Модель Кулона-Мора
advertisement
Разработка методики прогнозирования изменения температурных полей и тепловой осадки нефтепровода на участках с многолетнемерзлыми грунтами Маленов А.А. аспирант кафедры ОиФ ННГАСУ Основные причины возникновения аварий на магистральных трубопроводах (данные 2008 года) Непрофессионализм работников; 4,70% Заводской брак труб; 12,30% Внешние воздействия; 34,70% Действие коррозии; 23,50% Брак при строительстве; 24,70% Наиболее распространенная причина возникновения аварий на магистральных трубопроводах (34,7%) – внешние воздействия в виде деформаций массива грунта, окружающего трубопровод и природных катаклизмов. Особенности эксплуатации магистральных трубопроводов в вечной мерзлоте При эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях вечной мерзлоты, в особенности при подземной прокладке в сильнольдистых многолетнемерзлых грунтах в результате техногенных геокриологических процессов, связанных с оттаиванием мерзлых грунтов, возникают значительные горизонтальные и вертикальные деформации трубопроводов, приводящие к появлению напряженных участков. Методика прогнозирования тепловой осадки трубопровода Для своевременного принятия мер по предотвращению возникновения недопустимых деформаций трубопровода при прокладке его в вечномерзлых грунтах необходима методика, позволяющая спрогнозировать тепловые осадки и деформации окружающего трубопровод грунтового массива и, как следствие, самого трубопровода. В рамках данного вопроса следует решить следующие задачи: Анализ изменения температурных полей в массиве грунта в результате действия отепляющего эффекта трубопровода. Определение физических характеристик грунтовых элементов в зависимости от их температурного режима. Определение осадок и деформаций окружающего трубопровод грунтового массива с использованием полученных характеристик грунтовых элементов. Методика анализа изменения температурных полей в массиве грунта В сложной среде, которой является грунт, перенос тепла осуществляется всеми видами теплообмена: кондуктивным, конвективным и лучистым. В данной задаче с целью упрощения лучистый теплообмен не учитывается Учитываемые виды теплообмена в грунте Кондуктивный (уравнение Фурье) Конвективный при фильтрации воды (уравнение Фурье-Кирхгофа) Использование программного комплекса DAM-3D для анализа изменения температурных полей в массиве грунта Для определения температурных полей в массиве грунта наиболее перспективным является использование программного комплекса DAM-3D. Исходными данными для расчета являются трехмерная твердотельная модель исследуемого участка и теплофизические характеристики грунтов. Программный комплекс позволяет: проанализировать температурно-фильтрационный режим массива грунта; оценить динамику развития температурно-фильтрационного процесса; рассмотреть различные сценарии эксплуатации замораживающей системы. Результаты анализа изменения температурных полей в массиве грунта В результате расчетов для заданных сечений строятся температурные профили. Определение физических характеристик грунтовых элементов в зависимости от их температурного режима Для определения тепловых осадки и деформаций окружающего трубопровод грунтового массива требуется определить зависимость некоторых физических характеристик грунтов от температуры: Модуль упругости Сцепление Угол внутреннего трения Eref сref кН/м2 кН/м2 Нахождение данных зависимостей является одной из основных задач, требующих скорейшего решения для реализации методики. Найденные физические характеристики грунтов используются для формирования массива грунтовых элементов. Определение осадок и деформаций окружающего трубопровод грунтового массива с использованием полученных характеристик грунтовых элементов Для расчета осадок и деформаций грунтового массива наиболее перспективным является использование программы Plaxis. Программа Plaxis предназначена для расчетов напряженнодеформированного состояния комплексных геотехнических систем методом конечных элементов в условиях плоской и осесимметричной задачи. Выбор модели грунта Программа Plaxis включает в свой состав несколько моделей грунта: Модели грунта программы Plaxis Модель Кулона-Мора Модель упрочняющегося грунта Модель ползучести слабого грунта Для решения задачи определения осадок и деформаций грунтового массива была выбрана модель Кулона-Мора. Выбор данной модели обусловлен набором характеристик грунта, требующихся для расчета. Модель Кулона-Мора – упругопластическая модель, содержащая 5 основных параметров: E и ν – параметры упругости грунта, с и φ – параметры прочности грунта, ψ – угол дилатансии. Результаты определения осадок и деформаций грунтового массива Выводы Предложенная методика прогнозирования изменения температурных полей и тепловой осадки нефтепровода на участках с многолетнемерзлыми грунтами позволяет производить оперативное прогнозирование тепловой осадки трубопровода в процессе его проектирования и эксплуатации с учетом изменения режимов его работы.
