Введение к работе
Актуальность проблемы. Западно-Сибирский регион является в настоящее время основной базой добычи энергетического сырья — нефти и газа, и по прогнозным оценкам на ближайшую перспективу 25-30 лет это положение не изменится. Создание и развитие топливно-энергетического комплекса потребовало ускоренного развития инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения. За годы освоения региона построено свыше 12 тыс. км теплотрасс и 23 тыс. км водоводов. Как показал опыт эксплуатации этих систем за прошедшие 30 лет, тепло- и гидроизоляция, применяемая при строительстве инженерных коммуникаций в условиях повышенной влажности и обводненности, быстро теряет свои защитные свойства и приводит к резким увеличениям тепловых потерь и коррозионным разрушениям материала трубопроводов. Поэтому на их ремонт требуется значительное количество материальных и финансовых затрат. За это время появились новые высокоэффективные полимерные тепло-и гидроизоляционные материалы, однако нормативная база по их применению отстает от требований производства.
В связи с чем задача всестороннего исследования материалов, их поведения в условиях эксплуатации, особенно в обводненных грунтах на севере Западно-Сибирского региона, разработки рекомендаций по их применению является чрезвычайно важной и актуальной проблемой.
Объектом исследования являются инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения в условиях Западно-Сибирского региона.
Предметом исследования является новая пенополиуретано-вая (ППУ) изоляция подземных и наземных трубопроводов.
Цель исследования — разработка инженерных методов расчета и экспериментального исследования систем тепло- и водоснабжения с новой ППУ-изоляцией в обводненных грунтах Западно-Сибирского региона.
В соответствии с целью исследования решались следующие задачи:
разработка инженерных методов теплового расчета трубопроводов с ППУ-изоляцией при подземной и наземной прокладке;
численное моделирование теплового взаимодействия трубопровода с грунтом при наличии фазового перехода для полу-
чения новых полуэмпирических зависимостей расчета глубины протаивания при подземной прокладке трубопроводов на базе обобщенных показателей;
прогнозирование изменений температурного поля грунта в процессе эксплуатации трубопроводов для определения изменений тепловых потерь и сроков проведения планово-предупредительных ремонтов;
разработка и проверка в условиях эксплуатации усовершенствованных конструкций трубопроводов с ППУ-изоляцией для сокращения тепловых потерь, а также материальных и финансовых затрат на их эксплуатацию и ремонт;
разработка рекомендаций для проектных и эксплуатационных организаций по применению этих материалов и внесение их в отраслевые строительные нормы и правила.
Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась согласно постановлению правительства РФ № 1087 «О неотложных мерах по энергосбереже-нию»и в рамках целевой комплексной программы «Нефть и газ Западной Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».
Методы и достоверность исследований. В работе использовались современные методы математической физики, вычислительного эксперимента, а также системный анализ. Полученные в работе данные сверялись с результатами других исследователей, а в ряде случаев экспериментально проверялись в натурных условиях.
Научная новизна работы. Получено обобщенное полуэмпирическое уравнение расчета глубины протаивания грунта вокруг подземных трубопроводов на базе известной физической модели теплового взаимодействия трубопровода и грунта с проведением вычислительного эксперимента на ЭВМ. На основании обработки полученных результатов выявлено влияние различных факторов на величину талой зоны вокруг теплопровода, определено время стабилизации температурного режима грунта. Проведена проверка полученных полуэмпирических уравнений по расчету тепловых режимов в условиях наземной эксплуатации водовода с ППУ-изоляцией в районе г. Салехарда, показывающая хорошую сходимость расчетных и фактических значений.
На защиту выносятся:
полуэмпирические уравнения расчета глубины протаива-ния грунта под теплопроводом с обобщенными переменными;
результаты обработки численного эксперимента по тепловому взаимодействию теплопровода и окружающего грунта с учетом фазового перехода;
результаты промышленного эксперимента по тепловому режиму водовода с новой ППУ-изоляцией при наземной прокладке;
усовершенствованная конструкция трубопровода с новой ППУ-изоляцией, обладающая повышенной влаго- и коррозионной стойкостью и прочностью;
рекомендации по применению новой ППУ-изоляцйи проектным организациям и внесение изменений в отраслевые нормы и правила по расчету толщины изоляции.
Практическое значение и реализация работы состоит в том, что разработанные теоретические и методические основы проектирования систем жизнеобеспечения используются при обустройстве нефтегазовых месторождений на севере Западной Сибири. В работе предложена бесканальная прокладка коммуникаций с ППУ-изоляцией, обоснованная теплотехническими и технико-экономическими расчетами. Разработанные усовершенствованные конструкции трубопроводов с ППУ-изоляцией подтверждены сертификатом Госстандарта России № 0075378. Разработаны и утверждены практические рекомендации по изготовлению, применению прогрессивных материалов и конструкций при наземной и подземной прокладке тепловых сетей в развитие действующих требовании СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
Работа награждена: дипломом III степени на VII международной выставке «Нефть и газ—2000»; медалью конкурса «Сибирские Афины»на 2-ой международной выставке-конгрессе «Энергосбережение—99»; присуждена областная премия им. В. И. Муравленко за 1999 год. Разработаны технические условия по проектированию, изготовлению и применению трубопроводов с ППУ-изоляцией. Эффективность результатов работы подтверждена справками о внедрении. Теоретические и практические результаты исследования используются для специальных дисциплин при обучении сту-
дентов ТюмГЛСА и проведения курсов повышения квалификации ИТР в ОАО НТЦ «Энергосбережение».
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и Всероссийских конференциях; научно-технических советах: научно-техническая конференция ТюмГАСА (Тюмень, 1996); пятая Всероссийская научно-техническая конференция ТПГУ (Томск, 1999); научно-техническая конференция ТГАСУ (Томск, 1999); I международная научно-практическая конференция ПГАСА (Пенза, 1999); международная научно-техническая конференция СИбГТУ (Санкт-Петербург, 2000); II международная научно-техническая конференция ПГАСА (Пенза, 2000); 57-ая научно-техническая конференция НГАСУ (Новосибирск, 2000); III международный конгресс НГАСУ (Новосибирск, 2000); III международная научно-практическая конференция ПГАСА (Пенза, 2000).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 17 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 86 наименований и содержит 110 страниц текста, включая 10 таблиц и 30 иллюстраций.
