ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И СПОСОБ МОНТАЖА ТАКОГО УСТРОЙСТВА
COOLING DEVICE FOR TEMPERATURE STABILISATION OF PERMAFROST SOILS AND METHOD TO INSTALL SUCH DEVICE

Изобретение относится к области строительства в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно термостабилизации многолетнемерзлых и слабых грунтов.
Известно, что при строительстве капитальных сооружений, дорог, путепроводов, нефтяных скважин, резервуаров и т.д. на вечномерзлых грунтах необходимо применять специальные меры по сохранению температурного режима грунтов в течение всего периода эксплуатации и предотвращению разупрочнения несущих оснований при оттаивании. Наиболее эффективным методом является расположение в основании сооружения стабилизаторов пластично-мерзлого грунта (СПМГ), обычно содержащих систему труб, заполненных хладагентом и соединенных с конденсаторной частью (например: пат.заявки РФ №93045813, №94027968, №2002121575, №2006111380; патенты РФ №2384672, №2157872).
Обычно установку СПМГ проводят до строительства сооружений: готовят котлован, отсыпают песчаную подушку, монтируют термостабилизаторы, производят отсыпку грунта и устанавливают слой теплоизоляции (Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов, №6, 2007, стр.24-28). После завершения строительства сооружения контроль работы термостабилизатора и ремонт отдельных частей сильно затруднен, что требует дополнительного резервирования (Журнал «Газовая промышленность», №9, 1991, стр.16-17). Для улучшения ремонтопригодности термостабилизаторов предлагается размещать их внутри защитных труб с одним заглушенным торцом, заполненных жидкостью с высокой теплопроводностью (патент РФ №2157872). Защитные трубы располагают под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном 0-10° к продольной оси основания. Открытый торец трубы выведен за пределы контура отсыпки грунта. Такая конструкция позволяет в случае нарушения герметичности, деформации или при других дефектах охлаждающих труб извлекать их, производить текущий ремонт и устанавливать обратно. Однако в этом случае значительно увеличивается стоимость изделия за счет использования защитных труб и специальной жидкости.
Для охлаждения грунта в основании сооружений в эксплуатационный период используют тепловые трубы различных конструкций (патент РФ №2327940, патент РФ на полезную модель №68108), устанавливаемые в скважины. Для обеспечения удобства изготовления, транспортировки и монтажа тепловых труб их корпус имеет, по крайней мере, одну вставку, выполненную в виде сильфона (патент РФ на полезную модель №83831). Вставка обычно снабжена жесткой съемной обоймой для фиксации взаимного положения секций корпуса. Жесткая обойма может иметь перфорацию для заполнения пространства между ней и сильфоном грунтом с целью уменьшения теплового сопротивления. Погружение тепловой трубы в скважину предполагается посекционное, путем статического вдавливания. Это приводит к большим изгибающим нагрузкам на конструкцию, что может привести к ее повреждению.
Наиболее близким к настоящему изобретению является способ устранения осадок насыпей на вечной мерзлоте замораживанием оттаивающих грунтов длинномерными термосифонами (ОАО «РЖД», ФГУП ВНИИЖТ, «Технические указания по устранению осадок насыпей на вечной мерзлоте замораживанием оттаивающих грунтов длинномерными термосифонами», Москва, 2007). Этот способ предусматривает бурение нескольких наклонных скважин навстречу друг другу с противоположных концов сооружения, после чего охлаждающие устройства (термосифоны) погружаются до конечной глубины скважины статической вдавливающей нагрузкой. Как уже отмечалось, при этом возникают значительные разрушающие нагрузки на конструктивные элементы охлаждающего устройства. К трудностям следует также отнести:
- возможный обвал стенок скважины при вдавливании термосифона, при котором зачастую возникает необходимость его извлечения и дополнительной проходки скважины;
- значительное количество технологических операций (бурение скважины, извлечение бурильного инструмента, погружение термостабилизатора), которые необходимо провести в ограниченный промежуток времени до начала обвала, оплывания стенок скважины;
- необходимость перемещать оборудования с одной стороны сооружения на другую, что часто бывает затруднительно.
Настоящее изобретение направлено на повышение технологичности процесса монтажа длинномерных термостабилизаторов, уменьшение времени установки, увеличение надежности конструкции и замены поврежденных участков, при этом одновременно уменьшается стоимость монтажа устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что монтаж охлаждающего устройства для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов включает:
- прохождение сквозной скважины;
- протяжку в направлении, обратном направлению проходки скважины термостабилизатора;
- монтаж конденсаторов.
Термостабилизатор (длинномерный термосифон) содержит заправленные хладагентом трубы конденсатора и испарителя, соединенные сильфонными рукавами (сильфонами). Каждый из рукавов укреплен бандажами. Трубы конденсатора расположены по краям термостабилизатора и протяжку осуществляют до положения, при котором трубы конденсатора будут расположены над поверхностью грунта.
Конденсаторы (теплообменники) включают в себя трубы конденсатора с установленными на них охлаждающими элементами (ребордами, дисками, ребрами и т.п. или радиаторами иной конструкции). Обычно монтаж теплообменника осуществляют путем напрессовки дисковых реборд на трубу конденсатора. Такой способ является наиболее удобным в таких климатических условиях. В случае необходимости могут быть использованы сварка и монтаж посредством болтовых соединений. В рамках настоящего изобретения можно применять также конденсаторы другой конструкции. То, что окончательный монтаж конденсатора осуществляют после протягивания термостабилизатора через скважину, позволяет использовать скважины меньшего диаметра и не требует больших материальных и трудозатрат.
Установка конденсаторов с обеих сторон термостабилизатора позволяет повысить эффективность работы устройства. А способ установки позволяет использовать термостабилизаторы значительно большей длины и, как следствие значительно увеличить зону охлаждения. Один из конденсаторов может быть смонтирован еще на заводе-изготовителе, что упрощает процедуру монтажа в трудных климатических условиях. (Поскольку вместо обычной процедуры вдавливания термостабилизатора в соответствии с настоящим изобретением используют протягивание, уменьшается опасность повредить конденсатор при установке термостабилизатора.)
Обычно один из центральных сильфонных рукавов, расположенных между трубами испарителями, имеет непроницаемую для хладагента перегородку. Такая конструкция позволяет оптимальным образом организовать циркуляцию хладагента в термостабилизаторе.
Особое устройство имеют бандажи, защищающие сильфоны от нагрузок при протягивании термостабилизатора через скважину. Каждый из бандажей имеет скос, по крайней мере, с одной стороны. На сильфонных рукавах их устанавливают так, чтобы скос располагался по направлению протяжки. Такая форма уменьшает сопротивление при протяжке термостабилизатора и одновременно укрепляет стенки скважины. Обычно бандаж состоит из двух металлических полухомутов, скрепленных болтовым соединением. Материал и толщина стенок бандажа выбираются такими, чтобы он мог выдерживать сдавливающую нагрузку до 8 тонн.
Таким образом, настоящее изобретение улучшает технологичность процесса монтажа длинномерных термостабилизаторов за счет изменения направления установки термостабилизатора; уменьшает время установки устройства за счет снижения количества операций и возможности вести работы с одной стороны сооружения; увеличивает надежность и безопасность монтажа; упрощает процедуру замены поврежденных участков. Благодаря низкой стоимости монтажных работ и возможности их проведения уже в процессе эксплуатации объекта, более рентабельным является замена вышедших из строя термостабилизаторов путем прокладки дополнительных линий, чем их демонтаж и ремонт.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
на Фиг.1 показана схема протяжки термостабилизатора через скважину;
на Фиг.2 изображено конечное положение, до которого осуществляется протяжка;
на Фиг.3 изображено рабочее положение термостабилизатор после монтажа;
на Фиг.4 представлена конструкция конденсатора;
на Фиг.5 показан общий вид хомута.
Способ монтажа охлаждающих устройств для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов реализуется, как показано на чертежах, следующим образом.
Под существующим сооружением 1 с помощью буровой установки 2 проходится наклонная скважина 3 методом горизонтально-направленного бурения или статического управляемого прокола с последующим расширением скважины 3 (Фиг.1). Угол проходки скважины обычно составляет от 1 до 20° к горизонту. После расширения скважины 3 за вертлюг 4 крепится заправленное хладагентом охлаждающее устройство (термостабилизатор), состоящее из труб конденсатора 5 и испарителя 6, соединенных сильфонными рукавами 8. Для защиты сильфонных рукавов 8 от растягивающих и изгибающих нагрузок они укрепляются специальными бандажами 9. Протяжку указанного охлаждающего устройства осуществляют в сторону буровой установки 2 (в направлении, обратном бурению) до положения, при котором конденсаторные трубы 5 находятся над поверхностью грунта (Фиг.2).
После протяжки охлаждающего устройства крайние бандажи демонтируются, конденсаторные трубы 5 устанавливаются в рабочее (вертикальное) положение (Фиг.3) и затем осуществляют окончательный монтаж конденсаторов 10. На конденсаторные трубы 5 (Фиг.4) напрессовываются дисковые реборды 11 до упора в муфту 12. Конструкция в последующем фиксируется гайкой 13.
В качестве бандажа (Фиг.5) обычно используют два полухомута 14, имеющие скос в сторону протяжки для предотвращения лобового сопротивления. Полухомуты крепятся болтами 15, установленными в отверстия проушин 16, при этом полухомуты упираются в концевые муфты 7 трубы испарителя 6. За счет сил трения на контакте «хомут-испаритель» удается уменьшить растягивающие нагрузки на сильфонные рукава 8.
Заявляемое изобретение не ограничивается возможностью использования только с описанной конструкцией термостабилизатора, могут быть использованы и другие конструкции охлаждающих устройств, позволяющие достичь заявленного результата.