CN211875334U - 一种轻量化耐超低温柔性复合管 - Google Patents

Abstract

本发明属于增强复合管技术领域，具体的讲涉及一种轻量化耐超低温柔性复合管，特别适用于液化天然气（LNG）等超低温介质的输送。其管壁由内至外依次为内芯层、填充层、增强层、保温层、隔离层以及外护层，其中，内芯层为金属波纹管，填充层为缠绕在波纹管外壁波谷内的聚氨酯密封条，增强层由耐低温金属或高强纤维缠绕构成，保温层为气凝胶保温材料构成，隔离层包覆固定所述保温层，外护层由热塑性塑料制成。该柔性复合管具有耐超低温、环境适应性好、安全系数高且质量轻巧、易盘曲收放的特点。

Description

一种轻量化耐超低温柔性复合管

技术领域

本发明属于增强复合管技术领域，具体的讲涉及一种轻量化耐超低温柔性复合管，特别适用于液化天然气 （LNG）等超低温介质的输送。

背景技术

增强复合管是一种以热塑性塑料挤出成型的内芯管表面，用钢带或高强纤维进行多层角度交错缠绕形成的增强层，然后再挤出热塑性塑料为外保护层的柔性复合管；其相较于传统的金属管道，具有耐腐蚀、耐高压及高抗拉等特点，已广泛应用于陆地或海洋油田的运输管道、市政给水、排水其它液体、气体物料输送管线。

目前，随着国家环保战略的不断推进，作为清洁燃料的天然气使用量逐年激增，船舶运输作为液态天然气的主要运输方式之一，在船舶卸载时，由于船舶停靠方位、船舶自身运动、停靠位置水文情况等因素，使用钢制管线存在较大的安全风险。而传统的增强复合管虽然具有一定的柔韧性能，可以在某种程度上替代钢制管线，但是自身耐低温性能不好，在实际生产应用中成为最关键的制约因素。专利号CN 108644492A的发明曾公开了一种耐超低温钢带增强热塑性复合管，其管壁由内衬层、耐磨层、抗拉层、功能层、中间保护层、保温层和外防护层七层结构组成。该结构的功能层采用PE、PP等树脂材料，耐低温的程度低，明显不能承受-163℃的LNG超低温液；其次是采用钢带作为管道的抗拉、抗压层，明显增大了管道整体的自重、管壁过厚还影响收卷半径，降低了柔韧性能；此外，该专利中涉及耐低温的各层间设置顺序存在问题，不易加工制造，在管道实际工作中，存在运行不稳定、安全风险大等问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种耐超低温、环境适应性好、安全系数高且质量轻巧、易盘曲收放的耐超低温柔性复合管。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种轻量化耐超低温柔性复合管，其管壁由内至外依次为内芯层、填充层、增强层、保温层、隔离层以及外护层；其中，所述内芯层为金属波纹管，所述填充层为缠绕在所述波纹管外壁波谷内的聚氨酯密封条，所述增强层由耐低温金属或高强纤维缠绕构成，所述保温层为气凝胶保温材料构成，所述隔离层包覆固定所述保温层，所述外护层由热塑性塑料制成。

构成上述一种轻量化耐超低温柔性复合管的附加技术特征还包括：

——所述增强层由多层耐低温钢丝交叉缠绕而成；其中，缠绕角度为54.7度；

——构成所述内芯层的金属波纹管和构成所述增强层的耐低温钢丝均由304不锈钢或316L不锈钢制成；

——构成所述保温层的气凝胶保温材料包括但不限于氧化硅气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶和炭气凝胶；

——所述隔离层为螺旋缠绕在所述保温层表面上的玻璃纤维增强胶带；

——所述外保护层由聚乙烯或聚丙烯树脂挤出成型；

——所述隔离层与外保护层之间设置抗拉层，所述抗拉层为沿管道轴向敷设的若干高强纤维丝或金属丝；

——构成抗拉层的高强纤维丝为芳纶纤维且对称设置在管身两侧。

本发明所提供的一种轻量化耐超低温柔性复合管同现有技术相比，具有以下优点：其一，由于该复合管的内芯层为金属波纹管，填充层为缠绕在波纹管外壁波谷内的聚氨酯密封条，既能够对内芯管波纹壁进行结构加强，防止管道盘曲时内芯管塌陷，还可以起到填实空隙，减少热流损失的作用；其二，由于保温层由气凝胶保温材料构成，该材料中孔隙的大小在纳米数量级，可有效抑制空气对流传热和固相热传导，满足温度使用范围在－200℃～800℃的柔性或刚性管道隔热条件，其耐超低温性能十分优异；其三，由于填充层为缠绕的聚氨酯密封条，增强层由耐低温金属或高强纤维缠绕构成，保温层以气体为分散介质的凝胶材料，该复合结构的超低温柔性复合管重量明显降低，弯曲盘绕性能更好，适应多种复杂环境条件，输送介质安全稳定。

附图说明

图1为本发明一种轻量化耐超低温柔性复合管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的一种轻量化耐超低温柔性复合管的结构和工作原理作进一步的详细说明。

参见图1，为本发明所提供的一种轻量化耐超低温柔性复合管的结构示意图。构成该轻量化耐超低温柔性复合管的管壁由内至外依次为内芯层1、填充层2、增强层3、保温层4、隔离层5以及外护层6，其中，内芯层1为金属波纹管，填充层2为缠绕在波纹管外壁波谷内的聚氨酯密封条，增强层3由耐低温金属或高强纤维缠绕构成，保温层4为气凝胶保温材料构成，隔离层5包覆固定保温层4，外护层6由热塑性塑料制成。

其工作原理为：该复合管的内芯层1为耐低温金属波纹管，在金属波纹管的波谷处缠绕聚氨酯密封条，对波纹外壁进行结构填充补强，防止盘曲塌陷，并能减少热流损失，在填充层2外缠绕耐低温金属或高强纤维，提高复合管道对轴向和环向应力的承载程度，将气凝胶保温材料敷设在增强层3外，隔离层5将其包覆固定，最外部用热塑性塑料挤出成型。

该复合管的保温层4选择使用质量较轻的气凝胶，是一种以气体为分散介质且具有网络结构的纳米多孔性固体材料，由胶体粒子或高聚物分子相互聚积构成，该材料中孔隙的大小在纳米数量级。其空洞率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100纳米，而密度可低达3 kg/m3，导热系数可低达0.012 W/（m•K），显著增强了柔性复合管的耐低温性能。

在构成上述轻量化耐超低温柔性复合管的结构中，

——为了进一步提高复合管的结构强度，上述增强层3由多层耐低温钢丝交叉缠绕而成，钢丝层的数量最好为偶数，相邻层间可以非粘连、可滑移，其缠绕角度优选为54.7度，既能增强管道环向、轴向的承载力，又能平衡二个方向的受力，保证管道运行安全稳定；

——进一步的，构成上述内芯层1的金属波纹管和构成增强层3的耐低温钢丝均由304不锈钢或316L不锈钢制成，304型不锈钢是-196℃(液氮温度)以上的耐低温材料首选，价格便宜，管道制造成本较低，304L型超低碳不锈钢、3016型不锈钢，镍含量质量分数高，适用于-196℃至-253℃(液氢温度)的低温范围，316L不锈钢中含有2%至3%的Mo，提高了热强性和抵抗氯离子点腐蚀的能力，适用于-269℃(液氦温度)以上超低温范围；

——构成上述保温层4的气凝胶保温材料具有多种类型，根据复合管的具体应用场景，可以选择使用氧化硅气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶或炭气凝胶，在满足耐低温要求的前提下，兼具防火、隔声、耐酸碱腐蚀、抗氧化等不同特性。由于气凝胶的孔隙都是纳米级的，同时密度极低，只需要很薄的一层就可以达到很好的隔热保温和防火分隔效果，这就大大减少了复合管管壁的厚度，使其可盘绕柔韧性能更加优异，相较于其他耐低温复合管，重量显著降低；

——优选地，上述隔离层5为螺旋缠绕在保温层4表面上的玻璃纤维增强胶带，其能够紧固定位保温层4材料，防止复合管盘曲时发生层叠，同时为外保护层提供可包覆的平整面，便于复合管整体成型；

——上述外保护层由聚乙烯或聚丙烯树脂挤出成型，确保管道具有一定的拉伸强度和抗弯曲性能，提高了管道的柔韧和抗冲击能力，防止外部介质腐蚀和机械损伤破坏管道结构；

——优选地，上述隔离层5与外保护层之间设置抗拉层7，抗拉层7为沿管道轴向敷设的若干高强纤维丝或金属丝，轴向丝束可以起到轴向补强作用，保证复合管可以承受较高的轴向拉力，提高了复合管的使用寿命；

——进一步的，构成抗拉层7的高强纤维丝为芳纶纤维且对称设置在管身两侧，芳纶质轻，抗拉强度高，柔韧性好，使复合管的轻量化特点更加突出。

Claims (7)

1.一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：其管壁由内至外依次为内芯层、填充层、增强层、保温层、隔离层以及外护层；其中，所述内芯层为金属波纹管，所述填充层为缠绕在所述波纹管外壁波谷内的聚氨酯密封条，所述增强层由耐低温金属或高强纤维缠绕构成，所述保温层为气凝胶保温材料构成，所述隔离层包覆固定所述保温层，所述外护层由热塑性塑料制成。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：所述增强层由多层耐低温钢丝交叉缠绕而成；其中，缠绕角度为54.7度。

3.根据权利要求2所述的一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：构成所述内芯层的金属波纹管和构成所述增强层的耐低温钢丝均由304不锈钢或316L不锈钢制成。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：所述隔离层为螺旋缠绕在所述保温层表面上的玻璃纤维增强胶带。

5.根据权利要求1所述的一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：所述外护层由聚乙烯或聚丙烯树脂挤出成型。

6.根据权利要求1所述的一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：所述隔离层与外保护层之间设置抗拉层，所述抗拉层为沿管道轴向敷设的若干高强纤维丝或金属丝。

7.根据权利要求6所述的一种轻量化耐超低温柔性复合管，其特征在于：构成抗拉层的高强纤维丝为芳纶纤维且对称设置在管身两侧。

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