一种高真空壁绝热管柱及其制备方法

1.本发明涉及石油石化领域，特别是涉及一种高真空壁绝热管柱及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国经济社会的发展，对石油的需求也在不断增加。无论在钻井还是石油运输的过程中，管柱保温效果对工作过程有着重要的影响。如何改善管柱内外热量的交换一直是个棘手的问题。
3.管道运输是原油最主要的运输方式，但在运输过程中，外界因素也会对原油产生一定的影响。比如某些寒冷地区，气候增加了运输的难度，特别是对于凝点低的油类，随着运输距离的增加原油的温度不断地降低，造成了原油品质的破坏，而且对原油再次加热也会增加运输的成本。
4.管柱是钻井必需的工具之一，在高温井的钻探过程中，钻井液从井口向下流动过程中，由于地温梯度的存在，随着井深不断加深，温度不断升高，当其到达井底时，钻井液己经达到了很高的温度。高温钻井液会给井底动力钻具、钻头和有关随钻测量工具造成非常不利的影响，钻井液本身的性能也会由于高温而大大降低。高温流体流经管柱，由于和周围地层存在温度差，必然会通过导热、对流以及辐射三种方式与周围地层发生热量交换，外部热量进入管柱的问题仍然没有得到很好地解决。
5.目前解决该问题的方法主要是通过在管柱内添加一层保温材质进行保温，此方法一定程度上降低了管柱内外热量的交换，但是管柱仍存在隔热保温效果差等问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种高真空壁绝热管柱及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种高真空壁绝热管柱，包括：
8.管体，所述管体的数量设置为多个，多个所述管体构成所述管柱，所述管体包括至少两层架构，且相邻的所述架构之间具有真空层；
9.支撑件，所述支撑件固定于相邻的所述架构之间；
10.连接件，多个所述管体之间可拆卸连接有所述连接件。
11.优选的，所述管体包括两层所述架构，两层所述架构由外向内依次为外层和内层，所述外层和所述内层之间具有所述真空层，所述内层的外侧面涂覆有防辐射层。
12.优选的，所述支撑件包括设置于所述内层外侧面的多个固定槽，所述固定槽内固定有支撑柱的一端，所述支撑柱的另一端与所述外层的内侧面固定，所述支撑柱由pvc材质制成。
13.优选的，所述连接件包括固定于所述管体两端的公接头和母接头，所述公接头与所述母接头可拆卸连接。
14.优选的，所述公接头靠近所述管体的一端设有第一密封台肩面，所述公接头远离
所述管体的一端设有第一扭矩台肩面，所述公接头的外侧面设有第一螺纹区；
15.所述母接头靠近所述管体的一端设有第二扭矩台肩面，所述母接头远离所述管体的一端设有第二密封台肩面，所述母接头的内侧面设有第二螺纹区；
16.所述第一扭矩台肩面与所述第二扭矩台肩面相适配，所述第一密封台肩面与所述第二密封台肩面相适配，所述第一螺纹区与所述第二螺纹区相适配。
17.优选的，所述外层贯穿开设有抽真空通道，所述抽真空通道内可拆卸连接有密封塞。
18.优选的，所述抽真空通道包括相连通的第一通道和第二通道，所述第一通道位于所述第二通道的外侧，且所述第一通道的外径大于所述第二通道的外径，所述密封塞插接于所述第二通道内。
19.优选的，所述第一通道盖合有保护壳，所述密封塞与所述保护壳之间可拆卸连接有第一旋转卡扣。
20.优选的，所述抽真空通道内可拆卸连接有抽真空组件，所述抽真空组件包括外壳，所述外壳的外侧壁与所述第一通道的内侧壁之间抵接有密封圈，所述外壳的顶壁穿设有旋转柱，所述旋转柱伸入所述外壳的一端与所述密封塞之间可拆卸连接有第二旋转卡扣，所述外壳的侧壁固接且连通有抽气管，所述抽气管上安装有阀门和压力表。
21.一种高真空壁绝热管柱的制备方法，包括以下步骤：
22.步骤一：通过摩擦焊接固定所述管体与所述连接件；
23.步骤二：除最外层的所述架构外，其余所述架构的外侧面均固定所述支撑件；
24.步骤三：将相邻的所述架构依次通过所述支撑件焊接固定，使得相邻的所述架构之间形成环空空间；
25.步骤四，对所述环空空间进行抽真空处理，形成所述真空层。
26.本发明公开了以下技术效果：
27.(1)使用了高真空壁管柱，有效降低了管柱整体的导热系数，减少管柱周围环境因素对管柱内流体的影响。
28.(2)增强了管柱的隔热性能，延长管柱的使用寿命，在满足原有管柱工作状态的基础上减少管柱内流体温度的变化，节约工作成本，提高工作效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明高真空壁绝热管柱的主视图；
31.图2为本发明高真空壁绝热管柱的侧视图；
32.图3为本发明抽真空作业时的状态图；
33.图4为本发明抽真空完成时的状态图；
34.其中，1为第一扭矩台肩面，2为第一螺纹区，3为第一密封台肩面，4为外层，5为真空层，6为支撑柱，7为防辐射层，8为固定槽，9为内层，10为第二扭矩台肩面，11为第二螺纹
区，12为第二密封台肩面，13为公接头，14为母接头，15为抽真空通道，16为密封塞，17为保护壳，18为第一旋转卡扣，19为外壳，20为密封圈，21为旋转柱，22为第二旋转卡扣，23为抽气管，24为阀门，25为压力表。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.参照图1-4，本发明提供一种高真空壁绝热管柱，包括：
38.管体，管体为中空的圆柱形，管体的数量设置为多个，多个管体构成管柱，整个管柱内部为等直径设计，避免应力集中现象，延长管柱使用寿命，节约成本；管体包括至少两层架构，且相邻的架构之间具有真空层5，真空层5是由多层架构之间形成的环空空间抽真空后制成；
39.支撑件，支撑件固定于相邻的架构之间，保证各架构之间固定后能够形成多个环空空间；
40.连接件，多个管体之间可拆卸连接有连接件，利用连接件将多个管体安装，并形成管柱。
41.本发明依据真空可以隔绝热传导与热对流的原理，通过管柱内的真空结构，降低管柱整体导热系数。
42.进一步优化方案，连接件包括固定于管体两端的公接头13和母接头14，公接头13与母接头14可拆卸连接，具体的，在公接头13靠近管体的一端设有第一密封台肩面3，公接头13远离管体的一端设有第一扭矩台肩面1，公接头13的外侧面设有第一螺纹区2；母接头14靠近管体的一端设有第二扭矩台肩面10，母接头14远离管体的一端设有第二密封台肩面12，母接头14的内侧面设有第二螺纹区11；第一扭矩台肩面1与第二扭矩台肩面10相适配，第一密封台肩面3与第二密封台肩面12相适配，第一螺纹区2与第二螺纹区11相适配。公接头13、母接头14采用双层密封结构，螺纹连接方式，并且公接头13与母接头14采用摩擦焊接的方式与管体连接。
43.作为一种优选的实施方式，管体包括两层架构，两层架构由外向内依次为外层4和内层9，外层4和内层9之间具有真空层5，内层9的外侧面涂覆有防辐射层7，管体由外层4和内层9两层结构采用焊接方式制成，防辐射层7由防辐射材料制成，其厚度可根据要求变化，其涂覆于内层9外侧面，能够减少热量的辐射影响，有效减少了管柱内外的热量交换，降低了外界环境温度对管柱内流体的影响，对于防止外界热量进入管柱造成管柱内流体温度过高的情况，以及管柱内流体热量流失温度降低等情况均有明显的效果，提高了管柱整体的隔热性能。
44.作为一种优选的实施方式，支撑件包括设置于内层9外侧面的多个固定槽8，固定槽8内固定有支撑柱6的一端，支撑柱6的另一端与外层4的内侧面固定，支撑柱6一端与固定
槽8采用焊接方式连接，另一端与外层4采用点接触支撑的方式，点接触方式既可以防止外层4变形，又能使因支撑产生的漏热降到最小，固定槽8起到对支撑柱6的固定作用，支撑柱6由pvc材质制成，降低支撑柱6本身的导热系数，增加真空壁管柱的绝热效果，支撑柱6的强度、尺寸可根据要求变化。
45.作为一个优选的实施方式，外层4贯穿开设有抽真空通道15，抽真空通道15内可拆卸连接有密封塞16，抽真空通道15用于连通外界气泵，在开启密封塞16能够对外层4和内层9之间的环空空间进行抽真空，抽真空通道15的具体结构包括相连通的第一通道和第二通道，第一通道位于第二通道的外侧，且第一通道的外径大于第二通道的外径，密封塞16插接于第二通道内。
46.在抽真空作业时，抽真空通道15内可拆卸连接有抽真空组件，抽真空组件包括外壳19，外壳19的外侧壁与第一通道的内侧壁之间抵接有密封圈20，外壳19的顶壁穿设有旋转柱21，旋转柱21伸入外壳19的一端与密封塞16之间可拆卸连接有第二旋转卡扣22，外壳19的侧壁固接且连通有抽气管23，抽气管23上安装有阀门24和压力表25，按照上述方式装配好抽真空组件后，利用气泵连接抽气管23，即可将外层4和内层9之间的环空空间进行抽真空。
47.在抽真空完成后，第一通道盖合有保护壳17，密封塞16与保护壳17之间可拆卸连接有第一旋转卡扣18，将密封塞16复位，同时抽真空组件取出并在第一通道处安装保护壳17。
48.抽真空作业的具体步骤如下：
49.(1)将抽真空组件安装到外层4预留的抽真空通道15上，外壳19与第一通道的接触处安装有密封圈20，保证抽取真空过程中的密封性；同时旋转柱21与外壳19连接处也设置有密封圈20；
50.(2)密封塞16上部与旋转柱21下部连接部分设有第二旋转卡扣22，旋转柱21插入密封塞16后，旋转扣合，通过旋转柱21的逆时针转动上提密封塞16；
51.(3)打开抽气管23上的压力表25与阀门24，利用外接气泵抽取环空空间内的气体；
52.(4)抽取气体完毕后，待压力表25的数值稳定，关闭阀门24，此时装置内形成密闭空间，旋转柱21顺时针旋转下放外密封塞16至第二通道处，使外层4形成密封空间；
53.(5)此时转动旋转柱21使其与密封塞16连接的第二旋转卡扣22分离，移除抽真空组件，将密封塞16进行焊接堵孔；
54.(6)密封塞16焊接完毕后，在密封塞16上通过第一旋转卡扣18安装与外层4相同材质的外壳19并进行焊接处理。
55.上述的高真空壁绝热管柱的制备方法，包括以下步骤：
56.步骤一：公接头13和母接头14与管柱管体通过摩擦焊接固定连接；
57.步骤二：在内层9表面焊接固定槽8，支撑柱6每隔1m设置一组，支撑柱6的材质为pvc，支撑柱6与固定槽8采用焊接方式连接，并在内层9表面涂防辐射层7；
58.步骤三：将外层4与内层9进行焊接，形成环空空间，在外层4表面预留抽真空通道15；
59.步骤四，利用抽真空组件从预留抽真空通道15处进行抽真空处理，抽真空完毕后进行焊接堵孔，形成真空层5。
60.本发明的一个计算实例是模拟计算高真空壁隔热管柱在井下工作状态下的隔热效果。高真空壁隔热管柱外层4厚度为5mm，内层9厚度为2mm，真空层5厚度为2mm，防辐射层7厚度为1mm，井深8000m，地温梯度3℃/100m，井口泥浆20℃，则井底温度不高于140℃。
61.计算过程所涉及公式如下：
62.(1)其中，λ为导热系数，单位为w/(m
·
k)；a为面积；
63.(2)φ＝haδt，其中，h为表面传热系数，单位是w/(m2·
k)；a为面积；δt为温差；
64.(3)其中，ε1为发射率；a1为内部物体表面积；t1为内部物体表面温度；t2为外部物体表面温度；σ为黑体辐射常数，其值为5.67
×
10-8
w/(m2·
k4)；
65.(4)φ＝akδt，其中k为传热系数，单位为w/(m2·
k)；
66.(5)
67.其中，l为管柱长度；d为半径；λ为导热系数；t为温度。
68.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
69.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。