В СВФУ изучают воздействие трубопроводов на многолетнюю мерзлоту

В Северо-Восточном федеральном университете готовят программу, позволяющую проектировать и эксплуатировать магистральные газо- и нефтепроводы, которые не вызывают опасные инженерно-геологические процессы. Разработку ведет аспирант научно-исследовательской кафедры вычислительных технологий Института математики и информатики, старший преподаватель кафедры недропользования геологоразведочного факультета СВФУ Вилена Кычкина.

Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надежность трубопроводов, прежде всего подземных, является их взаимодействие с окружающими грунтами. Это особенно важно учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов в районах распространения многолетней мерзлоты, к которым относится значительная часть Республики Саха (Якутия).

Из-за особенностей климатических и инженерно-геокриологических условий местности возникает ряд проблем. В случае, если между трубопроводом и грунтом устанавливается тепловой поток, который постепенно оттаивает грунт, вокруг трубы возникают провалы, и она начинает провисать, изгибаться и даже разрушиться. В зависимости от температуры перекачиваемого продукта и окружающей среды изменяются свойства мерзлых грунтов в зоне влияния трубопровода: возникают и развиваются опасные инженерно-геологические процессы - термокарст, заболачивание, морозобойные трещины, пучение грунтов и прочее.

- При подземной прокладке трубопроводов может наблюдаться изменчивость и неоднородность свойств грунта вдоль трассы трубопровода, неравномерное распределение различных по форме и размерам ледяных включений. Изменение теплофизических и физико-механических свойств грунтов в процессе строительства трубопроводов и активное течение криогенных процессов приводят к неоднородному оттаиванию и обводнению многолетнемерзлых грунтов. Их оттаивание в свою очередь сопровождается формированием вокруг трубопровода ореола оттаивания, неравномерной просадки и деформации оттаивающего под трубопроводом грунта. В зависимости от своей структуры мерзлые породы дают разную осадку, что вследствие приводит к напряженно деформированному состояния трубопроводов, - рассказывает Вилена Кычкина.

Поэтому для обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов, прокладываемых в многолетнемерзлых грунтах, необходимо решать задачу теплосилового взаимодействия трубопровода и мерзлого грунта. Исследователи СВФУ в рамках первого этапа работы над программой для проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов создали вычислительный модуль, рассчитывающий температурное воздействие трубопровода на многолетнемерзлые грунты. По соглашению с компаниями-недропользователями его опробуют в следующем году.

Разработка была представлена на Молодежной международной научно-практической конференции "Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность-2022" в секции "Транспорт и хранение углеводородов". Модуль Вилены Кычкиной отмечен дипломом III степени.

- Наш университет - один из немногих на Дальнем Востоке, кто занимается подобными математическими расчетами. Если говорить о масштабах страны, то есть подобная программа для расчета температуры твердых грунтов от компании "НТЦ "Симмэйкерс" - резидента инновационного центра "Сколково". Однако она универсальная и требует более обширных знаний для пользования. Разрабатываемая нами программа узконаправленная - специально для трубопроводов. В частности, в ней будет проще указать характеристики трубопровода, - поделился кандидат физико-математических наук Александр Колесов, научный руководитель аспиранта Кычкиной.

Достижениям молодого ученого способствовали и профессиональные стажировки, которые прошла Вилена Кычкина, - на производственных объектах и в отделах ООО "Газпром ВНИИГАЗ" и ООО "Газпром энерогохолдинг". Здесь, совместно с коллегами из СВФУ, она получила необходимый объем материалов для преподавательской и научной работы.

В рамках работы над диссертацией Вилене Кычкиной предстоит изучить математическую модель процесса теплопередачи с фазовыми переходами, смоделировать тепловое взаимодействие грунта с магистральным трубопроводом, а также напряженно-деформированное состояние вследствие оттаивания многолетнемерзлых грунтов.

В планах университета выпустить программу, позволяющую проектировать и эксплуатировать магистральные газо- и нефтепроводы в зонах многолетнемерзлых грунтов, к 2025 году.