Защитное устройство трубного листа и труб и способ его изготовления - RU2254517C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию трубного листа и трубного защитного устройства. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию изоляционного щита и изолирующих втулок, предназначенных для использования в резервуаре, который содержит по меньшей мере одну трубу для приема жидкости, проходящую через трубный лист.

Обычные защитные устройства труб и трубного листа (см., например, патент США 5 775 269) имеют втулки с круглыми заплечиками, соединенными с хвостовиками. Хвостовики втулок вводят в трубы, которые выступают из трубного листа, закрывающего впуск резервуара. Для заполнения зазоров, которые образуются между втулками, когда круглые заплечики втулок находятся рядом друг с другом и покрывают часть трубного листа, втулки устанавливают с использованием литой или пластичной огнеупорной футеровки, которую крепят при помощи анкеров из нержавеющей стали. За счет использования литой или пластичной огнеупорной футеровки промежутки между втулками заполняются таким образом, что весь трубный лист закрывается. Хвостовики обычных втулок обертывают изоляционным материалом. Однако круглые заплечики обычных втулок изоляционным материалом обычно не обертывают.

Один из недостатков обычных защитных устройств труб и трубного листа состоит в том, что имеется недостаточная изоляция между заплечиками втулок и анкерами. За счет этого происходит повреждение или полное разрушение анкеров и втулок, в особенности находящихся в центре трубного листа, когда резервуар работает при высоких температурах. Такие устройства особенно недостаточны для резервуаров, работающих с воздухом, обогащенным кислородом, так как в таких резервуарах развиваются высокие температуры.

Другим недостатком обычных защитных устройств трубного листа является то, что втулки не могут быть легко сняты и заменены индивидуально, так как они установлены с окружением литым или пластичным огнеупорным материалом. Операция замены является дорогостоящей, учитывая то, что приходится периодически заменять поврежденные или вышедшие из строя втулки. Кроме того, повреждение втулок обычно приводит к серьезному повреждению как труб, так и трубного листа, так что в результате повреждения втулок приходится производить дорогостоящий ремонт с заменой труб. Еще одним недостатком обычных защитных устройств труб и трубного листа является то, что такие устройства требуют применения значительных количеств литого или пластичного огнеупорного материала, которым необходимо заполнить промежутки, образованные между круглыми заплечиками втулок.

Для устранения указанных недостатков необходимо защитное устройство трубного листа, которое обеспечивает лучшую изоляцию, чем известные традиционные устройства. Такое устройство должно выдерживать воздействие высоких температур и преимущественно должно иметь втулки, которые могут быть заменены индивидуально.

Задачей настоящего изобретения является создание защитного устройства как для труб, так и для трубного листа, имеющего втулки, которые могут быть легко сняты индивидуально для обеспечения лучшего доступа, когда производят ремонт или замену единственного втулки.

Другой задачей настоящего изобретения является создание защитного устройства трубного листа и труб, имеющего втулки с изолированными заплечиками и хвостовиками, за счет чего обеспечивается дополнительная изоляция всей установки.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение лучшей изоляции труб и трубного листа резервуара, так что резервуар может работать при температурах включительно по меньшей мере ориентировочно до 3000°F (1649°С).

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание защитного устройства трубного листа, которое фактически не содержит литого или пластичного огнеупорного материала и не требует применения анкеров, так что втулки могут быть установлены легко и при сниженном времени установки.

Наконец, еще одной задачей настоящего изобретения является создание защитного устройства трубного листа с втулками такой формы, что они прилегают друг к другу и вместе образуют уплотнение над изоляционный щитом, покрывающим трубный лист.

В соответствии с настоящим изобретением указанные и другие задачи достигнуты за счет применения защитного устройства трубного листа, который дополнительно содержит изоляционный щит, установленный на трубном листе, причем в изоляционном щите выполнено отверстие для приема указанного хвостовика, при этом изоляционный щит изготовлен из оксида алюминия с содержанием около 66% и диоксида кремния и имеет коэффициент теплопроводности не более 0,303 Вт/м К, измеренный при 2500°F (1371°С).

Заплечик и хвостовик обернуты изоляцией, которая представляет собой изоляционную бумагу из керамического волокна или защитный слой из керамического волокна, содержит оксид алюминия, диоксид кремния и оксид натрия и имеет коэффициент теплопроводности не более 0,231 Вт/м К, измеренный при 2000°F (1093°С).

Изоляцию целесообразно выполнять в виде нанесенного защитного слоя или в виде изоляционной обертки из бумаги.

Заплечик и хвостовик могут быть отлиты в виде одной детали или же заплечик фрикционно прикреплен к хвостовику.

Он может иметь форму равностороннего шестигранника.

Заплечик, будучи соединенным с хвостовиком, образует втулку, причем как в трубном листе, так и в изоляционном щите выполнено множество отверстий, при этом заплечик втулки имеет такую форму, что они соединяются друг с другом без зазора и образуют уплотнение поверх указанного изоляционного щита.

Защитное устройство трубного листа согласно изобретению выполнено с возможностью выдерживать температуры до 3000°F (1649°С) и давления до 50 psig (4,5 бар).

В другом варианте защитоного устройства трубного листа, предназначенном для использования в бойлере, который содержит впуск, выпуск и трубы, выступающие из трубного листа, закрывающего указанный впуск, оно включает в себя удлиненные хвостовики, выполненные с возможностью ввода в указанные трубы, и заплечики, выступающие радиально наружу от каждого из указанных хвостовиков с образованием кромки, смещенной радиально от указанного хвостовика, причем указанная кромка имеет поверхность уплотнения и дополнительно содержит изоляционный щит, установленный на указанном трубном листе, причем в изоляционном щите выполнены отверстия для приема указанных хвостовиков, при этом изоляционный щит изготовлен из оксида алюминия с содержанием около 66% и диоксида кремния и имеет коэффициент теплопроводности не более 0,303 Вт/м К, измеренный при 2500°F (1371°С).

Заплечики и хвостовики обернуты изоляцией, а само устройство выполнено с возможностью выдерживать температуры до 3000°F (1649°С) и давления до 50 psig (4, 5 бар).

Объектом изобретения является также устройство для приема флюида (газа), которое содержит резервуар, имеющий впуск, выпуск и по меньшей мере одну трубу, проходящую через указанный резервуар от указанного впуска до указанного выпуска, трубный лист, закрывающий указанный впуск и имеющий выполненное в нем отверстие для соединения указанной трубы с указанным трубный листом вблизи от указанного впуска, отличающееся тем, что оно содержит изоляционный щит, установленный на указанном трубном листе, втулку с многогранной головкой, имеющую хвостовик, причем втулка имеет заплечик, выступающий наружу от указанного хвостовика, за счет чего изоляционный щит зажат между заплечиком и указанным трубным листом, при этом хвостовик и заплечик втулки имеют общее сквозное отверстие для транспортировки флюида из пространства вне указанного резервуара во внутреннее пространство указанной трубы, при этом изоляционный щит имеет отверстие для ввода указанного хвостовика и изготовлен из оксида алюминия с содержанием около 66% и диоксида кремния и имеет коэффициент теплопроводности не более 0,303 Вт/м К, измеренный при 2500°F (1371°С).

Устройство выполнено с возможностью выдерживать температуры до 3000°F (1649°C) и давления 50 psig (4,5 бар).

Устройство может содержать множество труб и множество втулок, введенных в указанные трубы, причем заплечики и хвостовики втулок обернуты изоляцией, каждый из заплечиков втулок имеет форму равностороннего шестигранника, причем заплечики соединены друг с другом без зазора и образуют уплотнение поверх изоляционного щита, а втулки могут быть выполнены заменяемыми.

Трубный лист целесообразно изготавливать из углеродистой стали, а изоляционный щит - из керамического волокна.

Еще одним объектом изобретения является способ изоляции трубного листа, закрывающего впуск бойлера, во внутреннее пространство которого выступает труба из указанного трубного листа, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: прорезание по меньшей мере одного отверстия в изоляционном щите, монтаж указанного изоляционного щита на указанном трубном листе и ввод втулки с многогранной головкой, имеющей хвостовик, выполненный в виде единого целого с заплечиком многогранной формы через отверстие в изоляционном щите в указанную трубу, при этом изоляционный щит изготавливают из оксида алюминия с содержанием около 66% и диоксида кремния и имеет коэффициент теплопроводности не более 0,303 Вт/м К, измеренный при 2500°F (1371°С).

Способ дополнительно предусматривает обертывание заплечика и хвостовика изоляцией перед вводом втулки в трубу и ввод адгезива между изоляционным щитом и трубным листом.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны специалистам из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показан вид сбоку с вырывом, а также поперечное сечение реактора и бойлера с защитным устройством трубного листа и труб в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 показано с увеличением поперечное сечение защитного устройства трубного листа и труб по линии 2-2 фиг.1.

На фиг.3 показан с увеличением фрагмент защитного устройства трубного листа и труб в области (3) фиг.2.

На фиг.4 показано с увеличением детальное поперечное сечение втулки, которая является частью защитного устройства трубного листа и труб в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.5 показан вид в перспективе фрагмента защитного устройства трубного листа и труб в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, причем на чертеже некоторые узлы удалены, чтобы лучше показать детали конструкции.

На фиг.6 показан вид в перспективе втулки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.7 показан вид сбоку втулки, которая является частью защитного устройства трубного листа и труб в соответствии с настоящим изобретением, причем на чертеже некоторые узлы удалены, чтобы лучше показать детали конструкции.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показано обозначенное в общем виде позицией 10 устройство, в котором реализованы принципы настоящего изобретения. Устройство 10 обычно содержит реактор 12 и бойлер 14 с защитным устройством труб и трубного листа 16. Реактор 12 имеет оболочку 18 и выпуск 20. Внутри оболочка 18 имеет футеровку из огнеупорных кирпичей 22. С внутренней частью оболочки 18 сообщается множество газовых впускных сопел 26.

Выпуск 20 реактора 12 соединен с бойлером 14. Множество труб 28 идут от впуска 30 бойлера 14 к его выпуску 32. У конца впуска 30 бойлера 14 с трубами 28 соединяется защитное устройство труб и трубного листа 16. Защитное устройство труб и трубного листа 16 включает в себя трубный лист 34 с выполненными в нем отверстиями 36, как это показано на фиг. 4. Трубы 28 образуют единое целое с трубным листом 34. Внешняя сторона трубного листа 34 покрыта изоляционным щитом 38 (смотри фиг. 2), имеющим множество выполненных в нем отверстий. Множество втулок 40 введено в изоляционный щит 38 и в трубы 28, которые выходят (выступают) из трубного листа 34, как это показано более подробно на фиг. 5. Втулки 40 в сочетании с изоляционным щитом 38 и трубным листом 34 образуют защитное устройство труб и трубного листа 16 в соответствии с настоящим изобретением.

Индивидуальная втулка 40 показана более подробно на фиг. 2, 3, 4 и 5. Каждая втулка 40 содержит хвостовик 42 и заплечик 44. Хвостовик 42 и заплечик 44 могут быть отдельными деталями, которые соединены вместе, или же они могут быть отлиты в виде единственной детали. Альтернативно втулка 140, которая показана на фиг.6 и 7, содержит концевой заплечик 44а и промежуточный заплечик 44b. Как хвостовик 42, так и заплечик 44 обернуты изоляцией (изоляционным материалом) 46, как это показано на фиг.3, 4 и 5. Если втулка 140 имеет концевой заплечик 44а и промежуточный заплечик 44b, то изоляцией 46 должны быть обернуты каждый заплечик и промежуток между заплечиками, как это показано на фиг. 7.

Каждый хвостовик 42 входит без зазора через отверстие 36 в изоляционном щите 38 в трубу 28. Втулки 40 имеют заплечики 44 с такими поверхностями, которые герметично прилегают друг к другу. На фиг.2-7 показаны заплечики 44 шестигранной формы. Втулки 40 без зазора контактируют друг с другом, так что образуется уплотнение (уплотнительное соединение) поверх изоляционного щита 38, как это показано на фиг.2 и 3. Литой или пластичный огнеупорный материал 48 используют для заполнения периферических зон, где заплечики втулок не прилегают без зазора к внутренней части огнеупорных кирпичей 22, как это показано на фиг.2. Втулки 40 имеют сквозные отверстия 50, как это показано на фиг.2-5, предназначенные для транспортировки газа из реактора 12 во внутреннее пространство труб 28 в бойлере 14.

Защитное устройство трубного листа в соответствии с настоящим изобретением изготовлено путем прорезания в изоляционном щите 38 отверстий для каждой трубы 28, проходящей через бойлер 14. Затем изоляционный щит 38 устанавливают поверх трубного листа 34 и отверстия 36 в изоляционном щите 38 совмещают с трубами, выступающими из трубного листа 34. Для закрепления изоляционного щита 38 на трубном листе 34 может быть использован адгезив, такой как клей или мастика, введенный между изоляционным щитом 38 и трубным листом 34. Альтернативно изоляционный щит может быть насажен на короткие штыри, которые приварены к трубному листу. Преимущественно штыри используют в сочетании с мастикой. Заплечик 44 и хвостовик 42 каждой втулки 40 с шестигранной головкой обертывают изоляцией 46. Хвостовик 42 каждой втулки 40 с шестигранной головкой вводят через изоляционный щит 38 в соответствующую трубу 28.

При работе устройства газ поступает в отверстия 50 втулок 40 и протекает через хвостовики 42 в соответствующие трубы 28, которые проходят через бойлер 14. Трубы 28 могут подвергаться воздействию различных физических условий, таких как высокие температуры.

Заплечики 44 втулок 40 должны иметь такую форму, чтобы они без зазора прилегали друг к другу и образовывали уплотнение поверх изоляционного щита 38. Заплечики идут от хвостовиков в направлении радиально наружу, причем каждый заплечик имеет кромку, смещенную радиально от хвостовика. Эта кромка имеет поверхность уплотнения. Заплечик может иметь любую многогранную или иную форму, которая позволяет без зазора контактировать заплечикам друг с другом, без применения литого или пластичного огнеупорного материала между втулками. Поверхности уплотнения заплечиков должны герметично прилегать друг к другу. Преимущественно заплечики имеют один и тот же размер и одинаковую форму. Кроме того, заплечики преимущественно являются равносторонними. Преимущественно заплечики имеют форму многогранника, а предпочтительно заплечики 44 имеют форму равносторонних шестигранников и сцепляются друг с другом с образованием ячеистой структуры, которая функционирует в качестве уплотнения поверх изоляционного щита 38.

Втулки 40 могут быть изготовлены из керамики или иных материалов, которые способны выдерживать воздействие температур включительно по меньшей мере ориентировочно до 3000°F (1649°С) и давлений включительно по меньшей мере ориентировочно до 50 psig (фунтов на кв. дюйм) (4,5 бар). Преимущественно втулки содержат около 90% оксида алюминия. Заплечик 44 и хвостовик 42 втулки 40 может быть отлит в виде единственной детали, однако заплечик и хвостовик могут быть и отдельными деталями. Если заплечик 44 и хвостовик 42 являются отдельными деталями, то они могут быть фрикционно соединены без зазора, или же может быть использован некий литой огнеупорный материал для крепления заплечика 44 на хвостовике 42. Внутренняя поверхность хвостовика 42 втулки может быть скошенной.

Каждая втулка 40 может быть снята и заменена индивидуально при помощи любого способа, позволяющего снимать втулки. Например, втулка 40 может быть снята за счет ввода съемного устройства (съемника) внутрь отверстия 50, зацепления с внутренней поверхностью втулки и вытягивания.

Как заплечик 44, так и хвостовик 42 каждой втулки 40 обернут изоляцией 46. В качестве изоляции может быть использована высокотемпературная бумага из керамического волокна или изоляционное покрытие. Бумага должна иметь толщину от 1/32 до 1 дюйма (от 0,08 до 2,54 см). Преимущественно используют бумагу толщиной от 3/16 до 1/4 дюйма (0,48-0,63 см). Изоляционный материал может содержать оксид алюминия, диоксид кремния, оксид натрия и оксид железа. В качестве примера подходящей бумаги можно указать бумагу, которая содержит 54,8% оксида алюминия, 44,0% диоксида кремния и 0,2% оксида натрия. Несмотря на то что подходящая бумага может содержать менее чем 50% оксида алюминия, преимущественно она содержит по меньшей мере около 50% оксида алюминия, а предпочтительно по меньшей мере около 90% оксида алюминия. Преимущественно бумага из керамического волокна имеет коэффициент теплопроводности не более 1,6 BTU-in/hr ft² °F, измеренный при 2000°F (0,231 Вт/м К, измеренный при 1093°С). Преимущественно бумага имеет температуру плавления по меньшей мере около 3600°F (около 2000°С). Преимущественно бумага имеет температуру постоянного использования по меньшей мере около 2800°F (около 1500°С). Бумагу перед использованием преимущественно подвергают тепловой обработке для удаления любой поглощенной воды и/или органических материалов.

Изоляционный щит 38 должен выдерживать воздействие высоких температур. Главным образом он включает в себя оксид алюминия и диоксид кремния. Изоляционный щит преимущественно содержит по меньшей мере около 66% оксида алюминия, а предпочтительно по меньшей мере около 81% оксида алюминия. При конструировании изоляционного щита 38 может быть использовано как органическое, так и неорганическое связующее, однако органическое связующее является предпочтительным. Изоляционный щит 38 преимущественно имеет толщину ориентировочно от 0,5 до 1,5 дюймов (1,25-3,75 см). Преимущественно он имеет допустимое значение максимальной температуры по меньшей мере около 3000°F (около 1650°С), температуру непрерывного использования по меньшей мере около 2800°F (около 1500°С) и коэффициент теплопроводности не более 2,1 BTU-m/hr ft² °F, измеренный при 2500°F (0,303 Вт/м К, измеренный при 1371°С). Обычно трубный лист 34, на котором устанавливают изоляционный щит 38, изготовлен из высококачественной углеродистой стали, такой как SA-516-70, или из нержавеющей стали (серий 300 или аустенитной).

Длина лигамента (соединения), которая представляет собой расстояние между внешними поверхностями смежных труб, варьирует в зависимости от диаметра использованных труб 28 и от рабочих параметров бойлера 14. В большинстве случаев, когда в изоляционном щите 38 прорезают множество отверстий, длина лигамента между внешними поверхностями отверстий составляет по меньшей мере около 3/4 дюйма (1,87 см). Длина лигамента между отверстиями преимущественно составляет по меньшей мере около 1 дюйма (2,54 см), но не менее чем 0,5 дюйма (1,25 см). Большие длины лигамента повышают физическую целостность (прочность) изоляционного щита 38, который должен быть установлен на трубный лист 34 без трещин и повреждений. Большие длины лигамента также обеспечивают лучшие характеристики гидравлического потока на стороне впуска оболочки бойлера, так как трубы 28 раздвинуты на большие расстояния. В частности, характеристики течения воды к трубам 28 и пара вокруг труб 28 улучшаются при большем промежутке между трубами.

Система защитного устройства трубного листа в соответствии с настоящим изобретением преимущественно способна выдерживать воздействие температур включительно по меньшей мере ориентировочно до 3000°F и давлений включительно по меньшей мере ориентировочно до 50 psig. Защитное устройство трубного листа в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано в резервуарах, которые имеют по меньшей мере одну трубу, проходящую через трубный лист. Такое устройство может быть использовано как часть трубчатого реактора, теплообменника с оболочкой и трубой или трубчатого теплообменника, когда труба подвержена воздействию теплового излучения и теплопередачи от газообразных продуктов сгорания. Например, такое устройство может быть использовано для изоляции в блоке Клауса, в котором сероводород окисляется с получением сернистого ангидрида, который затем соединяется с дополнительным сероводородом для получения элементарной серы. Более конкретно, бойлер установки Клауса может быть использован для блоков с применением только воздуха, обогащенного кислородом воздух или только кислорода.

Резервуар может иметь единственную трубу или множество труб в зависимости от конкретного вида использования. Радиальные градиенты температуры могут быть минимизированы за счет использования множества труб меньшего диаметра.

Монтаж защитного устройства трубного листа в соответствии с настоящим изобретением занимает меньше времени, чем установка традиционных систем, так как устройство в соответствии с настоящим изобретением не требует применения огнеупорных анкеров и фактически не требует применения литых огнеупоров. Более того, такое устройство может быть установлено более точно, чем обычные литые системы футеровки, так как вероятность ошибки снижается. Кроме того, при использовании защитного устройства трубного листа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается лучшая согласованность и лучший полный контроль качества. Более того, защитное устройство трубного листа в соответствии с настоящим изобретением позволяет повысить надежность и срок службы бойлера. Оно особенно полезно на установках с использованием кислорода, в которых достигаются высокие температуры, в таких как блок Клауса.

Из приведенного описания можно понять, что настоящее изобретение позволяет решить все поставленные задачи, а также имеет другие очевидные преимущества, присущие его структуре. Легко понять, что некоторые характеристики и их полезные комбинации могут быть использованы без ссылки на другие характеристики и комбинации, что не выходит за рамки настоящего изобретения.

Несмотря на то что был описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что показанные на чертежах предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения не имеют ограничительного характера, причем в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Реферат

Изобретения предназначены для защиты трубного листа и могут быть использованы в бойлере. Защитное устройство трубного листа, предназначено для бойлера, который содержит, по меньшей мере, одну трубу, выступающую из трубного листа, хвостовик, выполненный с возможностью ввода в указанную трубу и многогранный заплечик, соединенный с хвостовиком и выступающий радиально наружу от хвостовика, причем заплечик и хвостовик имеют общее сквозное отверстие для транспортировки газа из пространства вне указанного бойлера во внутреннее пространство указанной трубы. Бойлер содержит впуск, выпуск и трубы, выступающие из трубного листа, закрывающего указанный впуск. Заплечики выступают радиально наружу от каждого из хвостовиков с образованием кромки, смещенной радиально от указанного хвостовика, причем указанная кромка имеет поверхность уплотнения. На трубном листе установлен изоляционный щит, в котором выполнены отверстия для приема указанных хвостовиков. Изоляционный щит изготовлен из оксида алюминия с содержанием около 66% и диоксида кремния. Устройство для приема газа содержит резервуар, имеющий впуск, выпуск и, по меньшей мере, одну трубу, проходящую через указанный резервуар от указанного впуска до выпуска, трубный лист, закрывающий указанный впуск и имеющий выполненное в нем отверстие для соединения трубы с трубный листом вблизи от указанного впуска, втулку с многогранной головкой, имеющую хвостовик и заплечик, вступающий наружу от указанного хвостовика, за счет чего изоляционный щит зажат между заплечиком и указанным трубным листом. Хвостовик и заплечик втулки имеют общее сквозное отверстие. Способ изоляции трубного листа заключается в том, что прорезают, по меньшей мере, одно отверстие в изоляционном щите, монтируют изоляционный щит на трубном листе и вводят втулку с многогранной головкой, имеющую хвостовик, выполненный в виде единого целого с заплечиком многогранной формы, через отверстие в изоляционном щите в указанную трубу. Изобретение обеспечивает улучшение изоляции труб и трубного листа резервуара. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула