FR2748545A1 - Thermal isolated conduit for transfer of liquid natural gas - Google Patents
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Abstract
Description
CONDUITE ISOLEE THERMIQUEMENT POUR LE TRANSPORT DE GAZ
NATUREL LIQUEFIE.THERMALLY INSULATED CONDUIT FOR GAS TRANSPORT
NATURAL LIQUEFIED.
La présente invention concerne une conduite pour le transport de fluides à des températures cryogéniques, et en particulier pour le transport de gaz naturel liquéfié ou
GNL, sur terre et en milieu sous-marin.The present invention relates to a pipe for the transport of fluids at cryogenic temperatures, and in particular for the transport of liquefied natural gas or
LNG, on land and underwater.
On sait que pour pouvoir etre transporté, le gaz naturel est liquéfié, après son extraction du sol. Cette opération est effectuée à une température d'environ - 161"C dans une usine de liquéfaction. Le gaz naturel est ensuite chargé dans des méthaniers qui le transportent jusqu'à une usine de regazéification. Le transport entre lesdites usines et les méthaniers se fait dans des conduites hautement isolantes qui limitent les pertes thermiques et donc la vaporisation du GNL. We know that to be able to be transported, natural gas is liquefied, after its extraction from the ground. This operation is carried out at a temperature of around - 161 "C in a liquefaction plant. The natural gas is then loaded into LNG carriers which transport it to a regasification plant. Transport between said plants and LNG carriers in highly insulating pipes which limit thermal losses and therefore the vaporization of LNG.
Par le brevet NO 2 673 264, on connaît une conduite pour le transport d'hydrocarbures comprenant un tube externe et un tube interne tous deux en acier, montés coaxialement, l'espace compris entre les deux tubes ou annulaire étant empli d'une matière thermiquement isolante. La ligne de transport est réalisée en soudant bout à bout des tronçons de tubes internes et en connectant des tronçons de tubes externes au moyen de manchons filetés. Patent No. 2,673,264 discloses a pipe for transporting hydrocarbons comprising an outer tube and an inner tube both made of steel, mounted coaxially, the space between the two tubes or annular being filled with a material thermally insulating. The transport line is produced by welding end to end sections of internal tubes and connecting sections of external tubes by means of threaded sleeves.
Pour effectuer la pose d'une telle conduite, on soude les tubes internes et on assemble les tubes externes au moyen des manchons, ces opérations étant effectuées sur une barge, puis on fait glisser la conduite, au fur et à mesure de son assemblage, le long d'une rampe inclinée fixée à l'arrière de la barge. Cette rampe permet de faire glisser la conduite dans l'eau tout en maintenant une traction sur l'extrémité. La conduite vient reposer sur le fond marin selon un profil en S. To carry out the laying of such a pipe, the internal tubes are welded and the external tubes are assembled by means of the sleeves, these operations being carried out on a barge, then the pipe is dragged, as it is assembled, along an inclined ramp attached to the back of the barge. This ramp allows the pipe to slide in the water while maintaining traction on the end. The pipe comes to rest on the seabed according to an S-profile.
En cours d'exploitation, le gradient de température entre les hydrocarbures et le milieu environnant induit des efforts de dilatation très importants qui nécessitent l'utilisation de pièces de reprise mécanique ou tulipes qui ont aussi pour fonction d'assurer une étanchéité compartimentée de l'annulaire. During operation, the temperature gradient between the hydrocarbons and the surrounding environment induces very significant expansion efforts which require the use of mechanical recovery parts or tulips which also have the function of ensuring compartmentalized sealing of the annular.
Toutefois, dans l'application au transport de GNL, l'utilisation de telles tulipes n'est pas souhaitable car celles-ci constituent des ponts thermiques qui abaissent localement la température du tube externe (point froid). However, in the application to LNG transport, the use of such tulips is not desirable because they constitute thermal bridges which locally lower the temperature of the external tube (cold point).
De plus, le tube interne à forte épaisseur utilisé pour le transport d'hydrocarbures est inapproprié dans le cas de l'application GNL, étant donné que dans ce dernier cas, la pression de l'ef fluent est faible et que la corrosion est pratiquement nulle. In addition, the thick internal tube used for transporting hydrocarbons is unsuitable in the case of LNG application, since in the latter case the pressure of the effluent is low and corrosion is practically nothing.
Enfin, l'isolant utilisé dans ces conduites de transport d'hydrocarbures n'offre pas forcément les meilleures performances aux températures cryogéniques concernées par la présente invention. Finally, the insulation used in these hydrocarbon transport pipes does not necessarily offer the best performance at the cryogenic temperatures concerned by the present invention.
La présente invention vise à réaliser une conduite à tubes concentriques pour le transport de fluides à des températures cryogéniques, dans laquelle les pertes thermiques sont réduites au minimum et les ponts thermiques sont éliminés. The present invention aims to provide a pipe with concentric tubes for the transport of fluids at cryogenic temperatures, in which the heat losses are reduced to a minimum and the thermal bridges are eliminated.
A cet effet, l'invention a pour objet une conduite du type comprenant deux tubes coaxiaux, l'un externe et l'autre interne, chacun de ces tubes étant formé de tronçons de tubes connectés bout à bout et l'espace tubulaire compris entre les deux tubes étant empli d'un isolant thermique, caractérisée en ce que
- le tube interne est réalisé en un matériau à faible coefficient de dilatation, choisi parmi les matériaux tels que le produit du coefficient de dilatation par le module d'Young dudit matériau soit inférieur à 1,5 MPa/OK pour des températures comprises entre - 1600C et + 200C,
- le tube interne a une épaisseur de paroi inférieure à 6 mm,
- le tube externe est en acier et a une épaisseur de paroi supérieure à 10 mm, et
- l'isolant thermique a une conductivité thermique inférieure à 0,02 W/m.OK. To this end, the subject of the invention is a pipe of the type comprising two coaxial tubes, one external and the other internal, each of these tubes being formed of sections of tubes connected end to end and the tubular space between both tubes being filled with thermal insulation, characterized in that
- the internal tube is made of a material with a low coefficient of expansion, chosen from materials such that the product of the coefficient of expansion by the Young's modulus of said material is less than 1.5 MPa / OK for temperatures between - 1600C and + 200C,
- the inner tube has a wall thickness of less than 6 mm,
- the outer tube is made of steel and has a wall thickness greater than 10 mm, and
- the thermal insulator has a thermal conductivity less than 0.02 W / m.OK.
Selon un mode de réalisation particulier, le tube interne est réalisé en Invar. According to a particular embodiment, the internal tube is made of Invar.
Le tube interne est maintenu en position concentrique dans le tube externe par tout moyen approprié, par exemple au moyen de centreurs rigides en matière isolante. La matière isolante formant les centreurs a une conductivité thermique équivalente inférieure à 0,6 W/m.OK. The inner tube is held in a concentric position in the outer tube by any suitable means, for example by means of rigid centralizers made of insulating material. The insulating material forming the centralizers has an equivalent thermal conductivity of less than 0.6 W / m.OK.
La conduite selon l'invention a de très faibles pertes thermiques, en raison de l'isolant spécifique utilisé, de l'élimination des ponts thermiques au niveau des zones de raccordement entre les tronçons de tubes et aussi parce que les centreurs en matière isolante n'évacuent pratiquement pas de chaleur. The pipe according to the invention has very low heat losses, due to the specific insulation used, the elimination of thermal bridges at the connection areas between the sections of tubes and also because the centralizers in insulating material n '' evacuate practically no heat.
De plus, la diminution d'épaisseur du tube intérieur réduit son poids et par conséquent son inertie thermique, ce qui entraîne un gain d'efficacité lors de la mise en service de la ligne. Les efforts de compression qui sont repris par les centreurs sont également diminués, ce qui élargit l'éventail du choix de la matière des centreurs. In addition, the reduction in thickness of the inner tube reduces its weight and therefore its thermal inertia, which leads to a gain in efficiency when the line is put into service. The compression forces which are taken up by the centralizers are also reduced, which widens the range of choice of the material of the centralizers.
En outre, l'étanchéité de la conduite est excellente puisque les tubes externes et internes sont soudés et non plus connectés au moyen de manchons comme dans la technique antérieure. L'isolant est donc protégé contre l'eau de mer et ses performances resteront invariables dans le temps. Le risque de corrosion du tube interne par l'eau de mer est complètement éliminé. In addition, the sealing of the pipe is excellent since the external and internal tubes are welded and no longer connected by means of sleeves as in the prior art. The insulation is therefore protected against sea water and its performance will remain unchanged over time. The risk of corrosion of the inner tube by seawater is completely eliminated.
On décrira à présent un mode de réalisation de l'invention en regard de l'unique figure annexée qui représente une vue en coupe axiale d'un tronçon de conduite selon l'invention. An embodiment of the invention will now be described with reference to the single appended figure which represents an axial section view of a pipe section according to the invention.
La conduite 10 représentée sur la figure comprend un tube externe 12 et un tube interne 14 d'axe commun x-x. Le tube interne véhicule un gaz naturel liquéfié à - 1610C. Il est réalisé en un matériau ayant un faible coefficient de dilatation. Les matériaux qui conviennent pour le tube interne sont choisis de manière que le produit du coefficient de dilatation par le module d'Young du matériau soit inférieur à 1,5 MPa/OK. L'Invar remplit cette condition. The pipe 10 shown in the figure comprises an outer tube 12 and an inner tube 14 with a common axis x-x. The inner tube carries liquefied natural gas at -1610C. It is made of a material with a low coefficient of expansion. The materials which are suitable for the internal tube are chosen so that the product of the coefficient of expansion by the Young's modulus of the material is less than 1.5 MPa / OK. Invar fulfills this condition.
Le tube interne a une épaisseur de paroi inférieure à 6 mm. En raison de ces caractéristiques, le tube interne a une faible inertie thermique et se met rapidement à la température du GNL transporté. The inner tube has a wall thickness of less than 6 mm. Because of these characteristics, the inner tube has a low thermal inertia and quickly warms up to the temperature of the LNG being transported.
Le tube externe est beaucoup plus résistant car il doit assurer la protection mécanique de la conduite. Il est en acier et a une épaisseur relativement plus importante, par exemple supérieure à 10 mm pour un diamètre de l'ordre de 760 mm. The outer tube is much more resistant because it must provide mechanical protection for the pipe. It is made of steel and has a relatively greater thickness, for example greater than 10 mm for a diameter of the order of 760 mm.
Les tubes 12 et 14 sont réalisés respectivement en soudant bout à bout des tronçons de tube 121, 122,... et 141, 142,... par des cordons de soudure 16, 18. The tubes 12 and 14 are produced respectively by butt welding of tube sections 121, 122, ... and 141, 142, ... by weld beads 16, 18.
Le tube interne 14 est maintenu en position concentrique par rapport au tube externe 12 par tout moyen approprié, par exemple au moyen de centreurs 20, réalisés en matière isolante de manière à éviter les ponts thermiques. Dans le mode de réalisation illustré par la figure, les centreurs sont constitués par des disques annulaires rigides en matière isolante. Les centreurs sont suffisamment rapprochés pour éviter la formation sur le tube interne d'une flèche trop importante entre les centreurs successifs. Toutefois, on diminuera autant que possible le nombre de centreurs afin de limiter les pertes thermiques. The inner tube 14 is held in a concentric position relative to the outer tube 12 by any suitable means, for example by means of centralizers 20, made of insulating material so as to avoid thermal bridges. In the embodiment illustrated in the figure, the centralizers are constituted by rigid annular discs made of insulating material. The centralizers are close enough to avoid the formation on the internal tube of an excessive arrow between successive centralizers. However, the number of centralizers will be reduced as much as possible in order to limit heat losses.
A titre d'exemple, on donnera les caractéristiques d'une ligne pour le transport de méthane liquéfié ayant les dimensions suivantes
Longueur de la ligne 5000 m
Diamètre du tube interne 616 mm (24 pouces)
Diamètre du tube externe 760 mm (30 pouces)
Epaisseur du tube interne 3 mm
Epaisseur du tube externe 15 mm
Distance entre les centreurs 10 m.By way of example, the characteristics of a line for the transport of liquefied methane having the following dimensions will be given.
Line length 5000 m
Internal tube diameter 616 mm (24 inches)
Outer tube diameter 760 mm (30 inches)
Internal tube thickness 3 mm
Thickness of the outer tube 15 mm
Distance between centralizers 10 m.
Avec ces données, on obtient une flèche entre centreurs consécutifs de 1,5 mm. With these data, an arrow between consecutive centralizers of 1.5 mm is obtained.
Compte tenu des dimensions du tube interne et de la masse volumique de l'effluent (600 kg/m3), le poids que les centreurs doivent reprendre est de l'ordre de 250 kg/m. Des centreurs en isolant classique peuvent très bien reprendre cette charge. Taking into account the dimensions of the internal tube and the density of the effluent (600 kg / m3), the weight that the centralizers must take up is of the order of 250 kg / m. Centralizers using conventional insulation can easily take on this load.
L'annulaire est empli d'un isolant thermique approprié 22, adapté à la température du GNL. Le choix de cet isolant découle du coefficient d'échange thermique admissible de la ligne qui dépend lui-meme du taux d'évaporation admissible. The annular is filled with an appropriate thermal insulator 22, adapted to the temperature of the LNG. The choice of this insulator results from the admissible heat exchange coefficient of the line which itself depends on the admissible evaporation rate.
On peut calculer ce coefficient dans le cas de la ligne susmentionnée, compte tenu du fait que lors de la mise en froid du tube interne, il se crée un bouchon de vapeur. On supposera que les débits massiques liquide et vapeur sont respectivement de 300 kg/s de 25 kg/s, que la pression d'entrée est de 5 bars et que la pression de sortie est de 4 bars (donc A p = 1 bar). A partir du débit gazeux, on calcule le temps de descente en température, soit 27 mn, et à partir du débit liquide, on calcule le coefficient d'échange thermique admissible U, soit U = 0,36 W/m2. K. On en déduit le flux de chaleur par mètre linéaire, soit 110 W/m. Ce flux de chaleur se décompose en 100 W/m dans l'isolant et 10W par les centreurs. Un flux de 100 W/m correspond à une conductivité thermique de l'isolant de 0,017 W/m.OK. Cette conductivité correspondant à une catégorie de matériaux isolants existants. Les isolants à base de silice sous un vide industriel contrôlé (10 à 100 mbars) permettent d'obtenir la meilleure isolation thermique aux températures cryogéniques. D'autres isolants peuvent convenir suivant le taux d'évaporation admissible.This coefficient can be calculated in the case of the aforementioned line, taking into account that when the inner tube is cooled, a vapor plug is created. Suppose that the liquid and vapor mass flow rates are 300 kg / s and 25 kg / s respectively, that the inlet pressure is 5 bars and that the outlet pressure is 4 bars (therefore A p = 1 bar) . From the gas flow rate, the temperature drop-down time is calculated, ie 27 min, and from the liquid flow rate, the admissible heat exchange coefficient U, or U = 0.36 W / m2, is calculated. K. We deduce the heat flux per linear meter, or 110 W / m. This heat flow breaks down into 100 W / m in the insulation and 10 W by the centralizers. A flux of 100 W / m corresponds to a thermal conductivity of the insulation of 0.017 W / m.OK. This conductivity corresponding to a category of existing insulating materials. Insulators based on silica under a controlled industrial vacuum (10 to 100 mbar) provide the best thermal insulation at cryogenic temperatures. Other insulators may be suitable depending on the permissible evaporation rate.
La conduite immergée dans la mer est généralement instable. Pour l'immobiliser on est parfois amené à la lester, par exemple en l'enrobant d'une couche de béton 24. The pipe submerged in the sea is generally unstable. To immobilize it, we sometimes ballast it, for example by coating it with a layer of concrete 24.
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| FR9605779A FR2748545B1 (en) | 1996-05-09 | 1996-05-09 | THERMALLY INSULATED CONDUIT FOR THE TRANSPORT OF LIQUEFIED NATURAL GAS |
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