KR101156311B1 - 단열 파이프 라인 및 파이프 라인 단열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 레벨의 압축 하중을 또한 지지할 수 있는 경량의 컴팩트한 초단열 시스템에 관한 것이다. 이 초단열 시스템은 스페이서를 활용하여 구조적 지지를 제공하고, 스페이서에 의해 지지되어 강한 현수선 표면을 형성하는 얇은 보호 외부 스킨의 버클링 제어를 활용하여 그 아래의 단열 재료를 보호한다. 스페이서는 에어로겔을 포함할 수도 있고, 에어로겔은 얇은 외부 스킨 내에 수용된 스페이서와는 별도로 단열을 제공할 수 있다. 단열 시스템은 매우 깊은 수중에서의 오일 및 가스 탐사를 위하여 관내관 장치, 라이저 또는 해저 트리와 같이 다양한 깊이에 있는 수중 구조체의 열 관리에 유용하다.

Description

단열 파이프 라인 및 파이프 라인 단열 방법{THERMALLY INSULATING PIPE AND METHODS FOR THE SAME}

본 발명은 하중을 지지하는 경량의 컴팩트한 초단열 시스템에 관한 것이다.

매우 깊은 해저에서의 오일 및 가스 탐사에 있어서, 원유 또는 가스는 해저 바닥 아래로부터 파이프라인 시스템을 매개로 수면으로 추출된다. 파이프 내에서 흐르는 뜨거운 원유 또는 가스의 온도를 탄화수소의 조성(예컨대, 원유 또는 천연 가스)에 따라서 약 30-50℃ 이상으로 유지하는 것이 중요하다. 상기 범위로 온도를 유지하게 되면, 수화물 또는 왁스의 형성에 기인한 유동 제한 또는 막힘이 방지되는데, 이러한 유동 제한 또는 막힘은 탄화수소가 해저의 유정으로부터 해면의 생산 설비로 흐를 때에 원유 또는 가스가 차가운 물에 의해 냉각됨으로 인하여 발생할 수 있다. 또한, 메인터넌스를 위하여 또는 혹독한 날씨로 인하여 유정을 덮은 경우에는, 펌핑 작업을 개시하기 전에 막힌 것을 해소하는 고비용의 시간 소모적인 작업을 가능한 한 최소화하거나 제거하기 위하여 파이프 및 파이프라인 시스템(예컨대, 크리스마스 트리, 해저 트리, 라이저 등)의 다른 부품 내부의 탄화수소의 온도를 침전 온도 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

이들은 해저의 관내관 구조를 위한 소위 유동 확보 요건이다. 관내관 구조 는 심해 탐사 시의 유동 확보 요건을 만족시킬 수 있는 통상의 선택 방법이었다. 이 구조는 2개의 두꺼운 동축 파이프, 즉 내부 파이프(유동 라인 또는 유동 파이프)와 외부 파이프(캐리어 파이프)를 사용한다. 유동 라인은 유정으로부터 고온(예컨대, 60-300℃) 및 〔예컨대 약 70 MPa(10,000 psi)에 이르는〕 고압으로 나오는 탄화수소를 운반한다. 캐리어 파이프는 깊이에 비례하여 증가하는 외부 정수압〔예컨대, 2800m에서 약 28 MPa(4000 psi)〕을 견디도록 (유동 라인과 독립적으로) 설계된다.

두 파이프 사이의 고리 모양 부분에서, 열전도율이 비교적 낮은 재료(예컨대, 폴리아미드)로 제조되는 ("센트럴라이저"로도 지칭되는) 분할-링 스페이서가 규칙적인 간격(예컨대, 1.2 m의 간격)으로 설치되어 있다. 스페이서는 내부 파이프를 외부 파이프에 삽입하는 중에 가이드로서 작용하며, 각각의 파이프의 길이는 1 또는 2 km일 수 있다. 스페이서는 관내관 장치를 스풀에 감기 위하여 구부리는 경우 또는 설치 후에 관내관 장치를 구부리는 경우에 두 동축 파이프 사이의 환형 간극을 유지하는 것을 돕도록 또한 설계된다. 스페이서들 사이의 환형 간극에서, 단열 재료가 유동 라인의 둘레에 감긴다. 단열 재료는, 예컨대 열전도율이 24 mW/mㆍK 또는 그 이상인 우레탄 폼(foam)일 수도 있고, 열전도율이 21 mW/mㆍK이고 진공으로 패키징된 배기 실리카 생성물일 수도 있다.

현장에 따라서는, 앙골라 연안의 경우에서와 같이 유정에서 나오는 원유의 온도가 단지 60℃이며, 이는 그다지 뜨거운 것은 아니다. 이와 같이 비교적 낮은 온도의 결과로서, 냉각에 기인한 수화물 형성을 방지하기 위해서는 훨씬 높은 수준 의 단열이 필요하다. 또한, 얕은 바다의 바닥에 있는 회수 가능한 오일 및 가스 침전물이 배출됨에 따라, 점점 더 깊은 물속에 유정을 뚫고 있다. 1000 m의 깊이까지 적절하게 하강할 수 있는 현재의 관내관 구조는 수중 필드가 이하에 설명하는 바와 같이 1000m 보다 훨씬 깊어지게 되면 혹독한 장애물을 만난다.

유정의 깊이가 깊어짐에 따라, 이하의 장애물 및 기술적 문제를 극복해야 한다. 먼저, 탄화수소의 특징은 왁스 또는 수화물을 더욱 형성하기 쉬워지게 된다. 또한, 보다 깊이 있는 유정과 수면 플랫폼에 있는 생산 설비 사이의 거리가 현저하게 증가하므로, 관내관 장치의 전체 열전달(OHT) 값은 통상적으로, 회수된 탄화수소의 과냉을 방지하기 위하여 0.5 W/m²ㆍ℃ 등과 같이 매우 작은 값으로 감소해야 하는데, 상기 열전달 값의 전이 냉각 조건은 16시간 동안 30℃ 미만으로 있는 것이다. 이와 같이 매우 낮은 OHT 값을 갖는 관내관 장치를 제공하게 되면, 단열재의 두께를 필수적으로 현저히 증가시켜야 하며, 이에 따라 캐리어 파이프 내에 수용된 추가의 단열재를 수용하기 위하여 필요한 캐리어 파이프의 내경이 증가한다.

캐리어 파이프의 내경이 증가함에 따라, 본 명세서에 있어서 소정의 외부 압력을 견디는 데 필요한 캐리어 파이프의 벽 두께는 캐리어 파이프의 외경 증가에 비례하는 함수로서 증가한다. 또한, 깊이가 깊어짐에 따라, 캐리어 파이프에 작용하는 외부 압력은 깊이의 1차 함수로서 증가한다. 해저의 깊이가 10.33 m 깊어질 때마다, 압력은 1 atm(100 kPa)만큼 증가한다. 2500 m에서, 정수압은 약 25 MPa(3560 psi)에 도달한다. 캐리어 파이프의 벽 두께는 소정의 내부 반경에 대하 여 대략 정수압의 증가에 비례하여 증가한다. 따라서, 캐리어 파이프의 벽은 목적으로 하는 용도에 있어서의 압력이 증가함에 따라 점점 증가하게 제조되며, 이로 인하여 목적으로 하는 용도에 있어서의 깊이가 증가함에 따라 캐리어 파이프의 외경이 또한 증가한다.

캐리어 파이프의 직경 및 두께가 증가함에 따라, 이하의 단점이 초래된다. 첫 번째로, 관내관 장치의 중량이 급속하게 증가하는데, 즉 벽 두께의 제곱에 대략 비례하여 증가하고 평균 직경에 대하여 선형으로 증가한다. 두 번째로, 강 및 단열재의 양이 증가하기 때문에 재료 비용이 늘어난다. 세 번째로, 관내관 장치를 제작하기 위하여 추가의 노동력 및 무거운 설비가 필요하다. 네 번째로, 관내관 장치를 스풀에 감고 또한 관내관 장치를 설치하기 위하여 무거운 설비가 필요하다. 2500 m 및 그 이상의 깊이에서 필요할 수 있는 훨씬 무거운 파이프를 취급하기 위해서는 현재에 사용되고 있는 설비를 보강 및 강화할 필요가 있을 수 있다(상당한 수준의 자본 지출이 발생). 다섯 번째로, 파이프의 침지 중량이 너무 무거워져서 현재에 사용되는 데릭(derrick) 또는 선박으로는 거친 바다에서의 하중을 처리할 수 없고, 파이프를 안정적으로 유지할 수 없다. 즉, 과잉의 파이프 중량으로 인하여 고비용의 큰 데릭 및 선박과, 큰 부표가 반드시 필요하며, 거친 바다에서의 안정성이 감소한다. 마지막으로, 선박은 필요한 길이의 파이프를 운반하기 위하여 더 많은 거리를 이동해야 한다.

현재의 관내관 장치 제조 방법은 극히 노동 집약적이고, 따라서 비용이 많이 든다. 유동 라인 및 캐리어 파이프로 사용되는 파이프는 공급기로부터 대략 12 m(40 ft)의 길이로 있다. 공장에서는, 먼저 12 m 길이의 파이프를 1 또는 2 km 길이의 외부 캐리어 파이프 섹션으로 함께 용접한다. 섹션마다, 내부 유동 라인 섹션에 폴리아미드 스페이서를 설치하고, 센트럴라이저 사이의 유동 라인 섹션의 둘레에 단열재를 감는다. 각각의 유동 라인 섹션을 단열하고 테이프로 감아서 고정한 후에, 그 섹션을 대기하고 있는 캐리어 파이프 내로 밀어 넣는다. 유동 라인의 다음 섹션은 캐리어 파이프 내로 삽입되는 섹션에 용접된다. 센트럴라이저는 캐리어 파이프 내로 삽입하는 중에 유동 라인을 안내하는 것을 돕는다. 이러한 공정은 전체 길이 1 km 또는 2 km의 관내관 장치가 조립될 때까지 계속된다. 파이프를 용접하는 공정과 센트럴라이저와 단열재를 설치하는 공정은 스톱-앤드-스타트(stop-and-start) 방식으로 실행되고, 상당한 노동력 및 시간을 필요로 한다.

현재 사용되고 있는 대안의 방법에 따르면, 전체 1 또는 2 km인 유동 라인과 캐리어 파이프의 섹션이 별도로 용접된다. 그 후, 유동 라인의 전체 길이에 걸쳐 센트럴라이저 링이 규칙적인 간격으로 끼워지며, 센트럴라이저 사이에는 단열재가 있고, 테이프에 의해 둘러싸여 적소에서 고정된다. 그 후, 완전히 단열된 유동 라인은 센트럴라이저에 의존하여 대기하고 있는 캐리어 파이프 내로 삽입되어, 환형 간극을 유지하고, 그에 따라 삽입 작업 중에 단열재를 보호한다.

전술한 바와 같은 이유로, 해저의 파이프라인의 깊이가 현저하게 증가하면, 현재 구조의 관내관 장치, 단열 재료, 제작 공정을 계속해서 사용하는 것은 경제적으로, 그리고 전략적으로 적절하지 않게 된다. 전술한 제작 방법은 모두 종래의 관내관 제작 공정의 상태를 나타내고 있으며, 매우 노동 집약적인 동시에 비용이 많이 들고, 속도가 느리다.

최근의 하나의 관내관 구조에 따르면, 내부 유동 라인은 유리 보강 플라스틱(GRP; Glass Reinforced Plastic)에 의해 보호되는 하중을 지지하지 않는 단열재로 피복된다. GRP 파이프는, 열적 성능 및 기계적 성능을 보장할 수 있는 하중 지지 중합체 재료로 구성되는 기계적 조인트를 이용하여 12 m 길이의 파이프 섹션의 양단에서 유동 라인에 기계적으로 연결된다.

비교적 고성능이지만, 하중을 지지하지 않고 열전도율이 약 21 mW/mㆍK인 단열 재료가 유동 라인과 캐리어 파이프 사이의 환형 공간을 채워서, 필요한 열적 성능을 제공한다. 이와 같은 기술은, 이러한 신규한 파이프가 현재의 관내관 구조에 비하여 얼마나 현저하게 가벼운가를 설명하고 있고, 또한 파이프를 얼마나 훨씬 편리하게 자동 공정으로 제작할 수 있는가를 설명하고 있다. 이러한 신규의 구조의 침지 중량은 동일한 작업 조건을 위하여 설계된 종래의 관내관 장치의 침지 중량보다 작을 수는 있지만, 해저의 조건을 장기간 동안 견디는 유리섬유의 능력은 개선되지 않고, 외층은 극히 두껍게 남아 있다. 따라서, GRP 파이프는 필요한 벤딩 유연성을 가질 수 없으며, 그에 따라 보다 큰 직경의 파이프를 설치 현장으로 운반하기 위하여 추가의 이동이 필요할 수 있다.

종래의 관내관 구조와, 또한 전술한 GRP 관내관 구조에 있어서, 내부 파이프는 통상적으로 높은 내부 압력〔예컨대, 70 MPa(10,000 psi)〕을 견디도록 설계되며, 외부 파이프는 외부 분쇄 압력〔예컨대, 1.5 km(5000 ft)에서 15 MPa(2170 psi)과, 3 km(10,000 ft)에서 30 MPa(4340 psi)〕을 독립적으로 견디도록 설계된 다.

본 발명의 단열 시스템은 깊은 해수의 파이프라인, LNG 탱커, 공정 배관 등을 단열하는 것과 같은 다양한 용례에 사용될 수 있다. 이들 단열 시스템은 다음의 사항을 특징으로 할 수 있다. 즉, 본 발명의 단열 시스템은, 경량이면서 얇고, 저비용이 소요되며, 높은 단열 성능, 높은 하중 지지 능력, 그리고 설치 및 유지가 용이하다는 것을 특징으로 한다. 기존에 존재하는 단열 시스템은 전술한 특성 중 일부를 만족시킬 수는 있지만, 전부를 만족시킬 수는 없다. 예컨대, 두꺼운 금속 프레임에 넣어지는 배기된 다층 단열재(MLI)는 하중 지지 능력과 열적 성능면에서는 놀라운 능력을 발휘하지만, 일반적으로 상기 MLI는 극히 무겁고 고가이며, 제작, 설치 및 유지하기가 매우 어렵다. 다른 한편으로, 저밀도 실리카 에어로겔은 통상적으로 압축되기 전에 소정 분율의 분위기를 넘어서는 하중을 지지할 수 없지만, 주변 조건에서 공통적으로 사용되는 유리섬유의 단열 성능의 5배에 이르는 우수한 단열재를 제공한다. 유리섬유는 저가이지만, 부피가 너무 크고 비효율적이다. 또한, 유리섬유는 하중을 지지하지 않고, 설치가 편리하지 않다. 폼(foam)은 매우 제한된 크기로만 하중을 지지할 수 있고, 단열 성능이 너무 낮다.

후술하는 단열된 구조체의 바람직한 실시예는 깊은 해저, 특히 매우 깊은 해저에서의 오일 및 가스 탐사 및 다른 용례에 사용될 수 있다. 구조체는 얇은 보호 외부 스킨(outer skin) 또는 캐리어 파이프와, 이 외부 스킨에 의해 수용되는 기층 구조체 또는 유동 라인을 포함한다. 외부 스킨과 기층 구조체 사이에 하나 이상의 스페이서가 마련되어 있다. 스페이서는 외부 스킨을 구조적으로 지지하며, 스페이서 접촉면들 사이에 현수선을 형성하도록 외부 스킨을 변형시킬 수 있어서, 외부 압력 하중을 받을 때에 외부 스킨을 인장 응력하에 둘 수 있다.

소정 세트의 작업 조건을 위하여 설계된 때에, 새로운 구조는 종래 기술의 상태에 비하여 이하의 잇점과 현저한 특징을 제공할 수 있다. 즉, (a) (오차 범위 내에서) 외부 스킨의 두께가 훨씬 얇고, (b) 캐리어 파이프의 외경이 훨씬 작고, (c) 전체 중량이 현저하게 줄어들며(종래 구조의 중량의 절반에 유사하게 줄어들며), (d) 유연성이 높고 벤딩 반경이 보다 타이트하며(종래 기술의 구조 또는 GRP 관내관 구조에서는 내부 파이프만이 가능성이 있음), (e) 기층 구조체와 외부 스킨 사이의 단열재가 더 효율적이며, (f) 재료 비용 및 제작 비용이 저렴하고, (g) 동일한 길이의 관내관 설비에 대하여 보다 스풀 직경이 보다 작고, 스풀의 수가 적으며, (h) 설치 및 유지 비용 등이 저렴하다. 또한, 본 발명의 관내관 구조는 대량으로 자동 제작하는 데 특히 적합하여, 노동 비용을 급격하게 줄일 수 있으므로, 관내관 장치의 전체 비용을 줄일 수 있다. 또한, 스풀 또는 제이 레이(J-lay) 설비를 위하여 동일 길이의 관내관 장치를 운반하는 경우에 보다 짧은 이동 거리에 의해 설치 현장으로 이동할 수 있다.

본 발명의 다양한 원리를 해저 시스템의 많은 부품에 적용될 수 있지만, 본 명세서에서 제공하는 본 발명의 설명은 설명의 편의상 관내관 용례에 집중하기로 한다.

도 1은 유동 라인, 나선형 스페이서, 캐리어 파이프를 보여주는 분해 사시도이고,

도 2는 도 1의 장치의 확대도이고,

도 3은 용접 스트립 및 하중 지지 단열체와 함께, 삼각형 단면을 갖는 스페이서의 상세부의 부분 절결 사시도로서,

도 4는 캐리어 파이프의 낮은 붕괴 강도 대신에 높은 인장 강도에 의존하는 외부 하중 작용하에서 현수선 모양으로 변형된 박벽 캐리어 파이프의 사시도이고,

도 5는 삼각형 단면을 갖는 나선형으로 감긴 스페이서와 함께 진보된 관내관 장치의 예비 응력을 나타내는 도면이고,

도 6은 지열 에너지를 이용하여 관내관 장치에서 탄화수소의 온기를 유지하는 히트 파이프 시스템을 도시하고,

도 7은 도 6의 관내관 장치 및 히트 파이프 시스템의 여러 층의 확대도이다.

후술하는 첨부 도면에 있어서, 동일 참조 부호는 여러 도면 전체에 걸쳐서 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다. 도면이 반드시 실척인 것은 아니며, 대신에 이하의 실시예에서 특징으로 하는 방법 및 장치의 특정 원리를 예시하는 것에 중점을 두고 있다.

통상의 관내관 설계, 심지어 최근의 GRP 설계는 통상의 작동 조건하에서 붕 괴되지 않으면서 외부 하중을 자체적으로 처리하기에 충분한 두께 및 강도를 갖는 외부 캐리어 파이프에 의존한다. 필요에 의해, 캐리어 파이프의 외벽을 비교적 두껍게 하고 있다.

파이프가 외부 압력(q)에 노출된 때에, 압축 하중 작용하에서의 탄성 버클링 불안정에 기인한 파이프 붕괴의 모드는 통상적인 파괴 모드(failure mode)이고, 이는 대략 다음의 식으로 제공된다.

(방정식 1)

(Warren C. Young, Formulas For Elastic Stability of Plates and Shells, Roark's Formulas for Stress and Strain, Sixth Edition, McGraw-Hill, Equation 19.a. Table 35, 1989), 여기서 q는 외부 압력이고, E는 영률이고, v는 푸아송 비이고, t는 벽 두께이며, r은 평균 직경이다. 간격 ℓ을 두고 원형으로 유지된 긴 튜브의 경우에는 다음의 식으로 제공된다.

(방정식 2)

(Warren C. Young, Formulas For Elastic Stability of Plates and Shells, Roark's Formulas for Stress and Strain, Sixth Edition, McGraw-Hill, Equation 19.a. Table 35, 1989).

예로서, 평균 반경이 6 인치(15 cm)이고 강으로 제조되는 파이프를 취하면, 4,000 psi(28 MPa)의 외압을 받을 때에 인장 강도는 80,000 psi(550 MPa)이고, 영률은 30 million psi(200 GPa)이고, 푸아송 비(v)는 0.29이다. 압력이 외부 압력 이므로, 파괴 모드는 버클링 불안정의 모드이며, 방정식 1로부터 계산한, 버클링 불안정에 기인한 붕괴를 견디기 위하여 필요한 벽 두께는 0.47 인치(1.2 cm)이다. 그러나, 스페이서와 같은 내부 지지부가 있는 경우에는, 상황이 눈에 띄게 점점 좋아진다. 예컨대, 스페이서가 얇고 원형이며, 간격(ℓ)이 6 인치(15 cm)가 되도록 파이프의 길이를 따라 규칙적인 간격을 두고 위치되어 있으면, 방정식 2로부터 계산한 필요한 벽 두께는 단지 0.18 인치(4.6 mm)이며, 이는 벽 두께가 62% 감소하는 것을 의미한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 비교적 박벽의 캐리어 파이프(14)가 고리 모양의 스페이서(10)〔본 명세서에서 사용되고 있는 "스페이서(spacer)"라는 용어는 불연속 스페이서를 지칭할 수도 있고, 나선형으로 감긴 연속 스페이서를 지칭할 수도 있음〕에 의해 잘 지지될 수 있으며, 스페이서(10)는 유동 라인(12)에 의해 견고하게 지지되어 있다. 제1 실시예에 따르면, 박벽의 캐리어 파이프(14)는, 외압 하중을 지탱할 수 없는 단열 재료를 사용하는 경우에는, 파이프(12, 14)의 길이를 따라 관내관 장치에 고리 모양으로 주요하게 배치된 스페이서(10)에 의해 기계적으로 지지되어 있다. 캐리어 파이프(14)는 스페이서(10)들 사이에 현수선 표면(catenary surface)을 형성하며, 하중 작용하에서 캐리어 파이프의 벽을 형성하는 얇은 현수선이 받는 주응력은 인장 응력이다. 본 명세서에 사용되고 있듯이, "현수선(catenary)" 또는 "현수선 모양(catenary-like)"은 완전한 현수선을 특징으로 하는 하이퍼코사인의 그래프와 상당히 비슷하게 일치하는 형상을 지칭하는 것이다. 그러나, 완전한 현수선은 완전 유연성 재료에 의해서만 가능한데, 이러한 재료는 설 사 있다 하더라도 "실제(real world)"의 구조체에는 전혀 적합하지 않다. 따라서, 본 명세서에 있어서의 현수선 또는 현수선 모양의 형상은 유연성에 있어서의 제한과, 그 외의 "실제"의 영향(influences), 간섭(interference) 및 한계에 기인하여 완전한 현수선으로부터 어느 정도 변경된 형상을 포함하는 것으로 한다.

스페이서(10)의 배치는 최적화의 문제이다. 간격이 너무 크면, 캐리어 파이프(14)의 벽 두께가 두꺼워져야 하고, 간격이 너무 작으면, 캐리어 파이프(14)의 벽 두께는 얇지만 스페이서(10)를 통한 열전도 손실이 증가할 것이다. 스페이서(10) 간격을 최적화하기 위해서는, 올바른 간격을 얻을 수 있도록 캐리어 벽의 열전도율 및 기계적 강도 등과 같은 스페이서의 재료 특성이 고려된다. 캐리어 벽의 기계적 강도가 클수록, 또한 스페이서(10)의 열전도율이 클수록, 스페이서(10)들 사이(또는 나선형 구조로 있는 스페이서의 권선 사이)의 간격을 더욱더 크게 적용할 수 있다. 스페이서(10)는 강 또는 고강도 복합체와 같이 구조적으로 강한 재료로 형성될 수 있다. 특정의 실시예에 따르면, 스페이서(10)는 압축 하중을 견딜 수 있는 별도의 단열층을 구비한다.

제2 실시예에 따르면, 박벽의 캐리어 파이프(14)는 고리 모양의 진보된 단열체(단열 능력 및 압축 강도 모두가 우수함)에 의해 기계적으로 지지된다. 단열체의 열전도율은 예컨대 50 mW/mㆍK 또는 그 이하일 수 있다. 본 실시예에 있어서는 외압 하중 작용하에 캐리어 파이프(14)의 박벽이 받는 주응력은 대부분 반경 방향의 압축 응력이다.

제2 실시예에 있어서의 진보된 단열체는 기계적 하중을 견디기에 충분한 구 조적 강도를 가지며, 우수한 단열 수준을 제공할 수 있다. 또한, 스페이서가 특정의 구조적 단열 재료로 제조되고, 제1 실시예에서와 같이 간격을 두고 떨어져 배치되는 대신에 파이프의 길이를 따른 고리(annulus)를 채우는 것은 제1 실시예의 특별한 경우이다.

예컨대, 스페이서는 미리 조정된(pre-conditioned) 실리카 에어로겔이나 Aspen Aerogel(미국 매사츄세츠주 노스보로우 소재)에서 판매하는 고강도 셀룰로오스 에어로겔과 같은 에어로겔로 형성될 수 있다. 에어로겔들은 미국 특허 제6,670,402호에 보다 상세하게 개시되어 있다. 실리카 에어로겔을 작업에서 예상되는 최대 압력 레벨로 미리 압축할 수 있다. 예비 압축된 실리카 에어로겔은 압축된 후에 동일 두께에 대하여 열적 성능이 거의 열화되지 않는 것으로 확인되었다. 셀룰로오스 에어로겔은 여전히 우수한 단열 성능을 제공하면서도 심지어 예비 압축이 없는 경우에도 극히 높은 구조적 강도를 나타낸다.

도 1 내지 도 3에 도시된 설계에 있어서, 얇은 스페이서(10)가 유동 라인(12)에 나선형으로 감겨 있다. 나선의 각도는 0°(즉, 불연속 스페이서 링) 내지 80이며, 여기서 실제 각도는 스페이서들 사이의 필요 간극 및 사용된 스페이서의 폭에 따라 좌우된다. 스페이서(10)는 비교적 얇은 캐리어 파이프(14; 도 2 참조)를 지지한다. 도 3의 실시예에 있어서, 스페이서(10)가 삼각형 단면을 갖는 것은 분명하며, 삼각형 단면은 특히 권취 작업에 유리하며, 외부 하중 작용하에서 캐리어 파이프(14)로부터 발생하는 집중 하중을 잘 처리할 수 있다. 도 3에서는 용접 스트립(16; 선택 사항)과 하중 지지 단열체(18; 선택 사항)을 또한 볼 수 있다. 선택 사항인 용접 스트립(16)은 〔스페이서(10)의 평탄한 상면을 넘어서 연장되는〕 스페이서(10)와 캐리어 파이프(14)에 용접되고, 용접의 완전성을 확보하고 강한 용접 강도를 제공하는 역할을 한다. 용접 스트립(16)은 또한 외부 하중을 퍼트리고, 이로써 작동 하중 작용하에서 캐리어 파이프(14)의 응력 집중을 감소시킨다. 선택 사항인 하중 지지 단열체(18)는 캐리어 파이프(14)의 벽으로부터 용접 스트립(16)과 삼각형 단면을 갖는 스페이서(10)의 메인 구조 본체를 통하여 전달된 열을 현저히 감소시킨다. 본 명세서에서 고려하고 있는 스페이서(10)는 캐리어 파이프(14)를 구조적으로 지지하며, 또한 유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14)를 매우 효율적으로 열적으로 분리한다.

캐리어 파이프(14)의 벽은 비교적 얇으며, 도 4에 도시된 바와 같이 캐리어 파이프(14)의 아래에 중요하게 위치된 스페이서들 사이에 현수선을 형성하도록 통상의 작업 중에 구조적으로 붕괴될 수 있다. 이 경우에, 초기 붕괴는 즉시 캐리어 파이프(14)의 인장 하중으로 변화된다. 따라서, 캐리어 파이프(14)의 파괴는 캐리어 파이프(14)의 비교적 낮은 붕괴 강도의 함수로 되는 대신에 캐리어 파이프(14)의 높은 인장 강도를 극복하는 것을 필요로 할 것이다.

스페이서 링(예컨대, 공통의 반경 방향 위치에서 측정했을 때 나선 구조의 스페이서의 연속적인 권선)이 동일한 유동-파이프 직경(즉, 10 cm)과 전술한 작동 조건에 대하여 15 cm(6 인치) 간격을 두고 있으면 캐리어 파이프의 두께가 62% 감소하는 것을 방정식 1 및 2를 이용하여 이미 예시하였다. 이러한 두께 감소는 캐 리어 파이프(14)의 중량을 현저하게 감소시킨다. 물론, 관내관 장치의 전체 중량을 기록하는 경우에는, 스페이서(10)의 중량을 더해야 한다. 그러나, 전체 범위에 걸쳐서 평균한 스페이서의 중량 기여는 비교적 작으며, 보다 얇은 캐리어 파이프의 사용으로 인한 중량 절감에 비하여 현저하게 작다.

스페이서(10)는 유동 라인 파이프(12)에 의해 반경 방향으로 지지되어 있다. 스페이서(10)는 캐리어 파이프(14)와의 접촉면을 통하여 전달되는 하중을 받는다. 유동 라인(12)의 내측과 캐리어 파이프(14)의 외측 모두로부터의 압력 하중 작용하에서, 스페이서(10)는 캐리어 파이프(14)와 유동 라인(12) 사이의 기계적 링크로 된다. 사실, 이러한 양방향 하중 전달은 탄화수소의 내부 튜브 압력과 해수의 외부 압력을 적어도 부분적으로 균형을 이루게 하는 유리한 효과를 갖는다. 예컨대, 유동 라인 파이프(12)에 대하여 탄화수소로부터 발생하는 내부 압력이 69 MPa(10,000 psi)인 경우에, 그리고 해수에 의해 야기되는 캐리어 파이프(14)에 대한 외부 압력이 28 MPa(40000 psi)인 경우에, 유동 라인(12)에 대한 유효 하중은 단지 41 MPa(6000 psi)이다. 다른 면에서 보았을 때, 스페이서(10)는 유동 라인(12)에 대하여 "거더(girder)"로서 고려될 수 있다. 스페이서의 거더 효과 및 압력 균형 때문에, 전술한 바와 같이 유동 라인(12)이 겪는 하중이 효과적으로 감소함에 따라, 유동 라인(12)의 벽 두께를 또한 감소시킬 수 있다.

스페이서 설계

스페이서는 방정식 2에 의해 함축되는 바와 같이 (예컨대 별개의 링의 형태로) 불연속적일 수 있다. 대안으로, 스페이서는 도 1에 도시된 바와 같이 연속적 인 나선형 설계일 수 있다. 제한적인 경우에, 스페이서는 내부 유동 라인과 외부 캐리어 파이프 사이에 형성된 고리를 점유하는 전체 실린더로 변경될 수도 있다. 전술한 제한적인 경우와는 별도로, 스페이서의 단면은 중심 또는 관형(중공)일 수 있고, 선택하는 재료 및 작업 조건에 따라서 원형 또는 삼각형과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 1 내지 도 3은 복수의 기능을 잘 실행하도록 설계된 특정의 단면을 갖고 나선형으로 감긴 스페이서를 도시하고 있다. 스페이서의 단면은 튜브를 붕괴시키지 않으면서 파이프 둘레에서 구부러지는 것에 기여해야 한다. 예컨대, 튜브의 내부 용적을 과도하게 붕괴하지 않으면서 제어된 방식으로 삼각형, 원형, 타원형 및 사다리꼴 형상 튜브를 파이프의 둘레에서 쉽게 감을 수 있다.

도 3은 바닥의 하중 지지 단열 스트립(18)과 상부의 평탄한 스트립(16)을 포함하는 그러한 특정의 나선형 스페이서(10)의 상세부를 도시하고 있다. 압축 하중을 처리하고 캐리어 파이프(14)로부터 스페이서(10) 및 유동 라인(12)으로의 열전달을 최소화하도록 삼각형 형상이 선택된다. 캐리어 파이프로부터 유동 라인으로의 전체 열전달 값은 예컨대 5 W/m²-C 또는 그 이하일 수 있다. 스페이서(10)의 하부 부분〔즉, 유동 라인 파이프(12)와 마주하는 측면〕은 내부 유동 라인(12)으로부터 금속 스페이서 코일(10)을 열적으로 차단하도록 설계된 높은 압축 강도의 에어로겔 스트립 형태의 하중 지지 단열 스트립(18)을 구비한다. 에어로겔 스트립은 예비 압축된 섬유 보강 실리카 에어로겔 또는 셀룰로오스 에어로겔로 형성될 수 있으며, 이들 에어로겔은 모두 높은 구조적 강도와 우수한 단열 등의 필요한 특성을 갖는다. 스트립의 두께는 스페이서(10)에 대한 단열 요건에 의해 결정되며, 일반적으로 1 mm와, 유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14) 사이의 고리의 전체 간극 치수 사이의 범위로 있으며, 상기 전체 간극 치수로 있는 경우는 전체 스페이서(10)로서 구조적 단열체를 사용하는 것을 나타내는 것이다. 유동 라인(12)은 현재 사용 중인 유동 라인과 마찬가지로 고압 탄화수소의 유동을 취급하도록 설계된다.

도 5는 스페이서를 지지하는 얇은 외부 스킨을 구비한 관내관 장치의 가능성을 확인하는 예비 유한 요소 분석의 결과를 도시하고 있다. 도 5의 스페이서는 나선형으로 감겨 있으며, 삼각형 단면을 갖는다. 도 5의 플롯은 외벽에서의 응력이 스페이서 바로 위에서 비교적 작고, 스페이서들 사이의 현수선에서 보다 높다는 것을 보여주고 있다.

스페이서(10)는 스페이서들 사이에 현수선(catenary)을 형성하는 얇은 외부 스킨〔즉, 캐리어 파이프 (14)〕에 필요한 기계적 지지를 제공하면서 외부 캐리어 파이프(14)와 내부 유동 라인(12) 사이에 단지 최소의 열전달만이 실행되도록 또한 구성되어 있으며, 이 경우에 스페이서(10)들 사이에는 축방향 간극이 있다. 구조와는 관계없이, 스페이서(10)는 도시한 바와 같이 바람직하게는 스페이서(10), 캐리어 파이프(14) 및 유동 라인(12) 사이의 계면에서 작은 접촉 영역을 통하여, 또는 스페이서(10)에 하중 지지 단열 재료를 이용함으로써, 또는 파이프(12, 14) 중 어느 하나 또는 양자 사이에 상기 재료로 제조되는 스트립을 배치함으로써 매우 높은 열 저항성을 제공하도록 선택된다. 스페이서(10)는 불연속 링일 수도 있고, 다양한 단면을 갖고 나선형으로 감긴 스트립 또는 튜브일 수도 있다.

스페이서의 단면은 예컨대, 원형 또는 삼각형 단면의 튜브, 또는 장방형, 원형 또는 삼각형 단면의 중실 로드를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 관형 스페이서는 배기될 수도 있고, 유체로 가압될 수도 있으며, 통기공을 통하여 환형 공간과 압력 평형 상태로 있을 수도 있다.

단열 재료:

2개의 동축 파이프와 스페이서 사이에 형성되는 간극을 부분적으로 또는 전체적으로 에어로겔을 포함한 단열 재료로 충전할 수도 있다. 관내관 설치 및 사용 용례에 대한 요구 조건에 따라서 임의의 다른 단열 재료를 유동 라인(12), 스페이서(10) 및 캐리어 파이프(14) 사이에 형성된 환형 공간에 또한 삽입할 수 있다.

관내관 제조 공정:

신규의 관내관 장치를 공장, 해안, 또는 필요에 따라 선박상에서 제조할 수 있다. 기계 부품은 제작되는 이하의 공정에 따른 제조 작업을 실행하도록 파이프의 길이를 따라 정렬되거나 배치될 수 있다.

1. 파이프 취급 섹션에서, 유동 라인(12)으로서 사용하도록 소정 길이(일반적으로 12m의 길이)로 공급된 파이프를 적재 및 반송한다.

2. 유동 라인 용접 스테이션에서, 개별 길이의 파이프를 용접하여 궁극적으로 연속 섹션, 일반적으로 1 또는 2 km 길이의 유동 라인(12)을 형성한다.

3. 파이프 공급기/회전기 조립체는 유동 라인(12)을 형성하는 이전에 연장된 파이프라인을 선형 및 회전 운동시킴으로써 전체 조립 작업의 핵심을 이룬다. 조립체는 파이프를 전방을 향해 압박하는 선형 스러스터(thruster)를 구비한다. 선형 스러스터 자체는 긴 파이프를 회전시키는 회전기에 장착되어 있다. 합체된 조립체는 파이프가 다양한 추가의 공정을 겪을 때에 파이프에 선형 및 회전 운동을 제공하여 진보된 관내관 장치를 형성한다. 스페이서(10)의 나선각 및 피치는 공급기/회전기 조립체가 제공하는 선형 운동 및 회전 운동의 상대 속도에 의해 제어된다.

4. 스페이서(10)용 스톡(예컨대, 평탄한 에어로겔 스트립과 용접기 스트립 사이에 개재된 삼각형 튜브)을 스페이서 스테이션에서 선형으로 반송하고, 유동 라인(12)의 선형/회전 운동에 의해 원하는 피치 및 나선각으로 내부 파이프에 나선형으로 감는다.

5. 단열 스테이션에서 단열용 스톡을 스페이서(10)의 나선형 권선 사이의 빈 용적으로 선형으로 반송하고, 유동 라인(12)의 선형/회전 운동에 의해 원하는 피치 및 나선각으로 유동 라인에 감는다. 결과적으로, 단열재가 나선형으로 감긴 스페이서(10)들 사이의 공간을 채울 것이다. 복층의 단열재를 별도의 서브스테이션에서 또는 이 스테이션에서 한번에 제공할 수 있다. 적절한 양의 단열재를 유동 라인(12)에 감은 후에, 이 스테이션에서 고정층에 의해 단열재를 고정한다.

6. 외부 스킨 용접 스테이션에서, 나선형으로 감긴 스페이서(10)들 사이의 간극에 걸쳐 연장되는 판금 스트립을 공급하여, 스페이서의 평탄한 상부 부분에 용접한다. 용접부는 외부 스킨〔즉, 캐리어 파이프(14)〕을 형성하는 2개의 인접한 금속 스트립과, 용접을 위한 기층부를 형성하는 스페이서(10)의 상부 용접 스트립을 따라 센터링된 평탄한 스트립(16)으로 이루어진다. 이러한 구조로 인하여, 캐리어 파이프(14)를 시임부에서 보다 확실하게 용접할 수 있고, 구조에 외력이 작용하는 상태에서 얇은 외부 스킨에 대한 응력이 수용 가능한 한계 내에 있게 된다.

7. 청소 스테이션에서, 코팅 작업을 위한 준비를 위하여 외부 스킨용 용접부를 청소한다.

8. 최종 처리 스테이션에서, 마무리 처리된 파이프라인을 당기기 위한 설비를 갖춘 적절한 단부 섹션을 원하는 길이의 유동 라인 섹션이 완료된 후에 긴(예컨대 1 또는 2 km) 파이프 섹션의 초기부 및 종료부 모두에 결합한다.

9. 도장/코팅 섹션에서, 부식 차단 및 녹 방지 등과 같은 다양한 목적을 위한 코팅층을 피복함으로써, 진보된 관내관 장치에 마무리 터치부를 마련한다.

10. 마무리 섹션의 이송 섹션에서, 제조 공정의 최종 단계를 실행한다. 일단 1 km(2 km) 섹션이 종료되면, 마무리 섹션은 설치 영역으로 구부러지는 긴 부동(浮動) 파이프라인을 형성하도록 또는 스풀 내로 10 또는 20 km와 같이 훨씬 긴 섹션으로 연결되도록 저장 랙(rack)에 롤링될 것이다.

전술한 설명으로부터 명백하듯이, 조작자가 최소로 간섭하는 상태로 전체 공정을 자동화할 수 있다. 전술한 기계 부품은 특별히 높은 기술이나 많은 비용을 필요로 하지 않는다. 결과적으로, 진보된 관내관 구조는 많은 노동력과 사람의 간여를 이용하는 현재의 기법에 비교하여 적은 비용으로 취급 및 제조를 실행할 수 있게 한다.

하중을 지지하는 경량의 컴팩트한 초단열 시스템:

이제까지는, 특히 매우 깊은 해저의 수중 구조체의 용례에 대하여 하중을 지지하는 신규한 경량의 컴팩트한 초단열 시스템을 설명하였다. 이 시스템은 해당 분야의 유동 라인, 라이저, 크리스마스 트리 또는 수중 트리와 같이, 높은 외부 압력 작용하에서 효율적인 단열을 필요로 하는 수중 오일 개발 시스템의 많은 부품과, 비교적 얇은 보호 표피를 갖고 컴팩트한 경량의 초단열이 유리한 임의의 다른 부품에 적용될 수 있다. LNG 탱커와, 높은 하중 지지 능력을 필요로 하는 임의의 다른 용례를 단열하기 위하여 유사한 시스템이 쉽게 연장될 수 있다.

해저 트리용 단열:

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수중 파이프라인 설비의 크리스마스 트리(해저 트리)는 관형이 아닌 많은 표면을 갖는데, 예컨대 압력 하중 작용하에서 단열되어야 하는 표면은 대략 평탄하거나, 평탄하거나, 만곡되거나, 불규칙한 형태일 수 있다. 이러한 경우에, 관내관과 관련하여 이제까지 설명한 단열 시스템의 변형을 이용할 수 있다. 즉, 관내관 장치의 경우에서와 동일하게 스페이서의 스트립을 적절한 간격을 두고 내부 도관의 표면에 부착할 수 있고, 단열 재료를 스페이서들 사이에 설치할 수 있다. 그 후, 단열 및 스페이서 격자를 비교적 얇은 외부 스킨 시트로 피복한다. 여기서, 관내관 장치의 경우에서 설명한 바와 같이, 아래의 스페이서 격자에 의해 지지되는 현수선 표면을 형성함으로써 얇은 외부 스킨이 외부 압력 하중을 견딜 수 있게 하는 아이디어가 다시 채용된다. 물론, 기층 단열재의 과도한 압축을 방지하고 기층 구 조체의 표면을 가로질러 압축 하중을 분배하기에 충분히 협소한 간격 및 충분한 높이를 갖도록 스페이서를 설계 및 배치할 수 있다.

액화 천연 가스(LNG) 탱커를 위한 단열:

이러한 단열 시스템을 사용하여 LNG 탱커와 같은 대형 시스템을 효율적으로 단열하는 방법에 대하여 간단하게 설명하기로 한다. 관내관 장치와 달리, LNG 탱커는 탱크 내측에 대용량의 액화 천연 가스를 수용한다. 탱크는 극저온 온도의 액화 천연 가스가 도입되는 때에 상당한 기하학적/치수 변화를 겪는다. 단열 시스템은 수축 시에 탱크와 함께 이동하도록 설계되거나, 모든 스페이서가 전체적으로 연결되어 있는 경우에는 큰 변위를 방지하도록 국부적으로 존재하도록 설계된다. 어떤 경우에든, 단열 시스템이 물리적으로 부착되어 있는 장소에 따라 좌우되는 이중 쉘 구조인 경우에 단열 시스템과 탱커 또는 외부 쉘 사이에 상대 운동이 존재한다.

간단한 설명을 위하여, 단열 시스템은 평탄한 외부 쉘에 부착되어 있고, 평탄한 바닥을 갖는 LNG 탱크가 단열 시스템에 의해 지지되는 것으로 가정한다. LNG 탱크의 상대 운동은 LNG 탱크와 바닥 플레이트 사이의 계면에서 x-y 평면에 있을 것이다. 이 경우에, 단열 시스템은 (a) 액화 천연 가스를 수용하는 용기의 중량 하중을 견디는 스페이서와, (b) 스페이서들 사이에 배치되며 하중을 지지하지 않는 에어로겔과 같은 단열재를 포함한다. 스페이서는 스페이서를 통한 열전도를 최소화하기 위하여 하중 지지 단열재(예컨대, 에어로겔) 스트립을 포함한다. 특별한 경우에는, 별도의 스페이서를 사용하지 않으면서 LNG 탱크와 외벽 사이의 간극을 채우는 하중 지지 에어로겔을 사용하는 것도 가능하다. 특정의 경우에, 하중을 지 지하는 에어로겔 층이 스페이서이다.

액화 천연 가스를 이송하기 위한 유동 파이프용의 단열 및 지지 구조체:

다른 실시예에 따르면, 내부 유동 파이프는 상압 또는 약간 상승한 압력의 액화 천연 가스를 운반하며, (소위 센트럴라이저로도 알려진) 스페이서 또는, 캐리어 파이프와 유동 파이프 사이의 고리형 공간에 배치되어 있는 다른 기계적 구조체에 의해 또한 기계적으로 지지되어 있다. 에어로겔 입자 또는 에어로겔 블랭킷과 같은 단열 재료는, 액화 천연 가스(LNG) 운반의 경우에 이득을 얻은 열로부터 유체를 효율적으로 단열하고, 오일 운반의 경우에 열 손실을 방지하도록 환형 공간 내에 위치 결정되어 있다. 기계적으로 강한 재료(예컨대, 강)로 제조된 센트럴라이저가 사용되고, 또한 센트럴라이저를 통한 열 전도를 줄이기 위하여 에어로겔 재료로 단열된다. 또한, 에어로겔 재료는 파이프들 사이와, 임의의 2개의 센트럴라이저 사이의 환형 공간 내에 축방향으로 삽입된다. 에어로겔 블랭킷을 사용하는 경우에, 블랭킷은 열손실을 제한하기 위하여 에지 둘레에서 하나가 다른 하나의 상부에 서로 엇갈려 배치되어 있다. 블랭킷을 위치 결정한 후에, 블랭킷이 위치를 쉽게 이탈하여 이동하는 것을 확실하게 방지하도록 제한 수단이 사용된다. 이러한 실시예는 통상적인 외부 압력 또는 해양 시스템하에서의 높은 외부 압력에서 구현될 수 있다. 본 발명은 파이프라인에서 기체로서 운반되었던 천연 가스를 액체로서 운반하는 방법을 제공한다. 액화 천연 가스(LNG)는 -250 내지 260℉의 저온에서 운반된다. 상기 온도 범위에서 약간만 변동되어도, 유동 파이프 설계 중에 고려해야 하는 압력의 원치 않는 변동을 초래할 수 있다. 본 발명은 단열 시스템의 효율에 기인하여 그러한 설계에 있어서의 융통성을 제공한다.

단열 시스템의 다른 용례:

특히 매우 깊은 수중 구조체 용례를 위하여 신규한 경량의 컴팩트한 초단열 시스템이 개발되었다. 단열 시스템은 고효율의 단열과 긴 거리에 걸쳐 연속되는 스페이서를 제조할 수 있다는 가능성 등의 구조적 이점을 허용한다. 연속적인 스페이서 구조는 시스템이 상 변화 재료를 매우 쉽게 도입할 수 있게 하거나, 히트 파이프 시스템이 시스템의 유효 열 용량을 증가시킬 수 있게 하며, 이로써 날씨, 메인터넌스, 사고에 기인한 긴 정지 중에 또는 메인터넌스 중에 비유동 모드의 지속 기간이 유리하게 연장된다. 2가지 관련 예를 이하에서 설명한다.

상 변화 재료(PCM)의 사용:

상 변화 재료(PCM)를 스페이서들 사이에 도입할 수도 있고, 스페이서 튜브가 히트 파이프 시스템으로서 사용되지 않을 경우에는 심지어 스페이서 튜브의 내측에 도입할 수도 있다. 정지 기간 중에, PCM에 저장된 열은 유동 라인 내측에 수용된 탄화수소로 느리게 방출되는 한편, PCM을 덮는 단열재는 내측의 열을 차가운 해수로부터 실질적으로 차폐된 상태로 유지한다. 차가운 해수와 PCM 사이에 우수한 단열재를 제공함으로써, PCM은 단열값이 낮은 파이프 시스템의 파이프보다 긴 시간 동안 탄화수소를 원하는 온도 이상으로 유지할 수 있다. 적절한 PCM의 하나의 예로는 왁스, 특히 석유/파라핀 왁스가 포함되며, 이 왁스는 탄화수소의 온도가 높아지고 낮아짐에 따라 용융 및 응고될 수 있다. 예컨대, 일부 오일 조성물은 160 내지 180℉로 운반될 수 있으며, 여기서 왁스는 통상적인 융점을 갖는다. 그러나, 왁스의 조성을 조작함으로써, PCM은 운반 온도에 따라서 변경된 융점을 갖도록 될 수도 있다. PCM은 PCM이 용융 상태로부터 응고될 때에 유동하는 탄화수소 내로 다시 열을 전달할 수 있다.

작동 및 정지 중에 탄화수소를 따뜻하게 유지하기 위한 지열 히트 파이프:

필요로 하는 긴 거리에 걸쳐 연속적으로 연결되고 적절한 히트 파이프 유체로 채워지며, 액체 상과 중앙의 증기 코어를 위한 (심지로서 기능하는 미세 메시층과 같은) 적절한 통로가 나선형 스페이서 코일에 마련되어 있는 경우에, 통상의 작업 중에 또는 심지어 메인터넌스 또는 폭풍으로 인한 정지 기간 중에 장기간에 걸쳐서 관내관 중의 탄화수소와 다른 해저 시스템을 침전 온도 이상으로 유지하기 위하여 해저로부터의 지열 에너지를 활용하는 히트 파이프 시스템을 형성할 수 있다. 이러한 장치가 도 6에 도시되어 있으며, 여기서 코일형 히트 파이프(20)는 바닥의 대양저로부터 물을 통하여 위로 연장되는 유동 라인에서 코일형 스페이서(10)의 권선 사이의 간극을 채운다. 적절한 히트 파이프 유체는 작동 중에 시스템의 온도 및 압력 한계 내에서 액체로부터 증기로 또는 증기로부터 액체로 상태가 변경되는 유체이다. 예로는 물, 알콜, 글리콜, 나트륨 등이 포함된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 별도의 히트 파이프 튜브(20)가 코일형 스페이서(10)의 권선(turns)들 사이에서 뻗어 있고, 에어로겔 단열층에 의해 열적으로 단열된다.

히트 파이프 유체는 도관 내에서 이하의 경로를 따라 이동한다. 도관의 차가운 측으로부터의 액체는 튜브의 내부 둘레에서 미세 심지층(fine wick layer)에 작용하는 액체의 표면 장력에 의해 뜨거운 측으로 운반되고, 여기서 액체는 비등하 여, 증기 채널 내로 수집된다(코어 영역에서 가장 효과적이다). 비등에 의해 발생된 증기압은 증기를 차가운 영역을 향해 몰아낸다. 일단 증기가 차가운 영역에 도달하면, 증기는 액체로 응축되고, 심지층 내로 들어가서 심지층 내의 표면 장력 유도 펌핑에 의해 다시 열점으로 보내진다. 히트 파이프 시스템은 설치 및 유지하기에 비용이 매우 많이 드는 전기 가열 또는 기타의 가열 방법에 대한 필요성을 제거하며, 그에 따라 위에서 설명한 히트 파이프 시스템보다 훨씬 저렴하다는 이점이 있다.

본 발명의 실시예를 설명함에 있어서는, 설명의 편의를 위하여 특정의 용어를 사용하고 있다. 설명을 위하여, 각각의 특정 용어는 적어도 유사한 목적을 달성하도록 유사하게 작용하는 모든 기술적, 기능적 균등물을 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명의 특정 실시예가 복수의 시스템 요소 또는 방법 단계를 포함하고 있는 일부의 경우에 있어서, 이들 요소 또는 단계는 단일의 요소 또는 단계로 대체될 수 있으며, 마찬가지로 단일의 요소 또는 단계는 동일한 목적을 달성하는 복수의 요소 또는 단계로 대체될 수 있다. 또한, 특정의 실시예를 참고로 하여 본 발명을 도시 및 설명하였지만, 당업자는 청구범위에 의해 정해진 것과 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 개략적인 부분 및 상세 부분에 있어서 여러 다양한 변형이 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (42)

1. 유체의 유동을 위한 유동 라인(12)을 제공하는 단계와,

   유동 라인(12) 둘레에 스페이서 구조(10)를 제공하는 단계와,

   유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14) 사이에 환형 공간을 생성하도록 유동 라인(12)의 둘레에서 유동 라인과 동축으로 정렬되어 있는 캐리어 파이프(14)를 제공하는 단계로서, 상기 스페이서 구조(10)는 상기 환형 공간 내에 있고 캐리어 파이프(14)를 지지하는 것인 단계와,

   에어로겔을 포함하고, 유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14) 사이에 있는 환형 공간의 스페이서 구조(10) 둘레의 빈 용적을 실질적으로 채우는 단열 시스템(22)을 제공하는 단계

   를 포함하는 파이프 라인 단열 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 캐리어 파이프(14)는, 스페이서 구조(10)의 구조적 지지부가 없는 상태에서 캐리어 파이프(14)가 캐리어 파이프(14)의 반경 방향 붕괴 강도를 초과하는 크러싱(crushing) 외압 하중을 받을 때, 외부 접촉 영역의 양측에서 유동 라인(12)을 향하여 제어식으로 붕괴될 수 있는 두께 또는 그 이하의 두께를 갖고,

   수압이 적어도 크러싱 외압 하중의 압력으로 되어, 캐리어 파이프(14)가 외부 접촉 영역의 양측에서 제어식으로 붕괴될 수 있게 하는 해저 깊이에 둘레의 스페이서 구조(10)를 갖는 유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14)를 배치하는 단계

   를 포함하는 파이프 라인 단열 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 캐리어 파이프(14)의 벽은 설계 깊이의 해저 아래에서 부분적으로 붕괴되어 스페이서들 사이에 현수선 표면(catenary-like surface)을 형성하는 것인 파이프 라인 단열 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 에어로겔은 하나 이상의 섬유 강화된 블랭킷 또는 입자의 형태인 것인 파이프 라인 단열 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유체는 탄화수소 또는 액화 천연가스를 포함하는 것인 파이프 라인 단열 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스페이서 구조(10)는 단열 재료로 제조되는 것인 파이프 라인 단열 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단열 스트립(18)이 스페이서 구조(10)와 유동 라인(12) 사이에 배치되어 있는 것인 파이프 라인 단열 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상 변화 재료를 유동 라인(12)의 둘레에 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 상 변화 재료는 상의 변화에 의하여 유동 라인의 온도 변경에 반응할 수 있는 것인 파이프 라인 단열 방법.
9. 제2항에 있어서, 상기 캐리어 파이프(14) 자체는 해수의 정수압에 기인한 25 MPa의 외부 압축 하중을 견딜 수 없지만, 상기 스페이서 구조(10)는, 캐리어 파이프(14)가 접촉 영역 사이에서 제어식으로 붕괴될 수 있고 인장 상태에서 정수압을 견디기에 충분한 지지를 제공하는 것인 파이프 라인 단열 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스페이서 구조(10)는 원형, 타원형, 삼각형, 또는 사다리꼴의 단면 형상을 갖는 나선형 코일 또는 로드(rod)의 형태인 것인 파이프 라인 단열 방법.
11. 유동 라인(12)과,

    유동 라인(12) 둘레의 스페이서 구조(10)와,

    유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14) 사이에 환형 공간을 생성하도록 유동 라인(12)의 둘레에서 유동 라인과 동축으로 정렬되어 있는 캐리어 파이프(14)로서, 상기 스페이서 구조(10)가 상기 환형 공간 내에 있고 캐리어 파이프(14)를 지지하는 것인 캐리어 파이프(14)와,

    에어로겔을 포함하고, 유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14) 사이에 있는 환형 공간의 스페이서 구조(10) 둘레의 빈 용적을 실질적으로 채우는 단열 시스템(22)

    을 포함하며,

    상기 유동 라인(12)은 유체가 통과하도록 구성되어 있는 것인 단열 파이프 라인.
12. 제11항에 있어서, 상기 캐리어 파이프(14)는, 스페이서 구조(10)의 구조적 지지부가 없는 상태에서 캐리어 파이프(14)가 캐리어 파이프(14)의 반경 방향 붕괴 강도를 초과하는 크러싱 외압 하중을 받을 때, 외부 접촉 영역의 양측에서 유동 라인(12)을 향하여 제어식으로 붕괴될 수 있는 두께 또는 그 이하의 두께를 갖고,

    둘레의 스페이서 구조(10)를 갖는 유동 라인(12)과 캐리어 파이프(14)는 수압이 적어도 크러싱 외압 하중의 압력으로 되는 해저 깊이로 있으며, 이 해저 깊이에서 캐리어 파이프(14)는 외부 접촉 영역의 양측에서 제어식으로 붕괴될 수 있는 것인 단열 파이프 라인.
13. 제12항에 있어서, 상기 캐리어 파이프(14)의 벽은 설계 깊이의 해저 아래에서 부분적으로 붕괴되어 스페이서들 사이에 현수선 표면을 형성하는 것인 단열 파이프 라인.
14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 에어로겔은 하나 이상의 섬유 강화된 블랭킷 또는 입자의 형태인 것인 단열 파이프 라인.
15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 유체는 탄화수소 또는 액화 천연가스를 포함하는 것인 단열 파이프 라인.
16. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 스페이서 구조(10)는 단열 재료로 제조되는 것인 단열 파이프 라인.
17. 제11항 또는 제12항에 있어서, 단열 스트립(18)이 스페이서 구조(10)와 유동 라인(12) 사이에 배치되어 있는 것인 단열 파이프 라인.
18. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상 변화 재료가 유동 라인(12)의 둘레에 더 배치되어 있고, 상기 상 변화 재료는 상의 변화에 의하여 유동 라인의 온도 변경에 반응할 수 있는 것인 단열 파이프 라인.
19. 제12항에 있어서, 상기 캐리어 파이프(14) 자체는 해수의 정수압에 기인한 25 MPa의 외부 압축 하중을 견딜 수 없지만, 상기 스페이서 구조(10)는, 캐리어 파이프(14)가 접촉 영역 사이에서 제어식으로 붕괴될 수 있고 인장 상태에서 정수압을 견디기에 충분한 지지를 제공하는 것인 단열 파이프 라인.
20. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 스페이서 구조(10)는 원형, 타원형, 삼각형, 또는 사다리꼴의 단면 형상을 갖는 나선형 코일 또는 로드의 형태인 것인 단열 파이프 라인.
21. 제6항에 있어서, 상기 단열 재료는 에어로겔 재료를 포함하는 것인 파이프 라인 단열 방법.
22. 제17항에 있어서, 상기 단열 스트립은 에어로겔을 포함하는 것인 단열 파이프 라인.
23. 제7항에 있어서, 상기 단열 스트립은 에어로겔 재료를 포함하는 것인 파이프 라인 단열 방법.
24. 제16항에 있어서, 상기 단열 재료는 에어로겔 재료를 포함하는 것인 단열 파이프 라인.
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