Том 337 № 1 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/1/4982
Исследование конструкции опоры надземных магистральных трубопроводов, испытывающих изменения температур мерзлого грунта
Актуальность. Необходимость разработки новых опорных конструкций обусловлена потребностью в понимании механизмов взаимодействия трубопроводного транспорта нефти и газа в условиях морозного пучения грунта для решения текущих и будущих научных и инженерных задач. Одной из главных причин аварийных ситуаций магистральных трубопроводов является морозное пучение грунта. В ходе эксплуатации трубопроводов из-за морозного пучения грунта возникают смещения опорной части, что ведет к появлению напряжений на трубопроводе и впоследствии к дефектам. Основным способом устранения таких дефектов является использование различных опор, защищающих трубопровод от геологических процессов. В этой связи необходимо разработать новый тип опорной части надземных магистральных трубопроводов, способный уменьшить отрицательное влияние морозного пучения грунта. Цель. Обосновать предлагаемую конструкцию опоры надземных магистральных трубопроводов, которая позволит снизить влияние морозного пучения грунта и сохранить проектное положение трубопроводов. Методы. Численные методы, рассчитывающие напряжения на линейном участке надземного магистрального трубопровода при различных опорах в зависимости от физико-механических свойств мерзлого грунта. Результаты и выводы. Разработана численная модель для оценки напряжений на линейном участке надземного трубопровода при нагрузках от морозного пучения на опору, связанных с типами и температурами грунтов. Обнаружено, что со снижением температуры грунта в интервале от –1 до –10 °С повышаются напряжения на трубопроводе, а за счет применения разработанных опор напряжения снижаются в 10 раз. Предлагаются новые конструкции опор надземных магистральных трубопроводов.
Ключевые слова:
надземный магистральный трубопровод, конструкция опоры, морозное пучение грунта, напряжения трубопровода
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wong P.K., Thevaragavan M. Lateral deformation and stability of embankments supported on controlled modulus columns // International Conference on Ground Improvement & Ground Control. – 2012. – P. 1–6. DOI: 10.3850/978-981-07-3559-3_02-0226
2. Иванова М.В., Федорова О.А. Возможности транспортировки арктической нефти на НПЗ Республики Башкортостан // Арктика и Север. – 2023. – № 53. – С. 62–78. DOI: 10.37482/issn2221-2698.2023.53.62
3. Казакова Т.И. Оценка техногенного влияния на многолетнемерзлые грунты при эксплуатации магистральных газопроводов // Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность: тезисы докладов. Х Молодежная международная научно-практическая конференция. – Развилка, 24–26 мая 2022. – Развилка: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ», 2022. – С. 115.
4. Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах. 2-е изд. доп. и перераб. / С.А. Кудрявцев, Т.Ю. Вальцева, А.В. Кажарский и др. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2015. – 43 с.
5. Оценка потенциального ущерба почвам от аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на территории Арктического региона / М.А. Невская, В.В. Беляев, С.Н. Пастернак, В.В. Виноградова, Д.И. Шагидулина // Север и рынок: формирование экономического порядка. – 2024. – № 3. – С. 107–122. DOI: 10.37614/2220-802X.3.2024.85.007
6. Гаррис Н.А., Полетаева О.Ю., Бакиев Т.А. Проблемы трубопроводного транспорта углеводородов в условиях мерзлоты и пути их решения // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2020. – № 3. – С. 64–67. DOI: 10.24411/0131-4270-2020-10311
7. Гаррис Н.А., Русаков А.И. Учет степени техногенного воздействия подземных трубопроводов на теплопроводность вмещающих мерзлых грунтов // Нефтегазовое дело. – 2020. – Т. 18. – № 6. – С. 99–106. DOI: 10.17122/ngdelo-2020-6-99-106
8. Ruixia He. Permafrost and cold-region environmental problems of the oil product pipeline from Golmud to Lhasa on the Qinghai–Tibet Plateau and their mitigation // Cold Regions Science and Technology. – 2014. – Vol. 64. – P. 279–288. DOI: 10.1016/j.coldregions.2010.01.003
9. Shakeel M., Ng C.W.W. Settlement and load transfer mechanism of a pile group adjacent to a deep excavation in soft clay // Computers and Geotechnics. – 2018. – Vol. 96. – P. 55–72. DOI: 10.1016/j.compgeo.2017.10.010
10. Comparison of coupled flow-deformation and drained analyses for road embankments on CMC improved ground / H. Mahdavi1, B. Fatahi, H. Khabbaz, P. Vincent, R. Kelly // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 143. – P. 462–469. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.058
11. Nguyen L.D., Fatahi B., Khabbaz H. A constitutive model for cemented clays capturing cementation degradation // International Journal of Plasticity. – 2014. – Vol. 56. – P. 1–18. DOI: 10.1016/J.IJPLAS.2014.01.007
12. Suebsuk J., Horpibulsuk S., Liu D. Modified structured cam clay: a generalised critical state model for destructed, naturally structured and artificially structured clays // Computers and Geotechnics. – 2010. – Vol. 37 (7). – P. 956–968. DOI: 10.1016/j.compgeo.2010.08.002
13. Способ защиты несущей конструкции наземного магистрального трубопровода от воздействия сил морозного пучения: пат. № 2785329, Российская Федерация, С1; заявл. 20.09.2022; опубл. 06.12.2022, Бюл. № 34. – 24 с.
14. Шамилов Х.Ш. Повышение эксплуатационной надежности подземных магистральных газопроводов в условиях островного распространения мерзлых грунтов: дис. … канд. техн. наук. – Уфа, 2022. – 129 с.
15. Оптимизация проектных решений при прокладке магистральных трубопроводов в условиях островной и прерывистой мерзлоты / Х.Ш. Шамилов, Р.М. Каримов, А.К. Гумеров, А.Р. Валеев, Р.Р. Ташбулатов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2021. – № 11 (2). – С. 136–144. DOI: 10.28999/2541-9595-2021-11-2-136-144
16. Sensitivity analysis of pipe–soil interaction influencing factors under frost heaving / L. Huang, Y. Sheng, L. Chen, E. Peng, X. Huang, X. Zhang // Atmosphere. – 2023. – № 14 (3). – P. 1–19. DOI: 10.3390/atmos14030469
17. Fetisov V. Analysis of numerical modeling of steady-state modes of methane–hydrogen mixture transportation through a compressor station to reduce CO2 emissions // Scientific Reports. – 2024. – 10605. – P. 1–21. DOI: 10.1038/s41598-024-61361-3
18. Lavrik A., Buslaev G., Dvoinikov M. Thermal stabilization of permafrost using thermal coils inside foundation piles // Civil Engineering Journal. – 2023. – Vol 9. – № 4. – P. 927–938. DOI: 10.28991/CEJ-2023-09-04-013
19. Li X. Mitigation strategies and measures for frost heave hazards of chilled gas pipeline in permafrost regions: a review // Transportation Geotechnics. – 2022. – P. 1–36. DOI: 10.1016/j.trgeo.2022.100786.
20. Numerical simulation of nonlinear processes in the “thruster-downhole motor-bit” system while extended reach well drilling / A.A. Kunshin, G.V. Buslaev, M. Reich et al. // Energies. – 2023. – Vol. 16. – № 9. – P. 3759. DOI: 10.3390/en16093759.
21. Study of the effect of cutting frozen soils on the supports of above-ground trunk pipelines / I.A. Shammazov, A.M. Batyrov, D.I. Sidorkin, T. Van Nguyen // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13. – № 3139. – P. 1–18. DOI: 10.3390/app13053139
22. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. изд. 2-Е. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. – 448 с.
23. СП 25.13330.2020. Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. – М.: Минстрой России, 2020. – 141 с.
24. Andersland O.B., Ladanyi B. Frozen Ground Engineering. – USA; Binding: Hardcover, 2003 – 384 p.
25. Вялов С.С. Реология мёрзлых грунтов / под ред. В.Н. Разбегина. – М: Изд-во «Стройиздат», 2000. – 464 с.
REFERENCES
1. Wong P.K., Thevaragavan M. Lateral deformation and stability of embankments supported on controlled modulus columns. International Conference on Ground Improvement & Ground Control, 2012. pp. 1–6. DOI: 10.3850/978-981-07-3559-3_02-0226
2. Ivanova M.V., Fedorova O.A. Possibilities of Arctic oil transportation to the refineries of the Republic of Bashkortostan. Arctic and North, 2023, no. 53, pp. 62–78. (In Russ.) DOI: 10.37482/issn2221-2698.2023.53.62
3. Kazakova T.I. Assessment of the anthropogenic impact on permafrost soils during the operation of main gas pipelines. New technologies in the gas industry: experience and continuity: abstracts. X Youth International Scientific and Practical Conference. Razvilka, May 24–26, 2022. Razvilka, Scientific Research Institute of Natural Gases and Gas Technologies – Gazprom VNIIGAZ Publ., 2022. pp. 115. (In Russ.)
4. Kudryavtsev S.A., Vyaltseva T.Y., Kozharsky A.V. Foundations and foundations of structures on permafrost soils. Khabarovsk, DVGUPS Publ., 2015. 43 p. (In Russ.)
5. Nevskaya M.A. Belyaev V.V., Pasternak S.N., Vinogradova V.V., Shagidullina D.I. Assessment of potential damage to soils from accidental oil and petroleum product spills in the Arctic region. North and market: the formation of an economic order, 2024, no. 3, pp. 107–122. (In Russ.) DOI: 10.37614/2220-802X.3.2024.85.007
6. Harris N.A., Poletaeva O.Y. Bakiev T.A. Problems of pipeline transportation of hydrocarbons in permafrost conditions and ways to solve them. Transportation and storage of petroleum products and hydrocarbon raw materials, 2020, vol. 4, no. 3, pp. 64–67. (In Russ.) DOI: 10.24411/0131-4270-2020-10311.
7. Harris N.A., Rusakov A.I. Consideration of the degree of anthropogenic impact of underground pipelines on the thermal conductivity of host frozen soils. Oil and gas business, 2020, vol. 18, no. 6, pp. 99–106. (In Russ.) DOI: 10.17122/ngdelo-2020-6-99-106.
8. Ruixia H., Huijun J. Permafrost and cold-region environmental problems of the oil product pipeline from Golmud to Lhasa on the Qinghai–Tibet Plateau and their mitigation. Cold Regions Science and Technology, 2014, vol. 64, pp. 279–288. DOI: 10.1016/j.coldregions.2010.01.003
9. Shakeel M., Ng W. Settlement and load transfer mechanism of a pile group adjacent to a deep excavation in soft clay. Computers and Geotechnics, 2018, vol. 96, pp. 55–72. DOI: 10.1016/j.compgeo.2017.10.010
10. Mahdavil H., Fatahi B., Khabbaz H., Vincent P., Kelly R. Comparison of coupled flow-deformation and drained analyses for road embankments on CMC improved ground. Procedia Engineering, 2016, vol. 143, pp. 462–469. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.058.
11. Nguyen L., Fatahi B., Khabbaz H. A constitutive model for cemented clays capturing cementation degradation. International Journal of Plasticity, 2014, vol. 56, pp. 1–18. DOI: 10.1016/j.ijplas.2014.01.007
12. Suebsuk J., Horpibulsuk S., Liu M. Modified structured cam clay: a generalised critical state model for destructed, naturally structured and artificially structured clays. Computers and Geotechnics, 2010, vol. 37 (7), pp. 956–968. DOI: 10.1016/j.compgeo.2010.08.002
13. Shammazov I.A., Batyrov A.M., Sidorkin D.I. A method of protecting the supporting structure of an above-ground main pipeline from the effects of frost heaving forces. Patent RF, no. 2785329, 2022. (In Russ.)
14. Shamilov H.S. Improving the operational reliability of underground main gas pipelines in conditions of island distribution of frozen soils. Cand. Diss. St Petersburg, 2022. 129 p. (In Russ.)
15. Shamilov H.S., Karimov R.M., Gumerov A.K., Valeev A.R., Tashbulatov R.R. Optimization of design solutions for laying main pipelines in conditions of island and intermittent permafrost. Science and technology of pipeline transport of oil and petroleum products, 2021, vol. 11, no. 2, pp. 136–144. (In Russ.) DOI: 10.28999/2541-9595-2021-11-2-136-144.
16. Huang L., Sheng Y., Chen L., Peng E., Huang X., Zhang X. Sensitivity analysis of pipe–soil interaction influencing factors under frost heaving. Atmosphere, 2023, no. 14 (3), pp. 1–19. DOI: 10.3390/atmos14030469
17. Fetisov V. Analysis of numerical modeling of steady-state modes of methane–hydrogen mixture transportation through a compressor station to reduce CO2 emissions. Scientific Reports, 2024, 10605, pp. 1–21. DOI: 10.1038/s41598-024-61361-3
18. Lavrik A., Buslaev G., Dvoinikov M. Thermal stabilization of permafrost using thermal coils inside foundation piles. Civil Engineering Journal, vol. 9, no. 4, pp. 927–938. DOI: 10.28991/CEJ-2023-09-04-013
19. Li X. Mitigation strategies and measures for frost heave hazards of chilled gas pipeline in permafrost regions: a review. Transportation Geotechnics, 2022, pp. 1–36. DOI: 10.1016/j.trgeo.2022.100786.
20. Kunshin A.A., Buslaev G.V., Reich M. Numerical simulation of nonlinear processes in the “thruster-downhole motor-bit” system while extended reach well drilling. Energies, 2023, vol. 16, no. 9, pp. 3759. DOI: 10.3390/en16093759.
21. Shammazov I.A., Batyrov A.M., Sidorkin D.I., Van Nguyen T. Study of the effect of cutting frozen soils on the supports of above-ground trunk pipelines. Applied Sciences, 2023, vol. 13 (5), 3139. DOI: 10.3390/app13053139.
22. Tsytovich N.A. Mechanics of frozen soils. Moscow, Librokom Publ., 2010. 448 p. (In Russ.)
23. SP 25-13330-2020. A set of rules. Foundations and foundations on permafrost soils. Moscow, Ministry of Russia Publ., 2020. 141 p. (In Russ.)
24. Andersland O.B., Ladanyi B. Frozen Ground Engineering. USA, Binding, Hardcover, 2003. 384 p.
25. Vyalov S.S. Rheology of frozen soils. Moscow, Stroyizdat Publ., 2000. 464 p. (In Russ.)
