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

	^М етоды температурной стабилизации грунтов оснований зданий	- 2 4 1 -
	.Вооружений_______________________________________________

б)

~77Т

Рис. 13.10. Конструкции жидкостных СОУ.

а - однотрубное; 6 - двухтрубное; в - многотрубное; г - жидкостное коакси­ ального типа.

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.

13;Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий
litсооружений	- 2 4 3 -

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.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-2 4 4 - объектов в условиях Севера

2.Климатические параметры: температура окружающего воздуха; скорость ветра, солнечная радиация,

снегозаносимость контура объекта.

Ряс. 13.11. Схема намораживания грунта вокруг термостабилизатора (СОУ).

I -испаритель; 2 - конденсатор; 3 - заправочное и пусковое устройство; 4:-тграница низкотемпературного контура; 5 - антикоррозийная защита; 6 - теплоизоляция корпуса в сезоннооттаивающем слое;

7 - сезоннооттаивающий слой.

13. Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий	-2 4 5 -
и сооружений ____________________________________________

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.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -2 4 8 - объектов в условиях Севера

Рис. 13.12. Конструкция парожидкостного СОУ. 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - теплоизоляция;

4 - заправочное устройство; 5 - антикоррозионное покрытие.

13.Методы температурной стабилизации грунтов основании зданий	- 2 4 9 -
«сооружений_______________________________________________

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.

					Т а б л и ц а 13.1
№	Сравнение показателей параметров различных конструкций термостабилизаторов_______
	Наименование параметров	Размерность	Показатели параметров термостабилнзаторов
			НПО «Фундамент-	Фирма разработчик
					ГПИИ
			Строй	Хнт-Пайп «Фундамент СОНИИОСП
1	Длина термостабилизатора		Аркос»		проект»
		м	10,0	10,0	10,0	10,0
2	Длина испарителя - подземной части	м	9	8,5	9,0	8,2
3	Длина конденсатора - надземной части	м	1,0	1,5	1,0	1,8
4	Диаметр испарителя	мм	32	42	57	114
5	Толщина стенки испарителя	мм	4	2	3	4
6	Эффективная поверхность конденсатора	КГ	1,21	0,8	0.4	1.5
7	Площадь поверхности испарителя	ма	0,89	1,12	1,01	3,04
8	Соотношение поверхностей	FK/F H	1,36	0,71	0,4	0,5
9	Эффективный коэффициент теплопере­				10-12	15-20
	дачи	Вт/мгоС	20-25	15-16
10	Масса термостабилизатора	КГ	30	40	100	250
11	Материал испарителя	-	сталь	сталь	сталь	сталь
12	Материал конденсатора		сталь - алюминий	сталь	сталь	сталь
13	Радиус замораживания талого грунта	м	1,2-1,5	0,9-1,2	0,7-1,0	1,3-1,6
14	Радиус охлаждения пластично-мёрзлого	м	2,5-3,0	2,0-2,5	1.5-2,0	2,6-3,2
	грунта до твёрдомбрзлого

to оI

I I

о v

X

п

Примечание. FK- площадь поверхности конденсатора» Flf- площадь поверхности испарителя