Постепенное снижение дебета месторождений углеводородов, введенных в эксплуатацию в середине прошлого века в Тюменской области, дало толчок к освоению ресурсов арктического региона и Восточной Сибири. Строительство объектов инфраструктуры магистрального транспорта нефти в данных районах осложняется повсеместным распространением многолетнемерзлых грунтов (ММГ), а также грунтов с низкими строительными свойствами и физико-механическими показателями [4, 5], обусловленными их переувлажнением. Согласно регламентирующим документам [6] ММГ в качестве основания под инженерно-технические сооружения могут быть использованы по двум принципам: I – ММГ используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения; II – ММГ используются в оттаянном или оттаивающем состоянии.
В статье [2] указывается на существующие противоречия в регламентирующих документах [6] и [7], являющихся основными при проектировании объектов трубопроводного транспорта в районах распространения ММГ. В [6] отмечено, что сохранение грунта под сооружением в мерзлом состоянии целесообразно при экономически обоснованных затратах. В противном случае рекомендовано использование ММГ по II принципу. Согласно [7] основным принципом использования ММГ в качестве основания под трубопроводом является принцип их сохранения в мерзлом состоянии. Магистральные нефтепроводы согласно [6] относятся к горячим трубопроводам, т.к. транспортируют нефть только при положительной температуре. Таким образом, при сооружении магистральных нефтепроводов выполнение требований [7] возможно только при надземном способе прокладки. Данное техническое решение приводит к увеличению затрат на строительство в 2,5–4 раза [2], что при сооружении протяженных объектов значительно снижает общую рентабельность проекта. В нормативном документе [7] не приводится обоснование необходимости сохранения грунтов под нефтепроводом в мерзлом состоянии [2].
В действующих нормативных документах [6–7] не дается четких и обоснованных рекомендаций по выбору способа прокладки трубопроводов и принципу использования ММГ в качестве их основания. В [2] на основе анализа регламентирующих документов сделан вывод, что при подземной прокладке на ММГ опасаются значительных осадок трубы при оттаивании грунтов. В [7] величина осадок трубопроводов не ограничивается, а регламентируются только напряжения, возникающие в трубопроводе. Проведенные натурные исследования на трассах нефтепроводов, проложенных в болотистой местности [2], показали, что осадка при длительной эксплуатации может достигать 0,5 м без существенного изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода.
Наиболее опасными при подземной прокладке трубопроводов на ММГ являются участки перехода основания от грунтов с высокой несущей способностью к оттаивающим грунтам с низкими физико-механическими характеристиками. С научной и практической точки зрения, анализ изменения НДС трубопровода в этих зонах, а также определение предельных величин осадки в зависимости от длины зоны проседания представляет несомненный интерес. Исходя из этого, авторами были поставлены задачи: по результатам численного моделирования получить зависимости действующих эквивалентных напряжений в материале трубы от величины зоны проседания и определить значения максимально возможного провиса трубопровода при изменении зоны проседания. Для конечно-элементного анализа были выбраны трубы следующих диаметров, получившие наибольшее распространение при сооружении магистральных нефтепроводов: 530х10, 820х12, 1020х12, 1020х14, 1020х16, 1220х14, 1220х16, 1220х18 мм.
По расчетной классификации трубопровод представляет собой бесконечную трубчатую балку [2], имеющую зоны упругого защемления по краям. Авторами статьи предложена и реализована расчетная схема, учитывающая воздействие гидростатической нагрузки от транспортируемого продукта, а также равномерно распределенной нагрузки от веса обвалования на оболочечную конструкцию трубопровода при развитии его поперечных деформаций, обусловленных наличием зон проседания.
Расчетная схема участка трубопровода представлена на рис. 1. Вес обвалования на стенку трубопровода рассчитывается путем умножения площади криволинейного сечения S1 на длину трубы.
Рис. 1. Расчетная схема участка трубопровода
(1)
, (2)
, (3)
