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 H_th - 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, I_t, .

, (М.2)

, (М.3)

, (М.4)

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

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

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

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

Т₀ - температура ММГ, °С;

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

t - расчетное время, ч;

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

I_tе - эквивалентное безразмерное время, для ММГ сливающегося типа принимается равным нулю, несливающегося типа - определяется по номограмме на рис. М.2 при x_t=H₀/r_ins и β_T = 0,0 (H₀ - глубина залегания кровли ММГ, м). Для ММГ несливающегося типа безразмерная температура принимается β_t = 0,0.

(М.5)

(М.6)

где T_pr - среднегодовая температура продукта, °С; .

, (М.7)

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

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

w_w – количество незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре T₀, C_th,

C_th,C_f – 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 H_f принимается равной H_th и рассчитывается по формулам (М.1), (М.3), (М.5), (М.6), (М.7) и номограмме (рис. М.2) при β_t = 0,0. При этом в формуле (М.3) в качестве T_ins следует принять абсолютное значение температуры и I_te = 0,0, а в формуле (М.7) - С_th = С_f = 0,0 и w_w = 0,0.

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

М.3 Глубину многолетнего оттаивания ММГ под центром горячего и теплого наземных трубопроводов H_th, 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 d_p = 2r_p;

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

- поправочный коэффициент, учитывающий отток тепла в мерзлую зону; L_v,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.