Influence of longitudinal displacements of the pipeline on the stress-strain state during thawing of a section of permafrost soil
Authors: Султанмагомедов Тимур Султанмагомедович 
Published: September 2022

В процессе эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях многолетнемерзлых грунтов актуальной проблемой является изменение проектного положения трубопровода вследствие частичного оттаивания и снижения устойчивости грунтового основания, что может вызвать дополнительные изгибающие напряжения и привести к возникновению недопустимых деформаций. Оттаивание грунта возможно по разным причинам, в том числе из-за повышения температуры «горячего» трубопровода, изменения режимов перекачки, отказа термостабилизаторов, разрушения теплоизоляции и т. д. Целью исследования является изучение зависимости максимальных эквивалентных напряжений и просадки трубопровода от продольных перемещений, вызванных температурным перепадом и давлением в трубопроводе, а также от механических характеристик грунта и длины участка оттаивания. В работе применяются методы строительной механики и механики грунтов. Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) протяженного трубопровода осуществляется методом конечных элементов. Механические свойства грунтов определены по результатам экспериментальных исследований. Цифровая модель механического взаимодействия трубопровода с грунтом спроектирована в программном комплексе ANSYS. Модель позволяет рассчитать НДС трубопровода в зависимости от длины оттаявшего участка грунта, продольных перемещений свободных концов трубы, прочностных характеристик грунта и металла при оттаивании одного из участков. Также модель позволяет производить расчет напряжений и деформаций с учетом пластичной зоны работы металла трубопровода (такие зоны возникают на границах и в центре оттаявшего участка). Проведен численный эксперимент по определению влияния продольных перемещений концов трубопровода, внутреннего давления, длины оттаявшего участка, механических характеристик устойчивого и неустойчивого грунтов на значения максимальных напряжений и просадки трубопровода. По результатам моделирования установлено, что НДС трубопровода наиболее зависит от величины продольных перемещений концов трубы и модуля деформации неустойчивого грунта.
During the operation of main pipelines in permafrost soils, the problem of partial thawing of the pipeline is of interest, which can cause additional bending stresses and, as a result, unacceptable deformations. Defrosting can occur for various reasons, for example, an increase in the operating temperature of a hot pipeline, a change in pumping modes, failure of thermal stabilizers, destruction of thermal insulation, etc. An increase in the temperature of the pipeline leads to an increase in the temperature of the soil around the pipeline, with an increase in temperature, the strength properties of the soil decay, and when the temperature rises to positive values, the base ceases to be stable. As part of the work of the researched of ultimate deflections and equivalent deviations of the pipeline from axial displacements, caused by the temperature difference and pressure in the pipeline, mechanical characteristics of the soil and the length of the thaw section of the pipeline. In research, methods of structural mechanics and soil mechanics are applied. The finite element method was used to assess of the deformed state of tension in the pipeline. The mechanical properties of the presented soils were observed by experimental studies. Digital model of the mechanical interaction of the pipeline with the presence soil developed in the ANSYS software package. The developed digital model of a pipeline in soil makes it possible to calculate the stress-strain state of the pipeline depending on the length of the thawed section, longitudinal displacements of the pipeline, strength characteristics of the soil and pipe metal during thawing of one of the soil sections. The model also allows calculating the stress-strain state of the pipe metal, taking into account the plastic zone of the pipeline metal, such zones appear at the boundaries and in the center of the thawed sections. As a result of modeling, the calculated experimental dependence of the maximum equivalent stresses on the value of the axial displacements of the pipeline, internal pressure and mechanical characteristics of stable and unstable soil was carried out. Certain parameter values affect the amount of drawdown and maximum stresses.