Разработка конструкции опоры для подземного крепления трубопровода в зонах распространения островной и прерывистой мерзлоты

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки эффективных технологий для обеспечения сохранности проектного положения участков магистрального трубопровода в районах c несплошным характером распространения мерзлоты. Особую актуальность работа имеет с учетом активного освоения северных и арктических нефтегазоносных районов России. Цель: разработать проектное решение и конструкцию подземных опор для закрепления нетеплоизолированных участков газопровода в сезонно-тающих и многолетнемерзлых грунтах при островном характере мерзлоты. Объекты: магистральный трубопровод, закрепленный в мерзлых грунтах. Методы: анализ и систематизация российского и зарубежного опыта теоретических и практических исследований, аналитические расчеты и компьютерное моделирование с применением программного обеспечения ANSYS на основе современных положений строительной механики и теории упругости. Результаты. Рассмотрены существующие типы опор и подвесок трубопроводов в разрезе их применимости для целей крепления подземных участков нефте- и газопроводов в многолетнемерзлых и сезонно-тающих грунтах, в том числе в местах пересечения островной мерзлоты, ледяных линз и бугров пучения. По результатам выполненного анализа возможных нагрузок и ограничений уже существующих опорных конструкций трубопроводов при рисках всплытия и провисания подземных участков в протаявшей траншее предложена конструкция подземных анкерных опор и сделаны выводы о преимуществах их применения. Для расчета нагрузок и определения требуемых размеров и количества анкеров, сечений тросов растяжек и хомута для крепления трубопровода была разработана конечно-элементная модель, эффективность которой подтверждена аналитическим путем и экспериментально на разработанном испытательном стенде.

The relevance of the study is caused by the need to develop the effective technologies to ensure the preservation of the design position of the main pipeline sections in the areas with permafrost distribution. The work is of particular relevance, taking into account active development of the northern and Arctic gas and oil regions of Russia. The main aim of the research is to develop a design solution and the construction of underground supports for fixing non-heat-insulated sections of the pipeline in seasonally thawing and insular permafrost. Objects: main pipeline fixed in frozen soils. Results. The paper considers the existing types of supports and suspensions of pipelines in the context of their applicability for the fixing underground sections of oil and gas pipelines in permafrost and seasonally thawing soils, including at the intersection of insular permafrost, ice lenses and pingos. Based on the results of the analysis of the possible loads and limitations of existing supporting structures of pipelines with the risks of emersion and sagging of underground sections in the melted trench, the design of underground anchor supports is proposed and conclusions are made about the advantages of their use. To calculate the loads and determine the required dimensions and number of anchors, cross-sections of stretch ropes and a mounting clamp, a finite-element model was developed. Its effectiveness was confirmed analytically and experimentally on the developed test bench.