Frost 3D Universal

При эксплуатации подземных нефтепроводов, проложенных в криолитозоне, главную опасность представляет формирование вокруг них ореолов оттаивания грунта. Крупные включения подземного льда при оттаивании дают термокарстовые провалы и просадку грунта.

Эксплуатация нефтепроводов на Крайнем Севере

Без необходимых инженерных мероприятий это приводит к повреждению трубопровода и разливу нефтепродуктов. Ореол оттаивания, растущий в латеральном направлении, может быть также опасен и для объектов, находящихся рядом с трубопроводом: ЛЭП, притрассовые дороги и т.д.

Моделирование и расчет тепловых процессов в грунтах

Наилучшим способом оценки надежности инженерных мероприятий является компьютерное моделирование. При этом, для обеспечения высокой точности расчетов теплового взаимодействия нефтепровода и многолетнемерзлого грунта (ММГ) необходимо учесть ряд критичных для нефтепровода факторов:

 

  • реальная геометрия моделируемых объектов
  • неоднородное геолого-литологическое строение грунта с повторно-жильными льдами (ПЖЛ)
  • изменение теплофизических свойств грунтов в результате фазовых превращений
  • скорость оттаивания и промерзания
  • изменение метеорологических условий во времени
  • наличие теплоизоляционных материалов
  • толщина и тип теплоизоляции трубы
  • температура и скорость прокачиваемой по трубе нефти
  • конструктивные особенности траншеи, в которой размещен нефтепровод

 

В отличие от существующих на рынке программных средств, Frost 3D Universal от компании Simmakers позволяет прогнозировать ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода с учетом всех вышеперечисленных параметров.

 

Применение Frost 3D Universal для расчета трубопровода ЗАО «Тюменьнефтегазпроект»

Frost 3D Universal полностью отвечает запросам современных пользователей по таким показателям выполнения теплотехнических расчетов, как точность, скорость и презентабельность результатов.

Расчет теплового взаимодействия нефтепровода и ММГ в программе Frost 3D Universal

Постановка задачи

Рассчитать развитие ореола оттаивания при тепловом взаимодействии нефтепровода и ПЖЛ для участка трассы магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий Океан» (МН ВСТО-1) в течение 2-ух лет с сентября 2011 г.

Участок нефтепровода ВСТО-1. В пределах рассматриваемого участка присутствуют многолетнемерзлые породы со средней температурой –1.1oС. В них содержатся залежи подземных льдов мощностью до 4 м.

Цель

Определить геокриологическую опасность, численно выраженную величиной ореола оттаивания для подземного нефтепровода, залегающего в грунтах с ПЖЛ.

Новизна

Впервые численно в трехмерной постановке оценен ореол оттаивания вокруг нефтепровода, залегающего в грунтах с повторно-жильными льдами, с учетом многих факторов одновременно: изменяющихся во времени метеорологических условий, скорости и температуры прокачиваемой нефти, толщины и типа теплоизоляции трубы, конструктивных особенностей траншеи, в которой размещен нефтепровод.

Используемая математическая модель и численный метод

Для решения задачи было использовано нелинейное уравнение теплопроводности. Более подробно о решении уравнения можно узнать в разделе «Компьютерное моделирование искусственного замораживания грунтов».

Численное моделирование ореола оттаивания

Расчет был выполнен для следующей конфигурации: трубопровод проходит вдоль решетки ПЖЛ.

Конфигурация расположения нефтепровода и решетки ПЖЛ

Конфигурация взаимного расположения нефтепровода и решетки ПЖЛ

Учитывались следующие геометрические параметры:

  • Линейные размеры области моделирования: 25×25 м в горизонтальной плоскости и 15 м в глубину.
  • Глубина залегания льдов: 0.7 м, мощность: 4.3 м.
  • Толщина стенки трубы: 10 мм.
  • Толщина теплоизоляции трубопровода: 70 мм.

Дискретизация области моделирования производилась на гексаэдрическую расчетную сетку, состоящую из 2 905 980 узлов.

Теплофизические характеристики инженерно-геологических элементов (ИГЭ) вокруг траншеи с нефтепроводом были заданы согласно таблице ниже:

Номер ИГЭ

Грунт

Мощность слоя, м

Коэффициент теплопроводности талого и мерзлого грунта λTM , Вт/(м∙К)

Объемная теплоемкость талого и мерзлого грунта СТМ , кДж/(м3∙К)

Объемная влажность грунта, м33

1 Торф

0.7

0.5 / 2

3600 / 1300

0.33

2 Торф преимущественно среднеразложившийся, пластичномерзлый, льдистый. Содержит ПЖЛ

4.3

0.5 / 2

3600 / 1300

0.33

3 Супесчано-суглинистый грунт, льдистый

2.2

1.45 / 2.3

2867 / 2030

0.57

4 Супесчано-суглинистый грунт с повышенным содержанием льда

7.8

1.25 / 2.3

3160 / 205

0.42

Для повторно-жильных льдов задавалась теплоемкость, равная 1860 кДж/(м3∙К), а теплопроводность — 2.25 Вт/(м∙К).

Предполагалось, что нефть перекачивается по трубе при температуре +8oС, а средняя скорость ее прокачки составляет 30 тонн в год.

Результаты моделирования

По расчетам за 2 года установлено, что максимальное оттаивание грунта вокруг нефтепровода формируется в направлениях, в которых отсутствует теплоизолятор, и не превышает 0.9 м. Амплитуда годовых колебаний температурного поля в грунте в окрестности трубопровода варьируется в пределах 3–5oС.

В данном случае необходимо было получить результаты за 2 расчетных года, в то время как программный комплекс Frost 3D Universal позволяет прогнозировать дальнейшее развитие ореола оттаивания на 5, 10 и 30 лет вперед.

Трехмерное температурное поле, рассчитанное в программе Frost 3D Universal

Трехмерное температурное поле, рассчитанное в программе Frost 3D Universal

Результаты расчета теплового поля в виде изолиний температур в августе

Результаты расчета теплового поля в виде изолиний температур в поперечном сечении моделируемой области в августе

Моделирование ореола оттаивания вокруг нефтепровода в многолетнемерзлом грунте

Результаты 3D-моделирования ореола оттаивания вокруг нефтепровода в многолетнемерзлом грунте

Ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода в августе

Ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода в сечении YZ в августе

Ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода в январе

Ореол оттаивания грунта вокруг нефтепровода в сечении YZ в январе

Стоит также отметить, что тепловое влияние нефтепровода не привело к таянию ПЖЛ под ним. Это обстоятельство связано с тем, что трубопровод располагается в траншее с техногенным грунтом, из которой удалили подземный лед и разместили теплоизоляционный материал.