Стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб

Полезная модель относится к технике испытаний в нефтегазовой, химической, строительной и других отраслях промышленности. Технический результат полезной модели заключается в повышении точности определения эффективной теплопроводности испытываемых теплоизолированных труб нефтяного сортамента с помощью стенда, обеспечивающего теплотехнические испытания этих труб при эксплуатационном режиме, приближенном к условиям вечной мерзлоты. Исследуемая труба может состоять из двух и более идентичных труб, скрепленных натурной муфтой. Стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб включает: испытываемую теплоизолированную трубу (1) и стендовую теплоизолированную трубу (2) с теплоизолирующим слоем (3), две гибкие теплоизолированные трубы (4, 5), два расходомера воздуха (6, 27), два блока вентиляторов (7, 29), два блока нагревания (8, 28), два блока измерения температур. Причем первый и второй блоки измерения температур содержат датчики температур (9, 10, 11, 12, 13, 14) и (21, 22, 23, 24, 25, 26) соответственно. Также стенд содержит четыре муфты (16, 17, 30, 31), автоматический блок управления и регистрации (18), две натурные муфты (19, 20).5 з.п. ф-лы, 2илл.

Полезная модель относится к технике испытаний в нефтегазовой, химической, строительной и других отраслях промышленности, в которых проектируют, изготавливают, испытывают и эксплуатируют теплоизолированные трубопроводы.

Из уровня техники известен стенд для имитации тепловых режимов (RU 88147, U1, G01M 9/00, 27.10.2009), включающий блок управления и электрически связанные с ним две нагревательные системы и блок вентиляторов. В состав стенда входят также датчики температуры, датчики скорости воздушного потока, блоки измерения температуры и скорости воздушного потока, блоки аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютер. При этом стенд выполнен в виде камеры, корпус которой содержит теплоизолирующий слой. Стенд при проведении испытаний объектов различного профиля обеспечивает возможность задания тепловых режимов соответствующим эксплуатационным нагрузкам. Известный стенд обеспечивает возможность соответствующих испытаний объектов различного профиля. Однако известное решение содержит большое количество оборудования, необходимого для обеспечения работоспособности стенда, и не предназначено для теплотехнических испытаний натурных теплоизолированных труб нефтяного сортамента.

Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании стенда для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента, длина которых составляет 10-12 м и более. Масса такой трубы может достигать 500 кг и более. Теплоизолированная труба может быть выполнена в виде сборки, по меньшей мере, из двух или более аналогичных труб, соединенных штатной муфтой, участвующей совместно с теплоизолированными трубами в распределении тепловых потоков в радиальном направлении.

Технический результат полезной модели заключается в повышении точности результатов испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента с помощью стенда, предназначенного для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента. Технический результат также заключается в создании стенда, обеспечивающего теплотехнические испытания теплоизолированных лифтовых труб не в отдельных точках, а всей трубы или сборки труб при эксплуатационном режиме, приближенном к натурным условиям.

Сущность полезной модели заключается в том, что она представляет собой стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб, содержащий, по меньшей мере, одну испытываемую теплоизолированную трубу, первый блок нагревания, первый блок вентиляторов, блок автоматического управления и регистрации, первый блок измерения температуры. Выходы первого блока измерения температуры соединены с первыми входами приема измеренных показаний температур блока автоматического управления и регистрации. Первый и второй выходы блока автоматического управления и регистрации соединены с входами управления включением первого блока нагревания и первого блока вентиляторов соответственно. Технический результат предлагаемой полезной модели достигается за счет дополнительного введения в стенд: второго блока измерения температуры, выходы которого соединены со вторыми входами приема измеренных показаний температур блока автоматического управления и регистрации; первого и второго расходомеров воздуха; второго блока вентиляторов и второго блока нагревания. Кроме того, в стенд введена стендовая теплоизолированная труба, размещенная параллельно испытываемой теплоизолированной трубе, причем одна пара концов испытываемой и стендовой теплоизолированных труб, герметично закрепленных посредством двух технологических теплоизолированных муфт и соединенных первой гибкой теплоизолированной трубой, установленной между вторым расходомером воздуха и первыми блоком вентиляторов и блоком нагревания, последовательно установленными с возможностью нагревания циркулирующего потока воздуха внутри испытываемой трубы так, чтобы нагретый до заданной температуры воздух, циркулирующий по кольцу из теплоизолированных труб, нагревал внутренние стенки всех труб вплоть до достижения условия стационарности тепловых потоков, проходящих через трубы. При этом выход первого расходомера соединен с входом приема показаний первого расходомера блока автоматического управления и регистрации, другая пара концов стендовой и испытываемой теплоизолированных труб, герметично закрепленных посредством двух других технологических теплоизолированных муфт и соединенных второй гибкой теплоизолированной трубой, установленной между первым расходомером воздуха и вторыми блоком вентиляторов и блоком нагревания, последовательно установленными с возможностью нагревания циркулирующего потока воздуха внутри труб до момента достижения в них постоянной температуры. Причем выход второго расходомера соединен с входом приема показаний второго расходомера блока автоматического управления и регистрации, третий и четвертый выходы которого соединены с входами управления включением второго блока нагревания и второго блока вентиляторов соответственно. О достижении условия стационарности тепловых потоков судят по неизменности показаний датчиков температуры воздушного потока, размещенных на входе и выходе испытываемой и стендовой теплоизолированных труб и на их наружной поверхности. О теплотехнических характеристиках испытываемой трубы судят по результатам измерений температуры окружающего воздуха, температуры наружной поверхности теплоизолированной трубы по всей длине, по разности температур воздушного потока на входе и выходе исследуемой теплоизолированной трубы, а также, с учетом массового расхода воздуха.

Каждый блок измерения температуры может содержать набор датчиков измерения температуры воздушного потока, установленных на входе и выходе наружной поверхности теплоизолированной трубы. По разностям температур воздушного потока, полученных от двух блоков измерения температур, и по результатам измерений температуры окружающего воздуха определяют коэффициент теплопроводности испытываемой трубы.

Испытываемая теплоизолированная труба может состоять, по меньшей мере, из двух скрепленных натурной муфтой труб.

В качестве стендовой трубы может быть использована эталонная труба, укрытая слоем теплоизоляции с известным коэффициентом теплопроводности.

В качестве стендовой трубы может быть использована вторая испытываемая теплоизолированная труба, состоящая, по меньшей мере, из двух скрепленных натурной муфтой труб.

Обе испытываемые трубы по всей длине могут быть покрыты слоем однородной теплоизоляции постоянной толщины с известным коэффициентом теплопроводности.

Материал, из которого сделаны стенки теплоизолированной трубы нефтяного сортамента, не является однородным материалом. Конструкция стенок такова, что свойства стенок трубы резко отличаются по ее длине. Поэтому измеренные прибором типа ИТП-МГ4.03 «ПОТОК» тепловые характеристики в одной точке могут резко отличаться от результатов измерений тепловых характеристик, проведенных в другой точке трубы. В особой мере это относится к теплоизолирующим лифтовым трубам с вакуумной изоляцией.

На фигурах 1-2 показаны варианты проведения теплотехнических испытаний теплоизолированных труб с помощью предлагаемого стенда. При этом нумерация идентичных элементов стенда по первому и второму вариантам совпадает на фигурах 1 и 2.

Стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб включает: испытываемую теплоизолированную трубу - 1; стендовую теплоизолированную трубу - 2 с теплоизолирующим слоем - 3. Причем внутренние диаметры первой и второй труб равны, а теплоизолирующий слой трубы 2, приведенной на фиг.1 выполнен из однородного теплоизолирующего материала с известным коэффициентом теплопроводности, что позволяет принять ее за эталонную. Стенд включает первую гибкую теплоизолированную трубу - 4; вторую гибкую теплоизолированную трубу - 5; первый расходомер воздуха - 6; первый блок вентиляторов - 7; первый блок нагревания - 8; первый блок измерения температур, который состоит из первого канального датчика - 9 температуры воздушного потока, второго канального датчика - 10 температуры воздушного потока, первого датчика - 11 температуры наружной поверхности испытываемой трубы, второго датчика - 12 температуры наружной поверхности испытываемой трубы, первого датчика - 13 температуры внутренней поверхности испытываемой трубы, второго датчика - 14 температуры внутренней поверхности испытываемой трубы, датчика - 15 температуры окружающего воздуха. Также в состав стенда входят: первая технологическая теплоизолированная муфта - 16; вторая технологическая теплоизолированная муфта - 17; автоматический блок управления и регистрации - 18; две натурные муфты - 19, 20, которые могут быть выполнены как с теплоизолирующим вкладышем, так и без него, и предназначенные для герметичного соединения двух труб, участвующих в распределении тепловых потоков в радиальном направлении. Кроме того, стенд содержит второй блок измерения температур, в состав которого входят: третий датчик - 21 температуры наружной поверхности стендовой трубы, четвертый датчик - 22 температуры наружной поверхности стендовой трубы, третий датчик - 23 температуры внутренней поверхности стендовой трубы, четвертый датчик - 24 температуры внутренней поверхности стендовой трубы, третий канальный датчик - 25 температуры воздушного потока, четвертый канальный датчик - 26 температуры воздушного потока, второй расходомер - 27; второй блок нагревания - 28; второй блок вентиляторов - 29, третья технологическая теплоизолированная муфта - 30; четвертая технологическая теплоизолированная муфта - 31, слой - 32 дополнительной изоляции испытываемой теплоизолированной трубы, слой - 33 дополнительной изоляции стендовой теплоизолированной трубы.

Испытываемая теплоизолированная труба нефтяного сортамента или сборка из двух таких труб (1) герметично соединяется одним концом с первым блоком нагревания (8), а другим - со второй гибкой теплоизолированной трубой (5) при помощи технологических теплоизолированных муфт (16, 17) соответственно, на которые устанавливают канальные датчики температуры воздушного потока (9, 10).

Стендовая труба (2) может быть герметично соединена одним концом - с гибкой теплоизолированной трубой (4), другим - со вторым блоком нагревания (28) с помощью технологических теплоизолированных муфт (30, 31) соответственно, на которые устанавливают соответственно третий и четвертый канальные датчики температуры воздушного потока (25, 26).

В стенде последовательно устанавливают первый и второй блоки вентиляторов (7, 29) и первый и второй блоки нагревания (8, 28), в результате чего в трубах (1, 5, 2, 4) начинает циркулировать поток воздуха, установившееся значение расхода которого измеряют первым и вторым массовыми расходомерами (6, 27).

Блоки вентиляторов (7, 29) могут содержать, по меньшей мере, по одному канальному вентилятору. Управляющие воздействия, разрешающие включение и выключение первого и второго блоков вентиляторов, подаются соответственно с первого и третьего выходов автоматического блока управления и регистрации (18).

Установка первого блока вентиляторов (7) и первого блока нагревания (8), выполненного на канальном нагревателе, а также установка второго блока вентиляторов (29) и второго блока нагревания (28), выполненного аналогично первому блоку нагревания, осуществляется последовательно. Под действием канальных вентиляторов в трубах (1, 5, 2, 4) начинает циркулировать поток воздуха, расход которого может быть измерен расходомерами воздуха (6, 27).

Автоматический блок управления и регистрации (18) может быть выполнен на базе компьютера, выходы которого соединены с входами управления включением и выключением блоков вентиляторов (7, 29) и блока нагревания (8, 28), а входы приема измеренных показаний температур блока (18) связаны через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с первым и вторым блоками измерения температуры.

Автоматический блок управления и регистрации (18) поддерживает заданную температуру воздушного потока на основании показаний, полученных от всех датчиков температуры (9, 10, 11, 12, 13, 14, 21, 22, 23, 24, 25, 26) путем управления напряжением, подаваемым в блоки нагревания (8, 28). Датчики температуры (11, 12) перемещают по наружной поверхности испытываемой теплоизолированной трубы, при этом в интересующих точках осуществляются измерения температуры на ее поверхности. Датчики температуры (21, 22) перемещают по наружной поверхности стендовой теплоизолированной трубы, и также в интересующих точках осуществляются измерения температуры на поверхности стендовой теплоизолированной трубы. Эти показания фиксируются в автоматическом блоке управления и регистрации.

Автоматический блок управления и регистрации (18) непрерывно контролирует изменения показаний датчиков температуры (9, 10, 11, 13, 14, 21, 22, 23, 24, 25, 26) в заданные интервалы времени для определения и подачи необходимого напряжения на нагреватели, для достижения стационарного теплового режима. При достижении максимальных значений интервалов изменения показаний упомянутых датчиков блок (18) выдает сигналы о достижении стационарности тепловых потоков в исследуемой теплоизолированной трубе (1), а также в стендовой трубе (2).

Установившиеся значения температур _H и _K, измеренных канальными датчиками температуры воздушного потока (9, 10, 25, 26), и расхода воздуха , измеренные расходомерами (6, 27), затем фиксируются автоматическим блоком управления и регистрации (18).

Получая в процессе испытаний параметры, характеризующие теплофизические свойства испытуемой теплоизолированной трубы и стендовой (эталонной) трубы, сравнивают полученные параметры стендовой трубы с ее паспортизованными параметрами. При совпадении этих параметров можно судить о достижении в процессе испытаний стационарного режима, а также о правильности их проведения, что в свою очередь подтверждает точность полученных данных для испытуемой теплоизолированной трубы.

Затем выключают расходомеры и канальные нагреватели (6, 8, 27, 28), отсоединяют гибкие теплоизолированные трубы (4, 5) от расходомеров (6, 27), продувают систему труб (1, 5, 2, 4) "холодным" воздухом с температурой которого совпадает с температурой помещения, в котором расположен стенд.

Эффективную теплопроводность теплоизолированной трубы или сборки из двух труб, а также стендовой трубы подсчитывают по формуле:

где:

D₁, D₂, L - соответственно, внутренний, наружный диаметры и длина теплоизолированной трубы в метрах;

Т ₀, °С - температура окружающего воздуха;

_H, _K - температура воздушного потока на входе и на выходе теплоизолированной трубы в С;

С _P, Дж/кг·К - удельная теплоемкость воздуха;

кг/с - массовый расход воздуха.

Коэффициент теплопроводности теплоизоляции стендовой трубы, выполняющей роль образца, вычисляют по формуле

,

где:

L^O- соответственно, внутренний, наружный диаметры и длина стендовой теплоизолированной трубы в метрах;

- температура окружающего воздуха;

°_H, °_K - температура воздушного потока на входе и на выходе теплоизолированной трубы в °К;

С_P, Дж/кг·⁰К - удельная теплоемкость воздуха;

кг/с - массовый расход воздуха

О точности измерения эффективной теплопроводности _эфф теплоизолированной трубы нефтяного сортамента или сборки из двух таких труб судят по степени совпадения измеренного в ходе испытаний коэффициента теплопроводности ₀ однородного теплоизолирующего материала с известным для этого материала дополнительным значением коэффициента теплопроводности.

После остывания испытываемой теплоизолированной трубы нефтяного сортамента (1), отсоединяют от нее технологические муфты (16, 17), демонтируют теплоизолированную трубу (1), после чего стенд готов для испытаний следующей теплоизолированной трубы нефтяного сортамента.

Дополнительный технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, повышение эффективности испытаний теплоизолированных труб нефтяного сортамента, может быть получен в случае установки на стенд вместо стендовой трубы сборки из испытываемых теплоизолированных труб нефтяного сортамента, (как показано на фигуре 2), укрытых по всей длине слоями однородной теплоизоляции постоянной толщины с известным коэффициентом теплопроводности (слоем 32 покрывают первую испытываемую трубу (1) и слоем 33 - другую испытываемую трубу 2). При этом измерение температуры окружающего воздуха, разности температур воздушного потока на входе и выходе каждой из сборок испытываемых теплоизолированных труб проводят при постоянном массовом расходе дважды:

- один раз, когда все теплоизолированные трубы укрыты по всей длине слоем (32, 33) однородной теплоизоляции постоянной толщины с известным коэффициентом теплопроводности (фигура 2);

- другой раз, когда все теплоизолированные трубы свободны от слоя (32, 33) дополнительной теплоизоляции (фигура 2), а по результатам измерений определяют теплопроводность каждой из сборок теплоизолированных труб.

Эффективную теплопроводность каждой из сборок из двух труб, свободных от слоя дополнительной теплоизоляции подсчитывают по формуле (1).

Теплопроводность слоя дополнительной изоляции вычисляют по формуле

,

где: D₃=(D₂+2), (м) - диаметр теплоизолированной трубы, укрытой дополнительной теплоизоляцией толщиной ;

_H, _K - температура воздушного потока на входе и на выходе теплоизолированной трубы (в °С), укрытой дополнительной теплоизоляцией;

О точности измерения эффективной теплопроводности _эфф теплоизолированных труб нефтяного сортамента судят по степени совпадения измеренного в ходе испытаний коэффициента теплопроводности _O однородного теплоизолирующего материала с известным для этого материала эталонным значением коэффициента теплопроводности.

Таким образом, предлагаемая конструкция стенда для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб позволяет проводить испытания с теплоизолированными трубами нефтяного сортамента, длина которых составляет 10-12 м и более. Масса такой трубы может достигать от 500 кг и более.

1. Стенд для теплотехнических испытаний теплоизолированных труб, содержащий, по меньшей мере, одну испытываемую теплоизолированную трубу, первый блок нагревания, первый блок вентиляторов, блок автоматического управления и регистрации, первый блок измерения температуры, выходы которого соединены с первыми входами приема измеренных показаний температур блока автоматического управления и регистрации, первый и второй выходы которого соединены с входами управления включением первых блока нагревания и блока вентиляторов соответственно, отличающийся тем, что в него введены второй блок измерения температуры, выходы которого соединены со вторыми входами приема измеренных показаний температур блока автоматического управления и регистрации, первый и второй расходомеры воздуха, вторые блок вентиляторов и блок нагревания, а также стендовая теплоизолированная труба, размещенная параллельно испытываемой теплоизолированной трубе, причем одна пара концов испытываемой и стендовой теплоизолированных труб герметично закреплена посредством двух технологических теплоизолированных муфт и соединена первой гибкой теплоизолированной трубой, установленной между вторым расходомером воздуха и первыми блоком вентиляторов и блоком нагревания, установленных последовательно, выход первого расходомера соединен с входом приема показаний первого расходомера блока автоматического управления и регистрации, другая пара концов стендовой и испытываемой теплоизолированных труб герметично закреплена посредством двух других технологических теплоизолированных муфт и соединена второй гибкой теплоизолированной трубой, установленной между первым расходомером воздуха и вторыми блоками вентиляторов и нагревания, установленными последовательно, выход второго расходомера соединен с входом приема показаний второго расходомера блока автоматического управления и регистрации, третий и четвертый выходы которого соединены с входами управления включением второго блока нагревания и второго блока вентиляторов соответственно.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что каждый блок измерения температуры содержит набор датчиков измерения температуры воздушного потока, установленных на входе и выходе теплоизолированной трубы, по разностям температур воздушного потока которых и по результатам измерений температуры окружающего воздуха определяют коэффициент теплопроводности испытываемой трубы.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что испытываемая теплоизолированная труба состоит, по меньшей мере, из двух скрепленных натурной муфтой труб.

4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в качестве стендовой трубы используют эталонную трубу, укрытую слоем теплоизоляции с известным коэффициентом теплопроводности.

5. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в качестве стендовой трубы используют другую испытываемую теплоизолированную трубу, состоящую, по меньшей мере, из двух скрепленных натурной муфтой труб.

6. Стенд по п.4, отличающийся тем, что обе испытываемые трубы по всей длине покрыты слоем однородной теплоизоляции постоянной толщины с известным коэффициентом теплопроводности.