Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование устойчивости газопроводов в криолитозоне

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пазиняк, Василий Васильевич

Введение.

Глава 1. Анализ причин деформаций межпромысловых газопроводов в криолитозоне при подземной, наземной и надземной схемах прокладки.

1.1. Взаимодействие газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами оснований.

1.2. Характеристика инженерно-геокриологических условий на участках переходов газопроводов через малые водотоки на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении.

1.3. Опыт эксплуатации межпромысловых газопроводов на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении при различных схемах прокладки.

Глава 2. Экспериментальные исследования устойчивости газопроводов при их подземной и надземной прокладке на крупномасштабной грунтовой модели.

2.1. Конструкция и параметры грунтовой модели.

2.2. Результаты исследований

2.3. Обсуждения результатов экспериментальных исследований.

Глава 3. Тепловое взаимодействие газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами оснований.

3.1. Оценка техногенных и климатических факторов, влияющие на природный теплообмен в основаниях опор газопроводов.

3.1.1. Методы исследования.

3.1.2. Нагрев поверхности грунта излучением от опоры.

3.1.3. Теплопередача по материалу опоры сваи.

3.1.4. Нарушение природного поверхностного слоя грунтов.

3.1.5. Влияние снежного покрова.

3.2. Рекомендации по расчету глубины сезонного оттаивания основания опор газопроводов при надземной прокладке.

3.2.1. Влияние продолжительности эксплуатации опоры и начальных температур фунтов основания на глубину сезонного оттаивания и температуры грунта под опорой.

3.2.2. Методика расчета длины свай под опорой с учетом техногенных и природных факторов.

Глава 4. Технические решения оснований, обеспечивающие длительную устойчивость межпромысловых газопроводов.

4.1. Основные принципы конструирования оснований газопроводов.

4.1.1. Требования к теплозащитным устройствам.

4.1.2. Теплозащитные устройства, уменьшающие тепловое воздействие газопроводов на основания.

4.2. Оценка эффективности теплоизолирующих экранов для защиты оснований газопроводов.

4.2.1. Эффективные теплоизоляционные материалы.

4.2.1. Теплотехническое обоснование применимости теплозащитных экранов в основаниях газопроводов.

4.2.2. Оценка возможности восстановления нарушенного температурного режима оснований опор газопроводов после их многолетней эксплуатации.

4.3. Оценка эффективности использования сезонно-действующих охлаждающих устройств для защиты оснований газопроводов.

4.4. Конструктивные решения оснований газопроводов с использованием теплозащитных экранов и термостабилизаторов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование устойчивости газопроводов в криолитозоне"

Развитие нефтегазовой промышленности в России связано с интенсивным сооружением объектов добычи и транспорта нефти и газа в суровых климатических и геокриологических условиях Севера.

Проблема обеспечения устойчивости, несущей способности, надежности, многолетней эксплуатационной пригодности газопроводов, а также экологической безопасности территорий вдоль них, в настоящее время стоит особенно остро, что обусловило актуальность работы.

Практика эксплуатации межпромысловых газопроводов, в частности, на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении (УНГКМ) показала, что именно трубопроводы являются наиболее уязвимым звеном в промысловой системе подготовки, сбора и транспортировки газа. Значительная часть газопроводов вне зависимости от схемы их прокладки в процессе эксплуатации претерпевает деформации, которые угрожают их целостности и эксплуатационной пригодности.

Интенсивность аварий на газопроводах России в 1996-2000 гг. составила (Иванцов О.М., Фролова Ю.А.,2001 г) на 1000 км: 1996 г - 0.24, 1997 г. -0.26, 1998 г. - 0.24, 1999 г. -0.18, 2000 г. - 0.21. В качестве причин аварий брак строительно-монтажных работ составляет 13 %, механические повреждения - 22.5 %. В северных регионах вклад указанных причин в общую интенсивность аварий на газопроводах, безусловно, больше.

Экстремальные природно-климатические условия северных регионов и особенности эксплуатации газопроводов в многолетнемерзлых грунтах предъявляют повышенные требования к техническим решениям оснований и конструкциям опор. Являясь линейным сооружением, трубопровод проходит по длине в различных мерзлотно-грунтовых условиях и по различным климатическим зонам, обеспечение необходимой устойчивости, несущей способности и надежности его эксплуатации зависит от характера взаимодействия с грунтами основания. В настоящее время эта проблема не имеет широкого освещения в литературе, в действующих нормативных документах по расчету и проектированию оснований не учтен целый ряд факторов, которые влияют на процессы теплового и механического взаимодействия опор и трубопроводов с мерзлыми грунтами.

К таким факторам, в частности, при надземной прокладке трубопроводов относятся: влияние на тепловой режим грунтов основания опоры теплопередачи по материалу опоры и сваям, нагрев поверхности солнечной радиацией и излучением от опоры; рельеф местности, изменение снежного покрова и динамики водообменных процессов, нарушения почвенно-растительного и мохо-торфяного покрова. Нарушение природных процессов оттаивания и промерзания грунтов в зоне влияния подземных трубопроводов или свайных опор при надземной прокладке вызывает потерю устойчивости газопроводов, особенно, на участках переходов через малые водотоки и обводненные низины.

Целью диссертационной работы является оценка воздействия техногенных и природно-климатических факторов на устойчивость газопроводов при их надземной и подземной прокладке и разработка технических решений оснований межпромысловых газопроводов, возводимых и эксплуатирующихся в сложных геокриологических условиях, которые обеспечивают их устойчивость, требуемую несущую способность, многолетнюю эксплуатационную надежность и экологическую безопасность.

Для достижения указанной выше цели поставлены и решены следующие задачи:

1. На основании анализа и обобщения литературных данных и многолетнего опыта автора по эксплуатации газопроводов установлены основные причины, негативно влияющие на устойчивость опор газопроводов.

2. На крупномасштабной грунтовой модели и численными методами выявлены основные причины сезонных вертикальных деформаций свай и заглубленных трубопроводов в обводненных грунтах на несливающейся мерзлоте или при глубоком сезонном оттаивании.

3. Осуществлена постановка задачи, предложены аналитические методы расчета и на их основе исследованы процессы формирования теплового и напряженно-деформированного состояния грунтов в основании опор трубопровода.

4. В качестве дополнения к действующим нормативным документам разработаны предложения по расчету несущей способности опор трубопроводов при их надземной прокладке.

5. На основании обобщения результатов выполненных исследований предложены технические решения устройства оснований трубопроводов и конструкции эффективных фундаментов.

Научная новизна работы. В диссертации впервые получены следующие результаты:

1. Натурными наблюдениями, экспериментальными исследованиями на грунтовой модели и численными теплотехническими и прочностными расчетами установлено, что причиной деформаций опор трубопроводов является увеличение глубин сезонного оттаивания и промерзания грунтов под техногенным воздействием трубопровода. Оттаивание вызывает дополнительную осадку трубопроводов и опор, а последующее промерзание дополнительные деформации выпучивания.

2. Установлена основная причина, увеличивающая деформации пучения свайных опор и заглубленных трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах при переходе трубопроводов через ложбины и малые водные преграды, которая состоит в том, что вследствие неравномерного промерзания сезонноталых и талых грунтов формируется замкнутый объем талого водонасыщенного грунта, в процессе всестороннего промерзания которого развиваются давления, при определенных условиях достаточные для преодоления действующих на горизонтальный трубопровод при подземной прокладке или на опору при надземной прокладке удерживающих сил (смерзание и внешние нагрузки), и выталкивающие трубопровод или опору вверх.

3. Разработана инженерная методика оценки факторов, влияющих на увеличение глубин сезонного промерзания-оттаивания грунтов под опорами трубопроводов. Методика позволяет учесть следующие факторы: влияние температуры транспортируемого по трубопроводу газа, повышение температуры опоры и трубы трубопровода под действием солнечной радиации, нарушение природного растительного покрова при техногенном освоении, изменение высоты снегоотложений вокруг опор, продолжительности эксплуатации трубопровода.

На защиту выносятся:

1. Результаты натурных, модельных и численных исследований взаимодействия подземных и надземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами оснований.

2. Инженерная методика оценки природных и техногенных факторов, которые вызывают увеличение глубин сезонного промерзания-оттаивания грунтов под трубами или опорами газопроводов по сравнению с природными.

3. Технические решения оснований межпромысловых газопроводов при их надземной и подземной прокладке, возводимых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, обеспечивающие долговечность и надежность их работы и экологическую безопасность окружающей территории.

Практическое значение работы заключается в том, что:

- разработана инженерная методика количественной оценки факторов, влияющих на изменения водно-теплового состояния оснований труб или опор газопроводов в процессе их строительства и последующей эксплуатации в северных регионах;

- предложены и разработаны технические решения оснований и инженерные защитные мероприятия, предотвращающие возникновение и развитие недопустимых деформаций подземных трубопроводов и свайных опор при надземной прокладке трубопроводов в процессе многолетней эксплуатации.

Отдельные из предложенных технических решений использованы автором при восстановлении деформированных опор на магистральных газопроводах Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Пазиняк, Василий Васильевич

2.2. Результаты исследований

Результаты исследований. 1. При охлаждения наружной поверхности модели наблюдалось всестороннее промерзание талых грунтов в направлении от стенок емкости к ее центру. При промерзании талые грунты сохранялись в виде замкнутого объема грушевидной формы в верхней части модели.

2. По мере продвижения фронта промерзания к центру талой зоны возникло и стало постепенно возрастать давление в грунте, что зафиксировал л датчик, расположенной в этой зоне. Когда давление достигло 25 кгс/см , датчик перемещений показал перемещение короткой сваи (1=4000 мм), острие которой оказалось внутри сформировавшейся талой зоны, на 1820 мм. После скачкообразного подъема сваи произошла "разгрузка" и давление в талой зоне резко упало. В дальнейшем цикл "повышение давления - скачкообразный подъем сваи - падение давления" повторялся до конца эксперимента. Продолжительность эксперимента составила 14 дней. Характерно, что первый выпор сваи произошел до полного промерзания талой зоны, а последний - после практически ее полного (измерения проведены в 0.15 м от центра талой зоны) промерзания, то есть при отрицательных температурах грунта в месте заделки сваи. Суммарное перемещение вверх короткой сваи составило 3520 мм.

3. Вторая (длинная) из установленных свай за весь период эксперимента переместилась вверх на 2 мм, что объясняется тем, что до формирования замкнутой талой зоны и возникновения в ней повышенного давления, в нижней части модели произошло смерзание сваи с грунтом, и силы смерзания были больше выдавливающего давления. Кроме того, возможно, что талая зона располагалась несколько асимметрично по отношению к оси модели и действие выталкивающего давления на длинную сваю было меньше, чем на короткую.

4. Горизонтальная труба, которая до начала действия сил давления смерзлась с грунтом, который в свою очередь смерзся с металлическими стенками емкости, под действием давления, возникшего при промерзании талой зоны, прогнулась вверх в средней части на 2 мм (стенка трубы из стали 09Г2С имеет толщину 4 мм).

Эксперимент показал, что аномальное выдавливание свай и заглубленных трубопроводов при переходе через малые водотоки и обводненные ложбины происходит из-за возникновения давления при промерзании талых замкнутых областей грунта, сформировавшихся при неравномерном по площади развитии процессов сезонного оттаивания-промерзания.

Теоретически развитие высоких давлений при промерзании замкнутых объемов воды или водогрунта без возможности подтока воды доказано в ряде работ (Пехович А.И. и др., 1975, Вялов С.С. и др., 1962, Романовский H.H., 1972, Ржевский В.В., Добрецов, 1969.) и подтверждено натурными наблюдениями, в том числе, автора настоящей работы [Хренов H.H. и др., 1994, Пазиняк В.В., 2001).

При всестороннем промерзании, начиная с какого-то момента времени, вода промерзает в замкнутом объеме, а это вызывает повышение давления, так как вода, превращаясь в лед расширяется на 9 % и давит на незамерзшую воду. Соответственно с повышением давления Р понижается температура замерзания воды Тф. Фазовое превращение воды определяется известным уравнением Клайперона-Клаузиуса (Вейнберг Б.Н., 1940):

2.3. Обсуждение результатов экспериментальных исследований

ЭР L

ТФ(УГ - Vw) '

ЭТф где: Vf = f (P,T) , V w = f (P,T) - удельные объемы льда и воды; L = f (Р,Т) - удельная теплота фазовых превращений грунтовой влаги.

Исследования физико-механических свойств льда при высоких давлениях позволили ряду авторов (Вейнберг Б.Н., 1940, Mackay J. Ross, 1973) установить существование различных форм льда при высоких давлениях (исследования проводились до значений давления 45000 кгс/см ). В природе суу ществует только одна модификация льда при давлениях ниже 2070 кгс/см , температура фазовых превращений при этом давлении, равна Тф = - 22°С. Для нахождения функции Р=Т(Тф) может быть использована известная зависимость Бриджмена.

Р = 1 - А, Тф - А2 Т2ф, кгс/см2, (2) где Ai=127, А2=1.521.

Формула (2) несколько завышает значение давления Р=^ТФ), так как получена в предположении, что давления начала необратимого деформирования мерзлых грунтов имеют порядок величины предела текучести мерзлых грунтов, но может быть использована для оценки максимальных давлений, формирующихся в водонасыщенных грунтах при их всестороннем промерзании в замкнутом объеме.

При развитии давления до 60 кгс/см , как это было в эксперименте на грунтовой модели, расчет по зависимости (2) показал, что этому давлению соответствует температура грунта Тф = - 0.5°С. В эксперименте эта температура получилась несколько ниже около Тф = - 0.8°С, разница могла возникнуть из-за погрешности измерения температур.

Задачу определения напряженно-деформированного состояния водона-сыщенного грунта при промерзании в замкнутом объеме в общей постановке следует рассматривать методами теории пластичности, с учетом реологических процессов, происходящих в грунтах, и динамики объемного промерзания. Совместное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепло- и водообмена и напряженно-деформированного состояния представляет значительные трудности. При изменении температуры мерзлых грунтов их временное сопротивление сдвигу для грунтов, рассмотренных у ряда авторов (Дубина М.М., Красовицкий Б.А., л

1983, Вялов С.С. и др., 1981), не превышает 60 кгс/см . Причем, величина временного сопротивления всегда больше, чем длительного. Значит, в наиболее прочных низкотемпературных грунтах пластическое деформирование начинается при давлениях ниже указанного выше. Проведенный на грунтовой модели эксперимент это подтвердил.

В натурных условиях при промерзании талого водонасыщенного грунта под водотоками в замкнутых объемах, которые имеют гораздо большие размеры, чем в проведенном эксперименте, могут развиваться гораздо большие давления, причем, скорость повышения давления зависит от скорости образования льда, то есть от температур мерзлого грунта. Если давления в промерзающем объеме превышают предел прочности оболочки на разрыв, то ледяная или льдогрунтовая оболочка бугра разрушается.

В природных условиях таким образом формируются и разрушаются бугры пучения (булгуняхи, байджерахи, пинго.), эти процессы более или менее изучены (Уткин Б.В., 1973, Шешин Ю.Б., 1978).

Динамика этого природного процесса может быть распространена и на искусственный бугор пучения, созданный при возведении, например, газопроводов, в котором при повышении давления вместо (или одновременно) разрыва оболочки из мерзлого грунта происходит выталкивание горизонтальной трубы или сваи.

Имеются данные о величинах давлений, возникающих при промерзании водонасыщенных грунтов в замкнутых объемах в природных условиях. Бурение пинго показало, что возникшее внутри давление через скважину диаметром 10 см выбрасывает воду с расходом 70 л/сек (Mackay J. Ross, 1973). В книге Сумгина М.И. (1940) приведен пример измерения давления воды в на-ледном бугре, которое достигло 52 кгс/см2. Анализ литературы (Пехович

A.И. и др., 1975, Вялов С.С. и др., 1981, , Романовский H.H., 1972, Ржевский

B.В., Добрецов, 1969) по вопросу формирования и взрывов бугров пучения показывает, что мнения исследователей во многих аспектах природы возникновения давления внутри бугров различны. Тем более сложно, объяснить малоизученные процессы аномального выталкивания свай или трубопроводов, как это происходит в природных условиях и наблюдалось при проведении эксперимента.

Специалисты - мерзлотоведы различают две схемы формирования бугров: в замкнутом объеме без подтока воды и с возможностью подтока воды (Сумгин М.И., 1940, Mackay J. Ross, 1973, Уткин Б.В., 1973, Шешин Ю.Б.,1978).

К рассматриваемому случаю, в условиях наличия водных потоков и неравномерного промерзания из-за техногенного влияния свай или горизонтальных трубопроводов, рассмотренные схемы в чистом виде применены быть не могут, так как отепляющее или охлаждающее влияние газопровода (непосредственное или через сваи) меняет последовательность промерзания и его плановую ориентацию.

В рассматриваемом случае, по нашему мнению, больше всего подходит схема, при которой на начальном этапе промерзание происходит с возможностью одностороннего подтока воды к фронту промерзания, далее возможность подтока перекрывается и окончательное формирование бугра происходит в полностью закрытом объеме.

Предлагаемая схема показана на рис. 19. На начальной стадии (рис.19 а), когда имеется промерзший слой и функционирующий поток подрусловых и русловых вод, образуется как бы ледяной клин, который замедляет скорость (Vi> V2) водного потока, провоцируя мягкий удар, который изменяет

Рис.19. Схема образования бугра (условные обозначения см. на стр.55)

55

Условные обозначения к рис. 19: а) - начальная стадия образования бугра - изменение формы промерзшего слоя; б) - вторая стадия образования бугра - образование ледяных клиньев и подъем мерзлого свода; в) - третья стадия образования бугра - всестороннее промерзание водо-насыщенного грунта в замкнутом объеме.

1 - промерзший слой;

2 - водный поток;

3 - фильтрующий подрусловой талик - слой сезонного оттаивания-промерзания;

4 - подток подрусловых вод в область формирования бугра;

5 - верхняя граница мерзлых грунтов; 6, 8 - ледяные клинья;

7 - выдавливаемый промерзший слой;

9 - длина ледяного клина;

10 - мощность деформируемого свода бугра;

11 - замкнутый объем водогрунта;

12 - высота подъема опоры. форму промерзшего с поверхности слоя и создает некоторое повышение давления.

На второй стадии формирования бугра происходит трехстороннее смыкание слоя, промерзающего с поверхности, с подстилающими многолетне-мерзлыми грунтами (рис. 19 б). На этой стадии промерзание происходит в замкнутом объеме, но с подтоком воды к фронту промерзания, что существенно увеличивает давление внутри бугра. Рост давления обусловлен тем, что между мерзлым основаниям и искривленным ледяным покровом в месте перехода ровной поверхности льда в криволинейную все время остается клиновидная щель. Вода замерзает в виде ледяного клина, и вследствие большой подъемной силы, развиваемой кристаллами льда (до 2000 кгс/см2), значительно превосходящей силы смерзания льда с основанием (до 6-7 кгс/см2), поднимает вмороженную сваю и отрывает примерзший слой ледяного покрова от основания. Давление падает, но образуется новая щель - под сваей и клиновидная щель в месте отрыва льда от основания, в которые поступает новая порция воды, и т.д., цикл повторяется.

Погашенная кинетическая энергия потока переходит в потенциальную, которая проявляется в возникновении динамического подпора АЬ:

VI2 - У22

ДЬ = Ь,-Ь2= --------------, (3)

2§ где: ^ , И2 - отметки поверхности воды после и до опоры или трубы , V] , У2 - средние скорости течения с подпором и без подпора воды.

При этом развивается подсос воды в формирующийся бугор из продру-словых таликов. Увеличение глубин оттаивания в зоне расположения опоры (или трубопровода) увеличивает объемы воды, способной двигаться в сторону фронта промерзания.

На третьей стадии (рис .19 в) происходит всестороннее промерзание воды и грунта в замкнутом объеме.

При исследовании на модели подток воды происходил с поверхности (см. рис.18, 19 марта). На стадии 3 наблюдается промерзание грунта в локальном замкнутом объеме (рис.19 в). При этом к "подъемной силе" за счет распора льда (стадия 2) добавляется давление замерзающей воды, которое по величине сопоставимо с ней. На модели эта стадия соответствует процессам с 15 по 19 марта. Именно то, что на контакте "свая-грунт" действуют не только силы смерзания по боковой поверхности, но силы всестороннего обжатия, которые существенно больше сил смерзания, объясняет аномально большой подъем короткой сваи.

Нижняя часть длинной сваи, очевидно, вмерзла в грунт еще до начала эксперимента, так как потребовалось время для загрузки емкости модели песком, а температура наружного воздуха была довольно низкая. Кроме того, можно предположить, что промерзание по периметру модели не было равномерным из-за ее неравномерного обдува наружным воздухом (преимущественное направление ветров в марте - северное), поэтому объем грунта, имеющий высокое давление сформировался только вокруг короткой сваи.

Условие обеспечения устойчивости длиной сваи во время эксперимента записывается:

К дав Ь дав ^ К- а f Ь см , (4) где Я дав, Ла т - силы, соответственно, давления и смерзания по боковой поверхности сваи, тс/м , Ь дав, Ь см - высота сваи, на которую действуют, соответственно, силы давления и силы смерзания, м.

Соотношение высот при заглублении сваи в грунт на 7.5 м равно:

Ьсм+Ьдав= 7.5 м.

Тогда для обеспечения устойчивости сваи высота смерзания грунта вдоль сваи в зависимости от температуры грунта (СНиП 2.02.04-88) на контакте "свая-грунт" должна быть равна: при Тсв — -з°с, Ra f = 26 тс/м hcM> 7.18 m, при Тсв — -5°С, Ra f = 35 TC/M2 hew > 7.07 м, при Тсв ~ - 10°С, Raf = 50 tc/M2 hcM > 6.90 m.

Такое сопоставление позволяет сделать вывод о правомерности высказанных выше предположений: смерзание длинной сваи с грунтом обеспечило устойчивость сваи против действующего давления, в противном случае давл ление 58 кгс/см вытолкнуло бы и длинную сваю.

Подъем в 2 см длинной сваи может быть объяснен или обычным пучением пылеватых песков или краевым влиянием давления вблизи короткой сваи.

На стадии 3 процесс промерзания может быть приравнен к процессу образования бугра в замкнутом объеме. Например, как это было предложено при образовании пинго (Mackay J. Ross, 1973 ), формирование которых определяет условие:

2tfiW

Pi-Pw)< ----------, (5) rc где: Р i - давление льда на границе промерзания (равно давлению перекрывающего слоя промерзшего грунта; Р w - давление поровой воды на линии промерзания; <7i w = 3x10 5 - энергия на поверхности раздела "лед-вода" (поверхностное натяжение), гс - радиус, эквивалентный размеру наибольших пор в грунте.

Член (2сг! / г с) близок к нулю для крупного песка, для мелкого песка он равен приблизительно 0.075 кгс/см , для пылеватых песков, глин и илов его величина может быть в пределах от 0.15 до 0.5 кгс/см .

Очевидно, что предложенные схемы являются приближенными, вопрос образования бугров пучения в областях основания водотоков в условиях техногенных нарушений природного теплового и водного равновесия в много-летнемерзлых грунтах при их сезонном оттаивании-промерзании требует дальнейшего изучения.

Тем не менее, они позволяют качественно оценить последовательное действие рассмотренных процессов промерзания, формирующих высокие давления в локальных областях оснований опор или труб при в зонах водных переходов или обводненных низин, что вызывает выдавливание свай или труб.

Глава 3. Тепловое взаимодействие газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами оснований

3.1. Оценка техногенных и климатических факторов, влияющих на природный теплообмен в основаниях опор газопроводов

3.1.1. Методы исследования

На основании результатов обобщения опыта эксплуатации газопроводов, которые приведены в главе 1, из природных и техногенных факторов, наиболее существенно влияющих на изменение процессов природного тепло-и водообмена в основаниях эксплуатируемых опор, выделены следующие:

- нарушение мохо-торфяного и почвенно-растительного слоя во время строительства;

- изменение толщины снежного покрова после возведения опоры под влиянием заносов;

- влияние температуры продукта, транспортируемого газопроводом;

- влияние нагрева трубы газопровода, опоры и открытых частей свай солнечной радиацией.

Влияние указанных факторов на тепловой режим грунтов в основании опор трубопроводов при надземной прокладке практически не изучалось. В литературе имеются упоминания о влиянии снежного покрова Носов B.JL, (1980), разрушения мохо-торфяного и почвенно-растительного слоя, а также о воздействии солнечной радиации на глубину оттаивания грунтов под опорами трубопроводов, но количественная оценка отдельных видов воздействия, а тем более всего комплекса воздействий, отсутствует.

Вопрос о теплопередаче излучением от нагретых поверхностей рассмотрен подробно в разделе теплофизики высокотемпературных процессов. Теплопередача излучением для условий, приближенных к теплообмену "опора-грунт", изучалась только для условий теплообмена в вентилируемых подпольях зданий и сооружений, где также происходит теплопередача излучением от нагретой поверхности перекрытия подполья к поверхности грунтов основания. Поэтому в этой части исследований нами использовались данные натурных наблюдений и исследований на моделях вентилируемых подполий (Лыков A.B., 1952, Иванов В.Н., 1972). Как показали исследования, от наружной поверхности перекрытия над вентилируемым подпольем передача тепла излучением повышает температуру поверхности грунта по сравнению с температурой воздуха в подполье, даже при достаточно невысоких температурах на поверхности перекрытия температура на поверхности на 2-3 градуса выше, чем температура наружного воздуха.

В качестве методов расчета теплообмена использованы известные теоретические работы таких авторов, как Мак-Адамс, 1936, М.А. Михеев, 1956, А.В.Лыков (1961) , В.В.Батурин, В.М. Эльтерман (1963), В.Н. Талиев (1963), Г.В. Порхаев, 1970. Этими авторами рассмотрен теплообмен между нагретыми стержнем или поверхностью и воздухом. Полученные методики не могут быть впрямую распространены на относительно слабо нагретые тела и поверхности, каковыми являются нагретые опоры газопровода. Поэтому в работе предложена упрощенная инженерная методика, позволяющая тем не менее задать температуру опоры трубопровода и поверхности грунта под ней.

Для оценки влияния теплопередачи излучением от нижней поверхности опоры к грушу использован метод тепловых балансов, который позволяет учесть тепло, выделяемое опорой и поступающее в грунт от теплообмена с наружным воздухом.

Влияние техногенного разрушения природного мохо-торфяного и растительного покровов оценено по результатам численных прогнозных расчетов многолетнего промерзания-оттаивания грунтов в основании опор газопроводов при их надземной прокладке.

Влияние снежного покрова на температурное состояние грунтов основания исследовано путем прогнозных теплотехнических расчетов при различных характеристиках и толщине снежного покрова.

Качественная и количественная оценка техногенных и климатических факторов, изменяющих природный теплообмен между опорой и многолетне-мерзлыми грунтами, проведена с помощью выполнения комплекса теплотехнических расчетов на ПЭВМ.

Теплотехнические расчеты выполнены по базовой программе PROG-NOZ, разработанной в институте "Фундаментпроект" (РСН 67-86), и ее модификации на PC. Математическое моделирование осуществляется энтальпий-ным конечно-разностным методом на явной двухслойной сетке. Расчетная схема детерминированная, трехмерная. Расчетная схема для численного теплотехнического расчета основания опоры из 4-х свай дана на рис.20.

Все численные примеры, приведенные в работе, выполнены для мерз-лотно-грунтовых условий, характерных для региона исследований. Состав и характеристики грунтов в основании опоры приведены в таблице 3. Начальные температуры грунтов на октябрь рассмотрены для двух вариантов и характеризуют зону высокотемпературных грунтов (вариант А) и зону твердо-мерзлых грунтов (вариант В), численные значения температур даны в таблице 4. Заданные значения приняты по результатам инженерно-геологических изысканий на объектах Уренгойского НГМК. Расчеты выполнены для климатических условий г. Новый Уренгой (СНиП 2.01.01-82), в таблице 5 приведены нормативные значения температур воздуха, скоростей ветра и толщины снегоотложений.

В расчетах рассматривались три вида опор, опирающихся на кусты свай, наиболее характерных для трасс газопроводов: а), куст из двух свай; б), куст из четырех свай; в), куст из девяти свай. Сваи приняты традиционные из металлических труб диаметром 0325x8 мм, заполненные цементно-песчаной смесью, имеющие заглубление в грунт 6 м.

Заключение

1. Анализ результатов исследований на крупномасштабной грунтовой модели подтвердил данные натурных наблюдений автора о механизме формирования на участках переходов газопроводов надземной и подземной прокладки через малые водотоки и обводненные низины замкнутых объемов талых грунтов в многолетнемерзлых грунтах, промерзание которых вызывает повышение давления и скачкообразный подъем свай или деформации и смятие подземных трубопроводов. В натурных условиях подъем свай за один зимний сезон может составить 1.5-2 , на модели ненагруженная свая поднялась на 3.52 м, а давление составило от 25 до 58 кгс/см2.

Результаты одновременных измерений давления в грунте и величин подъема свай показали, что повышение давление в замкнутом объеме талых грунтов происходит по мере его всестороннего промерзания, после достижения критических значений давления происходит скачкообразный подъем сваи, вызывающий падение давления («разгрузку»), далее процесс циклически повторяется.

2. Опыт эксплуатации газопроводов с различной температурой газа (холодные и горячие трубопроводы) и анализ результатов натурных замеров де

109 формаций опор, а также выполненные модельные и численные исследования, позволили установить основные техногенные, климатические и мерзлотно-грунтовые причины деформаций надземных и подземных газопроводов. Совокупность дополнительных по отношению к природным воздействий может увеличить глубины сезонного оттаивания грунтов в 1.5-3 раза, что не учитывается в действующих нормативных документах. Комплексом численных теплотехнических расчетов и расчетов несущей способности свай установлено влияние на несущую способность опор каждого из негативных воздействий после возведения трубопровода. Разработана инженерная методика корректировки нормативного расчета заглубления в грунт свай, в которой учтены дополнительные негативные воздействия опоры на основание.

3. Предложены и разработаны технические решения устройства оснований трубопроводов и конструкции фундаментов опор трубопроводов при надземной и подземной их прокладке. При разработке технических решений учтены результаты исследований и опыт эксплуатации. В качестве защитных мероприятий рекомендованы теплозащитные экраны и глубинное промораживание грунтов с помощью парожидкостных термостабилизаторов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пазиняк, Василий Васильевич, Москва

1. Авдеенко Н.И. Опыт эксплуатации надземного газопровода Мессоя-ха-Норильск. Ж.Газовая промышленность №1,1982. с.30-31.

2. Башлаков Я.К. Снежный покров и его влияние на природные процессы и хозяйственную деятельность Тюменской области. Л. Изд. "Наука", 1983.

3. Белопухова Е.Б., Тихомирова H.A., Сухов А.Г. Мерзлотные условия Надым-Пуровского междуречья и долины р. Пур. // Геокриологические условия и прогноз их изменения в районах первоочередного освоения Севера. М., ПНИИИС, 1984, с. 157-178.

4. Беркович K.M. Регулирование речных русел. Изд. МГУ, 1992, 101 с.

5. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. "Недра", М., 1985, с. 224.

6. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. М.,Наука,1983, 115 с.

7. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Щадрин О.Б., Подводные трубопроводы. М., Недра, 1979,135 с.

8. Бучко H.A., Лебедкина И.К., Зеленова Н.Ю. Приближенный Приближенный унифицированный метод расчета и сопоставления эффективности паровых и жидкостных термосвай. Ж.Холодильная техника №3, 1976, с.25-29.

9. Вейнберг Б.Н. Лед. М.-Л., Гостехиздат, 1940, с.524.

10. Вялов С.С. и др. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты льдогрунтовых ограждений. М., изд. АН СССР, 1962, с.254.

11. Вялов С.С., Зарецкий Ю.К., Городецкий С.Э. Расчеты на прочность и ползученсть при искусственном замораживании грунтов. Ленстройиз-дат, 1981, с.200.

12. Гайдаенко Е.И., Константинов И.П. Особенности работы газопровода Мастах-Якутск. Ж.Тазовая промышленность", 1989, №7, с.39-41.

13. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л.,Стройиздат, 1969, с. 104.

14. Гречищев С.Е., Москаленко Н.Г., Шур Ю.Л. и др. Гекриологиче-ский прогноз для Западно-Сибирской газоносной провинции. Новосибирск, "Наука", 1983, с.180.

15. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процкссы и их прогноз.М., Недра, 1980, 380 с.

16. Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения на фундаменты сооружений. Л., Госстройиздат, 1957.

17. Двойрис А.Д., Красовицкий Б.А., Субботина Л.П. Обмерзание низкотемпературных газопроводов при надземной прокладке. Ж."Строительство трубопроводов", №8, 1979, с.28-29.

18. Демидюк Л.М., Степанова С.Г., Спиридонов В.В. Рекомендации по гидрогеологическому прогнозу при сооружении трубопроводов на избыточно увлажненных территориях, включая районы вечной мерзлоты, Р 50083. М, ВНИИСТ, 1984, 84 с.

19. Дубиков Г.И., Белопухова Е.Б., Данько В.К. и др. Мерзлотные условия Ямбургского поднятия. // Исследование взаимодействия трубопроводов с окружающей средой. М., ВНИИСТ, 1979, с. 72-113.

20. Дубина М.М., Красовицкий Б.А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. "Наука", Новосибирск, 1983, 135 с.

21. Ершов Э.А. Инженерное мерзлотоведение. М., 1998, 187 с.

22. Забела К.А. Ликвидация аварий и ремонт подводных трубопроводов. М., Недра, 1986, 148 с.

23. Регламент по техническому обслуживанию подводных переходов магистральных газопроводов через водные преграды, ОАО "Гипроречтранс". М., ИРЦ ГАЗПРОМ, 1996, 70 с.

24. Иванов В.Н. Вентилируемые подполья отапливаемых зданий на вечномерзлых грунтах. Стройиздат, Jl.,1972, 120 с.

25. Иванов Н.С. К вопросу о моделировании тепловых процессов в почвах и горных породах. В сб."Тепло- и массообмен в мерзлых почвах и горных породах" Изд.АН СССР, М., 1961.

26. Иванцов О.М. Сооружение газопроводов на многолетнемерзлых грунтах: проблемы и решения. Строительство трубопроводов №12, 1985, с.9-11.

27. Иванцов О.М., Фролова Ю.А. Безопасность трубопроводного транспорта нефти и природного газа. Ж., Территория "Нефтегаз", №3, 2001 г с.5-8.

28. Исследования взаимодействия трубопроводов с окружающей средой. Сб. научных трудов. ВНИИСТ, М, 1979, 217с.

29. Кирпичев М.В. Теория подобия как основа эксперимента. Изд. АН СССР, 1945, 345 с.

30. Кукушкин Б.М., Канаев В .Я. Строительство подводных трубопроводов, М, Недра, 1982, с. 15-19.

31. Ланчаков Г.А., Степаненко А.И., Пазиняк В.В. Подводные переходы рек тундровой зоны. Ж. "Газовая промышленность", №11, 1995, с. 16-17.

32. Ланчаков Г.А., Хренов H.H., Егурцов С.А., Пазиняк В.В., Степаненко А.И. Опыт обследования состояния линейной части межпромыслового коллектора Уренгойского ГКМ.Ж. "Техническая диагностика и неразрушаю-щий контроль", №3, 1995, с.35-41.

33. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., Гостеоретиздат, 1952,325 с.

34. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофизики. Минск, Изд. АН СССР, 1961, 225 с.

35. Мак-Адамс. Теплопередача. М., Госэнергоиздат, 1936,112 с.

36. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. Новосибирск. Наука, 1985, 168 с.

37. Минкин М.А. Методика прогнозирования изменения мерзлотных условий при изысканиях трасс магистральных газопроводов. Сб.Материалы по проектированию сложных фундаментов и по проведению изысканий", вып. 12, М., ЦБТИ, 1972.

38. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М-Л, Госэнергоиздат, 1956.

39. Невечеря В.Л., Горальчук М.И. Некоторые закономерности сезонного пучения грунтов в северо-таежной зоне Западной Сибири. Криогенные процессы. М., Наука, 1978. с. 177-188.

40. Невечеря В.Л. Криогенное пучение при сезонном и многолетнем промерзании горных пород. Ж."Инженерная геология", №3, 1989.

41. Николаев H.A., Шарыгин В.М., Семериков A.B., Бирилло И.Н. Исследование изменения температуры грунта вокруг газопровода Ямбург-Елец. Сб.: "Моделирование теплового режима обратного промерзания.". М., 1988, с.11-19.

42. Носов В.Л. Прокладывать северные надземные трубопроводы с учетом их снегозаносимости. Ж. Строительство трубопроводов №9.1980. с. 19-20.

43. Основы геокриологического прогноза при инженерно-геологических исследлваниях. Изд. МГУ, 1974, 431с.

44. Пазиняк В.В. Надежность и экологическая безопасность переходов газопроводов и продуктопроводов через реки лесотундры и тундры. Ж. "Нефть, газ и бизнес" №4, 1999, с.50-54.

45. Пазиняк В.В. Проблемы эксплуатации нефтегазотранспортных систем Уренгойского месторождения. Ж. "Нефть, газ и бизнес" №2, 2001, с.54-56.

46. Пазиняк В.В. Криогенное пучение грунтов как фактор дестабилизации объектов нефтегазовой промышленности в укриолитозоне. Сообщение на международной конференции "Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере земли", Пущино, 2001.

47. Пазиняк В.В. Оптимальные параметры работы станции охлаждения газа и межпромысловых газовых коллекторов. Доклад на научной конференции ПО Уренгойгазпром, Н.Уренгой, 2001, с. 17-21.

48. Пазиняк В.В. Бугры криолитозоны Западной Сибири. Ж. Крио-сфера Земли. М.,2001, с.7-8.

49. Пазиняк В.В. Физическое моделирование взаимодействия технических (инженерных) объектов с грунтами в процессе промерзания. Сообщение на международной конференции "Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере земли", Пущино, 2001.

50. Пазиняк В.В., Егурцов С.А. Диагностика и ремонт трубопроводных систем Уренгойского ГКМ.-М.: ООО "ИРЦ Газпром" НТС "Ремонт трубопроводов", 1999, №3, с. 23-29.

51. Пехович А.И., Разговорова Е.Л., Перовская Е.П., Воронкова Э.М. Льдообразование в замкнутых полостях. Л., ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1975, 60 с.

52. Полтев Н.Ф., В.Г.Кондратьев,С.А.Замолодчиков и др. Мерзлотно-геологические исследования в связи со строительством и эксплуатацией подземного газопровода в зоне вечной мерзлоты. Инженерное мерзлотоведение. В сб. тр. Новосибирск. Наука, 1979, с.213-222.

53. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. М., Наука, 1970, 208 с.

54. Провести исследования и дать прогноз изменения инженерно-геокриологических условий при эксплуатации объектов нефтяной и газовой промышленности на примере Уренгойского газового месторождения. НИР СибПНИИИС, Уренгой-Тюмень, 1982.

55. Разработать методические рекомендации по повышению надежности магистральных газопроводов в местах переходов через водотоки на севере Тюменской области. Отчет о НИР (при участии Пазиняка В.В.). За-пСибПНИИИС, Тюмень, 1989, 36 с.

56. Результаты экспериментальных исследований работы трубопроводов в условиях вечномерзлых грунтов. М., ВНИИСТ, 1988.

57. Рекомендации по укладке подводных трубопроводов с железобетонными покрытиями и грунтами. М., ВНИИСТ, 1981.

58. Рекомендации по организации производства и труда при строительстве подводных переходов трубопроводов. М., Транспорт, 1977.

59. Ржевский В.В., Добрецов В.Б. Физические свойства горных пород и процессы при отрицательных температурах М., изд. Московский горный институт, 1969, 126 с.

60. Романовский H.H. Основы криогенеза литосферы. Изд. МГУ, 1993, с. 335.

61. Самойлов Б.В., Ким Б.И., Зоненко В.И., Кленин В.И. Сооружение подводных трубопроводов. Учебное пособие. М., Недра, 1995, 305 с.

62. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. М., Стройиздат,1985.

63. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М., Стройиздат, 1989.

64. СНиП 2.01.03-86. Строительная теплотехника. М., Стройиздат,1987.

65. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М., Стройиздат, 1983.

66. Строительство магистральных трубопроводов. Подводные переходы. ВСН 010-88. М., Миннефтегазстрой, 1990.

67. Сумгин М.И., Качурин С.П., Толстихин Н.И., Тумель В.Ф. Общее мерзлотоведение. М., JL, изд. АН СССР, 1940, 140 с.

68. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. М., Стройиздат, 1963.

69. Технико-экономическое обоснование (ТЭО) "Уренгой-280". ВНИ-ПИГАЗдобыча, Саратов, 1982.

70. Трофимов В.Т. Закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий Западно-Сибирской плиты. Изд. МГУ, 1977.

71. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М., Недра, 1974,278 с.

72. Уткин Б.В. Механизм формирования лдинзовидного льда в водотоках и грунтах. В кн. II Международная конференция по мерзлотоведению. Вып. 3. Якутск, 1973, с.93-95.

73. Учет деформаций русел и берегов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов. ВСН 163-83. Миннефтегазстрой. JL, Гидроме-теоиздат, 1985.

74. Федоров В.И. Процессы влагонакопления и морозостойкость грунтов в строительстве. Владивосток. ДальНИИС, 1993, 180 с.

75. Фельдман Г.М. Прогноз температурного режима грунтов и развития криогенных процессов. Новосибирск, Наука, 1977, 191 с.

76. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. Л., Недра, 1990, 180 с.

77. Цытович H.A. Механика мерзлых грунтов. М., Высшая школа, 1978, 320 с.

78. Чернядьев В.П., Чеховский А.Л., Стремяков А.Я., Пакулин В.А. Прогноз теплового состояния грунтов при освоении северных территорий. Изд. Наука. 1983, 137 с.

79. Чигир В.Г., Егурцов С.А., Пазиняк В.В. Проблемы нефтегазового освоения Крайнего Севера: опасность половодий. Ж. "Нефть, газ и бизнес" №1,2000, с.21-26.

80. Чигир В.Г., Хренов H.H., Егурцов С.А., Пазиняк В.В. Полевые обследования состояния северного участка межпромыслового коллектора Уренгойского ГКМ. Ж. "Строительство трубопроводов", №3, 1996, с.21-25.

81. Чигир В.Г., Пазиняк В.В., Хренов H.H., Егурцов С.А., Степененко А.И. Натурные обследования состояния участка УКПГ 13 -УКПГ 15 межпромыслового коллектора Уренгойского ГКМ. Ж. "Техническая диагностика и неразрушающий контроль", №3, 1996.

82. Чигир В.Г., Егурцов С.А., Пазиняк В.В., Степаненко А.И. Совершенствование научных основ и методологии диагностики трубопроводных систем Крайнего Севера. Научное изд. "Проблемы освоения месторождений Уренгойского комплекса", М., Недра, 1998, с.167-172.

83. Шарапова Т.А. Подземная прокладка трубопровода в сильнольдистых грунтах. Кн.: "Надежность газопроводных конструкций", М.,1990, с. 112121.

84. Шешин Ю.Б. Прогноз криогенного растрескивания грунтов на севере Западной Сибири.Криогенные процессы. М., Наука, 1978, с. 120-123.

85. Яницкий П.А. Тепловое взаимодействие трубопроводов в насыпи с мерзлыми грунтами оснований, Изв. АН СССР, Серия энергия и транспорт, №3, 1990, с.136-142.

86. Ястребов A.JI. Инженерные коммуникации на вечномерзлых грунтах. Л., Стройиздат, 1972, 175 с.1Ó0. Long E.L. Means for Maintaining Permafrost Foundations. Pat. USA. N3, 217,791, С1/ 165-45, 1964.

87. Mackay J. Ross. The growth of pingos, Western Arctic Coast, Canada. Canadian J.of Earth Sciences, 1973, vol.10, №6, p. 979-1003.