熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置的製作方法

2023-07-28 11:44:16 6

專利名稱：熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置。涉及管道系統技術領域。
背景技術：
隨著我國經濟快速發展，對油氣資源的需求也日益增加。作為一種經濟、安全、不間斷的長距離油氣輸送工具，油氣管道在近幾十年取得了巨大的發展。但由於很多油氣資源蘊藏於多年凍土寒區，為了滿足經濟發展對油氣資源的需求，越來越多的油氣輸送管道將不可避免地在多年凍土區修建。目前國內外在凍土區建設的原油管道，具有代表性的有美國的阿拉斯加管道，加拿大的諾曼威爾斯管道和中國的漠大管道。多年凍土區油氣管道主要採用埋地或架空方式鋪設。但基於安全、經濟等因素考慮，埋地式是更為普遍的敷設方式，如諾曼威爾斯管道和漠大管道均是此種方式進行敷設的。但採用埋地方式進行管道敷設時，將不可避免改變地表形態，破壞植被，弓I起地基多年凍土上限變化和多年凍土的衰退和融化。此外，在管道運營過程中，管輸溫度高於周圍凍土溫度時將會不斷融化周圍凍土，形成融化圈，進而導致管體發生不均勻融沉，破壞管道穩定性、威脅管道運行安全。目前，融沉風險對於管道的安全運行是個全球性的工程難題，尚無有效的方法和措施來防治管體融沉問題的發生。管道的融沉風險與凍土地基的融沉性密切相關，當管道地基位於弱融沉或不融沉的砂礫、粗砂層和花崗巖層時，地基穩定，管體的融沉風險很小。而當管道地基鋪設於強融沉性區域(如富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層)時，凍土融化後容易導致管道沉降，此時需要考慮採取相應的防治措施。尤其對於當管道地基為融沉係數大於25的含土冰層時，凍土融化後呈流塑狀態，完全失去對管道的機械承載力，從而導致管道在短時間內出現大量沉降，極易引起管道由於融沉量過大而破裂，是最危險的地質狀況。管道的融沉問題，主要源於兩個方面，一是管道運行過程中對外源源不斷散熱，導致周圍出現融化圈，融土出現超過預期的下沉量導致管體沉降。二是凍土融化後機械承載力急劇降低，甚至失去承載力，無法實現對管道的有效支撐。管道的融沉問題，從根本上來講是由於管道對外源源不斷散熱，導致周圍強融沉性凍土融化所致。因此，將管道傳導出的熱量採取合適的措施重新導出到大氣中，維持管道地基的凍結穩定狀態才是保障管道穩定的根本。為了防止或減緩多年凍土區埋地管道的熱效應，國外曾採用過制冷機組對管道周圍進行機械製冷，以降低管道熱量對周圍凍土的影響。它的不足之處在於不僅要消耗很多的電能，不利用環保節能，而且運行維護費用也相當高，經濟上不合理。此外，該項措施在沒有穩定電力來源的區域無法使用。CNY201317935公開了一種高寒凍土區涵洞防凍脹融沉裝置，但不夠理想，且應用的環境也不竟相同。因此，有必要開發一種專門應用於多年凍土區埋地管道融沉防治的方法與系統，且具有無需消耗電能、免維護、環保節能等優點，徹底解決凍土區埋地管道在運行過程中由於周圍凍土融化所導致的融沉問題。
實用新型內容本實用新型的目的是設計一種無運動部件、免維護、具有良好可靠性、不消耗電能的熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置。本實用新型基於熱棒製冷技術以及粗顆粒土的弱融沉凍脹性來實現多年凍土區管道的融沉防治。本熱棒與粗顆粒土換填相結合的凍土區埋地管道融沉防治方法示意圖如圖1所示。將埋地管道I周圍的強融沉性粉質粘土換填為弱融沉凍脹性的粗顆粒土，即底層鋪設一層無尖銳稜角的石子4，石子4上方和埋地管道I周圍鋪設倒梯形體砂子3，這樣可以保護防腐層不被巖石破壞，為了防止砂子3被管溝內的水衝走，或將砂子3裝成砂包進行換填。換填完成後，於埋地管道I兩側豎直各布設一熱棒5,熱棒5的具體物性參數、布局設計應根據管道的設計參數、運行溫度和實際的地質氣候狀況確定。本實用新型的裝置如圖1和圖2所示，在埋地管道I底層鋪設一層無尖銳稜角的石子4，石子4上方和埋地管道I周圍鋪設倒梯形體砂子3或將砂子3裝成砂包，於埋地管道I兩側各豎直布設一熱棒5。所述熱棒5是一種無需外加動力的製冷裝置,結構示意圖如圖2所示,熱棒5是利用液、汽兩相轉換對流循環來實現熱量的自動傳遞，它由一根封閉管和散熱翅片9所組成，管中充以工質10，上部為冷凝段6，謂之冷凝器，中部為絕熱段7，下部為蒸發段8，謂之蒸發器；當冷凝段6與蒸發段8之間存在溫差時，蒸發器中的工質10吸熱蒸發，在壓差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，與較冷的冷凝器管壁接觸，放出汽化潛熱，冷凝成液體，附於管壁上，在重力作用下，液體工質10沿管壁流回蒸發段8再蒸發；如此往復循環，將地基中熱量帶出；只要冷凝器與蒸發器之間存在溫差，這種循環便可持續進行下去。當外界溫度高於蒸發段溫度時，工質10蒸發過程停止，因此熱棒具有單向導熱性，不會將大氣中的熱量導入凍土之中。使用時，蒸發段8和絕熱段7埋設於地下，冷凝段6伸出地面置於空氣之中。通過熱棒5在寒季採集大氣中的冷量，輸送入地基多年凍土，對地基凍土進行養護，與天然狀態相比，熱棒地基多年凍土可以冷卻到更低水平。因而，地基可以儲存更多的冷量來補償管道輸送對凍土的熱影響，可有效防止和減緩多年凍土的衰退和融化，提高管道地基的穩定性。所述熱棒5內填充的工質10主要為液氨、液體二氧化碳、液氮或氟裡昂等低沸點介質。儘管熱棒5可以通過增加地基的冷儲量來補償埋地管道I對周圍凍土的熱量傳遞，實現減緩凍土融化和衰退的目的，但由於熱棒5無法在暖季有效工作，因此單利用熱棒製冷技術仍無法解決暖季埋地管道I下部凍土的融化問題。埋地管道I在暖季的融沉風險是由於地基土的強融沉性所導致的，因此要想保障埋地管道I周圍凍土融化後埋地管道I不發生超過預期的沉降，就需要將埋地管道I周圍(尤其是下方)一定厚度的強融沉性粉質粘土置換為弱融沉凍脹性的粗顆粒土。這主要是由於粗顆粒土具有顆粒粗、表面能小的特徵，所以在凍結和融化時一般不產生水分遷移，或者遷移量很小，水分只在原處凍結或者在重力作用下向下移動，因而其凍脹和融沉性都很小，甚至在水凍結時能夠自由排出而不發生凍脹。熱棒在寒季的製冷作用可以增加埋地管道I地基的冷儲量，用以補償埋地管道I對周圍凍土的熱影響，來有效防止和減緩凍土的衰退。當暖季熱棒5無法有效工作時，埋地管道I周圍弱融沉凍脹性粗顆粒土的存在，可以保障埋地管道I對周圍凍土圈的融化不會引起埋地管道I發生超過預期的沉降，保障埋地管道I運行安全。此外，粗顆粒土的存在還可以防止埋地管道I下方融土再次凍結時，埋地管道I凍脹災害的發生。通過兩項措施相結合，可以實現對埋地管道I全季節狀態的融沉防治。本實用新型與現有技術相比具有如下優點:1.有效解決了多年凍土區管道因周圍凍土融化所導致的融沉問題，保障了凍土區管道的安全運行；2.熱棒具有傳輸效率高，製冷效果好的優點，同時它的單向導熱性可以防止外界熱量通過熱棒向凍土傳遞；3.可以實現全季節管 道融沉的有效防治，同時還可以避免融土再次冷凍過程中可能發生的凍脹風險；4.具有良好的經濟性，無需消耗電能，無運動部件、具有免維護、節能、環保、可靠性高且適用性好等特點；5.安裝簡便，可以長期可靠運行。本實用新型可應用於多年凍土區埋地油氣管道的融沉風險防治。

圖1多年凍土區管道融沉防治措施示意圖圖2熱棒工作原理示意圖其中I一埋地管道 2—地表3一砂土4一石子5—熱棒6—冷凝段7—絕熱段8—蒸發段9一散熱翅片 10—工質
具體實施方式
實施例.本例是利用熱棒製冷與粗顆粒土換填相結合的措施來防治多年凍土沼澤區域某埋地原油管道的融沉問題。根據地勘結果發現，該區段為多年凍土沼澤區域，管道直接鋪設於強融沉性的粉質粘土層，粘土層厚度大於10m，融沉係數大於10，為飽冰凍土，屬於強融沉性地段。該區段管道材質為為X65鋼，管徑為813mm，管壁厚度為16mm，管頂埋深為1.8m，管輸平均溫度為10°C。將埋地管道I周圍的強融沉性粉質粘土換填為弱融沉凍脹性的粗顆粒土，即底層鋪設一層無尖銳稜角的石子4，石子4上方和埋地管道I周圍鋪設倒梯形體砂子3，這樣可以保護防腐層不被巖石破壞，為了防止砂子3被管溝內的水衝走，或將砂子3裝成砂包進行換填。換填完成後，於埋地管道I兩側各布設一熱棒5 (熱棒5的具體物性參數、布局設計應根據管道的設計參數、運行溫度和實際的地質氣候狀況確定)。根據管道與凍土間的熱力分析和此處地質氣候條件下的熱棒功率計算，確定熱棒的具體尺寸如表I所示，熱棒所用工質為液氨。表I熱棒的外形尺寸(單位:mm)[0029]
權利要求1.一種熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置，其特徵是在埋地管道(I)底層鋪設一層無尖銳稜角的石子(4)，石子(4)上方和埋地管道(I)周圍鋪設倒梯形體砂子(3 )或將砂子(3 )裝成砂包，於埋地管道(I)兩側各豎直布設一熱棒(5 )。
2.根據權利要求1所述的熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置，其特徵是所述熱棒(5)由一根封閉管和散熱翅片(9)所組成，管中充以工質(10)，上部為冷凝段(6)，謂之冷凝器，中部為絕熱段(7)，下部為蒸發段(8)，謂之蒸發器；蒸發段(8)和絕熱段(7)埋設於地下，冷凝段(6)伸出地面置於空氣之中；所述工質(10)為液氨、液體二氧化碳、液氮或氟裡昂低沸點介質。
專利摘要本實用新型是一種熱棒與粗顆粒土相結合的凍土區埋地管道融沉防治裝置。涉及管道系統技術領域。其特徵是在埋地管道(1)底層鋪設一層無尖銳稜角的石子(4)，石子(4)上方和埋地管道(1)周圍鋪設倒梯形體砂子(3)或將砂子(3)裝成砂包，於埋地管道(1)兩側各豎直布設一熱棒(5)。本實用新型無運動部件，免維護，具有良好可靠性，不消耗電能。
文檔編號F16L1/06GK203036085SQ20122063580
公開日2013年7月3日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者馮少廣, 張鑫, 李榮光, 趙國星, 陳朋超, 馬濤, 蔡永軍, 李睿, 劉吉良, 荊宏遠 申請人:中國石油天然氣股份有限公司