CC BY
0И^ЭТЬ DOI 10.24412/3034-154Х-2024-3-17-21
https://elibrary.ru/uzziev https://tyumen-science.ru/
Принята к публикации: 25.06.2024
Василий Викторович ГОЛИК - старший преподаватель кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов» ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Россия, г. Тюмень; e-mail: [email protected]; SPIN-код: 9163-6348
Иван Витальевич СЕРОШТАНОВ - инженер лаборатории контроля качества и диагностики ООО «Газпром трансгаз Югорск» Россия, г. Югорск; e-mail: [email protected]
Мария Юрьевна ЗЕМЕНКОВА - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов»
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Россия, г. Тюмень; e-mail: [email protected]; SPIN-код: 9383-0442
Алексей Анатольевич ГЛАДЕНКО - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет» Россия, г. Омск; e-mail: [email protected]; SPIN-код: 5725-1730
АННОТАЦИЯ
В статье представлены результаты работы с математической моделью и апробация методики теплотехнических расчётов для многослойных нефтепроводов. Моделируется секция нефтепровода, пролегающего в сложных геологических условиях.
Ключевые слова: цифровизация, надежность, нефтепровод, многослойные нефтепроводы, многослойные оболочки, тепловое поле, моделирование, многолетнемёрзлые грунты.
Vasily Viktorovich GOLIK - Senior Lecturer at the Department of Transportation of Hydrocarbon Resources, Industrial University of Tyumen Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]; SPIN-code: 9163-6348
Ivan Vitalievich SEROSHTANOV - Engineer of the Laboratory of Quality Control and Diagnostics of Gazprom Transgaz Yugorsk LLC Russia, Yugorsk; e-mail: [email protected]
Maria Yurievna ZEMENKOVA - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Transportation of
Hydrocarbon Resources, Industrial University of Tyumen
Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]; SPIN-code: 9383-0442
Alexey Anatolyevich GLADENKO - Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Oil and Gas Engineering, Standardization and Metrology, Omsk State Technical University Russia, Omsk; e-mail: [email protected]; SPIN-code: 5725-1730
The article presents the results of working with a mathematical model and testing the methodology for thermal engineering calculations for multilayer oil pipelines. A section of an oil pipeline running in difficult geological conditions is modeled.
Keywords: digitalization, reliability, pipeline, multilayer oil pipelines, multilayer casings, thermal field, modeling, permafrost soils.
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧЕК ТРУБОПРОВОДОВ В РАЙОНАХ С МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ
SIMULATION MODELING OF MULTILAYER PIPELINE TUBES IN AREAS WITH PERMAFROST SOILS
ABSTRACT
Для цитирования в научных исследованиях:
Голик В. В., Сероштанов И. В., Земенкова М. Ю., Гладенко А. А. Имитационное моделирование многослойных оболочек трубопроводов в районах с многолетнемёрзлыми грунтами // Тюменский научный журнал. - 2024. - № 3 (3). - С. 17-21.
В современном мире, где темпы добычи возрастают, предъявляются все более высокие требования к строительству и эксплуатации объектов транспорта нефти и нефтепродукта. Для этого зоны добычи нефти расширяются, разрабатываются новые месторождения, большая часть из которых находится в северной части Западной Сибири и на Арктическом шельфе.
В связи с экстремальными температурами данных регионов, все более сложными становятся специальные технологии, конструкции, необходимые средства и сооружения, а также технологические схемы объектов добычи, подготовки, сбора, хранения и транспорта добываемой углеводородной продукции.
На этапе проектирования выполняется комплекс геодезических исследований, позволяющий специалистам грамотно оценить несущую способность и свойства грунтовых оснований, даже малейшие ошибки в расчетах приводят к авариям и катастрофам. Движения грунтовых оснований влекут за собой деформацию эксплуатируемого трубопровода и, как следствие, его разгерметизацию.
Особое внимание стоит уделить трубопроводным сетям, проложенным в многолетнемёрзлом грунте [1].
Трубопроводы, прокладываемые в многолетнемёр-злых грунтах, имеют ряд серьёзных проблем, которые проявляются только спустя достаточно большой промежуток времени. Это проседание грунта, вызванное его растеплением и выпучиванием. Логичным следствием является большое количество техногенных катастроф в
Рисунок 1. Многолетнемёрзлые грунты [2]
Рисунок 3.
различных сферах промышленности и на всей обширной территории нашей страны.
При растеплении оснований начинают изменятся характеристики грунта, что влечёт за собой трещины и обрушение зданий, обрывы ЛЭП, изменение проектного положения трубопроводов. Последствия же могут быть различными, начиная от небольшой, мало заметной деформации конструкции, здания, трубопровода, дорожного покрытия и, заканчивая аварией, обрушением, экологической катастрофой и гибелью людей (рис. 1-3) .
Как пример, разлив топлива в Норильске, произошедший 29 мая 2020 года. Президентом РФ В. В. Путиным было объявлено ЧС федерального масштаба. Нефтепродукты попали в почву и реку Амбарная. Общее количество разлившегося дизеля превысило 20 тыс. т. Таймырская энергетическая компания сообщает, что авария произошла из-за внезапного проседания опор вследствие таяния многолетнемёрзлых грунтов под основанием резервуара.
В районе месторождения Ярудейское в 2018 году произошло несколько инцидентов с выпучиванием промысловых трубопроводов, приведшие к их деформации.
Как следствие, для предотвращения подобных аварийных ситуаций, представляется актуальным мониторинг конструктивной надежности и механической безопасности трубопроводов с учётом всего многообразия грунтов, в которых они пролегают. Мониторинг позволит на различных этапах разработки проектов оценивать динамику изменения структуры многолетнемёрзлых
Рисунок 2. Деформация трубопровода
в Норильске [4]
Рисунок 4. Компьютерная 3D модель многослойного подземного нефтепровода
грунтов в районе зданий и сооружений нефтегазового комплекса с учётом большого количества изменяющихся во времени параметров [3].
Метод мониторинга с использованием современных программ позволит изучать и анализировать воздействие процессов, происходящие в системе «труба - грунт», наиболее востребованным оказывается для условий арктической зоны. Кроме того, на стадии проектирования методика позволит более корректно подбирать материал для теплоизоляции трубопроводов.
Влияние подземных нефтепроводов на динамику промерзания грунтовых оснований в основном определяется большим количеством факторов, например, изменение температурного режима в течение года, а также толщина выпавших осадков в зимнее время [5-7].
Решение данной задачи подразумевает под собой изучение тепловых процессов, протекающих как в самом трубопроводе и слоях его изоляции, так и в окружающем его грунте, что объединяет все это в общую систему «труба - грунт».
На первом этапе исследования, с учётом вышеописанных условий, была разработана расчётная модель процесса распределения тепла вокруг подземного нефтепровода (рис. 4, 5).
После проработки основной модели, определения всех свойств материалов, грунтов и обозначения граничных условий, для проведения численного моделирования нашей задачи был выбран универсальный программный комплекс конечно-элементного моделирования - ANSYS.
Рассматривается массив мерзлого грунта, в котором пролегает трубопровод диметром 1020 мм, температура перекачиваемого нефтепродукта 8 °С. Для более точного моделирования были получены данные о климате (температура и скорость ветра) и геологии (теплофизические характеристики) региона пролегания нефтепровода на полуострове Ямал.
В ходе расчёта учитывается периодическое изменение температуры и силы ветра на поверхности, фазовое состояние в зависимости от теплоемкости и теплопроводности грунта [8-10].
Программный пакет Mechanical входящий в состав
ANSYS предлагает анализ теплообмена, расчет теплообмена может быть производен как в стационарном, так и в нестационарном режиме, при этом учитывается изменяется ли нагрузка по времени. Процесс изменения фазового состояния в зависимости от температуры и изменение температуры в течение времени делает расчет теплообмена не только нестационарным, но и нелинейным.
После завершения расчёта модели, с применением всех граничных условий и решателей, результаты представляются в виде графического изображения температурного ореола и графики процесса передачи тепла.
Распределение тепловых ореолов наглядно показывают надежность и качество использования композитной изоляции из пенополеуретана и нанобетона при которых температурное поле вокруг трубопровода сохраняет стабильные параметры (рис. 6). Также при таком методе моделирования можно установить заблаговременно различные изменения грунтовых оснований, которые могут привезти к деформации трубопровода и нарушению его целостности [11-13].
Проведенное математическое моделирование позво-
Рисунок 5. Двухмерная геометрия моделируемого участка
Рисунок 6. Температурные поля при прокладке подземных многослойных нефтепроводов
лило получить результаты, на основании которых можно сделать вывод о целесообразности применения программных комплексов конечно-элементного моделирования, таких как ANSYS, для долгосрочного мониторинга безопасности трубопроводных систем, проложенных подземным способом в условиях многолетнемёрзлых грунтов Арктической зоны РФ. Несмотря на многообразие видов грунта и различных резко меняющихся погодных условий, программа при заданных начальных условиях позволяет строить прогнозы на достаточно большие промежутки времени. Также подобные программы для моделирования значительно сокращают срок разработки нормативной и проектной документации для различных объектов и при определенном наборе известных параметров производят экспресс- моделирование критических участков трубопроводной системы.
Работа выполнена при поддержке Национального проекта «Наука и университеты» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № FEWN-2024-0005).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. [утв. распоряжением Правительства РФ от 09.06.2020 №1523-р] //Министерство энергетики РФ : официальный сайт. - URL : https://minenergo. gov.ru/ministry/energy-strategy (дата обращения: 20.05. 2024).
2. Невечная многолетняя мерзлота //«Научная Россия» : электронное периодическое издание. - URL : https://scientificrussia.ru/articles/nevecnaa-mnogoletnaa-merzlota (дата обращения: 10.06.2024).
3. Земенков, Ю. Д. Математическое моделирование
взаимодействия наземных трубопроводов с окружающей средой /Ю. Д. Земенков, Б. В. Моисеев, К. Н. Илюхин, Н. В. Налобин. //Известия вузов. Нефть и газ. - 2014. -№ 2. - С. 51-56.
4. Экологическая катастрофа в Норильске // Ма-глипогода : сайт. - URL : https://maglipogoda.ru/yeko-logicheskaya-katastrofa-v-norilsk/ (дата обращения: 10.06.2024).
5. Порхаев, Г.В. Пособие по теплотехническим расчётам санитарно-технических сетей, прокладываемых в вечномёрзлых грунтах /Г. В. Порхаев, Ю. А. Александров, Л. П. Семенов, Ю. Л. Шул. - М. : Стройиздат, 1971. - 74 с.
6. Аксенов, Б. Г. Моделирование колебаний границы промерзания-от-таивания в грунтах и наружных строительных конструкциях /Б. Г. Аксенов, С. В. Корякина, Б. В. Моисеев, А. Ф. Шаповал, О. А. Степанов. // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2. -URL : http://science-education.ru/ru/article/view?id=6088 (дата обращения: 20.05.2024).
7. Golik, V. V. Assessment of geo-cryological conditions in the design and operation of pipelines in the Arctic zone of the Russian Federation / V. V. Golik, B. V. Moiseev, Y. D. Zemenkov, E. N. Kabes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Tyumen, 29-31 августа 2018 года. Vol. 445. - Tyumen: Institute of Physics Publishing, 2018. - P. 012005. - DOI10.1088/1757-899X/445/1/012005.
8. Moiseev, B., Zemenkov, Y., Nalobin, N., Dudin, S. Thermal calculations of underground oil pipelines / B. Moiseev, Y. Zemenkov, N. Nalobin, S. Dudin // MATEC Web of Conferences, Saint-Petersburg, Russia, 23 мая 2017 года / Editor V. Murgul. Vol. 106. - Saint-Petersburg, Russia: EDP Sciences, 2017.
9. Zemenkova, M. Y. Physical and mathematical modeling of process of frozen ground thawing under hot tank / M. Y. Zemenkova, U. Shastunova, A. Shabarov, A. Kislitsyn,
A. Shuvaev. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Tyumen, 29-31 августа 2018 года. Vol. 357. - Tyumen: Institute of Physics Publishing, 2018. -P. 012007. - DOI 10.1088/1757-899X357/1/012007.
10. Physical and mathematical conditions of non-stationary thermal conditions of the underground air channels / O. Stepanov, B. Moiseev, M. Chekardovskiy [et al.] // International Journal of Applied Engineering Research. - 2017. - Vol. 12, No. 20. - P. 10110-10113.
11. Расчет теплового взаимодействия нефтепровода и ммг в программе Frost 3D universal // Frost 3D : сайт. - URL : https://frost3d.ru/raschyot-truboprovoda-mnogoletnemyorzlaya-poroda/?ysclid=m0ngnim6 vp587113695 (дата обращения: 20.05.2024).
12. Fedorova, O. B. Adapting intellectual property evaluation methods to the region brand evaluation / O. B. Fedorova, E. L. Chizhevskaya //Middle East Journal of Scientific Research. - 2014. - Vol. 19, No. 1. - P. 24-28. - DOI 10.5829/ idosi.mejsr.2014.19.1.12477.
13. Balikaeva, M. B. Innovative technologies as a means ofthe development of future engineers 'professional mobility abroad / M. B. Balikaeva, E. L. Chizhevskaya, G. Ya. Grevtseva [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : electronic edition, Veliky Novgorod, Russian Federation, 28-29 июня 2018 года. Vol. 441. - Veliky Novgorod, Russian Federation: IOP Publishing Ltd, 2018. -P. 012007. - DOI 10.1088/1757-899X/441/1/012007.
14. Разработка интегрального критерия выбора характеристик трубопровода, повышающих его долговечность в арктических условиях / Р. Ф. Зарипов, З. Р. Ишбердина, Г. Е. Коробков, Р. М. Юсупов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2020. - № 3. - С. 22-27. - DOI 10.24411/01314270-2020-10305.
REFERENCES
1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2035 g. [Energy strategy of Russiafor the period up to 2035]. Ministry of Energy of the Russian Federation; 2020. Available from: https://minenergo.gov.ru/ministry/energy-strategy (accessed 20 May 2024). (In Russ.)
2. Nevechnaya mnogoletnyaya merzlota. [The non-eternal permafrost]. Nauchnaya Rossiya. [Scientific Russia]. Available from: https://scientificrussia.ru/articles/ nevecnaa-mnogoletnaa-merzlota (accessed 10 June 2024). (In Russ.)
3. Zemenkov YuD, MoiseevBV, IlyukhinKN, NalobinNV. Matematicheskoe modelirovanie vzaimodeystviya nazem-nykh truboprovodov s okruzhayushchey sredoy. [Mathematical modeling of the interaction ofground pipelines with the environment]. Izvestiya vuzov. Neft' i gaz. [Proceedings of Higher Educational Institutions. Oil and Gas]. 2014;2:51-56. (In Russ.)
4. Ekologicheskaya katastrofa v Norilske. [Ecological catastrophe in Norilsk]. Maglipogoda. [Magliweather]. Available from: https://maglipogoda.ru/yekologiches-kaya-katastrofa-v-norilsk/ (accessed 10 June 2024). (In Russ.)
5. Porhaev GV, Aleksandrov YuA, Semenov LP, Shul
YuL. Posobie po teplotekhnicheskim raschetam sanitarno-tekhnicheskikh setey, prokladyvaemykh v vechnomozhlykh gruntakh. [Manual for thermal calculations of sanitary and technical networks laid in permafrost]. Moscow: Stroyizdat; 1971. 74 p. (In Russ.)
6. Aksyonov BG, Koryakina SVMoiseev BV, Shapoval AF, Stepanov OA. Modelirovanie kolebaniy granitsypromer-zaniya-ot-taivaniya v gruntakh i naruzhnykh stroitel'nykh konstruktsiyakh. [Modeling of fluctuations in the freezing-thawing boundary in soils and external structures]. Sovre-mennye problemy nauki i obrazovaniya. [Modern problems of science and education]. 2012;2. Available from: http:// science-education. ru/ru/article/view ?id=6088 (accessed 20 May 2024). (In Russ.)
7. Golik VV, Moiseev BV, Zemenkov YuD, Kabes EN. Assessment of geo-cryological conditions in the design and operation of pipelines in the Arctic zone of the Russian Federation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;445:012005. https://doi.org/10.1088/1757-899X/445/1/012005. (In Russ./English)
8. Moiseev B, Zemenkov Y, Nalobin N, Dudin S. Thermal calculations of underground oil pipelines. MATEC Web of Conferences. 2017;106. Available from: [Insert specific page number if available]. (In Russ./English)
9. Zemenkov a MY, Shastunova U, Shabarov A, Kislitsyn A, Shuvaev A. Physical and mathematical modeling ofprocess of frozen ground thawing under hot tank. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;357:012007. https://doi.org/10.1088/1757-899X/357/1/012007. (InRuss./ English)
10. Stepanov O, Moiseev B, Chekardovskiy M, [et al.]. Physical and mathematical conditions of non-stationary thermal conditions of the underground air channels. International Journal of Applied Engineering Research. 2017;12(20):10110-10113. (In Russ./English)
11. Raschet teplovogo vzaimodeystviya nefteprovoda i mmg v programme Frost 3D universal. [Thermal interaction calculation of the pipeline and permafrost in the Frost 3D universal program]. Frost 3D. Available from: https:// frost3d.ru/raschyot-truboprovoda-mnogoletnemyorzlaya-po roda/?ysclid=m0ngnim6vp587113695. (accessed 20 May 2024). (In Russ.)
12. Fedorova OB, Chizhevskaya EL. Adapting intellectual property evaluation methods to the region brand evaluation. Middle East Journal ofScientific Research. 2014;19(1):24-28. https://doi.org/10.5829/idosi.mejsr.2014.19.1.12477. (In Russ./English).
13. Balikaeva MB, Chizhevskaya EL, Grevtseva GY, [et al.]. Innovative technologies as a means of the development of future engineers' professional mobility abroad. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;441:012007. https://doi.org/10.1088/1757-899X/441/1/012007. (In Russ.)
14. Zaripov RF, Ishberdina ZR, Korobkov GE, Yusupov RM. Development of an integral criterion for selecting pipeline characteristics that increase its durability in Arctic conditions. Transport i khranenie neftekproduktov i ug-levodorodnogo syrya. [Transport and Storage of Petroleum Products and Hydrocarbons]. 2020;3:22-27. https://doi. org/10.24411/0131-4270-2020-10305. (In Russ.)
