ОАО Фундаментпроект
в началонаписать письмопоискпоиск
[Публикации]

Некоторые особенности теплового влияния внутрипромысловых газопроводов подземной и наземной прокладки на многолетнемерзлые грунты в условиях Заполярного ГНКМ

Кутвицкая Н.Б.*, Дмитриева С.П.*, Рязанов А.В.*, Магомедгаджиева М.А.*, Кауркин В.Д.*, Минигулов Р.М.**, Корытников Р.В.**

* ФГУП “Фундаментпроект”
** НГДУ ЗГНКМ ООО “Ямбурггаздобыча”

Транспортировка добываемого газа от кустовых площадок Заполярного ГНКМ до установки комплексной подготовки газа (УКПГ) осуществляется по трубопроводам подземной прокладки, диаметром 325 и 426 мм. Так как температура транспортируемого газа положительная (+10 ÷ +15 °С), при взаимодействии газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) происходит их оттаивание и осадка трубопроводов. Это ведет к деформированию трубопроводов и возрастает риск возникновения аварийных ситуаций.

К наиболее аварийноопасным относятся участки газопроводов на подходе к зданиям переключающей арматуры (ЗПА) УКПГ (Зона “В”), где газопроводы переходят из подземной в надземную прокладку.

Первой в эксплуатацию на Заполярном ГНКМ в 2002 г были введены объекты УКПГ-1С и уже через три года в зоне “В” стал наблюдаться подъем трубопроводов в виде арок над ростверками надземных опор.

По данным инженерно-геологических изысканий 1995-1997 гг. площадка УКПГ-1С и прилегающая к ней территория со стороны подхода газопроводов шлейфов к ЗПА преимущественно сложена многолетнемерзлыми грунтами сливающегося типа. Грунты слоя сезонного оттаивания-промерзания представлены бурыми, мягкопластичными, сильнопучинистыми суглинками (W=0,30, JL=0,75). Глубина сезонного оттаивания изменяется от 0,6 до 1,5 м. Ниже по разрезу залегают льдистые и сильно льдистые мерзлые суглинки со слоистой и сетчатой криотекстурой. Среднегодовая температура ММГ изменяется от -0,5÷-0,6 до -0,9÷-1,1°С.

Как показали результаты маркшейдерской съемки МГС ООО «Ямбурггаздобыча» выполненной в 2004-2005 гг подъем труб над ростверками надземных опор составил:

по ЗПА-1 до 130 мм, по замерам на 06.08.04 г., по ЗПА-2 до 520 мм по замерам на 13.10.04 г.

Максимальные деформации подъема труб наблюдаются на надземных опорах среднего ряда. Очевидно, что такой подъем вызван осадками труб в подземной части газопроводов, при этом подземная свайная опора играет роль опоры рычага (фото 1).

Подъем газопроводов над опорами на входе в ЗПА-1 и ЗПА-2
Фото 1. Подъем газопроводов над опорами на входе в ЗПА-1 и ЗПА-2

При вскрытии подземных свайных опор было установлено, что их осадка составляет 120- 150 мм, относительно проектного положения. Такая осадка обусловлена оттаиванием по периметру и под нижним торцом свай под влиянием теплопередачи от труб газопроводов. Замеры глубин оттаивания на этих участках подтвердили, что под трубопроводами сформировалась обширная зона оттаивания грунтов с погружением кровли ММГ относительно начального положения на 2- 3 м. Замеры температур в термометрических скважинах показали повышение среднегодовых температур грунтов на 0,5-1°С.

Для оценки теплового взаимодействия подземных газопроводов шлейфов с вечномерзлыми грунтами основания при подходе к ЗПА были проведены численные теплотехнические расчеты по специальным программам математического моделирования, разработанным в ФГУП "Фундаментпроект". Расчеты выполнялись в соответствии с мерзлотно-грунтовыми условиями площадки. Физико-механические и теплотехнические характеристики, а также начальные температуры грунтов задавались по данным инженерно-геологических изысканий выполненных ГПИИ "Фундаментпроект" в 1995 г, климатические параметры – по данным метеостанции г. Уренгой.

Граничные условия задавались следующими:

  • расчетная температура в трубах – плюс 15,0 ºС;
  • на верхней границе (на поверхности грунта) – температура наружного воздуха, коэффициент теплообмена и термическое сопротивление снежного покрова;
  • на нижней границе – температура грунта на глубине 31 м;
  • на боковых границах – горизонтальный теплопоток равный нулю.

В качестве мероприятий по термостабилизации грунтов основания рассматривалась укладка теплозащитного экрана под нижней образующей трубы и вокруг нее.

Результаты расчета воздействия подземных газопроводов шлейфов на вечномерзлые грунты основания показали, что глубина оттаивания под нижней образующей трубы за первый год эксплуатации составляет 1,9 м (рис. 1) или 3,4 м от поверхности грунта. К четвертому году под нижней образующей трубы глубина оттаивания достигает 3,5 м (рис.2)

При таком оттаивании под трубопроводом развиваются недопустимые деформации основания. Расчетные осадки (при нахождении газопровода на проектных отметках) за первый год эксплуатации в зависимости от льдистости грунтов могут достигать 0,26 м, за два года – 0,32 м, за четыре – 0,47м.

Глубина оттаивания во времени при эксплуатации “теплого”трубопровода
Рис.1 Глубина оттаивания во времени при эксплуатации “теплого”трубопровода

Оттаивание вечномерзлых грунтов происходит и в боковом направлении (рис. 2). К настоящему времени ореолы оттаивания вокруг труб слились, что было подтверждено результатами сейсмоакустического профилирования (рис. 3).

Фрагмент расчетного температурного поля в поперечном сечении газопроводов на октябрь 4-го года эксплуатации
Рис.2 Фрагмент расчетного температурного поля в поперечном сечении газопроводов на октябрь 4-го года эксплуатации.

Сейсмоакустический разрез в поперечном к шлейфам газопроводов направлении (шлейфы газопроводов на разрезе условно показаны в виде прямоугольников, закрашенных серым цветом)
Рис. 3 Сейсмоакустический разрез в поперечном к шлейфам газопроводов направлении (шлейфы газопроводов на разрезе условно показаны в виде прямоугольников, закрашенных серым цветом)

Использование кольцевого теплозащитного экрана вокруг трубы, имеющего термическое сопротивление теплопередаче 1,94 Вт/м2 ºС (один слой толщиной 0,06 м) уменьшает глубину оттаивания на 1,0 м (рис. 1). Увеличение толщины теплозащитного экрана до 0,08 м (Rиз=2,67 Вт/м2 ºС) уменьшает глубину оттаивания на 1,3 м. Из графиков на рис. 1 видно, что дальнейшее увеличение толщины теплозащитного экрана нецелесообразно, так как глубина оттаивания практически не уменьшается.

Эффективным является устройство кольцевого теплозащитного экрана с термическим сопротивлением теплопередаче 2,67 Вт/м2 ºС в период строительства (рис. 1, график Rиз*=2,67). В этом случае глубина оттаивания под трубопроводом через год эксплуатации составляет 0,4 м. При этом осадка составляет всего 0,07 м. За два года эксплуатации газопроводов шлейфов глубина оттаивания достигает 0,7 м, осадка – 0,12 м. Дальнейшая эксплуатация приводит к постепенному увеличению глубины оттаивания до 2,1 м за семь лет. Осадка при этом достигает 0,29 м. В последующие годы эксплуатации газопроводов значение глубины оттаивания под трубопроводом остается стационарным, если труба закреплена в проектном положении.

Выводы

  1. Эксплуатация “теплых” внутрипромысловых газопроводов ведет к оттаиванию вмещающих многолетнемерзлых грунтов и осадки труб газопроводов шлейфов, что обусловливает необходимость разработки на стадии проектирования инженерных мероприятий, обеспечивающих устойчивость газопроводов подземной прокладки и сохранения их проектного положения во время эксплуатации.
  2. Существует оптимальная толщина теплоизоляции газопровода, превышение которой не рационально: увеличение затрат на теплоизоляцию не соответствует приросту эффективности. В условиях Заполярного ГНКМ для газопроводов шлейфов оптимальная толщина теплоизоляции (экструдированный пенополистирол) составляет 8 см.
  3. Как показало обследование газопроводов, результаты прогнозных теплотехнических расчетов с большой точностью совпадают с фактическим состоянием грунтов в основании газопроводов. Таким образом, разработанная в ФГУП “Фундаментпроект” методика теплотехнических расчетов может быть рекомендована для использования на стадии проектирования газопроводов.
Design by 
© «Фундаментпроект», 2005—2013
Наш адрес:
125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.1, стр.1
Е-mail: fund@fundamentproekt.ru
Телефон: (499) 158 0481; факс: (499) 158 3078
Как к нам проехать, можно посмотреть на схеме проезда