Выпуск:
2021. Том 7. № 4 (28)Об авторах:
Вакулин Александр Анатольевич, доктор технических наук, профессор, почетный работник науки и высоких технологий РФ, профессор кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, Тюменский государственный университет; a.a.vakulin@utmn.ruАннотация:
В статье представлены постановка и решение сопряженной задачи об остывании нефти при останове нефтепровода подземной прокладки и изменении температуры в промороженном грунте при наличии мохового и снежного покровов на поверхности. Разработаны физико-математическая модель и сопряженный вычислительный алгоритм расчета параметров нефти в трубопроводе и грунта с покровами. Изучены особенности застывания нефти, имеющей в своем составе N-фракций парафинов при отводе тепла в мерзлый грунт. Важной задачей, решаемой в данной работе, является аппроксимация характерной диаграммы фазовых равновесных состояний при охлаждении парафинистой нефти в диапазоне температур от начала кристаллизации парафинов до температуры застывания. Особенностью решаемой задачи является то, что температурное поле нефти в трубопроводе (область А) и температурное поле влажного грунта, окружающего трубопровод (область В), имеет общую границу — стенку трубопровода, которая полагается тонкой. Через стенку трубопровода, температура которой заранее неизвестна, осуществляется учет взаимного влияния температурных полей (сопряжение). Представлены результаты экспериментального исследования изменения с течением времени температуры в трубопроводе в лабораторных условиях. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными о застывании высоковязкой парафинистой нефти в модельном нефтепроводе при охлаждении нефти от +4,5 до −5,5 °С. На основе разработанных в данной статье физико-математической модели и сопряженного алгоритма расчета параметров грунта и нефти установлено, что при наличии мохового и снежного покровов, характерных для зимних условий Среднего Приобья Западной Сибири, в нефтепроводе с условным диаметром 700 мм нефть застывает за время 40-60 часов в зависимости от параметров грунтов и фракционного состава нефти.
Ключевые слова:
Список литературы:
Антипьев В. Н. Эксплуатация магистральных газопроводов: учеб. пос. / В. Н. Антипьев, Г. В. Бахмат, Ю. Д. Земенков, Ю. И. Важенин и др.; под общ. ред. Ю. Д. Земенкова. Тюмень: Вектор Бук, 2002. 528 с.
Бородавкин П. П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство) / П. П. Бородавкин. М.: Недра, 1982. 384 с.
Вакулин А. А. Диагностика теплофизических параметров в нефтегазовых технологиях / А. А. Вакулин, А. Б. Шабаров. Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма РАН, 1998. 249 с.
Даниэлян Ю. С. Вариационный принцип в задаче определения температурного поля вокруг группы подземных трубопроводов / Ю. С. Даниэлян, П. А. Яницкий // Энергетика и транспорт. 1990. № 1. С. 151-157.
Даниэлян Ю. С. Определение коэффициента теплопроводности больших массивов грунтов / Ю. С. Даниэлян, В. С. Зайцев // Нефтяное хозяйство. 2009. № 5. С. 98-100.
Дубина М. М. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами / М. М. Дубина, Б. А. Красовицкий. Новосибирск: Наука, 1983. 132 с.
Кутрунов В. Н. Экспериментальное исследование и физико-математическое моделирование процесса остывания нефти в подземном трубопроводе / В. Н. Кутрунов, П. Ю. Михайлов, Л. А. Пульдас и др. // Вестник Тюменского государственного университета. 2012. № 4. С. 61-67.
Мороз А. А. Нефтепроводы Западной Сибири / А. А. Мороз, Н. А. Малюшин, О. А. Степанов. СПб.: Недра, 1999. 188 с.
Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред / Р. И. Нигматулин. М.: Наука, 1987. 464 с.
Пульдас Л. А. Нестационарные тепловые режимы в гражданских зданиях: автореф. дис. канд. техн. наук / Л. А. Пульдас. Тюмень, 2008. 20 с.
Сунагатуллин Р. З. Исследование причин образования асфальтосмолопарафиновых отложений товарной нефти в условиях эксплуатации магистральных нефтепроводов / Р. З. Сунагатуллин и др. // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2020. Том 10. № 6. С. 610-619.
Шабаров А. Б. Калометрический метод определения содержания незамерзшей воды в мерзлый грунтах / А. Б. Шабаров, Б. В. Григорьев, А. А. Вакулин // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, посвященной 20-летию ООО НПО «Фундаментстройаркос». Тюмень: Сити-Пресс, 2011. С. 436-437.
Шабаров А. Б. Физико-математическое моделирование полей температуры и льдистости в мерзлых грунтах вокруг заглубленного трубопровода / А. Б. Шабаров, П. Ю. Михайлов, Л. А. Пульдас, А. А. Вакулин // Вестник Тюменского государственного университета. 2010. № 6. С. 14-19.
Deru M. A Model for Ground-Coupled Heat and Moisture Transfer from Buildings: Technical Report NREL/TP-550-33954 / M. Deru. National Renewable Energy Laboratory, 2003.
Gopalakrishnan K. A mathematical model for predicting isothermal soil moisture profiles using finite difference method / K. Gopalakrishnan, A. Manik // Journal of Civil and Environmental Engineering. 2007. Vol. 1. Pp. 14-20. DOI: 10.5281/zenodo.1332730
Hartikainen J. Numerical solution of soil freezing problem by a new finite element scheme / J. Hartikainen, M. J. Mikkola // IUTAM Symposium on Theoretical and Numerical Methods in Continuum Mechanics of Porous Materials. Solid Mechanics and Its Applications. 2002. Vol. 87. Session A4. Pp. 61-66. DOI: 10.1007/0-306-46953-7_8
Jansen H. The Influence of Soil Moisture Transfer on Building Heat Loss Via The Ground: Thesis / H. Jansen. Catholic University Leuven, 2002.
Li G. Development of freezing-thawing processes of foundation soils surrounding the China-Russia Crude Oil Pipeline in the permafrost areas under a warming climate / G. Li et. al. // Cold Regions Science and Technology. 2010. Vol. 64. Iss. 3. Pp. 226-234. DOI: 10.1016/j.coldregions.2009.08.006
Li G. Forecasting the oil temperatures along the proposed China-Russia Crude Oil Pipeline using quasi 3-D transient heat conduction model / G. Li et. al. // Cold Regions Science and Technology. 2010. Vol. 64. Iss. 3. Pp. 235-242. DOI: 10.1016/j.coldregions.2009.08.003
