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制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。胀。胀。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及天然气管道管基土冻胀灾害防治
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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15.0～
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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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术的另一目的，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。
[0006]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0007]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。
[0008]在上述技术方案中，所述保温板与管道最底端的间距为100
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300mm，所述保温板的宽度比所述管道的直径大50
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150mm。
[0009]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。
[0010]在上述技术方案中，所述纳米热棒设有1
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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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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
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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。
[0015]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。
[0016]本专利技术的另一方面，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：
[0017]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
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400mm，管沟坡度为1:0.67
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1:1.5；
[0018]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；
[0019]步骤3，布设管道和振弦式应变计至相应位置；
[0020]步骤4，回填管沟，管沟回填时，填至地面以上300
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400mm，用于覆土自然沉降。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]1.本专利技术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。
[0023]2.本专利技术节能效益显著，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。
[0024]3.本专利技术的纳米热棒可交直流供电，在低电压下(1
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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
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40℃环境条件下依然正常工作，适用环境更广。
[0025]4.本专利技术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％。
[0026]5.本专利技术使用灵活，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。
[0027]6.该专利技术不仅可以减缓冻胀，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，该专利技术主要是解决了局部管段的冻胀问题。
附图说明
[0028]图1所示为本专利技术的管道截面布置图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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
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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，所述纳米热棒设有1
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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。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，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。6.如权利要求5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。7.如权利要求5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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李欣泽，吴青柏，金会军，李艳，曹亚鹏，施瑞，何瑞霞，吴刚，
申请(专利权)人：中国科学院西北生态环境资源研究院，
类型：发明
国别省市：