Модель Кулона-Мора

реклама
Разработка методики прогнозирования изменения
температурных полей и тепловой осадки
нефтепровода на участках с многолетнемерзлыми
грунтами
Маленов А.А. аспирант кафедры ОиФ ННГАСУ
Основные причины возникновения аварий на
магистральных трубопроводах (данные 2008
года)
Непрофессионализм
работников; 4,70%
Заводской брак труб;
12,30%
Внешние воздействия;
34,70%
Действие коррозии;
23,50%
Брак при
строительстве; 24,70%
Наиболее распространенная причина возникновения аварий на
магистральных трубопроводах (34,7%) – внешние воздействия в виде
деформаций массива грунта, окружающего трубопровод и природных
катаклизмов.
Особенности эксплуатации магистральных
трубопроводов в вечной мерзлоте
При эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях вечной
мерзлоты, в особенности при подземной прокладке в сильнольдистых
многолетнемерзлых грунтах в результате техногенных геокриологических
процессов, связанных с оттаиванием мерзлых грунтов, возникают
значительные горизонтальные и вертикальные деформации трубопроводов,
приводящие к появлению напряженных участков.
Методика прогнозирования тепловой осадки
трубопровода
Для своевременного принятия мер по предотвращению
возникновения недопустимых деформаций трубопровода при
прокладке его в вечномерзлых грунтах необходима методика,
позволяющая спрогнозировать тепловые осадки и деформации
окружающего трубопровод грунтового массива и, как следствие, самого
трубопровода.
В рамках данного вопроса следует решить следующие задачи:



Анализ изменения температурных полей в массиве грунта в
результате действия отепляющего эффекта трубопровода.
Определение физических характеристик грунтовых элементов в
зависимости от их температурного режима.
Определение осадок и деформаций окружающего трубопровод
грунтового массива с использованием полученных характеристик
грунтовых элементов.
Методика анализа изменения температурных
полей в массиве грунта
В сложной среде, которой является грунт, перенос тепла
осуществляется всеми видами теплообмена: кондуктивным, конвективным
и лучистым. В данной задаче с целью упрощения лучистый теплообмен не
учитывается
Учитываемые виды
теплообмена в грунте
Кондуктивный
(уравнение Фурье)
Конвективный при
фильтрации воды
(уравнение Фурье-Кирхгофа)
Использование программного комплекса
DAM-3D для анализа изменения
температурных полей в массиве грунта
Для определения температурных полей в массиве грунта наиболее
перспективным является использование программного комплекса DAM-3D.
Исходными данными для расчета являются трехмерная
твердотельная модель исследуемого участка и теплофизические
характеристики грунтов.
Программный комплекс позволяет:

проанализировать температурно-фильтрационный режим массива
грунта;

оценить динамику развития температурно-фильтрационного процесса;

рассмотреть различные сценарии эксплуатации замораживающей
системы.
Результаты анализа изменения температурных
полей в массиве грунта
В результате расчетов для заданных сечений строятся температурные профили.
Определение физических характеристик
грунтовых элементов в зависимости от их
температурного режима
Для определения тепловых осадки и деформаций окружающего
трубопровод грунтового массива требуется определить зависимость
некоторых физических характеристик грунтов от температуры:
Модуль упругости
Сцепление
Угол внутреннего трения
Eref
сref

кН/м2
кН/м2

Нахождение данных зависимостей является одной из основных
задач, требующих скорейшего решения для реализации методики.
Найденные физические характеристики грунтов используются для
формирования массива грунтовых элементов.
Определение осадок и деформаций
окружающего трубопровод грунтового массива
с использованием полученных характеристик
грунтовых элементов
Для расчета осадок и деформаций грунтового массива наиболее
перспективным является использование программы Plaxis.
Программа Plaxis предназначена для расчетов напряженнодеформированного состояния комплексных геотехнических систем методом
конечных элементов в условиях плоской и осесимметричной задачи.
Выбор модели грунта
Программа Plaxis включает в свой состав несколько моделей
грунта:
Модели грунта
программы Plaxis
Модель
Кулона-Мора
Модель
упрочняющегося
грунта
Модель ползучести
слабого грунта
Для решения задачи определения осадок и деформаций грунтового массива
была выбрана модель Кулона-Мора.
Выбор данной модели обусловлен набором характеристик грунта,
требующихся для расчета.
Модель Кулона-Мора – упругопластическая модель, содержащая 5 основных
параметров: E и ν – параметры упругости грунта, с и φ – параметры прочности
грунта, ψ – угол дилатансии.
Результаты определения осадок и
деформаций грунтового массива
Выводы
Предложенная методика прогнозирования изменения температурных
полей и тепловой осадки нефтепровода на участках с многолетнемерзлыми
грунтами позволяет производить оперативное прогнозирование тепловой
осадки трубопровода в процессе его проектирования и эксплуатации с
учетом изменения режимов его работы.
Скачать