CN113106964B - 冻结管焊缝开裂预防机构及冻结管焊缝开裂预防方法 - Google Patents

冻结管焊缝开裂预防机构及冻结管焊缝开裂预防方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开冻结管焊缝开裂预防机构及冻结管焊缝开裂预防方法，冻结管焊缝开裂预防机构包括冻结管、供液管、隔板和回液管；隔板将冻结管分成第一冻结管和第二冻结管，供液管经第一冻结管穿过隔板伸入到第二冻结管中，回液管经第一冻结管穿过隔板伸入到第二冻结管中；供液管的第二端与回液管的第二端流体导通形成冻结循环；冻结管焊缝开裂预防方法是使用冻结管焊缝开裂预防机构预防的方法。本发明在冻结管中设置闭路盐水循环系统，即使冻结管在局部冻结施工中因上下温度分布不均而导致冻结管焊缝开裂，闭路循环中的盐水也不会通过冻结管泄露到地层中去，从而避免因冻结管焊缝开裂引发盐水泄露而导致冻结失败的发生。

Description

冻结管焊缝开裂预防机构及冻结管焊缝开裂预防方法
技术领域
本发明涉及冻结管焊缝开裂预防技术领域。具体地说是冻结管焊缝开裂预防机构及冻结管焊缝开裂预防方法。
背景技术
冻结法施工不仅可以保证地层稳定，还能起到较好的隔水效果，可以满足深基坑的施工需求。目前，冻结法施工除了在煤矿建设领域应用广泛外，在城市建设中也有了较广泛的应用。根据施工需求，常常需要将多根冻结管焊接起来才能满足施工深度的要求。在冻结施工过程中，由于受到多种因素的影响，冻结管常会出现焊缝开裂的现象，冻结管焊缝开裂会导致冻结管中的盐水流失，流失的盐水会渗入到冻结壁中引起冻土融化，从而导致冻结壁强度降低，严重影响冻结施工的顺利开展。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种冻结管焊缝开裂预防机构及冻结管焊缝开裂预防方法以解决在冻结施工过程中出现的冻结管焊缝开裂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
冻结管焊缝开裂预防机构，包括冻结管、供液管、隔板和回液管；
所述隔板将所述冻结管分成第一冻结管和第二冻结管，所述供液管的第一端经所述第一冻结管穿过所述隔板伸入到所述第二冻结管中，所述回液管的第一端经所述第一冻结管穿过所述隔板伸入到所述第二冻结管中；
所述供液管的第二端与所述回液管的第二端流体导通形成冻结盐水闭路循环，所述供液管与所述回液管的外径之和小于所述冻结管的内径；
所述第一冻结管中填充有保温材料，所述第二冻结管中填充有导热介质。供液管与回液管形成的冻结循环结构使盐水在供液管与回液管中循环，而不与冻结管管壁直接接触，可避免开放式冻结循环模式中因供液管温度过低、回液管温度过高而导致冻结管管壁两侧受热不均造成的冻结管焊缝开裂。在对地层进行局部冻结施工时，由于未冻结施工位置与冻结施工位置上下温度分布不均匀，也容易引起冻结管焊缝开裂，导致冻结管断裂，使冻结管中的盐水泄露进入地层，最终使得局部冻结失败或失效，而本发明这种冻结管焊缝开裂预防机构是闭路盐水循环系统，不用担心冻结管在局部冻结施工中因上下温度分布不均匀而导致的焊缝开裂，即使发生开裂，也不会因盐水泄露而影响局部冻结的施工效果。
上述冻结管焊缝开裂预防机构，所述供液管的第一端和所述回液管的第一端在所述第一冻结管中平行排列且互不接触；避免供液管中低温盐水与回液管中温度较高的盐水进行热交换；
所述供液管与所述回液管在所述第二冻结管中呈双螺旋结构排列，且所述双螺旋结构的所述供液管侧壁与所述回液管侧壁互不接触；所述双螺旋结构的螺旋圈直径小于所述冻结管的内径。双螺旋结构的设置可以增加热交换面积，使供液管中低温盐水与导热介质的热交换更充分，更有利于第二冻结管各位置温度的均匀性。
上述冻结管焊缝开裂预防机构，所述供液管与所述回液管形成的双螺旋结构为一体式成型或所述供液管的第二端与所述回液管的第二端以焊接的方式连通。使盐水不与冻结管管壁直接接触，而是在供液管和回液管中形成封闭的循环系统，避免冻结管壁因受热不均而导致的焊缝开裂，同时避免在冻结管焊缝开裂时，盐水通过裂缝进入地层影响冻结施工。
上述冻结管焊缝开裂预防机构，所述隔板与所述冻结管的轴线垂直可拆卸连接，所述隔板的直径与所述冻结管的内径相匹配。隔板的设置可将保温材料和导热介质隔绝开来，既能降低供液管进液口和回液管出液口因热交换而带来的冷量损失，又能使供液管和回液管在第二冻结管中充分的进行热交换，防止冻结管壁因冷热不均而造成冻结管焊缝的开裂。
上述冻结管焊缝开裂预防机构，所述保温材料为聚乙烯泡沫材料和/或聚氨酯；所述导热介质为柔性导热材料。第一冻结管中填充保温材料可以阻止供液管进液口处的低温盐水与回液管出液口处的高温盐水进行热交换，以免造成低温盐水中冷量的损失，同时阻止供液管中的低温盐水和回液管中的高温盐水分别与第一冻结管管壁热交换，避免管壁受热不均而造成的焊缝开裂；第二冻结管中填充热介质不仅可以提高循环结构中冷量与冻结管之间的热交换速度，改善冻结效果，还可以加快第二冻结管中供液管与回液管中盐水的热交换速度，使第二冻结管中各位置的温度分布更为均匀，更有利于避免因受热不均而造成的冻结管焊缝的开裂。
冻结管焊缝开裂预防方法，包括如下步骤：
A、冻结管下放：根据施工要求，将冻结管下放至冻结孔中，相邻冻结管与冻结管之间采用焊接的方式进行连接；
B、将所述供液管与所述回液管插入所述冻结管中，所述供液管和所述回液管的侧壁与所述冻结管的内侧壁及底壁的距离均大于零；
C、向第二冻结管中填充导热介质，并将隔板固定安装在所述冻结管中，向第一冻结管中填充保温材料；
D、向所述供液管中通入低温盐水进行循环冻结。在进行循环冻结过程中，供液管中的低温盐水自冻结管的第一端流向第二端时，低温盐水与冻结管管壁及地层发生热交换而导致其温度逐渐升高，当盐水进入回液管时，由于供液管与回液管形成的双螺旋结构，使回液管中温度较高的盐水与供液管中流入的温度较低的盐水进行充分的热交换，使第二冻结管中各位置的温度差较小，从而避免了冻结管因受热不均匀而导致的焊缝开裂。当回液管中的温度较高的盐水到达回液口时，第一冻结管中的保温材料阻止回液管中的高温盐水与供液管中的低温盐水进行热交换，避免了盐水系统中冷量的损失，提高冻结系统的冻结效率，同时保温材料的填充也阻止了供液管中的低温盐水和回液管中的高温盐水与冻结管之间的热交换，避免两侧冻结管温差较大，从而预防冻结管的焊缝开裂。
上述冻结管焊缝开裂预防方法，所述供液管的第一端和所述回液管的第一端在所述第一冻结管中平行排列；所述供液管与所述回液管在所述第二冻结管中呈双螺旋结构排列，且所述双螺旋结构的螺旋圈直径小于所述冻结管的内径。
上述冻结管焊缝开裂预防方法，所述供液管与所述回液管形成的所述双螺旋结构为一体成型或所述供液管的第二端与所述回液管的第二端以焊接的方式连通。
上述冻结管焊缝开裂预防方法，所述保温材料为聚乙烯泡沫材料和/或聚氨酯；所述导热介质为柔性导热材料。
上述冻结管焊缝开裂预防方法，所述隔板与所述冻结管的轴线垂直可拆卸连接，所述隔板的直径与所述冻结管的内径相匹配；所述隔板的安装位置为距离地面最近的冻结管焊缝的上方。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
(1)传统的冻结施工技术在施工时，通常通过供液管将低温盐水直接通入冻结管中，冻结管中的低温盐水通过冻结管壁与地层发生热交换达到冻结的目的。本发明冻结管中的盐水循环系统不同于传统开放式的循环系统，而是采用将供液管与回液管在冻结管中连通起来，形成盐水闭路循环，不用担心冻结管在局部冻结施工中因上下温度分布不均匀而导致的焊缝开裂，即使在局部冻结施工中，因未冻结位置与施工冻结位置的上下温差较大而发生了冻结管焊缝开裂，也不会发生盐水泄露到地层中而导致局部冻结失效或失败的问题，从而保证了局部冻结的施工效果。
(2)本发明在第二冻结管中填充导热介质，导热介质的填充弥补了因盐水不与冻结管直接接触而造成的热传递效率下降，保证了低温盐水与地层的热交换效果；第一冻结管中，保温材料的填充还可以避免冻结循环中的冷量的浪费，提高冻结施工的冻结效率。
(3)传统开放式的盐水循环系统通常会使临近供液管的冻结管壁温度较低，而临近回液管的位置温度较高，从而导致冻结管各位置温度均匀性较差，容易使冻结管焊缝开裂。而本发明在冻结管焊缝开裂预防机构中，通过设置双螺旋结构的闭路盐水循环系统，并在冻结管中填充保温材料和导热介质，使低温盐水在双螺旋循环结构中实现高效的热交换，从而避免盐水与冻结管的直接接触，使第二冻结管中各位置的温度均匀性较高，进而避免第二冻结管因临近供液管的冻结管管壁温度较低、临近回液管的冻结管管壁温度较高而造成的冻结管各部位温差较大而导致的冻结管焊缝开裂。
附图说明
图1本发明冻结管焊缝开裂预防机构的结构示意图。
图中附图标记表示为：1-保温材料；2-导热介质；3-供液管；4-冻结管；5-回液管；6-隔板。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，冻结管焊缝开裂预防机构，包括冻结管4、供液管3、隔板6和回液管5；
隔板6将冻结管4分成第一冻结管和第二冻结管，供液管3的第一端经第一冻结管穿过隔板6伸入到第二冻结管中，回液管5的第一端经第一冻结管穿过隔板6伸入到第二冻结管中；供液管3的第一端和回液管5的第一端在第一冻结管中平行排列且互不接触；避免供液管中低温盐水与回液管中温度较高的盐水进行热交换。
供液管3的第二端与回液管5的第二端流体导通形成冻结盐水闭路循环，供液管3与回液管5的外径之和小于冻结管4的内径；供液管3与回液管5在第二冻结管中呈双螺旋结构排列，且双螺旋结构的供液管3侧壁与回液管5侧壁互不接触；双螺旋结构的螺旋圈直径小于冻结管4的内径。供液管3与回液管5形成的双螺旋结构为一体式成型；双螺旋结构的设置可以使供液管中低温盐水与回液管中较高温度的盐水热交换更充分，有利于第二冻结管各位置温度均匀性的提高。
隔板6与冻结管4的轴线垂直可拆卸连接，隔板6的直径与冻结管4的内径相匹配；隔板的设置可将保温材料和导热介质隔绝开来，既能降低供液管的进液口和回液管的出液口因热交换而带来的冷量损失，又能使供液管和回液管在第二冻结管中充分的进行热交换，防止冻结管壁因冷热不均而造成冻结管焊缝的开裂。
第一冻结管中填充有保温材料1，第二冻结管中填充有导热介质2。保温材料1为聚乙烯泡沫材料；导热介质2为为导热硅胶。
在对地层进行局部冻结施工时，由于未冻结施工位置与冻结施工位置上下温度分布不均匀，容易引起冻结管焊缝开裂，导致冻结管断裂，使冻结管中的盐水泄露进入地层，最终使得局部冻结失败或失效，而本实施例这种冻结管焊缝开裂预防机构是闭路盐水循环系统，不用担心冻结管在局部冻结施工中因上下温度分布不均匀而导致的焊缝开裂，即使发生开裂，也不会因盐水泄露而影响局部冻结的施工效果。
另外，在本实施例中，第一冻结管中填充保温材料可以阻止供液管进液口处的低温盐水与回液管出液口处的高温盐水进行热交换，以免造成低温盐水中冷量的损失，同时阻止供液管中的低温盐水和回液管中的高温盐水分别与第一冻结管管壁热交换，避免管壁两侧受热不均而造成的焊缝开裂；同时，也避免供液管中低温盐水因与冻结管管壁发生热交换而造成冷量在非冻结施工位置的浪费。
第二冻结管中填充导热介质不仅可以提高循环结构中冷量与冻结管、地层之间的热交换速度，改善冻结效果，还可以加快第二冻结管中供液管与回液管中盐水的热交换速度，使第二冻结管中各位置的温度分布更为均匀，有利于避免因受热不均而造成的冻结管焊缝的开裂。
实施例2
冻结管焊缝开裂预防方法，使用实施例1的冻结管焊缝开裂预防机构进行预防，包括如下步骤：
A、冻结管下放：根据施工要求，将冻结管下放至冻结孔中，相邻冻结管与冻结管之间采用焊接的方式进行连接；
B、将供液管3与回液管5形成的双螺旋结构插入冻结管4中，供液管3和回液管5的侧壁与冻结管4的内侧壁及底壁的距离均大于零；
C、向第二冻结管中填充导热介质2，并将隔板6固定安装在冻结管4中，向第一冻结管中填充保温材料1；隔板6的安装位置为距离地面最近的冻结管焊缝的上方。
D、向供液管3中通入低温盐水进行循环冻结。
在进行局部循环冻结过程中，供液管中的低温盐水自冻结管的第一端流向第二端时，低温盐水与冻结管管壁及地层发生热交换而导致其温度逐渐升高，当盐水进入回液管时，由于供液管与回液管形成的双螺旋结构，使回液管中温度较高的盐水与供液管中流入的温度较低的盐水进行充分的热交换，使第二冻结管中各位置的温度差较小，从而避免了冻结管因受热不均匀而导致的焊缝开裂。当回液管中的温度较高的盐水到达回液口时，第一冻结管中的保温材料阻止回液管中的高温盐水与供液管中的低温盐水进行热交换，避免了盐水系统中冷量的损失，提高冻结系统的冻结效率，同时保温材料的填充也阻止了供液管中低温盐水和回液管中高温盐水与冻结管之间的热交换，避免两侧冻结管温差较大，从而预防距离第一冻结管较近的冻结管焊缝的开裂。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (2)

1.冻结管焊缝开裂预防机构，其特征在于，包括冻结管（4）、供液管（3）、隔板（6）和回液管（5）；
所述隔板（6）将所述冻结管（4）分成第一冻结管和第二冻结管，所述供液管（3）的第一端经所述第一冻结管穿过所述隔板（6）伸入到所述第二冻结管中，所述回液管（5）的第一端经所述第一冻结管穿过所述隔板（6）伸入到所述第二冻结管中；
所述供液管（3）的第二端与所述回液管（5）的第二端流体导通形成冻结盐水闭路循环，所述供液管（3）与所述回液管（5）的外径之和小于所述冻结管（4）的内径；
所述第一冻结管中填充有保温材料（1），所述第二冻结管中填充有导热介质（2）；
所述供液管（3）的第一端和所述回液管（5）的第一端在所述第一冻结管中平行排列且互不接触；
所述供液管（3）与所述回液管（5）在所述第二冻结管中呈双螺旋结构排列，且所述双螺旋结构的所述供液管（3）侧壁与所述回液管（5）侧壁互不接触；所述双螺旋结构的螺旋圈直径小于所述冻结管（4）的内径；
所述供液管（3）与所述回液管（5）形成的双螺旋结构为一体式成型或所述供液管（3）的第二端与所述回液管（5）的第二端以焊接的方式连通；
所述隔板（6）与所述冻结管（4）的轴线垂直可拆卸连接，所述隔板（6）的直径与所述冻结管（4）的内径相匹配；
所述保温材料（1）为聚乙烯泡沫材料和/或聚氨酯；所述导热介质（2）为柔性导热材料。
2.冻结管焊缝开裂预防方法，其特征在于，使用权利要求1所述的冻结管焊缝开裂预防机构进行预防，包括如下步骤：
A、冻结管下放：根据施工要求，将冻结管（4）下放至冻结孔中，相邻冻结管（4）与冻结管（4）之间采用焊接的方式进行连接；
B、将所述供液管（3）与所述回液管（5）插入所述冻结管（4）中，所述供液管（3）和所述回液管（5）的侧壁与所述冻结管（4）的内侧壁及底壁的距离均大于零；
C、向第二冻结管中填充导热介质（2），并将隔板（6）固定安装在所述冻结管（4）中，向第一冻结管中填充保温材料（1）；
D、向所述供液管（3）中通入低温盐水进行循环冻结；
所述供液管（3）的第一端和所述回液管（5）的第一端在所述第一冻结管中平行排列；所述供液管（3）与所述回液管（5）在所述第二冻结管中呈双螺旋结构排列，且所述双螺旋结构的螺旋圈直径小于所述冻结管（4）的内径；
所述供液管（3）与所述回液管（5）形成的所述双螺旋结构为一体成型或所述供液管（3）的第二端与所述回液管（5）的第二端以焊接的方式连通；
所述保温材料（1）为聚乙烯泡沫材料和/或聚氨酯；所述导热介质（2）为柔性导热材料；
所述隔板（6）与所述冻结管（4）的轴线垂直可拆卸连接，所述隔板（6）的直径与所述冻结管（4）的内径相匹配；所述隔板（6）的安装位置根据施工需求的冻结范围确定。
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