Трубопроводы

ПРОЦЕССЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ХРАНЕНИИ КРИОПРОДУКТОВ

При хранении криопродуктов происходит постоянное испарение части жидкого криопродукта вследствие притока тепла из окружающей среды. При хранении с открытым газосбросом пары уходят из резервуара. Уменьшение потерь продукта при хранении с открытым газосбросом в основном связано с улучшением качества изоляции. Для современных крупных криогенных резервуаров вместимостью 100м³ и более эти потери составляют менее 0,03% в час, но в ряде случаев дренаж паров из резервуара даже в таких количествах нежелателен.

Перспективным способом является бездренажное хранение, прикотором исключаются потери продукта в процессе хранения и транспортирования криогенных жидкостей. Однако жидкий компонент нагревается, что приводит к росту давления в резервуаре. При достижении в резервуаре рабочего давления необходим сброс давления. Но для крупных резервуаров объемом 225 и 1400м³ отношение общей теплоемкости хранимой жидкости (теплопоглощающей способности хранимого продукта: С_VМ) к притоку теплоты является настолько большим, что позволяет обеспечить бездренажное хранение в течение длительного времени.

Но в резервуаре происходит расслоение жидкости по температуре, т.е. образуются зоны (в области теплопритоков) с повышенной температурой по сравнению с температурой основной массы жидкости. Этот фактор вызывает более интенсивное нарастание давления в резервуаре, что снижает время бездренажного хранения.

Для транспортировки жидких криогенных продуктов предназначены трубопроводы. Они должны сохранять работоспособность при температуре транспортируемых жидкостей, а также обеспечивать достаточно малый теплоприток из окружающей среды. Выполнение этих требований достигается: выбором материалов, работоспособных при криогенных температурах; конструктивными решениями по компенсации напряжений, возникающих при охлаждении трубопровода; эффективной тепловой защитой от теплопритоков из окружающей среды.

Современные промышленные конструкции криогенных трубопроводов состоят из внутренней трубы, по которой транспортируется криогенный продукт; теплоизоляции; защитно-силового наружного кожуха, являющегося опорной базой для внутренней трубы; опор внутренней трубы, фиксирующих ее в кожухе; запорной арматуры специального криогенного исполнения.

Внутренняя труба выполняется из гладких цельнотянутых или сварных труб. В качестве конструкционных материалов внутренней трубы используется нержавеющая сталь типа 12х18Н10Т и иногда инвар 36НХ. При использования инвара гораздо проще решается проблема компенсации температурных напряжений при охлаждении трубопроводов, поскольку средний коэффициент линейного расширения инвара в шесть раз меньше чем у нержавеющей стали.

Наружный кожух изготавливается из нержавеющей или углеродистой стали. Пространство между внутренней трубой и кожухом заполняется теплоизоляцией вакуумированного типа: вакуумно-порошковой, слоисто-вакуумной и иногда чисто вакуумной.

Внутренняя труба фиксируется в кожухе с помощью опор: пальчиковых, проволочных, шариковых, дисковых и цапфовых (рис. 13).Проволочные, пальчиковые и шариковые опоры предназначены для обеспечения соосности внутренней трубы и кожуха, дисковые и цепфовые опоры передают на кожух силовых воздействий от внутренней трубы.В конструкциях опор используются стеклопластики, обладающие малой теплопроводностью в сочетании с высокой прочностью.

Для устранения температурных напряжений, возникающих при охлаждении внутренней трубы, в конструкции трубопровода предусматриваются компенсторы; при значительных колебаниях температуры окружающего воздуха компенсаторы устанавливаются и на наружном кожухе. В качестве компенсаторов температурных напряжений используются различные упругие элементы: сильфоны, гофрированные шланги (металлорукава), линзовые компенсаторы.

Существует два основных подхода к конструтрованию и монтажу криогенных коммуникаций. В первом случае отдельные участки трубопроводов (секции) поставляются к месту монтажа в готовом виде, т.е. полностью изготовленными и отвакуумированными в заводских условиях. При монтаже трубопроводов отдельные секции лишь стыкуются с помощью фланцевых соединений. Длина таких секций ограничивается размерами транспортных средств и не превышает 6…12 метров. При другом подходе изготовленные на заводе секции трубопроводов не имеют замкнутых изоляционных полостей, т.е. пространство, заполненное теплоизоляцией, не отвакуумировано. Секции свариваются друг с другом на месте монтажа, образуя гораздо более длинные участки. Крайние секции таких участков, длина которых достигает 50…100 метров, герметизируются специальными конструкционными элементами, позволяющими продолжать монтажные работы.Вакуумирование образованных герметичных полостей производится после монтажа трубопровода.

В течественном машиностроении на основе многолетнего опыта создания и эксплуатации криогенных систем в качестве основного варианта принята многосекционная конструкция из унифицированных элементов со сваркой на месте монтажа и последующим вакуумированием полостей, заполненных теплоизоляцией. При этом унифицированы самые распространенные элементы криогенных трубопроводов: прямые секции, колена, тройники, гибкие металлорукава, компенсаторы, опоры, узлы соединения секций, криогенная и вакуумная арматура, теплоизоляция и т.д. На рис. 14 показаны конструктивные схемы унифицированных прямых секций, а на рис. 15 и 16 – колен и тройников. На рис. 17 представлен внешний вид участка криогенного трубопровода с единой вакуумной полостью, собранного из унифицированных секций и элементов с использованием сильфонов в качестве компенсаторов температурных напряжений. На рис. 18 представлены различные схемы компенсации температурных напряжений в магистральных криогенных системах.

Как уже говорилось, в конструкцию криогенного трубопровода входит запорно-регулирующая арматура. Криогенная арматура должна удовлетворять следующим требованиям: сохранять работоспособность в диапазоне эксплуатационных температур, обеспечивать минимальный теплоприток к криогенному продукту, иметь достаточную герметичность как внутреннюю, так и внешнюю, иметь малое время срабатывания (это – к управляемой арматуре), небольшое гидравлическое сопротивление, высокую надежность и большой ресурс работы.

Технический уровень криогенной арматуры оценивается рядом показателей, которые отражают с той или иной степенью точности выполнение технических требований, предъявляемых к арматуре. Среди таких показателей можно выделить специфические для криогенной арматуры, а также показатели, характерные для любой общепромышленной арматуры. К специфическим показателям относятся теплоприток к продукту из окружающей среды и теплота, аккумулированная в деталях, охлаждаемых криогенным продуктом (теплосодержание деталей. Общими показателями технического уровня являются: ресурс, величина протечек как через уплотняющую пару, так и через уплотнение привода, коэффициент гидравлических потерь и др.

Теплоприток к транспортируемому продукту является важнейшей эксплуатационной характеристикой криогенной арматуры. Основным показателем конструктивного совершенства арматуры в тепловом отношении служит обычно величина теплопритоков из окружающей среды к криогенному продукту в единицу времени q. Для сравнения тепловых характеристик арматуры, отличающейся конструкцией, условным диаметром и температурным уровнем продуктов, используется следующий показатель

K_q = q/[D²(T_o.c. – T)],

где D – условный диаметр запорно-регулирующего устройства; Т_о.с. – температура окружающей среды (обычно Т_о.с. = 293 К); Т – температура криогенного продукта.

Другим показателем совершенства криогенной арматуры (важным при частых отогревах коммуникаций) является количество теплоты,передавеемой криогенной среде при охлаждении запорно-регулирующего устройства (внутренние источники теплоты):

Q = (T₀ – T_k),

где М_i – масса конструктивного элемента; Т₀, Т_к – начальная и конечная температуры конструктивного элемента; - средняя удельная теплоемкость материала в диапазоне температур от Т₀ до Т_к.

Сравнение теплоемкостей арматуры, отличающейся конструктивными особенностями и условными проходами, производится с помощью специального показателя:

K_m = Q/[D²(T_o.c. – T)]

Герметичность арматуры как одной из важнейших характеристик оценивается показателем К_г – величиной, пропорциональной объемному расходу пробного газа через единицу длины уплотняющей поверхности клапанной (герметизирующей) пары:

К_г = ΔV/(DΔτ),

где ΔV/Δτ – объемный расход газа через уплотнение в единицу времени; D – средний диаметр уплотняющего кольца (области контакта).

В таблице 3 приведены экспериментальные данные по герметичности затвора Ду 100 при температуре 78 К в случае использования различного рода уплотнительных материалов. В качестве пробного газа использовался азот.

Затворы с уплотнением металл по металлу чувствительны к наличию случайных твердых частиц в потоке жидкости, в том числе и частиц отвержденных (замороженных) газов. В результате после определенного числа циклов срабатывания величина протечек возрастает до недопустимых значений К_г = (20…50) см³/мин. Фторопласт-4 обеспечивает удовлетворительную герметичность только в теплых условиях. Хорошая герметичность (К_г < 1 см³/мин) в условиях длительной эксплуатации (более 5000 циклов срабатывания) достигнута в затворах с уплотнением из поликарбоната. Этот материал в настоящее время нашел широкое применение в криогенной арматуре. Только возможность загорания в среде кислорода при высоком давлении ограничивает в ряде случаев его применение в кислородных системах.

В качестве привода в криогенной арматуре широкое применение получили пневматические цилиндры, отличающиеса высокой надежностью и быстродействием.На рис. 19 и 20 показаны типовые конструкции криогенных клапанов с пневмоприводом. Встроенная в вакуумную полость арматура имеет наилучшие тепловые характеристики. Однако вследствие низкой ремонтопригодности такая арматура находит применение только в гелиевых системах, в которых предъявляются наиболее высокие требования к тепловым характеристикам запоно-регулирующих устройств. В таблице 4 даны основные характеристики криогенной пневмоарматуры.