книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

16. Расчет и проектирование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов -3 8 1 -

тяжело нагруженными полами на балочной клетке - по возмож­ ности по равномерной сетке с шагом в зависимости от марки СОУ и мерзлотно-грунтовых условий в основании здания от 2x3 м до 3x3 м.

При правильном расположении СОУ для промораживания талых грунтов и понижения температур пластичномерзлых

грунтов до расчетной температуры Те = -0,7 - -1°С, как правило,

достаточно одного зимнего сезона. Система СОУ должна быть установлена до начала холодного периода после проведения планировочных и свайных работ до начала монтажа перекрытий и СОУ должны размещаться на таком расстоянии от сваи, при котором силы смерзания сваи с промораживаемым и охлаждае­ мым СОУ грунтом вокруг сваи будут в осеннее - зимний период превосходить касательные силы морозного пучения грунтов не мене, чем в 1,1 раза (формула 34 СНиП 2.02.04-88). Расчеты и опыт строительства показывают, что размещение СОУ в преде­ лах 0,5-0,7 м от сваи обеспечивает устойчивость сваи к воздей­ ствию сил морозного пучения грунта. Следует отметить, что у нас в стране накоплен значительный опят применения СОУ в нефтегазовом строительстве.

Наибольшее применение термостабилизаторов (СОУ) в нефтегазовом строительстве приходится на последние 10 лет, причем наиболее массовое их использование относится к перио­ ду освоения Заполярного газонефтеконденсатного месторожде­ ния (с 1999 г. по настоящее время), которое характеризуется на­ личием весьма сложных мерзлотно-грунтовых условий: неодно­ родные условия залегания и температура ВМГ, Повсеместное чередование талых и мерзлых грунтов, наличие несливающихся ВМГ с глубиной кровли 5-10 м и температурой от-0,1°С, нали­ чие льдистых, пластичномерзлых и пучинистых 1рунтов.

Для обеспечения необходимой несущей способности и ус­ тойчивости свайных фундаментов в талых и пластичномерзлых грунтах в основном использован I принцип использования веч­ номерзлых грунтов с предварительным промораживанием талых грунтов и охлаждением пластичномерзлых грунтов с использо­ ванием для этих целей СОУ в сочетании с вентилируемым под­ польем (в основном для производственных зданий каркасного типа) и СОУ - для наземных инженерных коммуникаций.

В табл. 16.5 приведен детальный перечень объектов УКПГ-

Механика мерзлых грунтов л принципы строительства нефтегазовых “3 8 2 - объектов в условиях Севера

2С и УКПГ-ЗС Заполярного ГКНМ, на которых применены ста­ билизаторы пластичномерзлых грунтов (СПМГ) различных ти­ пов конструкции ФГУП «Фундаментпроект».

Продолжение табл. 16.5

16.9. Задача теплового режима сезоннодействующих охлаждающих устройств

Задача теплового расчета СОУ достаточно хорошо освеще­ на в работе [46] и сводится к определению переменного во вре­ мени температурного поля в окружающем грунте. В частных случаях искомыми величинами могут быть:

диаметр ледогрунтового цилиндра, образующегося вокруг одиночного СОУ, или размеры льдогрунтового массива, созда­ ваемого системами СОУ;

время смыкания отдельных цилиндров при образовании ле­ догрунтовой стенки;

температура на поверхности, соприкасающейся с грунтом; количество тепла, передаваемого от грунта к воздуху.

В качестве исходных данных принимаются климатические характеристики района строительства, начальная температура грунта, конструктивные параметры и тип СОУ. Важнейшими климатическими характеристиками являются температура воз­ духа и скорость ветра. При определении теплового режима СОУ следует учитывать сезонное изменение температуры воздуха.

В отличие от более простого случая охлаждения грунта скважинами с постоянной температурой стенок, к которому обычно сводится теплообмен грунта с рассольными колонками, здесь задача осложнена взаимосвязью процессов внешнего и внутреннего теплопереноса. По существу необходимо получить сопряженное решение для системы грунт - СОУ - атмосфера. Кроме того, температура источника охлаждения (атмосферный воздух) переменна во времени. Причем изменение температуры воздуха в течение года сопровождается чередованием активных

циями плотности теплового потока q и определяются по за­

кономерностям внутреннего теплообмена для СОУ каждого ти­

па, а <ХН зависит от конструкции наружного теплообменника,

скорости ветра и величины солнечной радиации (для воздушных

СОУ, в частности, ОСвн = <ХН= оо, а ССгр определяется только

расходом воздуха в колонке и при бесконечнобольшом расходе

(ХЭф = ССгр). Таким образом, в общем случае <Хэф в течение пе­

риода работы СОУ переменен. В [46] показано, что для практи­ чески возможных пределов изменения теплового потока из

ССЭф = const, определяя это значение как среднее в указанном

интервале изменения д гр. Это упрощает задачу и дает возмож­

ность обобщать результаты моделирования (в частности мате­ матического) методом подобия в обычно принятой форме.

На основе анализа задачи были сделаны некоторые допу­ щения и выполнено несколько серий математических экспери­ ментов по специальной программе на ЭВМ с использованием метода работы, получены уравнения подобия для определения важнейших величин, характеризующих режим замораживания грунта с помощью СОУ:

- максимальный радиус ледогрунтового цилиндра, об­

разующегося вокруг одиночного СОУ за первый сезон работы (с момента включения по 1 мая);

8 а м - толщина ледогрунтовой стенки, образующейся за

сезон работы в главной плоскости линейной системы СОУ;

8 зт1К т - то же, в замковой плоскости;

Та1 - время смыкания ледогрунтовых цилиндров между со­

седними СОУ в линейной системе;

Qe-гр " суммарное количество тепла, переданное за сезон

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -386- объектов в условиях Севера

работы 1 м грунтового теплообменника.

В качестве исходных данных для расчета необходимо иметь следующие величины:

1)эффективный коэффициент теплоотдачи (вычисляется по уравнению (16.85);

2)наружный диаметр СОУ D ;

3)шаг между СОУ в системе / (для систем);

4)теплофизические свойства мерзлого грунта: k M>CMydM и

его массовая влажность W ;

5) теплота фазового перехода в расчете на 1 м3 грунта

Ф = < г > р „ ( ж - г „ ) , где (р - теплота плавления воды, Wnp -

количество прочносвязанной воды;

6)начальная температура грунта tzp;

7)среднегодовая температура воздуха tg и амплитуда се­

зонных колебаний Ав;

8) время работы СОУ, считая от 15 апреля, ч.

Кроме того, в определяющие критерии входят такие вели­ чины как количество часов работы СОУ в течение года (округ­

ленно в расчетах принималось Тгод = 8640 ч) и характерный

размер R (в приведенных уравнениях принято R = 3).

На основании этих данных вычисляют определяющие кри­

Далее искомые величины определяются по упомянутым уравнениям подобия.

Описанный метод позволяет количественно сопоставлять СОУ различных типов и конструкций. Для этого вычисляются

значения <Хэф и определяются основные величины, характери­

»&.*>) ДО* каждого типа СОУ. Составляя полу­

ченные результаты можно, судить о сравнительной эффективно­ сти рассматриваемых вариантов. Полученная информация дос­ таточна также для экономичного расчета СОУ.

16.10. Особенности расчета осадок зданий компрес­ сорных и насосных станций в условиях мерзлых грун­ тов

Особенности расчета осадок КС (компрессорных станций) и НС (насосных станций) доступно изложены в работе П.П.Бородавкина [3].

Поскольку расстояния между компрессорными и насосны­ ми станциями достаточно значительны (120-150 км), трубопро­ воды это расстояние должны пересечь. Поэтому возможности выбора участков с высокими показателями мерзлых грунтов ог­ раничены, а объем инженерно криологических изысканий трассы большой. Однако сами площади КС и НС можно вы­ брать с мерзлыми грунтами слитной структуры, прочномерзлые ит.д.

Это очень важно, так как большинство зданий и сооруже­ ний НС и КС являются источниками больших количеств тепла. Строительство основных зданий КС и НС может осуществлять­ ся с сохранением мерзлого состояния грунта. В настоящее время более целесообразным методом сохранения мерзлого состояния является устройство проветриваемого подполья. Причем, про­ ветривание может быть как естественным, так и в необходимых случаях принудительным. При принудительном проветривании подполья особых проблем с обеспечением устойчивого положе­ ния сооружения не возникает, так как осадки мерзлого грунта незначительны.

Рассмотрим особенности расчета осадок площадных со­ оружений при оттаивании мерзлого грунта.

Зная температуру контактной поверхности сооружения с мерзлым грунтом, определяют наибольшую глубину и размеры чаши оттаивания. Их можно найти, рассчитав температурное поле грунта - основания (рис. 16.18).

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 о о - объектов в условиях Севера

Рис. 16Л8. Температурное поле грунта.

Так называемые изотермы, т.е. линии одинаковых темпера­

тур 1, дают очертания чаши оттаивания (линия с 6 = ОС). Ли­ нии 2 показывают направления температурного градиента; теп­ ловой поток всегда движется от мест с более высокой к местам с более низкой температурой, т.е. в сторону понижения темпера­ туры. В настоящее время пока еще не существует точных мето­ дов определения очертания зоны оттаивания. К тому же эти ме­ тоды очень сложны. Поэтому при инженерных расчетах поль­ зуются специальными номограммами, по которым определяют

наибольшую глубину протаивания ha к какому либо моменту

времени. Такие номограммы и таблицы составлены Г. В. Порхаевым на основании полученных им решений.

Под серединой сооружения (резервуара) глубина оттаива­

ния, в м, равна

4, =*у («с-*,)■ » .

где В - ширина сооружения; %с,кс - коэффициенты, вы­ числяемые по номограммам [10]; k j - коэффициент, численно

равный отношению глубины оттаивания в трехмерной задаче к глубине оттаивания в двухмерной задаче.

Значения коэффициента k j приведены в [3].

При пользовании номограммам и таблиц [3] следует иметь в виду, что L - длина сооружения, а

где Хт и Хм - коэффициенты теплопроводности талого и

мерзлого грунтов в ккал/(м ч °С); 6 а и 0 0 - соответственно тем­

пературы среднегодовая на поверхности грунта и на глубинное

около 10 м (они могут приниматься однинаковыми); R 0 - тер­

мическое сопротивление пола здания или днища резервуара в м2

ч °С/ ккал; / - время в ч; д гр - теплота таяния грунта в ккал/м3.

Под краями сооружения (резервуара)

Определив глубину оттаивания для центра и краевых точек, находим осадки этих точек. Определив осадки, можно выпол­ нить оценку прочности резервуара или другого сооружения с учетом неравномерности осадок в различных точках площади сооружения. Прочность же соединения входных и выходных трубопроводов должна рассчитываться по полной осадке.

16.11. Особенности строительства резервуаров в ус­ ловиях мерзлых грунтов

Особенности строительства резервуаров на мерзлых грун­ тах достаточно полно освещены в работе О.П.Коноваловой [18].

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 9 0 - объектов в условиях Севера

Мерзлые грунты обладают высокой прочностью даже при длительном действии нагрузок. Поскольку среднее давление на грунт под днищем резервуаров, как правило, не превышает 200 кПа, опасность потери устойчивости оснований на мерзлых грунтах практически исключается. Однако прочность мерзлых грунтов при их оттаивании уменьшается во много раз, а устой­ чивость оснований в этом случае не всегда будет обеспечена. Кроме того, при оттаивании мерзлых грунтов, резко увеличива­ ется и их сжимаемость под нагрузкой. Поэтому при возведении резервуаров на мерзлых грунтах самым опасным моментом для их эксплуатационной надежности будет оттаивание грунтов в основании. Если это обстоятельство не будет учтено заранее и не будут предусмотрены соответствующие мероприятия по обеспечению эксплуатационной надежности, аварии резервуа­ ров или их недопустимые деформации неизбежны.

Оттаивание мерзлых грунтов связано, в первую очередь, с резким изменением цементационного действия льда, который под действием положительных температур превращается в жид­ кость, легко выдавливающуюся из пор даже под действием дав­ лений от собственного веса грунта. При приближении темпера­ туры грунта к температуре таяния льда грунт все еще будет об­ ладать достаточной прочностью, поскольку цементирующее действие льда к этому моменту полностью не исчерпывается и многие поры остаются заполненными льдом, объединяющим отельные минеральные частицы в достаточно плотные агрегаты.

Изменение строения мерзлых грунтов при полном оттаива­ нии сопровождается их уплотнением за счет отжатия талой во­ ды. В результате этого возникают большие неравномерные осадки сооружений, которые во много раз могут превосходить допускаемые значения. Такие осадки имеют, как правило, про­ вальный характер и представляют серьезную опасность особен­ но для резервуаров.

Устройство оснований под резервуары на многолетнемерз­ лых грунтах осложняется тем, что температура хранимой в (резервуаре нефти меняются в течение непродолжительного перио­ да циклически от положительных значений до отрицательных, что оказывает сильное влияние на температурный режим грун­ тов. Поэтому основания резервуаров, сооружаемых в таких ус­ ловиях, следует проектировать с учетом специфики эксплуата­