CN110004911B - 一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法，该冷垫系统包括蓄能冷却箱体以及设在该箱体顶部与之相连通的进风通道和出风通道；所述蓄能冷却箱体用于设在冻土层、置于待保护埋设对象下方，并且其顶部不低于冻土上限；所述进风通道和出风通道位于所述待保护埋设对象两侧且两者顶部均高于地表、与自然大气相连通。本发明冷垫系统应用时，形状大小与待保护埋设对象相适应，仅利用自然环境中的天然资源就能为待保护埋设对象提供整体、均匀的温控效果，使待保护埋设对象周围冻土始终处于稳定的低温状态，有效防止冷季冻胀和暖季融沉现象的发生，从根本上解决了冻土区埋设对象特别是线性工程中差异性冻胀融沉的问题。

Description

一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及多年冻土区冷垫技术领域，尤其涉及一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法。

背景技术

冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。

我国从俄罗斯、哈萨克斯坦进口的原油和天然气正在以前所未有的速度增长，然而输送这些油气资源的管道必须穿越多年和季节冻土区，而多年冻土区油气管道工程是个全球性工程难题，其中，差异性冻胀融沉是制约输油管线工程设计和运行中最重要的问题。

由于多年冻土区长距离输油管线地基下部及其周围多年冻土的温度状态和含冰量对岩土工程的性质有很大影响，融化后土体的承载力严重降低，导致局部排水、土壤条件、地质条件发生显著改变，进而使管道周围土体的冻胀敏感性、冻结条件、水分迁移条件发生改变，给管道造成显著的冻胀和融沉破坏。

例如，从美国阿拉斯加北坡穿越低温多年冻土区抵达阿拉斯加南部瓦尔迪斯港的1280km长的输油管线，由于最初采用的是传统埋地式设计，导致管道沿线3/4长度产生显著的融沉；加拿大罗曼井到克努尔的输油管道，由于管道基础稳定措施不到位，导致运营中冻胀、融沉问题突出，虽然后期采取了油料经地表冷却再输送等措施，冻融区过渡带的冻胀融沉以及多年冻土边坡的稳定性问题仍时有发生；在我国，格尔木至拉萨成品油管道工程全长1076km，其中560km穿越青藏高原多年冻土区，由于管线基础处理不到位，自运行以来冻胀融沉造成多处管线暴露、管道翘曲变形，严重影响该输油管线的安全运营和西藏区域经济的发展。再则，寒区的道路工程(公路、铁路等) 均由于基础底部不稳定而造成工程的服役性能严重降低、严重影响道路的行车安全。

由此可见，在冻土区线性工程基础的稳定与否直接关系到道路运输、管道输送等油气资源的顺利开采、输运成本以及沿线生态环境的安全。但是现有技术中的措施仍然没能有效处理好冻土区线性工程基础的稳定性问题，比如仍然存在以下几方面的问题：

(1)实际上，在冻土区所有的线性工程均存在不均匀沉降问题，尤其对于埋藏式输油(气)管线工程，为了避免剧烈的冻胀或融沉，通常采用间隔式支撑、或在管线两侧间隔插设热管，而热管的特点在于点式降温，即在插埋热管的位置降温效果显著，有措施管段的土体冻胀融沉相对缓和，而没有热管措施的管段土体冻融仍较为强烈，这种差异性沉降导致整个管线的变形、翘曲现象更为普遍和严重，由此对工程稳定性构成严重影响。

(2)虽然多年冻土区岩土工程和管道材料以及施工技术日新月异，但油/气在管道输运过程中由于自身携带热量和摩擦产生的热量导致的管道周围冻土融化造成的基础失稳问题至今仍未得到较好的解决，相应的技术发明应用尚处于空白。

(3)虽然目前有大量的名称为“冷垫”或“制冷系统”的专利 (发明、实用新型)，如：一种冷量缓释恒温冷垫(申请号： 201420231993.9)、无动力保温或保冷垫(申请号：201420421925.9)、制冷系统(申请号：201680043949.7)、一种制冷系统(申请号：201711266214.3)等等，但是这些技术均需要专门的电力供给，而在偏远地区特别在高寒偏远的冻土地带，电力匮乏或无法送达，依靠电力制冷的技术更无法推广实施。对于广袤高寒冻土区域的工程建设，维持冻土地基稳定是保障工程安全运营和促进区域经济发展的重中之重，现有制冷保温措施均难以保证大面积，尤其是长距离线性工程冻土基础稳定的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统及其施工方法，该冷垫系统能够在没有动力供给的情况下为埋设工程提供整体、连续、均匀的温控效果，有效防止埋设工程发生冻胀融沉现象的产生。

为解决上述问题，本发明所述的一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统，该冷垫系统包括：蓄能冷却箱体以及设在该箱体顶部与之相连通的进风通道和出风通道；其中，所述蓄能冷却箱体内部空间的底部设有蓄能体、上部设有水平放置的辐射隔热板，所述蓄能体内部填充相变蓄能材料，该材料的相变温度低于冰体和冻土的相变温度；所述进风通道和所述出风通道对角设置，所述进风通道由导热性材料制成，所述出风通道由保温性材料制成；所述蓄能冷却箱体用于设在冻土层、置于待保护埋设对象下方，并且其顶部不低于冻土上限；所述进风通道和出风通道位于所述待保护埋设对象两侧且两者顶部均高于地表、与自然大气相连通。

优选的，该冷垫系统还包括设在所述进风通道和/或所述出风通道顶部上方的防尘罩。

优选的，所述进风通道的进风口在竖直方向上低于所述出风通道的出风口。

优选的，所述蓄能体的数量为多个，其在所述蓄能冷却箱体底部均匀间隔分布。

优选的，所述辐射隔热板的数量为多个，其在水平方向上间隔分布、在竖直方向上多层间隔布置且上层两隔板之间的间隙与下层两隔板之间的间隙相互错开。

优选的，所述辐射隔热板包括底部保温基层和顶面反射面层。

优选的，所述待保护埋设对象具体为输油管道、输气管道、道路或建筑工程的基础。

优选的，所述相变蓄能材料具体为水、盐水、冷却剂、高分子聚合物中的一种或者多种组合。

本发明还相应提供了一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统的施工方法，该方法包括：

(1)开挖坑槽至冻土上限以下，对坑槽进行修整和基础处理后将冷垫系统放置于坑槽中，并确保所述冷垫系统中的蓄能冷却箱体顶部不低于冻土上限；

(2)将待保护埋设对象放置于所述蓄能冷却箱体顶部、进风通道和出风通道之间，并固定所述埋设对象的位置进行固定；

(3)对所述坑槽进行回填，并使所述冷垫系统中所述进风通道和出风通道高于回填地表、与自然大气相连通，以及确保所述冷垫系统四周土体密实。

本发明冷垫系统的工作原理主要为：在外界环境温度低于冷垫系统中箱体内部温度条件下，比如冬季、暖季夜间气温降低或者受输油管线的油温影响等时候，箱体中蓄能体大量放热(以下简称冷季放热)，防止埋设对象周围温度过低导致冻胀损坏的现象；在外界环境温度高于冷垫系统中箱体内部温度条件下，比如暖季等时候，箱体中蓄能体大量吸热(以下简称暖季吸热)，防止埋设对象周围温度过高导致融沉的现象。由此使得待保护埋设对象周围冻土始终处于稳定的低温状态，有效避免冻胀融沉现象的发生。具体内容见下。

(1)箱体的放热阶段：在外界环境温度低于箱体内部温度条件下，箱体内空气温度高于环境温度，即箱体内空气密度小于环境空气密度，具有向上、向外界发生迁移的动力；同时进风通道和出风通道由于管壁导热性能的不同会产生温度差，导致箱体内部的空气产生密度差即重力差。在该重力差和箱体内部空气向上的共同驱动下，会使密闭箱体内部空气与外界空气发生对流换热过程。该驱动力在箱体内部的空气温度高于环境温度条件下始终存在，对流换热不断进行。随着对流换热的进行，箱体内的温度不断降低，蓄能体会在温度低于其相变温度的条件下发生相变过程并放热，阻止箱体内部的温度进一步降低，进而防止埋设对象周围冻土温度进一步降低。直到箱体内部温度与外界环境温度基本相同或者或低于环境温度时，上述箱体内部放热过程结束。

(2)箱体的吸热阶段：在外界环境温度高于箱体内部温度条件下，箱体内空气温度低于环境空气温度，即箱体内的空气密度大于外界环境空气密度，内部与外界的对流换热的驱动力无法形成，即在该种条件下不存在箱体内部与外界的对流换热过程，传热过程仅为自上而下的热传导过程。在该过程中，随着外界环境的升温或在上部埋设对象传热的影响下，箱体顶部温度开始升高，并通过箱体顶面的热辐射和内部空气的热传导向箱体的下部进行传热。由于空气的导热系数很低，传热过程主要通过热辐射进行，而本发明设置在箱体内上部的辐射隔热板能够有效阻止该种传热通道。随着时间的不断推移，箱体内部的温度会不断缓慢升高，在箱体内部温度接近蓄能体的相变温度的条件下，蓄能体开始发生相变和吸热过程，由此阻止箱体、特别是箱体底部温度的进一步升高，由此保证箱体底部的冻土保持冻结和稳定状态。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、无需电力供给，温控效果整体连续均匀，克服差异性冻胀融沉问题

本发明冷垫系统在使用过程中，本发明冷垫系统形状大小与待保护埋设对象相适应，并且整体铺设于待保护埋设对象底部，无需电力供给仅利用自然环境中的天然资源就能够实现高效能的冷季自动放热、暖季自动吸热功能，使得待保护埋设对象周围冻土始终处于稳定的低温状态，有效防止冷季冻胀和暖季融沉现象的发生；并且在这一过程中，由于箱体结构的整体性，相较现有技术中热管的点式降温，本发明能够为待保护埋设对象提供整体、连续、均匀的温控效果，从根本上解决了冻土区埋设对象差异性冻胀融沉的问题。此外，针对待保护对象为油气管道的情况，上述箱体同时还起到隔离作用，杜绝管道下部水热迁移产生的冻胀融沉问题。

2、能够提供线性、面性温控效果，实用性强

本发明中，冷垫系统的形状大小可以根据待保护埋设对象进行相适应设计，比如，针对输油管道、输气管道等线性工程，可以对冷垫系统进行长条形的线性结构设计、整体连续铺设，以满足线性冻土工程对于线性、整体、均匀降温的特殊要求，解决埋设线性工程的冻土问题，并从根本上保证线性工程的稳定性；又比如，针对面性工程，将箱体进行相适应的面性设计即可。

3、解决污染环境多发的突出问题

寒区线性工程，特别是输油(气)管线由于冻胀融沉等不良地质灾害导致管道翘曲断裂、油气泄露等事故往往会产生较为严重的生态环境污染，良好的基础稳定性是预防输油气管线泄漏的先决条件和重要保证。本发明冷垫系统能够有效确保输油气管线基础的稳定，从而有效降低管道工程沿线污染环境多发突出的问题。同时，本发明冷垫系统属于埋地式措施，施工后不侵占土体和对土体造成污染，从而确保工程建设与生态环境和谐统一。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的冷垫系统的横向结构示意图。

图2为本发明实施例提供的冷垫系统的纵向结构示意图。

图3为本发明实施例提供的冷垫系统中辐射隔热板的结构示意图。

图中：1—防尘罩，2—进风通道，3—蓄能冷却箱体，4—蓄能体， 5—辐射隔热板，6—出风通道，7—输油管道，8—冻土层，9—冻土上限，10—施工开挖坑槽，11—回填土，12—底部保温基层，13—顶面反射面层。

具体实施方式

参考图1～2，本发明实施例公开了一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统，该冷垫系统主要包括蓄能冷却箱体3以及设在该箱体顶部与之相连通的进风通道2和出风通道6，蓄能冷却箱体3内部空间的底部设有蓄能体4、上部设有水平放置的辐射隔热板5，进风通道 2和出风通道6在蓄能冷却箱体3顶部对角设置，尽可能保证箱体内部空气均能参与对流换热过程。

该冷垫系统进一步还可以包括设在进风通道2和/或出风通道6 顶部上方的防尘罩1，用于防止外部灰尘、降水、沙粒等进入。

本发明冷垫系统投入使用时，蓄能冷却箱体3设在冻土层8、置于待保护埋设对象下方，并且其顶部不低于冻土上限9；进风通道2 和出风通道6分位于待保护埋设对象两侧且两者顶部均高于地表、与自然大气相连通。进一步地，可以使进风通道2的进风口在竖直方向上低于出风通道6的出风口，由于进风通道2的材质为导热性良好的金属且底端深入蓄能冷却箱体3内部，而出风通道6为保温性较好的材质且底端与蓄能冷却箱体3顶部联通。在外界环境低于箱体内部温度的条件下，进风通道2受到管壁快速传热影响温度很快降低，与此同时出风通道6受管壁保温作用，温度降幅很慢，由此导致进风通道 2、出风通道6内的空气存在温度差，即导致空气密度差、重力差的存在，并开始触发、驱动整个箱体内的空气流动过程，随着进程，出风通道6内的空气温度接近箱体内较高的空气温度，使得进出风两个通道内的温度差达到最大，驱动力、空气流速达到最大。由此使得夜间、或冬季的冷能充分蓄积到箱体的内部。

可以理解的是，蓄能冷却箱体3由于埋设于冻土层中，而冻土为水分的阻隔层，因此在多年冻土上限附近往往会富集较多的水分，因此需要保证箱体的密闭性，防止水分进入同时保证内部换热过程的顺利实现。

其中，待保护埋设对象具体可以为输油管道、输气管道、道路或建筑工程的基础等线性埋设工程的客体，也可以为面性埋设工程中的客体，在实际应用中根据待保护埋设对象的形状大小相适应设计冷垫系统形状大小即可，其中，可理解的是，从本发明冷垫系统工作原理可以看出，本发明冷垫系统不宜过大，若待保护埋设对象的线性长度过长或者面性面积过大，可视情况将本发明冷垫系统拼接组合使用。

蓄能体4内部填充相变蓄能材料，该材料的相变温度低于冰体和冻土的相变温度，在实际应用中具体可以采用具有相变高吸热或放热特性的相变蓄能材料，比如水、盐水、冷却剂、高分子聚合物等中的一种或者多种组合。在箱体吸热过程中，由于蓄能体的相变温度低于冰体和冻土的相变温度，由此使得蓄能体完全发生相变后，才可能会产生箱体底部的进一步升温；可以理解的是，在实际应用中，根据实施地区的环境条件，对蓄能体大小和物质的调整，使其蓄积的能量足以抵抗暖季相变过程的完成即可。

进风通道2由导热性材料制成，比如导热性良好的金属管材，出风通道6由保温性材料制成，比如保温性较好的管材或者金属管材外侧包裹保温材料。在实际应用中，可以使进风通道2的底端稍稍超过蓄能冷却箱体3内壁，出风通道6底端与蓄能冷却箱体3内壁平齐，便于对流换热空气的进入和流出。此外，进风通道2和出风通道6实际的使用数量可根据实际情况进行调整。

进一步地，蓄能体4的数量可以为多个，它们在蓄能冷却箱体3 底部均匀间隔分布，铺满整个箱体底部；每个蓄能体的外形可以为圆柱体或长方体等结构。蓄能体4间隔排列的作用在于冷季对流换热过程中蓄能体4与空气的大面积接触和换热过程的快速进行，还在于暖季利用静止的空气进一步增加保温性能。

辐射隔热板5的数量可以为多个，其在水平方向上间隔分布、在竖直方向上多层间隔布置且上层两隔板之间的间隙与下层两隔板之间的间隙相互错开。单个辐射隔热板5包括底部保温基层12和顶面反射面层13，底部保温基层12为具有一定保温性能的轻质材料，顶面反射面层13为铝箔等具有反射功能的材料。蓄能冷却箱体3内壁上具有固定辐射隔热板5位置的固定结构。

基于上述实施例公开的冷垫系统，本发明实施例还相应提供了一种施工方法，参考图1～2，该方法具体包括如下步骤：

(1)开挖坑槽至冻土层以下，对坑槽进行修整和基础处理后将冷垫系统放置于坑槽中，并确保冷垫系统中的蓄能冷却箱体顶部不低于冻土上限。

具体地，以待保护埋设对象为输油管道7为例，在输油管道7穿越的冻土地段，针对冻胀融沉严重的管段，采用人工或机械开挖坑槽 10，其深度能够使蓄能冷却箱体3顶部与冻土上限9平齐；对坑槽 10进行必要的修整及基础处理后，将本发明冷垫系统缓慢放置于坑槽10中的基础之上并固定其位置，确保该系统中进风通道2、出风通道6与蓄能冷却箱体3牢固连接。

(2)将待保护埋设对象放置于蓄能冷却箱体顶部、进风通道和出风通道之间，并固定埋设对象的位置进行固定。

具体地，将输油管道7缓慢吊装并放置于冷垫系统的蓄能冷却箱体3顶部，并对安放的输油管道进行固定，避免输油管道7滚动对冷垫系统的对流换热管道产生破坏，同时确保进风通道2、出风通道6 分别位于输油管道7的两侧。

(3)对坑槽进行回填，并使冷垫系统中进风通道和出风通道高于回填地表、与自然大气相连通，以及确保冷垫系统四周土体密实。

具体地，根据开挖坑槽10的土质特性，采用原土或换填土对其进行分层回填并夯实，确保冷垫系统四周的土体密实、不存在大的空隙；在施工过程中，严格避免砂石、粉尘等杂物通过进风通道2、出风通道6进入蓄能冷却箱体3内，造成该冷垫系统损坏或效能降低。

在多年冻土区输油管线铺设过程中，对于冻涨融沉等不良地质灾害严重的管段，为避免基础失稳导致管线变形、断裂及其油气泄漏等重大灾害的发生，应用本发明冷垫系统能够有效防止冻土冻胀融沉等不良地质灾害的发生，使输油气管道变形断裂及其泄漏的风险降至最低。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统，其特征在于，该冷垫系统包括：蓄能冷却箱体以及设在该箱体顶部与之相连通的进风通道和出风通道；其中，所述蓄能冷却箱体内部空间的底部设有蓄能体、上部设有水平放置的辐射隔热板，所述蓄能体内部填充相变蓄能材料，该材料的相变温度低于冰体和冻土的相变温度；所述进风通道和所述出风通道对角设置，所述进风通道由导热性材料制成，所述出风通道由保温性材料制成；

所述蓄能冷却箱体用于设在冻土层、置于待保护埋设对象下方，并且其顶部不低于冻土上限；所述进风通道和出风通道位于所述待保护埋设对象两侧且两者顶部均高于地表、与自然大气相连通；所述辐射隔热板的数量为多个，其在水平方向上间隔分布、在竖直方向上多层间隔布置且上层两隔板之间的间隙与下层两隔板之间的间隙相互错开；所述辐射隔热板包括底部保温基层和顶面反射面层。

2.如权利要求1所述的冷垫系统，其特征在于，该冷垫系统还包括设在所述进风通道和/或所述出风通道顶部上方的防尘罩。

3.如权利要求1所述的冷垫系统，其特征在于，所述进风通道的进风口在竖直方向上低于所述出风通道的出风口。

4.如权利要求1所述的冷垫系统，其特征在于，所述蓄能体的数量为多个，其在所述蓄能冷却箱体底部均匀间隔分布。

5.如权利要求1所述的冷垫系统，特征在于，所述待保护埋设对象具体为输油管道、输气管道、道路或建筑工程的基础。

6.如权利要求1所述的冷垫系统，其特征在于，所述相变蓄能材料具体为盐水、冷却剂中的一种或者多种组合。

7.一种权利要求1所述的多年冻土区保护埋设对象的冷垫系统的施工方法，该方法包括：

（1）开挖坑槽至冻土上限以下，对坑槽进行修整和基础处理后将冷垫系统放置于坑槽中，并确保所述冷垫系统中的蓄能冷却箱体顶部不低于冻土上限；

（2）将待保护埋设对象放置于所述蓄能冷却箱体顶部、进风通道和出风通道之间，并固定所述埋设对象的位置；

（3）对所述坑槽进行回填，并使所述冷垫系统中所述进风通道和出风通道高于回填地表、与自然大气相连通，以及确保所述冷垫系统四周土体密实。