CC BY
23
УДК624.139.62
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-2-39-45
ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ АКТИВНОЙ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ НА ОБЪЕКТАХ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
APPLICATION OF MEANS OF ACTIVE THERMAL STABILIZATION OF SOILS ON OBJECTS OF GAS TRANSMISSION SYSTEMS
Романов А.Ю., Абдуллин Н.В.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4713-9355, E-mail: alexey_romanov_1999@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1721-3622, E-mail: NailAbd@mail.ru
Резюме: В настоящее время значительное количество месторождений нефти и газа России расположено в криолитозоне, эффективным способом обеспечения надежности в регионах многолетнемерзлых грунтов является технология активной термостабилизации грунтов. В работе исследованы технологические параметры сезонно действующих устройств. Были выявлены характеристики термостабилизаторов, которые имеют наибольшее влияние на хладопроизводительность сезонно действующих устройств. Полученные результаты являются основой для исследования способов повышения эффективности работы термостабилизаторов.
Ключевые слова: термостабилизатор, криолитозона, хладопроизводительность, температурное поле, замороженный массив, промораживание.
Для цитирования: Абдуллин Н.В., Романов А.Ю. Применение средств активной термостабилизации грунтов на объектах газотранспортных систем // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 2. С. 39-45.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-2-39-45
Romanov Alexey YU., Abdullin Nail V.
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4713-9355, E-mail: alexey_romanov_1999@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1721-3622, E-mail: NailAbd@mail.ru
Abstract: Currently, a significant number of Russian oil and gas fields are located in the cryolithozone, an effective way to ensure reliability in the regions of permafrost soils is the technology of active thermal stabilization of soils. The paper investigates the technological parameters of seasonally operating devices. The characteristics of thermostabilizers that have the greatest impact on the cooling capacity of seasonally operating devices have been identified. The results obtained are the basis for the study of ways to improve the efficiency of thermostabilizers.
Keywords: heat stabilizer, cryolithozone, cooling capacity, temperature field, frozen array, freezing.
For citation: Romanov A.YU., Abdullin N.V. APPLICATION OF MEANS OF ACTIVE THERMAL STABILIZATION OF SOILS ON OBJECTS OF GAS TRANSMISSION SYSTEMS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2023, no. 2, pp. 39-45.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-2-39-45
Целью исследования является сравнение и выбор метода повышения эксплуатационной надежности магистральных трубопроводов в условиях многолетнемерзлых грунтов на основе применения технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов.
Исследование типов сезонно действующих охлаждающих устройств (СОУ)
Как наиболее эффективный метод инженерной защиты от потери устойчивости многолетнемерзлых грунтов (ММГ) при проектировании, строительстве, эксплуатации и ремонте магистральных трубопроводов [1] в условиях веч-номерзлых грунтов [2] нашла широкое применение технология активной термостабилизации мерзлых грунтов оснований и фундаментов [3] с применением в качестве хладагента аммиака или фреонов [4]. Такие компании, как ПАО «Газпром», ПАО «Транснефть», РАО ЕЭС, РАО РЖД многие годы успешно эксплуатируют систему активной термостабилизации грунта в регионах Сибири и Дальнего Востока.
На рис. 1 приведена классификация СОУ-термостабилизаторов. В зависимости от используемых теплоносителей (хладагентов) существует четыре типа охлаждающих устройств: газовые (воздушные), жидкостные, парожидкостные (двухфазные) и газожидкостные. По
принципам работы их делят на испарительные (двухфазные) и конвективные (газовые, жидкостные и газожидкостные).
Отечественная ретроспектива последних 40 лет создания и выпуска термостабилизаторов грунта включает в себя два этапа разработки [5]. На первом этапе научным центром ВНИИГАЗ было освоено производство и внедрено девять типов охлаждающих устройств, изготавливаемых до 1991 года, в том числе термосваи жидкостные с принудительной циркуляцией хладагента типа ВТС-1 и ВТС-2, парожидкостные термосваи и термостабилизаторы грунта ТСГ-1, ТСГ-1П, ТСГ-4 и КАН-1, а также термостабилизаторы малого диаметра 1-го поколения ТМД-1, ТСН-1 и ТСН-2. На втором этапе компанией АОЗТ «Интер Хит Пайп» было
I Рис. 1. Классификация СОУ
СОУ
Конвективные
Газовые (воздушные ) Газожидкостные Жидкостные
Испарительные
Парожидкостные (двухфазные термосифоны)
освоено производство и внедрено 15 типов охлаждающих устройств, таких как термостабилизаторы малого диаметра 2-го поколения - двухфазные термосифоны ТМД-4 и ТМД-4М, ТМД-5 и ТМД-5М, ТГС-1 и ТГС-2, а также ТСГ-6, ДОУ-1В, ДОУ-1Г и ТТМ-2Р [6].
В жидкостных конвективных СОУ в качестве жидкого теплоносителя применяется обычно керосин. Диаметр наружной трубы связан с особенностью конструкции и не может быть значительно уменьшен. Для повышения эффективности охлаждения в термосифоне используется коаксиальная конструкция, позволяющая за счет струенаправ-ляющего устройства разделить потоки жидкости, двигающиеся в разных направлениях, а также устранить возможность летней их циркуляции при резком изменении температуры воздуха.
В парожидкостых термосифонах металлическая труба частично заполнена легкокипящей жидкостью. Струенаправляющих устройств не требуется, так как жидкий теплоноситель стекает по внутренней поверхности, а газообразный поднимается по внутреннему объему трубы. Возможность летней циркуляции теплоносителя в газообразном виде автоматически прекращается, как только температура воздуха становится выше температуры фазовых переходов теплоносителя. Особенностью СОУ 2 является избыточное давление пара, что влияет на диаметр трубы.
Экспериментальные исследования и сравнительные теплотехнические расчеты температурных полей грунта при его замораживании с помощью сезонно действующих охлаждающих устройств различных типов (жидкостных однотрубных СОУ типа ТС-1 (рис. 2) диаметром 159 мм; ДТ типа ТМД-4 (рис. 3) диаметром 38 мм; ДТ типа ТМД-5 (рис. 4) с эквивалентным диаметром 54 мм), проведенные компанией «Интер Хит Пайп», показали, что хладо-производительность и радиусы замораживания грунта на конец активного и конец пассивного периода первого года работы у двухфазных термосифонов во много раз больше (рис. 5).
Кроме того, замороженный массив (грунта и воды) у ДТ имеет практически форму цилиндра, а у жидкостного ТС-1 -форму усеченного конуса с основанием меньшего диаметра в нижней его части (рис. 6).
Неравномерность промораживания и наличие конусообразного мерзлого основания может привести к усилению нормальных и касательных свойств пучения.
Проведенные компанией «Интер Хит Пайп» расчеты при разработке проектов термостабилизации грунтов по различным объектам позволяют сделать выводы о том, что применение двухфазных термостабилизаторов позволяет существенно увеличить несущую способность свай в засоленных мерзлых грунтах (до 1,5-1,7 раз для наиболее эффективных ДТ) [7]. На рис. 7 для наглядности и большей информативности представлены результаты расчетов несущей способности сваи диаметром 426 мм и длиной 10 м в массиве засоленного грунта, охлажденного различными типами СОУ [8].
Для задач активной термостабилизации грунтовых и свайных оснований объектов, сооружаемых в районах распространения ММГ, рекомендуются к применению термостабилизаторы, изготавливаемые на основе ДТ.
Моделирование СОУ в программном комплексе Frost 3D
При моделировании СОУ в программном комплексе Frost 3D были проведены исследования, показывающие влияние характеристик термостабилизатора грунта на радиус промерзания грунта при одинаковых условиях.
Изначальные характеристики термостабилизатора приведены в табл. 1.
При таких характеристиках средний радиус промерзания в супеси (рис. 8) составляет 0,68 м.
Влияние площади конденсатора (а именно размер ребер) на эффективность работы термостабилизатора
При увеличении диаметра ребер конденсатора до 94 мм, то есть увеличение площади конденсатора с 1,76 до 3,62 м2 радиус промерзания грунта (рис. 9) составляет 0,88 м.
Таким образом, при увеличении площади на 105% прирост производительности термостабилизатора составляет 25,7%.
В табл. 2 и на рис. 10 приведены радиусы промерзания грунта в зависимости от диаметра ребер конденсатора термостабилизатора.
По результатам проведенного моделирования можно сделать вывод, что размер ребер конденсатора имеет существенное влияние на эффективность термостабилизатора.
Влияние длины испарителя
При уменьшении длины испарителя с 9 до 5 м радиус промерзания в супеси составил 0,84 м (рис. 11), таким образом, хладопроизводительность термостабилизатора повышается на 24%.
При увеличении длины испарителя до 13 м радиус промерзания в супеси составил 0,59 м (рис. 12), таким образом, хладопроизводительность термостабилизатора понижается на 13%.
В табл. 3 и на рис. 13 приведены радиусы промерзания грунта в зависимости от длины испарителя термостабилизатора.
По результатам моделирования можно сделать вывод, что чем меньше длина испарителя, тем больше радиус промерзания, но минимальная глубина промерзания задается техническим заданием, а увеличение длины испарителя сверх нормы имеет отрицательный эффект.
Влияние диаметра опорной трубы
При уменьшении диаметра опорной трубы с 34 до 20 мм радиус промерзания в супеси составил 0,76 м (рис. 14), таким образом, хладопроизводительность термостабилизатора повышается на 12%.
При увеличении диаметра опорной трубы до 48 мм радиус промерзания в супеси составил 0,64 м (рис. 15), таким образом, хладопроизводительность термостабилизатора понижается на 6%.
В табл. 4 и на рис. 16 приведены радиусы промерзания грунта в зависимости от диаметра опорной трубы.
По результатам моделирования можно сделать вывод, что чем меньше диаметр опорной трубы, тем больше радиус промерзания, это обуславливается увеличением коэффициента теплообмена при уменьшении диаметра опорной трубы, однако диаметр опорной трубы ограничивается прочностными характеристиками.
Рис. 2. Жидкостный однотрубный СОУ типа ТС-1:1 - металлическая труба диаметром 159 мм; 2 -струенаправляющее устройство; 3 - свая
т
V/Л
/ /, /
-777-
Рис. 3. ДТ типа ТМД-4: [ - общая
длина термостабилизатора; 1у -длина испарителя; [к - длина оребрения
0120
Рис. 4. ДТ типа ТМД-5: [ - общая длина термостабилизатора; 1у - длина испарителя; 1з -длина огребения; [к - длина конденсатора
.г
гг
т.
Тб
А-А
100
Б-Б
3
2
Рис. 5. График максимальных радиусов промораживания грунта в зависимости от времени при использовании СОУ различных типов
2
Рис.
§ 1,8
1 1,6
* ч „
« 1,4
О
Я 1,2
о 1 >
§ 0,8
и
о.
0,6
£ 0,4 и
1 0,2
о ^
5 0
/ к
/ .— ~~ —
X / /
01 23456789 10 11 12 Месяцы
=жидкостная термосвая (d = 159 мм)
■ парожидкостный термостабилизатор из алюминиевого сплава ^ = 54 мм)
парожидкостный стальной
термостабилизатор ^ = 38 мм)
и
6. Графики радиусов промораживания суглинистого грунта в зависимости от глубины при использовании СОУ различных типов
Радиус промораживания, м 0 0,5 1 1,5 2
% 4 £
5
6
7
8
/
х /
У / * /
/ /
/1 Л
/ У
7
жидкостная термосвая ^ = 159 мм)
— парожидкостный термостабилизатор из алюминиевого сплава ^ = 54 мм)
парожидкостный стальной
термостабилизатор ^ = 38 мм)
I
Рис.
180 160 140
О 120
о
5 100
о о
О 80
7. Несущая способность сваи при использовании СОУ различных типов
20
0
Без СОУ ТСГ-1 ТМД-4 ТМД-5 ТМД-5Р Типы СОУ
Засоленость 0,45% Засоленость 0,90%
I
Таблица 1
Характеристики моделируемого термостабилизатора
Конденсатор
Диаметр, мм 34
Длина надземной части, м 1,5
Оребрение конденсатора
Тип оребрения Поперечное, круглое
Диаметр ребер, мм 70
Шаг ребер, мм 2,5
Число ребер, шт 300
Толщина ребер, мм 1
Материал ребер; теплопроводность, Вт/(м°С) Алюминий; 203,5
Испаритель
Диаметр, мм 34
Длина подземной части, м 11
Длина теплоизолированного участка, м
I
Рис. 8. Распределение температур в сечении расчетной области (исходные данные]
I
Рис. 9. Распределение температур в сечении расчетной области (диаметр ребер 94 мм]
Таблица 2
Радиусы промерзания грунта в зависимости от диаметра ребер
3 60
^ 40
2
Диаметр ребер, мм Радиус промерзания, м
46 0,34
58 0,56
70 0,68
82 0,78
94 0,88
Рис. 10. Гистограмма радиусов промерзания в зависимости от диаметра ребер конденсатора
|Рис. 11. Распределение температур в сечении расчетной области (длина испарителя 5 м]
а: от о_
1
0 , 9 0 , 8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
46 58 70 82
Диаметр ребер, мм
Рис. 12. Распределение температур в сечении расчетной области (длина испарителя 13 м]
I
Рис. 13. Гистограмма радиусов промерзания в зависимости от длины испарителя
0,9
5 0,8
I 0,7
I 0,6
п.
1 0,5
6 0,4
0,1 0
7 9 11 13
Длина испарителя, м
Таблица 3
Радиусы промерзания грунта в зависимости от длины испарителя
Длина испарителя, м Радиус промерзания, м
5 0,84
7 0,75
9 0,68
11 0,63
13
0,59
5
|Рис. 14. Распределение температур в сечении расчетной области (диаметр опорной трубы 20 мм)
|Рис. 15. Распределение температур в сечении расчетной области (диаметр опорной трубы 48 мм)
I
Рис. 16. Гистограмма радиусов промерзания в зависимости от диаметра опорной трубы
20 27 34 41
Диаметр опорной трубы, мм
48
Таблица 4
Радиусы промерзания грунта в зависимости от диаметра опорной трубы
Диаметр опорной трубы Радиус промерзания грунта
20 0,76
27 0,73
34 0,68
41 0,66
48
0,64
Выводы
1. При сравнении жидкостных однотрубных СОУ типа ТСГ-1 диаметром 159 мм; ДТ типа ТМД-4 диаметром 38 мм и ДТ типа ТМД-5 с эквивалентным диаметром 54 мм график максимальных радиусов промораживания грунта в зависимости от времени показал, что ДТ типа ТМД-5 эффективнее, чем ТСГ-1 и ДТ типа ТМД-4 на 46 и 16% соответственно.
2. Графики радиусов промораживания суглинистого грунта в зависимости от глубины показали, что в среднем ДТ типа ТМД-5 эффективнее, чем ТСГ-1 и ДТ типа ТМД-4 на 57 и 33% соответственно.
3. Расчет несущей способности сваи при засоленности 0,45% показал, что использование ТМД-5Р эффективнее, чем без использования СОУ на 33%, ТСГ-1 - на 21%,
ТМД-4 - на 16%, ТМД-5 - на 8%, а при засоленности 0,9% -на 41, 30, 22 и 15% соответственно.
4. Размер ребер конденсатора имеет существенное влияние на эффективность термостабилизатора (увеличение производительности вплоть до 26%).
5. Увеличение длины испарителя сверх необходимого имеет отрицательный эффект.
6. Уменьшение диаметра опорной трубы повышает эффективность термостабилизатора, однако присутствуют прочностные и технологические ограничения.
7. Исходя из вышеперечисленных результатов исследований и моделирования можно сделать вывод, что существенное влияние на хладопроизводительность термостабилизатора имеют тип СОУ, а также размер его конденсатора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мустафин Ф.М., Быков Л.И. Технология сооружения газонефтепроводов: учеб. пособие. Уфа: Нефтегазовое дело, 2007. 600 с.
2. Быков Л.И. Строительство трубопроводов в особых природных условиях: учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. 179 с.
3. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах
4. ГОСТ ISO 817-2014 Хладагенты. Свойства хладагентов.
5. Баясан P.M., Велиюлин И.И., Тимофеев А.Л., Житов А.Н. Проблема диагностики технического состояния объектов газотранспортных систем в криолитозоне // Мат. 3-й конф. геокриологов России. Т. 4. М.: Изд-во МГУ, 2005. С. 266-270.
6. Баясан P.M., Голубин С.И., Лобанов А.Д., Баясан Т.В. Сравнительная оценка эффективности работы двухфазных термосифонов для термостабилизации грунтов в криолитозоне // Инженерные изыскания. 2012. № 8. С. 45-48.
7. Трофимов В.Т., Баду Ю.Б., Васильчук Ю.К. и др. Экзогеодинамика Западно-Сибирской плиты (пространственно-временные закономерности). М.: Изд-во МГУ, 1986. 246 с.
8. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты.
REFERENCES
1. Mustafin F.M., Bykov L.I. Tekhnologiya sooruzheniya gazonefteprovodov [Technology of construction of oil and gas pipelines]. Ufa, Neftegazovoye delo Publ., 2007. 600 p.
2. Bykov L.I. Stroitel'stvo truboprovodov v osobykh prirodnykh usloviyakh [Construction of pipelines in special natural conditions]. Ufa, UGNTU Publ., 2020. 179 p.
3. SP25.13330.2012 Osnovaniya i fundamenty na vechnomerzlykh gruntakh [SP 25.13330.2012 Bases and foundations on permafrost soils].
4. GOSTISO 817-2014 Khladagenty. Svoystva khladagentov [State Standard ISO 817-2014. Refrigerants. Designation system].
5. Bayasan P.M., Veliyulin I.I., Timofeyev A.L., Zhitov A.N. Problema diagnostiki tekhnicheskogo sostoyaniya ob"yektov gazotransportnykh sistem v kriolitozone [The problem of diagnosing the technical condition of objects of gas transmission systems in the permafrost]. Trudy Tret'yey konf. geokriologov Rossii [Proc. of the third conf. of geocryologists of Russia]. Moscow, 2005, pp. 266-270.
6. Bayasan P.M., Golubin S.I., Lobanov A.D., Bayasan T.V. Comparative evaluation of the efficiency of two-phase thermosyphons for thermal stabilization of soils in the permafrost. Inzhenernyye izyskaniya, 2012, no. 8, pp. 45-48. (In Russian).
7. Trofimov V.T., Badu YU.B., Vasil'chuk YU.K. EkzogeodinamikaZapadno-Sibirskoyplity(prostranstvenno-vremennyye zakonomernosti) [Exogeodynamics of the West Siberian Plate (spatio-temporal patterns)]. Moscow, MGU Publ., 1986. 246 p.
8. SP 24.13330.2011 Svaynyye fundamenty [SP 24.13330.2011 Pile foundations].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Романов Алексей Юрьевич, студент факультета трубопроводного транспорта, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Абдуллин Наил Винерович, к.т.н., доцент кафедры проектирования и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Alexey YU. Romanov, Student, Faculty of Pipeline Transport, Ufa State Petroleum Technological University.
Nail V. Abdullin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Design and Construction of Oil and Gas Industry Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
