Список выполненных НИОКР

Математическое моделирование и исследование подводного трубопроводного перехода по объекту «Система магистральных газопроводов Бованенково-Ухта. Линейная часть, 1-я нитка. Участок км 111.7 – км 186,7 (подводный переход через Байдарацкую губу)» (2010 г.)

Ключевые слова подводный трубопроводный переход, гидродинамическое воздействие, разжижение грунта, деформация, устойчивость, метод конечных элементов
Программное обеспечение ANSYS, SIMULIA ABAQUS, COMSOL
Период проведения 2010 г.

В 2010 году сотрудниками CopmMechlab выполнена НИР, в рамках которой проведены численное моделирование и исследования по объекту: "первая нитка подводного  перехода через  Байдарацкую губу"  с целью определения причин отклонения участков трубопровода от проектного положения. 

Исследования велись по двум направлениям:

  1. Моделирование гидродинамического процесса  взаимодействия   водной среды с грунтом  обратной засыпки подводного трубопровода с учетом  волн, течений, глубины заложения,  характеристик грунта.
  2. Исследование усилий сопротивления со стороны грунта, которые необходимо преодолеть участку заглубленного трубопровода для всплытия.

В работе проведена оценка напряженно-деформированного состояния для трубопровода сразу после укладки (2008 г.),  состояние на начало 2009 г., состояние сразу после  шторма и после приведения в проектное положение (переукладки).

В первой части НИР рассматривался и исследовался (как аналитически, так и численно) вопрос о моделировании гидродинамического воздействия поверхностных волн на подводный переход и грунтовую среду обратной засыпки с учетом  волн, глубины заложения,  характеристик грунта.

Также в работе было рассмотрено численное решение уравнений гидродинамики в системе конечно-элементного моделирования COMSOL Multiphysics. Такой подход позволяет рассматривать большие амплитуды волн, обходя ограничение линейной постановки.

Моделирование гидродинамического воздействия на траншею. Рис 1. Геометрия расчётной области.  Рис 2. Поле давлений в начальный момент времени/

Вслед за решением гидродинамической задачи, по полям давления на дне решена задача пороупругости, в которой грунт описывается как двухкомпонентная система упругого скелета и жидкости. Распределение касательных напряжений в скелете и опыты по разжижения грунта позволяют определить области разжижения, которые могут привести к выталкиванию трубопровода из траншеи.

Для описания различных участков трубопровода решена серия задач, в которых учитывается варьирование глубиной воды, высотой волн, шириной траншеи, её глубиной, положением трубы относительно дна траншеи.

 

Поровое давление [Па]

Перемещение упругого скелета[м]

Скорость поровой жидкости[м/с]

Напряжение τxy [Па]

Поля порового давления, скорости поровой жидкости, перемещений упругого скелета, напряжений

 

В рамках НИОКР сотрудниками CompMechlab была разработана пространственная КЭ модель подводного перехода. Постановка задачи оценки напряженного состояния трубопровода в результате  воздействий на разных стадиях строительства трубопровода выполнена для участка, где было обнаружено локализованное всплытие трубопровода в грунте.

Для моделирования реакции со стороны грунта, в каждом узле  элемента КЭ модели газопровода заданы две нелинейные упругие связи в горизонтальном и вертикальном направлениях, в которых заданы зависимости силы реакции отпора грунта от возможного перемещения трубопровода в грунте.

Положение нелинейных упругих связей в горизонтальном и вертикальном направлениях вдоль оси газопровода

           

            Значения уровня реакции со стороны грунта на возможное перемещение газопровода в грунте определялось путем моделирования перемещения участка газопровода в грунте.

КЭ модель для расчета силовых характеристик реакций грунта на перемещение газопровода

 

 

 

КЭ модель участка газопровода

           

Моделирование напряженно-деформированного состояния трубопровода при переходе в состояния проектное, после укладки, перед штормом, после шторма и после переукладки было выполнено с учетом результатов и моделей полученных в исследованиях гидродинамического процесса  взаимодействия   водной среды с грунтом  обратной засыпки подводного трубопровода с учетом  волн, течений, глубины заложения,  характеристик грунта, а также геометрии оси подводного перехода с  построением цифровой  модели изгиба оси для различных состояний в соответствии с имеющимися данными в местах отклонения от проектного положения, в местах наличия перемычек,  с расчетом силовых  воздействий на трубопровод со стороны основания,  грунта, жидкой среды.

В результате моделирования напряженно-деформированного состояния трубопровода получены пространственные распределения перемещений, деформаций и напряжений.

Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в сечении трубопровода (отметка 19 920 м)

 

Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в сечении трубопровода (отметка 19 920 м)


Моделированием процесса деформации отклонившихся от проектного положения  участков  трубопровода определено, что процесс деформации по такой схеме возможен только под воздействием поперечных   и продольных сил, возможной и наиболее вероятной причиной возникновения которых является процесс разжижения грунта обратной засыпки под  воздействием гидродинамических нагрузок  от гидродинамических процессов при шторме, ветровых, приливных и других течений.

Механизм формирования поперечных   нагрузок на трубопровод и продольных усилий  состоит в том, что под воздействием гидродинамических процессов в грунтовой среде обратной засыпки происходит накопление сдвиговых деформаций с достижением критического значения после которого грунт переходит в разжиженное состояние приобретая свойства тяжелой жидкости с параметром   плотности  от 1,3 до 1,8 т/м3. При этом все тела с меньшей плотностью всплывают, с большей - тонут.

Разжижение грунта также приводит  к уменьшению сил трения между трубопроводом и грунтом основания, что приводит к поперечным перемещениям трубопровода. Для гарантированного предотвращения всплытия подводного перехода при траншейной укладки в условиях наличия обратной засыпки способной к разжижению, необходимо обеспечить плотность газопровода не ниже плотности грунта  1,8 т/м3.  Толщина бетонной оболочки для обеспечения этого условия должна быть не менее 290 мм, наружный диаметр - 1,6 м, при удельном весе 5т/ п.м., что невозможно.