СОСУД ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЖАТОГО ГАЗА Российский патент 2001 года по МПК F17C1/00 

Изобретение относится к технике хранения и транспортирования газов, газообразных продуктов и сжимаемых смесей, используемых в газовой, нефтегазовой, химической и др. отраслях промышленности, в частности, к многокамерным сосудам для аккумулирования и хранения сжатого газа или транспортирования его по системе труб при разных уровнях компрессии.

Известно устройство для хранения и транспортирования природных газов, выполненное в виде системы замкнутых и уложенных по спирали или в виде змеевика труб диаметром 100-150 мм, разделенных на секции, которые через запорные клапанные устройства сообщены с коллектором для приемки и выгрузки газа (см. патент RU N 2047812, F 17 С 1/00, 1992). Указанное устройство обладает относительно невысокой аккумулирующей способностью, тем более, что при давлениях выше 20-25 МПа прирост плотности природного газа снижается. Создание подобного устройства в виде протяженного сооружения для хранения или поточного транспортирования газа связано с большими трудностями.

Известен сосуд высокого давления, состоящий из концентрических расположенных цилиндрических оболочек, полостям между которыми придают равный объем (см. А. с. SU N 1 838 713, F 17 С 1/00, 1991). Данная конструкция обладает недостатками, связанными с условием обеспечения равных объемов полостей, образованных цилиндрическими оболочками.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является сосуд высокого давления для хранения и транспортирования газа, содержащий внешнюю оболочку и размещенные в ней внутренние оболочки с рабочим давлением газа, большим, чем давление газа в полости внешней оболочки, и трубопроводную арматуру для загрузки и выгрузки сжатого газа (см. А.с. SU N 1 067 289, А 17 С 1/02, 1972).

Основной недостаток сосудов с коаксиальным расположением оболочек заключается в пониженной надежности конструкции, поскольку нарушение герметичности одной из оболочек (а вероятность этого возрастает с увеличением их диаметра) снимает эффект противодавления, что может привести к цепной реакции разрушения всего сосуда. Высокая вероятность разрушения емкостей обусловлена тем, что с увеличением числа полостей резко возрастает периметр и поверхность оболочки, тем самым повышается опасность проявления дефектов в структуре материала, например, суммарная площадь поверхности шести полостей равновеликого объема увеличивается по сравнению с поверхностью внешней оболочки почти в пять раз. Кроме того, имеет место повышенный расход металла на изготовление оболочек, особенно внешнего контура, поскольку используемый принцип прироста диаметра оболочек приводит к необходимости увеличения толщины их стенок; кратно снижается доля объема полости с наиболее высоким уровнем давления газа по мере увеличения числа ступеней его хранения.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание сосуда для хранения и транспортирования сжатого газа, обеспечивающего увеличение газоемкости сосуда, снижение удельного расхода металла и повышение безопасности эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем, что в сосуде для хранения и транспортирования сжатого газа, содержащем внешнюю оболочку и размещенные в ней внутренние оболочки с рабочим давлением газа в них, большим, чем давление газа в полости внешней оболочки, и трубопроводную арматуру для загрузки и выгрузки сжатого газа, согласно изобретению внутренние оболочки установлены в полости внешней оболочки на одинаковом или разном удалении их осевых линий или центров симметрии от осевой линии или центра внешней оболочки, причем по меньшей мере две внутренние оболочки установлены с зазором относительно друг друга и внутренней поверхности внешней оболочки или все или некоторые внутренние оболочки контактируют друг с другом и с внутренней поверхностью внешней оболочки.

А также тем, что:
- по крайней мере две внутренние оболочки установлены с контактом между собой и с внутренней поверхностью внешней оболочки с обеспечением силового взаимодействия системы оболочек под воздействием сжатого газа;
- по крайней мере одна из внутренних оболочек содержит по крайней мере одну установленную в ее полости внутреннюю оболочку;
- внутренние оболочки имеют одинаковые или различные геометрические параметры;
- внутренние оболочки снабжены защитными манжетами, расположенными по периметру их внешней поверхности;
- между поверхностями контакта внутренних оболочек друг с другом и с внутренней поверхностью внешней оболочки установлены опорные прокладки.

Базовые положения настоящего изобретения основаны: 1) на учете свойства газа повышать свою объемную массу при увеличении давления; так, плотность природного газа при увеличении давления с 5 МПа до 20 МПа возрастает с 70 до 300 кг/м³ (при температуре 18^oC); 2) на использовании принципа противодавления газов, аккумулируемых в смежных полостях; 3) на создании нескольких (а не одной, как при коаксиальном расположении оболочек) внутренних емкостей с наиболее высоким уровнем давления газа; 4) на более полном использовании механической прочности внешней оболочки сосуда, которая испытывает наименьшее давление газа, но, как правило, имеет большую толщину стенок.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием его сущности, примером его применения и сопровождающими чертежами, где изображены: на фиг. 1 - схема взаимного расположения в сосуде внешней и внутренних оболочек со штуцерами для подключения трубопроводной арматуры (продольный разрез); на фиг. 2 - схема расположения внутренних оболочек с зазором относительно друг друга и внутренней поверхности внешней оболочки; на фиг. 3 - схема расположения внутренних оболочек в контакте друг с другом и с зазором относительно внутренней поверхности внешней оболочки; на фиг. 4 - схема расположения внутренних оболочек в контакте друг с другом и внутренней поверхностью внешней оболочки; на фиг. 5 - схема расположения внутренних оболочек в контакте друг с другом и одной из них с зазором относительно внутренней поверхности внутренней оболочки; на фиг. 6 и 7 - схемы расположения внутренних оболочек в контакте между собой и с внутренней поверхностью внешней оболочки, обеспечивающем силовое взаимодействие системы оболочек; на фиг. 8 - схема сосуда с комбинированным расположением внешних и внутренних оболочек.

На представленных фигурах показано определенное число внутренних оболочек (до четырех), однако сущность изобретения, иллюстрируемая данными примерами, сохраняется и для некоторого n-го числа внутренних оболочек.

В зависимости от назначения сосуда оболочки 1 и 2 имеют изометричную (для хранения или транспортирования сжатого газа) или линейную (для транспортирования газа в потоке) формы. Взаимное расположение внешней 1 и внутренних 2 оболочек характеризуется ориентировкой и положением их продольных осей для протяженных сосудов (трубопроводов, трубных газохранилищ) или центров симметрии для изометричных сосудов (шаровых газгольдеров, цистерн). Назначение и условия применения сосуда определяют также габаритные размеры внешней и внутренних оболочек и особенности оснащения их трубопроводной арматурой, обеспечивающей включение, отключение, регулирование давления, расхода и направления движения газовых потоков, элементы которой подсоединяются к оболочкам посредством присоединительных штуцеров 5 (см. фиг. 1).

Внутренние оболочки 2 размещают во внешней оболочке 1 с образованием зазоров между ними и с внешней оболочкой (см. фиг. 2); в контакте между собой (при этом они могут быть связаны хомутами), но с зазором относительно внутренней поверхности внешней оболочки 1 (см. фиг. 3). Конструктивно и технологически предпочтительны расположение двух внутренних оболочек 2 в контакте между собой и с внутренней поверхностью внешней оболочки по схеме фиг. 4, при n>2 - без контакта с внешней оболочкой, хотя бы одной из них (см. фиг. 5). Для создания технологических зазоров между поверхностями оболочек на корпус внутренних оболочек могут быть надеты с определенным шагом защитные манжеты 6 из резины, полимерных материалов и т.п. При размещении, обеспечивающем полный контакт всех внутренних оболочек 2 между собой и с внутренней поверхностью внешней оболочки 1 (см. фиг. 6 и 7), достигается силовое взаимодействие элементов системы вследствие деформационного расширения оболочек под давлением сжатого газа. Для предотвращения концентрации напряжений по линиям контакта могут быть установлены опорные прокладки 7. При многоступенчатом компримировании газа и необходимости хранения или транспортирования разнокомпонентных продуктов сосуд выполнен в виде ступенчатой комбинации оболочек, в которой внутренняя оболочка 3 является внешней оболочкой для внутренней оболочки 4 (см. фиг. 8) и так далее.

Диаметр, число и схемы размещения внутренних сосудов во внешней оболочке данного диаметра определяются назначением и условиями применения сосудов. При этом в оболочках меньшего диаметра снижается вероятность образования дефектов в структуре материала, а в случае их проявления уменьшается величина прироста давления газа во внешней оболочке. При увеличении числа внутренних оболочек, функционирующих в силовом взаимодействии их с внутренней поверхностью внешней оболочки, обеспечивается большая равномерность нагружения последней по периметру.

Газоемкость сосуда при автономном размещении во внешней оболочке 1 внутренних оболочек 2 с зазором относительно друг друга и с внешней оболочкой (см. фиг. 2), в контакте друг с другом, но с зазором относительно внешней оболочки (см. фиг. 3 и 4) составляет Q = (V_l-Σ_i=1V_i)δ_l+Σ_k=lV_kδ_k,
где V_l, V_i, V_k - соответственно внутренний объем внешней оболочки, внутренние и наружные объемы внутренних оболочек, м³;
δ_l и δ_k - плотность газа соответственно при давлениях p_l и (р_l + р_k), кг/м³;
p_l и p_k- рабочее давление газа соответственно для внешней и внутренних оболочек;
n - число внутренних оболочек.

При размещении внутренних оболочек в контакте друг с другом и внутренней поверхностью внешней оболочки, обеспечивающем их числовое взаимодействие под давлением газа, газоемкость сосуда выше, чем при расположении внутренних оболочек с зазором, что и достигается путем учета в формуле скорректированного рабочего давления р_k и соответственно плотности газа δ_k
Оптимальный вариант конструкции сосуда для хранения или транспортирования газа выбирают на основе оценки вариантов по критериям эффективности (газоемкость, удельный расход металла, трудоемкость сооружения) и безопасности эксплуатации.

Преимущества предлагаемого технического решения показаны на примере использования труб с параметрами (табл. 1), применяемыми в практике строительства газопроводов.

Сопоставлены следующие варианты конструкции сосудов.

1. Прототип: трубы диаметром 1,42; 0,72 и 0,53 м расположены коаксиально, давление газа в полостях 5; 12,5 и 20 МПа.

2. Предлагаемое техническое решение: в трубе диаметром 1,42 м с давлением 5 МПа автономно расположены три трубы по схеме фиг. 5 - одна диаметром 0,72 м при давлении газа 12,5 МПа и две трубы диаметром 0,53 м при давлении газа в них по 15 МПа.

3. Контрольный: аккумуляция газа в отдельно расположенных трубах диаметром 1,42; 0,72 и 0,53 м при давлении газа в них 5; 7,5 и 7,5 МПа.

Оценки газоемкости сосудов выполнены для природного газа с относительной плотностью 0,8 при температуре 18^oC, значения абсолютной плотности которого при различном давлении характеризуются следующими данными (Гужов А.И. и др. Сбор, транспорт и хранение углеводородных газов. М., Недра, 1978, с.24) (см. табл. А).

Результаты расчета газоемкости сосудов и удельного расхода металла, отнесенные к 1 м длины сосуда, сведены в табл. 2.

Показатели усредненной плотности и расчетного давления газа характеризуют степень безопасности системы. Полученные результаты свидетельствуют, что коаксиальное расположение оболочек не обеспечивает улучшения показателей ни по газоемкости, ни по удельному расходу металла по сравнению с раздельным расположением труб. В лучшем случае оно может обеспечить равноценные их значения, при этом особое внимание следует обратить на соотношение объемов внутренних оболочек и разности давлений газа в них. В рассмотренном примере при разрушении коаксиальной внутренней оболочки 0,53 м давление газа во внутренней оболочке 0,72 м возрастает с 12,5 до 15 МПа, что даже с учетом противодавления газа внешней оболочки может рассматриваться как критическое. Сосуды с автономным расположением внутренних оболочек во внешней оболочке обладают значительными преимуществами по сравнению с коаксиальным расположением оболочек, а именно:
1) Увеличивается газоемкость сосуда вследствие того, что предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность размещения во внешней оболочке нескольких автономных оболочек с высоким уровнем давления газа в них. В рассмотренном примере при меньшем давлении газа (15 МПа) газоемкость такого сосуда на 42% выше, чем при более высоком давлении газа в центральной оболочке сосуда с коаксиальным расположением (20 МПа).

2) Расход металла, отнесенный к объему аккумулируемого газа (удельный расход металла), при автономном расположении внутренних оболочек снижается более чем на 23; по сравнению с коаксиальным их расположением, несмотря на то, что в первом случае во внешней оболочке размещают большее число аналогичных труб.

3) Обеспечивается возможность многовариантного формирования конструктивных схем и выбора технического решения, в наибольшей степени отвечающего требованиям к объекту и условиям его функционирования при ограниченном ассортименте выпускаемых труб.

4) Конструкция сосуда с силовым взаимодействием системы оболочек обеспечивает возможность повышения рабочего давления газа во внутренних оболочках, как следствие, его газоемкости.

5) Разобщенность внутренних оболочек исключает опасность возникновения критических давлений газа во вмещающей оболочке в случае нарушения их герметичности, что повышает безопасность эксплуатации сосуда.

Сосуд для хранения и транспортирования сжатого газа содержит внешнюю оболочку, размещенные в ней внутренние оболочки и трубопроводную арматуру для загрузки и выгрузки сжатого газа. Рабочее давление газа внутренних оболочек больше, чем давление газа в полости внешней оболочки. Внутренние оболочки установлены на одинаковом или разном удалении их осевых линий или центров симметрии от осевой линии или центра симметрии внешней оболочки. По меньшей мере две внутренние оболочки установлены с зазором относительно друг друга и внешней оболочки или все или некоторые внутренние оболочки установлены с контактом одна с другой и внутренней оболочкой. Использование изобретения позволит обеспечить увеличение газоемкости сосуда, снижение удельного расхода металла и повышение безопасности эксплуатации. 5 з.п.ф-лы, 8 ил., 3 табл.

1. Сосуд для хранения и транспортирования сжатого газа, содержащий внешнюю оболочку и размещенные в ней внутренние оболочки с рабочим давлением газа, большим, чем давление газа в полости внешней оболочки, и трубопроводную арматуру для загрузки и выгрузки сжатого газа, отличающийся тем, что внутренние оболочки установлены в полости внешней оболочки на одинаковом или разном удалении их осевых линий или центров симметрии от осевой линии или центра внешней оболочки, причем по меньшей мере две внутренние оболочки установлены с зазором относительно друг друга и внутренней поверхности внешней оболочки или все или некоторые внутренние оболочки установлены с контактом одна с другой и внутренней поверхностью внешней оболочки. 2. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере две внутренние оболочки установлены с контактом между собой и с внутренней поверхностью внешней оболочки с обеспечением силового взаимодействия системы оболочек под воздействием сжатого газа. 3. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна из внутренних оболочек содержит по крайней мере одну установленную в ее полости внутреннюю оболочку. 4. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что внутренние оболочки имеют одинаковые или различные геометрические параметры. 5. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что внутренние оболочки снабжены защитными манжетами, расположенными по периметру их внешней поверхности. 6. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что между поверхностями контакта внутренних оболочек одна с другой и с внутренней поверхностью внешней оболочки установлены опорные прокладки.