CN203082445U - 一种热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种用热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置。其特征是在埋地管道（1）下方设置支架（5），支架（5）的上面安装滑动管托（6）托着埋地管道（1），支架（5）的两侧各焊接带有加强筋的支板（4）;带有加强筋的支板（4）各固定在一钢桩（3）的下部，钢桩（3）内插入热棒（7），热棒（7）的上部露在地表（2）上，且固连有散热翅片（11），热棒（7）的下部有工质（12）;热棒（7）露在地表（2）上的部分为冷凝段（8），热棒（7）的中部即从地表（2）往下为绝热段（9），绝热段（9）下面为蒸发段（10）。本实用新型无运动部件，免维护，具有良好可靠性，不消耗电能。

Description

一种热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置

技术领域

本实用新型是一种用热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置。涉及管道系统技术领域。

背景技术

随着我国经济快速发展，对油气资源的需求也日益增加。作为一种经济、安全、不间断的长距离油气输送工具，油气管道在近几十年取得了巨大的发展。但由于很多油气资源蕴藏于多年冻土寒区，为了满足经济发展对油气资源的需求，越来越多的油气输送管道将不可避免的在多年冻土区修建。目前国内外在冻土区建设的原油管道，具有代表性的有美国的阿拉斯加管道，加拿大的诺曼威尔斯管道和中国的漠大管道。多年冻土区油气管道主要采用埋地或架空方式铺设。但基于安全、经济等因素考虑，埋地式是更为普遍的敷设方式，如诺曼威尔斯管道和漠大管道均是此种方式进行敷设的。但采用埋地方式进行管道敷设时，将不可避免改变地表形态，破坏植被，引起地基多年冻土上限变化和多年冻土的衰退和融化。此外，在管道运营过程中，管输温度高于周围冻土温度时将会不断融化周围冻土，形成融化圈，进而导致管体发生不均匀融沉，破坏管道稳定性、威胁管道运行安全。目前，融沉风险对于冻土区管道的安全运行是个全球性的工程难题，尚无有效的方法和措施来防治管体融沉问题的发生。

管道的融沉风险与冻土地基的融沉性密切相关，当管道地基位于弱融沉或不融沉的砂砾、粗砂层和花岗岩层时，地基稳定，管体的融沉风险很小。而当管道地基铺设于强融沉性区域（如富冰冻土、刨冰冻土和含土冰层区域）时，冻土融化后容易导致管道沉降，需要考虑采取相应的防治措施。尤其对于当管道地基为融沉系数大于25的含土冰层时，冻土融化后呈流塑状态，完全失去对管道的机械承载力，从而导致管道在短时间内出现大量沉降，极易引起管道由于融沉量过大而破裂，是最危险的地质状况。管道的融沉问题，主要源于两个方面，一是管道运行过程中对外源源不断散热，导致周围出现融化圈，融土出现超过预期的下沉量导致管体沉降。二是冻土融化后机械承载力急剧降低，甚至失去承载力，无法实现对管道的有效支撑。因此，对于融沉治理可以采取对管道周围制冷和提供有效支撑的方式来实现。为了防止或减缓多年冻土区埋地管道的热效应，国外曾采用过制冷机组对管道周围进行机械制冷，以降低管道热量对周围冻土的影响。它的不足之处在于不仅要消耗很多的电能，不利用环保节能，而且运行维护费用也相当高，经济上不合理。此外，该项措施在没有稳定电力来源的区域无法使用。因此，有必要开发一种专门应用于多年冻土区埋地管道融沉防治的方法与设备，且具有无需消耗电能、免维护、环保节能等优点，彻底解决冻土区埋地管道在运行过程中由于周围冻土融化所导致的融沉问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种无运动部件、免维护、具有良好可靠性、不消耗电能的适用于多年冻土区埋地管道的热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置。

本实用新型基于热棒制冷技术和机械支撑措施来实现多年冻土区管道的融沉防治。本热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的方法示意图如图1所示。是在埋地管道1沿线隔一定距离安装两个热棒7，并使埋地管道1通过置于与热棒7外的钢桩3固连的支架5上的滑动管托6支撑定位。热棒7由一根封闭管和散热翅片11所组成，管中充以工质12，上部为冷凝段8，下部为蒸发段10。蒸发段10和绝热段9埋设于地下，冷凝段8伸出地面置于空气之中。当冷凝段8与蒸发段10之间存在温差时，蒸发器中的工质12吸热蒸发，在压差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，附于管壁上，在重力作用下，液体工质12沿管壁流回蒸发段再蒸发。如此往复循环，将地基中热量带出。热棒在寒季的制冷作用能增加埋地管道1地基的冷储量，用以补偿埋地管道1对周围冻土的热传导，来有效防止和减缓冻土的衰退。当暖季热棒无法有效工作时，埋地管道1下方的支架5能保障埋地管道1对周围冻土圈的融化不会引起埋地管道1发生超过预期的沉降，保障埋地管道1运行安全。此外，通过两项措施相结合，实现对铺设于融陷性含土冰层区域埋地管道1全季节状态的融沉防治。

热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置的构成如图1和图3所示。埋地管道1下方设置支架5,支架5的上面安装滑动管托6托着埋地管道1,支架5的两侧各焊接带有加强筋的支板4（牛腿）;带有加强筋的支板4各固定在一钢桩3的下部，钢桩3内插入热棒7,热棒7的上部露在地表2上,且固连有散热翅片11，热棒7的下部有工质12;热棒7露在地表2上的部分为冷凝段8，热棒7的中部即从地表2往下为绝热段9，绝热段9下面为蒸发段10。

其中：

热棒7是一根上部有散热翅片的封闭管；

钢桩3为圆管；

支架5的结构图如图3所示，为一横梁，两下有侧带有加强筋的支板4与钢桩3外周焊接；

滑动管托6的结构图如图3所示，为上边成圆弧状的矩形体；要求滑动管托6为滑动式管托，不可固定。

安装时，首先在支架5的地下部分距埋地管道1下方一定距离处焊接带有加强筋的支板4（牛腿），带有加强筋的支板4上开有长圆孔，槽钢横梁下部焊有螺母通过长圆孔内的螺栓将横梁固定在需要的高度，与放置在横梁上的滑动管托6相匹配。安装完毕后于钢管桩内布设热棒7（热棒7的具体物性参数、布局设计应根据管道的设计参数、运行温度和实际的地质气候状况确定）。机械支架5起到支撑埋地管道1的作用，布设于支架5内部的热棒7，可以起到传走埋地管道1散发热量、稳定地基的作用。

热棒7是一种无需外加动力的制冷装置，结构示意图如图2所示，热棒7是利用液、汽两相转换对流循环来实现热量的自动传递，它由一根封闭管和散热翅片11所组成，管中充以工质12，上部为冷凝段8，下部为蒸发段10。当冷凝段8与蒸发段10之间存在温差时，蒸发器中的工质12吸热蒸发，在压差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，附于管壁上，在重力作用下，液体工质12沿管壁流回蒸发段再蒸发。如此往复循环，将地基中热量带出。只要冷凝器与蒸发器之间存在温差，这种循环便可持续进行下去。当外界温度高于蒸发段温度时，工质12蒸发过程停止，因此热棒7具有单向导热性，不会将大气中的热量导入冻土之中。使用时，蒸发段10和绝热段9埋设于地下，冷凝段8伸出地面置于空气之中。因此，通过热棒7在寒季采集大气中的冷量，输送入地基多年冻土，对地基多年冻土进行养护，与天然状态相比，热棒7地基多年冻土可以冷却到更低水平。因而，地基可以储存更多的冷量来补偿埋地管道1输送对冻土的热影响，可有效防止和减缓多年冻土的衰退和融化，提高埋地管道1地基的稳定性。

所述热棒7内填充的工质12为液氨、液体二氧化碳、液氮和氟里昂等低沸点介质。尽管热棒7可以通过增加地基的冷储量来补偿管道对周围冻土的热量传递，实现减缓冻土融化和衰退的目的，但由于热棒7无法在暖季有效工作，因此单利用热棒7制冷仍无法解决暖季管道下部冻土的融化问题，尤其对于埋地管道1直接铺设于含土冰层的地质情况更为如此。因此要想保障埋地管道1周围冻土在暖季融化后埋地管道1不发生超过预期的沉降，就需要对埋地管道1施以有效的机械支撑。埋地管道1下方机械支架5的存在可以保证冻土融化呈流塑状态后仍可以给埋地管道1以有效的支撑，防止埋地管道1发生超过预期的沉降。

热棒在寒季的制冷作用可以增加埋地管道1地基的冷储量，用以补偿埋地管道1对周围冻土的热传导，来有效防止和减缓冻土的衰退。当暖季热棒无法有效工作时，埋地管道1下方的机械支架5可以保障埋地管道1对周围冻土圈的融化不会引起埋地管道1发生超过预期的沉降，保障埋地管道1运行安全。此外，通过两项措施相结合，可以实现对铺设于融陷性含土冰层区域埋地管道1全季节状态的融沉防治。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1．有效解决了多年冻土区埋地管道因周围冻土融化所导致的融沉问题，保障了冻土区埋地管道的安全运行；

2．热棒具有传输效率高，制冷效果好，同时具有单向导热性的特点，可以防止外界热量通过热棒向冻土传递；

3．可以实现全季节埋地管道融沉的有效防治；

4．具有良好的经济性，无需消耗电能，无运动部件、具有免维护、节能、环保、可靠性高且适用性好等特点；

5．安装简便，可以长期可靠运行。

本实用新型可应用于多年冻土区埋地油气管道的融沉风险防治。

附图说明

图1多年冻土区管道融沉防治措施示意图

图2热棒工作原理示意图

图3支架结构图

其中1—埋地管道        2—地表

3—钢桩                4—带有加强筋的支板

5—支架                6—滑动管托

7—热棒                8—冷凝段

9—绝热段              10—蒸发段

11—散热翅片        12—工质

具体实施方式

实施例.本例是利用热棒支撑架技术来防治多年冻土沼泽区域某埋地原油管道的融沉问题。根据地勘结果发现，该区段为多年冻土沼泽区域，管道直接铺设于强融沉性的粉质粘土层，粘土层厚度大于10m，融沉系数大于75，含水量大于90％，为含土冰层地质，属于融陷地段。该区段管道材质为为X65钢，管径为813mm，管壁厚度为16mm，管顶埋深为1.8m，管输平均温度为10℃。

埋地管道1下方设置支架5,支架5的上面安装滑动管托6托着埋地管道1,支架5的两侧各焊接带有加强筋的支板4（牛腿）;带有加强筋的支板4各固定在一钢桩3的下部，钢桩3内插入热棒7,热棒7的上部露在地表2上,且固连有散热翅片11，热棒7的下部有工质12;热棒7露在地表2上的部分为冷凝段8，热棒7的中部即从地表2往下为绝热段9，绝热段9下面为蒸发段10。

根据管道与冻土间的热力分析和此处地质气候条件下的热棒功率计算，确定热棒的具体尺寸如表1所示，热棒所用工质12为液氨。

表1热棒的外形尺寸（单位：mm）

总长度	基管外径	蒸发段长度	绝热段长度
				12000	89	5000	4000
冷凝段长度	冷凝段距地面距离	散热片高度	翅片间距
				1800	500	25	10

管材本身高的机械强度可以保障管道可以在一定跨距下安全运行，因此为了考虑防治措施的可实施性和经济性，在对该区域管道进行融沉治理时，考虑将措施实施点作为管道的支撑点，利用支撑点对管道的支撑作用来保证管道不发生超过预期的沉降。利用管道应力分析软件CAESAR I I进行应力分析，并按照ASMAB31.4校核标准，确定该区段管道当支撑点跨距为20m的时候，管道所承受的最大应力小于许用应力，符合规定要求，管道是安全的。在此基础之上，根据管道的受力情况，确定支撑点需要承受的载荷。通过设计计算确定机械支撑架的具体尺寸如表2所示。

表2机械支撑架参数

具体实施过程如下：

选取示范段100m，每间隔20m进行机械支撑架安装。钢管桩施工采用钻孔插入桩，成孔直径应大于钢桩外径不小于100mm。桩插入后应在桩周与钻孔的空隙用水泥浆填充，桩周充填的泥浆全部回冻后方可施加荷载。桩下部应设置300厚砂层，桩端进入稳定冻土层深度为5000mm。钢管桩安装完成后，与横梁上安装滑动管托，通过调节横梁位置实现管托对管体的有效支撑。安装完成后，与钢管桩内插入热棒，热棒的具体参数如表1所示。换填管道上安装机械位移监测点，用于监测管道位移变化以进行融沉防治效果对比。

钢桩3间距为2000mm，横梁下方钢管桩长度不少于4000mm，横梁上方钢管桩长度根据热棒要求确定且不小于500mm，此段500mm以上高度可以变径，采用直径较小但能满足热棒要求的钢管。桩顶开口并根据热棒要求密封。

本例经监测发现，管道运行1年后，该示范段管道未发生融沉问题。该措施的实施有效解决了多年冻土沼泽区域管道直接铺设于含土冰层时的融沉问题，保障了管道的安全运行。

Claims (5)

1.一种热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置，其特征是在埋地管道（1）下方设置支架（5）,支架（5）的上面安装滑动管托（6）托着埋地管道（1）,支架（5）的两侧各焊接带有加强筋的支板（4）;带有加强筋的支板（4）各固定在一钢桩（3）的下部，钢桩（3）内插入热棒（7）,热棒（7）的上部露在地表（2）上,且固连有散热翅片（11）,热棒（7）的下部有工质（12）;热棒（7）露在地表（2）上的部分为冷凝段（8）,热棒（7）的中部即从地表（2）往下为绝热段（9）,绝热段（9）下面为蒸发段（10）。 

2.根据权利要求1所述的热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置，其特征是所述热棒（7）是一根上部有散热翅片的封闭管；管中充以工质（12）。 

3.根据权利要求1所述的热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置，其特征是所述钢桩（3）为圆管。 

4.根据权利要求1所述的热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置，其特征是所述支架（5）为一横梁，两下有侧带有加强筋的支板（4）与钢桩（3）外周焊接。 

5.根据权利要求1所述的热棒支撑架防治冻土区埋地管体融沉的装置，其特征是所述滑动管托（6）为上边成圆弧状的矩形体滑动式管托。 

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