Голубин, Станислав Игоревич. Повышение эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне с применением технологии и технических средств термостабилизации грунтов : Голубина, Станіслав Ігорович. Підвищення експлуатаційної надійності магістральних газопроводів в криолитозоне із застосуванням технології та технічних засобів термостабілізації грунтів Golubin, Stanislav Igorevich. Improving the operational reliability of main gas pipelines in the permafrost zone using technology and technical means of thermal stabilization of soils

Краткое описание

Голубин, Станислав Игоревич. Повышение эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне с применением технологии и технических средств термостабилизации грунтов : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.19 / Голубин Станислав Игоревич; [Место защиты: Науч.-исслед. ин-т природ. газов и газовых технологий].- Москва, 2012.- 122 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/909

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ" ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ - ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ"
142717 Московская обл., Ленинский район, пос. Развилка тел.: (498)657-42-06 факс: (498)657-96-05, vniigaz@vniigaz.gazprom.ru

На правах рукописи

Голубин Станислав Игоревич
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ
Специальность: 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»
ДИССЕРТАЦИЯ -на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
д-р техн. наук
В.Я. Великоднев
Москва-2012

Введение 4
1. Обзор литературы по проблемам обеспечения устойчивости оснований и эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне 9
2. Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации магистральных газопроводов в криолитозоне 14

2.1 Негативные геокриологические процессы 16
2.2 Влияние геокриологических процессов на устойчивость оснований и эксплуатационную надежность магистральных газопроводов в криолитозоне 18
3. Методический подход к принятию оптимальных проектно-
технических решений по обеспечению устойчивости оснований для
повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов с
применением технологии и технических средств активной
термостабилизации грунтов оснований 25
3.1 Базы данных литотехнических систем 27
3.2 Алгоритм принятия оптимальных проектно-технических решений 30
4. Тепловое и механическое взаимодействие магистральных
газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами 34
4.1 Тепловое взаимодействие подземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами 36
4.2 Механическое взаимодействие подземного газопровода с многолетнемерзлыми грунтами и оценка формируемого напряженно-деформированного состояния трубопровода методом численного математического моделирования 42

4.2.1 Результаты численного моделирования 46
4.2.2 Анализ результатов численного моделирования 54
4.3 Выводы по результатам моделирования теплового и механического
взаимодействия подземного газопровода с многолетнемерзлыми грунтами 55
2

5. Технологии и технические средства термостабилизации грунтов для
обеспечения устойчивости оснований с целью повышения
эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в
криолитозоне 58
5.1 Существующие способы регулирования температурного режима грунтов оснований 59
5.2 Технология активной термостабилизации многолетнемерзлых
грунтов 61
5.3 Классификация охлаждающих устройств и их назначение 65
5.4 Двухфазные термостабилизаторы 70
5.5 Физические основы применения инновационных технических
средств активной термостабилизации грунтов 85
5.5.1 Эффективность работы термостабилизаторов и ее оценка 86
5.5.2 Результаты оценки эффективности функционирования термостабилизаторов и выводы 93
6. Опыт практического применения технологии и инновационных
технических средств активной термостабилизации грунтов на объектах
газотранспортных систем 94
Заключение 106
Список использованных источников 111
3

Введение
Актуальность работы. Одной из наиболее актуальных проблем проектирования, строительства и эксплуатации магистральных и промысловых нефтегазопроводов в северных и восточных регионах России является обеспечение устойчивости оснований и эксплуатационной надежности трубопроводов в условиях криолитозоны. Опыт строительства и эксплуатации северных газопроводов Якутска, Ямбурга и др. показал, что во многих случаях в результате теплового и механического взаимодействия трубопроводов с окружающей средой происходит нарушение равновесия в литотехнической системе «газопровод - грунт оснований» со значительным изменением естественных ландшафтов и с активизацией негативных геокриологических процессов, приводящих к деформациям трубопроводов, потере их проектного положения и, нередко, к аварийным ситуациям. Широкое применение в условиях мерзлых грунтов получили надземные газопроводы, что обусловливает актуальность темы обеспечения устойчивости их свайных оснований.
На сегодняшний день одним из наиболее применяемых и эффективных методов инженерной защиты магистральных трубопроводов и обеспечения несущей способности фундаментов зданий и сооружений в криолитозоне является технология и технические средства активной термостабилизации грунтов оснований. Однако методически принятие оптимальных проектно-техничеких решений, а также методика оценки эффективности применения данной технологии и технических устройств не в полной мере отражены в современной научно-технической и нормативной литературе.
Поэтому решение задачи повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов (МГ) в криолитозоне с применением технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов
.. . ■. 4

является актуальной темой исследований как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель исследования состоит в разработке методов повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне на основе применения технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов.
Основные задачи исследования:
• анализ нормативно-технической литературы по вопросам особенностей проектирования, строительства и эксплуатации магистральных газопроводов в криолитозоне, в т.ч. по проблемам инженерной защиты и термостабилизации грунтов оснований объектов газотранспортных систем; негативного влияния геокриологических процессов на устойчивость оснований и надежность МГ, а также изучение существующих методик расчета теплового и механического взаимодействия МГ с много летнемерзлыми грунтами; анализ теоретических подходов к применению технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований;
• разработка алгоритма принятия оптимальных проектно-технических решений по обеспечению устойчивости оснований и методов повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов с применением технологии и технических средств активной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов оснований;
• проведение расчетов и анализ результатов прогноза теплового и механического взаимодействия подземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами;
• разработка систематизации охлаждающих устройств;
• проведение сравнительных расчетов эффективности работы термостабилизаторов различных типов и разработка методики их применения;
5

• апробация практического применения технологии и
инновационных технических средств активной термостабилизации грунтов
на объектах обустройства месторождений и газотранспортных систем.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые разработаны алгоритм принятия оптимальных проектно-технических решений по обеспечению устойчивости грунтов оснований и методы повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне на основе применения технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов. В соответствии с разработанными методами проведена комплексная аналитическая оценка взаимодействия в литотехнической системе «подземный газопровод - грунт основания», основывающаяся на прогнозном моделировании теплового и механического взаимодействия подземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами.
Составлена систематизация основных типов охлаждающих устройств, а также представлено научно-методическое и нормативное обоснование их применения. Разработана методика сравнительной оценки эффективности работы и применения технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований, а также проведены расчеты и проанализированы результаты математического моделирования эффективности работы парожидкостных термостабилизаторов различных типов и конструкций.
Основные защищаемые положения:
• методы повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне на основе применения технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов;
• методика комплексного прогноза теплового и механического взаимодействия подземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами, осуществляемый на основе количественного анализа с учетом эмерджентных свойств литотехнической системы;
6

• методика сравнительной оценки эффективности технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований для оптимизации решений по разработке проектно-технических решений с применением инновационных конструкций двухфазных термосифонов разноцелевого назначения.
Практическая значимость. Проведенное исследование вопроса обеспечения устойчивости оснований для повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне с применением технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований и разработанные методы могут быть применены для выбора оптимальных проектных решений и приняты в основу разработки специальной методической и нормативной документации.
Проведенный комплексный прогноз теплового и механического взаимодействия подземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами необходимо учитывать при разработке оптимальных проектно-технических решений на этапах строительства, эксплуатации, а также при проведении ремонтно-восстановительных работ.
Разработанная методика оценки эффективности технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований и результаты проведенных по ней термодинамических расчетов являются теоретической и практической базой для выбора эффективных проектно-технических решений.
Результаты диссертационных исследований применены и апробированы автором при разработке проектной документации и строительстве объектов обустройства Бованенковского НГКМ п-ва Ямал.
7

Апробация работы. Материалы диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и семинарах:
• Научно-практическая конференция молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве», ОАО «ПНИИИС», Москва, 2006 г.
• Международная конференция - 7-й Минский международный семинар «Тепловые трубы, тепловые насосы, холодильники, источники энергии», Минск, Беларусь, 2008 г.
• Научно-практическая конференция молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве», ОАО «ПНИИИС», Москва, 2009 г.
• III Международная научно-техническая конференция Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2009), ОАО «Газпром», ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Москва, 2009г.
• Международная IV конференция геокриологов России, МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, 2011г.
• Международный симпозиум «Проблемы инженерного мерзлотоведения» 3-7 сентября 2011г., Институт мерзлотоведения СО РАН, г. Мирный, 2011г.
• Международная конференция - 8-й Минский международный семинар «Тепловые трубы, тепловые насосы, холодильники, источники энергии», Минск, Беларусь, 2011 г.
• XIX Международная научно-техническая конференция в г.Севастополе «Машиностроение и техносфера XXI века», Донецк, Украина, ДонНТУ, 2012г.
8

Публикации. Содержание диссертационной работы достаточно полно отражено в 18-ти научных работах, в т.ч. 7 в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, изложенных на 122 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы, 38 рисунков. Список использованных источников включает 109 наименований.

Список литературы

Заключение
На сегодняшний день одним из наиболее применяемых и эффективных методов инженерной защиты магистральных трубопроводов и обеспечения несущей способности фундаментов зданий и сооружений в криолитозоне является применение технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований. Однако методический подход к прогнозу и принятию оптимальных проектно-технических решений, а также теоретическое обоснование применения данной технологии и охлаждающих устройств для ее реализации в полной мере не отражены в современной научно-технической и нормативной литературе.
Цель исследования являлась разработка методического подхода к принятию оптимальных проектно-технических решений по обеспечению устойчивости оснований для повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов с применением технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований..
В процессе решения поставленных перед автором цели и задач были сделаны следующие основные выводы:
1. Разработан комплексный методический подход к принятию оптимальных проектно-технических решений по обеспечению устойчивости оснований для повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов с применением технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований.. Он основан на формировании единой базы данных всех объектов литотехнической системы, прогнозном моделировании их теплового и механического взаимодействия с учетом баз данных подсистем, а также расчетном и методическом обосновании решений по инженерной защите и термостабилизации грунтов.
2. Комплексный прогноз теплового и механического взаимодействий подземных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами, осуществляется на основе количественного анализа с учетом
106

эмерджентных свойств литотехнической системы. Эмерджентность заключается в проявлении особых свойств единой литотехнической системы, не свойственных подсистемам по раздельности.
3. По результатам моделирования теплового и механического взаимодействия в системе «подземный газопровод - ММГ» были выявлены следующие особенности:
а) «Теплые» подземные газопроводы формируют ореол талых грунтов вокруг околотрубного пространства, внутри которого развивается процесс оттаивания грунтов, их разуплотнения и т.д. При наличии льдистых грунтов активизируется процесс термокарста с последующей осадкой грунтов и обводнением, что впоследствии ведет к всплытию трубы.
«Обратное» промораживание участков талых грунтов (при отрицательной температуре транспортируемого газа) приводит к развитию процесса пучения грунтов и выпучиванию трубопровода. При этом под нижней образующей трубы в зоне максимальной миграции влаги процесс пучения идет интенсивней, что приводит к выпучиванию трубопровода.
Подземный газопровод оказывает значительное влияние на температурное поле мерзлых грунтов, как непосредственно через температуру транспортируемого продукта, так и в качестве линейного металлического объекта, находящегося в грунтовой среде и имеющего значительно большие показатели теплопроводности.
Вне зависимости от температуры транспортируемого продукта при сезонном промерзании-оттаивании грунтов возможны следующие изгибные деформации трубопровода:
• при промерзании сверху ледяной массив, образующийся и смерзающий с верхней образующей трубы, продавливает трубопровод в нижележащие талые слои грунта;
• при оттаивании в весенний период в условиях нахождения верхней образующей трубопровода в талых грунтах избыточное давление
107

на нижнюю образующую трубы, формируемое за счет мерзлых грунтов, приводит к выдавливанию трубопровода на дневную поверхность.
б) Наличие засоленности грунтов приводит к сдвижке температуры
фазовых переходов в сторону отрицательных температур, что по
результатам расчетов приводит к увеличению ореола оттаивания на
величину порядка 0,5м и более.
в) При проводимых прогнозных расчетах необходимо наиболее
полно учитывать всю ИГБД, в т.ч. наличие засоленности и содержание
незамерзшей воды. Содержание незамерзшей воды в грунте увеличивается
при наличии засоления. Отсутствие данного параметра при проводимых
расчетах может дать погрешность результатов в 1°С , что недопустимо при
наличии засоленных мерзлых грунтов и «вялой» мерзлоты (состояние
близкое к фазовому переходу).
Промораживание засоленных ММГ приводит к отжатию солей в нижележащие слои грунтов и формированию высоконапорных рассолов -криопэгов, крайне негативно влияющих на несущую способность фундаментов, что необходимо учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов обустройства ГТС.
г) Основными геокриологическими процессами, негативно
влияющими на устойчивость оснований и эксплуатационную надежность
МГ, являются:
• термокарст и всплытие трубопровода;
• пучение грунтов и выпучивание трубопровода.
д) Результаты расчетов максимального потенциального негативного
воздействия геокриологических процессов на трубопровод показали, что
максимальные напряжения в трубе могут значительно превышать предел
текучести материала и находятся в зоне пластических деформаций.
Наиболее негативным процессом по напряжениям в трубе и ее перемещениям, проявляющимся в реальных условиях, является процесс пучения грунтов. Расчетные напряжения трубы при фактических
108

природных нагрузках от пучения в 5 раз превышают аналогичные напряжения от всплытия трубопровода.
Анализируя результаты моделирования сегмента трубопровода от нагрузок пучения видно, что наиболее сложное НДС трубы развивается при варианте, когда нормальная нагрузка в вертикальной плоскости действует на нижней трети части полуокружности сечения по всей длине сегмента трубы (локальное интенсивное пучение).
4. Разработана методика сравнительной оценки эффективности технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований. Изложенная в работе методика сравнительной оценки эффективности работы ТС, а также примеры практических расчетов по обоснованию термического сопротивления могут лечь в основу соответствующей методической документации и широко применяться специалистами при проектировании разделов «Термостабилизация грунтов».
5. Обоснование оптимизационных проектных решений по инженерной защите с применением технологии и инновационных технических средств активной термостабилизации грунтов оснований основано на сравнительных теплотехнических прогнозных расчетах и должно учитывать весь спектр особенностей различных типов термостабилизаторов. Приведенные в работе практические примеры обоснования проектных решений и их реализация имеют научную значимость для специалистов соответствующих областей проектирования.
Для оценки эффективности работы ТС-ДТ следует использовать следующие характеристики: внутреннее термическое сопротивление; наружное термическое сопротивление в зоне испарителя; термическое сопротивление зоны конденсации; время выхода на рабочий режим (время самозапуска); средний темп замораживания грунта в первый месяц работы; градиент температуры по длине ДТ; коэффициент эффективности охлаждения. Таким образом, для решения задач активной
109

термостабилизации грунтовых и свайных оснований объектов, сооружаемых в районах распространения ММГ, можно рекомендовать использование только термостабилизаторов, изготавливаемых на основе двухфазных термосифонов.
Применение инновационных технологий и технических средств термостабилизации на засоленных многолетнемерзлых грунтах позволяет увеличивать несущую способность оснований в 1,5 - 2 раза и, тем самым, обеспечивает устойчивость системы и эксплуатационную надежность объектов ГТС.