專利名稱：一種熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型是一種用熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置。涉及管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)油氣資源的需求也日益增加。作為一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離油氣輸送工具，油氣管道在近幾十年取得了巨大的發(fā)展。但由于很多油氣資源蘊(yùn)藏于多年凍土寒區(qū)，為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源的需求，越來(lái)越多的油氣輸送管道將不可避免的在多年凍土區(qū)修建。目前國(guó)內(nèi)外在凍土區(qū)建設(shè)的原油管道，具有代表性的有美國(guó)的阿拉斯加管道，加拿大的諾曼威爾斯管道和中國(guó)的漠大管道。多年凍土區(qū)油氣管道主要采用埋地或架空方式鋪設(shè)。但基于安全、經(jīng)濟(jì)等因素考慮，埋地式是更為普遍的敷設(shè)方式，如諾曼威爾斯管道和漠大管道均是此種方式進(jìn)行敷設(shè)的。但采用埋地方式進(jìn)行管道敷設(shè)時(shí)，將不可避免改變地表形態(tài)，破壞植被，引起地基多年凍土上限變化和多年凍土的衰退和融化。此外，在管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，管輸溫度高于周?chē)鷥鐾翜囟葧r(shí)將會(huì)不斷融化周?chē)鷥鐾?，形成融化圈，進(jìn)而導(dǎo)致管體發(fā)生不均勻融沉，破壞管道穩(wěn)定性、威脅管道運(yùn)行安全。目前，融沉風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于凍土區(qū)管道的安全運(yùn)行是個(gè)全球性的工程難題，尚無(wú)有效的方法和措施來(lái)防治管體融沉問(wèn)題的發(fā)生。[0003]管道的融沉風(fēng)險(xiǎn)與凍土地基的融沉性密切相關(guān)，當(dāng)管道地基位于弱融沉或不融沉的砂礫、粗砂層和花崗巖層時(shí)，地基穩(wěn)定，管體的融沉風(fēng)險(xiǎn)很小。而當(dāng)管道地基鋪設(shè)于強(qiáng)融沉性區(qū)域(如富冰凍土、刨冰凍土和含土冰層區(qū)域)時(shí)，凍土融化后容易導(dǎo)致管道沉降，需要考慮采取相應(yīng)的防治措施。尤其對(duì)于當(dāng)管道地基為融沉系數(shù)大于25的含土冰層時(shí)，凍土融化后呈流塑狀態(tài)，完全失去對(duì)管道的機(jī)械承載力，從而導(dǎo)致管道在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量沉降，極易引起管道由于融沉量過(guò)大而破裂，是最危險(xiǎn)的地質(zhì)狀況。管道的融沉問(wèn)題，主要源于兩個(gè)方面，一是管道運(yùn)行過(guò)程中對(duì)外源源不斷散熱，導(dǎo)致周?chē)霈F(xiàn)融化圈，融土出現(xiàn)超過(guò)預(yù)期的下沉量導(dǎo)致管體沉降。二是凍土融化后機(jī)械承載力急劇降低，甚至失去承載力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的有效支撐。因此，對(duì)于融沉治理可以采取對(duì)管道周?chē)评浜吞峁┯行е蔚姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)。為了防止或減緩多年凍土區(qū)埋地管道的熱效應(yīng)，國(guó)外曾采用過(guò)制冷機(jī)組對(duì)管道周?chē)M(jìn)行機(jī)械制冷，以降低管道熱量對(duì)周?chē)鷥鐾恋挠绊?。它的不足之處在于不僅要消耗很多的電能，不利用環(huán)保節(jié)能，而且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)高，經(jīng)濟(jì)上不合理。此外，該項(xiàng)措施在沒(méi)有穩(wěn)定電力來(lái)源的區(qū)域無(wú)法使用。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種專門(mén)應(yīng)用于多年凍土區(qū)埋地管道融沉防治的方法與設(shè)備，且具有無(wú)需消耗電能、免維護(hù)、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，徹底解決凍土區(qū)埋地管道在運(yùn)行過(guò)程中由于周?chē)鷥鐾寥诨鶎?dǎo)致的融沉問(wèn)題。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、免維護(hù)、具有良好可靠性、不消耗電能的適用于多年凍土區(qū)埋地管道的熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置。[0005]本實(shí)用新型基于熱棒制冷技術(shù)和機(jī)械支撐措施來(lái)實(shí)現(xiàn)多年凍土區(qū)管道的融沉防治。本熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的方法示意圖如圖1所示。是在埋地管道I沿線隔一定距離安裝兩個(gè)熱棒7，并使埋地管道I通過(guò)置于與熱棒7外的鋼樁3固連的支架5上的滑動(dòng)管托6支撐定位。熱棒7由一根封閉管和散熱翅片11所組成，管中充以工質(zhì)12，上部為冷凝段8，下部為蒸發(fā)段10。蒸發(fā)段10和絕熱段9埋設(shè)于地下，冷凝段8伸出地面置于空氣之中。當(dāng)冷凝段8與蒸發(fā)段10之間存在溫差時(shí)，蒸發(fā)器中的工質(zhì)12吸熱蒸發(fā)，在壓差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，與較冷的冷凝器管壁接觸，放出汽化潛熱，冷凝成液體，附于管壁上，在重力作用下，液體工質(zhì)12沿管壁流回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)，將地基中熱量帶出。熱棒在寒季的制冷作用能增加埋地管道I地基的冷儲(chǔ)量，用以補(bǔ)償埋地管道I對(duì)周?chē)鷥鐾恋臒醾鲗?dǎo)，來(lái)有效防止和減緩凍土的衰退。當(dāng)暖季熱棒無(wú)法有效工作時(shí)，埋地管道I下方的支架5能保障埋地管道I對(duì)周?chē)鷥鐾寥Φ娜诨粫?huì)引起埋地管道I發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降，保障埋地管道I運(yùn)行安全。此外，通過(guò)兩項(xiàng)措施相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪設(shè)于融陷性含土冰層區(qū)域埋地管道I全季節(jié)狀態(tài)的融沉防治。[0006]熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置的構(gòu)成如圖1和圖3所示。埋地管道I下方設(shè)置支架5，支架5的上面安裝滑動(dòng)管托6托著埋地管道1，支架5的兩側(cè)各焊接帶有加強(qiáng)筋的支板4 (牛腿)；帶有加強(qiáng)筋的支板4各固定在一鋼樁3的下部，鋼樁3內(nèi)插入熱棒7，熱棒7的上部露在地表2上，且固連有散熱翅片11，熱棒7的下部有工質(zhì)12;熱棒7露在地表2上的部分為冷凝段8，熱棒7的中部即從地表2往下為絕熱段9，絕熱段9下面為蒸發(fā)段10。[0007]其中:[0008]熱棒7是一根上部有散熱翅片的封閉管；[0009]鋼樁3為圓管；[0010]支架5的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，為一橫梁，兩下有側(cè)帶有加強(qiáng)筋的支板4與鋼樁3外周焊接；[0011]滑動(dòng)管托6的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，為上邊成圓弧狀的矩形體；要求滑動(dòng)管托6為滑動(dòng)式管托，不可固定。[0012]安裝時(shí)，首先在支架5的地下部分距埋地管道I下方一定距離處焊接帶有加強(qiáng)筋的支板4 (牛腿)，帶有加強(qiáng)筋的支板4上開(kāi)有長(zhǎng)圓孔，槽鋼橫梁下部焊有螺母通過(guò)長(zhǎng)圓孔內(nèi)的螺栓將橫梁固定在需要的高度，與放置在橫梁上的滑動(dòng)管托6相匹配。安裝完畢后于鋼管樁內(nèi)布設(shè)熱棒7 (熱棒7的具體物性參數(shù)、布局設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行溫度和實(shí)際的地質(zhì)氣候狀況確定)。機(jī)械支架5起到支撐埋地管道I的作用，布設(shè)于支架5內(nèi)部的熱棒7，可以起到傳走埋地管道I散發(fā)熱量、穩(wěn)定地基的作用。[0013]熱棒7是一種無(wú)需外加動(dòng)力的制冷裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，熱棒7是利用液、汽兩相轉(zhuǎn)換對(duì)流循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的自動(dòng)傳遞，它由一根封閉管和散熱翅片11所組成，管中充以工質(zhì)12，上部為冷凝段8，下部為蒸發(fā)段10。當(dāng)冷凝段8與蒸發(fā)段10之間存在溫差時(shí)，蒸發(fā)器中的工質(zhì)12吸熱蒸發(fā)，在壓差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，與較冷的冷凝器管壁接觸，放出汽化潛熱，冷凝成液體，附于管壁上，在重力作用下，液體工質(zhì)12沿管壁流回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)，將地基中熱量帶出。只要冷凝器與蒸發(fā)器之間存在溫差，這種循環(huán)便可持續(xù)進(jìn)行下去。當(dāng)外界溫度高于蒸發(fā)段溫度時(shí)，工質(zhì)12蒸發(fā)過(guò)程停止，因此熱棒7具有單向?qū)嵝?，不?huì)將大氣中的熱量導(dǎo)入凍土之中。使用時(shí)，蒸發(fā)段10和絕熱段9埋設(shè)于地下，冷凝段8伸出地面置于空氣之中。因此，通過(guò)熱棒7在寒季采集大氣中的冷量，輸送入地基多年凍土，對(duì)地基多年凍土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，與天然狀態(tài)相比，熱棒7地基多年凍土可以冷卻到更低水平。因而，地基可以儲(chǔ)存更多的冷量來(lái)補(bǔ)償埋地管道I輸送對(duì)凍土的熱影響，可有效防止和減緩多年凍土的衰退和融化，提高埋地管道I地基的穩(wěn)定性。[0014]所述熱棒7內(nèi)填充的工質(zhì)12為液氨、液體二氧化碳、液氮和氟里昂等低沸點(diǎn)介質(zhì)。盡管熱棒7可以通過(guò)增加地基的冷儲(chǔ)量來(lái)補(bǔ)償管道對(duì)周?chē)鷥鐾恋臒崃總鬟f，實(shí)現(xiàn)減緩凍土融化和衰退的目的，但由于熱棒7無(wú)法在暖季有效工作，因此單利用熱棒7制冷仍無(wú)法解決暖季管道下部?jī)鐾恋娜诨瘑?wèn)題，尤其對(duì)于埋地管道I直接鋪設(shè)于含土冰層的地質(zhì)情況更為如此。因此要想保障埋地管道I周?chē)鷥鐾猎谂救诨舐竦毓艿繧不發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降，就需要對(duì)埋地管道I施以有效的機(jī)械支撐。埋地管道I下方機(jī)械支架5的存在可以保證凍土融化呈流塑狀態(tài)后仍可以給埋地管道I以有效的支撐，防止埋地管道I發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降。[0015]熱棒在寒季的制冷作用可以增加埋地管道I地基的冷儲(chǔ)量，用以補(bǔ)償埋地管道I對(duì)周?chē)鷥鐾恋臒醾鲗?dǎo)，來(lái)有效防止和減緩凍土的衰退。當(dāng)暖季熱棒無(wú)法有效工作時(shí)，埋地管道I下方的機(jī)械支架5可以保障埋地管道I對(duì)周?chē)鷥鐾寥Φ娜诨粫?huì)引起埋地管道I發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降，保障埋地管道I運(yùn)行安全。此外，通過(guò)兩項(xiàng)措施相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪設(shè)于融陷性含土冰層區(qū)域埋地管道I全季節(jié)狀態(tài)的融沉防治。[0016]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):[0017]1.有效解決了多年凍土區(qū)埋地管道因周?chē)鷥鐾寥诨鶎?dǎo)致的融沉問(wèn)題，保障了凍土區(qū)埋地管道的安全運(yùn)行；[0018]2.熱棒具有傳輸效率高，制冷效果好，同時(shí)具有單向?qū)嵝缘奶攸c(diǎn)，可以防止外界熱量通過(guò)熱棒向凍土傳遞；[0019]3.可以實(shí)現(xiàn)全季節(jié)埋地管道融沉的有效防治；[0020]4.具有良好的經(jīng)濟(jì)性，無(wú)需消耗電能，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、具有免維護(hù)、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高且適用性好等特點(diǎn)；[0021]5.安裝簡(jiǎn)便，可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。[0022]本實(shí)用 新型可應(yīng)用于多年凍土區(qū)埋地油氣管道的融沉風(fēng)險(xiǎn)防治。


[0023]圖1多年凍土區(qū)管道融沉防治措施示意圖[0024]圖2熱棒工作原理示意圖[0025]圖3支架結(jié)構(gòu)圖[0026]其中I一埋地管道2—地表[0027]3—鋼樁4 一帶有加強(qiáng)筋的支板[0028]5—支架6—滑動(dòng)管托[0029]7—熱棒8—冷凝段[0030]9 一絕熱段10—蒸發(fā)段[0031]11一散熱翅片12—工質(zhì)具體實(shí)施方式
[0032]實(shí)施例.本例是利用熱棒支撐架技術(shù)來(lái)防治多年凍土沼澤區(qū)域某埋地原油管道的融沉問(wèn)題。根據(jù)地勘結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段為多年凍土沼澤區(qū)域，管道直接鋪設(shè)于強(qiáng)融沉性的粉質(zhì)粘土層，粘土層厚度大于10m，融沉系數(shù)大于75，含水量大于90%，為含土冰層地質(zhì)，屬于融陷地段。該區(qū)段管道材質(zhì)為為X65鋼，管徑為813_，管壁厚度為16_，管頂埋深為1.8m，管輸平均溫度為10°C。[0033]埋地管道I下方設(shè)置支架5，支架5的上面安裝滑動(dòng)管托6托著埋地管道1，支架5的兩側(cè)各焊接帶有加強(qiáng)筋的支板4 (牛腿);帶有加強(qiáng)筋的支板4各固定在一鋼樁3的下部，鋼樁3內(nèi)插入熱棒7，熱棒7的上部露在地表2上，且固連有散熱翅片11，熱棒7的下部有工質(zhì)12;熱棒7露在地表2上的部分為冷凝段8，熱棒7的中部即從地表2往下為絕熱段9，絕熱段9下面為蒸發(fā)段10。[0034]根據(jù)管道與凍土間的熱力分析和此處地質(zhì)氣候條件下的熱棒功率計(jì)算，確定熱棒的具體尺寸如表I所示，熱棒所用工質(zhì)12為液氨。[0035]表I熱棒的外形尺寸(單位:mm)[0036]
權(quán)利要求1.一種熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置，其特征是在埋地管道(I)下方設(shè)置支架(5)，支架(5)的上面安裝滑動(dòng)管托(6)托著埋地管道(I)，支架(5)的兩側(cè)各焊接帶有加強(qiáng)筋的支板(4);帶有加強(qiáng)筋的支板(4)各固定在一鋼樁(3)的下部，鋼樁(3)內(nèi)插入熱棒(7)，熱棒(7)的上部露在地表(2)上，且固連有散熱翅片(11)，熱棒(7)的下部有工質(zhì)(12);熱棒(7)露在地表(2)上的部分為冷凝段(8)，熱棒(7)的中部即從地表(2)往下為絕熱段(9)，絕熱段(9)下面為蒸發(fā)段(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置，其特征是所述熱棒(7)是一根上部有散熱翅片的封閉管；管中充以工質(zhì)(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置，其特征是所述鋼樁(3)為圓管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置，其特征是所述支架(5)為一橫梁，兩下有側(cè)帶有加強(qiáng)筋的支板(4)與鋼樁(3)外周焊接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置，其特征是所述滑動(dòng)管托(6 )為上邊成圓弧狀的矩形體滑動(dòng)式管托。
專利摘要本實(shí)用新型是一種用熱棒支撐架防治凍土區(qū)埋地管體融沉的裝置。其特征是在埋地管道(1)下方設(shè)置支架(5)，支架(5)的上面安裝滑動(dòng)管托(6)托著埋地管道(1)，支架(5)的兩側(cè)各焊接帶有加強(qiáng)筋的支板(4);帶有加強(qiáng)筋的支板(4)各固定在一鋼樁(3)的下部，鋼樁(3)內(nèi)插入熱棒(7)，熱棒(7)的上部露在地表(2)上，且固連有散熱翅片(11)，熱棒(7)的下部有工質(zhì)(12);熱棒(7)露在地表(2)上的部分為冷凝段(8)，熱棒(7)的中部即從地表(2)往下為絕熱段(9)，絕熱段(9)下面為蒸發(fā)段(10)。本實(shí)用新型無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，免維護(hù)，具有良好可靠性，不消耗電能。
文檔編號(hào)F16L53/00GK203082445SQ201220634148
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者馮少?gòu)V, 張?chǎng)? 李榮光, 陳朋超, 趙國(guó)星, 馬濤, 蔡永軍, 馬云賓, 吳官生, 趙迎波 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司