Способ герметизации соединений трубопроводов с криогенными продуктами

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам герметизации соединений трубопроводов, работающих при экстремально низких температурах, и может быть использовано в ракетно-космической, авиационной, ядерной, судостроительной и других отраслях промышленности. Способ заключается в создании ледяного герметика в зоне соединения, для чего зону соединения трубопровода до подачи криогенного продукта обматывают лентой из пористого структурирующего материала, сухой или смоченной в жидкости, имеющей температуру замерзания, превышающую температуру криогенного продукта в трубопроводе, полученную обмотку обливают той же жидкостью и подают криогенный продукт в трубопровод, при этом используют структурирующий материал и жидкость, инертные к криогенному продукту в трубопроводе и к среде, окружающей соединения трубопровода. Технический результат - повышение надежности герметизации при полном исключении возможности возгорания и взрыва.

 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам герметизации соединений трубопроводов, работающих при экстремально низких температурах, и может быть использовано в ракетно-космической, авиационной, ядерной, судостроительной и других отраслях промышленности.

Основными узлами соединений (стыков) криогенных трубопроводов являются фланцевые соединения. Проблеме повышения надежности герметизации фланцевых соединений трубопроводов из-за ее огромной практической важности постоянно уделяется большое внимание ученых и конструкторов.

Работы ведутся в двух направлениях: повышение герметичности достигается либо за счет особенностей конструкции фланцевых соединений (RU 2145687, F 16 L 23/00, F 16 L 19/00, F 16 L 21/00, опубл. 20.02.2000; RU 2137023, F 17 C 13/00, опубл. 10.09.1999; заявка RU 92011930, F 16 L 19/02, опубл. 27.08.1995), либо за счет применения новых уплотнительных материалов, помещаемых на внутреннюю поверхность фланцев (RU 2227240, F 16 L 15/04, опубл. 20.04.2004; RU 2170751, С 09 К 3/10, С 09 К 21/02, опубл. 20.07.2001; RU 2163917, С 09 К 3/10, F 16 L 15/04, опубл. 10.03.2001; RU 2194734, С 09 К 3/10, опубл. 20.12.2002).

Общим недостатком таких способов герметизации фланцевых соединений трубопроводов является, во-первых, их сложность и дороговизна, а главное, неэффективность при использовании для трубопроводов с криогенными продуктами.

Монтаж всех фланцевых соединений трубопроводов, в том числе и затяжку фланцевых болтов, осуществляют до подачи криогенных жидкостей, то есть при обычной температуре. Однако уже на стадии заполнения трубопроводов криогенными продуктами вследствие механических напряжений, возникающих из-за резкого охлаждения фланцев, происходит их разгерметизация, сопровождающаяся сильной утечкой и испарением криогенных жидкостей (в воздушной атмосфере это легко наблюдать визуально - стыки начинают "дымить"). Ввиду свойственной всем металлам потери пластичности при криогенных температурах возможность устранения негерметичности путем дополнительной затяжки фланцевых болтов исключена в связи с опасностью их хрупкого разрушения. Наличие в межрезьбовом пространстве фланцев уплотняющих материалов при столь низких температурах лишь усугубляет ситуацию.

Известен способ герметизации, применяемый при ремонте корпусно-емкостного оборудования, заключающийся в наложении на ремонтируемую поверхность герметизирующей прокладки. Прокладка состоит из чередующихся слоев армирующего материала, пропитанного полимеризационноспособным связующим веществом, и поролона, содержащего в порах отвердитель. После вытеснения отвердителя из пористого материала на связующее вещество прокладку прижимают на ремонтируемую поверхность (заявка RU 95116511, С 09 К 3/10, C 09 J 5/00, F 16 L 55/175, опубл. 27.09.1997).

Этот способ помимо присущих ему недостатков: сложности, ненадежности, невозможности использования для герметизации фланцевых соединений, имеющих сложную геометрическую форму, абсолютно непригоден для применения на объектах с криогенными продуктами.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ герметизации, предназначенный для герметизации объектов под давлением, например нефтяных резервуаров, нефтепроводов, получивших пробоину, описанный в патенте RU 2229417, В 63 В 43/16, опубликованном 27.05.2004 (прототип). Данный известный способ предложен для аварийно-спасательных работ на водных транспортных средствах. Способ заключается в создании ледяного герметика между корпусом герметизируемого объекта по всему периметру пробоины и накладываемым на пробоину пластырем. Пластырь представляет собой жесткий корпус, снабженный по внешнему периметру системой трубчатых теплообменников. В теплообменники подается криоагент (преимущественно жидкий азот), охлаждающее действие которого приводит к образованию льда в зоне соединения корпуса и пластыря, обеспечивающему закрепление пластыря и герметизацию его соединения с корпусом по всему периметру пробоины.

Способ-прототип, несмотря на его сложность и недостаточную надежность герметизации, привлекает внимание своей безопасностью. Однако его невозможно использовать для герметизации стыков, имеющих сложную геометрическую форму, а именно для герметизации фланцевых соединений криогенных трубопроводов, наиболее часто используемых в ракетно-космической индустрии.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа герметизации соединений трубопроводов с криогенными продуктами, который обеспечит высокую надежность герметизации соединений (стыков) любой геометрической формы и позволит полностью исключить возможность возгорания и взрыва.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом герметизации соединений трубопроводов с криогенными продуктами, включающим создание ледяного герметика в зоне соединения, в котором для создания ледяного герметика зону соединения трубопровода до подачи криогенного продукта обматывают лентой из пористого структурирующего материала, сухой или смоченной в жидкости, имеющей температуру замерзания, превышающую температуру криогенного продукта в трубопроводе, полученную обмотку обливают той же жидкостью и подают криогенный продукт в трубопровод, при этом используют структурирующий материал и жидкость, инертные к криогенному продукту в трубопроводе и к среде, окружающей соединения трубопровода.

При разработке предлагаемого способа главное внимание было уделено надежности герметизации и полной пожаро- и взрывобезопасности, поэтому были проведены специальные экспериментальные исследования различных структурирующих материалов и жидкостей, легко замерзающих при криогенных температурах с образованием плотного льда. (Считаем уместным привести здесь определение понятия "лед" из словаря Даля: ЛЕД 1) мерзлая вода; 2) застывшая и отверделая от стужи жидкость.)

Наиболее удобным и доступным структурирующим материалом в силу своей мягкости и пористости является хлопчатобумажная ткань, однако результаты экспериментов показали, что ледяной герметик, получаемый по предлагаемому способу с использованием бинтов из хлопчатобумажной ткани, смоченных водой, при герметизации трубопроводов с жидким кислородом неизбежно содержит кислород, что в сочетании с органикой хлопка приводит к образованию так называемых оксиликвитов, обладающих повышенной взрывоопасностью, в частности высокой чувствительностью к удару. В силу изложенного от структурирующих материалов, содержащих органику, пришлось отказаться.

При использовании для смачивания воды идеальным структурирующим материалом благодаря его инертности, мягкости и широкой доступности является промышленная стеклоткань (стеклоткань получают из двуокиси кремния, которая ни при каких условиях не может реагировать даже с самым реактивным из криоагентов - с кислородом, то есть является абсолютно пожаро- и взрывобезопасной).

Применение в сочетании с водой в качестве структурирующего материала ленты из металлической сетки приводит к повышению прочности герметизации.

При использовании в заявленном способе для создания ледяного герметика жидких металлов или их сплавов и амальгам, например галлия, замерзающего при комнатной температуре (+30°С), наилучшим структурирующим материалом является лента из тонкой металлической сетки, например из нержавеющей стали (нержавеющая сталь является очень инертным в химическом отношении материалом). Ленту из стеклоткани использовать можно, но нецелесообразно, так как применение жидкого металла в сочетании с металлической сеткой позволяет достигнуть наивысшей прочности герметизации, намного превосходящей прочность герметизации, наблюдаемую для ледяного герметика, созданного из металлической сетки и воды. (Известно, что металлические клеи на основе галлиевых амальгам отличаются высокими эксплуатационными характеристиками - такие составы описаны в книге А.П.Петровой "Термостойкие клеи", М., Химия, 1977, глава "Металлические клеи".)

При использовании для создания ледяного герметика хладонов, имеющих температуру замерзания в пределах от -40 до +26°С, в качестве структурирующего материала одинаково хорошо проявили себя и стеклоткань и металлическая сетка.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Все зоны соединений (стыков) трубопровода до подачи криогенного продукта плотно обматывают лентой из пористого структурирующего материала. Лента может быть изготовлена, например, из стеклоткани или из плотной, но тонкой металлической сетки. Ленту можно предварительно смочить в жидкости, которая будет использоваться для создания ледяного герметика. Полученную обмотку стыков обливают той же жидкостью, обеспечивая максимально полную пропитку всей обмотки и качественный контакт жидкости с местами, где наиболее вероятно возникновение микрощелей в процессе заполнения трубопровода и полости стыка криоагентом. Убедившись в максимальной степени пропитки обмотки, подают криоагент в трубопровод. При этом происходит замерзание жидкости и образование вокруг стыков прочного ледяного герметика. Для создания ледяного герметика используют структурирующие материалы и жидкости, инертные к криоагенту и к среде, окружающей стыки трубопровода.

Пример 1.

Ленту из промышленной стеклоткани промывают в ацетоне или хладоне от возможных следов органических масел и сушат. Сухой лентой обматывают все стыки трубопровода, кроме одного, который оставляют для сравнения. Обмотки стыков тщательно проливают водой до качественной пропитки всей обмотки. Затем подают в трубопровод жидкий кислород. По мере заполнения трубопровода жидким кислородом в обмотках начинается процесс образования льда, после полного замерзания воды в обмотках все стыки, покрытые ледяным герметиком, были абсолютно герметичными - образования тумана из-за утечки кислорода не наблюдалось в течение суток, тогда как негерметизированный стык "дымил" постоянно.

Пример 2.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, только ленту из промышленной стеклоткани после промывки и сушки перед обматыванием стыков помещают на несколько минут в воду. Как и в примере 1, в течение суток утечки кислорода в герметизированных стыках не наблюдалось.

Пример 3.

Ленту из фильтровальной сетки с микроотверстиями, изготовленную из очень тонкого провода из нержавеющей стали, помещают в воду на несколько минут. Влажной лентой обматывают все стыки трубопровода, кроме одного, который оставляют для сравнения. Обмотки стыков тщательно проливают водой до качественной пропитки всей обмотки. Затем подают в трубопровод жидкий водород. По мере заполнения трубопровода жидким водородом в обмотках начинается процесс образования льда, после полного замерзания воды в обмотках все стыки, покрытые ледяным герметиком, были абсолютно герметичными - образования тумана из-за утечки водорода не наблюдалось в течение суток, тогда как негерметизированный стык постоянно "дымил".

Пример 4.

Сухой лентой из фильтровальной сетки с микроотверстиями, изготовленную из очень тонкого провода из нержавеющей стали, обматывают все стыки трубопровода, кроме одного, который оставляют для сравнения. Обмотки стыков тщательно проливают жидким галлием до качественной пропитки всей обмотки. Затем подают в трубопровод жидкий этан. По мере заполнения трубопровода жидким этаном в обмотках начинается процесс образования льда из жидкого галлия, после полного замерзания галлия в обмотках все стыки, покрытые ледяным (металлическим) герметиком, были абсолютно герметичными - образования тумана из-за утечки криоагента не наблюдалось в течение суток, тогда как негерметизированный стык "дымил" постоянно.

Пример 5.

Ленту из фильтровальной сетки с микроотверстиями, изготовленную из очень тонкого провода из нержавеющей стали, помещают в хладон 113 на несколько минут (хладон 113 - трифтортрихлорэтан формулы: CFCl₂CF₂Cl, т.пл. - 36,6°С). Смоченной в хладоне 113 лентой обматывают все стыки трубопровода, кроме одного, который оставляют для сравнения. Обмотки стыков тщательно проливают хладоном 113 до качественной пропитки всей обмотки. Затем подают в трубопровод жидкий водород. По мере заполнения трубопровода жидким водородом в обмотках начинается процесс образования льда, после полного замерзания хладона в обмотках все стыки, покрытые ледяным герметиком, были абсолютно герметичными - образования тумана из-за утечки водорода не наблюдалось в течение суток, тогда как негерметизированный стык постоянно "дымил".

Пример 6.

Ленту из промышленной стеклоткани промывают в ацетоне или хладоне от возможных следов органических масел и сушат. Сухой лентой обматывают все стыки трубопровода, кроме одного, который оставляют для сравнения. Обмотки стыков тщательно проливают хладоном 112 до качественной пропитки всей обмотки (хладон 112 - дифтортетрахлорэтан формулы: CFCl₂CFCl₂, т.пл. +26°С). Затем подают в трубопровод жидкий этан. По мере заполнения трубопровода жидким углеводородом в обмотках начинается процесс образования льда, после полного замерзания хладона в обмотках все стыки, покрытые ледяным герметиком, были абсолютно герметичными - образования тумана из-за утечки этана не наблюдалось в течение суток, тогда как негерметизированный стык "дымил" постоянно.

Использование заявляемого изобретения обеспечит высокую надежность герметизации соединений (стыков) трубопроводов любой геометрической формы и позволит полностью исключить возможность возгорания и взрыва. Предлагаемый способ можно использовать для высокопрочной герметизации соединений трубопроводов с любыми криогенными продуктами: жидкими кислородом, водородом, углеводородами и др.

Способ герметизации соединений трубопроводов с криогенными продуктами, включающий создание ледяного герметика в зоне соединения, отличающийся тем, что для создания ледяного герметика зону соединения трубопровода до подачи криогенного продукта обматывают лентой из пористого структурирующего материала, сухой или смоченной в жидкости, имеющей температуру замерзания, превышающую температуру криогенного продукта в трубопроводе, полученную обмотку обливают той же жидкостью и подают криогенный продукт в трубопровод, при этом используют структурирующий материал и жидкость, инертные к криогенному продукту в трубопроводе и к среде, окружающей соединения трубопровода.