一种天然气管道软土地基沉降控制装置

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1.本发明公开一种外输天然气管道软土地基沉降控制装置，特别是一种用于敷设于软土地基的lng接收站外输天然气沉降控制的装置。


背景技术：

2.lng接收站通常位于海边，而周围用地通常为人工吹填造陆区域，为软土地基。软土地基一般具有容重小、孔隙比大、含水量高、强度极低的特点，地基承载力和稳定性差。当发生不均匀沉降时，敷设在土质较软地基上的管道会产生变形，扭曲或倾斜，甚至断裂事故。
3.为控制地基的沉降，通常采取的措施有夯击碾压法，换填垫层等。压实和碾压是加固地基表层最常用的简易处理方法。通过夯锤或机械施工，夯击或碾压填土或疏松土层，使其地基土孔隙体积减少、密实度提高。压实能降低土的压缩性，减弱土的透水性，提高抗剪强度，使经过处理的表层软弱土成为能承担较大荷载的地基持力层。换填垫法是将软土层全部或部分挖除后，换填无侵蚀性的低压缩性的散体材料，经过分层压实，作为地基的持力层。常用的垫层的材料有中(粗)砂、碎石、混碴、灰土、粉质粘土等。石屑、煤渣或其他工业废料经检验合格后，也可作为垫层材料。垫层的作用是提高持力层的承载力，并通过垫层的应力扩散作用，减小垫层下天然土层所承受的压力，这样可以减少基础的沉降量。
4.现有的沉降控制方法普遍存在施工成本高，难度大，沉降控制质量难以有效调控等缺点。本项目基于土壤在低温冻结承载力提升原理，利用lng天然冷量来冻结天然气外输管道的软土地基，形成冷冻包裹层，实现沉降的有效控制。


技术实现要素：

5.本发明涉及一种天然气管道软土地基沉降控制装置，主要由lng储罐、输液泵、进液管、回液管、汽化器、连通管、信号监控端子、监控计算机组成，输液泵入口与lng储罐通过冷液管相连，输液泵出口与进液管入口相连，进液管与回液管之间设有若干连通管，回液管出口与汽化器入口管相连，汽化器入口管的入口端与lng储罐相连，汽化器出口管与天然气外输管道的进口相连，信号监控端子与监控计算机相连。
6.所述的冷液管上设有流量计和主流量控制阀，流量计和主流量控制阀通过导线与信号监控端子相连。
7.所述的天然气外输管附近土体内设置有测温探头，测温探头通过导线与信号监控端子相连。
8.所述的连通管上设置有分流量控制阀，分流量控制阀通过导线与信号监控端子相连。
9.所述的进液管、回液管、主流量控制阀、分流量控制阀均为不锈钢材质，能够在低温环境下工作。
10.所述的连通管水平布置，且进液管、回液管和连通管组成的平面与天然气外输管
线的轴线平行。
11.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
12.(1)通过地层冻结实现天然气外输管道地基沉降控制；
13.(2)利用lng天然冷量，不消耗外在能量；
14.(3)通过监测地基温度，对冻结范围进行调控，可全年稳定工作。
附图说明：
15.图1为lng气化外输工艺流程示意图；
16.图2为本发明流程示意图；
17.图3为管道地基切面示意图；
18.图4为冻结过程示意图。
19.图中：1.lng储罐；2.输液泵；3.进液管；4.回液管；5.汽化器；6.连通管；7.信号监控端子；8.监控计算机；9.冷液管；10.汽化器入口管；11.汽化器出口管；12.天然气外输管道；13.流量计；14.主流量控制阀；15.导线；16.测温探头；17.分流量控制阀；18.土壤；19.冻结区。
具体实施方式:
20.本发明涉及一种天然气管道软土地基沉降控制装置，主要由lng储罐1、输液泵 2、进液管 3、回液管 4、汽化器 5、连通管 6、信号监控端子 7、监控计算机8组成，输液泵2入口与lng储罐1通过冷液管9相连，输液泵2出口与进液管3入口相连，进液管3与回液管4之间设有若干连通管6，回液管4出口与汽化器5入口管相连，汽化器入口管10的入口端与lng储罐1相连，汽化器出口管11与天然气外输管道12的进口相连；信号监控端子7与监控计算机8相连。
21.所述的冷液管9上设有流量计13和主流量控制阀14，流量计13和主流量控制阀14通过导线15与信号监控端子7相连。
22.所述的天然气外输管12附近土体内设置有测温探头16，测温探头通过导线15与信号监控端子7相连。
23.所述的连通管6上设置有分流量控制阀17，分流量控制阀17通过导线15与信号监控端子7相连。
24.所述的进液管 3、回液管 4、主流量控制阀 14、分流量控制阀17均为不锈钢材质，能够在低温环境下工作。
25.所述的连通管6水平布置，且进液管3、回液管4和连通管6组成的平面与天然气外输管线12的轴线平行。
26.本发明工作原理说明如下：
27.当前普遍采用的lng气化及外输工艺流程由图1所示，储存在lng储罐1的液化天然气通过汽化器入口管10进入汽化器5，在汽化器5内通过与周围媒质换热使lng温度升高达到沸点发生气化。汽化器可为海水开架式汽化器、浸没燃烧式汽化器或管壳式汽化器。lng通过汽化器5后由液体变为气态，且温度升至0℃以上，通过汽化器出口管11进入天然气外输管道12，进而输送至下游用户。
28.对于常规的气化外输工艺系统，外输天然气温度在0℃以上，地层难以冻结。本发明基本思想在于将低温液态lng引入管道敷设的软土地基周围，使地层形成冻结，从而实现对软土地基沉降的有效控制，保障管道安全运行。
29.如图2所示，lng储罐1内的低温lng液体经主流量控制阀14调节流量，流量经流量计13计量后流入进液管3，随后低温lng液体通过连通管6进入回液管4。所述的连通管6的布置密度根据当地管道沉降程度确定。若局部软土地基沉降严重，则增加连通管6的数目，若局部地基沉降程度较轻，则减少连通管6的布置数目。lng在进液管3、回液管4以及连通管6流动过程中，随着lng向周围土壤传递冷量，自身吸热，温度不断升高，一部分可能发生气化，在管道形成气液两相流。回液管4的出口与汽化器5入口管相连，回液管4内的气液两相流进入汽化器5，在汽化器5内完全气化。随后气化后的天然气通过汽化器出口管11进入天然气外输管道12。
30.冷液管9上设有流量计13和主流量控制阀14，流量计13和主流量控制阀14通过导线15均与信号监控端子7相连，通过监控计算机8控制主流量控制阀14的开度，可实现对主流量的控制和调节，进而改变进液管3、回液管4以及连通管6的温度分布。
31.连通管上6设置有分流量控制阀17，分流量控制阀17通过导线15与信号监控端子7相连。可通过调节分流量控制阀17的开度，调节进入连通管6的流量，进而改变连通管6周围的土壤温度分布。
32.天然气外输管12的附近土体内设置有测温探头16，测温探头16通过导线15与信号监控端子7相连。测温探头16用于监测当地土壤温度，为控制制冷量提供反馈信号。当土壤温度升高到0℃时，土壤不能有效冻结，已形成的冻结层有溶解风险，此时通过计算机控制主流量控制阀14以及分流量控制阀17，增加冷量供给，降低土壤温度。若土壤温度降低至-20℃时，管材脆性增强，且土壤发生冻胀，地基向上抬升管道易发生应力集中而产生风险。此时，通过监控计算机8控制主流量控制阀14以及分流量控制阀17的开度，降低冷量供给，提高土壤温度。
33.如图3所示为天然气外输管道敷设切面图。天然气外输管道12埋设于土壤18地面以下，管中心距地表1.5-2.0m。连通管6水平布置，连通管6左右两侧分别与进液管3和回液管4相连通。进液管3、回液管4和连通管6组成的平面与天然气外输管线12的轴线平行。进液管3、回液管4和连通管6组成的平面位于天然气外输管道12下方，距天然气外输管道12的管底0.3-0.5m。
34.图4为管道冻结示意图。由于进液管3、回液管4以及连通管6内为低温lng，在流动过程中与周围土壤18进行换热，将冷量输入到周围土壤18。当土壤温度达到0℃时，土壤缝隙中的水将结冰，随着冷量的持续输入，结冰范围将逐渐增加，进而固结为一个包围管道的冻结区。固结土壤后具有良好的支撑能力，从而有效防止地基下沉。
35.本发明中冻结土壤所需的冷量来自lng，lng在常压下温度低至-162℃，与环境之间存在巨大的温差，冻结速度快。将lng储罐的小部分液体用于冻结土壤，不需要额外的冷量供给，无耗能设备，是一项绿色环保技术。本发明可根据土壤温度实时调节冷量供气量，使地基温度保持在-20-0℃合理范围内，从而保证地基的稳定性。