image
energas.ru

Газовая промышленность № 05 2018

Транспортировка газа и газового конденсата

01.05.2018 11:00 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ НА УЧАСТКАХ ПРЕРЫВИСТОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
В сложных климатических и инженерно-геологических условиях Западной Сибири эксплуатационная надежность трубопроводов определяется в основном способностью конструкции трубопровода сопротивляться неблагоприятной динамике гидрогеологических и геокриологических процессов, повторяющихся ежегодно. Один из наиболее опасных процессов – морозное пучение, способное развивать огромные усилия и приводить к сильным изгибам трубопроводов в вертикальной плоскости на коротких участках. Наибольшее влияние морозное пучение оказывает на «теплые» и «холодные» трубопроводы, поскольку перекачиваемый продукт служит источником холода. Проектируемые системы инженерной защиты от морозного пучения имеют недостаточную эффективность на участках прерывистого распространения многолетнемерзлых грунтов, о чем свидетельствуют многочисленные аварии, происходящие как на магистральных, так и на промысловых газо- и конденсатопроводах ежегодно. В связи с этим актуальна проблема повышения надежности трубопроводов на пучинистых грунтах. Авторы предложили разделить способы инженерной защиты на две группы: первая направлена на устранение морозного пучения грунтов; вторая – на снижение силовых воздействий со стороны пучинистого грунта. В статье проведено численное исследование различных методов инженерной защиты первой группы, сделаны выводы в отношении их эффективности в условиях сильно обводненных грунтов на равнинных территориях Западной Сибири с учетом имеющегося опыта эксплуатации. Численные исследования показали высокую эффективность методов обогрева и гидроизоляции для снижения деформаций морозного пучения грунтов. Электрообогрев позволяет полностью устранить морозное пучение, так как грунт перестает замерзать. Для гидроизоляции установлено оптимальное положение непроницаемой мембраны, которое способствует наибольшему снижению морозного пучения.
Ключевые слова: МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ, ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ, ЭЛЕКТРООБОГРЕВ, ЗАСОЛЕНИЕ, ПОТЕНЦИАЛ ВЛАГИ, ТЕПЛОПЕРЕНОС В ГРУНТАХ, МАССОПЕРЕНОС В ГРУНТАХ.
Открыть PDF


Эксплуатационная надежность трубопроводных систем в геокриологических и гидрологических условиях Западной Сибири определяется, главным образом, способностью конструкции трубопровода обеспечивать эксплуатационное положение в границах допустимых значений. Конструкция трубопровода находится под воздействием различных разрушающих геологических процессов: суффозия, дефляция, ежегодные паводки, морозное пучение, термоэрозия [1].

Для теплых и холодных трубопроводов, по классификации СП 25.13330.2012 [2], существенную опасность представляет морозное пучение грунтов, что связано с неравномерностью этого явления и огромными величинами погонных усилий. На сегодняшний день в проектировании используются следующие классические методы инженерной защиты от морозного пучения: теплоизоляция и замена пучинистого грунта на непучинистый (обычно крупнозернистый песок). Подобные проектные решения слабо подходят для территорий сплошного, с несквозными таликами, и прерывистого распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ), о чем свидетельствуют многочисленные аварии на магистральных и промысловых газо- и конденсатопроводах. На этих участках воздействие методов инженерной защиты противоречиво.

С одной стороны, понижение температуры продукта до отрицательных значений стабилизирует ММГ, но с другой – на участках с талыми грунтами отрицательная температура продукта становится причиной интенсивного морозного пучения. По опыту авторов в расследованиях причин аварийных инцидентов, теплоизоляция и замена грунта становятся не- эффективными уже при температурах продукта ниже –4…–5 ºС. Подогрев продукта до 0 ºС решает проблему с пучением талых грунтов, но тогда активизируется морозное пучение, связанное с намораживанием льда на кровле ММГ, так как трубопровод становится проводником влаги вниз. Дополнительно ситуация осложняется естественным сезонным и многолетним пучением, которое связано с перетоком воды из талого грунта в многолетнемерзлый на переходных участках. Подогрев продукта до положительных температур приводит к просадкам ММГ при оттаивании.

Таким образом, найти оптимальную температуру перекачиваемого продукта с точки зрения стабилизации проектного положения проблематично, а обеспечить ее постоянство в производственных условиях практически невозможно. В целом классические методы инженерной защиты пригодны для территорий с талыми или многолетнемерзлыми грунтами. На участках с прерывистыми ММГ разработка методики выбора и теории расчета способов инженерной защиты от морозного пучения теплых и холодных трубопроводов остается актуальной проблемой [3].

 

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Морозное пучение включает сложные физико-химические процессы с большим количеством взаимодействующих факторов, изменяющихся во времени и пространстве. Перераспределение влаги является основным процессом, обусловливающим пучение. Существенно влияние дисперсности, водонасыщения, минералогического состава, условий промерзания и предзимнего увлажнения на способность грунта к морозному пучению [4, 5].

Способы инженерной защиты трубопроводов от воздействия морозного пучения разделяют на две группы: первая направлена на устранение самого процесса морозного пучения грунта; вторая – на снижение силовых воздействий пучинистого грунта за счет специальных конструктивных решений. В статье рассмотрены способы первой группы, направленные на устранение процесса морозного пучения грунта.

В рамках статьи решены следующие задачи:

– разработка расчетной схемы, позволяющей без прямого моделирования трубопровода численно исследовать вертикальную деформацию морозного пучения грунта;

– численные исследования морозного пучения различных грунтов (пески, супеси, суглинки, глины) с учетом физических и химических способов инженерной защиты;

– выбор экологически безопасного, устойчивого к воздействиям внешней среды и эффективного на участках прерывистых многолетнемерзлых грунтов метода инженерной защиты от морозного пучения теплых и холодных трубопроводов с учетом геологических особенностей Западной Сибири.

 

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для разработки физически обос- нованных методов инженерной защиты авторы использовали численное моделирование. Исследование методов снижения пучения грунтов проводилось с использованием математической модели, состоящей из системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса (формулы (1) – (9)), полученных с учетом следующих предположений:

– перенос веществ в газовой фазе незначителен, что свойственно водонасыщенным грунтам Западной Сибири;

– перемещение жидкости описывается квазистационарными уравнениями (например, закон Дарси);

– кристаллизация льда и выпадение нерастворенных солей происходят через фазу метастабильных состояний [6];

– раствор принимается бинарным, т. е. рассматривается совокупный перенос солей;

– раствор перемещается под действием градиентов капиллярно-сорбционного потенциала воды и гравитации; слабое влияние напряженно-деформированного состояния грунта под трубопроводами на давление во внутрипоровом растворе подтверждено экспериментальными исследованиями [7], поэтому давление в уравнения не входит; компоненты раствора диффундируют по закону Фика;

– при полном заполнении внут- рипорового пространства и отсутствии стока раствор остается неподвижным, так как градиент гидростатического давления уравновешивает силу тяжести. Это учитывается в уравнениях с помощью множителя (1 – hav(V)), который обнуляет силу тяжести при превышении объема внутрипоровых веществ над объемом пор.

(1)

 

где sk – плотность скелета грунта, кг/м3; w, i, s, ns – содержание воды, льда, соли и нерастворенной соли в единице объема грунта, кг/м3; csk, cw, ci, cs, cns – изобарная теплоемкость скелета грунта, воды, льда, растворенной и нерастворенной соли, Дж·кг-1·К-1; T – температура, К; /t – оператор частной производной по времени; t – время, с; ·A – оператор дивергенции от векторной функции ; B – оператор градиента от скалярной функции B; T – коэффициент теплопроводности грунта, Вт·м-1·К-1; – диффузионный поток воды в водно-солевом растворе через единицу поверхности грунта, кг·с-1·м-2; – конвективный поток водно-солевого раствора через единицу поверхности грунта, кг·с-1·м-2; w, s – массовая концентрация воды и солей, д. ед.; Lw – теплота плавления льда при нормальных условиях, Дж/кг; Twi – температура плавления льда при нормальных условиях, К; Ls – теплота растворения солей, Дж/кг.

(2)

 

где w – капиллярно-сорбционный потенциал воды, Дж/кг; P – коэффициент влагопроводности, м/с; ws – плотность водно-солевого раствора, кг/м3; g – константа ускорения свободного падения, 9,81 м/с2; hav(x) – функция Хэвисайда от аргумента x; V – относительная объемная деформация грунта от морозного пучения, д. ед.; – вектор ускорения свободного падения, м/с2; Dws – коэффициент диффузии соли в водно-солевом растворе в грунте, м2/с;

 

(3)

 

(4)

 

где (Ωw – Ωi) – разность полных термодинамических потенциалов воды и льда, Дж/кг; fr – параметр релаксации кристаллизации льда, Дж·с/кг2; th – параметр релаксации плавления льда, Дж·с/кг2.

                          (5)

 

где – концентрация насыщенного раствора, д. ед.; tcr – время релаксации кристаллизации солей, с; tds – время релаксации растворения солей, с.

(6)

 

= – = –Dws(w + s)w,          (7)

 

где – диффузионный поток солей в водно-солевом растворе через единицу поверхности грунта, кг·с-1·м-2.

     (8)

 

где – химический потенциал воды в растворе, Дж/кг.

                          (9)

где , – коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунта, Вт·м-1·К-1.

        (10)

 

i, ns – плотность льда и нерастворенных солей, кг/м3; e – коэффициент пористости, д. ед.

Подробное описание методики получения уравнений (1) – (9) приведено в работах [8–10]. Уравнения тепломассопереноса решаются относительно следующих неизвестных величин: T; w; s; i; ns. Для решения системы уравнений использовался классический метод конечных разностей с неявной схемой. Конечно-разностные уравнения, аппроксимирующие дифференциальные уравнения (1) – (9), а также доказательство устойчивости использованной разностной схемы представлены в работе [11].

В численных экспериментах использованы физико-химические параметры водного раствора NaCl [10]:

(11)

 

= 461,67T·ln(1 – 0,86s);        (12)

 

ws = w + 757,7s,         (13)

 

где w – плотность воды, кг/м3.

Для описания w применена двухпараметрическая зависимость, рекомендованная Калюжным и Лавровым [12]:

                                       (14)

 

при ,

 

где вз – потенциал w при влажности завядания, вз ≈ –1500 Дж/кг; нв – потенциал w при наименьшей влагоемкости, нв ≈ –33 Дж/кг; вз – содержание воды в грунте при вз, кг/м3; нв – содержание воды в грунте при нв, кг/м3.

Коэффициент влагопроводности P рассчитан по формуле Муалема [13], которая с учетом (14) записывается как:

 

                        (15)

 

где P0 – коэффициент фильтрации при полном водонасыщении, м/с; – масса воды на 1 м3 грунта при полном заполнении пор, кг/м3, = we/(1 + e).

В инженерной практике принято использовать относительную деформацию морозного пучения fh, полученную по ГОСТ 28622–2012 [14], для определения морозоопасности грунта при промерзании. В ходе испытания грунт помещается в цилиндрическую обойму с доступом воды снизу и промораживается сверху (рис. 1). Этот способ получил широкое распространение за счет простоты, наглядности и управляемости.

Физические принципы развития морозного пучения под теплыми и холодными трубопроводами в условиях обводненных грунтов Западной Сибири совпадают с таковыми в условиях экспериментальных исследований по [14]. Поэтому авторы статьи провели численные исследования с начальными, граничными и остановочными условиями, максимально приближенными к условиям экспериментальных исследований по [14] (табл. 1, здесь: нас – потенциал w при полном заполнении пор водой, рассчитанный по формуле (14) при w = , Дж/кг; Tнз – температура начала замерзания раствора в грунте, К; Tup – понижение температуры поверхности грунта по сравнению с температурой начала замерзания, К; – естественная засоленность, д. ед.; Hгр – высота образца грунта, м; dгр – диа- метр образца грунта, м). Такой подход позволил оценить эффективность физических и химических способов инженерной защиты без непосредственного моделирования трубопровода.

В соответствии с расчетной схемой на рис. 1 задача решается в одномерной постановке, поэтому оператор градиента тождественно равен: = /z, где z – координата по вертикальной оси, направленной противоположно вектору силы тяжести и берущей начало на поверхности грунта, м. На верхней поверхности грунта при z = 0 задаются граничные условия Дирихле по T и Неймана по w и s. На нижней поверхности при z = –Hгр задаются граничные условия Дирихле по T, w и s. Начальные условия соответствуют термостабилизированному грунту, приведенному в контакт с раствором по нижней поверхности. Численный эксперимент, как и эксперимент по [14], останавливается при глубине промерзания Hfr = 0,1 м (кроме эксперимента № 6).

После решения системы уравнений тепломассопереноса (1) – (9) с использованием уравнения (10) рассчитывается средняя объемная деформация грунта от морозного пучения , которая в рассмотренном одномерном случае совпадает с относительной деформацией морозного пучения fh [14]:

                        (16)

 

Величина, определяемая выражением (16), является окончательным результатом каждого расчета.

С помощью (16) можно определить вертикальное перемещение образца грунта hfh по формуле hfh = Hfr, м.

Проведенные численные эксперименты позволили определить зависимость средней относительной объемной деформации грунта (формула (16)) от параметров математической модели, которые поддаются изменению физическим или химическим способами при сооружении инженерной защиты.

При этом в каждом из восьми экспериментов один из парамет- ров математической модели изменялся, а все остальные парамет- ры принимались как базовые и оставались неизменными. Базовые параметры представлены в табл. 2, диапазоны их изменения – в табл. 3. Численный эксперимент № 8 (см. табл. 3) отличался от остальных наличием гидроизолирующей мембраны на отметке Hиз по оси z (м), которая полностью перекрывала движение воды вверх (на рис. 1 не показана). На гидроизолирующей мембране задаются граничные условия – = 0, = 0, а также непрерывность теплового потока и температуры.

Следующие параметры грунтов были приняты постоянными в каж- дом численном эксперименте в связи с их незначительной вариацией при переходе от одного грунта к другому: w = 1000 кг/м3; ns = 2165 кг/м3; i = 917 кг/м3; cw = = 4190 Дж·кг-1·К-1; cs = 870 Дж·кг-1·К-1; ci = 2100 Дж·кг-1·К-1; cns = 870 Дж·кг-1·К-1; tcr = 100 с; tds = 105 c.

Значения плотности твердых частиц для грунтов Западной Сибири: т.ч = 2800 кг/м3 для песков; т.ч = 2750 кг/м3 для супесей; т.ч = 2700 кг/м3 для суглинков и глин [3].

Значения изобарной теплоемкости скелета грунта csk приняты в соответствии с рекомендациями [2] (приложение Б6): csk = 750 Дж·кг-1·К-1 для песков; csk = 850 Дж·кг-1·К-1 для супесей; csk = 950 Дж·кг-1·К-1 для суглинков и глин.

Согласно [15] коэффициент диффузии Dws составляет: 10-10–10-12 м2/с в талых грунтах; 10-9–10-11 в мерзлых грунтах. По экспериментальной оценке, значения параметра релаксации находятся в диапазоне fr ≈ 103–105 Дж·с·м3/кг2 для льдообразования. Для процесса оттаивания запаздывание практически не фиксируется, т. е. параметр релаксации стремится к нулю: th 0 [6]. Поскольку влияние на коэффициент диффузии и релаксацию при льдообразовании затруднительно, они не рассмат- ривались в качестве изменяемых параметров и были приняты постоянными и средними из диапазона ожидаемых значений: Dws = 5·10-11 м2/с, fr = 104 Дж·с·м3/кг2, th = 0,1 Дж·с·м3/кг2.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 2–4 представлены результаты численных экспериментов № 1–8, при этом № 1–4 показывают зависимость пучения от параметров, которые возможно изменять с помощью уплотнения (увеличивает удельную поверхность грунта) или путем насыщения грунтов одновалентными катионами K+ (увеличивает количество прочносвязанной, практически неподвижной воды в двойном электрическом слое). Но в инженерно-геологических условиях Западной Сибири, характеризующихся динамичностью процессов пучения, подтоп- ления и эрозий, уплотненный грунт с большой вероятностью вернется в исходное состояние, а гидравлическая связь с окружающими водоемами восстановит исходный солевой состав или причинит экологический ущерб [1]. Поэтому уплотнение грунтов или изменение солевого состава в целом пригодно для снижения пучинистости, но не рекомендуется к применению в условиях Западной Сибири.

Численный эксперимент № 5 показывает, что увеличение концентрации соли исходного состава в грунтах приводит к снижению пучинистости. Этот способ, как и изменение состава обменных катионов, относится к химическому воздействию и, по мнению авторов, не применим в условиях Западной Сибири по тем же причинам.

Согласно численному эксперименту № 6 прокладка трубопровода выше уровня грунтовых вод (УГВ) является эффективным способом защиты от морозного пучения. Вместе с тем в условиях равнинного рельефа Западной Сибири отсутствует практическая возможность для понижения УГВ на протяжении десятков километ- ров трассы трубопровода. Прокладка трубопровода выше УГВ требует создания обвалования, которое, по опыту эксплуатации [1], крайне неустойчиво в гидрогеологических условиях Западной Сибири.

Численный эксперимент № 7 показывает высокую эффективность повышения температуры грунта для защиты от морозного пучения. При температуре продукта выше –4…–5 °C при пересечении талых грунтов достаточно применения классической кольцевой теплоизоляции. При температуре продукта ниже –4…–5 °C теплоизоляция имеет недостаточную эффективность, что требует применения дополнительных мероприятий. В этом случае в качестве наиболее перспективной технологии может рассматриваться скин-система, позволяющая обогревать грунт локально на расстоянии до 30 км от источника напряжения, сохраняя прилегающие ММГ в замороженном состоянии. При этом затраты энергии на локальный обогрев грунтов обычно значительно ниже, чем на обогрев перекачиваемого продукта. Малый диаметр трубки скин-системы и закрепление его с помощью хомута на наружной поверхности обеспечивают приспособляемость к перемещениям трубопровода и ремонтопригодность, в отличие от скин-систем внутрикольцевой теплоизоляции.

По данным численного эксперимента № 8, гидроизоляция снижает пучение в несколько раз и наиболее эффективна при положении гидроизолирующего слоя на границе температуры начала замерзания при стационарном температурном режиме. Областью применения гидроизолирующих материалов, по мнению авторов, являются трубопроводы с температурой перекачиваемого продукта ниже –4…–5 °C при пересечении участков талых грунтов и с температурой 0…4 °C при пересечении участков ММГ. Гидроизоляция представлена прочным водонепроницаемым материалом толщиной 250–500 мм, с удельным весом, превышающим удельный вес воды. Данный материал укладывают под нижнюю образующую трубопровода локально. В отличие от классической технологии с применением крупнозернистого песка обеспечивается полная блокировка притока воды в промерзающую зону.

 

ВЫВОДЫ

Предлагается разделить методы инженерной защиты на две группы. Первая группа направлена на устранение морозного пучения грунта. Ко второй группе принадлежат методы, направленные на снижение силовых воздействий со стороны пучинистого грунта.

Выполнены численные исследования зависимости морозного пучения от свойств грунта. В результате исследования было установлено, что физико-химические воздействия на грунт (уплотнение, засоление, изменение состава обменных катионов) позволяют существенно снизить морозное пучение. При этом в условиях сильно обводненных грунтов и интенсивных паводковых и эрозионных процессов использование таких методов инженерной защиты неэффективно или не- экологично.

Выполненные численные исследования показали высокую эффективность методов повышения температуры грунта и гидроизоляции для снижения деформаций морозного пучения грунтов. Повышение температуры позволяет полностью устранить морозное пучение, так как грунт перестает замерзать.

Гидроизоляция позволяет существенно снизить морозное пучение и наиболее эффективна при положении слоя гидроизоляции на границе фронта промерзания и оттаивания при стационарном температурном режиме. По опыту авторов статьи, данные методы инженерной защиты наиболее подходят для теплых и холодных трубопроводов, пересекающих территории с несплошным распространением ММГ, благодаря локальному воздействию на грунты.

Таблица 1. Начальные, граничные и остановочные условия численного эксперимента Table 1. Initial, boundary and stop conditions of numerical experiment

Наименование 

Name

Математическое выражение 

Mathematical expression

Начальные условия, t = 0 

Initial conditions, t = 0

T = Tнз + 1; w = нас – gz; s = ; i = 0; ns = 0

Верхняя граница, z = 0 

Upper limit, z = 0

T = Tнз + ∆Tup;  = 0;  = 0

Нижняя граница, z = –Hгр 

Lower limit, z = –Hгр

T = Tнз + 2; w = w(); s = 

Геометрические параметры 

Geometric parameters

dгр = 0,1 м

Условия остановки эксперимента 

Conditions for stopping the experiment

T = Tнз при глубине промерзания Hfr = 0,1 м

 

Таблица 2. Базовые значения параметров грунтов и условий численных экспериментов Table 2. Basic values of soil parameters and conditions of numerical experiments

№ инженерно-геологического элемента

No. of geotechnical element

Тип грунта

Soil type

V

Базовые параметры

Base parameters

P0

sk

∆Tup

Hгр

1

Песок

Sand

0,102

1·10-4

2,5

0,027

1450

0,0001

–4

0,15

2

Супесь

Sand loam

0,104

1·10-5

3,5

0,087

1450

0,0001

–4

0,15

3

Суглинок

Clay loam

0,111

1·10-7

5,0

0,260

1450

0,0001

–4

0,15

4

Глина

Clay

0,060

1·10-9

7,0

0,534

1450

0,0001

–4

0,15

 

Таблица 3. Диапазоны изменения базовых значений параметров грунтов в каждом численном эксперименте Table 3. Ranges of change in the base values of soil parameters in each numerical experiment

№ численного эксперимента

No. of numerical experiment

Изменяемый параметр

Changing parameter

Диапазон изменения

Size of changing

Единицы измерения

Units of measurement

1

P0

10-7–10-5

м/с

m/s

2

3,4–4,3

3

вз/

0,055–0,100

4

sk

1200–1800

кг/м3

kg/m3

5

0,0001–0,075

6

Hгр

0,15–1,2

м

m

7

∆Tup

–6…–0,25

°С

8

Hиз

–0,15…0

м

m

 




← Назад к списку