УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ИЗОЛИРОВАННОЙ ТРУБЫ НЕГОРЮЧЕЙ СВЕРХТОНКОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ПОЛЫХ МИКРОСФЕР С ЭЛЕКТРООБОГРЕВАЮЩИМ КАБЕЛЕМ-СПУТНИКОМ Российский патент 2024 года по МПК F16L9/04 F16L9/12 F16L59/00 

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и используется при сооружении трубопроводов, в том числе магистральных, транспортирующих вязкие и легкозастывающие продукты, в частности нефть и газ, и может быть использовано как при сооружении новых, так и при модернизации действующих магистральных трубопроводов.

Получаемые трубы применяются в различных отраслях промышленности, в частности для транспортировки текучих сред (нефть, газ) в нефтегазовой промышленности, а также при подземной и надземной прокладке тепловых сетей, теплотрасс, технологических трубопроводов, эксплуатируемых при температуре теплоносителя от +50°С до +400°С.

Из уровня техники известно, что при отрицательных температурах из-за повышенной вязкости большинство нефтепродуктов склонны к загустеванию, что нередко приводит к возникновению в трубопроводах закупорок и кристаллизации транспортируемых веществ.

Например, в условиях сурового климата задача транспортировки нефти осложняется высокой вязкостью сырой нефти и нефтепродуктов, что затрудняет ее перекачивание. При этом необходимо использовать более мощное насосное оборудование, увеличивать давление в трубопроводе, что приводит к ускоренному его износу, а также применять более дорогостоящие материалы при обустройстве нефтепроводов.

В настоящее время одним из самых эффективных и экономически целесообразных технических решений по предупреждению замерзания текучих сред в трубопроводах является устройство электроподогрева с помощью саморегулирующихся или трехфазных нагревательных кабелей постоянной мощности, СКИН-систем или Vell-систем при длине обогрева трубопровода до 150 км с подачей питания из одной точки и более.

Однако, для работы системы обогрева необходима надежная тепловая изоляция трубопровода и нагревательного кабеля. При этом изоляция должна обладать низким коэффициентом теплопроводности с целью уменьшения толщины собственного слоя и диаметра готовой трубы, а также снижения дополнительной нагрузки и занимаемого объема в пространстве, обладать негорючими свойствами, так как нефтепродукты и газ относятся к взрыво- и пожароопасным веществам, а также быть технологически простыми в устройстве и реконструкции отдельных участков трубопровода.

В существующих трубопроводах в качестве тепловой изоляции используют минеральную вату, полиуретановую, перлитную или аэрогелевую изоляцию. Все известные материалы имеют свои существенные недостатки, например, минеральная вата не имеет высокой прочности на сжатие, подверженность намоканию, механическим повреждениям, короткий срок эксплуатации, необходимость устройства защитной оболочки. Перлитовая изоляция имеет низкие теплоизоляционные свойства, что приводит к существенному увеличению толщины и количества материала, является хрупким материалом и может быть повреждена при транспортировке и монтаже. Полиуретановая изоляция ограничена температурой нагрева изолируемой поверхности до +140°С, свыше которой происходит разрушение самого материала изоляции. Аэрогелевая изоляция имеет высокую стоимость и экономически нецелесообразна к применению на трубопроводах.

Известен способ теплоизоляции трубопроводов, который включает подготовку подлежащей теплоизоляции поверхности, приготовление суспензии на основе связующих полимеров и наполнителя в виде полых микросфер, нанесение слоя суспензии на указанную поверхность и полимеризацию полученного покрытия (Патент РФ № 2451871, МПК F16L 59/08, опубл. 27.05.2012). В суспензии в качестве связующего полимера используют полимеризирующийся связующий материал, обладающий в полимеризированном состоянии термической и коррозионной стойкостью. В качестве наполнителя в суспензии выбраны полые монодисперсные микросферы, имеющие наружный диаметр 60-100 мкм и концентрацию в пределах 70-85%. После полимеризации наносят другой слой, содержащий связующий полимер и алюминиевую пудру, при этом обеспечивают объемную концентрацию алюминиевой пудры в другом слое в пределах 50-85%.

Недостатками данного изобретения является применение горючих материалов, сложность технологии приготовления и нанесения на изолируемую поверхность готовой смеси из-за ограничения по времени (15-20 минут), после истечения которого суспензия перестает быть пригодной к использованию, невозможность нанесения ручным способом, а только механизированным с помощью краскопульта, при этом сама поверхность (трубопровод) должна вращаться, а краскопульт можно передвигать только в горизонтальном направлении, что не позволяет применять данный способ теплоизоляции непосредственно на объекте во время монтажа трубопровода, отсутствие нагревательных элементов.

Известна гибридная система изоляции трубопровода с подогревом, которая содержит первый слой изоляции и охватывающий его второй слой изоляции, проходящий вдоль наружной поверхности трубопровода. Первый слой изоляции включает две изолирующие части. Первая изолирующая часть выполнена из первого изоляционного материала и расположена вдоль первой периферийной части наружной поверхности трубопровода с противоположной стороны от по меньшей мере одной нагревательной трубки. Вторая изолирующая часть расположена вдоль второй периферийной части наружной поверхности трубопровода и выполнена из второго изоляционного материала, разделенного с первым изоляционным материалом и отличающегося от него. Первая изолирующая часть может быть выполнена из вспученного перлита, а вторая из минеральной ваты высокой плотности. (Патент РФ № 259500, МПК F16L 59/14, F16L 53/00, опубл. 27.09.2016).

Недостатками изобретения являются применение перлита и минеральной ваты, которые не обладают достаточными теплоизоляционными свойствами, за счет чего значительно увеличивается толщина изоляции в целом, горючесть минеральной ваты, хрупкость перлита, а также необходимость устройства прочного и влагозащитного наружного кожуха, для сохранения в целостности первых двух слоев изоляции, что приводит к сложности устройства системы в целом.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является многослойное изолирующее устройство обогрева трубопроводов, которое имеет один или более нагревательных элементов, расположенных прилегающе к нагреваемой поверхности, аэрогелевый высокотемпературный изоляционный слой, прилегающий к одному или более нагревательным элементам, низкотемпературный изоляционный слой, прилегающий к аэрогелевому высокотемпературному изоляционному слою, и блокирующий механизм, эффективный для фиксации положения низкотемпературного изоляционного слоя относительно аэрогелевого высокотемпературного изоляционного слоя. (Патент РФ №2499941, МПК F16L 9/14, опубл. 10.04.2012).

Недостатками данного изобретения является ограничение по температуре нагрева изолируемой поверхности до +250°С, горючесть материала, невозможность устройства теплоизоляционного слоя непосредственно на объекте строительства трубопровода, а также при отрицательных температурах окружающей среды. При этом, невозможность применения аэрогеля, изготовленного и произведенного по указанным в источниках Патентах США в условиях санкций и импортозамещения. Представленный на сегодняшний день на отечественном рынке теплоизоляционных материалов аэрогель является хрупким материалом, который в реальных условиях, при транспортировке, укладке трубы в траншею, вибрациях и нагрузке от грунта, легко может разрушиться.

Задачей заявленного технического решения является создание предварительно изолированной трубы негорючей сверхтонкой теплоизоляцией с электроподогревом, в которой были бы исключены перечисленные недостатки, то есть заявляемое изобретение позволит:

1) поддерживать технологическую температуру прокачиваемых текучих сред, предотвращая образование асфальтосмолопарафиновых отложений, ледяных пробок, в условиях охлаждающего воздействия окружающей среды, особенно в холодных районах;

2) снизить теплопотери при транспортировке жидкостей;

3) обеспечить минимальную требуемую толщину теплоизоляционного слоя, за счет низкого коэффициента теплопроводности негорючего теплоизоляционного материала;

4) обеспечить возможность теплоизоляции труб, трубопроводов, цистерн, резервуаров с температурой нагрева поверхности до +400°С;

5) обеспечить негорючие свойства, за счет применения негорючего теплоизоляционного слоя;

6) быть технологичным при изготовлении и реконструкции или замене отдельного участка трубы, обеспечить возможность нанесения как ручным, так механизированным способом, при этом производить предварительную теплоизоляцию труб непосредственно на объекте и при отрицательных температурах окружающей среды, что очень важно в труднодоступных и удаленных местностях северных регионов, морских платформах ледового класса и т.п.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предварительно изолированная труба негорючей сверхтонкой теплоизоляцией на основе полых микросфер с электрообогревающим кабелем-спутником, содержит размещенные на стальной или пластиковой поверхности трубы электрообогревающие кабели, сверху закрываемые полосой из стеклохолста или металлизированной ленты и закрепляемые хомутом-стяжкой, и комбинации n-слоев, выполненных последовательно из армирующих слоев в виде стеклохолста и высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия в виде негорючей сверхтонкой теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/(м⋅°С) на основе полых микросфер, общей толщиной n-слоя негорючей сверхтонкой теплоизоляции от 1,0 до 4,0 мм, выполненной из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па⋅с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с полыми микросферами 5-95 об.%, в качестве полимерного связующего композиция содержит водоэмульсионную полимерную латексную композицию, содержащую от 10 до 90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акрилатный сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, полимер или сополимер винилацетата Или их смеси и от 10 до 90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества, в качестве полых микросфер композиция содержит микросферы с разными размерами от 10 до 500 мкм и различной насыпной плотностью от 50 до 650 кг/м³, выбранные из группы, включающей полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы, полые техногенные (зольные) микросферы или их смеси, при этом водно-суспензионная композиция дополнительно содержит смесь многоатомного спирта с многоосновной карбоновой или аминокислотой в эквимолекулярном соотношении, а также один антипирен, выбранный из группы, включающей тригидрит алюминия, соединения бора, соединения фосфора, соединения сурьмы, высокохлорированные парафины, бромпроизводные ароматических углеводородов, смеси солей неорганических кислот с меламино- или мочевино-формальдегидными смолами, амины никеля, амины цинка, амины кобальта, карбонаты аммония, сульфаты аммония, соли молибдена, соли ванадия, соли церия, или их смеси.

Комбинация «-слоев армирующего слоя и высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер с коэффициентом теплопроводности равным 0,001 Вт/(м⋅°С), позволяет теплоизолировать трубы с температурой нагрева наружной поверхности до +400°С, обеспечить требуемое сопротивление теплопередаче для поддержания заданной температуры текучих сред в трубопроводах за счет электрообогревающего кабеля-спутника, уменьшить тепловые потери, минимизировать общую толщину теплоизоляционного слоя и диаметр готовой теплоизолированной трубы, снизить температуру нагрева поверхности трубы до безопасного уровня.

В качестве электрообогревающего кабеля-спутника применяют по меньшей мере один тепловыделяющий элемент (например, нагревательные трубки), закрепляемые на рабочей трубе. Кроме того, также может быть использована по меньшей мере одна волоконно-оптическая линия для обеспечения функций управления и (или) мониторинга. Например, по меньшей мере одна волоконно-оптическая линия может быть использована для непрерывного мониторинга температуры трубопровода, по существу, по всей его длине, для обеспечения безопасной и надежной работы систем.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой показано устройство предварительно изолированной трубы негорючей сверхтонкой теплоизоляцией на основе полых микросфер с электрообогревающим кабелем-спутником, согласно которому на стальную, пластиковую или напорную полиэтиленовую трубу 1 диаметром от 10 мм до 2000 мм закрепляется электрообогревающий кабель-спутник 2 с помощью полосы стеклохолста 3 шириной 5-10 см, толщиной 1,0 мм, плотностью от 50 до 120 г/м³ и пластиковыми хомутами 4, которые обеспечивают проектное положение обогревающего провода. При этом кабель-спутник может располагаться как вдоль трубы, так и по спирали, обматывая трубу. В зависимости от условий можно применить два и более электрообогревающих кабеля-спутника. Затем на трубу наносятся последовательно армирующие слои 5 в виде стеклохолста и высокотемпературное негорючее теплоизоляционное покрытие 6 в виде негорючей сверхтонкой теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/(м⋅°С) общей толщиной от 1,0 мм до 4,0 мм. Количество армирующих слоев 5 и высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия 6 определяется исходя из температуры нагрева наружной поверхности трубы, а также в соответствии с требованиями СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция, оборудования и трубопроводов» в зависимости от рабочей температуры теплоносителя в трубопроводе и конкретных условий эксплуатации трубопровода согласно техническим проектам, таким образом, чтобы обеспечить заданную температуру теплоносителя. Исходя из натурных испытаний были получены следующие расчетные параметры.

Расчетные параметры снижения температуры на металлической поверхности в зависимости от количества комбинации слоев высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия и армирующего слоя приведены в Таблице 1.

Преимуществами использования предлагаемой предварительно изолированной трубы негорючей сверхтонкой теплоизоляцией с электрообогревающим кабелем-спутником являются:

- поддерживать технологическую температуру прокачиваемых текучих сред, предотвращая образование асфальтосмолопарафиновых отложений, ледяных пробок, в условиях охлаждающего воздействия окружающей среды, особенно в холодных районах;

- снизить теплопотери при транспортировке жидкостей;

- обеспечить минимальную требуемую толщину теплоизоляционного слоя, за счет низкого коэффициента теплопроводности негорючего теплоизоляционного материала 0,001 Вт/(м⋅°С), подтвержденного многочисленными протоколами испытаний, заключений, актами;

- обеспечить возможность теплоизоляции труб, трубопроводов, цистерн, резервуаров с температурой нагрева поверхности до +400°С;

- обеспечить негорючие свойства, за счет применения негорючего теплоизоляционного слоя;

- быть технологичным при изготовлении и реконструкции или замене отдельного участка трубы, обеспечить возможность нанесения как ручным, так механизированным способом, при этом производить предварительную теплоизоляцию труб непосредственно на объекте и при отрицательных температурах окружающей среды, что очень важно в труднодоступных и удаленных местностях северных регионов, морских платформах ледового класса и т.п.;

- возможность защиты труб различной конфигурации, фитингов, соединений.

Пример устройства предварительно изолированной трубы негорючей сверхтонкой теплоизоляцией с электрообогревающим кабелем-спутником с рабочей температурой теплоносителя свыше +350°С на фиг. 2.

Первый этап - подготовка поверхности стальной трубы 1 диаметром 110 мм. Для этого удаляются все осыпающиеся и отваливающиеся элементы, производится обеспыливание.

Второй этап - на трубу, параллельно движению теплоносителя, закрепляется электрообогревающий кабель-спутник 2 с помощью полосы стеклохолста 3 шириной 5-10 см, толщиной 1,0 мм, плотностью 50 г/м³ и пластиковыми хомутами 4, которые обеспечивают проектное положение обогревающего провода.

Третий этап - на трубу наносится первый армирующий слой 5 в виде стеклохолста толщиной 1,0 мм, плотностью 100 г/м³.

Четвертый этап - нанесение высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия 6 в виде в виде негорючей сверхтонкой теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/(м⋅°С) на основе полых микросфер. В качестве примера была нанесена негорючая сверхтонкая теплоизоляция на основе полых микросфер, производимого заявителем патента, жидкое теплоизоляционное покрытие из серии «Броня» с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/(м⋅°С), например, непаропроницаемая негорючая модификация «Броня Классик НГ», произведенное по ТУ 2216-006-09560516-2013. Теплоизоляционное покрытие на поверхность наносится с помощью кисти или безвоздушного распылителя последовательными слоями. Время полного высыхания каждого слоя при температуре+20°С - 24 часа, на отлип - 15-20 минут. На первый армирующий слой 5 было нанесено четыре слоя теплоизоляционного покрытия «Броня Классик НГ» с общей толщиной готового покрытия около 2,0 мм.

Для обеспечения требуемой температуры теплоносителя выше +350°С далее наносятся последовательно еще три слоя из комбинации армирующего стеклохолста 5 и высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия 6 общей толщиной готового покрытия около 2,0 мм.

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и используется при сооружении трубопроводов, в том числе магистральных, транспортирующих вязкие и легкозастывающие продукты (нефть, газ), а также при подземной и надземной прокладке тепловых сетей, теплотрасс, технологических трубопроводов, эксплуатируемых при температуре теплоносителя от +50°С до +400°С. В устройстве комбинации n-слоев выполнены последовательно из армирующих слоев в виде стеклохолста и высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия в виде негорючей сверхтонкой теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/(м⋅°С) на основе полых микросфер, общей толщиной n-слоя негорючей сверхтонкой теплоизоляции от 1,0 до 4,0 мм, выполненной из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па⋅с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с полыми микросферами 5-95 об.%, в качестве полимерного связующего композиция содержит водоэмульсионную полимерную латексную композицию, содержащую от 10 до 90 об.% (со)полимера и от 10 до 90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества, в качестве полых микросфер композиция содержит микросферы с разными размерами от 10 до 500 мкм и различной насыпной плотностью от 50 до 650 кг/м³. Изобретение позволит: поддерживать технологическую температуру прокачиваемых текучих сред, предотвращая образование отложений, в условиях охлаждающего воздействия окружающей среды; снизить теплопотери при транспортировке жидкостей; обеспечить минимальную требуемую толщину теплоизоляционного слоя; возможность теплоизоляции с температурой нагрева поверхности до +400°С; негорючие свойства и технологичность при изготовлении. 2 ил., 1 табл.

Предварительно изолированная труба негорючей сверхтонкой теплоизоляцией на основе полых микросфер с электрообогревающим кабелем-спутником, содержащая размещенные на стальной или пластиковой поверхности трубы электрообогревающие кабели, сверху закрываемые полосой из стеклохолста или металлизированной ленты и закрепляемые хомутом-стяжкой, и комбинации n-слоев, выполненных последовательно из армирующих слоев в виде стеклохолста и высокотемпературного негорючего теплоизоляционного покрытия в виде негорючей сверхтонкой теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/(м⋅°С) на основе полых микросфер, общей толщиной n-слоя негорючей сверхтонкой теплоизоляции от 1,0 до 4,0 мм, выполненной из водно-суспензионной композиции с вязкостью от 1 до 100 Па⋅с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с полыми микросферами 5-95 об.%, в качестве полимерного связующего композиция содержит водоэмульсионную полимерную латексную композицию, содержащую от 10 до 90 об.% (со)полимера, выбранного из группы, включающей гомополимер акрилата, стирол-акрилатный сополимер, бутадиен-стирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, полимер или сополимер винилацетата или их смеси и от 10 до 90 об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества, в качестве полых микросфер композиция содержит микросферы с разными размерами от 10 до 500 мкм и различной насыпной плотностью от 50 до 650 кг/м³, выбранные из группы, включающей полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы, полые техногенные (зольные) микросферы или их смеси, при этом водно-суспензионная композиция дополнительно содержит смесь многоатомного спирта с многоосновной карбоновой или аминокислотой в эквимолекулярном соотношении, а также один антипирен, выбранный из группы, включающей тригидрит алюминия, соединения бора, соединения фосфора, соединения сурьмы, высокохлорированные парафины, бромпроизводные ароматических углеводородов, смеси солей неорганических кислот с меламино- или мочевино-формальдегидными смолами, амины никеля, амины цинка, амины кобальта, карбонаты аммония, сульфаты аммония, соли молибдена, соли ванадия, соли церия, или их смеси.