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.)

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)

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.