Разработка методики прогнозирования изменения температурных полей и тепловой осадки нефтепровода на участках с многолетнемерзлыми грунтами Маленов А.А. аспирант кафедры ОиФ ННГАСУ

Основные причины возникновения аварий на магистральных трубопроводах ( данные 2008 года ) Наиболее распространенная причина возникновения аварий на магистральных трубопроводах (34,7%) – внешние воздействия в виде деформаций массива грунта, окружающего трубопровод и природных катаклизмов.

Особенности эксплуатации магистральных трубопроводов в вечной мерзлоте При эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях вечной мерзлоты, в особенности при подземной прокладке в сильнольдистых многолетнемерзлых грунтах в результате техногенных геокриологических процессов, связанных с оттаиванием мерзлых грунтов, возникают значительные горизонтальные и вертикальные деформации трубопроводов, приводящие к появлению напряженных участков.

Методика прогнозирования тепловой осадки трубопровода Анализ изменения температурных полей в массиве грунта в результате действия отепляющего эффекта трубопровода. Определение физических характеристик грунтовых элементов в зависимости от их температурного режима. Определение осадок и деформаций окружающего трубопровод грунтового массива с использованием полученных характеристик грунтовых элементов. Для своевременного принятия мер по предотвращению возникновения недопустимых деформаций трубопровода при прокладке его в вечномерзлых грунтах необходима методика, позволяющая спрогнозировать тепловые осадки и деформации окружающего трубопровод грунтового массива и, как следствие, самого трубопровода. В рамках данного вопроса следует решить следующие задачи:

Методика анализа изменения температурных полей в массиве грунта В сложной среде, которой является грунт, перенос тепла осуществляется всеми видами теплообмена: кондуктивным, конвективным и лучистым. В данной задаче с целью упрощения лучистый теплообмен не учитывается Кондуктивный (уравнение Фурье)

Использование программного комплекса DAM-3D для анализа изменения температурных полей в массиве грунта Для определения температурных полей в массиве грунта наиболее перспективным является использование программного комплекса DAM-3D. Исходными данными для расчета являются трехмерная твердотельная модель исследуемого участка и теплофизические характеристики грунтов. Программный комплекс позволяет: проанализировать температурно-фильтрационный режим массива грунта; оценить динамику развития температурно-фильтрационного процесса; рассмотреть различные сценарии эксплуатации замораживающей системы.

Результаты анализа изменения температурных полей в массиве грунта В результате расчетов для заданных сечений строятся температурные профили.

Определение физических характеристик грунтовых элементов в зависимости от их температурного режима Модуль упругостиE ref кН/м 2 Сцеплениес ref кН/м 2 Угол внутреннего трения Для определения тепловых осадки и деформаций окружающего трубопровод грунтового массива требуется определить зависимость некоторых физических характеристик грунтов от температуры: Нахождение данных зависимостей является одной из основных задач, требующих скорейшего решения для реализации методики. Найденные физические характеристики грунтов используются для формирования массива грунтовых элементов.

Определение осадок и деформаций окружающего трубопровод грунтового массива с использованием полученных характеристик грунтовых элементов Для расчета осадок и деформаций грунтового массива наиболее перспективным является использование программы Plaxis. Программа Plaxis предназначена для расчетов напряженно- деформированного состояния комплексных геотехнических систем методом конечных элементов в условиях плоской и осесимметричной задачи.

Программа Plaxis включает в свой состав несколько моделей грунта: Выбор модели грунта Для решения задачи определения осадок и деформаций грунтового массива была выбрана модель Кулона-Мора. Выбор данной модели обусловлен набором характеристик грунта, требующихся для расчета. Модель Кулона-Мора – упругопластическая модель, содержащая 5 основных параметров: E и ν – параметры упругости грунта, с и φ – параметры прочности грунта, ψ – угол дилатансии. Модели грунта программы Plaxis Модель Кулона-Мора Модель упрочняющегося грунта Модель ползучести слабого грунта

Результаты определения осадок и деформаций грунтового массива

Выводы Предложенная методика прогнозирования изменения температурных полей и тепловой осадки нефтепровода на участках с многолетнемерзлыми грунтами позволяет производить оперативное прогнозирование тепловой осадки трубопровода в процессе его проектирования и эксплуатации с учетом изменения режимов его работы.