伝送における不安定なプロセス

極低温液体パイプライン輸送の過程において、極低温液体の特殊な性質とプロセス操作により、安定状態が確立される前の遷移状態において、常温流体とは異なる一連の不安定なプロセスが発生します。この不安定なプロセスは機器に大きな動的衝撃を与え、構造的な損傷を引き起こす可能性があります。例えば、米国のサターンV輸送ロケットの液体酸素充填システムでは、バルブを開いた際に不安定なプロセスの影響で注入ラインが破裂した事例があります。また、不安定なプロセスによって他の補助機器（バルブ、ベローズなど）が損傷するケースもより一般的です。極低温液体パイプライン輸送の過程における不安定なプロセスは、主にブラインド分岐管の充填、ドレン管内の液体を断続的に排出した後の充填、および前面に空気室を形成したバルブを開いた際の不安定なプロセスを含みます。これらの不安定なプロセスに共通するのは、その本質が蒸気空洞への極低温液体の充填であり、これにより二相界面で激しい熱と物質の移動が発生し、システムパラメータが急激に変動するという点です。排水管からの断続的な液体排出後の充填プロセスは、前面に空気室を形成したバルブを開放したときの不安定なプロセスと類似しているため、以下では、ブラインド分岐管が充填されたときと開放バルブが開かれたときの不安定なプロセスのみを分析する。

盲分岐管充填の不安定なプロセス

システムの安全性と制御を考慮し、主搬送管に加えて、配管システムにはいくつかの補助分岐管を設ける必要があります。また、システム内の安全弁、排出弁、その他の弁は、それぞれ対応する分岐管を備えています。これらの分岐管が作動していない場合、配管システムにはブラインド分岐が形成されます。周囲環境からの配管への熱侵入は、ブラインド管内に蒸気空洞の発生を必然的に引き起こします（場合によっては、蒸気空洞は、極低温液体の外部からの熱侵入を低減するために特別に使用されます）。遷移状態では、弁の調整などの理由により、配管内の圧力が上昇します。圧力差の作用により、液体は蒸気室を満たします。ガス室への充填過程で、熱による極低温液体の蒸発によって発生する蒸気が液体を逆方向に駆動するのに十分でない場合、液体は常にガス室を満たします。最終的に、空気空洞が満たされると、ブラインド管のシール部に急激な制動状態が発生し、シール付近に急激な圧力上昇が生じます。

ブラインドチューブの充填プロセスは3つの段階に分けられます。第1段階では、圧力差の作用により液体が最大充填速度に達するまで駆動され、圧力が平衡状態になります。第2段階では、慣性により液体は前方に充填され続けます。このとき、逆方向の圧力差（充填プロセスに伴ってガス室内の圧力が上昇する）によって流体の速度が低下します。第3段階は急速な減速段階であり、圧力の影響が最も大きくなります。

充填速度を落とし、空気溜まりのサイズを小さくすることで、分岐管の充填時に発生する動的負荷を排除または抑制することができます。長い配管システムの場合、液体の流れ源を事前にスムーズに調整して流速を下げ、バルブを長時間閉じておくことができます。

構造的には、異なるガイド部を使用してブラインド分岐管内の液体の循環を強化したり、空気空洞のサイズを小さくしたり、ブラインド分岐管の入口に局所的な抵抗を導入したり、ブラインド分岐管の直径を大きくして充填速度を低下させたりすることができます。さらに、点字管の長さと設置位置は二次水衝撃に影響を与えるため、設計と配置に注意を払う必要があります。管径を大きくすると動的負荷が減少する理由は、次のように定性的に説明できます。ブラインド分岐管の充填では、分岐管の流量は主管の流量によって制限され、定性分析では固定値とみなすことができます。分岐管の直径を大きくすることは断面積を大きくすることと同じであり、これは充填速度を低下させることと同じであるため、負荷の減少につながります。

バルブ開閉の不安定なプロセス

バルブが閉じているときは、特に熱橋を通して周囲環境からの熱が侵入し、バルブの前に空気室が急速に形成されます。バルブが開くと、蒸気と液体が動き始めますが、ガスの流量が液体の流量よりもはるかに高いため、バルブ内の蒸気は排気後すぐに完全に開かず、圧力が急速に低下します。液体は圧力差の作用で前方に押し出され、完全に開かないバルブに近づくと、制動状態が形成されます。このとき、水の衝撃が発生し、強い動的負荷が生じます。

バルブ開閉時の不安定なプロセスによって発生する動的負荷を排除または軽減する最も効果的な方法は、遷移状態における作動圧力を下げて、ガス室への充填速度を低下させることです。さらに、制御性の高いバルブの使用、配管断面の方向変更、小径の特殊バイパス配管の導入（ガス室のサイズを縮小するため）も、動的負荷の低減に効果があります。特に、ブラインド分岐管の直径を大きくすることでブラインド分岐管への充填時の動的負荷を低減するのとは異なり、バルブ開閉時の不安定なプロセスにおいては、主配管の直径を大きくすることは、均一な配管抵抗を低減することに相当し、充填された空気室の流量を増加させ、結果として水圧値を増加させることに注意が必要です。

HL極低温機器

1992年に設立されたHL Cryogenic Equipmentは、HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co.,Ltd.傘下のブランドです。HL Cryogenic Equipmentは、お客様の多様なニーズに応えるため、高真空断熱極低温配管システムおよび関連サポート機器の設計・製造に取り組んでいます。真空断熱パイプとフレキシブルホースは、高真空・多層・多層構造の特殊断熱材で製造され、一連の非常に厳格な技術処理と高真空処理を経て、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液体水素、液体ヘリウム、液化エチレンガス（LEG）、液化天然ガス（LNG）の移送に使用されます。

HL Cryogenic Equipment Companyの真空ジャケットパイプ、真空ジャケットホース、真空ジャケットバルブ、および相分離器の製品シリーズは、一連の非常に厳格な技術処理を経ており、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液体水素、液体ヘリウム、LEG、LNGの移送に使用され、これらの製品は、空気分離、ガス、航空、電子機器、超伝導体、チップ、自動化組立、食品・飲料、製薬、病院、バイオバンク、ゴム、新素材製造、化学工学、鉄鋼、科学研究などの産業における極低温機器（極低温タンク、デュワー、コールドボックスなど）に使用されています。