CN111963785B - 复合保温管道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合保温管道，包括管道主体、内衬管、支撑环、内保温层和外保温层，内衬管套设在管道主体内部，内衬管上设置有多个衡压孔；多个支撑环间隔套设在内衬管的外壁上，支撑环的外边缘与管道主体的内壁接触；内保温层设置在相邻的两个支撑环之间，用于填充内衬管和管道主体之间的空间；外保温层套设在管道主体外侧。本公开的技术方案通过在管道本体内设置比热小的内保温层，可以做到管道在常温下启动时，热能损失少，达到热平衡所需时间短，热响应速度快，尤其适合长距离运输管道，降低了投入成本和运行成本，延长使用寿命。

Description

复合保温管道

技术领域

本公开涉及保温管技术领域，具体涉及一种复合保温管道。

背景技术

管道在石油天然气、化工企业、发电厂等行业被广泛应用于输送流体，管道的保温能有效保证输送流体温度，同时减少管道的运行成本。另外，在航空发动机、燃气轮机部件试验台领域，以燃烧室试验台为例，按照燃烧室进口空气的变化特征，其压力、温度呈大幅度变化，目前温度最高达800℃，压力从常压至5MPa，而承担空气输运功能的管道则需快速响应，一方面期望缩短从启机到达到热平衡的周期，另一方面从工况变化需求角度期望按照变工况要求快速响应。

对应用于高温环境(高于600℃)下的压力管道，一般金属材料随着温度的升高，其抗拉强度迅速下降，因此，高温高压(3～10MPa)管道一般选用价格昂贵的高温合金材料制成，但还是存在诸多待解决和优化的问题：

(1)常规外保温管道在常温下启动时，由于金属管道材料的体积比热大，使得管道在常温下启动达到热平衡所需时间长，管道变工况时的动态热响应速度慢，且在同工况下，管道输送距离越长，管道的热平衡时间越长，动态热响应速度越慢；

(2)对于工作温度较高的管道，为了避免管道升温速率过大所带来的一系列热应力危害，设备管道启动前往往进行一段时间的预热，预热过程使得设备管道启动前耗时长，动态热响应速度慢，同时额外增加一定的预热运行成本；

(3)常规外保温管道的金属管道主体直接与管内流体接触，进行强制对流换热，且金属材料导热系数较大，导致常规外保温管道的金属管道迅速吸热升温，其带来的直接影响是，在达到热平衡前管道出口气流温度较低；同时金属管道主体沿轴向的温度梯度也较大，热应力较大，对金属管道主体损害较大，影响使用寿命；

(4)对于长距离的高温高压管道，采用高温合金作为管道材料，使得整个管线投资成本大；同时管道稳态下的工作温度与管内流体温度基本相同，管道所需考虑的热膨胀补偿大，成本较高；

(5)管道在稳定运行下，管道材料的工作温度与管内流体温度基本相同，设备的频繁启停导致其温度由常温升至工作温度，再由工作温度降低至常温，或是管道的变工况等，频繁大幅度的升温和降温易导致管道出现热疲劳，甚至裂纹，影响管道使用寿命。

发明内容

现有技术中，常规外保温管道在常温下启动，达到热平衡所需时间长，动态热响应速度慢，投入成本高，此外，预热工序额外增加运行成本，同时，频繁大幅度的升温和降温易导致管道出现热疲劳，甚至裂纹，影响管道使用寿命。鉴于上述缺陷，本公开提供一种用于高温高压下的符合保温管道结构，采用内外复合保温结构，管道在常温下启动所需的热平衡时间短，变工况热响应速度快，保温效果好，同时降低了对金属管道主体材料的耐温要求，提高了管道的使用寿命。

为了实现上述目的，本公开提供如下技术方案。

一种复合保温管道，包括管道主体、内衬管、支撑环、内保温层和外保温层。

所述内衬管，套设在所述管道主体内部，所述内衬管上设置有多个衡压孔。

所述支撑环，多个所述支撑环间隔套设在所述内衬管外壁上，所述支撑环的外边缘与所述管道主体的内壁接触。

所述内保温层，设置在相邻的两个所述支撑环之间，用于填充所述内衬管和所述管道主体之间的空间。

所述外保温层，套设在所述管道主体外侧。

根据本公开提供的一些实施例，所述内衬管包括孔管和滤网，所述滤网套设在所述孔管的外壁上，用于防止所述内保温层的碎屑掉入所述内衬管内部。

根据本公开提供的一些实施例，所述孔管为金属孔管，所述滤网为金属滤网，所述孔管与所述滤网烧结连接在一起。

根据本公开提供的一些实施例，所述衡压孔的总面积小于所述内衬管表面积的10％，所述衡压孔的孔径小于2mm。

根据本公开提供的一些实施例，所述内衬管上的孔为完全贯穿孔或桥式孔。

根据本公开提供的一些实施例，所述支撑环上设置有多个透气孔。

根据本公开提供的一些实施例，所述支撑环的外径小于所述管道主体内径1mm～2mm，用于作为热膨胀补偿。

根据本公开提供的一些实施例，所述外保温层包括多层保温棉和多层金属箔，多层所述保温棉和多层所述金属箔间隔套设。

根据本公开提供的一些实施例，所述外保温层外侧设置有保护层。

根据本公开提供的一些实施例，所述内保温层包括耐高温的硅酸盐陶瓷纤维，所述内保温层通过钢丝捆扎在所述内衬管上，捆扎间距为100mm～150mm。

从上述技术方案可以看出，本公开一种复合保温管道至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分。

①通过在管道本体内设置比热小的内保温层，可以做到管道在常温下启动时，热能损失少，达到热平衡所需时间短，热响应速度快，尤其适合长距离运输管道，以DN800管道为例，管长550米时内保温管道的热响应耗时仅为12分钟，较现有技术中普通外保温管道，约为1/10；

②因为其热响应速度快，所以不需要进行预热，减少了工序，提高了效率，同时降低了投入成本和运行成本；

③由于内保温层的隔热作用，管道主体升温主要是通过热传导，由内保温层传递至金属管道主体，而不是直接与管内气体进行强制对流换热。因此内外复合保温管道即使在常温下直接启动时，同样不会出现管道主体升温速率过大所产生的热应力危害，延长了使用寿命；

④针对现有技术中高温压缩空气管道使用温度高，因而需选择价格昂贵的高温合金管道，本公开供的内外复合保温管道，将保温层置于管道主体内侧，降低管道主体的工作温度，也即降低了管道主体材料对温度的要求，从而降低了投入成本；

⑤由于内保温层的隔热作用，即使在稳态下管道主体的工作温度将远低于管内气体温度，同时，对于频繁启停或变工况的设备管道，能减小金属管道主体的温度波动幅度，进而能有效减小热疲劳损害，延长使用寿命；

⑥采用孔管与滤网烧结而成的内衬管置于内保温层内侧，既能满足内衬管两侧无压差，又能防止内保温层材料纤维或碎屑混入管道气流中；

⑦在管道主体外侧敷设的外保温层，能够保证金属管道主体温度不会低于管内流体的压力露点温度，从而防止管内气体结露降低内保温层保温性能以及避免金属管道主体出现露点腐蚀。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的整体主剖视立体结构示意图；

图2示意性示出了为本公开实施例主视结构示意图；

图3示意性示出了为本公开实施例内衬管的立体图；

图4示意性示出了为本公开实施例支撑环的立体图。

图5示意性示出了为本公开另一实施例的整体主剖视立体结构示意图；

图6示意性示出了为本公开另一实施例的主视结构示意图；

图7示意性示出了为本公开另一实施例的内衬管的立体图；

图8示意性示出了为图7中A处放大结构示意图；

其中，1表示内衬管；2表示支撑环；3表示内保温层；4表示管道主体；5表示外保温层；6表示孔管；7表示滤网；8表示衡压孔；9表示透气孔；10表示金属箔；11表示外护层；12表示保温棉；13表示钢丝；14表示桥式孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释，例如，本公开提到的常压，为一个标准大气压，约为0.1MPa，根据实验地点不同而略微有不同；例如，本公开提到的高温，定义其范围为高于600℃即为高温；本公开提到的高压，定义其范围为3-10MPa；本公开提到的稳态，为流体的稳态，也即管道内的流体参数不随时间变化，如流速、温度、压强密度等；另外，本公开提到的烧结，原本是指把粉状物料转变为致密体，是一个传统的工艺过程。人们很早就利用这个工艺来生产陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高温材料等，在这里借指将金属孔管和金属滤网绑扎固定后放入炉窑中加热使两者结合在一起。

此外，本公开提供的复合保温管道，其内设置有带孔的内衬管，所以尤其适用于高温高压气体的输送。

本公开提供一种复合保温管道，图1示意性示出了本公开实施例的整体主剖视立体结构示意图；图2示意性示出了本公开实施例主视结构示意图。

如图1所示，包括内衬管1、支撑环2、内保温层3、管道主体4、和外保温层5。

根据本公开提供的一些实施例，如图1、图2所示，内衬管1，套设在管道主体4内部，内衬管1上设置有多个衡压孔8。

根据本公开提供的一些实施例，支撑环2，多个支撑环2间隔套设在内衬管1外壁上，支撑环2的外边缘与管道主体4的内壁接触。

根据本公开提供的一些实施例，内保温层3，设置在相邻的两个支撑环2之间，用于填充内衬管1和管道主体4之间的空间。

根据本公开提供的一些实施例，外保温层5，套设在管道主体4外侧。

其中，通过内衬管1将管道主体4的内部空间分割成两部分，在内衬管1和管道主体4之间的空间内填充内保温层3，内保温层3选用比热小的材料，可以改变现有技术中普通管道的缺陷，普通管道内的高温气体对金属管道本体进行强制对流换热，因其金属管道本体的导热系数大，会导致快速吸热升温，直接导致在热平衡前管道出口气流温度较低，浪费了大量的热量；同时金属管道主体沿轴向的温度梯度也较大，热应力较大，严重影响了管道的使用寿命。本公开提供的复合保温管道，增设内衬管1，同时采用在内衬管1和管道主体4之间填充比热小的内保温层，改变管道主体4的吸热方式，从直接强制对流换热改为间接通过内保温层3热传导吸热，减缓了管道主体4的吸热速度，降低了热量损失的速度，也即，管道出口气流温度能很快的达到预设温度，达到热平衡所需要的时间段，热响应速度快。以DN800管道为例，管长550米时，传统的普通管道，从启动到热平衡所需要的时间约为120分钟，热响应速度太慢，一般需要进行预热，而本申请提供的复合保温管道，在相同的条件下，达到稳态所需要的时间仅为12分钟，热响应时间仅为现有普通管道的1/10，极大地缩短了热响应时间，同时，可以降低预热时间或者不需要预热，极大地减少了投入成本和运行成本。

另外，现有技术中，在管道达到稳态的情况下，普通管道的管道本体的温度与管道本体内流体的温度相同。而本公开提供的复合保温管道，通过在管道主体4的内部增设内保温层3后，可以降低在达到稳态后管道主体4的温度，进而降低了管道主体4对材质的需求，进而降低了管道的投入成本。

除此之外，通过在管道主体4的内部增设内保温层3后，管道主体内部沿轴向的各个区域的高温气流的温差较小，在配合内保温层3的作用下，管道主体4在沿轴线方向上各区域的温差很小，也即管道主体4在沿轴线方向上温度梯度小，温度应力小，对管道主体4的损害较小，延长了复合保温管道的使用寿命。

最后，对于频繁启停或变工况的设备管道，本公开提供的复合保温管道的管道主体，通过在管道主体4的内部增设内保温层3后，可以降低对管道主体4的影响，减少管道主体4的温度波动幅度，进而能有效减小热疲劳损害，延长使用寿命。

根据本公开提供的一些实施例，图3示意性示出了为本公开实施例内衬管的立体图。

如图3所示，内衬管1上设置有多个衡压孔8，通过在内衬管1上设置多个衡压孔8，可以平衡内衬管1内外两侧的气体压强，防止高压气体对内衬管造成损伤。内衬管1只用作固定和定位内保温层3，不作为受力部件。

根据本公开提供的一些实施例，内衬管1包括孔管6和滤网7，滤网7套设在孔管6的外壁上，用于防止内保温层的碎屑掉入内衬管内部。

根据本公开提供的一些实施例，孔管6为金属孔管，滤网7为金属滤网，孔管6与滤网7烧结连接在一起。

其中，孔管6上均匀分布多个衡压孔8，在制作过程中，将滤网7包裹在孔管6的外表面上，捆扎固定、焊接固定或者采用其他的方式将两者固定在一起。

可选的一种方案，将临时固定在一起的孔管6和滤网7放入炉窑中，加热烧结成一整体，其好处在于，孔管6和滤网7结合的更稳定，且因为是经过加热后在高温环境下烧结成以整体的，就不会出现使用前两者粘接的很牢固，但使用过程中，因为受热温度升高，两者的粘接断开，造成复合保温管道的损坏的情况。

进一步可选的一种方案，可以采用多层滤网7包裹在孔管6的外表面上。防止单层滤网7在烧结、搬运或者安装的时候，对滤网造成损坏导致滤网7的网眼过大，进而在使用过程中，内保温层3破碎的纤维碎屑掉入到内衬管1内部混入气流中。

具体的，可根据复合保温管道内部气体流体的温度范围，选用316L不锈钢或310S等耐高温不锈钢制作内衬管1。

根据本公开提供的一些实施例，衡压孔8的总面积小于内衬管1表面积的10％，衡压孔8的孔径小于2mm。

其中，在制作内衬管1的时候，衡压孔8的孔径越小越好，衡压孔8占得面积越大衡压效果越好，但是随着孔径的减小，加工难度也随之上升，即成本上升，随着衡压孔8占得面积增大，内衬管1的强度随之下降，综合考虑下，优选的一种方案，衡压孔8的总面积小于内衬管1表面积的10％，衡压孔8的孔径小于2mm，即能保证内衬管1的强度，又能保证内衬管1的透气性好，内衬管1内外两侧的气压能迅速达到平衡，防止内衬管1受力遭到破坏，影响使用。

根据本公开提供的一些实施例，图5示意性示出了为本公开另一实施例的整体主剖视立体结构示意图；图6示意性示出了为本公开另一实施例的主视结构示意图；图7示意性示出了为本公开另一实施例的内衬管的立体图；图8示意性示出了为图7中A处放大结构示意图。

如图5～图8所示，内衬管1上的孔为桥式孔14。

其中，桥式孔14常见于桥式滤水管，一般为矩形孔，相对于传统的透孔来说，桥式孔14的四个边，相对的两个边断开，另外相对的两个边与孔周围结构粘连并向一个方向隆起形成一个类似于“桥”的结构，从事水文地质勘探、钻井、凿井施工、水库降水、基础深挖降水、地热开发利用、矿泉水开发利用，地温空调，坏井修复，地下水源地取水等，滤水器的特殊孔形结构起到了增强滤水器机械强度的效果，具有较高的机械强度，但是，在本公开中，主要利用的是桥式孔14向上隆起后，高温高压气流在穿过桥式孔14后，气流方向会发生改变，由垂直管道主体4的轴线方向改变成平行管道主体4的轴线方向，其带来的好处是，可以降低穿过衡压孔8的高温高压气体对内保温层3的破坏，防止气流对内保温层3造成垂直管道主体4的轴线方向的贯穿孔，进而形成类似“热桥”功能的结构，使得复合保温管道内部的高温气体可以在局部与管道主体4接触，进而形成强制对流换热，造成管道主体4吸热过快，温度上升过快，进而影响到热响应速度。此外，相同厚度的具有桥式孔14的内衬管1的结构强度相对于具有透孔的内衬管1的结构强度比较高，也即，在保证内衬管1处在规定的强度范围内的前提下，衡压孔8采用桥式孔14结构，可以减少内衬管1的厚度或者增加衡压孔8的面积占比，能够降低成本或者提高使用效率。

根据本公开提供的一些实施例，支撑环2的外径小于管道主体4内径1mm～2mm，用于作为热膨胀补偿。

其中，支撑环2的作用是连接、固定和定位内衬管1在管道主体4内的位置，在实际操作过程中，支撑环2的外径略小于管道主体4内径，差值约为1mm～2mm，便于复合保温管道的组装，以及用于作为工作状态时的热膨胀补偿。

根据本公开提供的一些实施例，图4示意性示出了为本公开实施例支撑环的立体图。

如图4所示，支撑环2上设置有多个透气孔9。

多个透气孔的设置，可以让复合保温管道的内衬管1和管道主体4之间的空间在轴线方向上是相对连通的，也即，内保温层3内的微小气流可以通过多个透气孔9流动，降低内保温层3局部气压过高或者温度过高的可能性，延长使用寿命。同时，在支撑环2上设置有多个透气孔9可以适当降低支撑环的重量，便于安装，同时可降低成本。

根据本公开提供的一些实施例，内保温层3包括耐高温的硅酸盐陶瓷纤维，内保温层3通过钢丝捆扎在内衬管1上，捆扎间距为100mm～150mm。

在安装过程中，通过采用焊接的方式，等距离地将多个支撑环2固定在内衬管1上，其中，焊接点应避免在孔管6的衡压孔8或矩形衡压孔14处。防止内衬管1由于自重或气流冲击，对内保温层3一侧造成挤压，另一侧出现空隙，进而影响内保温层3的保温效果。

可选的一些方案，内保温层材料可选用掺有一定的憎水剂的硅酸盐陶瓷纤维制品，防止内保温层3的保温性能受水分影响。

可选的一些方案，内保温层3包覆在内衬管1的外侧，且分别置于各个支撑环2之间，并通过钢丝13对内保温层3进行绑扎，绑间距控制在在150mm～200mm之间，绑扎完后的内保温层3的外径应与支撑环2外径相等或基本相等(误差范围控制在±1mm内)，以便于复合保温管道的组装安装。

根据本公开提供的一些实施例，外保温层5包括多层保温棉12和多层金属箔10，多层保温棉12和多层金属箔10间隔套设。

其中，多层保温棉12和多层金属箔10间隔地套设在管道主体4的外侧，也即，在管道主体4外侧铺裹一层保温棉12，然后铺裹一层金属箔10，重复铺裹多层保温棉12和金属箔10。保温棉12选用耐高温的比热小的保温材料，其目的是降低管道主体4向周围环境传递热量。配合多层金属箔10，可以反射部分管道主体4的热辐射，进一步降低管道主体4向外界环境散发热能，造成能量的损失。

可选的一种方案，金属箔10可以选用铝箔。

根据本公开提供的一些实施例，外保温层5外侧设置有保护层11。

具体的，可以选择使用铁皮作为保护层11的材料，根据安装完外保温层5后复合保温管道的尺寸剪裁铁皮进行搭接，作为保护和固定外保温层。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合保温管道，其特征在于，包括：

管道主体；

内衬管，套设在所述管道主体内部，所述内衬管上设置有多个衡压孔；

支撑环，多个所述支撑环间隔套设在所述内衬管的外壁上，所述支撑环的外边缘与所述管道主体的内壁接触；

内保温层，设置在相邻的两个所述支撑环之间，用于填充所述内衬管和所述管道主体之间的空间；

外保温层，套设在所述管道主体外侧；

所述支撑环上设置有多个透气孔。

2.根据权利要求1所述的复合保温管道，其特征在于，所述内衬管包括孔管和滤网，所述滤网套设在所述孔管的外壁上，用于防止所述内保温层的碎屑掉入所述内衬管内部。

3.根据权利要求2所述的复合保温管道，其特征在于，所述孔管为金属孔管，所述滤网为金属滤网，所述孔管与所述滤网烧结连接在一起。

4.根据权利要求1所述的复合保温管道，其特征在于，所述衡压孔的总面积小于所述内衬管表面积的10%，所述衡压孔的孔径小于2mm。

5.根据权利要求1至4任一所述的复合保温管道，其特征在于，所述内衬管上的衡压孔为完全贯穿孔或桥式孔。

6.根据权利要求1所述的复合保温管道，其特征在于，所述支撑环的外径小于所述管道主体内径1mm~2mm，用于作为热膨胀补偿。

7.根据权利要求1所述的复合保温管道，其特征在于，所述外保温层包括多层保温棉和多层金属箔，多层所述保温棉和多层所述金属箔间隔套设。

8.根据权利要求7所述的复合保温管道，其特征在于，所述外保温层外侧设置有保护层。

9.根据权利要求1所述的复合保温管道，其特征在于，所述内保温层包括耐高温的硅酸盐陶瓷纤维，所述内保温层通过钢丝捆扎在所述内衬管上，捆扎间距为100mm~150mm。