На кафедре транспорта углеводородных ресурсов Тюменского индустриального университета проводятся комплексные исследования в области разработки систем мониторинга надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта. Работа посвящена одной из задач, связанной с решением задач прогнозирования параметров тепловых процессов в грунтовых основаниях нефтепроводов. В работе проанализированы возможности современных технологий создания цифровых моделей при мониторинге надежности заглубленных многослойных нефтепроводов, прокладываемых в районах Западной Сибири и Арктической зоны Российской Федерации, с большим распространением многолетнемерзлых пород. Моделирование выполнено на основе данных с различных участков нефтепроводов со специфическими условиями залегания.
Введение
В настоящее время освоение углеводородного потенциала континентального шельфа арктических морей и Севера России является основой «Энергетической стратегии России на период до 2035 года». Одна из ключевых задач – обеспечение надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта является приоритетной задачей при проектировании, строительстве и в ходе эксплуатации нефтетранспортной системы. Современные информационные технологии цифровизации процессов, инструменты и программные продукты позволяют инженеру-проектировщику еще на стадии разработки проекта спрогнозировать параметры тепловых процессов, а в ходе эксплуатации предупредить дальнейшее поведение системы «труба – грунт» и аварийные ситуации [1].
Выбор надежных и экономичных теплоизолированных трубопроводных конструкций при проектировании линейных участков проводиться с учетом условий эксплуатации, типов прокладки и условий на местности.
Теплотехнические расчеты таких конструкций зачастую являются трудоемкими в связи с большим количеством изменяющихся условий по длине нефтепровода.
Математическое моделирование данных процессов на современных ЭВМ позволяет задать большое количество изменяющихся параметров во времени, а также спрогнозировать поведение близстоящих инженерных конструкций на протяжении большого периода времени.
Обсуждение
Первый этап цифровизации процесса и объекта моделирования заключается в качественной постановке модели и задании граничных условий, соответствующих определенным участкам местности с многолетнемерзлыми грунтами. В данной работе в качестве примера был смоделирован участок нефтепровода, пролегавшего в сложных геокриологических условиях, характерных для Ярудейского месторождения. Данный участок является показательным ввиду большого геологического разнообразия мерзлых пород и большого количества случаев смещения трубопроводов из проектного положения (рис. 1) [2].
Существует большое количество программных комплексов, позволяющих создать двухмерную модель рассматриваемого участка, среди них как наиболее точные при верификации себя зарекомендовали такие продукты семейства Autodesk, как AutoCAD, и встроенные пакеты САПР (средства автоматизированного проектирования и черчения).
Другим вариантом является непосредственное создание трехмерной модели рассматриваемого участка, дающей наглядное представление о близлежащих инженерных объектах и сооружениях, входящих в общую систему. Наиболее широко известны такие программы САПР, как Inventor, Fusion 360, 3ds Max (рис. 3, 4, 5) [4].
Второй этап – моделирование процессов передачи тепла при условии, что большая часть требуемых параметров уже известна. В настоящее время моделирование тепловых процессов, максимально приближенных к реальным условиям, обеспечивают следующие средства создания цифровых моделей: универсальная программная система конечно-элементного моделирования – ANSYS, система для моделирования потоков жидкостей, газов и процессов теплопередачи – Autodesk CFD и Frost 3D Universal – программный комплекс для моделирования тепловых процессов в грунтах [5, 6].
На этапе моделирования в системе ANSYS в пакете Transient Thermal на заранее подгруженную модель создается треугольная сетка (triangles) и производится ее оптимизация для более точного и корректного расчета тепловых потоков. Также устанавливаются граничные условия и задаются параметры изоляционных материалов и грунта. Для грунта определяются параметры фазового перехода из мерзлого состояния в талый и наоборот. После завершения расчета в данном программном пакете можно вывести не только графическое изображение температурного ореола, но и графики и различные зависимости (рис. 6, 7).
Моделирование тепловых процессов в Autodesk CFD заметно отличается от предыдущей системы меньшим числом функций и менее точными результатами.
