Zoek op trefwoord
1
Algemeen
Voor cryogene/LNG systemen moeten twee verschijnselen worden overwogen bij expansie/contractie bewegingen van leidingen en isolatie.
De eerste is de contractie en expansie van de betrokken materialen als gevolg van het temperatuurverschil tussen het operationele binnen oppervlak en het buitenoppervlak welke aan de omgeving wordt blootgesteld. Dit wordt beschouwd als thermische expansie/contractie. Het heeft drie componenten: in de langsrichting, dwars richting en in de richting van de omtrek.
Het tweede verschijnsel is te wijten aan de verplaatsing van het gehele leidingsysteem tijdens verandering van de operationele omstandigheden. Met name bij de bochten/bocht stukken kan dit extra mechanische buiging door expansie/contractie veroorzaken door de thermische uitzetting in de lengte richting.
In cryogeen/LNG service wordt voornamelijk austenitisch roestvrij staal (RVS) gebruikt vanwege de goede lage temperatuureigenschappen en de stabiele kwaliteit. Vanwege de grote lineaire uitzettingscoëfficiënt vereisen dergelijke leidingen echter een mechanisme zoals gebogen leidingen (leidingen met expansie bochten) of compensatoren om thermische contractie te absorberen.
Het isolatiesysteem dat op dergelijke leidingen is aangebracht, moet deze expansie/contractie kunnen absorberen.
1
Coëfficiënt van lineaire expansie
Expansie / contractie van een materiaal is direct gerelateerd aan het temperatuurverschil tussen omgevingstemperatuur en procestemperatuur.
Daarom zal de manier om de expansie / contractie in de lagen van het systeem te berekenen met de volgende stappen worden gedaan:
- Bepaal de temperatuurverdeling over het isolatiesysteem en vooral op het raakvlak tussen de lagen. Dit kan bij benadering worden gedaan met de isolatiediktes en een lineair temperatuurverloop of door niet-lineaire berekening.
- Bereken vervolgens de expansie/ contractie van elk materiaal op die interface met het temperatuurverschil ten opzichte van omgevingsomstandigheden. Omdat de stijfheid van de leidingen 30-40 keer groter is dan het isolatiemateriaal, wordt de beweging van de leidingen als vrij beschouwd.
- De volgende materialen zijn betrokken bij thermische isolatiesystemen in cryogene service:
| Materiaal | Expansie Coëfficiënt (bij 20 oC) m/(m.K) | |
| Koolstofstaal | De CS | 12.10-6 |
| Austenitisch Roestvrij staal | SS | 16.10-6 |
| Invar | Ni36 | 1,7.10-6 |
| Polyisocyanuraat | PIR | 70.10-6 |
| Cellulair Glas | CG | 9.10-6 |
2
Contractie in de lengte richting van een PIR-isolatiesysteem
Er wordt een voorbeeldberekening getoond om het gedrag van de verschillende lagen van een PIR-isolatiesysteem uit te leggen.
2
| Omgevingstemperatuur: | +30°C |
| Procestemperatuur: | -165°C |
| Isolatiesysteem, bestaande uit voorgevormde PIR-secties: | Totale dikte: 220 mm; |
| Lagen overeenkomstig CINI 10.2.10: | Binnenzijde >>> buitenzijde: 60 – 90 – 70 mm |
| De lengte van de pijpsecties: | 1.000 mm; leiding secties in de 1st en 2de laag zijn niet gelijmd; de verbindingen gaan na afkoeling open vanwege de contractie van het PIR./td> |
Leiding ondersteuningen op 6.000 mm afstand; ondersteuningen worden bevestigd aan de leiding.
Contractie door het max. temperatuurverschil ΔT = 195 K; de temperatuurgradiënt in het isolatiesysteem wordt als lineair beschouwd.
Contractie per strekkende meter:
2
2
De openingen (“gaps”) in de 1st en de 2de laag zijn schematisch aangegeven in de schets.
In de buitenste laag zal compressie in het PIR-materiaal optreden in het bovenste deel van de secties; alle verbindingen in de buitenste laag worden gelijmd, dus geen open voegen.
De drukspanning als gevolg van σcompr = Ecompr x εcompr is beneden de max. toelaatbare druksterkte van het PIR (d.w.z. 16000 kPa x 0,00312 bij 50 kPa versus 200 kPa) en zo is er in theorie geen contractie voeg nodig.
Het is echter gebruikelijk om een contractie voeg in de buitenste laag van een PIR-isolatiesysteem toe te passen. In het bovengenoemd voorbeeld, op een 6 meter leiding, zou de compressie voeg 6 x 3,12 mm= 18,72 mm moeten compenseren. Bij een bepaalde verdichting van max. 50%, zou het contractie voeg 40 mm breed moeten zijn. Het vullen van een contractie voeg moet zo los mogelijk worden gedaan om verdichting door contractie mogelijk te maken in tegenstelling tot een expansie voeg, waarbij het vullen compact moet worden gedaan om expansie mogelijk te maken.
In de installatiehandleiding van CINI 1.3.53 par. 2.1.12, geeft een tabel de maximale lengte aan van een PIR-isolatiesysteem zonder contractie voeg.
Locatie van contractie voeg in een PIR-systeem
Locatie van de contractie voeg:
2
Bij het afkoelen zal de leiding in de richting van het vaste punt krimpen. De glijdende steunen worden aan de leiding bevestigd en bewegen zich naar het vaste punt. Als gevolg hiervan zal de glijdende steun druk uitoefenen op de isolatiesecties van de leiding. Zoals berekend in par. 2, zullen de binnenste secties meer krimpen dan de leiding, maar bij de buitenste laag is er geen krimp, alleen druk van de ondersteuning. De druk zal het meest zijn bij de glijdende ondersteuning en zal geleidelijk worden verspreid en verdeeld over de PIR-doorsnede in de richting van het vaste punt, ook vanwege de wrijving tussen de PIR lagen.
Bij de volgende shutdown/stop zal de leiding zich uitzetten naar de oorspronkelijke lengte en zal de druk van de glijdende ondersteuning in de buitenste laag van de PIR-secties zich ontspannen. De secties van de buitenste laag zijn aan elkaar gelijmd en het PIR-materiaal zal slechts geleidelijk ontspannen. Het verdient daarom aanbeveling om de eerste PIR-leiding sectie op de ondersteuning te lijmen en aan het andere uiteinde van dat eerste deel de contractie voeg te plaatsen.
Op deze manier blijft de voeg in de buurt van de steun onbeschadigd en is alle ontspanning geconcentreerd in de contractie voeg aan de andere kant van de leiding sectie.
Op dit moment is gespecificeerd om een contractie voeg in het midden tussen twee steunen te installeren.
Op basis van het bovenstaande zou dat niet de juiste locatie zijn en kunnen leiden tot scheuren of open verbindingen in de buitenste laag.
3
Contractie in de langs richting in een CG-isolatiesysteem
Vergelijkbaar met betrekking tot het PIR-isolatiesysteem in par 2 zal een voorbeeldberekening het gedrag van de verschillende lagen van een CG-isolatiesysteem verklaren
3
Omgevingstemperatuur: +30°C
Procestemperatuur: -165°C
Isolatiesysteem, bestaande uit voorgevormde CG-secties: totale dikte: 260 mm;
Lagen volgens CINI 10.2.10: van binnen naar buiten: 80 – 90 – 90 – 90 mm
CG-pijpsecties lengte: 600 mm.
Pijpsteunen op 6.000 mm afstand; steunen worden bevestigd aan de pijp.
Contractie door het max. temperatuurverschil ΔT=195 K; de temperatuurgradiënt in het isolatiesysteem wordt als lineair beschouwd.
Aantrekking per lopende meter:
3
In alle lagen van het CG-isolatiesysteem treedt compressie op tussen de segmenten.
De drukspanning als gevolg van σcompr= Ecompr x εcompr is boven de max. toelaatbare druksterkte van de CG (d.w.z. 800.000 kPa x 0,00136 = 1.088 kPa versus 500 kPa) en dus is een contractie voeg vereist. Het installeren van de binnenste CG-segmenten met openingen van 1-2 mm of het effect van de voegen tussen CG-segmenten in de buitenste laag, die zijn gevuld en afgedicht met mastiek die de compressie tot op zekere hoogte kunnen opvangen, zou in theorie compressievoegen overbodig kunnen maken. Het is echter gebruikelijk om contractie voegen in alle lagen van een CG-isolatiesysteem te installeren.
In het bovenstaande voorbeeld, met een 6 meter leiding, zou de buitenste compressieverbinding 6 x 3,12 mm = 18,72 mm moeten compenseren. Bij een bepaalde verdichtingsgraad van max. 50%, zou de contractie voeg 40 mm breed moeten zijn.
In het geval dat de afstand tussen twee steunen 9 m is, is het contractie verschil op het leiding oppervlak:
| Contractie CG isolatie: | 9 m x 9.10-6 x 195 | = | 0,015795 m | = | 15,80 mm | |
| Contractie leiding: | 9 m x 16.10-6 x 195 | = | 0,028080 m | = | 28,08 mm | |
| Het verschil | -12,28 mm | (compressie) |
3
In dat geval is de totale compressie bij het dampscherm 28,08 mm; welke bij een bepaalde contractie verdichting van max. 50%, een contractie voeg van minimaal 60 mm breed geeft.
In de installatiehandleiding van CINI 1.3.54 par. 2.1.11 wordt in een tabel de maximale lengte van een CG-isolatiesysteem aangegeven zonder contractie voeg.
4
Contractie in de langs richting van een isolatiesysteem op een verticale leiding
Zoals blijkt uit het bovengenoemde voorbeeld zijn berekeningen op horizontale leidingen de openingen tussen de isolatiesecties gelijk verdeeld over alle voegen. Op verticale leidingen is dit niet zozeer het geval. Materiaal belastingen zullen ervoor zorgen dat de lager gelegen voegen worden gesloten en er is een tendens dat de volledige opening op het hoogste punt zal plaatsvinden; dit is onder de ondersteuning of montage hierboven, waar het isolatiesysteem is bevestigd.
De opening kan zo groot worden dat voor het isolatiesysteem het aanbrengen van een expansie/contractie voeg vereist wordt. In een dergelijk geval moet dit onder de leiding ondersteuning of onder de fitting worden geplaatst.
5
Contractie in de omtrek van een PIR-isolatiesysteem
5
6
Contractie in de omtrek van een CG-isolatiesysteem
In een CG-isolatiesysteem zal de stalen leiding meer krimpen dan de binnenste laag van CG. Dit komt door de lagere uitzettingscoëfficiënt van CG. Daarom moet de binnenste laag strak worden aangebracht zonder een opening in de binnendiameter. Onder bedrijfsomstandigheden zal zich een kleine opening vormen tussen de leiding en het CG. Dit kan leiden tot kleine vrije bewegingen.
7
Contractie bij een bocht in een isolatiesysteem
In lange delen van LNG-lijnen, bijvoorbeeld de leiding voor het laden (“LNG Loading-lines”), wordt de contractie van de leiding opgevangen door expansie bochten of met compensatoren (compensatoren zoals beschreven in CINI 10.2.11).
De openstaande zijde (“leg”) van de expansie bochten zijn tussen de 5 en 13 m. De beweging in de expansie bocht wordt door het buigen van de openstaande zijde (‘leg”) opgenomen. Vanuit het oogpunt van isolatie worden de bochten als stijf beschouwd in vergelijking met de openstaande zijde (“leg”).
Het buigen van de openstaande zijde (‘leg”) zal leiden tot expansie en contractie in de isolatielagen, die boven op de thermische expansie/contractie komen. Hierbij moet rekening worden gehouden bij de vaststelling van de grootte van de contractie voeg. De exacte waarden moeten worden berekend door de ontwerper van de leidingen.
Als voorbeeld wordt de volgende formule gegeven voor het buiggedeelte van de uitzetting als het buigmoment of de buigkracht bekend is:
ε = Rins * M / (E * π * Rpipe3; * T) = Rins * F * L / (E * π * Rpipe3; * T )
| ε | = Spanning door buiging |
| E | = Youngs Modulus van leiding |
| Rins | = Straal van de isolatie Laag |
| Rpipe | = Straal van leiding |
| T | = Wand dikte van leiding |
| M | = Buigend moment van de leiding |
| F | = Dwarskracht kracht op de leiding |
| L | = Lengte van de leiding |
In cryogene isolatiesystemen worden de bochten met succes geïsoleerd met stevige prefab 90 graden bochten met verspringende uiteinden aan beide zijden. De geprefabriceerde secties zijn gesegmenteerd en gelijmd of gefreesd, zoals beschreven in CINI 5.1.14 / CINI 5.1.15.
Het eerste leiding gedeelte van de buitenste laag van de aangrenzende leiding isolatie sectie is aan de bocht gelijmd en aan de andere kant bevindt zich de eerste contractie voeg.
*Dit hoofdstuk zal in meer detail worden uitgewerkt, met de verschillende variaties in geval van prefab geïsoleerde leiding secties of prefab bochten van 90 graden, de werkvolgorde en de verschillende isolatiematerialen.
Deze onderwerpen worden nog steeds besproken in de CINI-commissie “LNG/cryogene thermische isolatie” en de resultaten zullen in de volgende update worden opgenomen.