Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Динамика тепломассообменных процессов и теплосилового взаимодействия промерзающих грунтов с подземным трубопроводом

Диссертация: Динамика тепломассообменных процессов и теплосилового взаимодействия промерзающих грунтов с подземным трубопроводом
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Система работает следующим образом. Электрический насос 2 подает теплоноситель на вход кранового узла 5, где закрытием верхнего на рис. 2.4. крана и открытием нижнего на рис. 2.4. крана, поток теплоносителя направляется через проточный электронагреватель 3, в котором осуществляется его нагрев. Нагретый до нужной температуры теплоноситель подается в модельный трубопровод 1, после чего снова… Читать ещё >

Динамика тепломассообменных процессов и теплосилового взаимодействия промерзающих грунтов с подземным трубопроводом (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. МОДЕЛИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ГРУНТАХ. МЕТОДЫ РАСЧЕТА СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА С ГРУНТОМ В УСЛОВИЯХ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ
    • 1. 1. Модели и методы расчета процессов тепломассобмена в мерзлом и талом грунте
    • 1. 2. Теплофизические свойства мерзлых и талых грунтов
    • 1. 3. Массоперенос в мерзлых и талых грунтах
    • 1. 4. Теплосиловое взаимодействие промерзающих и протаивающих грунтов с подземным трубопроводом
    • 1. 5. Экспериментальные исследования теплосилового взаимодействия грунтов с трубопроводом
    • 1. 6. Выводы по первой главе
  • ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОСИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА С ПРОМЕРЗАЮЩИМ ГРУНТОМ
    • 2. 1. Экспериментальный стенд для исследования параметров теплосилового взаимодействия
      • 2. 1. 1. Конструкция климатической камеры
      • 2. 1. 2. Конструкция лотка
      • 2. 1. 3. Система терморегулирования модельного трубопровода
      • 2. 1. 4. Автоматизированная система мониторинга температуры грунта и модельного трубопровода
      • 2. 1. 5. Система измерения вертикального перемещения трубопровода
      • 2. 1. 6. Измеритель влажности талого грунта
      • 2. 1. 7. Система мониторинга давлений в грунте
      • 2. 1. 8. Система измерения деформации модельного трубопровода
    • 2. 2. Методика проведения экспериментального исследования теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с промерзающим глинистым грунтом
    • 2. 3. Экспериментальное исследование параметров теплосилового взаимодействия подземного модельного трубопровода с глинистым грунтом
    • 2. 4. Результаты и
  • выводы по главе 2
  • ГЛАВА 3. ТЕПЛОСИЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА С ОКРУЖАЮЩИМ ЕГО МОРОЗНОПУЧИНИСТЫМ ГРУНТОМ
    • 3. 1. Физическая модель тепломассопереноса в грунте
    • 3. 2. Уравнение баланса массы фаз в контрольных объемах
    • 3. 3. Уравнение баланса внутренней энергии многофазной среды в контрольных объемах
    • 3. 4. Граничные и начальные условия задачи нестационарного тепломассопереноса в грунтах
    • 3. 5. Силовое взаимодействие подземного трубопровода с морозопучинистым грунтом
    • 3. 6. Расчетная схема теплосилового взаимодействие подземного трубопровода с морознопучинистым грунтом
    • 3. 7. Результаты и
  • выводы по главе 3
  • ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО — ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОСИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА С ОКРУЖАЮЩИМ ГРУНТОМ
    • 4. 1. Численная реализация модели теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с окружающим грунтом
    • 4. 2. Сопоставление модели теплосилового взаимодействия с данными экспериментального исследования
    • 4. 3. Исследование влияния температуры трубопровода и температуры наружного воздуха на параметры теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом
    • 4. 4. Исследование влияния интенсивности миграции влаги на параметры теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом
    • 4. 5. Исследование влияния толщины снежного покрова на параметры теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом
    • 4. 6. Результаты и
  • выводы по главе 4

Актуальность работы.

Эксплуатация подземных трубопроводов при отрицательных температурах приводит к промораживанию грунта, формированию сил морозного пучения и дополнительных напряжений в стенках трубы. Величина морозного пучения изменяется по длине и по времени, что требует для описания теплофизических и прочностных параметров разработки физико-математической модели и метода расчета параметров тепломассопереноса в грунте и напряжений в стенке трубопровода. Нерешенной до настоящего времени проблемой является определение деформации трубопровода с учетом поля льдистости в морознопучинистых грунтах. Изучение закономерностей совместной деформации трубопровода и грунта, вызванной теплосиловым взаимодействием, является сложной комплексной физической проблемой, требующей сочетания расчетных и экспериментальных исследований. Эксплуатационная надежность линейной части трубопроводной системы и, следовательно, возможные неблагоприятные материальные и экологические последствия уменьшения этой надежности существенно зависят от адекватности моделирования тепломассопереноса и теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом. Необходимость решения отмеченных выше проблем определяет актуальность темы данной работы.

Цель и задачи работы.

Целью работы является экспериментальное изучение и создание метода расчета нестационарного теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с окружающими его морознопучинистыми грунтами.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Создать экспериментальный стенд и автоматизированную систему измерения параметров теплосилового взаимодействия, позволяющие проводить исследования параметров тепломассопереноса и деформаций при различных тепловых режимах работы модельного трубопровода, различной влажности грунта, различных температурах окружающей среды. Провести экспериментальное исследование теплосилового взаимодействия модельного трубопровода с глинистым грунтом, включая определение нестационарных температурных полей вблизи трубопровода, а также динамики изменения высотного положения трубопровода.

2. Разработать теплофизическую модель и численный метод расчета нестационарных тепломассобменных процессов в мерзлых и талых грунтах, которые позволяют описывать изменение во времени полей температуры, приведенных плотностей влаги и льда, определяющих изменение высотного положения и дополнительные напряжения в трубопроводе.

3.Обосновать адекватность разработанных модели и метода расчета на основе сопоставления результатов расчета параметров теплосилового взаимодействия с экспериментальными значениями, определенными при испытаниях на стенде. Выполнить расчетно-параметрическое исследование параметров тепломассопереноса и теплосилового взаимодействия трубопровода с грунтом при различных определяющих факторах.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1. На созданном стенде проведено комплексное экспериментальное исследование параметров нестационарного тепломассопереноса с фазовыми переходами в мерзлом и талом грунте и высотного положения модельного трубопровода в условиях морозного пучения, получена новая экспериментальная информация.

2. Установлено, что существенным фактором, влияющим на напряжения в стенке трубы при морозном пучении, является поле льдистости вблизи трубопровода. Предложена и обоснована расчетная зависимость средней величины морозного пучения грунта под трубопроводом от приведенных плотностей льда и воды, найденных расчетным или экспериментальным методом.

3. Разработаны и обоснованы физико-математическая модель и метод расчета тепломассопереноса и деформаций в морознопучинистых грунтах, позволяющие прогнозировать изменения напряженно-деформированного состояния в стенке трубы с учетом изменения температур трубопровода и окружающей среды, свойств грунта, интенсивности фазовых переходов и миграции влаги в грунте вблизи подземного трубопровода.

4. Показано, что существенное влияние на дополнительное продольное напряжение в стенке трубопровода при морозном пучении оказывает температура стенки трубопровода, параметры кривой незамерзшей воды, а также интенсивность миграции влаги с учетом полей влажности и льдистости.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований параметров тепломассопереноса и теплосилового взаимодействия подземного модельного трубопровода с глинистым грунтом в условиях морозного пучения.

2. Физико-математическая модель и численный метод расчета процессов тепломассопереноса с фазовыми переходами в грунтах вблизи с подземным трубопроводом, позволяющие определять зависимость средней величины свободного морозного пучения грунта под трубопроводом от нестационарных полей влажности и льдистости, высотное положение и дополнительные продольные напряжения в стенках трубопровода.

3. Результаты расчетно-параметрического исследования параметров тепломассопереноса в грунтах и параметров теплосилового взаимодействия, включая влияние температуры трубопровода и окружающей среды, толщины снежного покрова, а также миграции влаги на высотное положение и дополнительные продольные напряжения в трубопроводе.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные о нестационарных температурных полях в глинистом грунте, о параметрах теплосилового взаимодействия модельного трубопровода с окружающим грунтом существенно дополняют имеющиеся опытные данные.

Разработанная теплофизическая модель расчета процессов нестационарного тепломассопереноса в мерзлых и талых грунтах вблизи заглубленного трубопровода, а также силового взаимодействия грунта с трубопроводом может быть использована при прогнозировании напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса трубопроводов в нефтегазовом и энергетическом комплексах.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена использованием в экспериментальных исследованиях современных методов измерений и компьютерной техники с соответствующей оценкой погрешности измеренийоснована на использовании фундаментальных уравнений теплофизикиобусловлена корректной постановкой задачподтверждается достаточной обоснованностью принятых допущений и обеспечена количественным совпадением полученных численных решений с известными аналитическими зависимостями и полученными экспериментальными данными.

Личный вклад автора состоит в участии в разработке экспериментальной установки, участии в проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных экспериментальных данных, в разработке метода расчета, проведении и обобщении численных расчетов. В опубликованных совместно с соавторами научных статьях, вклад соавторов равноценен.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на российских и международных межотраслевых научных семинарах и конференциях: Международная научно-техническая конференция, посвященная 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университета «Нефть и газ Западной Сибири» .- Тюмень, 2011; Международная научно-практическая конференция по инженерному мерзлотоведению, посвященная 20-летию ООО НПО.

Фундаментстройаркос" - Тюмень, 2011; Школа — семинар «Теплофизика, гидродинамика, теплотехника» под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н, профессора А. Б. Шабарова (2009 г., 2010 г., 2011 г.) — научный семинар кафедры механики многофазных систем ТюмГУ (2009 -2012 г. г.) — научно-технический семинар ИМЕНИТ (2011 -2012 г.) ТюмГУ.

1.6. Выводы по первой главе.

1. Трубопроводы, применяющиеся для транспортировки нефти, газа, газоконденсата и других рабочих тел могут располагаться в различных температурных зонах, что влияет на теплофизическую ситуацию вокруг коммуникаций в целом и требует поиска новых подходов и способов решения задач расчета тепломассопереноса в мерзлых и талых грунтах вокруг заглубленного трубопровода.

2. Моделирование процесса промерзанияоттаивания неоднородной среды (система трубопровод — грунт — окружающая среда) основывается на решении нелинейных уравнений теплопроводности с объемными источниками тепла (холода), с учетом фазовых переходов, а также различных граничных и начальных условий. Учет известных особенностей задачи (двумерность, нелинейность, неоднородность) позволяет построить модели рассматриваемых процессов, близкие к реальности.

3. Главным инструментом теоретического исследования сложных процессов тепломассопереноса в промерзающих и протаивающих грунтах, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями, являются численные методы, поскольку в аналитическом виде решения существуют лишь для ограниченного числа задач.

4. Проведенный анализ существующих схем силового взаимодействия подземного трубопровода с морознопучинистыми грунтами показал, что существующие схемы расчета не достаточно полно учитывают тепломассообменные процессы в мерзлом грунте, поля льдистости и деформации в мерзлом грунте, вследствие чего не достаточно точно определяются высотное положение трубопровода и связанное с ним напряженно-деформированное состояние его стенок.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОСИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА С ПРОМЕРЗАЮЩИМ ГРУНТОМ.

2Л. Экспериментальный стенд для исследования параметров теплосилового взаимодействия.

Для экспериментального исследования нестационарных процессов теплосилового взаимодействия заглубленного модельного трубопровода с окружающими его талыми и мерзлыми грунтами нами был создан специальный стенд. К его особенностям следует отнести высокую степень автоматизации проводимых измерительных операций, а также использование цифровых измерительных преобразователей температуры, позволяющих получать экспериментальные данные с высокой точностью и надежностью. Автоматизация измерительных операций позволяет не только обеспечить удобство выполнения измерений, но и повысить достоверность экспериментально полученных данных теплосилового взаимодействия «грунт-трубопровод», так как в процессе измерения теплофизических параметров не нарушается выставленный в климатической камере тепловой режим и практически одновременно происходит опрос используемых в эксперименте датчиков.

Принципиальная схема стенда приведена на рисунке 2.1.

Стенд предназначен для проведения экспериментального исследования теплосилового взаимодействия заглубленного трубопровода с грунтом и состоит из следующих основных элементов и систем: климатической камеры, металлического лотка, система терморегулирования модельного трубопровода, автоматизированной системы мониторинга температуры грунта и модельного трубопровода, автоматизированной системы мониторинга давлений в грунте, системы измерения вертикального перемещения трубопровода, автоматизированной системы измерения напряженно-деформированного состояния трубопровода, влагомера диэлькометрического типа и персонального компьютера, оснащенного необходимым программным обеспечением.

Рисунок 2.1 — Принципиальная схема стенда: 1- персональный компьютер;

2- устройства аналого-цифрового преобразования- 3- измеритель влажности грунта ВИМС-2- 4- преобразователи грунтового давления;

5- тензометрические преобразователи- 6- цифровые датчики температуры Б818В20- 7- преобразователи вертикального смещения трубопровода;

8- модельный трубопровод- 9- лоток- 10- климатическая камера.

Как видно из рисунка 2.1. лоток с грунтом располагается в климатической камере. В лотке установлена труба с внешним диаметром 22 мм, выполняющая роль модельного трубопровода. Конструкцией лотка и модельного трубопровода предусмотрена возможность как жесткого закрепления концов трубопровода к торцевым стенкам лотка, так и свободного расположения трубопровода в насыпанном в лотке грунте.

Модельный трубопровод гидравлически соединен с циркуляционной системой терморегулирования теплоносителя, которая позволяет задавать необходимый тепловой режим работы модельного трубопровода.

Циркуляционная терморегулирующая система состоит из следующих элементов: электронагревателя проточного типа электрической мощностью 1 кВттерморегулятора, позволяющего задавать температуру в диапазоне от 0 °C до плюс 80°Срадиатора типа «вода-воздух», предназначенного для охлаждения модельного трубопровода до температуры, установленной в климатической камереэлектрического насоса, необходимого для обеспечения циркуляции теплоносителя в системерасширительного бака, предназначенного для компенсации теплового расширения теплоносителяузла кранов, позволяющих выбирать необходимый тепловой режим трубопровода — охлаждение или нагревсоединительных шлангов, гидравлически соединяющих элементы терморегулирующей циркуляционной системы.

2.1.1. Конструкция климатической камеры.

Климатическая камера представляет собой параллелепипед (См. рисунок 2.2), размерами 2250×1600×2000 мм, толщина стенок камеры 100 мм. Стенки изготовлены из пенополистирольных плит, которые герметично стыкуются друг с другом. Доступ во внутренне пространство камеры осуществляется через дверь размерами 950×2000 мм. Дверь герметично закрывается. Для охлаждения внутреннего объема камеры используется съемная моноблочная холодильная машина электрической мощностью 2.2 кВт, которая вмонтирована в лицевую панель. Электрический вентилятор внутри камеры создает циркуляцию воздуха, что обеспечивает равномерное распределение температуры воздуха внутри климатической камеры. В климатической камере можно задавать и поддерживать температуру в диапазоне от — 24 до +20 °С с абсолютной погрешностью ± 1 °C.

2.1.2. Конструкция лотка.

Лоток размерами 1200×600×1000 мм имеет форму параллелепипеда (рисунок 2.3), изготовлен из листовой стали, толщина стали 3 мм. Боковые стенки и дно лотка крепятся между собой болтовыми соединениями. Внутренние и наружные поверхности лотка обработаны грунтовой эмалью марки ГФ-1 для предотвращения развития коррозионных процессов, возникающих при контакте влажного грунта с черновой сталью. Для предотвращения возникающих при морозном пучении исследуемого грунта возможных деформаций стенок лотка эти стенки армированы угловым профилем (ширина углового профиля — 32 мм). Предусмотрена возможность теплоизоляции внутренней поверхности боковых стенок лотка пенопластом толщиной 50 мм, для предотвращения теплового потока через боковые стенки. Поверхность теплоизоляционного слоя обработана гидрозащитным.

2.1.3. Система терморегулирования модельного трубопровода.

Система терморегулирования модельного трубопровода состоит из следующих основных элементов: собственно трубопроводарадиатора типа «вода-воздух» — циркуляционного электрического насосарасширительного бачкакранового узла. Все элементы системы соединены между собой гибким резиновым шлангом. Схема и общий вид системы терморегулирования представлены на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Система терморегулирования трубопровода.

1 — исследуемая труба- 2 — циркуляционный насос- 3 — проточный нагреватель- 4 — радиатор охлаждения- 5 — кран шаровой.

Система работает следующим образом. Электрический насос 2 подает теплоноситель на вход кранового узла 5, где закрытием верхнего на рис. 2.4. крана и открытием нижнего на рис. 2.4. крана, поток теплоносителя направляется через проточный электронагреватель 3, в котором осуществляется его нагрев. Нагретый до нужной температуры теплоноситель подается в модельный трубопровод 1, после чего снова поступает на вход электронасоса. Закрытием нижнего на рис. 2.4. крана и открытием верхнего на рис. 2.4 крана теплоноситель подается на вход радиатора, где он охлаждается. Далее теплоноситель поступает в модельный трубопровод, а затем снова поступает на вход электронасоса. Установленный в системе расширительный бак (самый верхний элемент на рис. 2.4.) предназначен для компенсации теплового расширения теплоносителя. В системе предусмотрен «воздухоотводчик» для удаления возможных воздушных пробок из системы терморегулирования модельного трубопровода.

2.1.4. Автоматизированная система мониторинга температуры грунта и модельного трубопровода.

Автоматизированная система мониторинга температуры включает в себя: 60 цифровых датчиков температуры DS18B20- персональный компьютерСОМ адаптер однопроводной сети 1-Wireстабилизированный источник питания.

Цифровой датчик температуры DS18B20 с программируемым от 9 до 12 bit разрешением, которое может сохраняться в EEPROM памяти, обменивается данными с компьютером по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии, так и работать в группе. Каждый датчик DS18B20 имеет свой уникальный идентификационный код. Все процессы на шине управляются сервисной программой, установленной на компьютере.

Датчик DS18B20 — наиболее совершенный из широко известного семейства DS18Х2Х, выпускавшихся ранее под маркой Dallas Semiconductor. В отличие от функциональных аналогов DS1820 и DS18S20 он перед началом измерения позволяет задать необходимую относительную точность преобразования температуры из следующего ряда значений: 0,5- 0,25- 0,125 и 0,0625°С, при этом время измерения равно соответственно 93,75- 187,5- 375 и 750 мс.

Метрологические характеристики датчика: диапазон измеряемых температур от -55 °С до 125 °Сабсолютная погрешность не превышает ±-0,5°С в диапазоне температур от -10 °С до 85 °C. Напряжение питания датчика DS18S20 любое в диапазоне от +3 до +5,5 В. В режиме ожидания потребляемый ток близок к нулю (менее 1мкА), в режиме измерения температуры он равен примерно 1 мАпроцесс преобразования длится максимум 750 мс. DS18B20 может питаться напряжением линии данных («parasite power»), при отсутствии внешнего источника напряжения. На рисунке 2.5 представлена принципиальная схема подключения датчиков температуры DS18B20.

220V.

Рисунок 2.5 — Принципиальная схема подключения датчиков температуры.

DS18B20.

Заявленная производителем погрешность датчика ±-0,5°С может быть снижена введением корректировочной зависимости. Для этого была проведена на калибраторе температуры КТ-1 индивидуальная калибровка каждого из используемых в системе мониторинга датчиков и построена соответствующая корректировочная зависимость. Это позволило уменьшить абсолютную погрешность каждого из датчиков до ±0,1 °С.

Для работы с датчиками DS18B20 на персональном компьютере используется специальная лицензионная программа «TempKeeper». С помощью этой программы осуществляется мониторинг и сохранение показаний температуры по каждому из подключенных датчиков. В программе предусмотрена возможность выбора точности преобразования температуры из следующего ряда значений: 0,5- 0,25- 0,125 и 0,0625°С. Информация о значениях температуры и времени опроса датчика сохраняется в текстовом файле.

2.1.5. Система измерения вертикального перемещения трубопровода.

Система измерения вертикального перемещения трубопровода включает в себя персональный компьютер, 7 датчиков вертикального перемещения и плату видеозахвата БУЯ.

Конструкция датчика вертикального перемещения показана на рисунке 2.6. Датчик состоит из: индикатора часового типа ИЧ-10, видеокамеры 8К-2002С/8(ЖЗ/, кронштейна, штанги.

Рисунок 2.6 — Датчик вертикального перемещения. 1 — исследуемая труба- 2 -индикатор часового типа (ИЧ) — 3 — видеокамера- 4 — кронштейн, 5- штанга.

Кронштейн (4) датчика болтовыми соединениями жестко закрепляется к верхним горизонтальным ребрам лотка, штанга (5) опирается на верхнюю образующую модельного трубопровода. Другой конец штанги связан с чувствительным элементом индикатора часового типа, закрепленным в кронштейне (4).

Метрологические характеристики индикатора часового типа ИЧ-10 приведены в таблице 2.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении приведем основные результаты и выводы по диссертационной работе.

1. Создан новый универсальный стенд, позволяющий экспериментально изучать взаимосвязанные процессы тепломассопереноса в грунте вблизи модельного трубопровода, параметры морозного пучения и деформации трубопровода. Получена новая экспериментальная информация о влиянии температурных полей в талом и мерзлом грунте на величину вертикального перемещения трубопровода при изменении его температуры от 0 до -9°С и воздуха в климатической камере в диапазоне от 0 до -15°С.

2. Разработаны физико-математическая модель и численный метод расчета параметров теплосилового взаимодействия подземного трубопровода с окружающим его морознопучинистым грунтом, учитывающие температуру трубы, тепловые потоки, миграцию влаги, фазовые переходы, теплофизические свойства грунтов, позволяющие определять поля температуры, влажности и льдистости вблизи трубопровода, силы морозного пучения, деформации и дополнительные напряжения в трубе.

3. Предложена и обоснована, путем сопоставления с экспериментальными данными, зависимость средней величины морозного пучения грунта под трубопроводом на произвольном временном шаге от полей приведенных плотностей льда и влаги, найденных из решения системы уравнений нестационарного тепломассопереноса в грунте.

4. Установлено существенное влияние миграции влаги на изменение высотного положения трубопровода. Так для подземного газопровода с температурой стенки -4°С, расположенного в глинистом грунте при температуре окружающей среды, меняющейся по закону Тв = -20 • зт (2 • п • г/365) °С, т е [0−180 сут.], за счет миграции влаги вертикальная деформация трубопровода увеличивается в 1,4−1,5 раза по сравнению с аналогичными условиями при отсутствии миграции.

5. Выявлено, что уменьшение толщины снежного покрова от 1 до 0 м, при характерных северных температурных условиях наружного воздуха, приводит к увеличению дополнительных продольных напряжений в стенке трубопровода, температура которого близка к местной температуре грунта до 100−15 ОМПа.

6. Установлено, что при понижении температуры трубопровода от -1°С до -4°С, при характерных параметрах магистрального газопровода, проложенного в глинистом грунте, величина вертикального смещения, вычисленная по центральному сечению трубы, увеличивается в 4−5 раз, что необходимо учитывать при определении напряжений и остаточного ресурса трубопровода.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Х.А. Расчет на прочность вскрытого криволинейного участка подземного трубопровода // Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Труды ВИИИСПТпефть. — Уфа: 1976. — Вып. 14. — С. 173 178.
  2. А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1991. — 287 с.
  3. П.А., Харионовский В. В. Расчет подземных трубопроводов в условиях пучения грунта // Транспорт природного газа. Сб.научн.трудов-М.: ВНИИГАЗ, 1986.-С.37−44.
  4. В.В., Селезнев В. Е., Клишин Г.С, Кобяков В. В., Дикарев К. И. Численный анализ прочности подземных трубопроводов // Под. ред. В. В. Алешина и В. Е. Селезнева. М.: Едиториал УРСС, 2003. — 320 с.
  5. Г. И., Алексеев А. Г. Определение давления морозного пучения в лабораторных условиях // Геотехника: актуальные теоретические и практические проблемы. Сб. научн. трудов СПб., 2006. — С. 220−225.
  6. П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). М.: Недра, 1982. — 384 с.
  7. П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984. — 245 с.
  8. П.П., Щадрин О. Б., Сулейманов И. Н. Расчет продольных перемещений подземных трубопроводов // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1971. № 5. с. 5−7.
  9. Л.И., Шувалов В. Ю. Оценка напряженно-деформированного состояния сложных участков трубопроводов. Сб. научн. трудов / Ред. кол. Шаммазов A.M. и др. Уфа: УГНТУ, 2001. — С. 309−312.
  10. Г. П. Методика определения эквивалентной теплопроводности грунтового массива, учитывающей изменение агрегатного состояния влаги в поровом пространстве грунта. Электронный ресурс.
  11. A.A. Основы геокриологии: учеб. пособие для студентов вузов. -Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2011. 220 с.
  12. СВ. Влияние основания на напряженно- деформированное состояние подземной трубы // Расчет сооружений, взаимодействующих с окружающей средой. М.: 1984. — С. 24−29.
  13. C.B. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. М.: Стройиздат, 1980. — 135 с.
  14. С. С. Реологические основы механики грунтов. Учебное пособие для строительных вузов. -М.: Высшая школа, 1978. -447 с.
  15. . Р.И. Теоретические оценки теплопроводности сегрегационного льда. Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.
  16. . М.Н. Механические свойства грунтов (напряженно-деформативные и прочностные характеристики) / М.: Стройиздат, 1979. -304 с.
  17. Я.Б., Колунин B.C. Физика и моделирование криогеннных процессов в литосфере, Новосибирск, Изд- во ГЕО, 2002, 317 с.
  18. A.C. Взаимодействие шлейфовых газопроводов с вечномерзлыми грунтами в теплый период года : дис.. канд. техн. наук: 25.00.19 / A.C. Горелов — ТюмГНГУ.
  19. А.И. Влияние некоторых закономерностей морозного пучения грунтов на высотное положение подземного трубопровода и его напряженно-деформированное состояние // Научно-технический журнал «Нефтегазовое дело».-Уфа, 2006 г.
  20. А.И. Влияние сил морозного пучения на высотное положение трубопровода // Известия вузов «Нефть и газ». Тюмень: ТюмГНГУ, 1999 г. -№ 3. — С. 58−63.
  21. А.И. Исследование влияния сил морозного пучения грунтов на напряженно-деформированное состояние трубопровода // Дис.. канд. техн. наук. Тюмень, 1999. — 115 с.
  22. А.И. Тепловое взаимодействие подземного трубопровода с сезонно промерзающим грунтом // Известия вузов «Нефть и газ». Тюмень: ТюмГНГУ, 2005 г. — № 6. — С. 58−61.
  23. А.И., Кушнир С .Я., Иванов И. А. О взаимодействии трубопровода с пучинистым грунтом // Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли: Мат-лы региональной научн.-техн. конф. Тюмень: ТГНГУ, 1999 г. — С. 128−132.
  24. А.И. Основы теории расчета пространственного положения подземного трубопровода под влиянием сезонных процессов : дис. д-ра техн. наук: 25.00.19 Тюмень, 2006 305 с.
  25. ГОСТ 25 100–95. Грунты. Классификация.
  26. ГОСТ 12 248–96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
  27. ГОСТ 24 847–81. Грунты. Метод определения глубины сезонного промерзания.
  28. ГОСТ 5180–84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
  29. ГОСТ 23 161— 78. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик просадочности.
  30. ГОСТ 24 143–80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки.
  31. ГОСТ 25 584–90. Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации.
  32. ГОСТ 14 637–89. Прокат толстолистовой углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия.
  33. А.Г., Росляков A.B. Особенности работоспособности действующих нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1990. — 140 с.
  34. Даниэлян Ю. С, Яницкий П. А. Вариационный принцип в задаче определения температурного поля вокруг группы подземных трубопроводов // Энергетика и транспорт, М., 1990. — № 1, — С. 151−157.
  35. С.А. информационно- аналитическая система геотехнического мониторинга и управления магистрального газопровода «ямал торжок» : автореф. дис.. канд. техн. наук: 05.13.01. — М, 2006.
  36. А.Д., Кутузова Т. Г., Пвалова И. Г. Расчет напряженно-деформированного состояния подземного пространственно-линейного трубопровода // Строительная механика и расчет сооружений. М.: 1991. -№ 1.-С. 23−28.
  37. М.М., Красовицкий Б.А Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. Новосибирск: Наука, 1983.-132 с.
  38. Э.Д., Хрусталёв JI.H., Дубиков Г. И, Пармузин С.Ю. Инженерная геокриология. М.: Недра, 1991.439 с.
  39. P.M. Научные основы расчета напряженно- деформированного состояния трубопроводов, проложенных в сложных инженерно-геологических условиях.- Дис. канд.техн.наук. Уфа, 2005. -344с.
  40. Е.Е., Ланчаков Г. А., Степаненко А. И., Шибнев A.B. Работоспособность трубопроводов. Часть 1. Расчетная и эксплуатационная надежность. М.: Недра, 2000. — 224 с.
  41. И. А. Эксплуатационная надежность магистральных трубопроводов в районах глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов. Автореферат дис.. канд.техн.наук. — Тюмень: ТГНГУ, 2002. — 48с.
  42. П.Л. «Грунты и основания гидротехнических сооружений». М.: Высшая школа, 1985, 352 с.
  43. В.П., Осипова В. А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия, 1969.-439 с.
  44. B.C. Определение относительных деформаций морозного пучения фунтов прибором ЮУрГУ в лабораторных условиях // Геотехника: актуальные теоретические и практические проблемы: сб. научн. трудов -СНб, 2006.-С. 225−228.
  45. И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых грунтах. М.: Научный мир, 2003. — 608 с.
  46. A.A. Прочностные свойства мерзлых грунтов при переменной температуре. Новосибирск: Наука, 1991. — 93 с.
  47. Крылов В. Г, Нолетыкина Т. П., Степанов O.A. Тепловые режимы газопроводов, проложенных в условиях Западной Сибири. М.: ВНИИГазпром, 1990.-36 с.
  48. В.А., Достовалов В. Н., Романовский H.H., Кондратьева К. А., Меламед В. Г. Общее мерзлотоведение. М.: Изд-во МГУ, 1978., 464 с.
  49. С. А. Влияние миграционной влаги на процесс морозного пучения сезонно промерзающих грунтов // Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб. 2003−2004. С. 233−240.
  50. , A.B. Теоретические основы строительной теплофизики / A.B. Лыков. Минск: Наука и техника, 1961. — 520 с.
  51. В.Я., Ковылянский Я. А. Теоретические основы конструирования трубопроводов тепловых сетей (справочно-методический материал), М.: 2005
  52. Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1973. — 201 с.
  53. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов. М.: ВНИИГАЗ, 1992. — 53 с.
  54. Методические рекомендации, но натурным измерениям напряженного состояния магистральных газопроводов. М.: ВНИИГАЗ, 1985. -43 с.
  55. Методические рекомендации по определению по определению физико-механических свойств вечномерзлых глинистых и песчаных грунтов в полевых условиях. ЦНИИС Минтрансстроя СССР 1986.
  56. Ф.М., Быков А. И., Гумеров А. Г., Спектор Ю. И. и др. Промысловые трубопроводы и оборудование. М.: Наука, 2004. — 662 с.
  57. Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 464с.
  58. Т.А. Математическое моделирование процесса промерзания насыщенного влагой грунта. Известия Томского политехнического университета. Томск: Изд-во ТПУ. Т. 308. — № 6. — 2005. — С. 127−129.
  59. В.О. Закономерности развития и полевые методы оценки касательных сил морозного пучения // Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. М.: Наука, 1982. — 224 с.
  60. Основы геокриологии. Под ред. Э. Д. Ершова, Ч.1., М.: Изд-во. МГУ, 1995.368 с.
  61. Основы геокриологии. Часть 4. Динамическая геокриология / Под ред. Э. Д. Ершова. М.: МГУ, 2001. — 688 с.
  62. Основы геокриологии. Часть 5. Инженерная геокриология / Под ред. Э. Д. Ершова. М.: МГУ, 2001. — 688 с.
  63. Г. В., Фельдман Г. М. и др. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов /под ред. Г. В. Порхаева.- М.: Наука, 1964.198 с.
  64. С.С. Тепловые режимы сложных многониточных систем заглубленных трубопроводов: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.18 / С.
  65. H.A. Математическое моделирование деформаций грунта при оттаивании с учетом фильтрационной консолидации: диссертация кандидата физико-математических наук: 05.13.18
  66. С. А. Механика грунтов: учебное пособие / С. А. Пьянков, 3. К. Азизов- Ульян, гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2008. — 103 с.
  67. JI.A. Нестационарные тепловые режимы в гражданских зданиях: автореф. дис. канд. техн. наук. Тюмень, 2008. 20с.
  68. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглуб ленных фундаментов на пучинистых грунтах. М.: НИИОСП им. Н. М. Герсеванова. -1985.-60с.
  69. С.А. Расчетные методы и алгоритмы (трубопроводный транспорт). М.: ФГУП, «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. Губкина, 2005. -577 с.
  70. СНиП 2.04.12−86. Расчет на прочность стальных трубопроводов / Госстрой России. М.:ГУНЦННН, 2001.-12с.
  71. СНиП 2.05.06−85. Магистральные трубопроводы / Госстрой России. -М.:ГУНЦНП, 1998.-60С.
  72. СНиП 2.04.08−87 (1999). Газоснабжение.
  73. СНиП 2.04.08−87 .Особые климатические и природные условия.
  74. СНиП 2.02.04−88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.
  75. СП 103−34−96. Свод правил сооружения магистральных газопроводов.
  76. Ю.Ю., Савина A.B. напряженно-деформированное состояние подземных газопроводов в условиях многолетней мерзлоты, Нефтегазовое дело, 2008.
  77. В.А. Основы механики грунтов. Том I: Общие зависимости и напряженное состояние оснований сооружений. — M.-JL: Госстройиздат, 1959, —360 с.
  78. В. В. Напряжения в газопроводе при воздействии пучения грунта // Транспорт природного газа: Сб. науч. тр. / ВНИИГАЗ.— М., 1984.— С. 153—159.
  79. М.Г. Элементы физико-химической механики природных пористых сред. Казань: Издательство Казанского математического общества, 2003. 178 с.
  80. JI.H. и др., Динамика температурного поля многолетнемерзлых пород южных районов криолитозоны при различных сценариях климатических изменений. Криосфера Земли. 2008. Т. XII. № 1. С. 3−11.
  81. Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1973.-448 с.
  82. И.А. Стабилизация режимов транспорта газа и напряженно-деформированного состояния газопроводов в сложных гидрогеологических условиях: автореферат дис.. канд. техн. наук: 25.00.19 Уфа, 2006 .
  83. Е.П. Сопротивление мёрзлых дисперсных породразрыву в области низких температур. Мерзлотные исследования,!974,вып 14, с179−189.
  84. Эксплуатация магистральных газопроводов: Учебное пособие. /Под общей редакцией Ю. Д. Земенкова. ТюмГНГУ, 2002. — 525 с.
  85. Э.М., Чернякин В. И. Устойчивость подземных трубопроводов. -М.: Недра, 1967.-119 с.
  86. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. H. K. Versteeg and W. Malalasekera. Pearson Education, 503p., 2007.
  87. Bunsri T. et. al. Applications of hydraulic properties models on microscopic. Flow in unsaturated porous media // Journal of applied fluid mechanics, Vol. 2, No. 2, pp. 1−11,2009.
  88. Coutts, R.J. and J.-M. Konrad. «Finite Element Modeling of Transient NonLinear Heat Flow Using the Node State Method.» Ground Freezing. Vol. 94. Fremond, ed. Rotterdam, The Netherlands: Balkema. pp. 39−47. 1994.
  89. Nakano, Y. and Brown, J. 1971: Effects of a freezing zone of finite width on the thermal regime of soils. Water Resour. Res., 7: 1226−1233.
  90. Numerical simulation of coupled heat-fluid transport in freezing soils using finite volume method. Y. Zhou and G. Zhou. Heat Mass Transfer (2010) 46:989 998.
  91. Engelmark H. and Svensson U. Numerical modelling of phase change in freezing and thawing unsaturated soil. Nordic Hydrology, 24, 1993, 95−110.
  92. Pipelines and laterally loaded piles in an elasto-plastic medium. Rajani B. B. and Morgenstern N.R. Journal of Geotechnical Engineering 119 (9), September, pp. 1431−1447,1993.
  93. Fawcett K. and Anderson M.G. Long term modeling of permafrost dynamics // Final Technical Report. European Research Office U.S. Corps of Engineers, 1994.
  94. A two-dimensional frost-heave model for buried pipelines. Ketan R. Shah and A. Ghani Razaqpur. International journal for numerical methods in engineering, vol. 36, 2545−2566 (1993).
  95. Gopalakrishnan K. and Manik A. A mathematical model for predicting isothermal soil moisture profiles using finite difference method // International Journal of Computational and Mathematical Sciences 1, 2007.
  96. Hansson K. et. al. Water flow and heat transport in frozen soil: Numerical solution and freeze-thaw applications // Vadose Zone J., Vol. 3, 2004.
  97. Fuchs, M., G. S. Campbell, and R. I. Papendick, 1978: An analysis of sensible and latent heat flow in a partially frozen unsaturated soil. Soil Sci. Soc. Amer. J., 42, 379−385.
  98. Newman, G. P., and G. W. Wilson (1997), Heat and mass transfer in unsaturatedsoils during freezing, Can. Geotech. J., 34, 63 70.
  99. Hansen, K.G., Solberg, T., Hjertager, B.H., 2004. A three-dimensional simulation of gas/particle flow and ozone decomposition in the riser of a circulating fluidized bed. Chemical Engineering Science 59, 5217−5224.
  100. Krahn J. Thermal modeling with TEMP/W // An Engineering Methodology. First Edition. 2004.
  101. Thawing and refreezing around a buried pipe. L. Bronfenbrener and E. Korin. Chemical Engineering and Processing 38 (1999) 239−247.
  102. Nixon F., Morgensternn R. and Reesors N. 1983. Frost heave pipeline interaction using continuum mechanics. Canadian Geotechnical Journal, 20, pp. 25 1−26 1.
  103. Li G. et. al. Forecasting the oil temperatures along the proposed China-Russia Crude Oil Pipeline using quasi 3-D transient heat conduction model // Cold Reg. Sci. Technol, 2009.
  104. DALLIMORE S.R. WILLIAMS P.J. (Eds.), «Pipelines and Frost Heave», Proceedings of a Seminar at Caen, France, 25−27 April 1984, Carleton Univ., Ottawa (1985).
  105. Ladanyi, B. and Shen, M., 1993. Freezing pressure development on a buried chilled pipeline. In: Proc. of 2nd Int. Symp. On Frost in Geotechnical Engineering, Anchorage, AK.
  106. Michalowski R. L. and Zhu M. Frost heave modeling using porosity rate function // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 30(2006): 703−722.
  107. Frost heave predictions of buried chilled gas pipelines with the effect of permafrost. Koui Kim, Wei Zhou b, Scott L. Huang. Cold Regions Science and Technology 53 (2008) 382−396.
  108. Panday S. et. al. A Fortran microcomputer program for heat and mass transfer in frozen soils // Computers & Geosciences Vol. 15, No. 5, pp. 709−726, 1989.
  109. Konrad, J.-M. and Morgenstern, N.R., 1982. Effects of applied pressure on freezing soils. Can. Geotech. J., 19: 494−505.
  110. Konrad, J.-M. and Morgenstern, N.R., 1984. Frost heave prediction of chilled pipelines buried in unfrozen soils. Can. Geotech.J., 21: 100−115.
  111. Frost-heave induced interaction between buried pipelines and soils. Jun Hu. Thesis for the degree of doctor of philosophy in the department of civil engineering & applied mechanics of McGill University, 1996.
  112. Guymon, G. L., and J. N. Luthin, 1974: A coupled heat and moisture transport model for arctic soils. Water Resour. Res., 10, 995−1001.
  113. Smith M.W. Observations and significance of internal pressures in freezing soil // Geotechnical Science Laboratories Department of Geography, Carleton University. Ottawa, Ontario, 1990.
  114. Song W.-K. Thermal transfer analysis of a freezing soil medium with an embedded pipeline // J. Cold Reg. Engrg. ASCE, 2006.
  115. Thermal elastorplastic computation model for a buried oil pipeline in frozen ground. Zhi Wen et al. Cold Regions Science and Technology 64 (2010) 248−255.
  116. Watanabe K. and Flury M. Capillary bundle model of hydraulic conductivity for frozen soil // Water Resour. Res., 44, W12402, 2008.
  117. , R. L., 1973: Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil. Water Resour. Res., 9, 1314−1323.
  118. Xu J. et. al. Permafrost Thawing-Pipeline Interaction Advanced FEM // Proceedings of the ASME 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE 2009 May 31 June 5, 2009, Honolulu, Hawaii.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!