一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法及裝置。涉及管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。它是埋地管道（1）每間隔一確定值設(shè)一支撐點(diǎn)，在支撐點(diǎn)處的埋地管道（1）外包覆聚氨酯發(fā)泡材料(2)，聚氨酯發(fā)泡材料(2)外再包輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼(3)；由支撐點(diǎn)處產(chǎn)生的浮力，對(duì)管道支撐來(lái)保證管道不發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降。本發(fā)明無(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)域埋地管道。
【專利說(shuō)明】一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法及裝置。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，管輸溫度高于周圍凍土溫度時(shí)將會(huì)不斷融化周圍凍土，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(富冰凍土、刨冰凍土和含土冰層)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)的治理措施。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)致周圍出現(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。管道的融沉問(wèn)題，從根本上來(lái)講是由于管道對(duì)外源源不斷散熱，導(dǎo)致周圍強(qiáng)融沉性凍土融化所致。因此，將管道傳導(dǎo)出的熱量采取合適的措施重新導(dǎo)出到大氣中，維持管道地基的凍結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)才是保障管道穩(wěn)定的根本。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)管道周圍進(jìn)行機(jī)械制冷，以降低管道熱量對(duì)周圍凍土的影響。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，有必要開發(fā)一種專門應(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)程中由于周圍凍土融化所導(dǎo)致的融沉問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是發(fā)明一種無(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)域埋地管道的利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法及裝置。
[0005] 本發(fā)明利用聚氨酯發(fā)泡材料增大管道與凍土的局部接觸面積，進(jìn)而提升凍土沼澤區(qū)管道浮力的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多年凍土區(qū)管道的融沉防治。埋地管道I每間隔一確定值設(shè)一支撐點(diǎn)，在支撐點(diǎn)處的埋地管道I外包覆聚氨酯發(fā)泡材料2，聚氨酯發(fā)泡材料2外再包覆輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼3。
[0006]其中，聚氨酯發(fā)泡材料2采用噴涂發(fā)泡成型方式，將原料噴在埋地管道I表面，輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼3內(nèi)，發(fā)泡成型。
[0007]為了考慮防治措施的可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性，在對(duì)該區(qū)域管道進(jìn)行融沉治理時(shí)，考慮將措施實(shí)施點(diǎn)作為管道的支撐點(diǎn)，由支撐點(diǎn)處產(chǎn)生的浮力，對(duì)管道支撐來(lái)保證管道不發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降。利用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II進(jìn)行應(yīng)力分析，并按照ASMA B31.4校核標(biāo)準(zhǔn)，確定該區(qū)段管道當(dāng)支撐點(diǎn)跨距小于20m的時(shí)候，管道所承受的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，符合規(guī)定要求，管道是安全的。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)管道的受力情況以及飽冰凍土融化后的浮力，確定支撐點(diǎn)需要承受的載荷。
[0008]浮力及承壓能力計(jì)算校核:
[0009]1、管道單位長(zhǎng)度自重按下式計(jì)算:
[0010]qj = 0.2466Ct (D_t)
[0011]式中:
[0012]qi—管子單位長(zhǎng)度質(zhì)量，N/m ；
[0013]C 一管子材料的相對(duì)密度系數(shù)；
[0014]t一管子的公稱壁厚，mm ；
[0015]D一管子的外徑，mm ；
[0016]2、管道內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量
[0017]管道內(nèi)單位長(zhǎng)度的介質(zhì)質(zhì)量按下式計(jì)算:
[0018]q2 = 0.785 X 10-6 X (D2_4t2) Y 3
[0019]式中:
[0020]q2—管道內(nèi)單位長(zhǎng)度介質(zhì)質(zhì)量，N/m;
[0021]D—管子的外徑，mm ；
[0022]t一管子的公稱壁厚，mm ；
[0023]Y3—介質(zhì)密度，N/m3 ;
[0024]3、沼澤地區(qū)管道浮力
[0025]管道所受的浮力為:
[0026]q3= PsgVg
[0027]式中:
[0028]q3—管道所受浮力，N/m ；
[0029]P s—凍土融化后的浮密度，kg/m3 ；
[0030]Vg—單位長(zhǎng)度管道體積，m3 ；
[0031]4、沼澤地區(qū)單位長(zhǎng)度管道向下的重力
[0032]q4 = Q^q2-Q3[0033]式中:
[0034]q4—單位長(zhǎng)度管道向下的重力，N/m。
[0035]5、由于管頂埋深限制，考慮管道安全性，將整個(gè)保護(hù)殼設(shè)計(jì)成球形，覆蓋在管道表面，則局部體積增大了:
【權(quán)利要求】
1.一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法，其特征是埋地管道(I)每間隔一確定值設(shè)一支撐點(diǎn)，在支撐點(diǎn)處的埋地管道(I)外包覆聚氨酯發(fā)泡材料(2)，聚氨酯發(fā)泡材料(2)外再包輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼(3)； 由支撐點(diǎn)處產(chǎn)生的浮力，對(duì)管道支撐來(lái)保證管道不發(fā)生超過(guò)預(yù)期的沉降；利用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II進(jìn)行應(yīng)力分析，并按照ASMA B31.4校核標(biāo)準(zhǔn)，確定該區(qū)段管道當(dāng)支撐點(diǎn)跨距小于20m的時(shí)候，管道所承受的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，符合規(guī)定要求，管道是安全的；在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)管道的受力情況以及飽冰凍土融化后的浮力，確定支撐點(diǎn)需要承受的載荷； 浮力及承壓能力計(jì)算校核: 1)管道單位長(zhǎng)度自重按下式計(jì)算: qi = 0.2466Ct (D-t) 式中: Qi一管子單位長(zhǎng)度質(zhì)量，N/m ； C一管子材料的相對(duì)密度系數(shù)； t一管子的公稱壁厚，mm ； D一管子的外徑，mm ； 2)管道內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量 管道內(nèi)單位長(zhǎng)度的介質(zhì)質(zhì)量按下式計(jì)算: q2 = 0.785 X IO^6X (D2_4t2) Y3 式中:
管道內(nèi)單位長(zhǎng)度介質(zhì)質(zhì)量，N/m ； D一管子的外徑，mm ； t一管子的公稱壁厚，mm ； Y3—介質(zhì)密度，N/m3 ； 3)沼澤地區(qū)管道浮力 管道所受的浮力為:
Q3 = P sgVg 式中: q3—管道所受浮力，N/m; P s一凍土融化后的浮密度，kg/m3 ； Vg—單位長(zhǎng)度管道體積，m3 ； 4)沼澤地區(qū)單位長(zhǎng)度管道向下的重力 Q4 = (11+?-? 式中: q4—單位長(zhǎng)度管道向下的重力，N/m。 5)由于管頂埋深限制，考慮管道安全性，將整個(gè)保護(hù)殼設(shè)計(jì)成球形，覆蓋在管道表面，則局部體積增大了:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的方法，其特征是所述聚氨酯發(fā)泡材料2采用噴涂發(fā)泡成型方式，將原料噴在埋地管道I表面，輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼3內(nèi)，發(fā)泡成型。
3.一種使用權(quán)利要求1所述方法的利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的裝置，其特征是埋地管道(I)每間隔一確定值設(shè)一支撐點(diǎn)，在支撐點(diǎn)處的埋地管道(I)外包覆聚氨酯發(fā)泡材料(2)，聚氨酯發(fā)泡材料(2)外再包輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用發(fā)泡材料防治多年凍土區(qū)管體融沉的裝置，其特征是所述輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼(3 )為預(yù)制成品，兩半球形結(jié)構(gòu)，覆蓋在埋地管道(I)表面，呈圓弧狀，待聚 氨酯材料發(fā)泡成型后，將輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金保護(hù)殼(3)與埋地管道(I)的連接處用防水密封膠密封嚴(yán)實(shí)。
【文檔編號(hào)】F16L1/026GK103899839SQ201210585124
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】張?chǎng)? 馮少?gòu)V, 李榮光, 趙國(guó)星, 陳朋超, 趙迎波, 吳官生, 馬濤, 蔡永軍, 劉國(guó)豪, 李睿, 段瑞哲, 高山卜, 張巍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司