Исследование процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

,

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЛАГООБМЕНА
ВБЛИЗИ ЗАГЛУБЛЕННОГО В ГРУНТ ТРУБОПРОВОДА

МОНОГРАФИЯ

Тюмень, 2015

УДК: 621, 184, 64

Ф-76

, Фомина, процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода: монография/ ,
. – Тюмень: РИО ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», 2015. – 87 с.

Монография посвящена изучению и анализу процессов теплообмена, влагопереноса и криогенного текстурообразования в дисперсных породах при прокладке и эксплуатации подземных трубопроводов и выдача рекомендаций по обеспечению необходимых технических характеристик.

В монографии проведено специальное исследование, позволившее применить итерационный метод сужающейся системы границ, внутри которых находится решение, для нелинейной задачи теплопроводности с немонотонными граничными условиями в области  с осевой 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.

Монография будет полезна для специалистов и руководителей проектных организаций для прогнозирования теплофизического режима вокруг трубопроводов различного назначения, а также для обоснования технологий их строительства.

Рецензенты:

доктор техн. наук, профессор каф. «Теплогазоснабжение и вентиляция»  ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» 

канд. техн. наук, доцент каф. «Информационные системы»  ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный  университет»

© ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

© ,

Редакционно-издательский отдел ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение        5

Глава I. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ        11

1.1. Особенности строительства и эксплуатации подземных
трубопроводов в северных условиях.        11

1.1.1. Криогенные физико-геологические процессы.        13

1.1.2. Моделирование процессов тепло-влагообмена в мерзлых
дисперсных грунтах.        16

1.1.3. Исследование путей повышения надежности подземных

газопроводов в северных условиях.        20

1.2. Методы решения задач тепло - и влагообмена.        24

1.2.1. Нелинейные задачи типа теплопроводности.        24

1.2.2. Задача Стефана.        26

1.2.3. Методы изучения процессов влагопереноса в мерзлых

грунтах.        29

Глава II. ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОРЕОЛОВ ПРОМЕРЗАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ ВБЛИЗИ ТРУБОПРОВОДОВ.         32

2.1. Приближенное решение задачи теплообмена в грунтах
методом построения сужающейся системы оценок.        33

2.1.1. Постановка задачи.        33

2.1.2. Обоснование метода построения сужающейся системы
оценок для областей с осевой симметрией.        35

2.1.3. Методика определения границ решения исходной задачи
с немонотонными граничными условиями.        38

2.2. Итерационная процедура построения интегральной системы
оценок искомого решения.        40

2.2.1. Доказательство сходимости метода.        44

2.2.2. Численный анализ решения задачи теплопроводности
в областях с осевой и центральной симметрией.        48

Глава III. МОДЕЛЬ МЕХАНИЗМА СЕГРЕГАЦИИ ЛЬДА ВОКРУГ ХОЛОДНЫХ ТРУБ.        53

3.1. Построение модели.        54

3.2. Численный анализ построенной модели.        65

Глава IV. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УКЛАДКИ В ДИСПЕРСНЫЙ ГРУНТ ХОЛОДНОГО
ТРУБОПРОВОДА, ТРАНСПОРТИРУЮЩЕГО ГАЗ         69

4.1. Особенности эксплуатации холодных газопроводов
большого диаметра.        69

4.2. Моделирование температурного режима вокруг
холодного газопровода.        70

4.3. Прогнозирование образования шлиров под трубопроводом
на основе анализа проведенных расчетов.        75

Заключение        80

Библиографический список        82

Введение

Интенсивное и целенаправленное освоение Севера предопределено перспективой социально-экономического развития России. Западная Сибирь – крупный нефтегазодобывающий район. Ее топливно-энергетический комплекс является одним из основных составляющих развития экономики государства. Разведка новых и обустройство разведанных месторождений углеводородов в Западной Сибири, и прежде всего в Тюменской области – задача всероссийского масштаба.

В Западно-Сибирском регионе добывается свыше 80% от общего объема энергоресурсов (нефти и газа), в связи с чем, регион оказывает решающее влияние на темпы научно-технического прогресса, интенсификацию общественного производства, обладает уникальной развитой сетью магистральных нефте - и газопроводов. Система магистральных газопроводов подает  в Европейскую часть страны и за ее пределы свыше 500 млрд м3 газа в год.

«В последние годы требуемые уровни добычи газа обеспечивались, главным образом, за счет месторождений-гигантов НПТР (Уренгой, Ямбург). Этот район в 1995 г. дал 520 млрд  м3, а все остальные районы России – 75 млрд м3. При необходимости добычу газа здесь можно увеличить до 600–650 млрд м3. В 2000 г. только Надым-Пур-Тазовский р-н дал стране 540–570 млрд м3 газового топлива.

Минимально требуемые объемы добычи газа в России возрастут с 2000 по 2020 гг. по внутренним потребностям страны от 330 до 420 млрд м3; бывшим республикам Союза – от 65 до 90 млрд м3; дальнему Европейскому зарубежью – от 125 до 220 млрд м3; собственным нуждам газовой отрасли – от 50 до
80 млрд м3. Общий требуемый объем добычи газа составит от 570 млрд м3 в 2000 году до 860 млрд м3 в 2020 году». [49]

К строительству в этом районе предъявляются исключительно жесткие требования, которые обусловлены суровыми природно-климатическими условиями, характеризующимися низкой температурой воздуха, большими суточными колебаниями, сильными ветрами, проливными дождями и мощными снегопадами.

Развитие строительного производства в специфических условиях Севера является стимулом для проведения обширных научных исследований, в том числе, углубленного изучения территорий, занятых многолетне - и сезонномерзлыми породами, их состава, криогенного строения и свойств, а также происходящих в них процессов и явлений.

Нефтегазодобывающая отрасль является не только главным заказчиком научных исследований, относящихся к вопросам строительства в северных условиях, но и главным потребителем получаемых результатов этих исследований.

Север Западной Сибири характеризуется большим разнообразием температурных и влажных характеристик грунтов, широким развитием криогенных процессов. Поэтому обоснование способов прокладки и режимов эксплуатации сооружаемых здесь трубопроводов является сложной инженерной задачей.

Мерзлые породы, занимающие 50% территории России, что составляет
11 миллионов квадратных километров суши, представляют собой сложные и чрезвычайно динамичные физико-химические грунтовые системы. Существуют обширные области грунтов пониженной несущей способности – засоленных и сильнольдистых, нередко встречаются участки с подземными льдами; широко распространены мерзлотно-геоморфологические образования: бугры пучения, морозобойные трещины, наледи, просадка грунта в процессе вытаивания подземных льдов и т. д. Все это в значительной степени способствует деформации породы и, следовательно, накладывает отпечаток на производство любых типов строительных работ.

На современном этапе развития народного хозяйства надежность магистральных газопроводов и нефтепроводов стала определяющим требованием к трубопроводному транспорту. Это связано, прежде всего, с его возрастающей ролью – весь газ и более половины нефти и нефтепродуктов подаются потребителям по трубопроводам. Прокладываются они в разнообразных почвенно-климатических условиях.

Исходным материалом для решения любой проблемы, вызванной наличием вечной мерзлоты, должен являться правильный прогноз водно-теплового режима грунта в течение всего периода эксплуатации. Поэтому многочисленные теплофизические аспекты поведения мерзлых грунтов становятся объектом интенсивного научного исследования, где особое место занимают задачи тепло-  и массообмена применительно к вопросам нефте - и газопромыслов.

Исследование процессов тепловлагообмена в промерзающих грунтах вблизи подземных трубопроводов является совершенно необходимым для обеспечения их нормального функционирования.

Природный газ с месторождений севера Тюменской области транспортируется по уникальной системе магистральных газопроводов в промышленные районы Урала и европейской части России, на экспорт в зарубежные страны, а проблема надежности и долговечности магистральных газопроводов, проложенных в разнообразных почвенно-климатических условиях, еще не имеет четкого теоретического и методологического выражения.

С другой стороны, магистральные трубопроводы потенциально опасны для окружающей среды. Уже при строительстве их наблюдается деструкция грунтового массива и нарушение сложившихся взаимосвязей компонентов ландшафта. Аэрокосмические исследования коридоров прокладки трубопроводов в Западной Сибири показали значительное обводнение и заболачивание трасс с грунтами умеренной влажности, особенно при системе в несколько ниток. Охрана окружающей среды – одна из важнейших проблем этого региона.