Магистральные трубопроводы, проложенные в Сибири и на Крайнем Севере, на значительном протяжении пересекают болота и заболоченные участки. В данных условиях проведение ремонтно-восстановительных работ с созданием ремонтного котлована по обычной технологии в весенне-летний период, а иногда круглый год, не представляется возможным. Значительная водонасыщенность торфов, наличие поверхностных вод приводят к обрушению стенок ремонтного котлована и заполнению его болотной массой, трудно поддающейся откачке насосами. Поэтому специфической особенностью разработки котлованов в заболоченных и переувлажненных грунтах является необходимость укрепления их стенок. В связи с этим была разработана технология для укрепления стенок котлована путём образования по его контуру водонепроницаемой перемычки при заморозке [1–3].

Для проверки эффективности термостабилизации грунта замораживающими колонками было произведено моделирование замораживающих колонок в программном обеспечении Ansys. Последовательность проведения работ прошла следующим образом. На первом этапе было произведено моделирование рабочей колонки с поперечным сечением по длине рабочего органа. При этом была произведена параметризация замораживающей колонки, установлены габаритные размеры. На втором этапе параметрическая 3d модель применялась для создания расчетной конечно-элементной модели. При этом были установлены необходимые граничные условия и заданы входные параметры.

На третьем этапе был произведен расчет полученной модели. После этого была замкнута параметризация с геометрической моделью, для того чтоб можно было изменять начальные параметры замораживающей колонки и оценивать эффективность работы замораживающей колонки.

На финальном этапе создания модели была создана модель замораживающей колонки.

Рис. 1. Модель замораживающей колонки

После создания модели колонки были заданы четыре сечения и геометрические параметры расчетной области для колонки. Условно расчетная область состоит из «входа» inlet, «проточной части» hub, «периферийной зоны» shroud, «выхода» outlet. После этого этапа модель готова к дальнейшему исследованию.

Перед произведением расчетов были заданы параметры граничных условий. На «входе» inlet и «выходе» outlet были заданы температура, скорость и перекачиваемая среда. Помимо параметров перекачиваемой среды были заданы условия по температуре заболоченной местности для замораживания. После всех проделанных операций модель была проверена на возможность расчета и возникновения критических ошибок.

В дальнейшем модель была передана в решатель. Для первого расчёта в качестве перекачиваемой среды был задан азот. Процесс решения был завершен успешно и была получена диаграмма, где визуально отображается степень замораживания от замораживающей колонки.

Рис. 2. Степень замораживания от колонки с перекачиваемым азотом

Для второго расчёта в качестве перекачиваемой среды был задан аммиак.

Рис. 3. Степень замораживания от колонки с аммиаком

Для третьего расчёта в качестве перекачиваемой среды был задан пропан.

Рис. 4. Степень замораживания от колонки с пропаном

После завершения исследования в программном обеспечении Ansys можно сделать вывод, что все рассматриваемые холодильные агенты могут быть использованы в замораживающих колонках для укрепления стенок котлована для проведения работ на магистральных трубопроводах в заболоченной местности. Замораживающими колонками с перекачиваемым пропаном обеспечивается наилучшая степень замораживания.

Литература:

1. Гумеров А. Г., Азметов Х. А., Гумеров Р. С., Векштейн М. Г. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов / Под ред. А. Г. Гумерова. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. — 271 с.

2. Трупак Н. Г. Замораживание горных пород при проходке стволов, М., 1954.

3. Шуплик М. Н., Борисенко В. Н. Технология искусственного замораживания грунтов с применением твердых криоагентов в подземном строительстве // Горный информационно-аналитический бюллетень № 8, 2006. 381–384 с.