熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治方法及裝置。涉及管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是將埋地管道（1）周圍的強(qiáng)融沉性粉質(zhì)粘土換填為弱融沉凍脹性的粗顆粒土，即底層鋪設(shè)一層無尖銳棱角的石子（4），石子（4）上方和埋地管道（1）周圍鋪設(shè)倒梯形體砂子（3）或?qū)⑸白樱?）裝成砂包；換填完成后，于埋地管道（1）兩側(cè)豎直各布設(shè)一熱棒（5）。本發(fā)明無運(yùn)動(dòng)部件，免維護(hù)，具有良好可靠性，不消耗電能。
【專利說明】熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治方法及裝置。涉及管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)油氣資源的需求也日益增加。作為一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離油氣輸送工具，油氣管道在近幾十年取得了巨大的發(fā)展。但由于很多油氣資源蘊(yùn)藏于多年凍土寒區(qū)，為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)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(qū)修建。目前國(guó)內(nèi)外在凍土區(qū)建設(shè)的原油管道，具有代表性的有美國(guó)的阿拉斯加管道，加拿大的諾曼威爾斯管道和中國(guó)的漠大管道。多年凍土區(qū)油氣管道主要采用埋地或架空方式鋪設(shè)。但基于安全、經(jīng)濟(jì)等因素考慮，埋地式是更為普遍的敷設(shè)方式，如諾曼威爾斯管道和漠大管道均是此種方式進(jìn)行敷設(shè)的。但采用埋地方式進(jìn)行管道敷設(shè)時(shí)，將不可避免改變地表形態(tài)，破壞植被，引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(yùn)營(yíng)過程中，管輸溫度高于周圍凍土溫度時(shí)將會(huì)不斷融化周圍凍土，形成融化圈，進(jìn)而導(dǎo)致管體發(fā)生不均勻融沉，破壞管道穩(wěn)定性、威脅管道運(yùn)行安全。目前，融沉風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于管道的安全運(yùn)行是個(gè)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(fā)生。
[0003]管道的融沉風(fēng)險(xiǎn)與凍土地基的融沉性密切相關(guān)，當(dāng)管道地基位于弱融沉或不融沉的砂礫、粗砂層和花崗巖層時(shí)，地基穩(wěn)定，管體的融沉風(fēng)險(xiǎn)很小。而當(dāng)管道地基鋪設(shè)于強(qiáng)融沉性區(qū)域(如富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層)時(shí)，凍土融化后容易導(dǎo)致管道沉降，此時(shí)需要考慮采取相應(yīng)的防治措施。尤其對(duì)于當(dāng)管道地基為融沉系數(shù)大于25的含土冰層時(shí)，凍土融化后呈流塑狀態(tài)，完全失去對(duì)管道的機(jī)械承載力，從而導(dǎo)致管道在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量沉降，極易引起管道由于融沉量過大而破裂，是最危險(xiǎn)的地質(zhì)狀況。管道的融沉問題，主要源于兩個(gè)方面，一是管道運(yùn)行過程中對(duì)外源源不斷散熱，導(dǎo)致周圍出現(xiàn)融化圈，融土出現(xiàn)超過預(yù)期的下沉量導(dǎo)致管體沉降。二是凍土融化后機(jī)械承載力急劇降低，甚至失去承載力，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的有效支撐。管道的融沉問題，從根本上來講是由于管道對(duì)外源源不斷散熱，導(dǎo)致周圍強(qiáng)融沉性凍土融化所致。因此，將管道傳導(dǎo)出的熱量采取合適的措施重新導(dǎo)出到大氣中，維持管道地基的凍結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)才是保障管道穩(wěn)定的根本。為了防止或減緩多年凍土區(qū)埋地管道的熱效應(yīng)，國(guó)外曾采用過制冷機(jī)組對(duì)管道周圍進(jìn)行機(jī)械制冷，以降低管道熱量對(duì)周圍凍土的影響。它的不足之處在于不僅要消耗很多的電能，不利用環(huán)保節(jié)能，而且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)高，經(jīng)濟(jì)上不合理。此外，該項(xiàng)措施在沒有穩(wěn)定電力來源的區(qū)域無法使用。CNY201317935公開了一種高寒凍土區(qū)涵洞防凍脹融沉裝置，但不夠理想，且應(yīng)用的環(huán)境也不竟相同。
[0004]因此，有必要開發(fā)一種專門應(yīng)用于多年凍土區(qū)埋地管道融沉防治的方法與系統(tǒng)，且具有無需消耗電能、免維護(hù)、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，徹底解決凍土區(qū)埋地管道在運(yùn)行過程中由于周圍凍土融化所導(dǎo)致的融沉問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是發(fā)明一種無運(yùn)動(dòng)部件、免維護(hù)、具有良好可靠性、不消耗電能的熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治方法及裝置。
[0006]本發(fā)明基于熱棒制冷技術(shù)以及粗顆粒土的弱融沉凍脹性來實(shí)現(xiàn)多年凍土區(qū)管道的融沉防治。本熱棒與粗顆粒土換填相結(jié)合的凍土區(qū)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(qiáng)融沉性粉質(zhì)粘土換填為弱融沉凍脹性的粗顆粒土，即底層鋪設(shè)一層無尖銳棱角的石子4，石子4上方和埋地管道I周圍鋪設(shè)倒梯形體砂子3，這樣可以保護(hù)防腐層不被巖石破壞，為了防止砂子3被管溝內(nèi)的水沖走，或?qū)⑸白?裝成砂包進(jìn)行換填。換填完成后，于埋地管道I兩側(cè)豎直各布設(shè)一熱棒5，熱棒5的具體物性參數(shù)、布局設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行溫度和實(shí)際的地質(zhì)氣候狀況確定。
[0007]本發(fā)明的裝置如圖1和圖2所示，在埋地管道I底層鋪設(shè)一層無尖銳棱角的石子4，石子4上方和埋地管道I周圍鋪設(shè)倒梯形體砂子3或?qū)⑸白?裝成砂包，于埋地管道I兩側(cè)各豎直布設(shè)一熱棒5。
[0008]所述熱棒5是一種無需外加動(dòng)力的制冷裝置,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,熱棒5是利用液、汽兩相轉(zhuǎn)換對(duì)流循環(huán)來實(shí)現(xiàn)熱量的自動(dòng)傳遞，它由一根封閉管和散熱翅片9所組成，管中充以工質(zhì)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(fā)段8，謂之蒸發(fā)器；當(dāng)冷凝段6與蒸發(fā)段8之間存在溫差時(shí)，蒸發(fā)器中的工質(zhì)10吸熱蒸發(fā)，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，附于管壁上，在重力作用下，液體工質(zhì)10沿管壁流回蒸發(fā)段8再蒸發(fā)；如此往復(fù)循環(huán)，將地基中熱量帶出；只要冷凝器與蒸發(fā)器之間存在溫差，這種循環(huán)便可持續(xù)進(jìn)行下去。當(dāng)外界溫度高于蒸發(fā)段溫度時(shí)，工質(zhì)10蒸發(fā)過程停止，因此熱棒具有單向?qū)嵝?，不?huì)將大氣中的熱量導(dǎo)入凍土之中。使用時(shí)，蒸發(fā)段8和絕熱段7埋設(shè)于地下，冷凝段6伸出地面置于空氣之中。通過熱棒5在寒季采集大氣中的冷量，輸送入地基多年凍土，對(duì)地基凍土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，與天然狀態(tài)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(chǔ)存更多的冷量來補(bǔ)償管道輸送對(duì)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(wěn)定性。
[0009]所述熱棒5內(nèi)填充的工質(zhì)10主要為液氨、液體二氧化碳、液氮或氟里昂等低沸點(diǎn)介質(zhì)。盡管熱棒5可以通過增加地基的冷儲(chǔ)量來補(bǔ)償埋地管道I對(duì)周圍凍土的熱量傳遞，實(shí)現(xiàn)減緩凍土融化和衰退的目的，但由于熱棒5無法在暖季有效工作，因此單利用熱棒制冷技術(shù)仍無法解決暖季埋地管道I下部?jī)鐾恋娜诨瘑栴}。埋地管道I在暖季的融沉風(fēng)險(xiǎn)是由于地基土的強(qiáng)融沉性所導(dǎo)致的，因此要想保障埋地管道I周圍凍土融化后埋地管道I不發(fā)生超過預(yù)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(qiáng)融沉性粉質(zhì)粘土置換為弱融沉凍脹性的粗顆粒土。這主要是由于粗顆粒土具有顆粒粗、表面能小的特征，所以在凍結(jié)和融化時(shí)一般不產(chǎn)生水分遷移，或者遷移量很小，水分只在原處凍結(jié)或者在重力作用下向下移動(dòng)，因而其凍脹和融沉性都很小，甚至在水凍結(jié)時(shí)能夠自由排出而不發(fā)生凍脹。
[0010]熱棒在寒季的制冷作用可以增加埋地管道I地基的冷儲(chǔ)量，用以補(bǔ)償埋地管道I對(duì)周圍凍土的熱影響，來有效防止和減緩凍土的衰退。當(dāng)暖季熱棒5無法有效工作時(shí)，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(duì)周圍凍土圈的融化不會(huì)引起埋地管道I發(fā)生超過預(yù)期的沉降，保障埋地管道I運(yùn)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(jié)時(shí)，埋地管道I凍脹災(zāi)害的發(fā)生。通過兩項(xiàng)措施相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地管道I全季節(jié)狀態(tài)的融沉防治。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1.有效解決了多年凍土區(qū)管道因周圍凍土融化所導(dǎo)致的融沉問題，保障了凍土區(qū)管道的安全運(yùn)行；
[0013]2.熱棒具有傳輸效率高，制冷效果好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的單向?qū)嵝钥梢苑乐雇饨鐭崃客ㄟ^熱棒向凍土傳遞；
[0014]3.可以實(shí)現(xiàn)全季節(jié)管道融沉的有效防治，同時(shí)還可以避免融土再次冷凍過程中可能發(fā)生的凍脹風(fēng)險(xiǎn)；
[0015]4.具有良好的經(jīng)濟(jì)性，無需消耗電能，無運(yùn)動(dòng)部件、具有免維護(hù)、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高且適用性好等特點(diǎn)； [0016]5.安裝簡(jiǎn)便，可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。
[0017]本發(fā)明可應(yīng)用于多年凍土區(qū)埋地油氣管道的融沉風(fēng)險(xiǎn)防治。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1多年凍土區(qū)管道融沉防治措施示意圖
[0019]圖2熱棒工作原理示意圖
[0020]其中1一埋地管道2—地表
[0021]3一砂土4一石子
[0022]5—熱棒6—冷凝段
[0023]7—絕熱段8—蒸發(fā)段
[0024]9一散熱翅片10—工質(zhì)
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例.本例是利用熱棒制冷與粗顆粒土換填相結(jié)合的措施來防治多年凍土沼澤區(qū)域某埋地原油管道的融沉問題。根據(jù)地勘結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段為多年凍土沼澤區(qū)域，管道直接鋪設(shè)于強(qiáng)融沉性的粉質(zhì)粘土層，粘土層厚度大于10m，融沉系數(shù)大于10，為飽冰凍土，屬于強(qiáng)融沉性地段。該區(qū)段管道材質(zhì)為為X65鋼，管徑為813_，管壁厚度為16_，管頂埋深為1.8m，管輸平均溫度為10°C。
[0026]將埋地管道I周圍的強(qiáng)融沉性粉質(zhì)粘土換填為弱融沉凍脹性的粗顆粒土，即底層鋪設(shè)一層無尖銳棱角的石子4，石子4上方和埋地管道I周圍鋪設(shè)倒梯形體砂子3，這樣可以保護(hù)防腐層不被巖石破壞，為了防止砂子3被管溝內(nèi)的水沖走，或?qū)⑸白?裝成砂包進(jìn)行換填。換填完成后，于埋地管道I兩側(cè)各布設(shè)一熱棒5 (熱棒5的具體物性參數(shù)、布局設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行溫度和實(shí)際的地質(zhì)氣候狀況確定)。
[0027]根據(jù)管道與凍土間的熱力分析和此處地質(zhì)氣候條件下的熱棒功率計(jì)算，確定熱棒的具體尺寸如表1所示，熱棒所用工質(zhì)為液氨。[0028]表1熱棒的外形尺寸(單位:mm)
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治方法，其特征是將埋地管道(I)周圍的強(qiáng)融沉性粉質(zhì)粘土換填為弱融沉凍脹性的粗顆粒土，即底層鋪設(shè)一層無尖銳棱角的石子(4)，石子(4)上方和埋地管道(I)周圍鋪設(shè)倒梯形體砂子(3)或?qū)⑸白?3)裝成砂包；換填完成后，于埋地管道(I)兩側(cè)豎直各布設(shè)一熱棒(5 )。
2.一種使用權(quán)利要求1所述方法的熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治裝置，其特征是在埋地管道(I)底層鋪設(shè)一層無尖銳棱角的石子(4)，石子(4)上方和埋地管道(I)周圍鋪設(shè)倒梯形體砂子(3 )或?qū)⑸白?3 )裝成砂包，于埋地管道(I)兩側(cè)各豎直布設(shè)一熱棒(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱棒與粗顆粒土相結(jié)合的凍土區(qū)埋地管道融沉防治裝置，其特征是所述熱棒(5)由一根封閉管和散熱翅片(9)所組成，管中充以工質(zhì)(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(fā)段(8)，謂之蒸發(fā)器；蒸發(fā)段(8)和絕熱段(7)埋設(shè)于地下，冷凝段(6)伸出地面置于空氣之中；所述工質(zhì)(10)為液氨、液體二氧化碳、液氮或氟里昂低沸點(diǎn)介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】F16L1/026GK103836258SQ201210489447
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
【發(fā)明者】馮少廣, 張?chǎng)? 李榮光, 趙國(guó)星, 陳朋超, 馬濤, 蔡永軍, 李睿, 劉吉良, 荊宏遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司