книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

0Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-2 4 2 - объектов в условиях Севера

Всистемах с внутренней циркуляционной трубой предлог жено несколько вариантов перегонных устройств, с помощью которых нагретый грунтом теплоноситель на уровне деятельно­ го слоя перетекает из межтрубного пространства подземной части в трубу надземной части, а охлажденный теплоноситель из межтрубного пространства надземной части в трубу подзем-, ной части (см. рис. 13.5). Скорость движения теплоносителя в

этих системах определяется естественной конвекцией и сравни! тельно мала (для керосина 2...5 см/с в установках Гапеева и 10...30 см/с в установках с переточными устройствами), поэто­ му и коэффициенты теплоотдачи при нагреве и охлаждении те­ плоносителя также имеют небольшие значения.

Стремление интенсифицировать продольный теплоперенос и теплоотдачу привело к появлению технических решений по усилению скорости циркуляции за счет механической энергии; получаемой от ветра. Это различного рода приспособления для принудительной циркуляции, приводимые в движение ветровым двигателем, при этом положительный результат достигается здесь за счет существенного уменьшения надежности.

Одним из путей интенсификации внутреннего теплопереноса является применение специальных теплоносителей, в част­ ности, можно использовать растворы ацетона и карбамида в во­ де из-за их более высокой теплоемкости по сравнению с кероси­ ном и другими углеводородами; эвтектический раствор хлори­ стого кальция с противокоррозионными добавками из-за его сравнительно высокого "эквивалентного” коэффициента тепло­ проводности; ферромагнитные жидкости в совокупности с маг­ нитом, газожидкостные растворы, способные поглощать значи­ тельные количества газа при понижении температуры и выде­ лять их при повышении температуры.

Устройства с двухфазным теплоносителем. Устрой­ ства с двухфазным теплоносителем подразделяются на уст­ ройства:

работающие в пленочным режиме течения теплоносителя, при частичном заполнении подземной части;

работающие в режиме пузырькового кипения при полном заполнении подземной части

СОУ с пленочным течением эффективно применяются для замораживания грунта на строительную глубину до 10... 15м.

Это индивидуальные изделия заводского изготовления диамет­ ром 32...38 мм. Устанавливаются они в массиве грунта верти­ кально, наклонно до 45°С и горизонтально. Используются СОУ для обеспечения несущей способности грунтов оснований зда­ ний и сооружений и борьбы с пучением свай.

Заполненные парожидкостные СОУ имеют три разновидносга: горизонтальные системы «ГЕТ», вертикальные системы «ВЕТ» и индивидуальные глубинные СОУ.

Индивидуальные глубинные СОУ разработаны и изготав­ ливаются НПО «Фундаментстройаркос» для замораживания и охлаждения грунтов до 100м в течение круглого года. В зимний период СОУ работают без энергетических затрат за счёт исполь­ зования холодного воздуха, а в летний период они подключают- ® к источникам искусственного холода.

Устройство с двухфазным теплоносителем представляет ;собой тепловую трубу, внутри которой происходят процессы испарения - конденсации рабочей жидкости - теплоносителя. В качестве теплоносителя используются: аммиак, углекислота, пропан, фреон-12, фреон-22. По их расположению на строи­ тельной площадке они могут быть вертикальные, наклонные и слабо наклонные, почти горизонтальные.

Выделим отдельно СОУ - вертикальные, наклонные и назо­ вём их термостабилизаторами. Схема термостабилизатора по­ казана на рис 13.11. Он состоит из трубчатого корпуса 1, час­ тично погружённого в грунт (испаритель), конденсатора 2, рас­ положенный над поверхностью грунта, заправочного и пусково­ го устройства 3.

Эффективность работы термостабилизаторов определяется объёмом замороженного и охлаждённого грунта за период с ус­ тойчивыми отрицательными температурами наружного воздуха, т;е. в зимний период. На процесс замораживания грунта оказы­ вают влияние следующие основные факторы:

1. Конструктивные параметры термостабилизаторов: диаметр и длина испарителя; эффективная площадь поверхности конденсатора;

соотношение поверхностей испарителя и конденсатора; материал испарителя и конденсатора; тип и количество хладагента.

Вначальной стадии исследования охлаждающих устройств

йвнедрения их в практику строительства, диаметры испари­ тельной части принимались от 150 мм и выше. Это оказалось экономически нецелесообразно, в виду большого количества металла требуемого на их изготовление, большого объёма буро­ вых работ. Стоимость термостабилизаторов приближалась к стоимости свай. Теоретические и экспериментальные работы, проведённые многими исследователями, постепенно, привели к совершенствованию конструкций термостабилизаторов. Суще­ ственным явилось уменьшение диаметров испарителя и конден­ сатора. В большинстве случаях, используются термостабилиза­ торы диаметром 32-57 мм. При этом масса термостабилизатора не превышает 70 кг, что позволяет их устанавливать вручную, двумя рабочим. Существенным является то, что возможно осу­ ществлять бурение скважин под установку термомтабилизаторов переносными малогабаритными станками. Станки можно размещать между, установленными сваями. Два процесса: уст­ ройство свай и термостабилизаторов не связаны между собой технологически и по времени и не прерывают процесс строи­ тельства, как это было до последнего времени.

Уменьшение диаметров термостабилизаторов значительно сократили металлоёмкость, соответственно и стоимости. Соот­ ношение стоимости термостабилизатора к стоимости сваи в деле составляет, в среднем, как 1:3.

Большую роль в производительности термостабилизаторов играет соотношение площадей поверхности теплоотдачи испа­ рителя Ftt и конденсатора FR, Обычно на практике соотношение Ftt / FR составляет 0,5-1,0. Дня повышения эффективности замо­ раживания грунтов в исключительных случаях можно рекомен­ довать использовать конденсаторы с повышенной площадью теплоотдачи.

Одним из существенных показателей повышения эффек­ тивности работы термосгабилизаторов является использование материала конденсаторов с высокой теплопроводностью, на­ пример, алюминиевого оребрения конденсаторов. Коэффициент теплоотдачи от поверхности конденсатора с алюминиевым оребрением почти в 1,5-1,7 раза больше, чем от поверхности конденсаторов с оребрением из обыкновенной и нержавеющей стали. Материал испарителя существенно не влияет на эффек-

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -246- объектов в условиях Севера

тивность работы термостабилизаторов. Однако определяет срок службы, а соответственно надёжность основания. Установлено, что без антикоррозионного покрытия поверхности испарителя, срок его службы составляет не более 4-5 лет. Коррозионная про­ ницаемость незащищённого метала в слое сезонного промерза­ нияоттаивания составляет 1-1,2 мм/год. Особенно сильной грунтовой коррозии подвержены испарители, выполненные из нержавеющей стали. При обследовании термостабилизаторов конструкции фирмы «Хит Пайп» установлено, что на корпусе испарителя наблюдается сквозная точечная (диаметром 0,1-0,2 мм) коррозия. В настоящее время в городах Лабытнанги и Сале­ харде Тюменской обл. термостабилизаторов конструкции фир­ мы «Хит Пайп» для охлаждения и замораживания основании зданий и сооружений, установлено несколько десятков тысяч штук. Все они не имеют антикоррозионную защиту поверхности испарителей. Большинство этих термостабилизаторов уже нахо­ дятся в нерабочем состоянии. Они пусты. Хладоноситель (фре­ он-12, фреон-22) испарился через коррозионные точечные от­ верстия. Это результат недостаточной научно-технической про­ работки конструкции в целом. Этот негативный опыт был учтён. Заводская технологическая линия по изготовлению термостаби­ лизаторов позволяет производить последовательно: очистку по­ верхности труб от ржавчины, обработку антикоррозийными со­ ставами, покрытие поверхности лаком (БТ-577), двойной обмот­ кой полихлорвиниловой лентой верхней части длиной Зм в го­ рячем режиме. Такая комплексная антикоррозийная защита по­ верхности термостабилизаторов позволяет гарантировать срок эксплуатации в 50 лег.

Весь ход исследований рабочего внедрения термостабили­ заторов в практику строительства показал, что процессы вакуумированя и заправки являются остаются наиболее важными. Обследованию термостабилизаторов на объектах городов Вор­ кута, Норильск, Салехард, Лабытнанги, Заполярного ГНКМ ус­ тановлено, что вакуумирование термостабилизатора с помощью вакуумнасосов, не даёт полного удаления воздуха из его внут­ ренней полости. Верхняя часть, конденсатора в зимний период заснежена, что указывает на наличие остатка воздуха. Высота остатка воздуха в термостабилизаторах в среднем составляет 1012см. Учитывая этот опыт, разработан способ заправки термо-

[13. Методы температурной стабилизации грунтов основании зданий ^сооружений______________________________________________________________ ~2А /~

стабилизатов двойной прогонкой хладоносителя. Способ позво­ лил полностью вытеснить воздух из корпуса, включить в работу всю высоту конденсатора.

Эффективность работы термостабилизаторов зависит во многом от климатических характеристик воздуха, солнечной радиации, снегозаносов.

Зимой климат в условиях севера неустойчив. Очень холод­ ные периоды с температурами минус 30 - 40°С быстро сменяют­ ся оттепелями с температурами минус 5 - 10°С с сильными вет­ рами и пургой.

Как любая, парожидкостная система, термостабилизаторы обладают значительной инерционностью при переходе от пас­ сивного режима к активному режиму работы. При переходе от «оттепели» к похолоданию для включения термостабилизатора в активный режим работы требуется 2-3 сут. Для ускорения это­ го процесса термостабилизаторы оснащены специальным пус­ ковым устройством (ноу-хау), позволяющим через 10-15 мин. включить их в работу в активном режиме.

Действие солнечной радиации, особенно в весенний период года, на 1,5-2 мес. сокращает работу термостабилизаторов в ак­ тивном режиме.

К сожалению, в настоящее время не разработаны конструк­ ции термостабилизаторов, позволяющие использовать этот ре­ зерв.

Снегозаносимость в северных условиях является негатив­ ным фактором для эффективной работы термостабилизаторов. Занесённые снегом конденсаторы имеют коэффициент теплоот­ дачи не более 7-10 Вт/м2. В первую очередь снегозаносимость необходимо учитывать на стадии проектирования и предусмат­ ривать мероприятия по исключению от заносов снегом в период эксплуатации.

Конструкции термостабилизаторов, используемых в на­ стоящее время при строительстве объектов в районах распро­ странения вечномёрзлых грунтов приведены на рис. 13.12.

Корпус термостабилизатора изготавливается из цельнотя­ нутой трубы ГОСТ 8732 или ГОСТ 8734, сталь марки 09Г2С по ГОСТ 8731. Допускается применение стали марки 10Г2 по ГОСТ 8731.

Конденсатор изготавливается из трубы, используемой для изготовления корпуса, оребренной алюминием по ГОСТ 4784.

Материалы для антикоррозионной защиты:

грунтовка ГФ-021 по гост 25129, лак ПФ-170 по ГОСТ 15907, алюминиевая пудра 5/2. ХЛ1 по ГОСТ 5494;

битумная грунтовка ГТ 760 ИН по ТУ 102-340, липкая изоляционная лента ПВХ БК по ТУ 6-06-5761799-002.

На строительной площадке, при строительстве зданий с проветриваемым подпольем между сваями или одновременно с погружениями свай, устанавливаются вертикальные или наклонные термостабилизаторы в предварительно пробуренные скважины на проектную глубину. Пазухи между стенкой скважины и термостабилизаторами заполняются грунтовым раствором.

Используемые в настоящее время, в практике строительства термостабилизаторы, отличаются конструктивным исполнением испарителя и конденсатора, материалом корпуса, антикор­ розийной защитой, заправляемым хладагентом. Проанализируем конструктивные особенности термостабилизаторов и выберем наиболее эффективную из них. Эффективность определяется их охлаждающей и замораживающей способностью, надёжностью в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Наибольший интерес представляют термостабилизатрры, изготавливаемые и устанавливаемые фирмами: «Хит-Пайп» г. Москва, ГПИИ «Фундаментпроект» г. Москва, СОНИИОСП, г Воркута, НПО «ФундаментСтройАркос» г. Тюмень.

Сравнение технических характеристик термостабилизато­ ров разных фирм приводится в таблице 13.1.

В зависимости от конструкции здания, сооружения, рост­ верка, грунтовых условий, условий производства работ термо­ стабилизаторы могут устанавливаться тремя способами:

непосредственно в пробуренную скважину;

вполости сваи;

впредварительно установленную гильзу.