Inter
Heat Pipe

тепловые трубы

Поиск:

НАША БИБЛИОТЕКА / Список публикаций

 

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЕ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ.

Баясан Р.М.*; Баясан Т.В.*; Лобанов А.Д.*; Пустовойт Г.П.**.
*АОЗТ "Интер Хит Пайп" 117463 ул. Паустовского 4-86, Москва, РФ;
**Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Москва, РФ.

Abstract: Forty-year experience in research, developing, manufacturing and exploitation of different thermal stabilizer types is discussed, their thermophysical properties are presented, as well as the analysis of their destination, efficiency and advantages. Recommendations are given for the choice of thermal stabilizer type according to specific targets and depending on natural conditions for the optimal engineering protection of bases of structures in permafrost regions.

В первой половине 70-хх годов прошлого века во ВНИИГАЗе Мингазпрома были начаты исследования, посвященные тепловому воздействию объектов газотранспортных систем (ГТС) на грунты оснований в районах распространения вечной мерзлоты. Соответственно, получили развитие исследования методов и средств инженерной защиты от негативных и опасных инженерно–геологических, гидрологических и геокриологических явлений и процессов, проявляющихся и развивающихся при строительстве и эксплуатации сооружений в криолитозоне. Актуальность решения этих задач была связана с широкомасштабным освоением месторождений природного газа севера Тюменской области, строительством северных магистральных газопроводов (МГ) и объектов инфраструктуры.
На стендах и в натурных условиях проводились многолетние циклы экспериментальных исследований теплового и термомеханического взаимодействия «теплых» и «горячих» трубопроводов большого диаметра  (1420 мм) с температурой до +43ºС с вмещающими многолетнемерзлыми  породами  (ММП).

В качестве средств пассивной инженерной защиты испытывались теплоизоляционные экраны различных типов и определялась их эффективность. Многолетний цикл натурных испытаний прошли так же и  охлаждающие термоустановки (ОТ), как технические средства активной инженерной защиты. Исследовалось взаимодействие ОТ  как в системе «ММП – трубопровод – теплоизоляция – термоустановка - атмосфера», так и сравнительная эффективность охлаждения грунта термоустановками различного типа и конструкций (всего 16 шт.) Исследования проводились  на одном полигоне на севере Тюменской области (ЯНАО) с 1975 г. по 1984 г.  Испытывались 4 типа ОТ: 4 конструкции жидкостные, 1 - газожидкостная, 3 - с принудительной циркуляцией жидкого хладагента и 2 – парожидкостные. Последние 2 конструкции были установлены на цикл испытаний в 1983 г. В жидкостных термоустановках,  исследуемых на сравнительную эффективность, в качестве хладагента использовался авиационный керосин  и дизельное топливо, а в парожидкостных – пропан.

Исследования и приемочные испытания 1980 г. продемонстрировали более высокую хладопроизводительность разработанных ВНИИГАЗом в 1978 г. термосвай типа ВТС с принудительной циркуляцией хладагента. Ведомственная комиссия по результатам приемочных испытаний в 1979-80г.г. рекомендовала термосваи ВТС-1 и ВТС-2 к постановке на производство и внедрение. Эти термоустановки были освоены производством на Опытном заводе ВНИИГАЗа и через проекты института ВНИПИгаздобыча внедрены при строительстве МГ Уренгой-Центр (1 и 2 нитки) и Уренгой-Ужгород.         

Развитие негативных инженерно-геокриологических процессов, в том числе пучения, термокарста, просадок при оттаивании и др., начинается даже при незначительных изменениях установившегося теплового баланса в геотехнической системе  «атмосфера – сооружение - ММП» как при строительстве, так и в период эксплуатации объектов. Проблемы устойчивости и эксплуатационной надежности сооружений в криолитозоне – это комплексная проблема. Необходим учет взаимодействия технической и геокриологической составляющих единой системы. Игнорирование этого базового принципа неизбежно ведет к негативным последствиям.  Поэтому разработка средств управления температурным режимом грунтов оснований любых сооружений, расположенных в зоне ММП, является важной проблемой и с научной и с практической точек зрения.

С середины 70-х годов руководителем работ по разработке, исследованиям и внедрению технологий и технических средств инженерной защиты и термостабилизации ММП в основаниях объектов обустройства северных месторождений и ГТС во ВНИИГАЗе являлся один из авторов данной публикации Баясан Р.М. (в то время - руководитель группы, с.н.с.).

Начало 80-х г. ознаменовалось тремя событиями. ВНИИГАЗ приступил к разработке и освоению серийного производства ОТ парожидкостного (двухфазного) типа, причем, разноцелевого назначения. В обиход был введен технический термин (понятие) «термостабилизатор». До этого времени (1981г.)  ОТ было принято называть по разному: устройство для аккумуляции холода в основании соуружений, сезонное охлаждающее устройство, криоанкер, термосвая. На наш взгляд, понятие «термостабилизатор» наилучшим образом соответствует прямому назначению подобных устройств – стабилизации температурного режима ММП. И, наконец, вначале 1984 г. Госгортехнадзор СССР согласовал решение Мингазпрома о нераспространении Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением на термостабилизаторы.  Переход на двухфазные термостабилизаторы был обусловлен несколькими причинами. Первая и главная  - парожидкостные ОТ обладают большей эффективностью в сравнении с жидкостными ОТ; вторая – у двухфазных установок градиент температуры по длине (высоте) и время «самозапуска»  в работу существенно меньше и, соответственно, период активной работы длиннее; третья – при массовом внедрении жидкостных ОТ потребовались бы в качестве хладагента тысячи тонн керосина , в то время как пропана, к примеру, потребовалось бы в 15 – 30 раз меньше (при тех же диаметрах охлаждающих установок). Подобные парожидкостные устройства  к тому времени уже применялись. В США – при строительстве Трансаляскинского нефтепровода и у нас в стране - в г. Воркута (главный разработчик – сотрудник СО НИИОСП Александров Ю. А.). Однако, к сожалению, далее Воркуты дело не пошло и серийное производство охлаждающих  установок освоено не было.

С 1981 г. по 1990 г. были разработаны, испытаны, освоены серийным производством и внедрены парожидкостные термостабилизаторы ТСГ-1 и ТСГ-1П (с 1982 г.), ТСГ-4 (с 1986 г.), и КАН-1 (с 1988 г.). Выпуск термосвай ВТС-1 и ВТС-2 с 1983г. был прекращен.  Все новые термостабилизаторы были внедрены через проекты ЮжНИИгипрогаза при строительстве МГ Ямбург  - Елец (1,2 нитки), Ямбург – Тула (1, 2 нитки), Уренгой – Ужгород и Ямбург – Зап. граница и на месторождениях Медвежье и Ямбургское. ТСГ-1П были применены для закрепления опор вдольтрассовых  ВЛ-10 кВ в качестве несущих термосвай – пасынков,  КАН-1 – в качестве опор надземных трубопроводов, а ТСГ-1 и ТСГ-4 – на крановых узлах, узлах подключения к компрессорным станциям (КС) и т.д. в целях предотвращения протаивания и просадок ММП в основаниях объектов ГТС (рис. 1). С 1980 г. по 1990 г. было внедрено более 12000 ОТ конструкций ВНИИГАЗа. Все конструкции были защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

Рисунок 1. Термосваи-термостабилизаторы ТСГ-1П Термосваи-пасынки опор вдольтрассовых ЛЭП - ВЛ-6(10) кВ на магистральном газопроводе Ямбург-Ныда. Монтаж ЛЭП и установка термостабилизаторов - 1985/1986 г. Фотосъемка - 2003 г.

С 1990 г. был начат переход на широкое применение двухфазных термостабилизаторов малого диаметра (42 – 56 мм.). Отметим, что диаметр ТСГ-1 и ТСГ-4 составлял 114 мм, а ТСГ-1П и КАН-1 – 326 мм.  Все эти устройства продемонстрировали высокую эффективность и хладопроизводительность, однако при массовом их производстве и внедрении проявились и недостатки. Это – высокая металлоемкость, сравнительно большой расход сжиженного газа  в качестве хладагента, сравнительно высокая стоимость и сложность транспортировки, а также сложность их монтажа (из-за большого веса).

Поэтому выполнены были новые разработки, а Опытным заводом ВНИИГАЗа выпущена опытная партия нового поколения термостабилизаторов малого диаметра  вертикального типа ТМД – 1 и слабонаклонного (1.5 градуса наклона к горизонту) типа ТСН-1 и ТСН-2. Партии ТМД-1 и ТСН-1 были установлены на объектах месторождений Медвежье и Ямбургское. Они показали хороший результат при испытаниях , однако обладали одним недостатком – заправка хладагентом производилось в полевых  условиях. Поэтому в 1992 г. была осуществлена разработка и освоено производство второго поколения термостабилизаторов малого диаметра -  полной заводской готовности. Переходу на новый качественный уровень выпуска термостабилизаторов - двухфазных термосифонов (ДТ) разных типов способствовало создание в январе  1991 г. Научно – производственного центра «Хит Пайп», учредителем которого являлся ВНИИГАЗ, а затем в 1992 г. – фирмы «Интер Хит Пайп», одним из учредителей которой является «Межреспубликанская Научная Ассоциация Тепловы трубы»   (МНАТТ). От нашей страны в МНАТТ входит ряд предприятий авиационно – космического и военно – промышленного комплексов.

В 1993 г. было организовано дочернее предприятие «Интер Хит Пайп» ООО «Термистра». Благодаря совместным усилиям удалось создать, освоить производство и внедрить инновационные разработки на базе высоких технологий. С 1992/93 г.г.  в «Интер Хит Пайп» были созданы и внедрены в промышленность 11 конструкций термостабилизаторов – вертикального, наклонного, слабонаклонного типов и с гибкой связью ТМД-4, ТМД-4М, ТМД-5, ТМД-5М, ТСГ-6, ТМД-5Р, ТГС, и ТН (все - сезонного действия), ТТМ-1 (круглогодичного действия) и составные длинномерные  ДТ – ДОУ-1, ДОУ-1К (как сезонного, так и круглогодичного действия). За последнее время разработаны (документация оформляется) ДТ круглогодичного действия повышенной мощности   ТТМ-2  и  две  модификации ТСГ- 8АС и ТСГ-9АС. [1,2,3]

Термостабилизаторы (ДТ) изготавливаются из различных углеродистых и нержавеющей сталей и алюминиевых сплавов. Результаты комплекса исследований и испытаний позволили оптимизировать технические решения по выбору материала термостабилизаторов, хладагента, конструктивным особенностям и параметрам,  технологии изготовления. Сегодня в качестве хладагента в представленных ДТ применяются, в основном, аммиак и хладон. Выбор хладагента и его количество определяется с учетом необходимых термодинамических характеристик ДТ, требований санитарных норм и совместимости. Совместимость пары «конструкционный материал - хладагент» очень важна при разработке термостабилизаторов. Неправильный подбор «пары» может привести к накоплению выделяющихся неконденсирующихся газов, например, водорода в конденсаторе ДТ и ,как результат – к снижению эффективности (хладопроизводительности) термостабилизатров уже после первых нескольких  лет эксплуатации. Важное значение имеет соблюдение определенной технологии изготовления ДТ.

При оценке эффективности работы термостабилизаторов - ДТ следует руководствоваться следующими характеристиками: внутреннее термическое сопротивление; наружное термическое сопротивление в зоне испарителя; термическое сопротивление зоны конденсации; время выхода на рабочий режим (время самозапуска); средний темп замораживания грунта в первый месяц работы; градиент температуры по длине ДТ; коэффициент эффективности охлаждения. Все выше перечисленные факторы учтены при разработке и изготовлении термостабилизаторов конструкции «Интер Хит Пайп». По своим технико-экономическим параметрам они превосходят известные отечественные и зарубежные аналоги.

Наиболее эффективными из всего «семейства» разработанных в «Интер Хит Пайп» термостабилизаторов являются ДТ, изготавливаемые из легких антикоррозионных алюминиевых сплавов АД-31 и АМГ. Это: ТМД-5 и 5М разных модификаций,  ТТМ и ТМД-5М.[1,2,3]
Термостабилизаторы типа ТМД-5 и все его модификации обладают существенно более высокими (в 3-7 раз) техническими, термодинамическими и теплофизическими характеристики. Они малоинерционны,  время самозапуска ( выхода на рабочий режим ) в 8 раз меньше ,чем у стальных ДТ, тем самым период их активной работы увеличивается за сезон на 1 месяц. ТМД-5 обладают очень малым градиентом температур по длине  (˂ 0.1 ºС/м.). Высокая эффективность работы ТМД-5 наглядно подтверждена натурными испытаниями по замораживанию воды в Тазовской губе (рис. 2). 

 

Рисунок 2. Результаты эксперимента по замораживанию воды в Тазовской губе. За трое суток диаметр намороженного льда вокруг ТМД-5 составил 49-50 см по всей длине его подводной части. При этом средняя температура воздуха составляла - 25˚С, а температура воды +3,7˚С. Общий размер термосифона 6м, подводная часть – 4 м. Февраль-март 1997г.

 

Хотелось бы остановиться  подробно на наиболее эффективных и перспективных термостабилизаторах.
Термостабилизатор круглогодичного действия ТТМ-1 выполнен на базе ТМД-5, конденсаторная (надземная) часть которого снабжена блоком термомодулей – полупроводниковых устройств, реализующих эффект Пельтье за счет подводимого извне постоянного электрического тока 3А низкого напряжения 12В.  Блок термомодулей может быть съемным (при снятом или отключенном блоке ТТМ-1 работает как обычный ДТ ТМД-5), а может и оставаться на зиму для дополнительного охлаждения во время оттепелей.  Термоэлектрические модули  мощностью от 1 до 50Вт создают температурный перепад равный 67ºС. При температуре атмосферы 25ºС температура холодной стороны модуля составляет -42 ºС. Опытные образцы ТТМ-1 в 2000 г. успешно прошли приемочные межведомственные испытания на электроподстанции ОАО «Тюменэнерго» в районе Н.Уренгоя(рис.3).

Рисунок 3. Термостабилизатор грунта круглогодичного действия типа ТТМ-1. Стабилизация опор, подвергшихся морозному пучению. Свайные фундаменты зданий и оборудования электроподстанции ЗРУ-110/6кВ УГП-5В в районе г. Новый Уренгой. 2000 г.

 

Режимные наблюдения за работой ТТМ-1 показали их высокую эффективность. В летнее время  после включения термомодульного блока температура грунта вдоль стенки ТТМ-1 существенно понижается. Так,  в  октябре температура грунта на глубинах 2 - 5м. в естественных условиях составляет +(2.4 -2.6) ºС, а возле ТТМ-1 существенно понижается до отрицательных температур – (3.1-3.3) ºС.   ТТМ-1 (а в перспективе и ТТМ-2)  могут быть рекомендованы для установки внутри закрытых помещений, при работах на нулевом цикле и возведении фундаментов на слабонесущих ММП в летнее и осеннее время, для поддержания круглогодичной отрицательной температуры ММП при эксплуатации нефте-газовых скважин, плотин, дамб и т.п., где есть возможность подключения электропитания.

Слабонаклонные термостабилизаторы  (ТН, ТМД-5Н) наклонной модификации, «Г»-образная секция ДОУ-1Г)  характеризуются прежде всего наличием ручья жидкости в нижнем сегменте поперечного сечения корпуса ДТ. С учетом возможности переменных режимов работы ДТ, лужа теплоносителя, примыкающая к торцу корпуса в зоне испарения, может достигать значительной длины (десятки процентов от длины зоны испарения). В корпусах из любой стали необходимо создавать капиллярную структуру в зоне испарения (винтовая нарезка, спираль, канавки, сетка и т.д.).

При отсутствии капиллярной структуры в зоне испарения термическое сопротивление у ДТ из углеродистой  стали в 1,5 раза, а у ДТ из  нержавеющей стали – в 2 раза больше, чем у ДТ ТМД-5 из алюминиевых сплавов. В результате исследований были определены оптимальные длины и угол наклона к вертикали конденсатора (около 5º)  и угол наклона к горизонту испарительной части ДТ (1.5-2.0º).  Следует отметить, что правильный выбор этих параметров необходим для большей равномерности охлаждения грунта над корпусом слабонаклонных ДТ, причем    овальность замерзшего грунта вокруг ДТ  из алюминиевых сплавов  значительно меньше, чем у ДТ из углеродистой и   нержавеющей стали.

Для решения задач инженерной защиты грунтов оснований площадных сооружений больших размеров, устьев скважин, а также создания мерзлотных завес, мерзлого ядра земляных плотин, дамб и т. п. глубинами в десятки метров были разработаны  длинномерные охлаждающие устройства. Конструкция составного длинномерного двухфазного термосифона (ДДТ)  марки  ДОУ-1 и ДОУ-1К (круглогодичного действия) состоит из нескольких испарительных и одной испарительно-конденсаторной секции. ДОУ-1 могут быть как прямолинейного типа (для вертикального  применения), так и слабонаклонного типа с «Г»-образной испарительно-конденсаторной секцией (для горизонтального применения). В составном ДДТ применено инновационное техническое решение с использованием в качестве отельных секций уже апробированных многие годы в строительной практике термостабилизаторов ТМД-5(5М), изготавливаемых из алюминиевых сплавов с корпусом «омега»-образного профиля. При этом конструкция соединительных узлов обеспечивает минимальный перепад температуры на контакте секций (не более 0.2 ºС).

Конструктив ДОУ-1 имеет ряд существенных преимуществ. Полная заводская готовность термостабилизаторов  гарантирует высокое качество применяемого оборудования в отличие от нашедшего  иногда применение охлаждающего оборудования, изготовляемого и заправляемого на месте монтажа  при любой погоде, что не может не отразиться на его качестве и надежности.

Следующее преимущество – многосекционность. Каждая секция может быть длиной до 9 - 10 м. Вес секций, учитывая  материал корпуса, не превышает 11кг. Расширяются возможности применения термостабилизации грунтов оснований объектов практически любой высоты (глубины) до 50 м. и площади до 90 м. шириной (на сегодняшний день). Расширяются возможности и  снимаются  проблемы транспортировки и монтажа  ДОУ-1 любой длины, ибо секции собираются на месте быстро и последовательно, нет необходимости в специальной (подъемной) технике. Все это минимизирует время, трудоемкость и стоимость монтажа ДОУ-1 (рис.4).

Рисунок 4. Засыпка грунтом смонтированных ДОУ-1 модификации 03 при строительстве здания с полами по грунту на Бованенковском НГКМ

Термостабилизаторы второго поколения в количестве около 10 000 шт. многие годы (с 1993 г.) успешно эксплуатируются на объектах ОАО «Газпром», РАО ЕЭС, РАО РЖД и др. в Западной и Восточной Сибири, республике Саха, на Ямале и Чукотке.

При выборе технологии, технических средств инженерной защиты грунтов оснований сооружений в криолитозоне и принятии управленческих решений  мы используем:  базы данных по техносферной и геосферной подсистемам;  методы математического моделирования теплового взаимодействия в геотехнической системе «грунты оснований – инженерные сооружения – окружающая среда»; краткосрочный и долгосрочный прогнозы; набор технических и конструктивных решений для реализации выбранной технологии; базу нормативной документации; технико-экономическую оценку предлагаемых технических решений и мероприятий.

Литература

1.Баясан Р.М., Коротченко А.Г., Пустовойт Г.П. Вероятность, детерминизм и новая техника в проблеме устойчивости вечномерзлых оснований. // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002. N 5. С.26–31.
2. Bayasan R.M., Korotchenko A.G., Lobanov A.D., Pustovoit G.P.THP based еnergy-efficient technologies experience in cold regions // Proc. of 13th International Heat Pipe Conference (13th IHPC). Shanghai, China, 2004.Vol.2.P.414-419.
3. Bayasan R.M., Ivanov A.A., Golubin S.I.  Constructing the foundations like «floors on the ground» on the saline soils of the Bovanenkovo oil-gas condensate field // Engineering geology. 2010. №1 P. 40-44.