CN103899839B - 一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法及装置。涉及管道系统技术领域。它是埋地管道（1）每间隔一确定值设一支撑点，在支撑点处的埋地管道（1）外包覆聚氨酯发泡材料(2)，聚氨酯发泡材料(2)外再包轻质高强度铝合金保护壳(3)；由支撑点处产生的浮力，对管道支撑来保证管道不发生超过预期的沉降。本发明无运动部件，免维护，具有良好可靠性，不消耗电能的适用于多年冻土区域埋地管道。

Description

一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法及装置

技术领域

本发明是一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法及装置。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(富冰冻土、刨冰冻土和含土冰层)时，冻土融化后容易导致管道沉降，需要考虑采取相应的治理措施。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。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。

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、不消耗电能的适用于多年冻土区域埋地管道的利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法及装置。

本发明利用聚氨酯发泡材料增大管道与冻土的局部接触面积，进而提升冻土沼泽区管道浮力的方式来实现多年冻土区管道的融沉防治。埋地管道1每间隔一确定值设一支撑点，在支撑点处的埋地管道1外包覆聚氨酯发泡材料2，聚氨酯发泡材料2外再包覆轻质高强度铝合金保护壳3。

其中，聚氨酯发泡材料2采用喷涂发泡成型方式，将原料喷在埋地管道1表面，轻质高强度铝合金保护壳3内，发泡成型。

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，由支撑点处产生的浮力，对管道支撑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小于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以及饱冰冻土融化后的浮力，确定支撑点需要承受的载荷。

浮力及承压能力计算校核：

1、管道单位长度自重按下式计算：

q₁＝0.2466Ct(D-t)

式中：

q₁—管子单位长度自重，N/m；

C—管子材料的相对密度系数；

t—管子的公称壁厚，mm；

D—管子的外径，mm；

2、管道内介质重量

管道内单位长度的介质重量按下式计算：

q₂＝0.785×10^-6×(D²-4t²)γ₃

式中：

q₂—管道内单位长度介质重量，N/m；

D—管子的外径，mm；

t—管子的公称壁厚，mm；

γ₃—介质密度，N/m³；

3、沼泽地区管道浮力

单位长度管道所受的浮力为：

q₃＝ρ_sgV_g

式中：

q₃—单位长度管道所受浮力，N/m；

ρ_s—冻土融化后的浮密度，kg/m³；

V_g—单位长度管道体积，m³；

4、沼泽地区单位长度管道向下的重力

q₄＝q₁+q₂-q₃

式中：

q₄—单位长度管道向下的重力，N/m。

5、由于管顶埋深限制，考虑管道安全性，将整个保护壳设计成球形，覆盖在管道表面，则局部体积增大了：

$V=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3-2\×\frac{\mathrm{\π}}{3}(3R-h)h^2-{\mathrm{\πr}}^{2}H$

式中：

V—局部增大体积，m³；

R—球的半径，m；

r—球冠的底面半径(管道半径的一半)，m；

h—球冠的高度,根据三角形法则计算，m；

H—保护壳包裹在管道上的长度,根据三角形法则计算，m；

6、局部增大的体积所受的浮力为：

F＝ρ_sgV

式中：

F—局部增大的体积所受的浮力，N。

7、发泡材料的重量为：

q₅＝ρ_fgV

式中：

q₅—发泡材料的重量，N；

ρ_f—发泡材料的密度，kg/m³。

8、高强度铝合金外壳的重量为：

$V_1=\frac{4}{3}{{\mathrm{\πR}}_1}^3-2\×\frac{\mathrm{\π}}{3}(3R_1-h_1){h_1}^2-{\mathrm{\πr}}^{2}H$

q₆＝ρ_lg(V-V₁)

式中：

V₁—去掉外壳后的体积，m³；

R₁—去掉外壳后的球体半径，m；

h₁—去掉外壳后的球冠高度，根据三角形法则计算，m；

q₆—高强度铝合金外壳的重量，N；

ρ_l—铝合金的密度，kg/m³。

9、若按照跨距l米计算，管道重力为:

q＝lq₄+q₅+q₆

将其与浮力值对比，可以得出具体跨距。

10、承压能力校核：

铝合金保护壳安装后，压力最大点在最底部处，该位置的压强为：

P＝ρ_sgh₂

式中：

P—压力最大点处压强，Pa；

h₂—铝合金保护壳最底部深度，m。

将其与铝合金保护壳强度对比，可以得出承压能力是否满足要求。

本发明中涉及的多年冻土区管道融沉防治系统的构成图如图1和图2所示。其中1为埋地管道，2为聚氨酯发泡材料，3为轻质高强度铝合金保护壳。埋地管道1每间隔一确定值设一支撑点，在支撑点处的埋地管道1外包覆聚氨酯发泡材料2，聚氨酯发泡材料2外再包轻质高强度铝合金保护壳3。

其中，聚氨酯发泡材料2采用喷涂发泡成型方式，将原料喷在埋地管道1表面，轻质高强度铝合金保护壳3内，发泡成型；

轻质高强度铝合金保护壳3为预制成品，两半球形结构，覆盖在埋地管道1表面，呈圆弧状，待聚氨酯材料发泡成型后，将轻质高强度铝合金保护壳3与埋地管道1的连接处，用防水密封胶密封严实。

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、可以实现全季节管道融沉的有效防治；3、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；4、施工简便，可以长期可靠使用。

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为利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉装置正视图

图2为利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉装置侧视图

其中1—埋地管道2—聚氨酯发泡材料

3—轻质高强度铝合金保护壳

具体实施方式

实施例以本例来说明本发明的具体实施方式并对本发明作进一步的说明。本例是利用聚氨酯发泡材料增大管道与冻土的局部接触面积，进而提升冻土沼泽区管道浮力的方式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，含水量高于40％，冻土融化后的浮密度为910kg/m³，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，无保温层，管输平均温度为10℃。

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，由支撑点处产生的浮力，对管道支撑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以及饱冰冻土融化后的浮力，确定支撑点需要承受的载荷。

浮力及承压能力计算校核：

1、管道单位长度自重可按下式计算：

q₁＝0.2466Ct(D-t)

式中：

q₁—管子单位长度自重，N/m；

C—管子材料的相对密度系数；

t—管子的公称壁厚，mm；

D—管子的外径，mm。

加格达奇沼泽地区管道自重计算结果为：

q₁＝0.2466Ct(D-t)＝0.2466×0.98×16×(813-16)＝3082N/m

2、管道内介质重量

管道内单位长度的介质重量可按下式计算：

q₂＝0.785×10^-6×(D²-4t²)γ₃

式中：

q₂—管道内单位长度介质重量，N/m；

D—管子的外径，mm；

t—管子的公称壁厚，mm；

γ₃—介质密度，N/m³。

加格达奇沼泽地区管道内介质重量计算结果为：

q₂＝0.785×10^-6×(D²-4t²)γ₃

＝0.785×10^-6×(813²-4×16²)×840.9×9.8＝4269N/m

3、沼泽地区管道浮力

单位长度管道所受的浮力为：

$q_3={\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{gV}}_g=910\×9.8\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{0.813}^2=4627N/m$

式中：

ρ_s—冻土融化后的浮密度，kg/m³；

V_g—单位长度管道体积，m³。

4、沼泽地区单位长度管道向下的重力

q₄＝q₁+q₂-q₃＝3082+4269-4627＝2724N/m

5、由于管顶埋深1.8m，考虑管道安全性，铝合金保护壳的高度不应大于0.8m，即最大高于管道表面0.8m。因此，按照0.8m的情况设计，将整个保护壳设计成球形，覆盖在管道表面，则局部体积增大了：

$V=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3-2\×\frac{\mathrm{\π}}{3}(3R-h)h^2-{\mathrm{\πr}}^{2}H$

式中：

R—球的半径，为0.8+0.813/2＝1.2065m；

r—球冠的底面半径(管道半径的一半)，为0.813/2＝0.406m；

h—球冠的高度,根据三角形法则计算为0.07m；

H—保护壳包裹在管道上的长度,根据三角形法则计算为2.272m。

计算结果为：

$\begin{array}{c}V=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3-2\×\frac{\mathrm{\π}}{3}\left(3R-h\right)h^2-{\mathrm{\πr}}^{2}H\\ =\frac{4}{3}\×3.14\×{1.2065}^3-2\×\frac{3.14}{3}\×\left(3\×1.2065-0.07\right)\×{0.07}^2-3.14\×{0.406}^2\×2.272\\ =6.14m^3\end{array}$

6、局部增大的体积所受的浮力为：

F＝ρ_sgV＝910×9.8×6.14＝54756.5N

7、发泡材料的密度为60kg/m³，发泡材料的重量为：

q₅＝ρ_fgV＝60×9.8×6.14＝3610N

式中：

ρ_f—发泡材料的密度，kg/m³。

8、0.01m厚的高强度铝合金外壳的重量为：

$\begin{array}{c}{V}_1=\frac{4}{3}{{\mathrm{\πR}}_1}^3-2\×\frac{\mathrm{\π}}{3}\left(3R_1-h_1\right){h_1}^2-{\mathrm{\πr}}^{2}H\\ =\frac{4}{3}\×3.14\×{1.1965}^3-2\×\frac{3.14}{3}\×\left(3\×1.1965-0.071\right)\×{0.071}^2-3.14\×{0.406}^2\×2.272\\ =5.96m^3\end{array}$

q₆＝ρ_lg(V-V₁)＝2700×9.8×(6.14-5.96)＝4762.8N

式中：

V₁—去掉0.01m厚外壳后的体积，m³；

R₁—去掉0.01m厚外壳后的球体半径，为0.7+0.813/2＝1.1965m；

h₁—去掉0.01m厚外壳后的球冠高度，根据三角形法则计算为0.071m；

ρ_l—铝合金的密度，kg/m³。

9、若按照跨距17米计算，管道重力与浮力对比情况为：

管道重力q＝17q₄+q₅+q₆＝17×2724+3610+4762.8＝54680.8N<54756.5N略小于局部增大的体积所受的浮力。

10、若按照跨距18米计算，管道重力与浮力对比情况为:

管道重力q＝18q₄+q₅+q₆＝18×2724+3610+4762.8＝57404.8N>54756.5N

大于局部增大的体积所受的浮力。

考虑到一定的富裕量及跨距的安全性，决定每隔17米做一支撑点。

11、承压能力校核：

铝合金保护壳安装后，压力最大点在最底部处，该位置的压强为：

P＝ρ_sgh₂＝910×9.8×(1.8+0.8+0.813)＝30437Pa

式中：

h₂—铝合金保护壳最底部深度，m。

由于铝合金的强度均在兆帕以上，远大于保护壳底部的压强，因此外壳的承压能力满足要求。

通过计算，确定轻质高强度铝合金保护壳3覆盖在管道表面的长度为2.272m，厚度为0.01m，高度为圆弧最高点高于管道表面0.8m，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17m设一支撑点，先将预制成型的保护壳扣在管道表面，两半球形结构的连接处用焊条焊上，在管道表面与保护壳的空隙中插入喷枪，将原料喷入保护壳内，待成型后，将保护壳与管道的连接处，用防水密封胶密封严实。考虑到聚氨酯材料的发泡工艺，施工过程尽量选择在夏季进行。

本例经试验，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 (4)

1.一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法，其特征是埋地管道(1)每间隔一确定值设一支撑点，在支撑点处的埋地管道(1)外包覆聚氨酯发泡材料(2)，聚氨酯发泡材料(2)外再包轻质高强度铝合金保护壳(3)；

由支撑点处产生的浮力，对管道支撑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小于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以及饱冰冻土融化后的浮力，确定支撑点需要承受的载荷；

浮力及承压能力计算校核：

1)管道单位长度自重按下式计算：

q₁＝0.2466Ct(D-t)

式中：

q₁—管子单位长度自重，N/m；

C—管子材料的相对密度系数；

t—管子的公称壁厚，mm；

D—管子的外径，mm；

2)管道内介质重量

管道内单位长度的介质重量按下式计算：

q₂＝0.785×10^-6×(D²-4t²)γ₃

式中：

q₂—管道内单位长度介质重量，N/m；

D—管子的外径，mm；

t—管子的公称壁厚，mm；

γ₃—介质密度，N/m³；

3)沼泽地区管道浮力

单位长度管道所受的浮力为：

q₃＝ρ_sgV_g

式中：

q₃—单位长度管道所受浮力，N/m；

ρ_s—冻土融化后的浮密度，kg/m³；

V_g—单位长度管道体积，m³；

4)沼泽地区单位长度管道向下的重力

q₄＝q₁+q₂-q₃

式中：

q₄—单位长度管道向下的重力，N/m；

5)由于管顶埋深限制，考虑管道安全性，将整个保护壳设计成球形，覆盖在管道表面，则局部体积增大了：

$V=\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;R}}^3-2\&times;\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}(3R-h)h^2-{\mathrm{\&pi;r}}^{2}H$

式中：

V—局部增大体积，m³；

R—球的半径，m；

r—球冠的底面半径(管道半径的一半)，m；

h—球冠的高度,根据三角形法则计算，m；

H—保护壳包裹在管道上的长度,根据三角形法则计算，m；

6)局部增大的体积所受的浮力为：

F＝ρ_sgV

式中：

F—局部增大的体积所受的浮力，N；

7)发泡材料的重量为：

q₅＝ρ_fgV

式中：

q₅—发泡材料的重量，N；

ρ_f—发泡材料的密度，kg/m³；

8)高强度铝合金外壳的重量为：

$V_1=\frac{4}{3}{{\mathrm{\&pi;R}}_1}^3-2\&times;\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}(3R_1-h_1){h_1}^2-{\mathrm{\&pi;r}}^{2}H$

q₆＝ρ_lg(V-V₁)

式中：

V₁—去掉外壳后的体积，m³；

R₁—去掉外壳后的球体半径，m；

h₁—去掉外壳后的球冠高度，根据三角形法则计算，m；

q₆—高强度铝合金外壳的重量，N；

ρ_l—铝合金的密度，kg/m³；

9)若按照跨距l米计算，管道重力为:

q＝lq₄+q₅+q₆

将其与浮力值对比，可以得出具体跨距；

10)承压能力校核：

铝合金保护壳安装后，压力最大点在最底部处，该位置的压强为：

P＝ρ_sgh₂

式中：

P—压力最大点处压强，Pa；

h₂—铝合金保护壳最底部深度，m；

将其与铝合金保护壳强度对比，可以得出承压能力是否满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的方法，其特征是所述聚氨酯发泡材料(2)采用喷涂发泡成型方式，将原料喷在埋地管道(1)表面，轻质高强度铝合金保护壳(3)内，发泡成型。

3.一种使用权利要求1所述方法的利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是埋地管道(1)每间隔一确定值设一支撑点，在支撑点处的埋地管道(1)外包覆聚氨酯发泡材料(2)，聚氨酯发泡材料(2)外再包轻质高强度铝合金保护壳(3)。

4.根据权利要求3所述的一种利用发泡材料防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是所述轻质高强度铝合金保护壳(3)为预制成品，两半球形结构，覆盖在埋地管道(1)表面，呈圆弧状，待聚氨酯材料发泡成型后，将轻质高强度铝合金保护壳(3)与埋地管道(1)的连接处用防水密封胶密封严实。