CN109668007A - 一种高压真空夹层管道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压真空夹层管道，解决真空夹层管道造成资源浪费以及存在安全风险的问题。其包括内层输送管、中间预冷管、外部真空绝热管、第一支撑架、第一柔性连接组件和第二柔性连接组件，中间预冷管内设置有预冷介质；内层输送管、中间预冷管、外部真空绝热管由内向外依次设置，且同轴，多个外部真空绝热管通过第一柔性连接组件连接，多个中间预冷管通过第二柔性连接组件连接；第一支撑架为多个，多个第一支撑架设置在中间预冷管与内层输送管之间，且设置有过流孔；外部真空绝热管的两端设置有热桥，热桥为多层蛇形管结构；外部真空绝热管上设置有抽真空接嘴，且内腔设置有分子筛充填腔，用于填充分子筛。

Description

一种高压真空夹层管道

技术领域

本发明涉及输送管道，具体涉及一种高压真空夹层管道。

背景技术

真空夹层管道一般用于超低温介质，如液氧、液氮、液氢等流体的输送，将介质从低温储罐输送至试验设备，为试验提供氧化剂。现阶段液氧真空夹层管道一般分两层，内层流通介质为液氧，液氧沸点温度－183℃，为防止冷量通过不锈钢管道传递到大气中，在不锈钢管道外再包覆一层不锈钢管道，两层管道之间形成夹层，夹层内抽真空，对冷量的传递进行隔热。

试验系统开始工作时，打开储罐下方阀门，储罐内的液氧流入液氧真空管道，由于此时的液氧真空管道为常温状态，低温介质在管道内迅速气化，并流向管道出口。现有的试验过程会将液氧(由于气化，会以气液两相混合存在)持续排放，直至真空管道内的温度达到液氧气化临界温度-183℃以下，此时液氧全部呈液态，才能输送至试验设备开始试验，该过程称为管道预冷，预冷排放的气液两相介质不能用于试验，全部排空浪费很大，造成资源的浪费。此外，现有的液氧真空管道直接用液氧介质预冷，液氧气化排放的大量氧气聚集，氧气助燃，能氧化大多数活性物质，遇到易燃物易发生燃烧和爆炸风险，所以排放区域环境存在燃烧和爆炸等安全风险。

发明内容

本发明的目的是解决现有真空夹层管道在管道预冷时，会造成资源浪费以及存在安全风险的技术问题，提供一种高压真空夹层管道。

本发明的技术方案是：

一种高压真空夹层管道，包括内层输送管、中间预冷管、外部真空绝热管、第一支撑架、第一柔性连接组件和第二柔性连接组件，所述中间预冷管内设置有预冷介质；所述内层输送管、中间预冷管、外部真空绝热管由内向外依次设置，且同轴，多个外部真空绝热管通过第一柔性连接组件连接，多个中间预冷管通过第二柔性连接组件连接；所述第一支撑架为多个，多个第一支撑架设置在中间预冷管与内层输送管之间，且设置有过流孔；所述外部真空绝热管的两端设置有热桥，所述热桥为多层蛇形管结构；所述外部真空绝热管上设置有抽真空接嘴，且内腔设置有分子筛充填腔，用于填充分子筛。

进一步地，所述第一柔性连接组件包括第一波纹管、调节螺杆、两个第二支撑板和两个第一连接管；第一连接管的一端设置有连接法兰，另一端与外部真空绝热管连接，所述两个第一连接管的连接法兰通过调节螺杆连接，所述第一波纹管位于两个第一连接管之间，且与两个第一连接管连通，所述第二支撑板设置在中间预冷管、外部真空绝热管之间，用于支撑外部真空绝热管。

进一步地，所述第二支撑板为非金属环氧玻璃钢支撑环，所述第二支撑板的外表面均匀设置有多个凸起，且内表面也均匀设置有多个凸起。

进一步地，所述第二柔性连接组件包括第二波纹管、第三连接管和两个第二连接管；所述第二连接管的一端设置有连接法兰，另一端与中间预冷管连接，所述第三连接管的一端与其中一个第二连接管的法兰固定连接，另一端悬空，所述第二波纹管位于两个第二连接管之间，且与两个第二连接管连通。

进一步地，所述预冷介质为液氮。

进一步地，所述中间预冷管的外管壁表面包覆有阻燃型铝箔复合绝热材料。

进一步地，所述第一支撑架为扇形结构，数量为多个，多个第一支撑架均匀设置在中间预冷管与内层输送管之间。

进一步地，所述中间预冷管的两端设置有外套管，所述外套管的一端固定设置在中间预冷管上。

进一步地，所述外部真空绝热管的真空腔内表面抛光至镜面。

进一步地，所述内层输送管、中间预冷管、外部真空绝热管为不锈钢管，所述第一支撑架为不锈钢材质。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明设置中间预冷管，从外部完全包覆液氧层壁管，预冷接触面积大，对内层输送管进行有效的冷却，避免使用液氧冷却管道，有效节约能源。

2.本发明将液氧真空管道的预冷介质设置为液氮，液氮气化为氮气，氮气为惰性气体，排放时安全性高。

3.本发明提供的真空夹层管道输送最高工作压力为30MPa左右的高压液氧，介质流速较快，若按照传统方法设计，预冷时大量液氧快速流走，不能被充分利用，而本发明中用液氮预冷，液氮介质采用较低的压力，例如1MPa即可，流速大大降低，介质消耗量明显减少。

4.本发明中间预冷层采用液氮层，液氮沸点温度－196℃，液氧沸点温度－183℃，预冷时，使用的介质温度越低，与管道的温差也就越大，热交换更迅速，因此，采用液氮预冷比液氧预冷效率更高。

5.本发明采用液氮预冷，液氧价格一直比液氮价格略高，使用液氮预冷比使用液氧预冷更经济，长期累积下来，能节约很大一笔开支。

附图说明

图1为本发明高压真空夹层管道结构图；

图2为本发明热桥结构图；

图3为本发明第一柔性连接组件结构图；

图4为本发明第二支撑板结构图；

图5为本发明第二柔性连接组件结构图；

图6为本发明第一支撑架结构图；

图7为高压真空夹层管道对接示意图。

附图标记：1-内层输送管，2-中间预冷管，3-外部真空绝热管，4-第一支撑架，5-第一柔性连接组件，6-第二柔性连接组件，7-热桥，8-抽真空接嘴，9-分子筛充填腔，10-阻燃型铝箔复合绝热材料，11-外套管，51-第一连接管，52-第一波纹管，53-第二支撑板，54-调节螺杆，61-第二连接管，62-第二波纹管，63-第三连接管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

为减少低温液体输送管道预冷介质的消耗量，提高预冷介质的排放安全性，本发明提供一种高压真空夹层管道，解决了介质输送的热传导、冷热补偿等问题，该管道具体可包括内层30MPa液氧层、中层1MPa液氮层、外层真空绝热层。本发明的管道用于风洞加热器试验，试验介质液氧，预冷介质为液氮。

如图1至7所示的一种高压真空夹层管道，包括内层输送管1、中间预冷管2、外部真空绝热管3和第一支撑架4，中间预冷管2中设置有预冷介质；内层输送管1、中间预冷管2、外部真空绝热管3由内向外依次设置，且同轴，内层输送管1输送液氧，中间预冷管2的预冷介质为液氮，外部真空绝热管3为抽真空状态。第一支撑架4设置在中间预冷管2与内层输送管1之间，用于支撑中间预冷管2，第一支撑架4上设置有过流孔，用于液氮通过，第一支撑架4具体为扇形结构，数量为多个，多个第一支撑架4均匀设置在中间预冷管2与内层输送管1之间。

内层输送管1的最高工作压力30MPa，设计压力33MPa，公称通径150mm，因为口径大、压力高，选用的06Cr19Ni10不锈钢管道壁厚28mm。管道外层为真空绝热层，阻止冷量传入大气层，真空度：≤2x10-3Pa，真空腔漏放气速率：≤5x10-9Pa.m3/s，真空腔内各表面抛光至镜面，以减少热辐射传导。外部真空绝热管3外壁不允许结霜，为防止外管结霜，外部真空绝热管3的两端设置有热桥7封堵，热桥7为多层蛇形管焊接结构，此种设置冷量传递路径较长，使介质热量不能传递到外管上。

外部真空绝热管3上设置有抽真空接嘴8，且内腔设置有分子筛充填腔9，用于填充分子筛，分子筛加热活化后充填入分子筛充填腔9，用于吸附设备长期使用过程中释放的杂质气体，延长管道真空寿命。抽真空接嘴8用于连接真空机组抽真空，抽真空接嘴8可重复使用，管道在试验现场安装后，后期可在线抽真空。

低温状态下，内层输送管1、中间预冷管2遇冷收缩，每米管道收缩约3mm，而外部真空绝热管3处于常温态无变形，因此需要加波纹管柔性连接，补偿管道遇冷收缩变形。真空层波纹管为拉杆式，两侧双螺母限位，防止波纹管过量伸缩损坏，具体为多个外部真空绝热管3通过第一柔性连接组件5连接，第一柔性连接组件5包括两个第一连接管51、第一波纹管52、第二支撑板53和调节螺杆54；两个第一连接管51的一端设置有连接法兰，另一端分别与两端的外部真空绝热管3焊接，两个第一连接管51的连接法兰通过调节螺杆54连接，第一波纹管52分别与两个第一连接管51的一端连通；第二支撑板53设置在中间预冷管2、外部真空绝热管3之间，用于支撑外部真空绝热管3。

第二支撑板53为非金属环氧玻璃钢支撑，真空层波纹管两端各有一个非金属环氧玻璃钢支撑，为防止冷量沿支撑传递到外部真空绝热管上使外部真空绝热管结霜，环氧玻璃钢支撑与外部真空绝热管和中间预冷管之间均设计为三点式接触，接触面积小，减少冷量传递，具体为：第二支撑板53为非金属环氧玻璃钢支撑环，支撑环的外侧均匀设置有多个凸起，支撑环的内侧均匀设置有多个凸起。

高压波纹管在设计时，对波纹的强度要求高，这会导致高压波纹管造价高，补偿量还小，所以不考虑在内层输送管上加波纹管，而是加到中间预冷管道上。理论上来说，液氮层和液氧层管道都可采用不锈钢管，遇冷收缩量一样，但是在实际预冷时，液氮层不锈钢管壁厚薄，易冷透，收缩变形快，液氧层不锈钢管壁厚较厚，收缩变形慢，也需要对变形量进行补偿。液氮层波纹管为套筒式，波纹外焊接第一连接管对波纹管进行径向限位，防止波纹管鼓包变形。具体为：多个中间预冷管2通过第二柔性连接组件6连接，第二柔性连接组件6包括两个第二连接管61、第二波纹管62和第三连接管63；两个第二连接管61的一端设置有连接法兰，另一端分别与两端的中间预冷管2焊接，第三连接管63的一端与其中一个第二连接管61的法兰固定连接，另一端悬空，第二波纹管62分别与两个第二连接管61的一端连通。

中间预冷管2的外管壁表面包覆阻燃型铝箔复合绝热材料10，厚度约10mm，进一步阻止各管之间的能量传递。中间预冷管2的两端设置有外套管11，外套管11的一端固定设置在中间预冷管2上，方便相邻高压真空夹层管道的连接。

试验开始前，将中间预冷管内通入液氮，液氮流过液氧层的厚壁管，对厚壁管进行预冷。配合温度传感器检测管道温度，温度从常温降到-180℃时，关闭液氮阀门，液氮预冷结束，然后在内层管道通入液氧，正式开始试验。试验时，不再持续供应液氮保冷，而是靠管道最外层的真空层隔热，使管道温度维持在低温状态。

Claims (10)

1.一种高压真空夹层管道，其特征在于：包括内层输送管(1)、中间预冷管(2)、外部真空绝热管(3)、第一支撑架(4)、第一柔性连接组件(5)和第二柔性连接组件(6)，所述中间预冷管(2)内设置有预冷介质；

所述内层输送管(1)、中间预冷管(2)、外部真空绝热管(3)由内向外依次设置，且同轴，多个外部真空绝热管(3)通过第一柔性连接组件(5)连接，多个中间预冷管(2)通过第二柔性连接组件(6)连接；

所述第一支撑架(4)为多个，多个第一支撑架(4)设置在中间预冷管(2)与内层输送管(1)之间，且设置有过流孔；

所述外部真空绝热管(3)的两端设置有热桥(7)，所述热桥(7)为多层蛇形管结构；所述外部真空绝热管(3)上设置有抽真空接嘴(8)，且内腔设置有分子筛充填腔(9)，用于填充分子筛。

2.根据权利要求1所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述第一柔性连接组件(5)包括第一波纹管(52)、调节螺杆(54)、两个第二支撑板(53)和两个第一连接管(51)；

第一连接管(51)的一端设置有连接法兰，另一端与外部真空绝热管(3)连接，所述两个第一连接管(51)的连接法兰通过调节螺杆(54)连接，所述第一波纹管(52)位于两个第一连接管(51)之间，且与两个第一连接管(51)连通，所述第二支撑板(53)设置在中间预冷管(2)、外部真空绝热管(3)之间，用于支撑外部真空绝热管(3)。

3.根据权利要求2所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述第二支撑板(53)为非金属环氧玻璃钢支撑环，所述第二支撑板(53)的外表面均匀设置有多个凸起，且内表面也均匀设置有多个凸起。

4.根据权利要求1所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述第二柔性连接组件(6)包括第二波纹管(62)、第三连接管(63)和两个第二连接管(61)；

所述第二连接管(61)的一端设置有连接法兰，另一端与中间预冷管(2)连接，所述第三连接管(63)的一端与其中一个第二连接管(61)的法兰固定连接，另一端悬空，所述第二波纹管(62)位于两个第二连接管(61)之间，且与两个第二连接管(61)连通。

5.根据权利要求1至4任一所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述预冷介质为液氮。

6.根据权利要求5所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述中间预冷管(2)的外管壁表面包覆有阻燃型铝箔复合绝热材料(10)。

7.根据权利要求6所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述第一支撑架(4)为扇形结构，数量为多个，多个第一支撑架(4)均匀设置在中间预冷管(2)与内层输送管(1)之间。

8.根据权利要求7所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述中间预冷管(2)的两端设置有外套管(11)，所述外套管(11)的一端固定设置在中间预冷管(2)上。

9.根据权利要求8所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述外部真空绝热管(3)的真空腔内表面抛光至镜面。

10.根据权利要求9所述的高压真空夹层管道，其特征在于：所述内层输送管(1)、中间预冷管(2)、外部真空绝热管(3)为不锈钢管，所述第一支撑架(4)为不锈钢材质。