埋地热力管道多年冻土基础制冷结构.pdf

本发明涉及一种埋地热力管道多年冻土基础制冷结构，该结构在冻土上限上，设置U型通风管，喇叭型连接管连通U型通风管，U型通风管管口安放自动风门，U型通风管内置有热力管道，在U型通风管和热力管道间设置持力隔热层，喇叭型连接管底部垫有填土；风门由弹簧，磁性材料，防锈合页，门板，密封垫圈构成，U型通风管管口与椭圆形门板之间用防锈合页连接，门板上置有磁性材料与弹簧，弹簧居于U型通风管管口与门板之间，门板周边装有密封垫圈。采用本发明冷季气温降低，自动风门开启，冷空气进入U型通风管，对基础制冷；暖季气温升高，自动风门关闭，阻止U型通风管与空气进行能量交换。保证了管道安全运营，也可达到冬季冷能收储维持管道冻土基础稳定的目的。

权利要求书
1.  一种埋地热力管道多年冻土基础制冷结构，是由自动风门（1）、填土（2）、喇叭型连接管（3）、天然地表（4）、管道（5）、U型通风管（6）和持力隔热层（8）组成，其特征是在冻土上限（7）上，设置U型通风管（6），喇叭型连接管（3）连通U型通风管（6），U型通风管管口安放自动风门（1），U型通风管（6）内置有热力管道（5），在U型通风管（6）和热力管道（5）间设置持力隔热层（8），喇叭型连接管（3）底部垫有填土（2）；风门（1）由弹簧（9），磁性材料（10），防锈合页（12），门板（13），密封垫圈（14）构成，U型通风管管口与椭圆形门板（13）之间用防锈合页（12）连接，门板（13）上置有磁性材料（10）与弹簧（9），弹簧（9）居于U型通风管管口与门板（13）之间，门板（13）周边装有密封垫圈（14）。

说明书埋地热力管道多年冻土基础制冷结构
技术领域
本发明涉及一种埋地热力管道多年冻土基础制冷结构，以维持高温热力管道多年冻土基础的稳定。
 
背景技术
多年冻土在我国广泛分布，约占国土陆地面积的22.3%。多年冻土区管道在修建、运营过程中，冻土基础温度升高，从而造成冻土融化，基础下沉，管道安全受到威胁。现有的措施是由美国阿拉斯加最早使用的热桩技术，施工不便且成本较高。我国有两条位于多年冻土区的石油管道受到基础融化的威胁。拟新建的格-拉输油管道面临同样的问题。因此，研发一种经济、实用，施工方便且易于维护的管道基础制冷结构具有重要现实意义。
发明内容
基于上述，本发明的目的在于提供一种埋地热力管道多年冻土基础制冷结构。制冷结构为U型通风管，利用U型通风管对管道下方基础进行制冷，同时利用风门开启和关闭来加强制冷效果，另外利用隔热持力层削弱管道和冻土基础间的相互热交换，以实现热力管道下部多年冻土基础稳定和减少管道内温降的目的。
本发明的目的是通过以下措施来达到：
一种埋地热力管道多年冻土基础制冷结构，是由自动风门、填土、喇叭型连接管、天然地表、管道、U型通风管和持力隔热层组成。在冻土上限上，设置U型通风管，喇叭型连接管连通U型通风管，U型通风管管口安放自动风门，U型通风管内置有热力管道，在U型通风管和热力管道间设置持力隔热层，喇叭型连接管底部垫有填土；风门由弹簧，磁性材料，风门倾角，防锈合页，门板，密封垫圈构成，U型通风管管口与椭圆形门板之间用防锈合页连接，门板上置有磁性材料与弹簧，弹簧居于U型通风管管口与门板之间，门板周边装有密封垫圈。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、U型通风管围绕管道，可对管道作用范围内的冻土基础进行降温，维持基础稳定；
2、喇叭型进风口和自动关闭风门可以强化冬季制冷效果；
3、持力隔热层起到支撑管道的作用；同时可减少管道内热量向下传递，对维持冻土基础稳定有利；
4、持力隔热层可减少通风管内的热量对热力管道的影响，对热力管道安全运营有利。
                  
附图说明
图1 为埋地管道多年冻土基础U型制冷结构横断面图。
图2 为自动风门横断面图。
图3 为自动风门门板平面图。
图4 为无制冷结构地管道埋多年冻土基础下运行1年后、5年后和30年后温度曲线。
图5 为使用U型制冷结构后埋地管道多年冻土基础下运行1年后、5年后和30年后地温曲线。
具体实施方式
为更好地理解本发明，根据中俄原油管道所经大兴安岭地区气候特征及约90cm的原油管道直径和实际高温输油的情况，通过以下实例予以进一步说明：
如图1所示，一种埋地热力管道多年冻土基础制冷结构，是由自动风门1、填土2、喇叭型连接管3、天然地表4、管道5、U型通风管6和持力隔热层8组成。在冻土上限7上设置U型通风管6，喇叭型连接管3连通U型通风管6，U型通风管管口安放自动风门1，U型通风管6内置有热力管道5，在U型通风管6和热力管道5间设置持力隔热层8，持力隔热层8为stp保温板。喇叭型连接管3底部垫有填土2，自动风门1由弹簧9，磁性材料10，防锈合页12，门板13，密封垫圈14构成。U型通风管管口与椭圆形门板13之间用防锈合页12连接，门板13上置有磁性材料10与弹簧9，磁性材料10为磁条，弹簧9居于U型通风管管口与门板13之间，门板13周边装有密封垫圈14。
为了避免冬季积雪封堵风门，在施工中，填土2将管口风门1抬高30cm。连接管喇叭型管口直径为50cm，U型通风管6直径为30cm。管道5底部距离U型通风管6顶部30cm。在纵向方向，U型通风管6间的间距为90cm。埋深1.8m。
为减少风门门板13自重，采用硬质聚氨酯板，其密度为35kg/m3，导热系数为0.018W/m.k，同时在门板长轴15方向贴磁条作为磁性材料10产生磁性时提供吸力介质。门板的重力距为0.69N·m。
自动风门设计满足如下力学条件：
弹簧拉力距Mo（F）、门板重力力矩Mo（G）、磁力矩Mo（W）
Mo（W）>Mo（F）>Mo（G）               ……1
根据公式1 Mo（W）>Mo（F）>Mo（G），选用弹簧（9）（弹力距0.7 N·m）和磁性材料（10）（磁力距1.0 N·m）。
冷季，气温降低。当温度低于0℃时，磁性材料10变为强磁的铁磁材料，将门板13拉到地面水平位置保持打开状态，自动风门开启，U型通风管管口与门板13之间的倾角11为60°-65°，冷空气进入U型通风管6，对基础制冷；暖季，气温升高。温度大于0℃时，磁性材料10变为顺磁失去磁性，门板13在弹簧9拉力作用下关闭U型通风管管口，密封垫圈14保证风门关闭严实，热风不能进入U型通风管6。自动风门关闭，阻止U型通风管与空气进行能量交换。通过这两个过程实现冷能有效收储，达到维持冻土基础稳定的目的。
为验证本发明的效果，采用数值仿真方法对普通埋地管道多年冻土基础和采用本发明结构后埋地管道多年冻土基础的温度场进行了模拟试验。图4为无制冷结构地管道埋多年冻土基础下运行1年后10月15日、5年后10月15日和30年后10月15日温度曲线。管道内为稳定热源，温度为16℃。图4表明：普通多年冻土基础管道在运行1年后，冻土上限约3.86m；运行5年后管道下方冻土上限已超过6.0m；在运行30年后冻土上限超过了8.0m。数据对比表明：冻土上限出现了大幅下降，同时沿深度方向上冻土的温度也在逐渐升高。对高含冰量冻土来说，上限的大幅下移将造成严重的沉降变形。这些结果表明对多年冻土区的热力管道如果不采取特殊措施，管道安全将收到严重威胁，并且会对冻土环境造成破坏。图5为采用本发明结构地管道埋多年冻土基础下运行1年后10月15日、5年后10月15日和30年后10月15日温度曲线。同样，管道内为稳定热源，温度为16℃。从图5可以看出：采用本发明结构的多年冻土基础管道在运行1年后，冻土上限约3.6m；运行5年后的情况与第1年差不多；运行30年后，冻土上限不仅没有大幅下降，相反出现了冻土上限有小幅度抬升，约为3.5m；下部温度随时间的变化不大；在通风管影响范围内出现了明显的降温区域，冻土温度在结构影响区温度曲线表现为突变，深度方向上冻土温度变化也很小。比照上述两种情况可以看出：采用本发明结构后，多年冻土基础稳定性得到维持，且还有所加强。这对管道安全运营和保护冻土环境极为有利。