МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ    ^гАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Всесоюзный научно-нсспедо&атепьский институт по строительству магистральных трубопроводов

-ВНИИСТ-

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ДИНАМИКИ ТЕПЛОВОГО И .МЕХАНИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРОМЕРЗАЮЩИМИ И ПРОТАИВАЮЩИМИ ГРУНТАМИ

Р «09-86

Москва 1987

УДК 621.643.002,2:624.13(083.96)

В Рекомендациях изложена методика прогнозирования динамики теплового и механического взаимодеист -вин трубопроводов с промерзающими и протаивающими грунтами, по которой определяют движения фронтов промерзания и оттаивания вокруг трубы и перемещения изотермического сечения трубопровода в вертикальной плоскости в результате воздействия на него как процессов пучения грунтов, так и термокарстовых процессов. Приводятся алгоритм и программа расчета на ЭВМ серии ЕС теплового и механического взаимодействия трубопроводов с окружающей средой для различных конструктивных систем прокладок (подземной, наземной открытой, наземной закрытой) как для теплоизолированных трубопрово -дов, так и для трубопроводов без теплоизоляции.

Рекомендации разработаны сотрудниками отдела трубопроводов, сооружаемых в особых условиях (00У ВНИИСТа), кандидатами технических наук В.Б.Спиридоновым, А.С. Гехманом, А.Д.Перельмитером, А.С.Цуриковьш, Л.Г.Фига-ровым, директором ВНПГ.Игаздобыча А.В.Буераковым, начальником БД ВНППйгаздобыча Ю.А.Кривогузовым, руководителем группы ВЦ Вгшшгаздобыча В.В.Доваковской.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических .'аботников проектных и строительных организаций, осуществляющих сооружение магистральных трубопроводов.

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов (ВНИлСТ), 1987

!

ITS Целый Параметр, указывающий тип

процесса формирования в грунте фазового фронта вверх с поверхности трубопровода:

ITB-I - образование;

ITB-2 - разрушение;

ITB-3 - отсутствие

TF Вещеет-Сред немесячная температура венный поверхности грунта

^м ЕОВ(Ы) Тоже Формирование фазового фронта

сезонных образований с дневной поверхности вне зоны влияния трубопровода, рассчитывается по данной Рекомендации

EPB(n) " Формирование фазового фронта сезонных разрушений с дневной поверхности вне зоны влияния трубопровода, рассчитывается по данной Рекомендации

ХН2    ¹¹    Обобщенная переменная формиро

вания нижнего фазового фронта сезонных разрушений вне зоны влияния трубопровода

#трр - ЕВ « Обобщенная переменная, принимающая значение ЕОВ (N ) или EFB (ЛО

YQ(N)    "    Формирование фазового фронта

сезонных образований с дневной поверхности над трубопроводом, рассчитывается по данной Рекомендации

\_5_

и    У'Р(Ы) Вещест- Формирование фазового фронта

венный _{сезонньк} разрушений с дневной поверхности над трубопроводом, рассчитывается по данной Реко-мендадии

Обобщенная переменная, принимающая значение УО (/V) или УР (А/)

Число фронтов под трубопроводом

Параметр, указывающий тип процесса формирования в грунте фазового фронта в основании тру -бопровода:

JAKT=0 - отсутствие фронтов; JAKT=I - образование сезонных ореолов;

JAKT=2 - разрушение сезонных ореолов;

JAKT=3 - образование многолетних ореолов

Счетчик циклов промерзания -оттаивания грунта вокруг трубопровода по годам

Указатель знака t_2p :

I6R* I, если tgpZO;

IGR = -I, если iгр < О

Указатель знака i(N) :

TTN = I, если t(N)^O)

ITN = -I, если t(N)<Q>

15

!    3    1    »    1_5_

ITP Целый Указатель знака t_n(А/) :

ITP=I, если i_n(N)^0}

ITP=-I_f если i_n(N)<0.

N To же Переменная цикла по текущим месяцам года

RO(N) Вещест- Формирование фазового фронта венный _{сезонных} образований вверх с поверхности трубопровода (отсчет от верхней образующей трубопровода)! определяется по данной Рекомендации

Формирование фагового фронта сезонных разрушений вверх с поверхности трубопровода (отсчет от верхней образующей трубопровода), определяется по данной Рекомендации

Обобщенная переменная, принимающая значение RO (/V ) или RP{ N )

Обобщенная переменная, принимают я значения ROS (И), ROP(N), ШИШ). ROM (И) Формирование фазового фронта

сезонных образований в основании трубопровода (отсчет от нижней образующей трубопровода), определяется по данной Рекомендации

Формирование фазового фронта сезонных разрушений с поверхности трубопровода в его ос -новации (отсчет от швней об-

I 1    2 13    14    1 5 Pm,»    M ROPH(N) Вещест- г?азР    ' венный Ры/Л м    ROM(N) То же Рпр    и RMS(N)    и Кса9 -    HPR(N) " h<ny4 м    HPU(N) « ±яа 0,86* QA Бт/м

разущей трубопровода), опреде-ляется по данной Рекомендации Формирование фазового фронта разрушения за счет геотермичес-кого градиента в основании трубопровода (отсчет от нижней образующей трубопровода), определяется по данной Рекомендации Формирование фазового фронта многолетних образований^ основании трубопровода (отсчет от нижней образующей трубопровода), определяется по данной Рекомендации Формирование фазового фронта многолетних образований в основании трубопровода с учетом собственных перемещений трубы в результате процессов пучения или термокарстовых процессов, определяется по данной Рекомендации Величина просадки трубопровода, определяется по данной Рекомендации Величина выпучивания трубопровода, определяется поданной Рекомендации Среднемесячные теплопотоки с одного погонного метра трубопровода в окружающую среду при отсутствии фазовых превращений влаги в грунте 17

---

I ! г ! 3 Е МПа Модуль деформации талых грунтов. Определяется по СКиП 2.02.03-85 (таблЛ и табл.З приложения Z) [53 %р град Угол внутреннего трения талого грунта* Задается по данным изысканий С МПа Удельное сцепление* Задается по данным изысканий ь Мн/м Вес трубопровода с продуктом. Рассчитывается в соответствии со СНиП 2.05.06-85 [I] Кем Л МПа_ град Коэффициенты, определяющие прочность * смерзания мерзлого грунта с поверхностью 6 МПа трубопровода в зависимости от температуры. Задаются. МПа Липкость грунта. Задается ^ 8/? Ьрт МПа Длительная прочность талого грунта на разрыв. Задается. ?п МПа Относительные нормальные силы пучения. Задаются К Мн/м8 Значение нормального давления морозного пучения, создаваемого I м промороженного слоя грунта. Задается пг кн Коэффициент пропорциональности при определении коэффициента постели талого грунта. Задается в соответствии со СНиП П-17-77 [9 ] Кр - Коэффициент морозного пучения. Определяется экспериментально по методике [ю] ч - Коэффициент просадочности. Определяется

экспериментально

19

112    !_I

О с* п *рм МПа Расчетные давления (сжатия) на мерэлые грунты. Задаются в соответствии со СЩ1 П-18-76 (табл.2, приложение 6) [з] II Глубина залегания вечномерзлых грунтов. Задаются в проекте м Глубина промерзания (текущая) грунта с поверхности. Рассчитывается по данной Реко -мендации и Глубина деятельного слоя. Рассчитывается по данной Рексмендации . м м Диаметр намерзшего слоя грунта на трубопровод. Рассчитывается по данной Рекомендации kn м Расстояние от нужней образующей трубопровода, расположенного в талом грунте, до верхней границы вечномералого грунта а м2 мн Коэффициент сжимаемости талых грунтов ^min °с Среднемесячная температура поверхности грунта самого холодного месяца t.-t тш f $H+l5%-3t ' у min ™ где tg - среднемесячная температура воздуха наиболее холодного месяца. Остальные параметры, входящие в формулу, даны в табл.1 Р, МПа Полное давление трубопровода на грунт основания с учетом всех факторов о. Ыя/м8 Коэффициент постели талого грунта. Рассчитывается по данной Рекомендации

Р 609-86 Министерство строительства предприятий нефтяной и газовой промышленности, Министерство газовой промышленности

; Рекомендации    ; Впервые ,по прогнозированию динамики ~ •теплового и механического {взаимодействия трубопрово -;дов с промерзающими и про - ; { таивающими грунтами J__

---

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие Рекомендации разработаны в развитие глав СНиП 2.05.06-85 "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования" [l ] , "Временных указаний по проектированию, строительству и эксплуатации объектов газовой и нефтяной промышленности в условиях вечной мерзлоты" (? 215-76^ [ Л ] и СНиП Г.-18-76 (часть П) "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.Нормы проектирования" [3 J .

Рекомендации распространяйтен на трубопроводы, эксплуатирующиеся в нестационарном установившемся режиме. Настоящие Рекомендации не позволяют рассчитывать переходные процессы, имеющие ыесто в первые часы с момента пуска трубопроводной системы.

1.2.    Проектирование трубопроводов (выбор конструкций, материалов, технологии строительства и эксплуатации) в районах распространения вечномерзлых грунтов следует осуществлять на основании выбора таких оптимальных решений, которые удовлетворяли бы температурным и деформативным ограниченьям труцяпро -водных систем, определяемым с помощью настоящего руководства, а также в соответствии с требованиями, д...:одснными в следую -щих нормативных документах: СНиП П-6-74 [ч] , СлиП 2.u2.С1-83

[5], СНиП 2.05.06-85 [i], С.-'иП Г.-18-76 [2] . ^{1 2}

I !    2

c_u    Мн/м⁸    Коэффициент постели мерзлого грунта. Рас

считывается по данной Рекомендации

Т    ч    Время промерзания грунта

Формирование фронта сезоннооттаивающего мерзлого грунта шшл трубой. В расчете теплового взаимодействия трубопроводов с грунтом этот параметр обозначен через J^**^fis* .

Формирование фронта многолетнего оттаивания мерзлого грунта в основании трубопровода

2. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ТЕПЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРУБОПРОВОДА С ПРОМЕРЗАЮЩИМИ И ПРОТАИВАЮЩИМИ ГРУНТАМИ

2.1.    Расчет теплового взаимодействия трубопроводов с промерзающими и протаивающими грунтами осуществляют на основе приближенного решения задачи Стефана в классической постановке, когда предполагается наличие четких изотермических границ раздела фаз между талыми и мерзлыми зонами грунтов. Математически задача формулируется в виде системы дифференциальных уравнений теплопроводности, решаемых для талой и мерзлой зон грунта со следующими граничными условиями:

2.1.1.    Условиями теплового баланса Стефана на подвижных границах раздела фаз талой и мерзлой зон грунта.

2.1.2.    Граничными условиями 4-го рода на контакте неподвижных границ раздела различных слоев теплоизоляции трубопровода.

2.1.3.    Граничными условиями первого рода на контуре трубы и на внешней границе рассматриваемой области грунта, где тепловое воздействие трубопровода на естественное температур-

21

1.3.    Настоящие Рекомендации позволяют определять перемещения и нагрузки, действующие на трубопровод вследствие процессов пучения и осадки грунтов, и рассчитывать динамику фронтов промерзания и оттаивания вокруг трубопровода, Армирующихся как о дневной поверхности грунта, так и с поверхности трубопровода.

1.4.    Методика прогнозирования динамики теплового и механического взаимодействия трубопроводов с .ромерзаюцими и протаивающими грунтами, предложенная в не: тэадих Рекомендациях, позволит выбрать оптимальные конструктивные сиотемы прокладки и технологические режимы их зкеплуатации, обеспечивающие надежность их функционирования и сохранение природной среды.

1.5.    Основные условные обозначения в тексте Рекомендаций и в программе PIPES приводятся в табл.1.

Таблица I

Символы Вдини-|Иденти- Тип : алгорит-|Цы из- фика - j иа ;мере - тор про- , ния граммы г................................ ! Исходные и расчетные ! данные ! I ! 2 1 3 ! 4 1 1 S ATL(ld) - ATI Сим воль ный Название объекта, для которого производится расчет JT - JT Целый Число лет зкеплуатации трубопровода KB - KB To же Код, указывающий вид прок-

ладки: I -надземный ; 2 - наземная в насыпи; 3 - наземная от -крытая; 4 - подземная; э -подводная

I ! 2    !    3    14! 5

L - L Целый Параметр начального состояния грунта над трубопроводом: -I - мерзлый; I - талый *о u BO Вещее т- Внутренний диаметр трубопро -венный веда К N HI То хе Расстояние от поверхности грунта до оси трубопровода (НТ > 0, если ось трубопровода выше поверхности грунта; НТ < 0, если ось трубопровода ниже поверхности грунта) hH 11 HN II Высота насыпи L M BIl II Толщина теплоизоляции трубопровода или толщина плоского теплоизоляционного вкрака °C TF II Температура начала замерзания веди в трупе К °G TSR 11 Среднегодовая температура грунта *r - AT И Альбедо трубопровода Лиз _ 0.86* Z7f UJ Bf/м.град и Хоеффидиент теплопроводности изоляции трубопровода ~oepx Ят n LTB п Коэффициент теплопроводности талого грунта над трубопроводом (определяется по СНиП П-18-76 или по Руководствам ВНИИСТа (Р 409-80), (Р 486-83) [3, 6, 7].

Продолжение табл. I I ! 2 ! 3 ! 4 ! 5 8epx c Hr 3,6-KK АТВ Вещест-ir/c венный -    суммарная весовая влажность, дол.ед., определяется лабораторным методом в естественных условиях, или рассчитывается по СНиП П-18-76; WHir количество незамерзающей воды в грунте, дол.ед., определяется лабораторным методам в естественных условиях и рассчитывается по СНиП П-18-76 по формуле где -    коэффициент, определяется по табл.1 в зависимости от числа пластичности 1р и температуры грунта; Wp- влажность грунта на границе раскатывания в долях единицы Коэффициент температуропроводности* талых пород над трубопроводом, рассчитывается по формуле а - т вт где Ст - теплоемкость талого грунта, определяется по формуле

7

1

Утверждены Ва^шСТом    ;Срок введении в

2

декабря 1986 г, j действие

j I мая 1987 г.

3