CN113983234B - 非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置及方法，所述装置包括沿管道的长度方向铺设的保温板和纳米热棒，以及给所述纳米热棒供电的电力装置，所述电力装置与所述纳米热棒电连接，所述保温板设置于管道的正下方，所述纳米热棒紧贴敷设于所述保温板下方。本发明采用主动控制的思路，变被动为主动，主动输入热量，去和冷输管道的冷量平衡，人为增加热源调节温度。保温板和纳米热棒的复合措施方式，充分利用了各自措施的优点，整合到一起，二者协同作用从而功效最大化，不仅可以减缓冷输天然气管道管基土冻胀，最主要是可以控制冷输天然气管道管基土冻胀。

Description

非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置 及方法

技术领域

本发明涉及天然气管道管基土冻胀灾害防治技术领域，特别是涉及一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置及方法。

背景技术

多年冻土地带，如北极大陆架以及北美北部、西伯利亚等地区的天然气资源丰富，资源勘探开发和外输管道建设日益受到广泛重视。冻土对温度极其敏感，若管道输送温度高将引起管基土融沉；若管道输送温度低将引起管基土冻胀，管基土差异性融沉或冻胀会威胁管道结构安全，可能导致管道过量变形、弯曲破坏。

土体冻胀的发生至少需要三个条件：(1)充足的水源，在冻结缘处冰晶生长；(2)冻胀敏感性土，一般是细颗粒土为主；(3)冷源存在，吸收土体热量。现有技术通过调节天然气输送温度技术可以解决天然气管道大部分管段的融沉问题，但在局部管道依然会出现冻胀问题，原因有两点。一是长距离输送管道只能在沿线少数节点处如压气站等通过增设空冷器或换热器设备以达到输气温度调控的目的，而且只能调控出站温度，而出站冷却气流在焦耳—汤姆逊效应的作用下，管道和围岩土的换热是持续进行的。流向下游沿线各点处的轴向温度不断变化，几乎无法做到精准调控，起码调控需要一定的时间。下游压气站进站处管段附近气流温度可以低至-15.0～-5.0℃，是冻胀发生的大概率高发管段。二是在不连续多年冻土区，冻土带和非冻土带断续分布或频繁过渡，冻胀敏感性不同的土体也分布不均，在局部地段可能就会出现冷输管道使得融区地段的围岩土产生冻结，随着时间推移，管道周围会形成越来越厚的冻结圈，形成强烈冻胀，容易引发管基土冻胀病害，结果可能导致管道受力、弯曲或椭圆化变形。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的天然气局部管道管基土冻胀问题，而提供一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置。

本发明的另一目的，提供一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，所述装置包括沿管道的长度方向铺设的保温板和纳米热棒，以及给所述纳米热棒供电的电力装置，所述保温板设置于管道的正下方，所述纳米热棒紧贴所述保温板下方敷设。

在上述技术方案中，所述保温板与管道最底端的间距为100-300mm，所述保温板的宽度比所述管道的直径大50-150mm。

在上述技术方案中，所述保温板包括聚氨酯泡沫保温板和包裹于所述聚氨酯泡沫保温板外的外包层，所述外包层的材质为高密度聚乙烯。

在上述技术方案中，所述纳米热棒设有1-3根，优选为两根，每一所述纳米热棒的长度和所述保温板纵向长度相同。

在上述技术方案中，所述非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置还包括管道监测系统，所述管道监测系统包括一体化控制装置和一个或多个管道检测模块，每一个管道检测模块和每一所述纳米热棒与所述一体化控制装置通讯连接。

在上述技术方案中，每一个所述管道上设置三个管道检测模块，其中管道的起点、终点和中部位置各设置一个所述的管道检测模块。

在上述技术方案中，每一个所述管道检测模块包括一个或多个热敏电阻传感器以及一个或多个振弦式应变计，每一个热敏电阻传感器与所述一体化控制装置通讯连接，每一个振弦式应变通过应变监测模块与所述一体化控制装置通讯连接。

在上述技术方案中，每一个所述管道检测模块包括六个所述热敏电阻传感器，其中一个所述热敏电阻传感器紧邻所述管道的最底端，三个所述热敏电阻传感器位于管底下方50-150mm土层的同一高度上，每一个所述纳米热棒上对应绑定一个所述热敏电阻传感器，所述振弦式应变计的个数为三个，分别焊接于所述管道的顶点、最左侧和最右侧。

在上述技术方案中，所述电力装置包括蓄电池和太阳能发电板，所述太阳能发电板与所述蓄电池电连接，所述蓄电池给所述纳米热棒供电。

本发明的另一方面，提供一种所述非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置的冻胀防治方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，挖掘管沟，管顶上方覆土层最小厚度900mm，管底下方挖深200-400mm，管沟坡度为1:0.67-1:1.5；

步骤2，布设热敏电阻传感器、保温板、纳米热棒至相应位置，连接电力装置；

步骤3，布设管道和振弦式应变计至相应位置；

步骤4，回填管沟，管沟回填时，填至地面以上300-400mm，用于覆土自然沉降。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用主动控制的思路，变被动为主动，主动输入热量，去和冷输管道的冷量平衡，人为增加热源调节温度。保温板和纳米热棒的复合措施方式，充分利用了各自措施的优点，整合到一起，二者协同作用从而功效最大化，不仅可以减缓冷输天然气管道管基土冻胀，最主要是可以控制冷输天然气管道管基土冻胀。

2.本发明节能效益显著，保温板减少了换热强度，即降低了所需纳米热棒热量输入量。纳米热棒本身具有发热快、发热稳定等特点，是普通发热材料发热效率的2倍以上。除了电阻热，自身特殊纳米合金材料振动，还产生额外的暗红外辐射热。温控系统自动调节工作时间，无需人工干预，进一步降低能量消耗。

3.本发明的纳米热棒可交直流供电，在低电压下(1-36V)也可以工作，太阳能板发电电压可以匹配，解决了能源长期供应，根据工程需要，纳米热棒截面形式、长度均可定制，如带状、线状等；可浸泡在水中使用；在低温-40℃环境条件下依然正常工作，适用环境更广。

4.本发明通过对管道周边冻土温度调控，减低对管道形变能力的要求，无需管基土更换，土方节省投资。只是在传统的管沟开挖、回填基础上，增加了保温板、温度传感器、纳米热棒的布置，施工空间充裕，与现有类似发热电缆、电伴热带相比较，一次投入成本相当，全寿命运营成本节约40％～60％。

5.本发明使用灵活，可根据预保护的潜在冻胀区管道管段长度来确定该复合措施的使用长度，并且设置有温度加应变双重监测手段，可及时对管道周边温度进行精确调控，从而更好的保证管道本质安全。

6.该发明不仅可以减缓冻胀，最主要是可以控制冻胀，和管道运行温度调控措施配套使用，管道运行温度调控措施是解决大部分管段冻胀问题，该发明主要是解决了局部管段的冻胀问题。

附图说明

图1所示为本发明的管道截面布置图。

图中：1-纳米热棒，2-保温板，3-管道，4-热敏电阻传感器，5-振弦式应变计，6-一体化控制装置，7-蓄电池，8-太阳能发电板。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，如图1所示，所述装置包括沿管道3的长度方向铺设的保温板2和纳米热棒1(全称为分子振动暗红外纳米热棒)，以及给所述纳米热棒1供电的电力装置，纳米热棒1主动向管基土输入热量，升高土体温度，减少因冷输天然气管道运行而导致的管周土热量损失，阻止管道周围冻结圈的形成。确保管基土一直处于正温状态，避免冻胀的发生，所述保温板2设置于管道3的正下方，与管道3最底端的间距为200mm，保温板2的宽度大于所述管道3的直径，在管道3直径的基础上，两侧各延伸50mm，所述保温板2包括聚氨酯泡沫保温板和包裹于所述聚氨酯泡沫保温板外的外包层，采用绿色环保材料高密度聚乙烯做外包层，不分解出有毒有害物质，且耐腐蚀性能高。所述保温板2在降低管土换热强度的同时，通过改变冷输天然气管道管周吸热方向，将冻结圈的发展方向由垂直方向转化为水平方向，而管道3两侧的土体冻胀对管道3的威胁远远小于管道3下方土体。所述电力装置与所述纳米热棒1电连接，所述电力装置为所述纳米热棒1供电。

在本实施例中所述纳米热棒1选用两根，两根所述纳米热棒1紧贴敷设于所述保温板2下方两侧，所述纳米热棒1和所述保温板2纵向长度相同，其长度取决于需要保护的冻土区管段长度。所述保温板2可以降低所述纳米热棒1的能耗，所述纳米热棒1的直径0.5-10mm；所述纳米热棒1的工作电压为0-36V；根据需要，所述纳米热棒1的功率可选低功率型(小于10W/m)、中功率型(10-20W/m)、高功率型(大于20W/m)；所述纳米热棒1的耐温等级为：低功率型，75℃；中功率型，125℃；高功率型，220℃。

所述纳米热棒1由纳米合金材料发热丝和绝缘层构成，所述纳米合金材料发热丝是多种微丝的重新组合，所述微丝之间通过接触和共振作用迅速传热。所述纳米热棒1工作原理为将电能转化为分子振动发热，通过暗红外辐射将热量传递出去，除产生电阻热量，还有暗红外辐射热量。在通电情况下，所述纳米热棒1体内特殊纳米合金材料通过分子振动发热，并且在直径60mm区域形成共振区域。该区域为暗红外辐射区，对置于其中的物体进行辐射加热。产品有别于已有的发热线(铜、镍铬电热丝、碳纤维、漆包线等)。所述纳米热棒1主要优点为(1)交直流供电发热，低压下仍能工作。普通电伴热产品一般采用交流供电，且低于36V供电几乎不能发热；所述纳米热棒1可交直流供电，在低电压下(1-36V)也可以工作。(2)发热速度快。具有1～36V电压下几秒内可发热至1℃～200℃的功能。(3)发热效率高。相同截面积的情况下，纳米发热体具有更大的表面积，增强了相对发热能量。通过自身特殊材料振动还产生暗红外辐射热量，是其它普通发热体发热效率的2倍以上，可节电50～80％。

(4)经济性好。

实施例2

为了控制所述纳米热棒1，减少管道3破坏，在实施例1基础上，所述非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置还包括管道监测系统，所述管道监测系统包括一体化控制装置6和N个管道检测模块，每一个管道检测模块与所述一体化控制装置6通讯连接。

优选的，N＝3，每一个所述管道3上设置三个管道检测模块，其中管道3起点、终点、中部位置各设置一个管道检测模块。每一个所述管道检测模块包括一个或多个热敏电阻传感器4以及一个或多个振弦式应变计5。为弥补单一的温度监测手段，防止因温度监测失效而导致管道变形事故，在管道周围布设振弦式应变计。每一所述纳米热棒1、热敏电阻传感器4和振弦式应变计5均与所述一体化控制装置6连接，在本实施例中每一个所述管道检测模块包括六个所述热敏电阻传感器4，其中一个所述热敏电阻传感器4紧邻所述管道3的最底端，用于测量管道3的温度；三个位于管底下方100mm土层的同一高度上，用于测量土体温度；另外所述热敏电阻传感器4对应绑定在一个所述纳米热棒1上，用于测量纳米热棒1的发热温度。所述振弦式应变计5的个数为三个，分别焊接于所述管道3的顶点、最左侧和最右侧(即通过在同一个断面管道外表面9点、12点、3点方位焊接振弦式应变计)，用于实时监测管道3的变形，防止因温度监测失效而导致管道3变形事故，每一所述振弦式应变计5与应变监测模块电连接，所述应变监测模块是利用弹性变形条件下的力学假设及材料力学公式、胡克定律算法，在管道3截面3个位置的轴向应变已知的前提下，能够求解管道3截面最大轴向应力。方便与管材最低屈服强度进行比较，从而进行管道3的强度校核。所述一体化控制装置6分别与所述热敏电阻传感器4和所述应变监测模块电连接，所述一体化控制装置6兼具温度、应变数据采集功能，数据通过信号传输至监控中心，监控中心通过指令控制所述一体化控制装置6，进而控制纳米热棒1。

实施例3

为了减少能源消耗，同时进一步控制纳米热棒1，从而保护管道3，在实施例1和2基础上，所述电力装置包括蓄电池7和太阳能发电板8，所述太阳能发电板8与所述蓄电池7电连接，所述蓄电池7给所述纳米热棒1供电，太阳能板发电电压可以与所述纳米热棒1所需电压匹配，解决了能源长期供应。寒区地区能源匮乏，而太阳能清洁能源充足，可进一步节省能源。

所述一体化控制装置6与所述蓄电池7连接。当管底下方100mm土层三个的热敏电阻传感器4所测温度同时超出最高阈值，一体化控制装置6控制蓄电池7切断电源；当所测土体的温度低于设定最低阈值(例如0℃)时便接通电源。确保只有在土体温度低于最低阈值时，蓄电池7才向纳米热棒1供电。当所测纳米热棒1的温度高于保护值时，切断电源，防止纳米热棒1温度过高失效。同时，为提高系统的本质安全，当温度数据正常，但监测的应变数值由于管道3受冻胀位移作用不断增大时，同样启动纳米热棒1，缓解管道3受力。但在正常工况下，还是以温度监测数据作为纳米热棒1工作与否的判据。

实施例4

一种基于实施例1-3的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，挖掘管沟，管顶上方覆土层最小厚度900mm，管底下方挖深300mm，管沟坡度1:0.67(高比宽)；

步骤2，布设热敏电阻传感器4、保温板2、纳米热棒1至相应位置，连接电力装置；

步骤3，布设管道3和振弦式应变计5至相应位置；

步骤4，回填管沟，管沟回填时，填至地面以上300mm，用于覆土自然沉降。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，其特征在于，所述装置包括沿管道的长度方向铺设的保温板和纳米热棒，以及给所述纳米热棒供电的电力装置，所述保温板设置于管道的正下方，所述纳米热棒紧贴所述保温板下方敷设，所述纳米热棒设有两根；

还包括管道监测系统，所述管道监测系统包括一体化控制装置和一个或多个管道检测模块，每一个管道检测模块和每一所述纳米热棒与所述一体化控制装置通讯连接；

每一个所述管道检测模块包括六个热敏电阻传感器以及三个振弦式应变计，每一个热敏电阻传感器与所述一体化控制装置通讯连接，每一个振弦式应变计通过应变监测模块与所述一体化控制装置通讯连接；

其中一个所述热敏电阻传感器紧邻所述管道的最底端，三个所述热敏电阻传感器位于管底下方50~150mm土层的同一高度上，每一个所述纳米热棒上对应绑定一个所述热敏电阻传感器，所述振弦式应变计分别焊接于所述管道的顶点、最左侧和最右侧。

2.如权利要求1所述的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，其特征在于，所述保温板与管道最底端的间距为100~300mm，所述保温板的宽度比所述管道的直径大50~150mm。

3.如权利要求1所述的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，其特征在于，所述保温板包括聚氨酯泡沫保温板和包裹于所述聚氨酯泡沫保温板外的外包层，所述外包层的材质为高密度聚乙烯。

4.如权利要求1所述的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，其特征在于，每一所述纳米热棒的长度和所述保温板纵向长度相同。

5.如权利要求1所述的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，其特征在于，每一个所述管道上设置三个管道检测模块，其中管道的起点、终点和中部位置各设置一个所述的管道检测模块。

6.如权利要求1所述的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置，其特征在于，所述电力装置包括蓄电池和太阳能发电板，所述太阳能发电板与所述蓄电池电连接，所述蓄电池给所述纳米热棒供电。

7.一种基于权利要求1~6任意一项所述的非连续多年冻土区埋地冷输天然气管道管基土冻胀防治装置的冻胀防治方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，挖掘管沟，管顶上方覆土层最小厚度900mm，管底下方挖深200~400mm，管沟坡度为1:0 .67~1:1 .5；

步骤2，布设热敏电阻传感器、保温板、纳米热棒至相应位置，连接电力装置；

步骤3，布设管道和振弦式应变计至相应位置；

步骤4，回填管沟，管沟回填时，填至地面以上300~400mm，用于覆土自然沉降。