СПОСОБ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR HEAT STABILIZATION OF PERMAFROST SOILS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области строительства трубопроводов подземной прокладки и может быть использована для обеспечения термостабилизации грунтов при подземной прокладке трубопроводов на многолетнемерзлых и слабых грунтах.
Известно устройство для температурной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов [патент на изобретение RU 2556591 C1, опубл. 10.07.2015, МПК: E02D 3/115], содержащее термостабилизатор на основе двухфазного термосифона, включающего надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, размещенные в гильзе с хладагентом. Гильза представляет собой полый цилиндрический корпус с дном и герметизирующим элементом на верхнем конце с отверстием для установки термостабилизатора. Герметизирующий элемент представляет собой разъемное сальниковое уплотнение, которое состоит из опорного кольца, установленного на выполненную в гильзе круговую ступеньку, нажимного кольца и уплотнительных колец из терморасширенного графита, зажатых между ними.
Известно также охлаждаемое основание сооружений [патент на полезную модель RU 143963 U1, опубл. 10.08.2014, МПК: E02D 3/115], включающее грунтовую отсыпку и охлаждающую систему сезонного действия, выполненную в виде заполненной низкокипящей жидкостью гравитационной тепловой герметичной трубы, состоящей из конденсатора и испарителя, и установленной коаксиально с внешней стороны трубы емкости из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, заключенной в жесткий каркас. Верхняя часть конденсатора расположена над поверхностью грунтовой отсыпки и снабжена с внешней стороны горизонтальным круговым оребрением, а верхняя часть испарителя расположена в грунтовой отсыпке. Длина нижней части конденсатора соответствует расстоянию между поверхностью грунтовой отсыпки и подошвой слоя сезонного оттаивания. Емкость с аккумулирующим холод веществом выполнена с длиной, соответствующей длине нижней части конденсатора, и расположена на уровне нижней части конденсатора. Оребрение внутри емкости выполнено с отверстиями для прохода аккумулирующего холод вещества. Нижняя часть испарителя расположена в основании грунтовой отсыпки.
Недостатками известных аналогов является использование в устройствах термостабилизации многолетнемерзлых грунтов жидких хладагентов, характеризующихся высокой скоростью испарения при нарушении герметичности охлаждающих систем. Кроме того, подобные устройства термостабилизации многолетнемерзлых грунтов не устойчивы к коррозии и требуют значительных затрат на их эксплуатацию.
Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретений является система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах [патент на изобретение RU 2416002 C1, опубл. 10.04.2011, МПК: E02D 3/115], содержащая гидрозатвор, уравнительный сосуд, соединенный с конденсатором и связанный с ними посредством трубопроводов, подводящих и отводящих теплоноситель, испаритель, размещенный в отсыпке грунта основания. В известной системе содержится дополнительный испаритель с системой трубопроводов и гидрозатвором. Оба испарителя размещены равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, оснащенного слоем теплоизоляции, и соединены с помощью трубопроводов посредством своих отводящих концов с верхними точками уравнительного сосуда. Подводящими концами основной и дополнительный испарители подсоединены в нижней точке конденсатора и нижней точке уравнительного сосуда соответственно через соответствующие гидрозатворы.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести использование жидких хладагентов, высокую себестоимость и металлоемкость системы для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, формирующиеся за счет значительного количества применяемых узлов и агрегатов, что также делает их недостаточно надежными при эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является надежная температурная стабилизация многолетнемерзлых и/или слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение эффективности сохранения многолетнемерзлых грунтов или замораживания слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы для обеспечения безопасности в течение назначенного срока эксплуатации на проектных режимах.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов содержит по меньшей мере два термостабилизатора грунта на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, и по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м⋅К, причем по меньшей мере два термостабилизатора грунта установлены по обе стороны от трубопровода подземной прокладки, а по меньшей мере один теплопроводящий элемент установлен под теплоизоляционным материалом, отделяющим трубопровод подземной прокладки от кровли многолетнемерзлых грунтов, и имеет отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта.
Теплорассеивающий материал представляет собой теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м⋅К.
Термостабилизаторы грунта установлены от оси трубопровода подземной прокладки на расстоянии , связанном с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора следующим соотношением: .
Край заложения теплопроводящего элемента отстоит от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта на расстоянии 0,2-0,3 r.
Кроме того, указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе термостабилизации многолетнемерзлых грунтов проводят выемку талого грунта на участке прокладки трубопровода до глубины залегания кровли многолетнемерзлых грунтов, проводят укладку песчаного слоя на кровлю многолетнемерзлых грунтов, укладывают на песчаный слой по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м⋅К, укладывают на по меньшей мере один теплопроводящий элемент теплоизоляционный материал; проводят засыпку выемки талым грунтом; устанавливают по обе стороны от трубопровода подземной прокладки по меньшей мере два термостабилизатора грунтов на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, причем в теплопроводящем элементе выполняют отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта.
В качестве теплорассеивающего материала используют теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м⋅К.
Термостабилизаторы грунта устанавливают от оси трубопровода подземной прокладки на расстоянии , связанном с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора следующим соотношением: .
Край заложения теплопроводящего элемента размещают от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта на расстоянии 0,2-0,3 r.
Заявленная группа изобретений поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2), на которых изображены:
фиг. 1 - участок подземной прокладки трубопровода (вид сверху);
фиг. 2 - участок подземной прокладки трубопровода (продольный разрез),
и позициями обозначены:
1 - трубопровод подземной прокладки;
2 - кровля многолетнемерзлых грунтов;
3 - песчаный слой;
4 - теплопроводящий элемент;
5 - теплоизоляционный материал;
6 - талый грунт;
7 - термостабилизатор грунта.
В частном случае выполнения заявленной группы изобретений устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов может содержать два термостабилизатора грунта 7, установленных оппозитно друг другу по обе стороны от трубопровода подземной прокладки 1, и теплопроводящий элемент 4, размещенный поперек оси трубопровода между испарительными частями термостабилизаторов грунта 7. Кроме того, устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов может содержать два и более теплопроводящих элемента 4, размещенных поперек оси трубопровода между испарительными частями двух и более пар установленных оппозитно друг другу термостабилизаторов грунта 7.
Термостабилизаторы грунта 7 выполнены на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную верхнюю конденсаторную часть и подземные среднюю транспортную и нижнюю испарительные части. Термостабилизаторы грунта 7 отстоят от оси трубопровода подземной прокладки 1 на расстояние , значение которого для гарантированного промораживания грунта в зоне прокладки трубопровода выбирают из диапазона , где r - радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора 7 при среднезимней температуре минус 15°C. Параметр r зависит от выбора конкретного типа термостабилизатора грунта 7. В частности, при использовании известных термостабилизаторов грунта, радиус зоны замерзания грунта при среднезимней температуре минус 15°C будет находиться в диапазоне 1-1,5 м.
Теплопроводящий элемент 4 выполнен в виде пластины из теплорассеивающего материала, обладающего коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м⋅К, и предпочтительно стойкостью к термическим воздействиям до 250°C и химическим воздействиям. В качестве материала с такими свойствами может быть использован теплорассеивающий полимерный композит - гранулированная пластмасса, в отличие от обычных пластмасс обладающая способностью принципиально лучше (в 10-100 раз больше) проводить через себя тепло и передавать (рассеивать) его в окружающую среду. В предпочтительном варианте пластина теплопроводящего элемента 4 может быть выполнена из длинномерных труб из теплорассеивающего полимерного композита, жестко соединенных между собой по всей длине по соприкасающимся образующим.
Теплопроводящий элемент 4 установлен под теплоизоляционным материалом 5, отделяющим трубопровод подземной прокладки 1 от кровли многолетнемерзлых грунтов 2, и имеет отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта 7. В качестве теплоизоляционного материала 5 может быть использован экструзионный вспененный полистирол (например, компании «ТехноНИКОЛЬ»). Край заложения теплопроводящего элемента 4 отстоит от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта 7 на расстояние 0,2-0,3 r, где r - радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора, что обеспечивает надежную сохранность грунтов оснований объектов трубопроводной системы в многолетнемерзлом состоянии.
Заявленный способ термостабилизации многолетнемерзлых грунтов осуществляют следующим образом.
Первоначально проводят выемку талого грунта 6 на участке подземной прокладки трубопровода 1 до глубины залегания кровли 2 многолетнемерзлых грунтов. Затем проводят укладку песчаного слоя 3 мощностью от 100 до 150 мм на кровлю 2 многолетнемерзлых грунтов и укладывают на песчаный слой 3 один или более теплопроводящих элементов 4, выполненных в виде пластин из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м⋅К. В теплопроводящем элементе 4 выполняют отверстия (не показаны) для соединения с испарительными частями термостабилизаторов грунта 7. Край заложения теплопроводящего элемента 4 располагают от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта 7 на расстоянии 0,2-0,3 r, где r - радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора. В качестве теплорассеивающего материала используют теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м⋅К.
После этого укладывают на теплопроводящий элемент 4 теплоизоляционный материал 5 толщиной 100-200 мм. В завершение проводят засыпку выемки талым грунтом 6 и устанавливают по обе стороны на расстоянии  от оси трубопровода подземной прокладки 1 в отверстия в теплопроводящем элементе 4 термостабилизаторы грунтов 7 на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части. Расстояние  связано с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора соотношением .
В ходе работы термостабилизаторов грунтов 7 в зимний период происходит перенос тепла по теплопроводящему элементу 4, что приводит к более эффективному распределению отрицательных температур по площади, занимаемой теплопроводящим элементом 4, и к более быстрому и равномерному охлаждению грунта под трубопроводом 1 подземной прокладки.
Пример
При осуществления заявленного способа термостабилизации многолетнемерзлых грунтов и при использовании заявленного устройства термостабилизации многолетнемерзлых грунтов в зимний период были проведены замеры радиуса зоны замерзания грунта термостабилизатора при наличии теплопроводящего элемента из теплорассеивающего полимерного композита, результаты которых приведены в таблице 1.
Проведенные измерения показали, что уже при температуре окружающего воздуха, равной минус 15°C, радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора при наличии теплопроводящего элемента, установленного в соответствии с заявленным способом, увеличивается почти в два раза: 2,65 м при наличии теплопроводящего элемента, против 1-1,5 м при использовании только термостабилизатора.
Таким образом, при использовании заявленной группы изобретений достигается повышение эффективности сохранения многолетнемерзлых грунтов или замораживания слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы для обеспечения безопасности в течение назначенного срока эксплуатации на проектных режимах.