Исследование процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода (стр. 2 )

При анализе и решении конкретных технических ситуаций большое значение имеет правильная физико-математическая постановка и достаточно точное решение соответствующей задачи математической физики. Выбор метода решения поставленной задачи зависит от цели исследования, степени изучения явления, срочности задания и других факторов.

Далеко не всегда удается ограничиваться известными методами физики и математики. Не всегда удается также получить количественный результат в виде конкретного числа, поля температуры и влажности. Результаты могут иметь качественный вид, прогнозируется только характер поведения изучаемого объекта, который очевидно в данном случае и нужно прежде всего оценить.

Данная диссертационная работа посвящена прогнозированию ореолов промерзания-оттаивания в области с осевой симметрией, которое необходимо при прокладке и эксплуатации нефтяных и газовых трубопроводов в районах криолитозоны. Кроме того, изложена физико-математическая модель явления вторичного морозного пучения вокруг холодных труб, транспортирующих газ, позволяющая проследить механизм развития шлиров в тонкодисперсных материалах, поры которых заполнены влагой и не содержат воздуха, а также обоснована теория прокладки газопроводов в мерзлом пучинистом грунте.

Актуальность работы определяется исключительной важностью процессов тепло - и массообмена на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации магистральных газопроводов в северных условиях. Исследования влагопереноса и криогенного текстурообразования мерзлых пород существенным образом предопределяют мерзлотно-инженерно-геологические условия строительства. По мере расширения осваиваемых территорий Севера все более важное значение приобретают вопросы устойчивости, эксплуатационной надежности и экономичности трубопроводов, что требует разработки наиболеерациональных решений, подтвержденных технико-экономическим обоснованием.

Целью настоящей работы является изучение и анализ процессов теплообмена, влагопереноса и криогенного текстурообразования в дисперсных породах при прокладке и эксплуатации подземных трубопроводов и выдача рекомендаций по обеспечению необходимых технических характеристик.

Для реализации поставленной цели потребовалось:

Проанализировать работы технического, теплофизического и математического характера, выяснить целесообразность использования тех или иных методик. Изучить термодинамические, физико-химические и криолитологические процессы и явления, (главным образом, закономерности миграции воды и льдообразования) проходящие в промерзающих, мерзлых и оттаивающих дисперсных породах. Преобразовать метод построения сужающейся системы оценок решения задачи теплообмена на плоскости для областей с осевой симметрией. Доказать сходимость метода. Решить задачу о теплообмене во влажных дисперсных грунтах вблизи трубопроводов. Разработать физико-математическую модель механизма сегрегации льда вокруг холодных труб. Обосновать технологию прокладки газопровода в мерзлом пучинистом грунте. Разработать алгоритмы и пакеты программ для реализации решения поставленных задач на компьютере.

Предметом исследования является разработка физико-математических моделей процессов и явлений, возникающих при прокладке и эксплуатации трубопроводов, получение решений соответствующих задач математической физики, анализ полученных результатов, сравнение с экспериментальными и натуральными данными. Во всех случаях базой исследования являлись натуральные и экспериментальные данные, представлявшиеся заказчиками или взятые из литературных источников.

При решении конкретных задач автор использовал стандартные методы и принципы математической физики. При постановке задачи строго соблюдались законы сохранения и уравнения баланса энергии и массы. Все предположения специально оговариваются в работе и обосновываются. При использовании приближенных методов автором проведено доказательство их сходимости.

В каждой задаче использовалось моделирование на ЭВМ, составлены программы для контрольного расчета. Широко применялись возможности современного компьютера для анализа результатов и их графического представления.

Научная новизна

Проведено специальное исследование, позволившее применить итерационный метод сужающейся системы границ, внутри которых находится решение для нелинейной задачи теплопроводности с немонотонными граничными условиями, к области с осевой и центральной симметрией.

Разработана физико-математическая модель, описывающая процесс деформации грунта вследствие влагопереноса при промерзании вокруг холодных труб. Модель позволяет исследовать механизм образования линз и прослоев чистого льда, что приводит на практике к пучению грунта.

Исследован процесс сегрегационного пучения вокруг холодных, заглубленных в грунт трубопроводов большого диаметра, транспортирующих газ. В соответствии с полученными результатами даны технические рекомендации, необходимые при прокладке трубопроводов во влажных тонкодисперсных грунтах.

Результаты численного решения подтверждены ранее имеющимися точными решениями или экспериментальными данными, полученными в результате исследований других авторов.

Практическая ценность. Результаты исследования используются в проектных организациях для прогнозирования теплофизического состояния трубопроводов различного назначения, а также для обоснования технологий их строительства.

На защиту выносятся следующие основные диссертации:

Приближенный метод решения задач тепломассообмена в областях с осевой симметрией, основанный на построении сужающейся системы оценок искомой функции.

Математическая модель явления вторичного пучения вблизи заглубленного в грунт низкотемпературного газопровода.

Методика теплотехнического обоснования мероприятий по предотвращению пучения вблизи холодных труб.

Апробация и введение. Результаты работы выносились на обсуждение на следующих конференциях: «Научно-методическая конференция», Тюмень; «II научная конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей», Тюмень, ТюмГАСА, 2000 г.; 13-я международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-2000, Санкт-Петербург; «Научно-практическая конференция, посвященная 30-летию ТюмГАСА», Тюмень, 2000.

Автор выступал на научно-практических семинарах кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» ТюмГАСА.

Сведения о внедрении результатов, по которым имеются документы, приведены в приложении.

Автор приносит глубокую благодарность за ценные научные консультации и внимание член-корр. РА АСН проф. д-ру техн. наук ; проф., д-ру техн. наук  ; канд. физ.-мат. наук ; доценту, канд. техн. наук ; доценту, канд. техн. наук Каряки-
ной С. В.; доценту, канд. техн. наук

Глава I

ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Данная глава призвана рассмотреть ряд технических вопросов, затрагиваемых в работе и постараться показать уровень их проработки на настоящее время в инженерном и математическом аспектах. При составлении обзора использованы монографии, статьи, материалы научно-исследовательских, проектных и строительных организаций, опубликованные в периодической и специальной литературе. Здесь упоминаются в основном работы, используемые автором при изучении рассматриваемых вопросов. Некоторая часть литературного обзора, использованная автором при проведении исследований и расчетов, сознательно приводится в соответствующих разделах работы.

Особенности строительства и эксплуатации подземных трубопроводов в северных условиях

Сооружение магистральных трубопроводов от северных месторождений ведется в сложных инженерно-геологических условиях. В условиях многолетней мерзлоты, характерных для северных регионов, возникают специфические проблемы, связанные с сохранением устойчивости подземных трубопроводов различного назначения.

Энергетические процессы, происходящие при транспортировке нефти и газа, сопровождаются непрерывными процессами передачи теплоты и энергии между различными элементами системы. Линейная часть трубопроводов находится во взаимодействии с грунтом, в процессе передачи теплоты от транспортируемого продукта в окружающую среду. Одновременно с этим, в годовом цикле эксплуатации, происходит непрерывное изменение температуры окружающей среды и грунта, что оказывает влияние на перераспределение температур транспортируемого продукта и приводит к изменению его теплофизических характеристик, что в свою очередь, оказывает существенное влияние на энергетические характеристики транспорта.

Обоснование параметров транспортировки газа, особенно в северных условиях, требует тщательного подхода к методам расчета, и в первую очередь, расчета теплового воздействия трубопроводов с окружающей средой. При любом способе прокладки трубопроводов необходим теплофизический расчет, определяющий их тепловое влияние на мерзлый или талый грунт, чтобы предотвратить деградацию вечной мерзлоты свыше допустимых пределов.

Без достаточно полного представления о тепловых процессах нельзя повысить надежность, обоснованно выбрать технологию строительства и оптимальные режимы эксплуатации трубопроводов.

При анализе теплофизических проблем, возникающих при прокладке подземных газопроводов, важно учитывать, что вокруг холодной трубы образуется зона промерзания, в которой развивается пучение, а вокруг теплой трубы – зона протаивания, в которой имеет место осадка.

В работе «Теплофизические расчеты газопроводов» исследуется  влияние среды, в которой  проложены охлажденные и неохлажденные газопроводы на их устойчивость и надежность:

образование ореолов промерзания вокруг подземного низкотемпературного газопровода может привести: к выпучиванию газопровода в сторону поверхности при промораживании пучинистого грунта в зоне его вливания; к всплытию балластированного газопровода на сильно обводненных участках; перегораживанию стока грунтовых вод в верхних горизонтах вследствие намерзания влаги в слое между поверхностью земли и заглубленным газопроводом, а также из-за перемещения его при всплытии и выпучивании; к нарушению режима течения грунтовых вод более низких горизонтов под газопроводом; к трещинообразованию в слое мерзлого грунта вокруг газопровода, которое  может вызвать неравномерное пучение грунта и разрушение теплоизоляции трубопровода.

Все это влияет на прочность и устойчивость газопровода, а также приводит к неблагоприятным изменениям естественного гидрологического режима и нарушению экологической обстановки в полосе трассы газопровода.