Расчет глубины оттаивания и промерзания в основании подземных и наземных магистральных трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах

 

Прокладка трубопроводов в районах многолетнемерзлых грунтов может выполняться подземным (преимущественно в траншеях), наземным (по поверхности земли с обваловыванием или без) или надземным (на опорах) способами.

При проектировании оснований и фундаментов магистральных трубопроводов следует учитывать:

- магистральные трубопроводы, в соответствии с ГОСТ 27751, имеют I уровень ответственности;

- транспортируемый по трубопроводу продукт может иметь как положительную, так и отрицательную температуру, что существенно влияет на тепловое и механическое взаимодействие трубопровода и мерзлых грунтов;

- в качестве оснований магистральных трубопроводов не рекомендуется рассматривать участки с подземными льдами, наледями и буграми пучения, проявлениями термокарста, термоэрозии, солифлюкции, морозобойного растрескивания;

- опасность прямого теплового и гидравлического воздействий транспортируемых нефти и нефтепродуктов на мерзлые грунты при авариях на магистральных трубопроводах.

При проектировании оснований и фундаментов трубопроводов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов следует выполнять следующие расчеты:

- расчет остывания транспортируемого по трубопроводу продукта с целью установления температуры по длине трубопровода, а также выявления его горячих, теплых и холодных участков;

- расчет глубины оттаивания и промерзания грунта в основании подземных и наземных трубопроводов;

- расчеты по I и II группам предельных состояний с учетом процессов, происходящих в окружающем массиве грунта в результате устройства трубопровода (просадка и термокарст при оттаивании, пучение при промораживании).

Глубину многолетнего оттаивания многолетнемерзлых грунтов (далее ММГ) под центром горячих и теплых подземных трубопроводов (см. расчетную схему на рис. М.1а) следует рассчитывать по формуле (М.1).

(М.1)

где Hth - глубина многолетнего оттаивания, отсчитываемая от дневной поверхности, м; - радиус до внешней образующей изоляции трубы; , - безразмерные глубины оттаивания под центром трубы, определяемые по номограммам на рис. М.2 и М.3 в зависимости от безразмерных параметров m, It, .

, (М.2)

 

, (М.3)

 

, (М.4)

 

где hр- глубина заложения подземного трубопровода, считая от дневной поверхности до центра трубы;

λf - коэффициенты теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м °С);

λth - коэффициенты теплопроводности талого грунта, Вт/(м °С);

Tins - средняя годовая температура внешней поверхности кольцевой изоляции трубы, °С, определяется по формуле (М.5);

Т0 - температура ММГ, °С;

Tbf - температура начала промерзания-оттаивания грунта, °С;

t - расчетное время, ч;

Lv - удельные затраты тепла на оттаивание грунта, Вт ч/м3, определяются по формуле (М.7);

Itе - эквивалентное безразмерное время, для ММГ сливающегося типа принимается равным нулю, несливающегося типа - определяется по номограмме на рис. М.2 при xt=H0/rins и βT = 0,0 (H0 - глубина залегания кровли ММГ, м). Для ММГ несливающегося типа безразмерная температура принимается βt = 0,0.

 

 

 

 

 

(М.5)

 

(М.6)

 

где Tpr - среднегодовая температура продукта, °С; .

 

, (М.7)

 

где L0 – удельная теплота фазовых превращений воды, L0 = 93 (Вт ч)/кг;

– плотность мерзлого грунта, кг/м3; wtot – суммарная влажность мерзлого грунта;

ww – количество незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре T0, Cth,

Cth,Cf – объемная теплоемкость талого и мерзлого грунта, Вт ч/м3 °С.

М.2 Глубина многолетнего промерзания грунта под центром холодного трубопровода, расположенного на участке с ММГ не сливающегося типа Hf принимается равной Hth и рассчитывается по формулам (М.1), (М.3), (М.5), (М.6), (М.7) и номограмме (рис. М.2) при βt = 0,0. При этом в формуле (М.3) в качестве Tins следует принять абсолютное значение температуры и Ite = 0,0, а в формуле (М.7) - Сth = Сf = 0,0 и ww = 0,0.

Если в результате расчета глубина промерзания Hf окажется больше глубины залегания кровли ММГ, то следует принять Hf = H0.

М.3 Глубину многолетнего оттаивания ММГ под центром горячего и теплого наземных трубопроводов Hth, расположенных на участках с ММГ сливающегося типа, следует рассчитывать по формуле (см. расчетную схему на рис. Н.1б):

 

, (М.8)

 

где - безразмерный параметр, определяемый по номограмме (рис. М.4а) в зависимости от диаметра трубы dp = 2rp;

- безразмерный параметр, определяемый по номограмме (рис. М.4б) в зависимости от ширины bins и толщины δins плоского теплоизолятора, м;

- поправочный коэффициент, учитывающий отток тепла в мерзлую зону; Lv,H - удельные затраты тепла на оттаивание грунта, определяются по формуле (М.9), Вт ч/м3;

S3 - эквивалентный слой, определяется по формуле (Н.10), м.

 

, (М.9)

(М.10)

Для уменьшения зоны оттаивания мерзлого грунта следует применять автоматически действующие охлаждающие установки (с жидкостным или парожидкостным хладоносителем) и теплоизолирующие экраны. Теплоизоляционные экраны для наземной прокладки следует выполнять плоскими, для подземной – цилиндрическими.