CN103836258B - 热棒与粗颗粒土相结合的冻土区埋地管道融沉防治方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种热棒与粗颗粒土相结合的冻土区埋地管道融沉防治方法及装置。涉及管道系统技术领域。其特征是将埋地管道（1）周围的强融沉性粉质粘土换填为弱融沉冻胀性的粗颗粒土，即底层铺设一层无尖锐棱角的石子（4），石子（4）上方和埋地管道（1）周围铺设倒梯形体砂子（3）或将砂子（3）装成砂包；换填完成后，于埋地管道（1）两侧竖直各布设一热棒（5）。本发明无运动部件，免维护，具有良好可靠性，不消耗电能。
Description
技术领域
本发明是一种热棒与粗颗粒土相结合的冻土区埋地管道融沉防治方法及装置。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地在多年冻土区修建。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、饱冰冻土和含土冰层）时，冻土融化后容易导致管道沉降，此时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。管道的融沉问题，从根本上来讲是由于管道对外源源不断散热，导致周围强融沉性冻土融化所致。因此，将管道传导出的热量采取合适的措施重新导出到大气中，维持管道地基的冻结稳定状态才是保障管道稳定的根本。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。CNY201317935公开了一种高寒冻土区涵洞防冻胀融沉装置，但不够理想，且应用的环境也不竟相同。
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系统，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。
发明内容
本发明的目的是发明一种无运动部件、免维护、具有良好可靠性、不消耗电能的热棒与粗颗粒土相结合的冻土区埋地管道融沉防治方法及装置。
本发明基于热棒制冷技术以及粗颗粒土的弱融沉冻胀性来实现多年冻土区管道的融沉防治。本热棒与粗颗粒土换填相结合的冻土区埋地管道融沉防治方法示意图如图1所示。将埋地管道1周围的强融沉性粉质粘土换填为弱融沉冻胀性的粗颗粒土，即底层铺设一层无尖锐棱角的石子4，石子4上方和埋地管道1周围铺设倒梯形体砂子3，这样可以保护防腐层不被岩石破坏，为了防止砂子3被管沟内的水冲走，或将砂子3装成砂包进行换填。换填完成后，于埋地管道1两侧竖直各布设一热棒5，热棒5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。
本发明的装置如图1和图2所示，在埋地管道1底层铺设一层无尖锐棱角的石子4，石子4上方和埋地管道1周围铺设倒梯形体砂子3或将砂子3装成砂包，于埋地管道1两侧各竖直布设一热棒5。
所述热棒5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5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9所组成，管中充以工质10上部为冷凝段6，谓之冷凝器，中部为绝热段7，下部为蒸发段8，谓之蒸发器；当冷凝段6与蒸发段8之间存在温差时，蒸发器中的工质10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10沿管壁流回蒸发段8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10蒸发过程停止，因此热棒具有单向导热性，不会将大气中的热量导入冻土之中。使用时，蒸发段8和绝热段7埋设于地下，冷凝段6伸出地面置于空气之中。通过热棒5在寒季采集大气中的冷量，输送入地基多年冻土，对地基冻土进行养护，与天然状态相比，热棒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管道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，提高管道地基的稳定性。
所述热棒5内填充的工质10主要为液氨、液体二氧化碳、液氮或氟里昂等低沸点介质。尽管热棒5可以通过增加地基的冷储量来补偿埋地管道1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5无法在暖季有效工作，因此单利用热棒制冷技术仍无法解决暖季埋地管道1下部冻土的融化问题。埋地管道1在暖季的融沉风险是由于地基土的强融沉性所导致的，因此要想保障埋地管道1周围冻土融化后埋地管道1不发生超过预期的沉降，就需要将埋地管道1周围（尤其是下方）一定厚度的强融沉性粉质粘土置换为弱融沉冻胀性的粗颗粒土。这主要是由于粗颗粒土具有颗粒粗、表面能小的特征，所以在冻结和融化时一般不产生水分迁移，或者迁移量很小，水分只在原处冻结或者在重力作用下向下移动，因而其冻胀和融沉性都很小，甚至在水冻结时能够自由排出而不发生冻胀。
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对周围冻土的热影响，来有效防止和减缓冻土的衰退。当暖季热棒5无法有效工作时，埋地管道1周围弱融沉冻胀性粗颗粒土的存在，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，粗颗粒土的存在还可以防止埋地管道1下方融土再次冻结时，埋地管道1冻胀灾害的发生。通过两项措施相结合，可以实现对埋地管道1全季节状态的融沉防治。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.有效解决了多年冻土区管道因周围冻土融化所导致的融沉问题，保障了冻土区管道的安全运行；
2.热棒具有传输效率高，制冷效果好的优点，同时它的单向导热性可以防止外界热量通过热棒向冻土传递；
3.可以实现全季节管道融沉的有效防治，同时还可以避免融土再次冷冻过程中可能发生的冻胀风险；
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。
本发明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
其中1—埋地管道2—地表
3—砂土4—石子
5—热棒6—冷凝段
7—绝热段8—蒸发段
9—散热翅片10—工质
具体实施方式
实施例.本例是利用热棒制冷与粗颗粒土换填相结合的措施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10，为饱冰冻土，属于强融沉性地段。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℃。
将埋地管道1周围的强融沉性粉质粘土换填为弱融沉冻胀性的粗颗粒土，即底层铺设一层无尖锐棱角的石子4，石子4上方和埋地管道1周围铺设倒梯形体砂子3，这样可以保护防腐层不被岩石破坏，为了防止砂子3被管沟内的水冲走，或将砂子3装成砂包进行换填。换填完成后，于埋地管道1两侧各布设一热棒5（热棒5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）。
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 |
由于X65钢具有很高的机械强度，可以允许管道可以在一定跨距下安全运行。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CAESARII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。通过计算发现，当换填区尺寸长度和宽度均为3m时，可以实现对管道的有效支撑。
具体实施过程如下：
选取示范段100m，每间隔20m进行强融沉性粉质粘土换填，换填时管道底部超挖1m，管底0.3m以下换填采用石子，管底0.3m以上换填料采用砂子，一直换填至管顶上0.3m，为了防止管沟内水分将砂子冲走，需采用土工布袋分装码放，换填区的长度和宽度各为3m。换填完毕后，于换填处在管道两侧距管道中心2.5m分布插入2根热棒，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。
本例经监测发现，管道试验运行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的多年冻土沼泽区域管道的融沉问题，保障了管道的安全运行。
Claims (1)
1.一种热棒与粗颗粒土相结合的冻土区埋地管道融沉防治方法，其特征是将埋地管道(1)周围的强融沉性粉质粘土换填为弱融沉冻胀性的粗颗粒土，即底层铺设一层无尖锐棱角的石子(4)，石子(4)上方和埋地管道(1)周围铺设倒梯形体砂子(3)或砂包；换填完成后，于埋地管道(1)两侧竖直各布设一热棒(5)，热棒(5)的具体物性参数、布局设计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；所述热棒(5)由一根封闭管和散热翅片(9)所组成，管中充以工质(10)，上部为冷凝段(6)，谓之冷凝器，中部为绝热段(7)，下部为蒸发段(8)，谓之蒸发器；蒸发段(8)和绝热段(7)埋设于地下，冷凝段(6)伸出地面置于空气之中；所述工质(10)为液氨、液体二氧化碳、液氮或氟里昂低沸点介质。
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