Исследование процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода (стр. 4 )

Исследованию этих процессов посвящено достаточно много работ отечественных и зарубежных авторов.

Экспериментальные и теоретические исследования процессов теплоообмена в грунтах обобщены в ряде крупных работ: «Общее мерзлотоведение (геокриология)» под редакцией (1978), монографии крупных ученых: (1955), и др. (1970), (1976), (1977), и (1974),
  (1975, 1979, 1980),  и др. (1983). Теплообмен в этих работах предстает как сложный комплекс физических явлений.

Исследования по теплообмену в грунтах сделали возможным довольно точный расчет температурных полей.

«Сложнее обстоит дело с вопросом о миграции влаги в дисперсных породах. Процессы миграции влаги оказывают заметное влияние на теплообмен при промерзании грунтов. Дело в том, что здесь мы имеем дело не с одним механизмом переноса, а с целым их набором. Учесть их все в расчете невозможно, точность полученного результата определяется тем, насколько удалось исследователю выделить основные закономерности. Фактически это вопрос об адекватности физико-математической модели».[65]

(1969) считает, что учет зоны фазовых переходов приводит к большим уточнениям в сравнении с классической задачей Стефана, чем учет миграции влаги. Это же мнение отражено в нормативных документах.

Применительно к геокриологическим задачам наибольший интерес представляют вопросы миграции связанной и капиллярной воды и пара. Фильтрация (движение свободной или гравитационной воды) в тонкодисперсных породах при этом имеет подчиненное значение. С самой общей термодинамической точки зрения [35] причиной миграции воды и пара в дисперсных породах является неравновесное состояние системы «грунт-влага», вызываемое изменением во времени и в пространстве термодинамических параметров (температуры, давления, концентрации ионов, влажности, электрического, магнитного и гравитационного потенциалов и др.).

Механизм переноса влаги под действием градиента температуры в мерзлых дисперсных грунтах достаточно сложен. Речь идет, скорее, о целом наборе механизмов. В работах отечественных авторов основной является модель термодиффузии влаги в мерзлых грунтах. В талой зоне используется разработанная (1978) модель влагопроводности, которая тоже является диффузионной. Описание массопереноса для сред с неполной насыщенностью пор влагой строится на основе понятия потенциала влагопереноса и движущих сил массопереноса как его градиентов. Основные недостатки этой модели вызваны условностью значений потенциала влажности, коэффициентов миграции. Обычно значение потенциала принимают пропорциональным влажности, при этом коэффициент миграции называется влагопроводностью [64]. Альтернативной такому подходу является фильтрационная модель, используемая в работах западных авторов, где движущей силой фильтрации влаги является градиент так называемого «сегрегационного потенциала» или «подсасывающего давления». Однако при ближайшем рассмотрении, как замечено в работе [65] эти величины оказываются пропорциональными содержанию влаги, поэтому фильтрационная модель для однородных грунтов оказывается с точностью до замены переменных эквивалентной модели диффузионной. Важным аргументом в пользу диффузионной модели является то, что интенсивность потока влаги в мерзлом грунте при определенных температурных условиях определяется только свойствами минерального скелета и наличием достаточного количества влаги. Это как раз характерно для процессов диффузии. Процессы фильтрации в большей степени определяются внешними воздействиями. Поэтому в физическом отношении изучаемый процесс является диффузионным.

В данной работе диффузионная модель принимается в качестве базовой, с учетом того, что она пригодна только для однородных тонкодисперсных грунтов при большой влажности.

При рассмотрении диффузионной модели требуется определение количества незамерзшей воды, которое зависит главным образом от вида грунта и его температуры.  Для определенного грунта функция  (кривая незамерзшей воды) характеризует равновесный фазовый состав влаги. Количество незамерзшей воды увеличивается с возрастанием дисперсности грунта.

Оказалось также, что количество незамерзшей воды при промерзании выше, чем при протаивании ([74], [38]).

Количество незамерзшей воды зависит от скорости промерзания. В работе , [31] приводится способ экспериментального определения характерного времени релаксации при промерзании на основе кинетической модели первого порядка.

Разные авторы приводят различные выражения для функции незамерзшей влаги. Важность учета назамерзшей воды подчеркивается многими учеными. Комплексные работы по определению фазового состава влаги ведутся МГУ под руководством [35].

В последние годы разработаны модели, описывающие фазовые переходы в спектре температур, основанные на наличии зоны сосуществования  жидкой и твердой фаз и использующие для замыкания системы тепломассообменных уравнений условия локального термодинамического равновесия [34]. Такой способ замыкания избавляет от необходимости введения в модель эмпирических зависимостей содержания незамерзшей влаги, причем функция распространения распределения влажности в двухфазной зоне искомая и находится в процессе решения задачи [65].

За счет миграции незамерзшей влаги (как было сказано выше) в уже промерзших массивах возможна сегрегация льда, не смотря на малый коэффициент влагопроводности мерзлых грунтов, т. к. перераспределение влаги и выделение льда могут быть значительными за счет практически постоянного температурного градиента, существующего много лет. В инженерной практике с этим явлением связано пучение грунта вокруг трубопроводов, транспортирующих низкотемпературный газ. В зарубежной литературе такое пучение называют вторичным. Будем называть вторичной и сегрегацию льда в промороженных
грунтах.

В настоящее время нет модели, которая описывала бы в полной мере количественную и качественную стороны механизма образования, роста и деградации шлиров и позволяла бы нарисовать картину криогенной текстуры. В главе III данной работы ставится узкая задача: изучение механизма развития шлиров при вторичном пучении в тонкодисперсных грунтах, поры которых заполнены влагой и не содержат воздуха, при отсутствии внешних механических нагрузок. Теоретическое обоснование решения этой задачи было опубликовано в работах ([26], [3], [4]) на примере процесса одностороннего промерзания плоского образца для случая, когда температурные условия близки к стационарным. В настоящей работе показано, что модель [26] можно применить и к явлению вторичного морозного пучения вокруг холодных труб.

Исследование путей повышения надежности подземных газопроводов в северных условиях

В системах жизнеобеспечения Европейской части России и на Урале, где проживает 85% населения страны, доля газового топлива среди других потребителей первичных ТЭР более 70%. На экспорте энергоресурсов газ также играет ведущую роль: более половины от всех экспортируемых ТЭР [50].

Газовая промышленность является основой энергетического хозяйства России. В настоящее время основным газодобывающим регионом России является Западная Сибирь, на долю которой приходится 2/3 всего добываемого газа.

Действующая в настоящее время сеть газопроводов в Тюменской области, благодаря многочисленным экспериментальным и теоретическим исследованиям, лидирует среди всех видов транспорта по производительности, газообороту, дальности доставки и себестоимости перекачки углеводородного сырья. Достоинство ее и в том, что по техническому уровню отечественные трубопроводы не уступают мировым аналогам и представляют собой экологически надежные объекты.

Анализ климатических показателей Севера Западной Сибири приводит к выводу о крайне тяжелых условиях работы технологического оборудования строящихся и эксплуатируемых газопроводов. Изменение температуры наружного воздуха в годовом цикле, как было изложено выше, неизбежно сказывается на температуре грунта и его теплофизических характеристиках, а значит, и на режиме работы линейной части газопровода.

В работе [51] отмечается, что выбор способа прокладки и режима эксплуатации трубопроводов на мерзлых грунтах зависит от ряда причин:

пучинистости грунтов основания; характера распространения пучинистых грунтов в полосе трассы трубопровода; криогенного строения грунтового основания по вертикали; температуры грунта; глубины деятельного слоя; расположения горизонта грунтовых вод и степени обводненности прилегающей территории; степени изученности трассы трубопровода с учетом достоверности прогноза мерзлотно-грунтовых условий к моменту начала эксплуатации трубопровода; рельефа местности; характера изменения температуры газа по длине трубопровода и во времени.

Основные факторы – глубина протаивания грунта под или над трубопроводом в зависимости от температуры внешней поверхности трубопровода; величина пучения грунта; степень нарушения гидрологического режима территории, прилегающей к трассе трубопровода; температура внешней поверхности трубопровода на участках болот и водных переходов. В зависимости от конкретных условий один из факторов – определяющий, а остальные подчиненные.

На участках сплошного распространения мерзлых грунтов наиболее рациональным признано охлаждение газа, которое происходит в холодильных машинах в сочетании с аппаратами воздушного охлаждения, до сезонных температур грунта на глубине заложения оси трубопровода.

В северных районах Тюменской области построены и эксплуатируются с начала 80-х годов трансконтинентальные газопроводы большого диаметра (1220 мм, 1420 мм).

В связи с этим, а также с разработкой перспективной технологии транспортировки газа в охлажденном состоянии и предлагаемым повышением рабочего давления (до 12 Мпа) стали наиболее актуальными вопросы обеспечения надежности трубопроводов.

«Мощные магистральные газопроводы диаметром 1420 мм – сооружения уникальные. По энергетическому эквиваленту они равны пяти Братским ГЭС. Их уникальность состоит и в интенсивности взаимодействия с окружающей средой, в протяженности прокладки в различных климатических и гидрогеологических зонах, в размере поверхности контакта с грунтом, массе транспортируемого продукта и его теплосодержания, в количестве вносимого в грунт тепла или холода». [39]