一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明是一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置。涉及管道系统【技术领域】。其特征是采用浮船装置，给管道一向上的提升力，从而托起管道，防止融沉；当多年冻土区地面冻结时，浮船装置与冻土冻结在一起，同样给管道一向上的拉力；在埋地管道（1）的两侧各埋两根挡位杆（2），4根挡位杆(2)的上端限位由轻质防水填充材料(3)和外壳(4)构成的浮船装置，浮船装置的下侧用螺丝(5)固定绕过埋地管道(1)的提升带（6）；将措施实施点作为管道的支撑点，利用支撑点对管道的支撑作用来保证管道不发生超过预期的沉降。本发明无运动部件、免维护、具有良好可靠性、不消耗电能的适用于多年冻土区域埋地管道。
【专利说明】一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明是一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置。涉及管道系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着我国经济快速发展，对油气资源的需求也日益增加。作为一种经济、安全、不间断的长距离油气输送工具，油气管道在近几十年取得了巨大的发展。但由于很多油气资源蕴藏于多年冻土寒区，为了满足经济发展对油气资源的需求，越来越多的油气输送管道将不可避免的在多年冻土区修建。目前国内外在冻土区建设的原油管道，具有代表性的有美国的阿拉斯加管道，加拿大的诺曼威尔斯管道和中国的漠大管道。多年冻土区油气管道主要采用埋地或架空方式铺设。但基于安全、经济等因素考虑，埋地式是更为普遍的敷设方式，如诺曼威尔斯管道和漠大管道均是此种方式进行敷设的。但采用埋地方式进行管道敷设时，将不可避免改变地表形态，破坏植被，引起地基多年冻土上限变化和多年冻土的衰退和融化。此外，在管道运营过程中，管输温度高于周围冻土温度时将会不断融化周围冻土，形成融化圈，进而导致管体发生不均匀融沉，破坏管道稳定性、威胁管道运行安全。目前，融沉风险对于管道的安全运行是个全球性的工程难题，尚无有效的方法和措施来防治管体融沉问题的发生。
[0003]管道的融沉风险与冻土地基的融沉性密切相关，当管道地基位于弱融沉或不融沉的砂砾、粗砂层和花岗岩层时，地基稳定，管体的融沉风险很小。而当管道地基铺设于强融沉性区域(富冰冻土、刨冰冻土和含土冰层)时，冻土融化后容易导致管道沉降，需要考虑采取相应的治理措施。尤其对于当管道地基为融沉系数大于25的含土冰层时，冻土融化后呈流塑状态，完全失去对管道的机械承载力，从而导致管道在短时间内出现大量沉降，极易引起管道由于融沉量过大而破裂，是最危险的地质状况。管道的融沉问题，主要源于两个方面，一是管道运行过程中对外源源不断散热，导致周围出现融化圈，融土出现超过预期的下沉量导致管体沉降。二是冻土融化后机械承载力急剧降低，甚至失去承载力，无法实现对管道的有效支撑。管道的融沉问题，从根本上来讲是由于管道对外源源不断散热，导致周围强融沉性冻土融化所致。因此，将管道传导出的热量采取合适的措施重新导出到大气中，维持管道地基的冻结稳定状态才是保障管道稳定的根本。为了防止或减缓多年冻土区埋地管道的热效应，国外曾采用过制冷机组对管道周围进行机械制冷，以降低管道热量对周围冻土的影响。它的不足之处在于不仅要消耗很多的电能，不利用环保节能，而且运行维护费用也相当高，经济上不合理。此外，该项措施在没有稳定电力来源的区域无法使用。CN102563359A公开了一种冻土区油气管道竖向位移自动监测方法和装置，是通过测量液体压力而计算出管道高程变化。它只能测量，不能防治管道的融沉。因此，有必要开发一种专门应用于多年冻土区埋地管道融沉防治的方法与设备，且具有无需消耗电能、免维护、环保节能等优点，彻底解决冻土区埋地管道在运行过程中由于周围冻土融化所导致的融沉问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是发明一种无运动部件、免维护、具有良好可靠性、不消耗电能的适用于多年冻土区域埋地管道的利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的方法和装置。
[0005]本发明根据多年冻土受热融化后水量充足的情况，利用浮力，采用浮船装置，给管道一向上的提升力，从而托起管道，防止融沉。当多年冻土区地面冻结时，浮船装置与冻土冻结在一起，同样给管道一向上的拉力。在埋地管道1的两侧各埋两根挡位杆2，4根挡位杆2的上端限位由轻质防水填充材料3和外壳4构成的浮船装置，浮船装置的下侧用螺丝5固定绕过埋地管道I的提升带6。
[0006]为了考虑防治措施的可实施性和经济性，在对该区域管道进行融沉治理时，考虑将措施实施点作为管道的支撑点，利用支撑点对管道的支撑作用来保证管道不发生超过预期的沉降。利用管道应力分析软件CAESAR II进行应力分析，并按照ASMA B31.4校核标准，确定该区段管道当支撑点跨距小于20m的时候，管道所承受的最大应力小于许用应力，符合规定要求，管道是安全的。在此基础之上，根据管道的受力情况以及饱冰冻土融化后的浮力，确定支撑点需要承受的载荷。
[0007]浮船提升力计算校核:
[0008]1、管道单位长度自重可按下式计算:
[0009]q1 = 0.2466Ct (D_t)
[0010]式中:
[0011 ] qr管子单位长度质量，N/m ；
[0012]C 一管子材料的相对密度系数；
[0013]t一管子的公称壁厚，mm ；
[0014]D一管子的外径，mm ；
[0015]2、管道内介质质量
[0016]管道内单位长度的介质质量按下式计算:
[0017]q2 = 0.785 X 10-6 X (D2_4t2) Y 3
[0018]式中:
[0019]q2—管道内单位长度介质质量，N/m;
[0020]D—管子的外径，mm ；
[0021]t一管子的公称壁厚，mm ；
[0022]Y3—介质密度，N/m3 ;
[0023]3、沼泽地区管道浮力
[0024]管道所受的浮力为:
[0025]q3=PsgVg
[0026]式中:
[0027]q3—管道所受浮力，N/m ；
[0028]P s—冻土融化后的浮密度，kg/m3 ；
[0029]Vg—单位长度管道体积，m3 ；
[0030]4、沼泽地区单位长度管道向下的重力[0031]q4 = qi+q2-q3
[0032]式中:
[0033]q4—单位长度管道向下的重力，N/m。
[0034]5、浮船提升力
[0035]按照支撑点跨距Im计算，需要的提升力为:
[0036]q5 = Iq4
[0037]式中:
[0038]q5—提升力，N。
[0039]6、浮船沉入融化冻土中的深度:
[0040]
【权利要求】
1.一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的方法，其特征是采用浮船装置，给管道一向上的提升力，从而托起管道，防止融沉；当多年冻土区地面冻结时，浮船装置与冻土冻结在一起，同样给管道一向上的拉力；在埋地管道(I)的两侧各埋两根挡位杆(2)，4根挡位杆⑵的上端限位由轻质防水填充材料⑶和外壳⑷构成的浮船装置，浮船装置的下侧用螺丝(5)固定绕过埋地管道(I)的提升带(6)； 考虑将措施实施点作为管道的支撑点，利用支撑点对管道的支撑作用来保证管道不发生超过预期的沉降；利用管道应力分析软件CAESAR II进行应力分析，并按照ASMA B31.4校核标准，确定该区段管道当支撑点跨距小于20m的时候，管道所承受的最大应力小于许用应力，符合规定要求，管道是安全的；在此基础之上，根据管道的受力情况以及饱冰冻土融化后的浮力，确定支撑点需要承受的载荷； 浮船提升力计算校核: 1)管道单位长度自重可按下式计算: qi = 0.2466Ct (D-t) 式中: Qi一管子单位长度质量，N/m ； C一管子材料的相对密度系数； t一管子的公称壁厚，mm ； D一管子的外径，mm ； 2)管道内介质质量 管道内单位长度的介质质量按下式计算: q2 = 0.785 X IO^6X (D2_4t2) Y3 式中:
管道内单位长度介质质量，N/m ； D一管子的外径，mm ； t一管子的公称壁厚，mm ； Y3—介质密度，N/m3 ； 3)沼泽地区管道浮力 管道所受的浮力为:
Q3= P sgVg 式中: q3—管道所受浮力，N/m; P s一冻土融化后的浮密度，kg/m3 ； Vg—单位长度管道体积，m3 ； 4)沼泽地区单位长度管道向下的重力 Q4 = (11+?-? 式中: q4—单位长度管道向下的重力，N/m。 5)浮船提升力 按照支撑点跨距Im计算，需要的提升力为:q5 = lq4 式中: q5一提升力，No 6)浮船沉入融化冻土中的深度:h=qs/ρxgL2 式中: h—浮船沉入融化冻土中的深度，m ； L一外壳的边长，m。
2.一种使用权利要求1所述方法的利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是在埋地管道(1)的两侧各埋两根挡位杆(2)，4根挡位杆(2)的上端限位由轻质防水填充材料(3)和外壳(4)构成的浮船装置，浮船装置的下侧用螺丝(5)固定绕过埋地管道(I)的提升带(6)。
3.根据权利要求2所述的一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是所述挡位杆(2)为长条形状，下方带锥形突起，上方为一“直角”型挡条，挡条底部低于浮船下方60-70公分，四个挡位杆的挡条围成一个开放性区域，限制浮船的浮动位置。
4.根据权利要求2所述的一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是所述外壳(4)为方形结构，轻质高强度合金材料，下方浸入水中，上方为拱形状，浮在水面上；轻质防水填充材料(3)事先填充到外壳(4)中，并密封好外壳4。
5.根据权利要求2所述的一种利用浮船装置防治多年冻土区管体融沉的装置，其特征是所述提升带(6)为高强度柔性耐磨带。
【文档编号】F16L3/14GK103899838SQ201210583969
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】张鑫, 冯少广, 李荣光, 赵国星, 赵迎波, 吴官生, 马涛, 蔡永军, 刘国豪, 李睿, 段瑞哲, 张巍, 高山卜 申请人:中国石油天然气股份有限公司