Теоретические сведения о проектировании

При проектировании магистральных и промысловых трубопроводов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов приходится решать вопрос не только о выборе способа их прокладки, но и о выборе режимов эксплуатации, так как от этого зависит работоспособность трубопровода.

Согласно п. 6.1 СП 25.13330.2012, многолетнемерзлые грунты можно использовать в качестве основания сооружений, но при этом необходимо учитывать тепловое и механическое взаимодействие сооружения и основания. Существует два принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания трубопровода:

- принцип 1 – многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации трубопровода;

- принцип II – многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения трубопровода или с допущением их оттаивания в период эксплуатации трубопровода).

Несмотря на обоснованные технические решения, заложенные в проектах, практика эксплуатации трубопроводов показывает, что далеко не всегда на этапе проектирования трубопровода можно учесть всевозможные эффекты, вызванные криогенной обстановкой и приводящие к аварийным ситуациям.

Во-первых, это потеря устойчивости трубопровода при прогрессирующем таянии мерзлого слабонесущего грунта под трубой.

Во-вторых, это выпучивание трубопровода при обратном смерзании пучинистого грунта, приводящее к защемлению и порыву трубы. Принято считать, что криогенное пучение в пределах участка с однородным грунтом проявляется как случайный (стохастический) процесс, и предсказать заранее место возможного образования бугра пучения практически невозможно.

Следует отметить, что даже надземная прокладка трубопроводов с применением сезонно-охлаждающих устройств далеко не всегда бывает оправдана. В пучинистых грунтах именно промораживающая опора может спровоцировать возникновение искусственно наведенного бугра пучения.

Несмотря на основополагающие рекомендации по проектированию трубопроводов на мерзлых основаниях и соответствующие методики расчета, при эксплуатации трубопроводов происходят нарушения в режимах теплового взаимодействия с окружающим мерзлым грунтом. Отклонение оси трубопровода от проектного положения связанно с возможным протаиванием и просадками грунтов в результате, так называемых, особых воздействий.

Еще бóльшую проблему представляет подбор исходной информации. Причина в том, что в силу удаленности и труднопроходимости районов распространения многолетнемерзлых грунтов нередко имеет место дефицит исходных данных.

Трудно учитываемым фактором является климатический, который определяет изменчивость природной обстановки в районах прохождения трассы трубопроводов. Особое значение в последнее время приобретает динамика роста среднегодовых температур воздуха и грунтов на глубине 1,6 м, т.е. практически на глубине заложения трубопроводов.

В целом, дефицит и качество исходной информации не позволяют рассчитывать на высокую точность теплотехнических, особенно прогнозных расчетов, даже если они выполняются на основе численного интегрирования системы уравнений теплопроводности или тепломассообмена, на высоком современном научно-техническом уровне.

Задача теплообмена трубопровода с мерзлым грунтом с учетом фазовых превращений (так называемая задача Стефана) – одна из сложнейших задач в области трубопроводного транспорта. Решение ее в строгой математической постановке не дает ожидаемого результата, так как далеко не все влияющее факторы могут быть учтены в математической модели.

Но даже численные решения не дают ожидаемой точности по причинам несоответствия, или неадекватности моделей, изменчивости и неопределенности граничных условий, низкой точности исходной информации, неполного учета факторов, влияющих на протекание процесса.

В настоящее время нет надежных методик, которые позволяли бы учесть не только по месяцам, но даже и по временам года изменение состояния свойств мерзлых и талых грунтов, их влажности, снежного покрова, таяние снега и ледяных образований, температур грунта по массиву. Следовательно, на этапе проектирования "климатические" изменения теплофизических свойств грунтов и других параметров теплообмена, определяющих развитие ореолов протаивания, при эксплуатации нефтепровода не могут быть учтены.

Техногенное воздействие, неизбежное на этапах строительства трубопровода, кардинально меняет криогенную обстановку вдоль трассы, но практически не подлежит учету в настоящее время.

Экологические проблемы усложняют принятие технико-экономических решений, в частности, по определению степени заглубления нефтепровода. Надежность работы нефтепровода зависит от интенсивности теплообмена с окружающей средой и определяет его экологическую безопасность.

Повышенная теплоотдача от трубопровода в грунт приводит к растеплению мерзлого основания, обводнению и осадке грунта, потере устойчивости трубопровода и к аварийным ситуациям (рисунок 1).

С понижением теплоотдачи происходит уменьшение ореола протаивания вокруг трубы вплоть до смерзания грунта с трубопроводом, при этом максимально проявляются эффекты пучения грунта с формированием бугров пучения и выпучиванием трубопровода (рисунок 2).

При защемлении трубы в мерзлом грунте и неравномерных перемещениях тело трубы "работает на срез". При достижении напряжений среза, превышающих предельные, происходит порыв трубы.