hőmérséklet folyamatosan nő, és 60 perc múlva 900 °C-t, majd 240 perc múlva 1150 °C-os maximális hőmérsékletet ér el. Az ezalatt fennálló hőáramsűrűség átlagosan körülbelül 60, maximálisan pedig körülbelül 100 kW/m². Szénhidrogéntelepeken bekövetkező tüzeknél és hasonló esetekben, a hőmérséklet sokkal gyorsabban nő, és a maximális 1150 °C-ot 20 perc alatt éri el. A hőáramsűrűség sokkal nagyobb, mint a cellulóztüzek esetében, átlag 200 kW/m², körülbelül 225 kW/m²-es csúcsértékekkel. A legsúlyosabb tűzfajta az úgynevezett sugaras tűz (jet fire), mely felléphet földgáz és különböző párlatok nagy nyomás alatti égésekor, mint például földgáztartályok esetén tengeren vagy szárazföldön egyaránt. Fúrószigetek és a hozzájuk tartozó szárazföldi létesítmények lehetnek ilyen tüzek színterei, és a bekövetkezett ilyen tűzesetek sok emberéletet követelve, katasztrofális következményekkel járnak. A sugaras tüzek esetében a hőmérséklet nagyon gyorsan (10-15 másodperc alatt) emelkedik 1300-1400 °Cosra, ahol a tűz jellemző hőáramsűrűsége 360 kW/m², ami körülbelül 500 kW/m²-ig nőhet.

Ezen tényekből fakadóan a tengeri és szárazföldi olaj- és gáztermelés magas követelményeket támaszt a tűzbiztonsággal és a tűzvédelemmel szemben, ezért a fúrószigetek fejlett, a tengerből vett, nagy mennyiségű víztömegek szivattyúzásán alapuló korszerű szóróberendezésekkel vannak felszerelve, melyek a sziget minden részébe szétágaznak. Manapság a hagyományos szóróberendezések gyakran különböző minőségű acélokból készülnek, habár próbálkoztak már más, a korróziónak jobban ellenálló anyagokkal is, mint például az SMO típusú, erősen ötvözött saválló acél, vagy drága anyagokkal, így például titán- és Cu-Ni ötvözetekkel is dolgoznak az agresszív tengervíz magas sótartalma okozta korróziós problémák miatt.

Valamennyi, a gyakorlatban használható fémes anyagnak azonban korlátozott a korrózióállósága, továbbá ezen fémes anyagok és ötvözetek rendkívül drágák, elsősorban a említett fémeknek, vagy az említett ötvözetek összetevőinek magas nyersanyagára miatt. Mivel emellett, az ilyen anyagokból készült elemek előállítási és összeszerelési költségei is magasak, ezért egy másfajta és nagyobb korrózióállóságú anyag alkalmazása lenne célszerű.

Különféle műanyagokat, mint például üvegszállal erősített epoxigyantákat alkalmaznak néhány, az olajés gázipar területén használatos csőhálózatban, így például tengeri fúrótornyokban és más alkalmazási területeken. A műanyag csövek önmagukban versenyképesek ugyan a költség szempontjából, de a beszerelés során nagyon óvatos és nagyon pontos kezelést és bánásmódot igényelnek, valamint átfogó tűzszigetelésük még a legegyszerűbb tengeri fúrótomyi és más létesítményekben való használat esetén is kötelező. Ezen feltételek viszont nagyon magas beszerelési, javítási és karbantartási költségeket eredményeznek. Természetesen, ezen anyagok sugaras tüzekkel szembeni ellenállása is nagyon változó, habár általánosan kijelenthető, hogy minél jobb a sugaras tüzekkel szembeni ellenállás, annál átfogóbb járulékos védelmi lépéseket kell megtenni, ami súlynövekedéssel és a csőhálózatokra fordítandó nagyobb költségekkel jár együtt.

Az egyik követelmény, ami egy szóróberendezéssel, vagy bármely más, tűzvédelmi célokra szánt csőhálózattal szemben fennáll, az, hogy képes legyen a tűz helyszínére vagy helyszíneire szánt folyadékot úgy szétosztani, hogy szállítás közben a szivattyúk által létrehozott nyomásnak és térfogatnak legalább egy jelentős része fennmaradjon. Ez a tulajdonság teszi lehetővé, hogy a szóróberendezés a kívánt módon működjön, a tüzek eloltása és terjedésük megelőzése érdekében folyadékot tudjon szétosztani a szóróberendezésbe épített szórófejeken keresztül. A szóróberendezés csőhálózata ezért légmentesen zárt, vagy legalábbis annyira jól szigetelt kell legyen, hogy a kívánt nyomást az összes szórófejhez vezető csőben, a csőhálózat legtávolabbi részein is fenn tudja tartani, még akkor is ha az oltási folyamat során végig sugaras tűznek van kitéve.

Az US 3 858 618 számú leírásból egy perforált belső műanyag betéttel ellátott cső vagy tömlő ismerhető meg, amely egy védőburkolattal is rendelkezik. A csövet a lángoktól csak ez a védőburkolat védi, és extrém körülmények között, mint például szúrólángszerű tűz esetén nem alkalmazható.

Bár a csövet vagy tömlőt csak a védőburkolat védi a lángtól, a fedél formájú kis átmérőjű lyukon átfolyó víz a műanyag betéten átpréselődve hűti a védőburkolatot, és így védi az a belső műanyag betétet a lángtól. A megoldás hátránya, hogy ha a műanyag betéten lévő lyukak átmérője nem megfelelő, a víz ezeken keresztül folyik, ezeken a lyukakon és a tömlőben víznyomáscsökkenést idézhet elő, és így a cső végrészen a szórófejben vízhiány léphet fel, amely veszélyezteti a tűzoltást.

Azon munkánk során, melyet a hajlékony, korrózióálló és megerősített gumin alapuló, a fém- és műanyag csöveket a tengeri olajtermelésben felváltani képes csövek kifejlesztéséért végeztünk az egyidejűleg bejelentett SE-A-9703109-0 számú, „Korrózió- és tűzálló csőhálózatok” című szabadalmi bejelentésünkben leírtak szerint, egy fémszövetből készült lángvédő pajzzsal is folytattunk kísérleteket. Ezen fejlesztési munkák közben meglepődve tapasztaltuk, hogy egy úgynevezett sugaras tűz próbapadon végzett kísérletsorozata során lehetőség nyílt egy öntömítő és egyben önvédő cső létrehozására, aminek köszönhetően a cső működése, azaz a nyomás alatti folyadék szétosztása, a sugaras tűz szélsőséges hőáramsűrűségeinek hatásával szemben gyakorlatilag érzéketlenné vált.

Megállapítottuk továbbá, hogy ezek a korábban ismeretlen, vagy le nem írt jelenségek a belső merevítőréteg bizonyos szerkezeti adottságaival állnak kapcsolatban, mely rétegnek a gumirétegekből és merevítőrétegekből álló kombináció szükséges hajlítómerevségét

HU 222 891 Bl kellett biztosítania esetleges további merevítőrétegekkel együtt ahhoz, hogy egy cső tulajdonságaival és előnyeivel rendelkező terméket kapjunk. Úgy találtuk továbbá, hogy ezek a szerkezeti adottságok egy általánosabb felhasználást tesznek lehetővé, és egy ilyen anyagkombinációval készített cső vagy tömlő olyan öntömítő és önvédő tulajdonságokkal bír, amelyek függetlenek attól, hogy milyen további rétegek kerülnek felhasználásra és ezen további rétegek kialakítása milyen módszerrel valósul meg. Ily módon a találmány felhasználható olyan csövek vagy tömlők előállítására, melyek a tűzvédelmi rendszerekben alkalmazhatók.

A találmány célja tehát egy olyan, elsősorban tűzvédelmi célokra szánt cső vagy tömlő létrehozása, amely képes akár a sugaras tüzekre jellemző hőáramsűrűségeknek ellenállni úgy, hogy a cső vagy tömlő működésben maradjon, azaz a tűzoltófolyadék - normális esetekben tengervíz - a tűz helyére folyamatosan eljusson, gyakorlatilag korlátlan, de legalábbis a tűz eloltásához szükséges ideig.

A találmány szerinti célkitűzést olyan csővel vagy tömlővel valósítjuk meg, amelynek perforált betétje és ezen betétet határoló külső védőburkolata van, és amelyet az jellemez, hogy a csőnek vagy tömlőnek van egy körkörös gumi belső rétege és egy perforált köpenye, amely szoros érintkezésben körbefogja a körkörös gumi belső réteget, és amelyben lyukak vagy perforációk szorosan egymás mellett helyezkednek el, valamint lyukméretük a csőben vagy tömlőben, a köpennyel közvetlenül érintkezve, öntömítő és önvédő tulajdonságúan 500 kW/m²-es hőáramsűrűségnek is ellenállóan és az oltási folyamat teljes ideje alatt folyamatos folyadékáramot fenntartó nagyságúra van kialakítva.

A köpeny előnyösen egy jó hővezető fémből, előnyösen hőálló acélból készül, vagy lehet hőálló, mint például a Kevlar típusú anyag. A köpeny lehet háló formájú, habár más technikák is alkalmazhatóak a szükséges lyukak létrehozására. A találmány szerinti cső vagy tömlő egy előnyös kiviteli alakjának köpenye tekercselt, fonott, kötött vagy más módon elhelyezett huzalokból vagy szalagokból készül, úgyhogy azok egymással szöget zárnak be, azaz a köpeny lehet kötött, tekercselt, fonott vagy hurkolt szerkezetű is. A perforált köpeny állhat egy összefüggő, tömlő alakú egységből is, amelyben a lyukakat mechanikai úton készítjük, vagy a lyukakat a tömlő gyártásával egyidejűleg, például fröccsöntéssel vagy hasonló módon alakítjuk ki.

A találmány szerinti csövek vagy tömlők elsősorban szóróberendezésekben, általánosan pedig tengeri létesítmények vagy bányalétesítmények csőhálózataiban kerülnek alkalmazásra, ahol magas követelményeket támasztanak a korrózió- és ütésállósággal, a hasznos élettartammal, illetve a nehéz beszerelési körülményekkel szemben.

Az előbbiekben leírt cső vagy tömlő öntömítő és önvédő funkciói, vagy sajátságai szorosan összefüggnek a belső gumiréteg és az erre a rétegre helyezett, perforált köpeny kombinációjával. „Öntömítő és önvédő” alatt az értendő, hogy amikor az említett cső vagy tömlő sugaras tűz melegének vagy hasonlóan magas hőmérsékleteknek van kitéve, akkor valamennyi nyílás, mely a cső vagy tömlő falában a külső környezeti hatásra képződik, egymás után önmagától bezárul, és ezzel átmenetileg megvédi magát a lyukakból kilövellő vízsugarak révén, azaz helyileg „küzd” a tűz ellen, és mérsékeli a hőmérsékletet mindaddig, ameddig a képződött nyílás be nem záródik. Az ezen jelenség mögötti mechanizmust a későbbiekben részletesen tárgyaljuk, olyan mértékben, amennyire ezt megismerhettük, vagy elméletileg megmagyarázhattuk. A kérdéses anyagok kombinációja különböző cső- és tömlőtípusokban felhasználható, és ebből a szempontból nem különösebben jelentős, hogy milyen további rétegek kerülnek alkalmazásra a cső vagy tömlő rétegein kívül, mivel ezeknél nem követelmény a sugaras tűzállóság, azonban ezeket a csöveket vagy tömlőket más, előre meghatározott tulajdonságuknak a biztosításához választhatjuk meg. Feltételezzük, hogy a külső rétegek a sugaras tüzekben fellépő hőmérsékletekben viszonylag hamar leégnek.

Azok a csövek, amelyeket például olajfúrószigeteken használnak, olyan korrózióálló csövek is lehetnek, amelyek a korábbiakban említett, egyidejűleg bejelentett szabadalmi bejelentésünk tárgyát képezik. Az ilyen csövek merevítőrétege a jelen találmány szerinti lyukakkal látható el, és ekképpen a jelen találmány szerinti köpenyt alkothatja. A köpeny azonban a találmány oltalmi körén belül más módon is készülhet, és a rendeltetésszerű, illetve szükséges hajlítási ellenállás egy vagy több különálló merevítőréteggel is elérhető, melyeknek nem kell „fúvókafúnkcióval” bíró lyukakat tartalmazniuk.

Az öntömítő és önvédő funkció mechanizmusa egy olyan jelenséggel kapcsolatos, amelyet teljeskörűen még nem vizsgáltak és magyaráztak meg. A Trelleborg Viking-gyárban (Mjöndalen, Norvégia) található sugaras tűzpróbapadon végzett intenzív kísérletsorozat nyomán azonban a viselkedést dokumentálták, többek között videoszalagon is. Ez lehetővé tette a kísérletek ismételt nyomon követését.

Úgy találtuk, hogy amikor egy, a találmány szerinti öntömítő funkcióval rendelkező csövet sugaras tűznek teszünk ki úgy, hogy közben nyomás alatti folyadék áramlik rajta keresztül, akkor a cső külső gumirétegei és merevítőrétegei viszonylag gyorsan leégnek, és ezzel szabaddá válik a perforált köpeny. Mikor a sugaras tűzben fellépő hőáramsűrűség erőteljes, helyileg korlátozott csúcsértékei (egészen 500 kW/m²) következtében a köpenytől befelé eső gumiréteg foltokban olvadni kezd, akkor nyílások keletkeznek a belső gumirétegben, és folyadéksugár indul kifelé a köpenyben lévő perforációkon keresztül a sugaras tűz irányában, ami a lánghőmérsékletet drasztikusan csökkenti. Egy rövid idő után, általában 10-20 másodperc és maximum 12 perc elteltével azonban az ily módon képződött lyukakat az anyag beljebb lévő és a lyukkal érintkező, hűtetlen részei betömik, és így a folyadéksugarak először gyengülnek, majd elállnak.

Ez a jelenség a sugaras tűz hatására sokáig folytatódik, és a hosszú távú kísérletek kimutatták, hogy a csőben ezalatt nincs észlelhető mértékű víznyomásesés.

HU 222 891 Β1

Következésképpen a szórófejekben nem lépett fel nyomásesés, ezért a tűzoltó folyadék hiánya se következett be, amennyiben a csövek egy szóróberendezés részeként működtek. Más szóval, a folyamat egésze során a cső, mint víz vagy más tűzoltó folyadék folyamatos szállítását végző vezeték, teljesen kielégítően működik, a tűzoltási folyamatot gátló jelentős nyomásesés vagy fellépő folyadékhiány nélkül. így a folyadék, mely a csőben vagy tömlőben lévő füvókaszerű lyukakból jut a lángokra, egyaránt közreműködik a cső vagy tömlő helyi hűtésében és az érintett területen belüli lánghőmérséklet nagymértékű csökkentésében.

Némely, az öntömítő és önvédő funkcióra vonatkozó elmélet mégis említést érdemel, és jelen vonatkozásban érdekes lehet.

így lehetséges, hogy belső gumiréteg olyan állagúvá tud válni, hogy azt a folyadék nyomása a csövön képződött nyílás felé nyomja oda, ahol a folyadéksugár létrejön, amely sugár ezen a helyen az anyagot hűti is addig, amíg a gumimassza benyomódik a lyukba, és ezzel megszünteti az erőteljes folyadéksugarat. Ha a nyílások túl naggyá válnának ahhoz, hogy fúvókahatást és ezzel együtt erőteljes sugarat biztosítsanak, akkor a folyadék nyugodtan kiáramolhat a gumirétegben képződött nyílásokon keresztül anélkül, hogy a sugaras láng „elosztásához” szükséges nyomás és sebesség létrejönne. Ez azt jelentené, hogy a közvetlen környezetben a gumiréteg megszilárdításához elegendő mértékű hűtőhatás nem lépne fel, továbbá, hogy a gumirétegben keletkezett nyílások gyorsan és szabályozatlan módon indulnának növekedésnek ahelyett, hogy zsugorodnának, ami a réteg növekvő mértékű roncsolását idézi elő, és így a nyomás és a folyadékszállítás hamar megszűnik.

A találmányt a továbbiakban annak egy előnyös kiviteli alakja kapcsán a csatolt ábra segítségével részletesen ismertetjük, ahol az 1. ábra a találmány szerinti cső térbeli metszete.

Az 1. ábrán egy, a találmány szerinti - egy olajfúrósziget szóróberendezéséhez alkalmazható - 10 cső látható. A 10 cső öt különböző rétegből áll. All belső réteg megfelelő vastagsága 3-5 mm, és kloropréngumiból, EPDM-gumiból, vagy más hasonló gumiból készül. EPDM-gumi alatt olyan etilén-propilén terpolimer anyag értendő, amely diénmonomert tartalmaz. Ezt a 11 belső réteget egy 12 köpeny fogja körül, mely egész felületén szorosan egymás mellett elhelyezett lyukakat tartalmaz. Az említett lyukak keresztmetszetét a cső alkalmazási területére jellemző folyadéknyomással, méretekkel és tűzbiztonsági követelményekkel összefüggésben választjuk meg. Például a lyukak mérete 0,1-10 mm lehet 1,5-100 bar közötti folyadéknyomáson. A 12 köpeny - jelen kiviteli alak esetén - egy fémháló, habár, mint már korábban említettük, más kivitelezésű is lehet. A perforált 12 köpeny működhet egyben merevítőrétegként is, melynek hajlítási ellenállása előre meghatározható az ellentétes irányú merevítődrótok által bezárt szög nagyságával, amellett, hogy hatékony védelmet nyújt a sugaras tüzek ellen, mivel a kilépő folyadéksugár vagy permet rendelkezik a lánghőmérséklet csökkentéséhez szükséges sebességgel és alakzattal. A perforált 12 köpenyen kívül egy további 13 gumiréteg van alkalmazva, mely a tűz jellegétől függően egy különösen jól szigetelő és éghetetlen gumiból is állhat, így például Viking Noflame 815 vagy 915 megjelölésű gumiból. A 13 gumiréteget egy 14 merevítőréteg fogja körül, mely a cső hossztengelyhez képest megfelelő szögben elhelyezett merevítődrótokat tartalmaz, amik a csövet hajlítással szemben ellenállóvá, vagy teljesen merevvé teszik. A 14 merevítőréteget egy további 15 gumialapú réteg veszi körül, amely egy olyan gumiszerű anyagból készül, ami a csőfelszín előre meghatározott tulajdonságait adja, így például tűzállóvá, füstmentessé vagy környezeti mérgezőhatás-mentessé teszi a csőfelszínt, a tűz esetén növeli a szigetelés hatásfokát. A 14 merevítőrétegbeli nyílások mérete szintén a folyadéknyomástól, a 10 csőméretektől és a tűzbiztonsági követelményektől függ, és 0,20-10 mm² között változhat.

Claims (4)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Cső vagy tömlő elsősorban tűzvédelmi célokra és nagy hőáramsűrűséggel szembeni ellenállásra, amelynek perforált betétje és ezen betétet határoló külső védőburkolata van, azzal jellemezve, hogy a csőnek (10) vagy tömlőnek van egy körkörös gumi belső rétege (11) és egy perforált köpenye (12), amely szoros érintkezésben körbefogja a körkörös gumi belső réteget (11), és amelyben lyukak vagy perforációk szorosan egymás mellett helyezkednek el, valamint lyukméretük a csőben (10) vagy tömlőben, a köpennyel (12) közvetlenül érintkezve, öntömítő és önvédő tulajdonságúan 500 kW/m²-es hőáramsűrűségnek is ellenállóan, és az oltási folyamat teljes ideje alatt folyamatos folyadékáramot fenntartó nagyságúra van kialakítva.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti cső vagy tömlő, azzaljellemezve, hogy a köpeny (12) fémből, előnyösen hőálló acélból, vagy összetett anyagból készül, mely előnyösen egy karbonszálalapú, Kevlar típusú összetett anyag.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti cső vagy tömlő, azzal jellemezve, hogy a köpeny (12) tekercselt, fonott, kötött vagy más módon elhelyezett huzalokból vagy szalagokból készül, úgyhogy azok egymással szöget zárnak be.
4. 4. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti cső vagy tömlő, azzal jellemezve, hogy a köpeny (12) egy egységes összefüggő darab, mely mechanikai úton vagy a darab gyártásával egyidejűleg kialakított lyukakkal van ellátva.