УЧЕТ СТЕПЕНИ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ВМЕЩАЮЩИХ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Н. А. Гаррис, А. И. Русаков

Аннотация


Техногенное воздействие, неизбежное как при строительстве, так и при длительной эксплуатации подземного нефтепровода, приводит к значительному изменению теплофизических свойств вмещающего грунта. Кроме того, имеет место значительное сезонное изменение эффективного коэффициента теплопроводности, при этом наблюдаемые в зимний и летний периоды значения могут различаться в два раза. Необходимость решения задачи теплообмена системы «трубопровод - мерзлый грунт» как сопряженной делает использование численных методов решения малоприменимыми. Ореол протаивания, формирующийся под влиянием теплового воздействия трубопровода, делает практически невозможным проведение теплогидравлического расчета по причине неопределенности его размеров. Процессы миграции влаги и фазовых превращений, происходящие во вмещающем мерзлом грунте под действием периодически изменяющегося градиента температур и направления теплопередачи, также оказывают значительное влияние на изменение коэффициента теплопроводности и практически не поддаются моделированию, что дополнительно усложняет поставленную задачу. Интегральный подход к решению вопроса распределения температур по длине трубопровода позволяет избежать весьма трудоемкой и далеко не всегда эффективной процедуры определения размеров ореолов протаивания вокруг трубопровода на этапе теплогидравлического расчета. Предложен способ учета теплового воздействия подземного трубопровода на теплопроводность вмещающего многолетнемерзлого грунта. На основании результатов физического эксперимента, моделирующего процессы протаивания-промерзания вокруг подземного трубопровода в мерзлом песчаном грунте в квазистационарном режиме теплообмена, была определена степень изменения теплопроводности грунта в зависимости от направления движения ореола протаивания. Использование коэффициента техногенного воздействия, учитывающего изменение теплопроводности грунта в результате нарушения криогенной текстуры грунта при тепловом воздействии подземного трубопровода, позволит повысить точность теплогидравлических расчетов. Данные рекомендации по определению расчетного значения коэффициента теплопроводности грунта можно использовать также и в случае дефицита исходной информации.

Ключевые слова


подземный трубопровод;мерзлый грунт;техногенное воздействие;ореол протаивания;зона теплового влияния;коэффициент теплопроводности;underground pipeline;frozen soil;technogenic impact;thawing halo;thermal influence zone;thermal conductivity coefficient;

Полный текст:

PDF

Литература


Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1981. 256 с.

Гаррис Н.А. Эксплуатация нефтепродуктопроводов в различных температурных режимах и загрузках при условии сохранности экологической среды: диc. … д-ра техн. наук. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. 385 с.

Ершов Э.Д. Теплофизические свойства горных пород. М.: Изд-во МГУ, 1974. 203 с.

Чистотинов Л.В. Миграция влаги в промерзающих неводонасыщенных грунтах. М.: Наука, 1973. 144 с.

Williams P.J., Smith M.W. The Frozen Earth. Fundamentals of Geocryology: Studies in Polar Research. Cambridge: Cambridge University Press, 1989. 306 p.

Миронова О.Н., Гаррис Н.А., Назырова Р.З. Определение порога чувствительности коррозионных процессов к колебаниям температуры газопровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2012. № 3. С. 32-35.

Jin H., Wang Y., Zheng Q., Liu H., Chadwick E. Experimental Study and Modelling of the Thermal Conductivity of Sandy Soils of Different Porosities and Water Contents // Applied Sciences. 2017. Vol. 7. No. 2. P. 117-119. DOI: 10.3390/app7020119.

Tian Z., Lu Y., Horton R., Ren T.A Simplified de Vries-Based Model to Estimate Thermal Conductivity of Unfrozen and Frozen Soil // European Journal of Soil Science. 2016. Vol. 67. P. 564-572.

Arkhangelskaya T., Lukyashchenko K. Estimating Soil Thermal Diffusivity at Different Water Contents from Easily Available Data on Soil Texture, Bulk Density, and Organic Carbon Content // Biosystems Engineering. 2018. Vol. 168. P. 83-95. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2017.06.011.

Haigh S.K. Thermal Conductivity of Sands // Geotechnique. 2012. Vol. 62. Issue 7. P. 617-625. DOI: 10.1680/ geot.11.P.043.

Тимофеев А.М. Методы и результаты исследования тепломассообменных свойств и температурновлажностных режимов многокомпонентных систем с фазовыми переходами: диc. … д-ра техн. наук. Якутск: 2007, 316 с.

Yu W.B., Liu W.B., Lai Y.M., Chen L., Yi X. Nonlinear Analysis of Coupled Temperature-Seepage Problem of Warm Oil Pipe in Permafrost Regions of Northeast China // Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 70. P. 988-995.

Lu T., Wang K.S. Numerical Analysis of the Heat Transfer Associated with Freezing/Solidifying Phase Changes for a Pipeline Filled with Crude Oil in Soil Saturated with Water during Pipeline Shutdown in Winter // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2008. Vol. 62. P. 52-58.

Новоселов В.В. Прогнозирование теплофизических свойств грунтов при выполнении расчетов неизотермических трубопроводов. Обзорная информация. М.: ВНИИОЭНГ, 1989. 29 c.

Garris N., Rusakov A., Baykova L. New Approach to Estimation of Thermal Conductivity Coefficient for Underground Pipeline Forming a Thawing Halo in Permafrost // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1111. P. 12-16.

Степанов А.В., Далбаева Е.К. Влияние циклов замораживания-оттаивания на тепло-массообменные свойства техногенных криогенных грунтов // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 4-5. С. 1296-1299.




DOI: http://dx.doi.org/10.17122/ngdelo-2020-6-99-106

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


(c) 2020 Н. А. Гаррис, А. И. Русаков

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

© 2021 УГНТУ.
Все права защищены.