CN109024548B - 一种局部冻结器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于城市地下工程冻结中的能够有效减少非冻结段冷量损失的局部冻结器及其实现方法，包括进液管、回液管和冻结管，所述冻结管主要由非冻结段冻结管、冻结段冻结管以及锥形刃角组成，进液管和回液管安装在冻结管内，二者的上端延伸至冻结管外，所述局部冻结器还具有：隔热材料、绝热接头、过渡套管、开孔隔板、保温棉，通过在冻结管安装隔热接头，冻结管内充填隔热材料，铺设保温棉等措施，减少非冻结段的冷量损失(热传导、热对流和热辐射)，提高局部冻结器的冷量利用率，对制冷机的配电功率、冻结交圈时间、非冻结段土体开挖有重要意义。冻结管结构形式简单，便于现场拼接及安装，能够广泛运用于冻结工程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市地下工程冻结技术中的局部冻结领域，尤其是一种局部冻结器及制作方法。
背景技术
随着城市现代化进程的发展，人们对空间的需求逐渐增大，因此必然需要修建地下铁道，亦是缓解交通拥堵的有效措施。
以北京地区为例，由北京地区地层垂直分布的特点可知，随着开挖深度的增加、卵石、砾石逐渐增多，地下水含量也逐渐增大，传统的支护手段诸如地下连续墙、止水排桩、井点降水等相继出现适用性差、成本增加、无法满足施工要求等问题，难以满足工程需要，而冻结法施工却不受地层和含水量的影响。
冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把土层变成不透水结构，增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下进行施工的特殊施工技术。张晋勋教授提出的“盆形”冻结技术不仅可以解决砂卵石地层地铁车站基坑的地下水问题，且不受隔水层埋深影响，具有广泛的工程应用前景。而其中的“盆底”冻结时，需要采用局部冻结技术严格控制“盆底”厚度，既需要避免因“盆底”厚度过薄导致的承载力不足问题，又需要避免“盆底”厚度过大造成的施工困难及无法控制后期的融沉位移。
目前，在局部冻结工程中，为减小非冻结段的冷量损失，主要采用改变进回液管间距、非冻结段设置隔板、非冻结段抽真空，非冻结段保温等方法，但这几种结构多以单一形式应用于局部冻结工程中，并没有考虑多种情况的冷量损失，导致实际局部冻结工程中冻结站的实际配电功率远超计算值，非冻土区域最终演变为冻土区，增加施工成本和工期。此外，目前的局部冻结器结构中，多是通过阻隔非冻结段径向热传导的结构形式，有关冻结段向非冻结段的轴向热传导及非冻结段的热辐射和热对流造成的冷量损失鲜有报道，而这三种冷量传递方式在非冻结段占有一定比重。因此，急需一种能够有效阻隔多种热传递形式的冻结器结构/方法，综合减小非冻结段的冷量损失，提高局部冻结器冷量利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，发明一种便于冻结管对接、封水性好、耐碰撞、能有效减小非冻结段冷量损失的局部冻结器。
为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种局部冻结器，包括进液管、回液管和冻结管，所述冻结管主要由非冻结段冻结管、冻结段冻结管以及锥形刃角组成，进液管和回液管安装在冻结管内并且上端延伸至冻结管外，其特征在于所述局部冻结器还具有：隔热材料、绝热接头、过渡套管、开孔隔板、保温棉，其中，非冻结段冻结管的下端连接绝热接头的上端，绝热接头的下端连接过渡套管，过渡套管下端与开孔隔板固定连接，开孔隔板与下部的冻结段冻结管固定连接，并且，开孔隔板上开设有两个圆孔，所述进液管穿设于其中一个圆孔并延伸至冻结器的底部，进液管在圆孔处与开孔隔板固定连接并在连接处密封，所述回液管安装在非冻结段冻结管内，其下端在另一个圆孔处与开孔隔板固定连接并在连接处密封；在非冻结段冻结管内，所述进液管与回液管之间，以及进液管、回液管与非冻结段冻结管的管壁之间，充填有隔热材料；所述非冻结段冻结管外包裹保温棉。
优选地，所述开口隔板为钢板，钢板的上表面与所述过渡套管焊接密封，下表面与所述冻结段冻结管焊接密封，进液管、回液管在所述圆孔处与钢板焊接密封。
优选地，所述非冻结段冻结管外壁喷涂有防热辐射材料，形成防热辐射材料层。
优选地，所述非冻结段冻结管具有缩径段和连接段，所述保温棉包裹于缩径段，包裹后保温棉外径与冻结段冻结管外径相等，形成连续的冻结管外壁。
优选地，所述绝热接头为绝热对丝，所述连接段具有内螺纹，过渡套管为内螺纹套管，绝热对丝的上端与连接段螺纹连接，下端与内螺纹套管螺纹连接，并且在上下两端的接头处设置有封水垫圈。
优选地，在开孔隔板以下，所述进液管通过弯折的方式与冻结管中心重合，便于冷量沿径向均匀传递。
一种局部冻结器的制作方法，具体通过以下步骤实现：
(1)将冻结段冻结管与锥形刃角焊接为一体；
(2)将进液管、回液管与开孔隔板焊接为一体并在接缝处焊接密封；
(3)将开孔隔板与冻结段冻结管焊接为一体并在接缝处焊接密封；
(4)将过渡套管与开孔隔板焊接为一体并在接缝处焊接密封；
(5)将绝热接头与过渡套管固定为一体；
(6)将非冻结段冻结管与绝热接头固定为一体；
(7)向非冻结段冻结管内充填隔热材料；
(8)非冻结段冻结管包裹保温棉；
(9)冻结管封顶及进液管、回液管羊角的焊接。
优选地，所述步骤(2)之前还具有：焊接进液管弯折段，使冻结段冻结管内的进液管中心与冻结管中心重合。
优选地，所述步骤(5)先在绝热接头套上封水垫圈，然后将绝热接头与过渡套管固定为一体，所述步骤(6)先在绝热接头套上封水垫圈，然后将非冻结段冻结管与绝热接头固定为一体。
优选地，所述步骤(8)之前还具有：非冻结段冻结管外壁喷涂防热辐射材料。
本发明的优点和产生的有益效果：
(1)该冻结管通过绝热接头(绝热对丝)，阻隔冷量沿冻结管外壁由冻结段向非冻结段传递，轴向阻隔冷量传导。
(2)进液管、回液管之间，以及冻结管与进液管、回液管之间充填隔热材料(聚氨酯)，阻隔冷量沿径向由进、回液管传递至非冻结段冻结管外壁，径向阻隔冷量传导。
(3)非冻结段冻结管铺设保温棉，阻隔冷量沿径向通过热传导和热对流产生的冷量损失。
(4)非冻结段冻结管外壁喷涂防热辐射材料，阻隔冷量沿径向通过热辐射形式散失，径向阻隔冷量辐射。
(5)非冻结段冻结管采用缩径形式，降低施工钻孔等工艺对保温棉的损坏，增大保温棉的完整性。
(6)进液管在冻结段通过弯折焊接的方式使进液管中心与冻结管中心重合，使盐水沿径向均匀传递冷量，形成均匀、连续的冻结壁，防止冻结漏洞。
(7)有效避免非冻结段区域的土体最终演变为冻土区，避免增加施工成本和工期。
(8)冻结管结构形式简单，只需简单的焊接或螺纹连接，便于现场拼接及安装，便于根据冻结深度的需要灵活加长。
附图说明
图1是本发明整体外观示意图；
图2是本发明整体剖切三维示意图；
图3是本发明整体剖切主视图；
图4是本发明拼接段局部放大三维示意图；
图5是本发明拼接段局部放大主视图；
图6是图5的a截面俯视图；
图7是图5的b截面俯视图；
图8是图5的c截面俯视图；
图9是图5的d截面俯视图；
图10是图5的e截面俯视图；
图11是本发明非冻结段冻结管结构示意图；
图中：1.进液管；2.回液管；3.保温棉；4.防热辐射材料层；5.非冻结段冻结管；6.隔热材料；7.封水垫圈；8.绝热接头；9.过渡套管；10.开孔隔板；11.冻结段冻结管；12.锥形刃角；13.缩径段；14.连接段。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
还需要说明的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见附图1-5，一种能够有效减少非冻结段冷量损失的局部冻结器，包括进液管1、回液管2和冻结管，所述冻结管主要由非冻结段冻结管5、冻结段冻结管11以及锥形刃角12组成，进液管和回液管安装在冻结管内，二者的上端延伸至冻结管外，在冻结管外冻结管封顶，并焊接有进液管、回液管的羊角。
本发明的局部冻结器还具有：隔热材料6、绝热接头8、过渡套管9、开孔隔板10，其中，非冻结段冻结管的下端连接绝热接头的上端，绝热接头的下端连接过渡套管，过渡套管下端与开孔隔板固定连接，开孔隔板与下部的冻结段冻结管固定连接，并且，开孔隔板上开设有两个圆孔，所述进液管穿设于其中一个圆孔并延伸至冻结器的底部，进液管在圆孔处与开孔隔板固定连接并在连接处密封，所述回液管安装在非冻结段冻结管内，其下端在另一个圆孔处与开孔隔板固定连接并在连接处密封；在非冻结段冻结管内，所述进液管与回液管之间，以及进液管、回液管与非冻结段冻结管的管壁之间，充填有隔热材料。优选地，所述隔热材料可采用聚氨酯，或者其它能够阻断热传导的类似材料。进一步地，非冻结段冻结管5外包裹一定厚度的保温棉3，保温棉的铺设厚度棉可根据冷量损失要求设置，通过在非冻结段冻结管铺设保温棉，能够更加有效地阻隔沿径向通过热传导和热对流产生的冷量损失。
进液管1、回液管2在开孔隔板10的圆孔处与钢板焊接，并在焊接位置处密封，即采用满焊焊缝将进液管1、回液管2与圆孔之间的间隙填补密实，确保密封不漏水。
开孔隔板10为钢板，进液管1、回液管2为铁管或钢管，钢板的上表面与所述过渡套管9焊接，并在焊接位置处密封，下表面与所述冻结段冻结管11焊接，并在焊接位置处密封。
通过设置开孔隔板并将隔板上下完全密封地分隔开，使得冻结段冻结管内的冷液只能在冻结段冻结管内循环，经循环后由回液管回流，而不会由任何缝隙流入非冻结段冻结管中的空隙内，即冷液不会流入非冻结段冻结管中进、回液管之间的空隙，确保冷液在非冻结段冻结管内仅在进、回液管中流动，降低了冷量经非冻结段冻结管的管壁沿径向通过热传导和热对流产生的冷量损失。
通过设置绝热接头，将冻结管上部的非冻结段和下部的冻结段分隔开，同时在各接头处做好细部的密封处理，确保上下两部分不会发生液体流窜，如此能够有效减小冷量由冻结段向非冻结段的轴向热传导，有效减小非冻结段的冷量损失。
参见图3、11，在非冻结段冻结管外壁喷涂防热辐射材料，形成防热辐射材料层4，如此能够阻隔冷量沿径向通过热辐射形式散失，达到径向阻隔冷量辐射损失的目的。
进一步地，非冻结段冻结管5具有缩径段13和连接段14，缩径段为直径均匀的缩径段，保温棉3包裹于缩径段，阻隔冷量沿径向通过热传导和热对流产生的冷量损失。缩径段13包裹保温棉后外径与冻结段冻结管外径相等，形成连续的冻结管外壁。通过将非冻结段冻结管设置成变径结构，使得包裹后保温棉与冻结段冻结管形成连续的冻结管外壁面，降低施工钻孔等工艺对保温棉的损坏，提高了保温棉的完整性，有效保护了保温棉。
优选地，所述绝热接头8采用绝热对丝，非冻结段冻结管的连接段14具有内螺纹，过渡套管9为内螺纹套管，绝热对丝的上端与连接段螺纹连接，下端与内螺纹套管螺纹连接，并且在上下两端的接头处设置有封水垫圈7。绝热对丝便于与非冻结段冻结管和内螺纹套管的连接，工艺简单，同时能够确保连接强度。在接头处增设封水垫圈，具体可设置在绝热对丝的中间段台阶处与对应的非冻结段冻结管5的下端面处，以及绝热对丝的中间段台阶处与过渡套管9的上端面处，分别设置封水垫圈，有效阻止冻结液通过螺纹间隙流窜至非冻结段冻结管内，有效减小冷量由冻结段向非冻结段的轴向热传导，从而有效地减小非冻结段的冷量损失。
绝热接头并不限于绝热对丝的形式，只要具有绝热功能，能够阻止上下冷量的传递，并且便于同上部的非冻结段冻结管以及下部的过渡套管连接即可，这种连接不限于螺纹连接，可以是卡接，凸肋与凹槽配合连接等本领域知晓的方式。
再参见图3，在开孔隔板10以下，所述进液管1通过弯折的方式与冻结管中心重合，便于冷量沿径向均匀传递，如此能够使得冻结管的径向四周所接收到的冷量均匀，冷量径向向四周均匀扩散，形成有效的冻结交圈，形成均匀、连续的冻结壁，防止冻结漏洞。
根据实际施工需要，冻结段和非冻结段的冻结管及其内部进、回液管可通过焊接的方式加长，以满足不同工程需要，绝热接头可根据实际要求布置1个或多个。
本发明进一步提供一种局部冻结器的制作方法，下面将对本发明制作组装方式作进一步地详细描述，具体通过以下步骤实现：
(1)首先将冻结段冻结管与锥形刃角焊接为一体，锥形刃角为倒圆锥或倒棱锥体；
(2)将进液管、回液管与开孔隔板焊接为一体，开孔隔板可采用一圆形钢板，参见图9，其上开设有至少两个圆孔，在圆孔内焊接进液管、回液管，将进液管、回液管的外壁与圆孔的边沿焊接固定，并将接缝焊接密封，确保不漏液；
优选地，步骤(2)之前首先焊接进液管弯折段，使冻结段进液管中心与冻结管中心重合。
(3)将开孔隔板与冻结段冻结管焊接为一体，同样在接缝处焊接密封，确保不漏液；
(4)将过渡套管与开孔隔板焊接为一体，同样在接缝处焊接密封，确保不漏液；
(5)将绝热接头与过渡套管固定为一体；
优选地，步骤(5)之前先在绝热接头套上封水垫圈，确保接头与过渡套管接触面密封；
(6)将非冻结段冻结管与绝热接头固定为一体；
优选地，步骤(6)之前先在绝热接头套上封水垫圈，确保非冻结段冻结管与绝热接头接触面密封；
(7)向非冻结段冻结管内充填隔热材料，优选充填聚氨酯材料；
(8)非冻结段冻结管外壁包裹保温棉，包裹的保温棉厚度根据冷量损失要求进行适当的调整；
优选地，步骤(8)之前，非冻结段冻结管外壁喷涂防热辐射材料，形成一层防热辐射材料层；
(9)冻结管封顶及焊接进液管、回液管羊角。
下面是本发明制作工艺的另一种实施方式，具体采用绝热对丝连接冻结管的上下两部分，通过以下步骤实现：
(1)非冻结段冻结管与锥形刃角焊接为一体；
(2)进液管弯折段焊接，使进液管中心与冻结管中心重合；
(3)将回液管、进液管与开孔隔板焊接为一体，并使得接缝处焊接密封；
(4)将开孔隔板与冻结管非冻结段焊接为一体，并使得接缝处焊接密封；
(5)将开孔隔板与内螺纹套管焊接为一体，并使得接缝处焊接密封；
(6)套上封水垫圈后将内螺纹套管与绝热对丝旋拧为一体；
(7)套上封水垫圈后将非冻结段冻结管与绝热对丝旋拧为一体；
(8)向非冻结段冻结管中充填隔热材料，优选为聚氨酯；
(9)非冻结段冻结管铺设保温棉；
(10)冻结管封顶及进液管、回液管羊角的焊接。
优选地，步骤(9)之前，非冻结段冻结管外壁喷涂防热辐射材料，形成一层防热辐射材料层；
该局部冻结器优点在于：通过绝热接头(绝热对丝)有效减小冷量由冻结段向非冻结段的轴向热传导，通过充填隔热材料(聚氨酯)有效减小非冻结段进液管和回液管的径向热传导，通过保温棉有效减小冷量的径向热传导及热对流，通过喷涂防热辐射材料有效减少冷量的径向热辐射，通过以上的结构及材料布置，从热量传递的三种基本方式阻隔非冻结段的冷量损失，有效减小非冻结段的冷量损失，能够有效降低制冷机的配电功率，节省电能，同时能够缩短冻结交圈时间，加快施工进度。同时，通过以上措施有效减小了非冻结段冻结管的冷量向外传递，从而能够有效避免非冻结段区域的土体最终演变为冻土区，避免增加施工成本和工期，对非冻结段土体开挖有重要意义。冻结管结构形式简单，只需简单的焊接或螺纹连接，便于现场拼接及安装，便于根据冻结深度的需要灵活加长，能够广泛运用于冻结工程中。
以上实例，仅用为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可想到的变化或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种局部冻结器，包括进液管、回液管和冻结管，所述冻结管主要由非冻结段冻结管、冻结段冻结管以及锥形刃角组成，进液管和回液管安装在冻结管内并且上端延伸至冻结管外，在冻结管外冻结管封顶，其特征在于所述局部冻结器还具有：隔热材料、绝热接头、过渡套管、开孔隔板、保温棉，其中，非冻结段冻结管的下端连接绝热接头的上端，绝热接头的下端连接过渡套管，过渡套管下端与开孔隔板固定连接，开孔隔板与下部的冻结段冻结管固定连接，并且，开孔隔板上开设有两个圆孔，所述进液管穿设于其中一个圆孔并延伸至冻结器的底部，进液管在圆孔处与开孔隔板固定连接并在连接处密封，所述回液管安装在非冻结段冻结管内，其下端在另一个圆孔处与开孔隔板固定连接并在连接处密封；在非冻结段冻结管内，所述进液管与回液管之间，以及进液管、回液管与非冻结段冻结管的管壁之间，充填有隔热材料；所述非冻结段冻结管外包裹保温棉；并且，所述非冻结段冻结管具有缩径段和连接段，所述保温棉包裹于缩径段，包裹后保温棉外径与冻结段冻结管外径相等，形成连续的冻结管外壁。
2.如权利要求1所述的局部冻结器，其特征在于，所述开孔隔板为钢板，钢板的上表面与所述过渡套管焊接密封，下表面与所述冻结段冻结管焊接密封，进液管、回液管在所述圆孔处与钢板焊接密封。
3.如权利要求1所述的局部冻结器，其特征在于，所述非冻结段冻结管外壁喷涂有防热辐射材料，形成防热辐射材料层。
4.如权利要求1所述的局部冻结器，其特征在于，所述绝热接头为绝热对丝，所述连接段具有内螺纹，过渡套管为内螺纹套管，绝热对丝的上端与连接段螺纹连接，下端与内螺纹套管螺纹连接，并且在上下两端的接头处设置有封水垫圈。
5.如权利要求1所述的局部冻结器，其特征在于，在开孔隔板以下，所述进液管通过弯折的方式与冻结管中心重合，便于冷量沿径向均匀传递。
6.一种局部冻结器的制作方法，其特征在于具体通过以下步骤实现：
（1）将冻结段冻结管与锥形刃角焊接为一体；
（2）将进液管、回液管与开孔隔板焊接为一体并在接缝处焊接密封；
（3）将开孔隔板与冻结段冻结管焊接为一体并在接缝处焊接密封；
（4）将过渡套管与开孔隔板焊接为一体并在接缝处焊接密封；
（5）将绝热接头与过渡套管固定为一体；
（6）将非冻结段冻结管与绝热接头固定为一体；
（7）向非冻结段冻结管内充填隔热材料；
（8）非冻结段冻结管包裹保温棉；
（9）冻结管封顶及进液管、回液管羊角的焊接。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤（2）之前还具有：焊接进液管弯折段，使冻结段冻结管内的进液管中心与冻结管中心重合。
8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤（5）先在绝热接头套上封水垫圈，然后将绝热接头与过渡套管固定为一体，步骤（6）先在绝热接头套上封水垫圈，然后将非冻结段冻结管与绝热接头固定为一体。
9.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤（8）之前还具有：非冻结段冻结管外壁喷涂防热辐射材料。
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