Неотъемлемой частью любой трубопроводной системы является крановый узел, предназначенный для управления потоками продукта в прилегающие к нему участки трубопровода. В области распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) крановый узел, как и трубопровод, оказывает отепляющее влияние на грунты, что может вызвать деформацию основания и повреждение сооружений. Моделирование кранового узла осложняется большим количеством элементов в его конструкции, и для расчета необходим учет воздействия каждого объекта на грунты основания.
В данном примере рассматривается моделирование температурного режима ММГ на период строительства и эксплуатации линейного кранового узла магистрального газопровода в программном комплексе Frost 3D. Показана динамика температуры ММГ в процессе проведения строительно-монтажных работ и произведена оценка эффективности мероприятий по термостабилизации.
Прогноз температурного режима грунтов основания кранового узла на магистральном газопроводе в программном комплексе Frost 3D
Постановка задачи
Цель проведения расчета – подтвердить, что мероприятия по термостабилизации грунтов совместно с установкой теплоизоляции на газопроводе обеспечивают сохранение расчетного температурного режима грунтов основания.
Характеристики ММГ: ММГ сливающегося типа. Среднегодовая температура грунтов составляет от -0,3 до -0,5 °C. Мощность сезонно-талого слоя – 2,0 м.
Инженерно-геологическое строение участка застройки: переслаивание песков, супесей, суглинков.
Объект строительства
Крановый узел на отсыпанной площадке высотой 1,4 м. В пределах площадки расположен узел установки крана с ограждением и молниеотвод.
Газопровод подземный, в пределах отсыпанной площадки кранового узла заглубление верха трубы без учета изоляции газопровода составляет 2,7 м, вне пределов площадки – 1,3 м.
Узел установки крана, бугельные опоры, байпасная линия, импульсная обвязка газопровода, линии подключения аккумулятора газа и подключения передвижной компрессорной установки, продувочная свеча, молниеотвод и ограждение площадки установлены на свайное основание.
Схема линейного кранового узла магистрального газопровода с двусторонней продувкой
Мероприятия по термостабилизации грунтов
основания кранового узла
- Бугельные опоры и опора линейного крана
Установка вертикальных термостабилизаторов у каждой сваи совместно с установкой теплоизоляционного экрана. - Опоры байпасной линии газопровода
Установка вертикальных термостабилизаторов у каждой сваи. - Линейный кран DN1400
Напыляемая теплоизоляция. - Газопровод
Теплоизоляция из экструдированного пенополистирола. - Молниеотвод
Установка вертикальных термостабилизаторов в количестве 1 шт. на каждый ростверк молниеотвода.
Программный комплекс Frost 3D позволяет строить расчетную модель «основание – трубопровод», полностью учитывающую конструктивные особенности сооружения, сложное инженерно-геологическое строение участка застройки и схемы их взаимодействия.
Расчетная модель кранового узла
Моделирование температурного режима грунтов основания
для объектов в составе кранового узла
Адаптация модели
На начальном этапе моделирования проводится калибровка граничных условий – предварительный долгосрочный (сотни лет) расчет температурного распределения на участке до начала строительства. Значения свободных параметров при калибровке подбираются таким образом, чтобы температурный режим в предварительной модели соответствовал данным изысканий.
Начальное распределение температур
Этап строительно-монтажных работ
Производится построение всех объектов в составе кранового узла, назначаются граничные условия, учитывающие все объемно-планировочные решения в пределах участка строительства. В модели учитывается проведение работ в зимний период времени, что также оказывает влияние на температуру ММГ.
Начало этапа СМР (нулевой цикл)
Граничные условия на этапе СМР (начало нулевого цикла)
Граничные условия на этапе СМР (начало нулевого цикла)
Окончание этапа СМР
Окончание этапа СМР (сечение по оси газопровода)
Граничные условия при завершении этапа СМР
Граничные условия при завершении этапа СМР (сечение по оси газопровода)
На этапе СМР учитываются следующие работы:
Разработка котлована для устройства свайного основания опор газопровода и траншеи газопровода.
В результате воздействия атмосферного ГУ на откосы, дно котлована и траншеи происходит промерзание верхнего слоя грунта.
Во Frost.Термо (компонент программного комплекса Frost 3D) доступно построение котлованов и траншей, с возможностью задать необходимый контур объекта и величину заложения откосов.
Погружение свай, термостабилизаторов, укладка теплоизоляционных экранов и частичная засыпка котлована выше уровня теплоизоляционных экранов.
При погружении свай наблюдается кратковременное повышение температуры ММГ. После монтажа термостабилизаторов, частичной обратной засыпки котлована совместно с укладкой теплоизоляционных экранов происходит постепенное понижение температуры грунтов до расчетных значений.
Во Frost.Термо реализована возможность задавать поэтапное возведение объекта и учитывать отепляющее воздействие свай при гидратации бетона, моделировать обратную засыпку котлованов и траншей грунтом с заданной температурой.
Монтаж строительных конструкций кранового узла (ростверки, опоры) после достижения грунтами основания расчетного температурного режима.
Проводится с открытыми котлованом и траншеей, в результате чего промерзает верхний слой грунта. Температура грунтов вблизи термостабилизаторов продолжает понижаться.
Монтаж газопровода и конструкций кранового узла, монтаж изоляции газопровода и крана.
Проводится также с открытыми котлованом и траншеей. К моменту окончания монтажа температура грунтов вблизи термостабилизаторов достигает минимальных значений в течение этого зимнего сезона.
Засыпка котлована и траншеи газопровода, проведение испытания газопровода на прочность и герметичность, отсыпка насыпи площадки кранового узла.
Перед проведением испытания газопровода производится засыпка котлована и траншеи. После проведения испытания газопровода выполняются работы по возведению насыпи.
Инструмент для построения насыпи позволяет редактировать ее контур и крутизну откосов.
Монтаж молниеотвода, ограждения площадки, строительство постоянной подъездной дороги.
Проводится в летний период, когда происходит оттаивание сезонно-талого слоя. К моменту окончания летнего периода температура грунтов основания находится в пределах расчетных значений.
Разработка котлована для устройства свайного основания опор газопровода и траншеи газопровода.
В результате воздействия атмосферного ГУ на откосы, дно котлована и траншеи происходит промерзание верхнего слоя грунта.
Во Frost.Термо (компонент программного комплекса Frost 3D) доступно построение котлованов и траншей, с возможностью задать необходимый контур объекта и величину заложения откосов.
Погружение свай, термостабилизаторов, укладка теплоизоляционных экранов и частичная засыпка котлована выше уровня теплоизоляционных экранов.
При погружении свай наблюдается кратковременное повышение температуры ММГ. После монтажа термостабилизаторов, частичной обратной засыпки котлована совместно с укладкой теплоизоляционных экранов происходит постепенное понижение температуры грунтов до расчетных значений.
Во Frost.Термо реализована возможность задавать поэтапное возведение объекта и учитывать отепляющее воздействие свай при гидратации бетона, моделировать обратную засыпку котлованов и траншей грунтом с заданной температурой.
Монтаж строительных конструкций кранового узла (ростверки, опоры) после достижения грунтами основания расчетного температурного режима.
Проводится с открытыми котлованом и траншеей, в результате чего промерзает верхний слой грунта. Температура грунтов вблизи термостабилизаторов продолжает понижаться.
Монтаж газопровода и конструкций кранового узла, монтаж изоляции газопровода и крана.
Проводится также с открытыми котлованом и траншеей. К моменту окончания монтажа температура грунтов вблизи термостабилизаторов достигает минимальных значений в течение этого зимнего сезона.
Засыпка котлована и траншеи газопровода, проведение испытания газопровода на прочность и герметичность, отсыпка насыпи площадки кранового узла.
Перед проведением испытания газопровода производится засыпка котлована и траншеи. После проведения испытания газопровода выполняются работы по возведению насыпи.
Инструмент для построения насыпи позволяет редактировать ее контур и крутизну откосов.
Монтаж молниеотвода, ограждения площадки, строительство постоянной подъездной дороги.
Проводится в летний период, когда происходит оттаивание сезонно-талого слоя. К моменту окончания летнего периода температура грунтов основания находится в пределах расчетных значений.
Граничные условия в модели на этапе эксплуатации
Этап эксплуатации
Производится оценка отепляющего влияния всего сооружения на температурный режим грунтов основания за 30-летний период эксплуатации. В расчете учитываются зоны повышенного снегонакопления, условия на поверхности подъездной автодороги, тепловое влияния трубопровода, по которому транспортируется газ.
Для расчета результирующего коэффициента теплообмена на поверхности трубопровода во Frost.Термо имеется специальный модуль, способный учитывать не только многослойную конструкцию трубопровода, но и теплообмен с движущимся продуктом в трубе.
Результаты расчета
По окончании расчета на 3D-модели отображается температурное распределение на весь выбранный период времени (2025-2055 гг.). Также доступно отображение данных в виде двумерных сечений, получение температурных распределений в любой точке модели и многие другие функции для обработки результатов.
Температурное распределение на момент максимального промерзания грунтов (апрель). Сечение вдоль оси газопровода
Температурное распределение на момент максимального оттаивания грунтов (октябрь). Сечение вдоль оси газопровода
Температурное распределение на момент максимального промерзания грунтов (апрель). Сечение поперек оси газопровода
Температурное распределение на момент максимального оттаивания грунтов (октябрь). Сечение поперек оси газопровода
Выводы
Поэтапный расчет температурного режима грунтов основания кранового узла показал существенное воздействие строительно-монтажных работ на ММГ. В результате мероприятий по термостабилизации грунты основания находятся в мерзлом состоянии на протяжении всего жизненного цикла сооружения.
В составе программного комплекса Frost 3D поставляются модули Frost.Свая и Frost.Осадка. С помощью модуля Frost.Свая можно произвести расчет несущей способности свай, учитывая полученное во Frost.Термо трехмерное распределение температур. С помощью модуля Frost.Осадка возможно производить расчет составляющей осадки основания, обусловленной действием собственного веса оттаивающего грунта. На основе этих данных пользователь может рассчитать осадку оттаивающего грунта в процессе эксплуатации трубопровода, что позволит провести точный расчет его напряженно-деформируемого состояния.