Теплосиловое взаимодействие промерзающих и протаивающих грунтов с подземным трубопроводом

Существуют различные типы прокладки и конструктивные особенности магистральных трубопроводов, а также используется разная температура транспортируемого продукта (ниже и выше О °С). Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надежность подземных трубопроводов, является их взаимодействие с окружающими грунтами, в котором большое влияние играют сезонные процессы. В случае, когда между трубопроводом и грунтом устанавливается тепловой поток, который постепенно оттаивает грунт, вокруг трубы возникают провалы. В результате, в местах провалов трубопровод провисает, изгибается и при определенных условиях может разрушиться вследствие изменения физических свойств грунта вдоль трубопровода в различных сечениях за один и тот же промежуток времени. Если возникли условия, при которых оттаявший грунт вновь начнет замерзать в результате уменьшения температуры перекачиваемого продукта ниже О °С, то в зависимости от скорости перемещения границы промерзания, мерзлый грунт будет формировать разную текстуру. При этом возможно возникновение морозобойных трещин, перпендикулярных продольной оси трубопровода. В зоне распространения мерзлых грунтов также имеются участки, называемые буграми пучения: лед выпирает грунт, расположенный выше; в замерзшем грунте возникают столь значительные напряжения, что бугор пучения «стреляет», при этом подземный трубопровод обязательно разорвется даже при сохранении мерзлоты с момента укладки трубопровода [1, 3]. Основными нежелательными криогенными процессами при прокладке подземных трубопроводов с положительной температурой являются образование ореолов оттаивания вокруг трубопровода, а при отрицательной температуре продукта, когда формируются ореолы промерзания вокруг трубопроводов, возможно, их выпучивание [1]. Проблемы эксплуатации трубопровода на вечной мерзлоте хорошо известны из литературы. Поэтому для обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов, прокладываемых в многолетнемерзлых грунтах, необходимо решать задачу теплосилового взаимодействия трубопровода и мерзлого грунта. Следует отметить, что существенный вклад в решение проблемы теплосилового взаимодействия мерзлого грунта с трубопроводом внесли многие отечественные и зарубежные ученые. Изучением морозного пучения занимались: Н. А. Цытович, Н. И. Быков, М. Н. Гольдштейн, В. О. Орлов и др. Над определением сопротивления грунта продольным и поперечным перемещениям трубы работали: А. Б. Айнбиндер, П. П. Бородавкин, Л. И. Быков, Э. М. Ясин и др. Расчетным схемам и методам силового взаимодействия грунтов с подземным трубопроводом посвящены работы: А. Б. Айнбиндера, П. П. Бородавкина, В. В. Алешина, И. А. Иванова, В. Е. Селезнева.

В моделировании взаимодействия трубопровода и грунта важны различные нестационарные термомеханические явления. Поля температур вокруг заглубленного трубопровода и силовое взаимодействие между трубопроводом и мерзлым грунтом были исследованы Nixon и др., Konrad и Morgenstem (1982), Dallimore и Williams (1984), Shen и Ladanyi (1993). Nixon, Morgenstem и Reesor (1983) осуществили 2-мерный расчет методом конечных элементов, чтобы исследовать трубопровод, который пересекает мерзлые и талые зоны грунта. В их работе грунт был описан моделью линейной упругости, а морозное пучение было описано моделью потенциала сегрегации, предложенной Konrad и Morgenstem (1982). В расчете трубопровод рассматривали в качестве пассивного структурного участника. Для вычисления напряжения в трубопроводе использовалось напряжение грунта при пучении.

Проблема взаимодействия заглубленного трубопровода и грунта рассматривается также в работе [13], в которой ведется расчет трубопроводов, проложенных в областях вечной мерзлоты. В этой работе проводится квазитрехмерный анализ трубопровода методом конечных элементов, чтобы изучить взаимодействие между заглубленными трубопроводами, транспортирующими теплые углеводороды и окружающей их вечной мерзлотой. Теплообмен трубопровода и грунта в продольном направлении на несколько порядков меньше, чем теплообмен в вертикальном направлении. Следовательно, можно считать только теплообмен грунта и трубопровода в.

2-мерной плоскости, перпендикулярной к оси трубопровода.

Наибольшие деформации трубопровода в обоих случаях происходят в пределах области таяния. Полезными для исследований по данной тематике также могут быть работы: Ю. С. Даниэляна, С. С. Вялова, А. В. Лыкова, В. А. Кудрявцева, В. Г. Меламеда и многих других отечественных и зарубежных авторов. Для более точного описания теплового и механического режимов массива грунта необходимо совершенствование математических моделей и методов решения задач многофазного тепломассопереноса в грунтах.