CN103899849A - 一种利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置。它是在埋地管道（1）的两侧各对称埋设一固定板（2），两相对的固定板（2）之间由螺丝（3）固定4条柔性带（4），第一固定板（2）的上部与第二固定板(2)之间斜拉两条柔性带(4)，第二固定板(2)的上部与第一固定板(2)之间斜拉两条柔性带(4)，将埋地管道(1)置于该4条柔性带(4)交叉的菱形网格内；在埋地管道(1)两侧菱形网格交点处由螺栓(6)和连接板(5)连接固定；柔性带(4)在埋地管道(1)表面形成一菱形限位区域，限制埋地管道（1）的位移幅度。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
技术领域
本发明是一种利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置。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
本发明的目的是提供一种无运动部件、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柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置。
本发明利用柔性带在管道表面形成一个菱形限位区域，限制管道的上下、左右位移幅度，从而达到防止管道融沉的目的。在埋地管道1的两侧各对称埋设一固定板2，两相对的固定板2之间由螺丝3固定4条柔性带4，第一固定板2的上部与第二固定板2之间斜拉两条柔性带4，第二固定板2的上部与第一固定板2之间斜拉两条柔性带4，将埋地管道1置于该4条柔性带4交叉的菱形网格内；在埋地管道1两侧菱形网格交点处由螺栓6和连接板5连接固定；柔性带4为高强度柔性耐磨带，通过固定连接绷紧后，在埋地管道1表面形成一菱形限位区域。限制管道的上下、左右位移幅度，从而达到防止管道融沉的目的。
本发明中涉及的多年冻土区管道融沉防治系统原理示意图如图1、图2和图3所示。其中1为埋地管道，2为固定板，3为螺丝，4为柔性带，5为连接板，6为螺栓。在埋地管道1的两侧各对称埋设一固定板2，两相对的固定板2之间由螺丝3固定4条柔性带4，第一固定板2的上部与第二固定板2之间斜拉两条柔性带4，第二固定板2的上部与第一固定板2之间斜拉两条柔性带4，将埋地管道1置于该4条柔性带4交叉的菱形网格内；在埋地管道1两侧菱形网格交点处由螺栓6和连接板5连接固定。
其中，固定板2为长方形板状，下方带锥形突起，便于扎入管道下方永冻土层后固定下来；
螺丝3将柔性带4固定在固定板2上，管道两侧对称布置；
柔性带4为高强度柔性耐磨带，通过固定连接绷紧后，在管道表面形成一菱形限位区域；
连接板5作为菱形限位区域的两个点将柔性带4连接起来；
螺栓6固定连接两块连接板5。
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多年冻土区管道融沉防治措施正视示意图
图2多年冻土区管道融沉防治措施侧视示意图
图3多年冻土区管道融沉防治措施俯视示意图
其中 1—埋地管道 2—固定板
3—螺丝 4—柔性带
5—连接板 6—螺栓
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。本例是在埋地管道1的两侧各对称埋设一固定板2，两相对的固定板2之间由螺丝3固定4条柔性带4，第一固定板2的上部与第二固定板2之间斜拉两条柔性带4，第二固定板2的上部与第一固定板(2)之间斜拉两条柔性带4，将埋地管道1置于该4条柔性带4交叉的菱形网格内；在埋地管道1两侧菱形网格交点处由螺栓6和连接板5连接固定；柔性带4为高强度柔性耐磨带，通过固定连接绷紧后，在埋地管道1表面形成一菱形限位区域。利用柔性带在管道表面形成一个菱形限位区域，限制管道的上下、左右位移幅度，从而达到防止管道融沉的目的。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％，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℃。
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 II进行应力分析，并按照ASMA B31.4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和柔性带的绷紧力，确定支撑点需要承受的载荷及菱形限位区的宽度和角度。
通过计算，确定固定板2的长度为4m，宽度为1m，厚度为0.1m；柔性带4宽度为1m；菱形限位区域锐角为50°，钝角为130°；连接板5长度为1m，宽度为0.08m，厚度为0.02m；固定板间距3m。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设一个支撑点，在管道两侧对称位置挖两个方形孔，深入永冻土层，插入固定板；待固定板冻结固定后，按照菱形限位区域的角度将柔性带固定连接起来，螺丝和螺栓对称布置。施工过程尽量选择在冬季进行，冬季冻土面积较大，便于施工。
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)
1.一种利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的方法，其特征是在埋地管道（1）的两侧各对称埋设一固定板（2），两相对的固定板（2）之间由螺丝（3）固定4条柔性带（4），第一固定板（2）的上部与第二固定板(2)之间斜拉两条柔性带(4)，第二固定板(2)的上部与第一固定板(2)之间斜拉两条柔性带(4)，将埋地管道(1)置于该4条柔性带(4)交叉的菱形网格内；在埋地管道(1)两侧菱形网格交点处由螺栓(6)和连接板(5)连接固定；柔性带(4)为高强度柔性耐磨带，通过固定连接绷紧后，在埋地管道(1)表面形成一菱形限位区域，限制埋地管道（1）的上下、左右位移幅度，从而防止管道融沉。
2.一种使用权利要求1所述方法的利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是在埋地管道(1)的两侧各对称埋设一固定板（2），两相对的固定板（2）之间由螺丝（3）固定4条柔性带（4)，第一固定板（2）的上部与第二固定板（2）之间斜拉两条柔性带（4），第二固定板（2）的上部与第一固定板（2）之间斜拉两条柔性带（4），将埋地管道（1）置于该4条柔性带（4）交叉的菱形网格内；在埋地管道（1）两侧菱形网格交点处由螺栓（6）和连接板（5）连接固定。
3.根据权利要求2所述的一种利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是所述固定板（2）为长方形板状，下方带锥形突起；螺丝（3）将柔性带（4）固定在固定板（2）上，管道两侧对称布置。
4.根据权利要求2所述的一种利用柔性限位带装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是所述柔性带（4）为高强度柔性耐磨带，通过连接板（5）和螺栓（6）固定连接绷紧后，在管道表面形成一菱形限位区域。
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