CN101688632A - 真空绝热管道装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装配用于传送低温流体的真空绝热管道***的方法，其中管道区段在第一地点生产且然后在第二地点装配成管道***。各个管道区段结合了圆筒形外壳和用于传输低温流体的内管，以形成用于容纳可为辐射屏绝热体和气凝胶覆层的绝热体的内部环形区域。通过将内管的端部焊接在一起且然后通过壳状区段结合圆筒形外壳来结合管道区段。在制造各个接头时通过真空检测方法检测接头位置。此后，使用可冷凝气体如二氧化碳净化环形区域并使其经受低于大气压的压力。

Description

真空绝热管道装配方法
技术领域
本发明涉及一种装配用于传送低温流体的真空绝热管道***的方法。更具体而言，本发明涉及这样一种方法，其中管道区段在第一地点制造且然后在第二地点装配，并且在装配期间，通过真空检漏检测管道区段之间的接头且成品管道区段经受低于大气压的压力。
背景技术
真空绝热管道用于在工业设施如空气分离站内传输低温流体。通常，真空绝热管道由具有设置在管之间的真空绝热体的同心布置的外管和内管组成。外管用作容纳真空绝热体和内管的壳体，而内管用来传送低温流体。
外壳还用来容纳绝热体内的真空以允许绝热体适当地起作用。通常，此真空为十微米汞柱压力或更小，且优选为1微米汞柱压力或更小。由于管道区段实际上只能在约20到30英尺之间运输，所以管道区段在第一地点如工厂制造，其中将真空施加到外壳与内管之间的绝热空间。然后利用管道区段之间的联接件在现场结合管道区段。
美国专利No.4,515,397公开了一种真空绝缘导管，其具有内管和外管以及管之间的绝热体，其中真空在制造期间施加到各区段。内管的端部区段从管道区段的相对端突出，以允许在现场将管道区段结合于它们的内管。管接缝周围的绝热联接件以及设置在管端的伸缩套(bellows)状装置阻止接合处的热泄漏。
美国专利No.6,695,358公开了一种与真空绝热管道区段的联接件结合使用的凸-凹卡接件(bayonet)或短管连接器。各管道区段具有抽空阀以允许抽空各区段和具有防爆膜(rapture disk)的端口，以防止管道区段在内管损坏后裂开。
美国专利No.6,216,745再次利用了已对其施加了真空的预制管道区段，其中外壳或外管通过伸缩套连接到内管。可在现场从帽口(capport)抽空各区段。此外，由于管道区段相连，可在现场将蛤壳(clam-shell)装置固定在一起且然后填充以绝热体。U.S.6,252,282公开了一种类似装置，其中将真空状(vacuum-like)套管施加于管之间的接缝。
美国专利申请2006/0054234公开了一种低温管道***，其形成在绝热护套(jacket)内，该绝热护套为连续导管，以沿内管的长度在内管周围形成单个绝热空间，该内管也是连续的。绝热容积被真空泵抽空到适度的真空且此后充满高纯度可冷凝气体，例如二氧化碳。此后，将绝热容积抽空到适度的真空。在管道***的操作期间，任何残余的可冷凝气体被管容积内流动的低温液体冷却和凝结，以用于进一步降低管道***内的压力。
所有其中单独抽空单独管道区段的现有技术专利的缺点在于，基于此类目的设置的阀和端口布置在可能发生故障的各个部位。此外，以其中各区段要保持真空的方式单独形成管道区段增加了区段的制造成本。再者，区段之间复杂的接头如单独的绝热联接件和卡接装置也增加了制造成本。关于美国专利申请2006/005423，虽然在此专利中未说明可通过以单独的区段形成管道***并在现场组装***来制造管道***，然而如果设法这样制造，则将无法保证确保区段之间的接头将免于损耗真空的缺陷。
正如将说明的那样，本发明公开一种装配真空绝热管道的方法，该方法通过允许区段以与现有技术相比便宜和高度简化的方式连接而克服了现有技术的许多缺点，不具有多个用于施加真空的检修(service)点，但允许在现场安装成品管道***期间检测区段之间的接头的完整性。
发明内容
本发明提供一种装配用于传送低温流体的真空绝热管道***的方法。就这一点而言，术语“低温流体”包括在标准大气温度和压力的条件下通常为气态的流体。实例包括大气源气体，例如氧气、氮气、二氧化碳和氩气，以及含有液化天然气和其它碳氢化合物的混合物。
按照该方法，管道区段在第一地点生产。管道区段具有同心布置的圆筒形外壳、用以传送低温流体的内管以及位于圆筒形外壳与内管之间的绝热体。将管道区段从第一地点运输到第二地点，管道区段在该第二地点被装配为真空绝热管道***。这通过结合内管的端部并在内管的接缝处将壳状区段连接到圆筒形外壳来完成。
对内管的接缝和壳状区段的接头进行氦检漏，使得在形成各接缝后执行至少一次氦检漏以确定至少各接缝的完整性。此外，通过暂时密封位于圆筒形外壳与内管之间且装有绝热材料的内部环形区域来对至少每个接头进行氦检漏。此后，经形成在至少圆筒形外壳之一中的至少一个开口抽空内部环形区域，使得利用该至少一个开口对多个接缝和接头进行氦检漏。然后将氦示踪气体引导到要进行氦检漏的各个接头并检测经该至少一个开口抽出的出口气流是否存在氦示踪气体。优选地，可通过将氦示踪气体引导到内管中并且还检测经该至少一个开口抽出的出口气流是否存在氦示踪气体来检测各个接缝。
在真空绝热管道***装配后，经该至少一个开口，在内部环形区域内将可冷凝气体引导到真空绝热管道***中。此后，内部环形区域经该至少一个开口经受低于大气压的压力且然后将该至少一个开口密封。当低温流体经过内管时，任何残余量的可冷凝气体将液化或凝固。
正如从本发明的以上描述显而易见的那样，管道区段之间无需复杂的连接。此外，为了以后运输到建筑工地而制造单独抽空的管道区段，且管道区段并未制造成具有许多能在可能产生真空故障的地点使用的开口和类似物。
可冷凝气体可为二氧化碳且示踪气体可为氦气。可设置由绝热材料形成的环状间隔元件，以将绝热材料和圆筒形外壳分离，从而有助于保持同心布置并允许圆筒形外壳与内管之间的不同热膨胀。
绝热材料可包括气凝胶。气凝胶的形式可为缠绕在内管周围的包括纤维絮(fibrous batting)式气凝胶的覆层(blanket)。再者，可将交替的铝箔或铜箔层和纸层定位在覆层与内管之间。
优选地，管道区段中至少其一设置有从该外壳区段之一突出的管状检修元件(service element)。管状检修元件在其一端与内部环形区域流动连通。在管状检修元件的相对端之上定位有板，且在该板与该相对端之间定位有密封件。该板由于外表面经受大气压力而内表面经受圆筒形壳体区段内低于大气压的压力而保持在适当位置，使得管道区段内的内管泄漏时，壳体区段内的过压可经管状检修元件释放。至少一个阀连接到该管状检修元件。该阀具有用以在该至少一个壳体区段中形成该至少一个开口的打开位置，以及用以密封该至少一个开口的关闭位置。真空泵可连接到该至少一个阀，且在真空泵操作期间该至少一个阀可被设定在打开位置以抽空内部环形区域并使内部环形区域经受低于大气压的压力，并且此后在真空泵的操作停止后可被设定在关闭位置。
在绝热材料包括气凝胶的情况下，真空绝热管道***可经定位在管状检修元件内并与该至少一个阀连通的过滤器被抽空并经受低于大气压的压力，以防止气凝胶颗粒被吸入真空泵内。
该外壳区段中至少其一可通过将管道三通接头(piping tee)连接到外管而形成，使得该管道三通接头的中间区段形成管状检修元件。此外，该外壳区段之一还可包括***在管道三通接头与外管之间的管状伸缩套，从而将管道三通接头连接到外管。
附图说明
尽管说明书总结了清楚地指出申请人认为是他们的发明的主题的权利要求书，但可以认为，本发明当结合附图时将更好理解，在附图中：
图1是用于实施本发明的方法的剖面示意图，其中本发明的管道区段正经受真空泄漏测试；
图2是沿图1的线2-2截取的图1的剖面图；以及
图3是图1的放大断片剖面图，示出了形成本发明的管状检修元件的管道三通接头。
具体实施方式
参照图1和图2，示出了按照本发明的方法，其中管道区段10和12以内管16和18的接缝14结合，并且正在通过氦真空检漏检测由衬套状元件在总体上以参考标号22和24表示的圆周位置形成的壳状区段20之间的接头。
各个区段16和18设置有内管，例如，低温流体将经其传输的内管16。为了防止热量泄漏到内管中，设有绝热材料26，其可由气凝胶覆层型材料27以及可选的内辐射屏(radiation barrier)28或其它适于真空应用的绝热材料形成。
环绕绝热材料28的是圆筒形外壳，例如圆筒形外壳30或管道区段10以及用于管道区段12的圆筒形外壳32。圆筒形外壳如圆筒形外壳30例如可由具有直径大于内管例如内管16的管形成，以在圆筒形外壳与内管16之间形成用以容纳绝热材料26的内部环形区域31。内管16、辐射屏26和气凝胶绝热体28提供的绝热材料以及圆筒形外壳如圆筒形外壳30的同心布置可可选地有助于被环状或方形间隔元件34或其它构造的间隔元件保持为同心布置。间隔元件由固体玻璃纤维充填酚醛树脂或其它绝热材料形成，以限制从圆筒形外壳到内管的传热。此类环状间隔元件34可从美国爱荷华州Postville市的Norplex-Micarta公司获得。可使用其它适当的环状结构。要注意的是，环状间隔元件34不仅保持同心布置，而且允许内管道区段16和18与圆筒形外壳区段30和32的不同膨胀。
各管道区段可在非现场地点形成且然后被运输并在要使用成品管道***的地点装配。各个管道区段30和32等通过首先用辐射屏28缠绕内管16和18形成，该辐射屏28可由交替的薄金属箔(铜或铝)层和导热率很低的纸层组成。这些箔称为多层绝热体或超级绝热体。通常，大概需要4到32层。层数将取决于要在成品管道***内用管输送的低温流体的具体类型。正如本领域的技术人员可以理解的那样，对于与更温热的流体如氮气相比更冷的流体如氢气或氦气需要更多层，因为辐射通量由于内管16和18与圆筒形外壳30和32之间的温差更大而更高。适当的辐射屏材料可从康涅狄格州(06042-2378)曼切斯特的Lydall公司获得。
在缠绕内管16和18后，在辐射屏28周围缠绕大概1到3圈形式为包含纤维絮式气凝胶的覆层的气凝胶，以形成气凝胶绝热体27。适当的气凝胶覆层可从美国马萨诸塞州(01532)North Burrough的AspenAerogels公司获得。尽管未示出，但可通过设置缠绕在气凝胶覆层周围的铜丝或类似物的结来将气凝胶覆层保持在适当位置。外壳30和32然后在辐射屏28、气凝胶绝热体28和环状间隔元件34就位的情况下在内管16和18上滑动。
如图所示，圆筒形外壳体如圆筒形外壳32例如比内管如内管18短。因此，一旦各个管道区段12和10装配好，相对端36和38就从圆筒形外壳如圆筒形外壳32突出。这些突出端36和38附接有橡胶套(rubberboot)。设置橡胶套以防止灰尘和湿气进入内管16和18与圆筒形外壳30和32之间的环形区域31并因此进入气凝胶绝热体28。以橡胶套40示出此类橡胶套，下文将更详细地说明橡胶套40。
参照图3，管道区段10设置有管道检修元件42，该管道检修元件42通过从外管44和管道三通接头46构成外壳区段30形成。正如可以理解的那样，圆筒形元件可仅连接到圆筒形外壳和形成在该圆筒形外壳中的开口。如图所示，管道三通接头46的中间区段形成管状检修元件42。管道三通接头46借助于管状伸缩套47连接到外管44，以允许外壳区段的膨胀和收缩。管状伸缩套47对于此类目的是可选的。然而，其它外壳区段也可在管道***的中间位置处结合此类伸缩套。在管道***的端部，可设置节流器(flow reducer)48，以密封内管16和18与外壳区段30和32之间的环形区域。尽管未示出，当完成时，管道***的另一端能够以设计与节流器48相同的节流器结束。其它方法如环形板也可用于此类目的。
板50借助于链条52附接到管状检修元件42。板50搁置在用O型圈56和58分开的凸缘54上，以在板50与凸缘54之间形成密封。
管状检修元件42允许通过抽空内管16和18与外壳区段30和32之间的环形区域31来对管道区段16和18之间的接头进行检漏，且此后在管道***形成后将低于大气压的压力施加到此类空间，以在绝热材料26中形成接近真空。就这一点而言，在形成真空前，可通过管状检修元件42将可冷凝气体如二氧化碳引导到此类环形区域31内，以将此类环形区域31内的任何空气和湿气排出且此后从此类空间抽吸出来。任何残余的可冷凝气体将在低温流体经过内管16和18内部后液化或凝固。基于这些目的，导管60突出到管状检修元件42内，并且在绝热体28可产生多余微粒的情况下，可将过滤器62连接到导管60，以截留在此类操作期间尤其在当使用气凝胶绝热体的情况下可能存在的任何微粒。适当的过滤器可由平均孔径尺寸为50微米的烧结青铜构成。导管62连接到真空泵64。
导管62可设置有一个或多个具有打开位置的切断阀66，以允许真空泵64在环形区域31内施加低于大气压或在大气压以下的压力，并且此外还可设置有真空计68以测量压力。
在管道区段30和32等构成并连接后，例如通过本领域公知的氦检漏方法对它们进行检漏，以确定可结合在管道区段中的所有焊缝是否气密。这对于在节流器48和在伸缩套47的相对端的焊缝而言是有必要的。此后，套上橡胶套40，且管道区段可随时运输到将装配管道***的地点。
如上所述，本发明有利地允许现场装配各区段并施加真空。为实现这一点，区段30和32以及从圆筒形外壳30和32突出的管16和18的端部例如突出内管18的区段36。可使用溶剂来清洁内管和外管两者的管端。局部(local)压力容器需要因而形成的接缝14且可通过公知的射线照相技术来检测管道规范(piping codes)。优选地，尽管或许并非对于所有安装都需要，但可如上所述在接缝14再次用内辐射屏28和气凝胶覆层绝热体27的外层缠绕内管。
此后，可采用可为套管的壳状区段如壳状区段20，或2到4个单独的套管区段或平焊(flush-welded)的管道区段，以在内管的接缝处密封圆筒形外壳，例如在接缝14密封圆筒形外壳30和32。套管、套管区段或要平焊的管区段的使用将取决于圆筒形壳体30和32的外径。然而，套管如壳状区段20提供的套管的有利之处在于，它们可滑动到适当位置且然后被周向焊接在部位22和24周围。橡胶套40布置在管道区段12的相对端。要注意的是，此外，可用适当的高温绝热体如玻璃纤维缠绕可受焊接的热量影响的所有区域。
然后通过打开切断阀66并接通真空泵64直到内部环形区域被抽真空到约1000微米汞柱来对壳状区段20和接缝14的接头进行检漏。此后，可通过操作真空泵64同时供应氦示踪气体到内管16和18的内部以及在22和24的接头来执行氦检漏。然后可利用质谱检漏仪来检测真空泵64的出口气流是否存在氦气。壳状区段20周围安置有气囊以保存氦气并且可在橡胶套40处密封目前已形成的管道***的一端。要注意的是，在内管14和壳状区段的相应接头的各个接缝形成后，将执行检漏，因为否则将不可能了解内管的哪个接缝在泄漏。差不多同时检测相应壳状区段20与圆筒形外壳区段30和32的接头。然而，不必隔离此类接头中泄漏处并且在已完成后可单独检测壳状区段的几个此类接头，因为哪一个在泄漏将显而易见。检漏后关闭切断阀66。
要注意的是，通过可选地在已密封一端后抽空内管、在增加任何绝热体并连接相应的壳状区段之前将氦示踪气体注入到接缝、并检测用于此类目的的真空泵的出口气流是否存在氦示踪气体，可在已经形成后直接对各个接缝进行检漏。将以与如上所概述相同的方式检测壳状区段的接头。
一旦已确定无泄漏，就可采取与管道区段10和12相同的方式将具有内管72和圆筒形外区段74的又一管道区段70结合到管道区段12。壳状区段76已安置在圆筒形外区段32上。橡胶套40将被取下且类似的橡胶套将在管道区段70的相对端布置在适当位置。
如上所述，各事件按先后顺序发生直到管道***形成且已检查所有接缝如接缝14和接头如在22和24的接头为止。此后，切断阀66再次打开，且然后经导管62引导可冷凝气体如二氧化碳，以将环形区域31内的空气和任何湿气驱出。这可执行3到6次，以确定所有空气和湿气都被驱逐出***。还有利地在3到6次引导可冷凝气体的各次期间将***压力降低到1000微米汞柱左右，以更进一步地减少残余的空气量。此后，接通真空泵64以将内部环形区域31抽真空到低于大气压的压力，优选约10到约1000微米汞柱之间。任何残余的二氧化碳将凝结并凝固，以进一步降低内部环形区域31中的压力。
正如可以理解的那样，对于特别长的管道***，可沿管的长度设置若干开口如管状检修元件42提供的开口，且可使用若干真空泵如真空泵64。
虽然已参照优选实施例描述本发明，但正如本领域的技术人员所想到的，在不脱离所附权利要求书中的提出的本发明的精神和范围的情况下，可以进行许多改变、增加和省略。

Claims (14)

1.一种装配用于传送低温流体的真空绝热管道***的方法，所述方法包括：
在第一地点生产管道区段，所述管道区段具有同心布置的圆筒形外壳、用以传送低温流体的内管以及位于所述圆筒形外壳与所述内管之间的绝热材料；
将所述管道区段从所述第一地点运输到第二地点，并通过结合所述内管的端部且然后在所述内管的接缝处将壳状区段连接到所述圆筒形外壳而将所述管道区段装配成所述真空绝热管道***；
对所述内管的接缝和所述壳状区段的接头进行氦检漏，使得在形成每个所述接缝后执行至少一次氦检漏，以判断至少每个所述接缝的完整性，并且通过暂时密封位于所述圆筒形外壳与所述内管之间并装有绝热材料的内部环形区域来对至少每个所述接头进行氦检漏，经形成在所述圆筒形外壳中至少其一中的至少一个开口抽空所述内部环形区域，使得可利用所述至少一个开口对多个所述接缝和接头进行氦检漏，将氦示踪气体引导到要进行氦检漏的每个所述接头并检测经所述至少一个开口抽出的出口气流是否存在所述氦示踪气体；
在所述真空绝热管道***装配后，经所述至少一个开口在所述内部环形区域内将可冷凝气体引导到所述真空绝热管道***内；以及
使所述内部环形区域经所述至少一个开口经受低于大气压的压力，且然后密封所述至少一个开口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述氦示踪气体引导到所述内管内并检测经所述至少一个开口抽出的出口气流是否存在所述氦示踪气体来检测每个所述接缝。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可冷凝气体为二氧化碳。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道区段设置有由绝热材料形成的环状间隔元件，所述间隔元件隔开所述绝热材料和所述圆筒形外壳，从而有助于保持同心布置并允许所述圆筒形外壳与所述内管之间的不同热膨胀。
5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的方法，其特征在于，所述绝热材料包括气凝胶。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气凝胶的形式为缠绕在所述内管周围的包括所述气凝胶和纤维絮的覆层。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，交替的铝箔或铜箔层和纸层定位在所述气凝胶与所述内管之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述管道区段中至少其一设置有从所述外壳区段中所述其一突出的管状检修元件，所述管状检修元件在其一端与所述内部环形区域流动连通，所述管状检修元件的相对端之上定位有板且所述板与所述相对端之间定位有密封件，所述板通过所述圆筒形壳体区段内所述低于大气压的压力保持在适当位置，使得所述管道区段中泄漏后，所述壳体区段内的过压可经所述管状检修元件释放；
至少一个阀连接到所述管状检修元件，所述阀具有用以在所述至少一个壳体区段中形成所述至少一个开口的打开位置，以及用以密封所述至少一个开口的关闭位置；以及
真空泵连接到所述至少一个阀，在所述真空泵操作期间所述至少一个阀可被设定在所述打开位置，以抽空所述内部环形区域并使所述内部环形区域经受低于大气压的压力，并且在所述真空泵停止操作后可被设定在所述关闭位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述绝热材料包括气凝胶；以及
所述真空绝热管道***经定位在所述管状检修元件内并与所述至少一个阀连通的过滤器被抽空并经受低于大气压的压力，以防止所述气凝胶的颗粒被吸入所述真空泵内。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述可冷凝气体为二氧化碳。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述气凝胶的形式为缠绕在所述内管周围的包括所述气凝胶和纤维絮的覆层。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，交替的铝箔或铜箔层和纸层定位在所述气凝胶与所述内管之间。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述外壳区段中所述至少其一通过将管道三通接头连接到外管而形成，使得所述管道三通接头的中间区段形成所述管状检修元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述外壳区段中其一还可包括***所述管道三通接头与所述外管之间的管状伸缩套，从而将所述管道三通接头连接到所述外管。
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