Прогнозные теплотехнические и деформационные расчеты как необходимый элемент проектирования мероприятий, обеспечивающих устойчивость газо- и нефтепроводов в районах распространения вечномерзлых грунтов

С. Е. Гречищев, С. П. Дмитриева, Н. Б. Кутвицкая, М. А. Магомедгаджиева, А. В. Рязанов

ФГУП «Фундаментпроект», Россия

 

 

 

Аннотация

 

Изменение проектного положения магистральных и внутрипромысловых газо- и нефтепроводов в процессе эксплуатации – одна из распространенных проблем в районах с вечномерзлыми грунтами. Изменение проектного положения часто связано либо с оттаиванием и осадкой вечномерзлых грунтов в основании трубопроводов, транспортирующих продукт с положительной температурой, либо с промерзанием и морозным пучением грунтов при транспортировке продукта с отрицательной температурой. Разработанная и применяемая в ФГУП «Фундаментпроект» методика проектирования мероприятий инженерной защиты газо- и нефтепроводов включает теплотехническое моделирование процессов формирования ореолов оттаивания (промерзания) грунтов с учетом таких факторов, как изменение температуры трубопроводов по длине, ее колебания в зависимости от времени года, инженерно-геологические особенности трассы, а также деформационные расчеты. На ранних стадиях проектирования  данная методика расчетов позволяет рекомендовать оптимальный температурный режим транспортируемого продукта с точки зрения минимизации теплового воздействия на грунты основания. На более поздних стадиях проектирования (проект, рабочая документация) на основе теплотехнического моделирования и деформационных расчетов разрабатываются технические решения инженерной защиты, обеспечивающие стабилизацию проектного положения трубопроводов в течение всего периода эксплуатации.

 

Ключевые слова: трубопровод, глубина промерзания-оттаивания, выпучивание, осадка.

 

 

1 Введение

 

Известно, что при использовании холодного подземного газопровода на участках трассы, проходящих в зонах распространения талых грунтов (под озерами, реками, болотами) и вечномерзлых грунтов несливающегося типа, происходит промерзание талых грунтов вокруг трубы, сопровождающееся развитием криогенного пучения, что часто приводит к выталкиванию газопровода на поверхность. Использование теплого газопровода на вечномерзлых грунтах приводит к оттаиванию грунтов, что влечет за собою деформации осадки грунтов основания. В отдельных случаях, когда технология транспорта в зависимости от времени года допускает колебание температуры транспортируемого продукта в диапазоне как отрицательных, так и положительных значений, возможно сложное чередование развития процессов выпучивания и осадки трубопровода с преобладающей тенденцией в ту или другую сторону.

При проектировании нескольких трубопроводов в одном коридоре следует также учитывать возможность их взаимного теплового влияния при формировании ореола оттаивания (промерзания).

При решении подобных задач исходными являются прогнозные теплотехнические расчеты. Моделирование процессов промерзания или оттаивания грунтов осуществляется с учетом таких факторов, как параметры трубопровода, изменение температуры трубопроводов по длине, ее колебания в зависимости от времени года, инженерно-геокриологические особенности трассы.

Затем, в зависимости от температур самого трубопровода и его основания, выполняются те или иные (осадка или пучение) деформационные расчеты. На основе совместного выполнения теплотехнических и деформационных расчетов разрабатываются мероприятия по инженерной защите, обеспечивающие стабилизацию проектного положения трубопроводов в течение всего периода эксплуатации.

 

 

2 Методика

 

Для прогнозных теплотехнических расчетов в ФГУП «Фундаментпроект» разработана программа PROGNOZ (РСН 67-87). Математическое моделирование в этой программе осуществляется энтальпийным конечно-разностным методом на явной двухслойной сетке. Расчетная схема двухмерная.

Применяемая методика расчета (С.Е.Гречищев,  2004) позволила оценить величины нормальных сил пучения, действующих на трубу газопровода или удерживающей силы, которые необходимо приложить к трубе для обеспечения ее устойчивости.

Для численного решения уравнений модели разработана программа, составленная в программном пакете Mathcad 2001. Входные параметры (промерзание над трубой, промерзание под трубой, максимальная в году скорость промерзания под трубой), необходимые для расчета по данной методике, определяются из решения теплотехнической задачи.

Осадка оттаивающего в процессе эксплуатации трубопровода основания определяется в соответствии с п.п. 4.28-4,31 СНиП 2.02.04-88. При этом прогнозные деформационные расчеты во времени выполнены с учетом осадки, произошедшей в предыдущий период.

 

 

3 Исходные данные

 

В качестве примера, ниже приведены результаты расчетов для условий Ямала. Диаметр трубы 1400 мм. Центр трубы на глубине 1,5 м.

При оценке криогенного выпучивания холодного подземного газопровода рассмотрены вечномерзлые грунты несливающегося типа с погружением кровли 10м и со среднегодовой температурой на глубине годовых нулевых амплитуд минус 0,2 °С. Грунт – суглинок, плотность скелета , объёмная влажность , коэффициент фильтрации , модуль деформации . Расчеты выполнены для следующих режимов эксплуатации газопровода: 1 - при транспортировке газа с температурой минус 2 °С в течение года; 2 - при транспортировке газа с температурами минус 7 °С летом и минус 2 °С зимой. Рассмотрены варианты: труба без теплоизоляции; труба с теплоизоляцией с термическим сопротивлением теплопередаче 2,8 и 4,2 Вт/м2×°С.

При оценке деформаций осадки теплого подземного газопровода рассмотрены вечномерзлые грунты сливающегося типа со среднегодовой температурой на глубине годовых нулевых амплитуд минус 3,0 °С. Грунт – суглинок, плотность  , влажность , льдистость ,  коэффициент оттаивания =0,055 и коэффициент сжимаемости =0,18 1/МПа. В проведенных расчетах на границе – труба – грунт задавалась переменная во временном периоде температура транспортируемого газа: в первые 6 лет после пуска изменяется в пределах от минус 2,0˚С до плюс 20,8˚С, далее от плюс 14,5˚С до  плюс 16,9˚С. Рассмотрены варианты: труба без теплоизоляции; труба с теплоизоляцией с термическим сопротивлением теплопередаче 1,4 и 2,8 Вт/м2×°С.

 

 

4 Результаты расчетов

 

4.1 Результаты оценки криогенного выпучивания холодного подземного газопровода

Из результатов расчета видно, что газопроводы с разными тепловыми режимами промораживают окружающие грунты с различной скоростью промерзания (рис. 1).

На основе полученных по теплотехническому расчету параметров выполнена оценка максимально возможных сил криогенного выпучивания холодного газопровода.

Как следует из анализа результатов, представленных на рис. 2,  существенное влияние на величину погонной нагрузки от пучения () оказывает коэффициент фильтрации (). Величина погонной нагрузки возрастает по мере уменьшения коэффициента фильтрации.

Также, по мере увеличения скорости промерзания грунта увеличивается и предельная погонная нагрузка от пучения.

Величина погонной нагрузки от пучения изменяется во времени и зависит от режима эксплуатации газопровода (рис. 2). Она является  максимальной в первый год эксплуатации газопровода.

При укладке теплозащитного экрана с термическим сопротивлением теплопередаче 2,8 Вт/м2×°С независимо от режима транспортировки газа промерзания под трубой в первые три года не происходит (рис. 2), соответственно предотвращается и выпучивание газопровода. В последующие годы под трубой начинается небольшое промерзание и погонная нагрузка от пучения () достигает 1,8 т/м при Kf =10-10 м/cек на седьмой год.

При укладке теплозащитного экрана с термическим сопротивлением теплопередаче 4,2 Вт/м2×°С промерзания под трубой не происходит.  То есть можно подобрать такую толщину теплоизоляции, при котором криогенного выпучивания газопровода не будет происходить.

Таким образом, применение теплоизоляции является эффективным методом борьбы с криогенным выпучиванием подземных холодных газопроводов.

 

Рис. 1 Изменение глубины промерзания вниз от холодного газопровода при различных режимах его эксплуатации

 

 

Рис. 2 Изменение погонной нагрузки от пучения во времени в зависимости от коэффициента фильтрации (а -=10-9 , б -=10-10) при различных температурах газа в трубе

 

4.2 Результаты оценки деформаций осадки теплого подземного газопровода

Глубина оттаивания под газопроводом в зависимости от применяемых мероприятий показана на рис. 3. Осадка грунтов основания трубопровода представлена на рис. 4.

 

Рисунок 3  Изменение глубины оттаивания во времени

1 - без теплоизоляции

2 - при применении теплоизоляции (Rиз=1,4 (м2x°С)/Вт)

3 - при применении теплоизоляции (Rиз=2,8 (м2x°С)/Вт)

 

 

 

Рисунок 4.  Динамика развития осадок во времени

1 - без теплоизоляции

2 - при применении теплоизоляции (Rиз=1,4 (м2x°С)/Вт)

3 - при применении теплоизоляции (Rиз=2,8 (м2x°С)/Вт)

 

На рассматриваемом участке трассы газопровода за эксплуатационный период (30 лет) глубина оттаивания составляет 3,8м без применения круговой теплоизоляции вокруг трубопровода. Применение изоляции вокруг газопровода, обеспечивающего термическое сопротивление теплопередаче 1,4 и 2,8 (м2×°С)/Вт уменьшает глубину оттаивания до 2,0 и 1,4 м соответственно.

Осадка грунтов основания трубопровода без использования теплоизоляции, рассчитанная с учетом осадки трубы по мере увеличения оттаивания грунтов под ней, составляет 1,5м за 30 (рис. 4).

На рассматриваемом участке использование изоляции вокруг газопровода, обеспечивающего термическое сопротивление теплопередаче 1,4 (м2×°С)/Вт уменьшает величину осадки за 30 лет почти в 2 раза и составляет 0,8м (рис. 4) Применение изоляции вокруг газопровода, обеспечивающего термическое сопротивление теплопередаче 2,8 (м2×°С)/Вт уменьшает величину осадки за 30 лет в 3 раза  и составляет 0,5м (рис. 4).

 

 

5 Выводы

 

1. Комплекс прогнозных теплофизических расчетов, выполненных по специальным программам математического моделирования, позволяет при заданной температуре транспортируемого газа по участкам протяженности трассы  получить:

зависимость изменения мерзлотных  условий в основании трубопровода от температуры газа переменной во времени и по протяженности трассы;

числовые значения прогнозной глубины оттаивания по участкам трассы и вариантам расчета.

2. Комплекс прогнозных деформационных расчетов позволяет получить:

оценку максимально возможных сил криогенного выпучивания холодного газопровода;

величины осадок теплого трубопровода.

3. Комплексная методика прогнозных теплофизических и деформационных расчетов на ранних стадиях проектирования  позволяет выбрать и рекомендовать оптимальный температурный режим транспортируемого продукта с точки зрения минимизации теплового воздействия на грунты основания. На более поздних стадиях проектирования (проект, рабочая документация) на основе теплотехнического моделирования и деформационных расчетов разрабатываются технические решения инженерной защиты, обеспечивающие стабилизацию проектного положения трубопроводов в течение всего периода эксплуатации.

 

 

Список литературы

 

С.Е.Гречищев,  2004. Оценка сил криогенного выпучивания холодных подземныхтрубопроводов Материалы Международной Конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, 133.

РСН 67-87. Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза изменений температурного режима грунтов численными методами.

Обратная связь