Bu tədqiqat bərpa olunan enerji sistemləri ilə birlikdə getdikcə daha mühüm hala gələn yeraltı enerji saxlanması və xüsusilə duz mağaralarında hidrogen saxlanması mövzusunu geomekaniki təhlükəsizlik baxımından araşdırır. Günəş və külək kimi bərpa olunan mənbələr daim eyni miqdarda enerji istehsal etmir. Buna görə artıq elektrik enerjisinin yaşıl hidrogenə çevrilməsi və bu hidrogenin böyük həcmlərdə təhlükəsiz şəkildə saxlanması enerji sistemlərinin gələcəyi baxımından kritik hesab olunur. Duz mağaraları bu məqsəd üçün güclü namizədlərdir; çünki duz süxuru çox aşağı keçiriciliyə, özünü qismən bərpa etmək qabiliyyətinə və uyğun mexaniki davranışa malikdir.

Lakin tədqiqatın əsas xəbərdarlığı budur: Duz mağaraları ənənəvi olaraq ildə bir və ya az sayda yavaş doldurma-boşaltma dövrü ilə işlədildikdə təhlükəsiz qala bilər; ancaq bərpa olunan enerjidəki dalğalanmaları tarazlamaq üçün daha tez-tez hidrogen inyeksiyası və hasilatı aparılarsa, mağaranın ətrafındakı duz süxuru daha ağır termomexaniki yorulmaya məruz qalır. Qaz inyeksiyası zamanı sıxılma nəticəsində mağaranın daxilində temperatur yüksəlir. Qaz hasilatı zamanı isə genişlənmə və Joule-Thomson effekti nəticəsində temperatur sürətlə azalır. Duz süxurunun istilik keçiriciliyi aşağı olduğuna görə bu temperatur dəyişiklikləri mağara divarına yaxın dar bir zonada cəmlənir və burada təkrarlanan termal gərginliklər yaranır.

Tədqiqatçılar bu problemi izah etmək üçün klassik Burgers sürünmə modelini təkmilləşdiriblər. Yeni model temperaturla elastiklik modulunun zəifləməsini, Arrhenius qanununa görə özlülüyün dəyişməsini, gərginlik artımının sürünməni sürətləndirməsini və mikroçatların yığılaraq zədələnməni böyütməsini birlikdə nəzərə alır. Model laboratoriya miqyaslı duz mağarası təcrübələri, akustik emissiya ölçmələri, qaz sızmasının izlənməsi və 30 illik ədədi simulyasiyalarla doğrulanmağa çalışılmışdır.

Tədqiqatın əsas nəticəsi kifayət qədər aydındır: İldə 1 inyeksiya-hasilat dövrü araşdırılan JK8-6 Jintan duz mağarası üçün 30 ilin sonunda təhlükəsiz görünür. İldə 2 dövrdə yerli struktur qeyri-sabitlik riski nəzərəçarpacaq dərəcədə artır. İldə 3 dövrdə isə kumulyativ zədələnmə əmsalı geniş zonalarda 0,5 mühəndislik həddini aşır və makroskopik çatlaq şəbəkəsi, hermetikliyin itirilməsi və hidrogen miqrasiyası riski ciddi şəkildə yüksəlir.

Bu nəticə hidrogen saxlama sistemlərinin yalnız həcm, təzyiq və iqtisadi tutum baxımından deyil, işlətmə tezliyi baxımından da layihələndirilməli olduğunu göstərir. Eyni mağara ildə bir dövrlə təhlükəsiz işləyə bildiyi halda, ildə üç dövrlə uzunmüddətli perspektivdə riskli hala gələ bilər. Buna görə duz mağarasında hidrogen saxlanması bərpa olunan enerji şəbəkələrinə qoşularkən “daha tez-tez işlətmək daha yaxşı çeviklik yaradır” məntiqi ilə deyil, süxurun yorulması, termal şok, sürünmə deformasiyası və hermetikliyin itirilməsi birlikdə qiymətləndirilərək idarə edilməlidir.

Tədqiqatın əsas problemi nədir?

Bu tədqiqatın mərkəzində enerji keçidinin çox kritik, lakin çox vaxt nəzərdən qaçan bir problemi dayanır: Böyük miqdarda yaşıl hidrogen istehsal etmək qədər, həmin hidrogeni uzun müddət təhlükəsiz şəkildə saxlamaq da çətindir. Külək və günəş enerjisinin elektrik istehsalındakı payı sürətlə artır; lakin bu mənbələr təbiət etibarilə dəyişkəndir. Günəş gecələr enerji istehsal etmir, buludlu günlərdə istehsal azalır; külək isə həmişə eyni sürətlə əsmir. Enerji sisteminin tarazlıqda qala bilməsi üçün artıq istehsal saxlanmalı və ehtiyac yarandıqda yenidən istifadə oluna bilməlidir.

Yaşıl hidrogen bu baxımdan mühüm həll kimi qəbul edilir. Artıq bərpa olunan elektrik elektroliz yolu ilə hidrogenə çevrilə bilər. Hidrogen daha sonra sənayedə, nəqliyyatda, enerji istehsalında və ya mövsümi enerji saxlanmasında istifadə oluna bilər. Lakin hidrogeni böyük həcmlərdə saxlamaq üçün səthdə çənlər qurmaq çox vaxt yetərli və iqtisadi deyil. Buna görə yeraltı saxlama, xüsusilə də duz mağaraları, iri miqyaslı hidrogen saxlanması üçün güclü geoloji seçim kimi önə çıxır.

Duz mağaraları təbii və ya süni yolla yaradılmış böyük yeraltı boşluqlardır. Duz süxurunun keçiriciliyi çox aşağıdır; yəni qazın süxurun içindən qaçması çətindir. Bundan əlavə, duz süxuru zamanla plastik/sürünmə davranışı göstərdiyinə görə mikroçatları bağlamaq və öz hermetikliyini qismən qorumaq qabiliyyətinə malikdir. Bu xüsusiyyətlər duz mağaralarını təbii qaz, sıxılmış hava və hidrogen saxlanması üçün dəyərli edir.

Lakin tədqiqat bərpa olunan enerji ilə inteqrasiya olunmuş hidrogen saxlanmasında ənənəvi istismar şəraitinin dəyişdiyini vurğulayır. Klassik qaz saxlama mağaraları adətən mövsümi işləyir: ilin müəyyən dövründə doldurulur, müəyyən dövründə boşaldılır. Belə bir istismar rejimində təzyiq və temperatur dəyişiklikləri daha yavaş və daha az tezliklə baş verir. Bərpa olunan enerjidəki dalğalanmaları tarazlamaq üçün istifadə olunan hidrogen anbarlarında isə daha tez-tez inyeksiya və hasilat tələb oluna bilər. Bu da mağaranın ətrafındakı duz süxurunu yüksək tezlikli yükləmə-boşaltma və termal genişlənmə-büzülmə dövrlərinə məruz qoyur.

Tədqiqatın əsas sualı bu nöqtədə ortaya çıxır: Duz mağarası hidrogen saxlama sistemi bərpa olunan enerji şəbəkəsinin tez-tez baş verən dalğalanmalarını qarşılamaq üçün ildə bir neçə dəfə doldurulub boşaldılarsa, mağaranın ətrafındakı süxur 30 il ərzində hermetikliyini və struktur təhlükəsizliyini qoruya bilərmi?

Yüksək tezlikli istismar niyə daha təhlükəli ola bilər?

Yüksək tezlikli inyeksiya-hasilat mağaranın ətrafındakı süxurda iki əsas təsiri eyni vaxtda gücləndirir: mexaniki yorulma və termal yorulma.

Mexaniki baxımdan, mağaradakı qaz təzyiqi inyeksiya zamanı artır, hasilat zamanı azalır. Təzyiq artdıqda mağara divarı xaricə doğru yüklənir; təzyiq azaldıqda ətraf süxura verilən dayaq azalır. Bu davamlı yükləmə-boşaltma duz süxurunun sürünmə deformasiyasına və gərginliyin yenidən paylanmasına təsir edir. Bir dövrdə kiçik görünən deformasiyalar onilliklər boyu yığıldıqda mağara həcmində kiçilmə, ətraf süxurda çatlaq inkişafı və yerli qeyri-sabitlik yarada bilər.

Termal baxımdan qazın davranışı daha mürəkkəbdir. İnyeksiya zamanı yüksək təzyiqli qaz mağaraya daxil olarkən sıxılma və istilik yığılması baş verir. Bu proses mağaradakı temperaturu artırır. Hasilat zamanı qaz genişlənir və Joule-Thomson effekti ilə soyuma meydana gəlir. Bu dəfə mağara daxilində temperatur sürətlə aşağı düşür. Yəni mağara divarı bir dövr ərzində əvvəlcə qızır, sonra soyuyur.

Duz süxurunun istilik keçiriciliyi aşağı olduğuna görə bu temperatur dəyişikliyi mağaradan uzaq zonalara sürətlə yayıla bilmir. İstilik mübadiləsi əsasən mağara divarına yaxın nazik bir termal təsirlənmiş zonada cəmlənir. Bu dar zonada süxur davamlı olaraq qızıb soyuduqda təkrarlanan termal genişlənmə və büzülmə gərginlikləri yaranır. Bu gərginliklər mikroçatların başlanmasına, mövcud çatların böyüməsinə və zamanla hermetiklik baryerinin zəifləməsinə səbəb ola bilər.

Buna görə yüksək tezlikli istismar yalnız “eyni əməliyyatı daha tez-tez yerinə yetirmək” demək deyil. Hər dövr mağara divarında kiçik mexaniki və termal zədələnmə izi buraxa bilər. Dövrlərin sayı artdıqca bu izlər birləşə və struktur təhlükəsizliyini müəyyən edən kritik zədələnmə səviyyələrinə çata bilər.

Konseptual enerji sistemi sxemi nəyi göstərir?

Tədqiqatın əvvəlindəki konseptual enerji sistemi sxemi bərpa olunan elektrikdən yaşıl hidrogenə və oradan yeraltı saxlamaya uzanan zənciri göstərir. Külək və günəş kimi fasiləli mənbələrdən gələn elektrik enerji şəbəkəsi ilə əlaqələndirilir. Artıq elektrik elektroliz sistemlərində hidrogen istehsal etmək üçün istifadə olunur. İstehsal edilən hidrogen böyük həcmli və uzunmüddətli saxlama məqsədilə yeraltı duz mağaralarına göndərilir. Daha sonra bu hidrogen ehtiyac olduqda enerji sisteminə geri qaytarıla bilər.

Bu sxem tədqiqatın niyə yalnız süxur mexanikası ilə deyil, həm də enerji sisteminin təhlükəsizliyi ilə əlaqəli olduğunu göstərir. Hidrogen saxlama mağarası təhlükəsiz işləməzsə, bərpa olunan enerjinin inteqrasiyası üçün lazım olan çeviklik də zəifləyər. Yəni yeraltındakı süxur zədələnməsi səthdəki enerji şəbəkəsinin etibarlılığına dolayı şəkildə təsir edə bilər.

Periodik inyeksiya-hasilat mexanizmi necə izah olunur?

Tədqiqatda verilən istismar mexanizmi sxemi qaz inyeksiyası və hasilatı zamanı mağara divarında yaranan zədələnmə yollarını ümumiləşdirir. İnyeksiya mərhələsində qaz təzyiqi və temperatur yüksəlir. Hasilat mərhələsində təzyiq azalır, qaz genişlənir və mağara daxilində temperatur aşağı düşür. Bu dövr mağara divarının yaxınlığında təkrarlanan termal gərginliklər və mexaniki yük dəyişiklikləri yaradır.

Sxemdə xüsusilə üç risk önə çıxır:

• Həcm kiçilməsi: Duz süxurunun sürünmə davranışı nəticəsində mağara həcmi zamanla azala bilər.
• Dartılma və kəsilmə zədələnməsi: Termal şok və gərginliyin yenidən paylanması yerli dartılma çatları və ya kəsilmə zədələnməsi yarada bilər.
• Hermetikliyin itirilməsi: Mikroçatların birləşərək makroskopik çatlaq şəbəkəsinə çevrilməsi hidrogen miqrasiyası və qaz qaçağı riskini artıra bilər.

Bu nöqtədə tədqiqatın mühüm bir mesajı var: Duz mağarasında təhlükəsizlik yalnız mağaranın çöküb-çökməməsi ilə ölçülə bilməz. Mağara həndəsi baxımdan dayanıqlı görünə bilər, lakin ətraf süxurdakı mikroçatlaq şəbəkəsi hermetikliyi pozarsa, saxlama təhlükəsizliyi risk altına düşə bilər. Hidrogen molekulunun kiçik olması və yüksək hermetiklik tələbi bu riski daha həssas edir.

Klassik Burgers modeli nədir?

Duz süxuru uzun müddət yük altında qaldıqda dərhal qırılmaq əvəzinə zamanla formasını dəyişir. Bu davranış sürünmə adlanır. Yeraltı duz mağaralarında sürünmə çox mühümdür; çünki mağaranın ətrafındakı duz süxuru illər boyu yavaş-yavaş hərəkət edir, mağaranın həcmini azaldır və gərginlik sahəsini yenidən tənzimləyir.

Klassik Burgers modeli sürünmə davranışını izah etmək üçün istifadə olunan viskoelastik modeldir. Model bir Maxwell elementi ilə bir Kelvin elementinin ardıcıl birləşdirilməsindən ibarətdir. Maxwell elementi ani elastik reaksiyanı və uzunmüddətli özlü axını təmsil edir. Kelvin elementi isə gecikmiş elastik deformasiyanı izah edir.

Sabit gərginlik altında klassik Burgers sürünmə asılılığı belə yazıla bilər:

\[ \varepsilon(t)= \frac{\sigma}{E_1} + \frac{\sigma}{\eta_1}t + \frac{\sigma}{E_2} \left( 1-e^{-\frac{E_2}{\eta_2}t} \right) \]

Bu düsturda \(\varepsilon(t)\) zamandan asılı sürünmə deformasiyasıdır. \(\sigma\) tətbiq olunan gərginlikdir. \(E_1\) Maxwell cisminin ani elastiklik moduludur və yükləmə anındakı bərpa oluna bilən elastik deformasiyanı müəyyən edir. \(\eta_1\) Maxwell özlülük əmsalıdır və uzunmüddətli qalıcı özlü axını idarə edir. \(E_2\) Kelvin cisminin gecikmiş elastiklik moduludur. \(\eta_2\) Kelvin cisminin özlülük əmsalıdır və gecikmiş deformasiyanın sürətini müəyyən edir.

Düsturdakı birinci termin ani elastik deformasiyanı, ikinci termin zamanla yığılan qalıcı özlü deformasiyanı, üçüncü termin isə zamanla yavaşıyan gecikmiş elastik deformasiyanı təmsil edir. Buna görə Burgers modeli duz süxurunun ilkin deformasiyasını, yavaşıyan sürünməni və sabit sürünmə davranışını izah etmək üçün faydalıdır.

Klassik Burgers modeli niyə yetərli hesab edilməyib?

Klassik Burgers modelinin mühüm bir məhdudiyyəti var: Model parametrləri çox vaxt sabit qəbul edilir. Halbuki yeraltı hidrogen saxlanmasında mağaranın ətrafındakı temperatur, təzyiq və gərginlik vəziyyəti daim dəyişir. İnyeksiya zamanı temperatur və təzyiq artır; hasilat zamanı azalır. Bu dəyişikliklər duz süxurunun elastiklik moduluna, özlülüyünə və zədələnmənin inkişafına təsir edir.

Başqa sözlə, süxur hər dövrdə eyni material kimi davranmır. Temperatur artdıqca elastiklik modulu zəifləyə bilər. Gərginlik yüksəldikcə özlü axın sürətlənə bilər. Mikroçatların sayı artdıqca effektiv daşıyıcı sahə azalır və eyni xarici gərginlik daha yüksək daxili gərginlik təsiri yaradır. Buna görə klassik model yüksək tezlikli hidrogen saxlama əməliyyatlarındakı termomexaniki yorulmanı tam təsvir etməkdə yetərsiz qala bilər.

Bu tədqiqat məhz bu məhdudiyyəti aradan qaldırmaq üçün Burgers modelini temperatur, gərginlik və zədələnmə təkamülü ilə birlikdə genişləndirir.

Temperatur elastiklik moduluna necə təsir edir?

Tədqiqatda duz süxurunun elastiklik modulunun temperaturla xətti deyil, eksponensial şəkildə azaldığı qəbul edilmişdir. Bu davranış aşağıdakı MathJax düsturu ilə ifadə olunur:

\[ E_i(T)=E_{i0}\exp(-\beta_E \Delta T) \]

\[ \Delta T=T-T_0 \]

Burada \(E_i(T)\) temperatur \(T\) şəraitində elastiklik modulunu göstərir. \(E_{i0}\) istinad temperaturundakı elastiklik moduludur. \(T_0\) istinad temperaturudur. \(\Delta T\) mövcud temperaturla istinad temperaturu arasındakı fərqdir. \(\beta_E\) elastiklik modulunun temperatura həssaslığını göstərən zəifləmə əmsalıdır.

Bu düsturun mənası budur: Temperatur artdıqca duz süxurunun elastik müqaviməti azalır. Yəni süxur eyni gərginlik altında daha çox deformasiya etməyə meyilli olur. Qaz inyeksiyası zamanı mağara divarı qızdıqda bu temperatur zəifləməsi sürünmə deformasiyasını sürətləndirə bilər.

Özlülük niyə Arrhenius qanununa görə dəyişdirilir?

Özlülük materialın uzunmüddətli axmağa və ya sürünməyə qarşı müqavimətidir. Duz süxuru temperatur yüksəldikcə daha asan sürünə bilər. Bu davranış bir çox termal aktivləşən prosesdə olduğu kimi Arrhenius tipli asılılıqla izah edilə bilər.

Tədqiqatda özlülük əmsalı temperatur və gərginlik təsiri nəzərə alınmaqla belə dəyişdirilmişdir:

\[ \eta_j(T,\sigma)= \frac{ \eta_{j0} \exp\left(\frac{Q_j}{R(T+273)}\right) }{ 1+\alpha_\sigma \sigma } \]

Burada \(\eta_j(T,\sigma)\) temperatur və gərginlik şəraitində düzəldilmiş özlülük əmsalıdır. \(\eta_{j0}\) istinad vəziyyətindəki özlülük əmsalıdır. \(Q_j\) özlü axının aktivləşmə enerjisidir. \(R\) ideal qaz sabitidir. \(T+273\) temperaturun Kelvin şkalasına çevrilmiş qiymətidir. \(\alpha_\sigma\) gərginlik gücləndirmə və ya gərginliyə həssaslıq əmsalıdır. \(\sigma\) tətbiq olunan gərginlik səviyyəsini ifadə edir.

Düstur eyni anda iki əsas təsiri əhatə edir. Temperatur yüksəldikdə özlü axın sürətlənir. Gərginlik artdıqda məxrəcdəki \(1+\alpha_\sigma\sigma\) termini böyüyür və effektiv özlülük azalır. Özlülük azaldıqda süxur daha asan sürünür. Beləliklə düstur “daha yüksək temperatur və daha yüksək gərginlik daha sürətli sürünmə deformasiyası yaradır” fikrini riyazi şəkildə ifadə edir.

Zədələnmə dəyişəni D nə deməkdir?

Tədqiqatın ən kritik tərəflərindən biri mikroçatların yığılmasını təmsil edən davamlı zədələnmə dəyişənidir. Bu dəyişən \(D\) ilə göstərilir və ümumiyyətlə \(0 \leq D \leq 1\) intervalında nəzərdən keçirilir. \(D=0\) materialın zədəsiz və ya sağlam olduğunu; \(D\) artdıqca mikroçatların çoxaldığını; \(D\) çox yüksək qiymətlərə çatdıqda materialın daşıma və hermetiklik qabiliyyətini itirdiyini göstərir.

Davamlı zədələnmə mexanikasına görə mikroçatların sayı artdıqca materialın effektiv daşıyıcı sahəsi azalır. Bu halda eyni xarici gərginlik zədələnmiş material daxilində daha yüksək effektiv gərginlik kimi təsir edir:

\[ \tilde{\sigma}=\frac{\sigma}{1-D} \]

Burada \(\tilde{\sigma}\) zədələnmə səbəbindən böyüdülmüş effektiv gərginlikdir. \(\sigma\) xaricdən tətbiq olunan makroskopik gərginlikdir. \(D\) zədələnmə dəyişənidir. \(D\) artdıqca \(1-D\) kiçilir və effektiv gərginlik böyüyür. Bu, zədələnmənin özünü sürətləndirən quruluşunu izah edir: Zədələnmə artdıqca material daha çox yüklənir; daha çox yükləndikcə zədələnmə daha sürətlə böyüyür.

Zədələnmənin təkamülü necə modelləşdirilir?

Tədqiqatda zədələnmənin zamanla böyüməsi üçün temperaturu, yükləmə tezliyini, ekvivalent gərginliyi və özünü sürətləndirmə təsirini ehtiva edən tənlik istifadə edilmişdir:

\[ \frac{dD}{dt} = C f \left[ \frac{\sigma_{eq}/\sigma_c}{1-D} \right]^m \exp\left[ -\frac{Q_D}{R(T+273)} \right] \]

Bu düsturda \(\frac{dD}{dt}\) zədələnmənin zaman üzrə artım sürətidir. \(C\) eksperimental olaraq kalibrlənən zədələnmə əmsalıdır. \(f\) dəyişən yükləmə tezliyidir; yəni inyeksiya-hasilat dövrlərinin tezliyini təmsil edir. \(\sigma_{eq}\) üçölçülü gərginlik vəziyyətini vahid ekvivalent gərginlik qiymətinə çevirən göstəricidir. \(\sigma_c\) xarakterik möhkəmlikdir. \(m\) zədələnmə təkamülünün qeyri-xətti həssaslığını müəyyən edən qüvvət göstəricisidir. \(Q_D\) zədələnmənin aktivləşmə enerjisidir. \(R\) ideal qaz sabitidir. \(T\) temperaturdur.

Bu tənlik tədqiqatın əsasını təşkil edir. Çünki eyni anda üç mühüm fikri əhatə edir:

• İstismar tezliyi \(f\) artdıqca zədələnmə daha sürətlə yığılır.
• Ekvivalent gərginlik \(\sigma_{eq}\) artdıqca mikroçatların inkişafı sürətlənir.
• Zədələnmə \(D\) böyüdükcə \(1-D\) kiçilir və sonrakı zədələnmə daha da sürətlənir.

Buna görə yüksək tezlikli hidrogen saxlanmasında risk xətti deyil. İldə 3 dövr, ildə 1 dövrün sadəcə üçqat təsirini yaratmaya bilər; zədələnmə özünü sürətləndirdiyi üçün uzunmüddətli nəticə çox daha ağır ola bilər.

Üçölçülü gərginlik vəziyyəti necə nəzərə alınır?

Yeraltındakı duz süxuru sadə biroxlu gərginlik altında deyil. Ona örtük yükü, üfüqi geoloji gərginliklər, mağara daxili qaz təzyiqi, temperatur mənşəli gərginliklər və lay təsirləri birlikdə təsir edir. Buna görə model biroxlu gərginlik əvəzinə Mohr-Coulomb yanaşmasına əsaslanan ekvivalent gərginlikdən istifadə edir:

\[ \sigma_{eq} = \frac{1}{3}I_1\sin\varphi + \sqrt{J_2} \left( \cos\theta - \frac{\sin\theta\sin\varphi}{\sqrt{3}} \right) - c\cos\varphi \]

Burada \(\sigma_{eq}\) zədələnmə və axma qiymətləndirməsində istifadə olunan ekvivalent gərginlikdir. \(I_1\) gərginlik tensorunun birinci invariantıdır və orta/normal gərginlik vəziyyəti ilə əlaqəlidir. \(J_2\) deviator gərginlik invariantıdır və forma dəyişdirən/kəsici təsiri təmsil edir. \(\theta\) Lode bucağıdır və üçölçülü gərginlik yolunun xarakterini ifadə edir. \(\varphi\) daxili sürtünmə bucağıdır. \(c\) koheziyadır.

Bu düsturun praktik mənası budur: Mağaranın ətrafındakı süxur yalnız təzyiqə görə deyil, üçölçülü gərginlik kombinasiyasına görə qiymətləndirilir. Bu daha real yanaşmadır; çünki duz mağaralarında zədələnmə çox vaxt tək bir istiqamətdəki yükdən deyil, təzyiq, kəsilmə, dartılma və termal gərginlik təsirlərinin birləşməsindən yaranır.

Təcrübə qurğusu necə hazırlanıb?

Modelin yalnız nəzəri səviyyədə qalmaması üçün laboratoriya miqyaslı fiziki simulyasiya təcrübələri aparılmışdır. Təcrübələrdə Pakistandan götürülmüş təbii duz süxuru nümunəsindən istifadə edilmişdir. Nümunənin diametri 200 mm, hündürlüyü 400 mm olaraq verilmişdir. Nümunənin daxilində kiçik miqyaslı duz mağarası yaradılmışdır. Yaradılan mağaranın maksimum diametri 62,58 mm, hündürlüyü 75,12 mm, həcmi isə 158,64 mL olaraq göstərilmişdir.

Bu təcrübə qurğusu real duz mağarası istismarını laboratoriya miqyasında təqlid etməyi hədəfləyir. Nümunəyə xaricdən oxboyu və radial təzyiq tətbiq olunur. Mağaranın daxilinə yüksək təzyiqli qaz vurulur. Qaz təzyiqi dövri şəkildə artırılıb azaldılır. Beləliklə real saxlama mağarasında baş verən inyeksiya-hasilat dövrləri kiçik miqyasda simulyasiya edilir.

Təcrübə boyunca oxboyu deformasiya, radial deformasiya və qaz sızması ölçülmüşdür. Bundan əlavə, mikroçatların inkişafını izləmək üçün akustik emissiya sistemindən istifadə edilmişdir. Akustik emissiya süxur daxilində çat yaranması və ya mikrosürüşmə kimi hadisələr zamanı ayrılan elastik dalğaları aşkar edir. Buna görə laboratoriya miqyasında zədələnmənin nə vaxt və hansı sürətlə inkişaf etdiyini anlamaq üçün güclü vasitədir.

Təcrübə şəraiti necədir?

Tədqiqatda üç əsas təcrübə şəraiti yaradılmışdır:

Hər təcrübə 5 dövrdən ibarət olmuşdur. Hər dövr 12 saat davam etmiş; aşağı təzyiq, yüksək təzyiq və təzyiqin tənzimlənməsi mərhələlərini əhatə etmişdir. Qaz kimi heliumdan istifadə olunmuşdur. Maksimum qaz təzyiqi 17 MPa, minimum qaz təzyiqi 7 MPa-dır. Təcrübələrdən sonra əvvəlki zədələnmənin sonrakı təcrübələrə təsir etməməsi üçün mağaraya doymuş duzlu su vurulmuş və 7 MPa təzyiq altında 3 gün saxlanılaraq duz süxurunun özünü bərpa etmə təsirindən istifadə edilmişdir.

Təcrübə nəticələri modelin hansı tərəflərini dəstəkləyir?

Təcrübə nəticələri üç əsas baxımdan qiymətləndirilmişdir: makroskopik sürünmə deformasiyası, akustik emissiya ilə zədələnmənin inkişafı və qaz hermetikliyi göstəriciləri.

Birincisi, radial sürünmə deformasiyasında nəzərəçarpacaq fərqlər müşahidə olunmuşdur. Əsas şəraitdə 5 dövrün sonunda radial deformasiya %0,0159 səviyyəsinə yüksəlmişdir. Yüksək temperatur şəraitində bu qiymət %0,0245 olmuşdur. Yüksək deviator gərginlik şəraitində isə %0,0388 səviyyəsinə çatmışdır.

Bu nəticə göstərir ki, temperaturun artması duz süxurunun sürünməsini sürətləndirir; lakin yüksək deviator gərginlik deformasiyanı daha güclü şəkildə sürətləndirir. Bu tapıntı modeldə həm temperatur yumşalmasının, həm də ekvivalent gərginliklə hərəkətverici terminin olmasını dəstəkləyir.

İkincisi, akustik emissiyalardan hesablanan kumulyativ zədələnmə dəyişəni xətti deyil, S formalı inkişaf göstərmişdir. Əvvəlcə sürətli artım, sonra daha sabit inkişaf, daha sonra isə sürətlənən zədələnmə təkamülü müşahidə edilmişdir. Xüsusilə yüksək deviator gərginlik şəraitində 5-ci dövrdə zədələnmə dəyişəni D = 0,076 səviyyəsinə çatmış və qeyri-sabit yayılma meyli göstərmişdir. Bu davranış zədələnmə tənliyindəki \(1-D\) məxrəcinin təmsil etdiyi özünü sürətləndirmə mexanizmi ilə uyğun gəlir.

Üçüncüsü, qaz sızması zədələnmə dəyişəni ilə paralel inkişaf etmişdir. Əsas şəraitdə və yüksək temperatur şəraitində sızmanın artımı daha məhdud və daha nizamlıdır. Yüksək deviator gərginlik şəraitində isə ilk dövrlərdəki yavaş yığılmadan sonra 5-ci dövrdə sızma nisbəti kəskin artaraq %0,105 səviyyəsinə çatmışdır. Bu, mikroçatların birləşərək hermetiklik baryerini pozmağa meyilli olduğunu göstərir.

Bu üç sübut birlikdə qiymətləndirildikdə modelin yalnız deformasiyanı deyil, həm də zədələnmənin yığılmasını və hermetikliyin itirilməsini təmsil edə bildiyi görünür. Kalibrləmə nəticəsində modelin ümumi uyğunluq əmsalının \(R^2 > 0,92\) səviyyəsinə çatması təcrübə məlumatları ilə güclü uyğunluq əldə edildiyini göstərir.

Kalibrlənmiş model parametrləri nə deməkdir?

Tədqiqatda termomexaniki zədələnməni ehtiva edən Burgers modeli üçün əsas parametrlər təcrübə məlumatları ilə kalibrlənmişdir. Əsas qiymətlərdən bəziləri bunlardır:

Bu parametrlər modelin yalnız nəzəri tənlik olmadığını, təcrübə məlumatları ilə ədədi şəkildə işlədilə bilən hala gətirildiyini göstərir. Xüsusilə \(m=3,5\) qiyməti zədələnmənin təkamülünün xətti olmadığını, gərginlik və zədələnmə vəziyyətinə güclü həssaslıq göstərdiyini ifadə edir.

Beşölçülü stabillik qiymətləndirmə sistemi nədir?

Tədqiqatın mühüm töhfələrindən biri duz mağarasının təhlükəsizliyini yalnız bir meyara endirməməsidir. Mağaranın təhlükəsiz olub-olmadığını yalnız yerdəyişmə, yalnız gərginlik və ya yalnız zədələnmə əsasında qiymətləndirmək yetərsiz ola bilər. Buna görə tədqiqat beşölçülü qiymətləndirmə sistemi qurmuşdur:

• Ümumi yerdəyişmə,
• Dartılma riski indeksi,
• Dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalı,
• Ekvivalent viskoplastik deformasiya,
• Kumulyativ zədələnmə əmsalı.

Bu quruluş makroskopik həndəsə dəyişikliyini, dartılma çatlağı riskini, kəsilmə möhkəmliyini, sürünmə axınını və mikroçatların yığılmasını eyni anda qiymətləndirir. Beləliklə mağara yalnız “çökdümü?” sualı ilə deyil, “hermetikliyi və uzunmüddətli struktur bütövlüyü qorunurmu?” sualı ilə araşdırılır.

Ümumi yerdəyişmə necə hesablanır?

Ümumi yerdəyişmə süxur daxilindəki bir nöqtənin üç məkan istiqamətində hərəkətinin birləşmiş böyüklüyüdür:

\[ U_{\mathrm{total}}=\sqrt{u^2+v^2+w^2} \]

Burada \(u\), \(v\) və \(w\) müvafiq olaraq \(X\), \(Y\) və \(Z\) istiqamətlərindəki yerdəyişmə komponentləridir. \(U_{\mathrm{total}}\) bu üç komponentin ümumi həndəsi təsirini verir.

Makroskopik təhlükəsizlik baxımından yerdəyişmənin mağaranın maksimum diametrinin %10-unu aşmaması və həcm kiçilməsinin ilkin həcmin %30-unu keçməməsi tövsiyə olunur. Lakin tədqiqat yalnız mütləq qiymətə deyil, zaman üzrə dəyişmə sürətinə də diqqət yetirir. Yerdəyişmə sürəti getdikcə artırsa, süxur sürətlənən sürünmə mərhələsinə keçmiş ola bilər və bu, qeyri-sabitliyin yaxınlaşdığını göstərir.

Dartılma riski indeksi nəyi ölçür?

Duz süxuru sıxılmaya qarşı nisbətən möhkəm, dartılmaya qarşı isə zəif süxurdur. Dartılma möhkəmliyi adətən 1-2 MPa kimi aşağı səviyyələrdədir. Yüksək tezlikli hasilat zamanı qaz təzyiqi və temperatur aşağı düşdükdə mağara divarında yerli dartılma gərginlikləri yarana bilər. Buna görə dartılma zədələnməsi hermetiklik üçün kritik riskdir.

Dartılma riski indeksi belə müəyyən edilir:

\[ Risk_{\mathrm{Tensile}}=\sigma_1-\sigma_t(T) \]

Burada \(Risk_{\mathrm{Tensile}}\) dartılma çatlağı riskini göstərir. \(\sigma_1\) birinci baş gərginlikdir və dartılma müsbət qəbul edilir. \(\sigma_t(T)\) temperatur təsiri nəzərə alınmış dartılma möhkəmliyidir.

Əgər \(Risk_{\mathrm{Tensile}}<0\) olarsa, süxur təhlükəsiz qəbul edilir; çünki mövcud dartılma gərginliyi dartılma möhkəmliyindən aşağıdır və ya süxur sıxılma altındadır. Əgər \(Risk_{\mathrm{Tensile}}>0\) olarsa, yerli dartılma çatlağı riski mövcuddur. Duz mağaralarında bu risk yalnız mexaniki qırılma demək deyil; çatlar birləşərsə qaz qaçağı və hidrogen miqrasiyası üçün yol yarada bilər.

Dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalı nəyi göstərir?

Duz süxuru dərin yeraltında üçoxlu sıxılma altındadır. Buna görə kəsilmə möhkəmliyi əhatə təzyiqindən və daxili sürtünmə davranışından asılıdır. Tədqiqatda dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalı süxur kütləsinin mövcud gərginlik vəziyyətində kəsilmə zədələnməsinə qarşı nə qədər təhlükəsizlik ehtiyatına malik olduğunu ölçmək üçün istifadə olunur:

\[ SF= \frac{ \sigma_c(T)+ \sigma_3 \tan^2 \left( 45^\circ+\frac{\varphi(T)}{2} \right) }{ \sigma_1 } \]

Burada \(SF\) dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalıdır. \(\sigma_1\) və \(\sigma_3\) maksimum və minimum baş gərginliklərdir. \(\sigma_c(T)\) temperatur təsiri altındakı biroxlu sıxılma möhkəmliyidir. \(\varphi(T)\) temperaturdan asılı daxili sürtünmə bucağıdır.

Qiymətləndirmə intervalları belədir:

• \(SF>1,5\): uzunmüddətli təhlükəsiz zona,
• \(1,0 \leq SF \leq 1,5\): kritik təhlükəsizlik zonası,
• \(SF<1,0\): plastik axma və ya kəsilmə zədələnməsi riski.

Bu indeks mağaranın ətrafındakı süxurun kəsilmə zədələnməsinə nə qədər yaxınlaşdığını göstərir. Xüsusilə ildə 2 və 3 dövr ssenarilərində kritik zonaların genişlənməsi uzunmüddətli istismar baxımından mühüm xəbərdarlıqdır.

Ekvivalent viskoplastik deformasiya necə müəyyən edilir?

Duz süxuru üçölçülü mürəkkəb gərginlik sahəsində sürünür. Buna görə yalnız bir istiqamətdəki deformasiyanı izləmək yetərli deyil. Tədqiqatda Von Mises tipli ekvivalent deformasiya istifadə edilmişdir:

\[ \varepsilon_{vp} = \sqrt{ \frac{2}{3} e^{vp}_{ij}e^{vp}_{ij} } \]

Burada \(\varepsilon_{vp}\) ekvivalent viskoplastik deformasiyadır. \(e^{vp}_{ij}\) orta həcmli deformasiya çıxıldıqdan sonra qalan deviator viskoplastik deformasiya tensorudur:

\[ e^{vp}_{ij} = \varepsilon^{vp}_{ij} - \varepsilon^{vp}_m\delta_{ij} \]

\[ \varepsilon^{vp}_m= \frac{1}{3}\varepsilon^{vp}_{kk} \]

Burada \(\delta_{ij}\) Kronecker deltasıdır. Bu düstur üçölçülü deformasiyanı vahid skalyar qiymətə endirir. Beləliklə laboratoriya təcrübələri və mühəndislik hədləri ilə daha asan müqayisə edilə bilər.

Tədqiqatda təhlükəsizlik intervalları belə qiymətləndirilir:

• \(\varepsilon_{vp}<3\%\): təhlükəsiz və ya erkən sabit deformasiya zonası,
• \(3\% \leq \varepsilon_{vp} \leq 10\%\): diqqət tələb edən nəzərəçarpacaq sürünmə zonası,
• \(\varepsilon_{vp}>10\%\): sürətlənən sürünmə və ya reoloji zədələnmə riski.

Kumulyativ zədələnmə əmsalı niyə ən kritik göstəricilərdən biridir?

Kumulyativ zədələnmə əmsalı \(D\) mikroçatların inkişafını və süxurun hermetikliyinin pozulması riskini təmsil edir. Tədqiqatda zədələnmə üçün aşağıdakı hədlər istifadə edilmişdir:

• \(D<0,1\): süxur böyük ölçüdə sağlam qəbul edilir.
• \(0,1 \leq D \leq 0,5\): zədələnmənin başlanma və inkişaf zonasıdır.
• \(D>0,5\): mühəndislik baxımından hermetikliyin itirilməsi və makroçatlaq şəbəkəsi riski ciddi hala gəlir.

Riyazi olaraq \(D\) 1-ə qədər arta bilər; lakin mühəndislik tətbiqində \(D>0,5\) çox kritik həddi təmsil edir. Çünki bu səviyyədə mikroçatların birləşərək makroskopik çatlaq şəbəkəsinə çevrilmə ehtimalı yüksəkdir. Hidrogen saxlanması baxımından bu, yalnız süxurun zədələnməsi deyil, birbaşa qaz miqrasiyası və hermetiklik təhlükəsizliyi problemidir.

Ədədi model hansı real mağaraya tətbiq edilib?

Tədqiqatda 30 illik ədədi analizlər Çinin Jintan bölgəsindəki JK8-6 duz mağarasının məlumatlarından istifadə edilməklə aparılmışdır. Model sonar mağara ölçmə məlumatlarına və yerli stratiqrafik xüsusiyyətlərə əsaslanan üçölçülü təkmilləşdirilmiş geomekaniki modeldir.

Hesablama sahəsi 1500 m × 1500 m × 1000 m ölçülərində blok kimi qurulmuşdur. Duz layı təxminən 995-1195 m dərinlik intervalında yerləşir və 200 m qalınlığındadır. Duz layının üstündə və altında sıx palçıqdaşı layları yerləşir. Araşdırılan mağaranın hündürlüyü təxminən 89,7 m, maksimum diametri isə təxminən 69,2 m olaraq verilmişdir.

Model ölçülərinin mağara ölçüsündən 10 dəfədən çox seçilməsi sərhəd təsirlərinin nəticəni pozmasının qarşısını almaq üçündür. Bundan əlavə, real mağara həndəsəsindəki həddindən artıq qeyri-müntəzəmliklərin ədədi singulyarlıq yaratmaması üçün mağara sərhədləri hamarlanmışdır. Bu, real mühəndislik məlumatları ilə hesablana bilən ədədi model arasında tarazlıq yaradan yanaşmadır.

Üç istismar ssenarisi necə müəyyən edilmişdir?

30 illik simulyasiyalarda üç fərqli inyeksiya-hasilat tezliyi araşdırılmışdır:

Bu ssenarilər bərpa olunan enerji sistemləri ilə birlikdə duz mağarasında hidrogen saxlanmasının necə dəyişə biləcəyini birbaşa sınaqdan keçirir. Ənənəvi təbii qaz saxlanması üçün ildə bir dövr yetərli ola bildiyi halda, hidrogendən şəbəkə tarazlaması üçün daha tez-tez istifadə etmək tələb oluna bilər. Tədqiqat bu istismar tezliyinin geomekaniki xərcini ədədi şəkildə qiymətləndirməyə çalışır.

Mağara daxilində temperatur sahəsi necə dəyişir?

Termal analizlərdə inyeksiya və hasilat zamanı mağaranın daxilində güclü temperatur dalğalanmalarının yarandığı görünür. Qaz inyeksiyası zamanı sıxılma səbəbindən mağara daxilində temperatur yüksəlir və mərkəzi zonada temperatur təxminən 68 °C səviyyəsinə çata bilər. Qaz hasilatı zamanı isə genişlənmə və Joule-Thomson effekti nəticəsində temperatur sürətlə azalır; mərkəzi zonada temperatur 45 °C səviyyəsindən aşağı düşə bilər.

Bu temperatur dalğalanması yalnız qaz daxilində qalmır. Mağara divarındakı duz süxuru ilə istilik mübadiləsi baş verir. Lakin duz süxurunun aşağı istilik keçiriciliyinə görə bu istilik dəyişikliyi uzaq zonalara yayılmır; mağara divarına yaxın nazik termal təsirlənmiş zonada cəmlənir. Bu dar sahədə təkrarlanan isti-soyuq dövrü ətraf süxurda güclü dəyişən termal gərginliklər yaradır.

Bu mexanizm tədqiqatın zədələnmə şərhində mərkəzi rol oynayır. Yəni uzunmüddətli zədələnmənin əsas tətikləyicilərindən biri yalnız təzyiq dövrü deyil, təzyiq dövrü ilə birlikdə gələn təkrarlanan temperatur şokudur.

İldə 1 dövr nəticəsində mağara təhlükəsizdirmi?

Ənənəvi mövsümi istismar olan ildə 1 dövr ssenarisində JK8-6 duz mağarası 30 ilin sonunda ümumilikdə təhlükəsiz görünür. Deformasiya zamandan asılı olaraq sabit və təxminən xətti sürünmə davranışı göstərir. 30 ilin sonunda maksimum üfüqi yerdəyişmə 2,37 m, maksimum səth çökməsi 1,85 m olaraq hesablanmışdır. Həcm kiçilmə nisbəti isə %4,02 səviyyəsindədir.

Bu qiymətlər təhlükəsizlik hədlərindən xeyli aşağıdır. Mağaranın maksimum diametrinin %10-u və həcm kiçilməsi üçün %30 həddi nəzərə alındıqda, ildə 1 dövr istismar mağara həndəsəsi baxımından təhlükəsiz qalır.

Digər göstəricilər də eyni istiqamətdədir. Dartılma riski ümumilikdə sıfır və ya mənfidir; yəni ətraf süxur əsasən sıxılma altındadır. Dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalı əksər zonalarda \(SF>1,5\) səviyyəsindədir. Ekvivalent viskoplastik deformasiya uzaq zonalarda adətən %3-dən aşağıdır. Kumulyativ zədələnmə əmsalı isə əksər zonalarda \(D<0,1\) səviyyəsində qalır və \(D>0,5\) olan əlaqəli təhlükəli zonalar yaranmır.

Bu nəticə araşdırılan mağara üçün ənənəvi aşağı tezlikli istismarın uzunmüddətli hermetiklik və struktur bütövlüyü baxımından təhlükəsiz olduğunu göstərir.

İldə 2 dövrdə nə dəyişir?

İldə 2 inyeksiya-hasilat dövrü tətbiq olunduqda mağaranın uzunmüddətli stabilliyi nəzərəçarpacaq dərəcədə zəifləyir. 30 ilin sonunda maksimum səth çökməsi 3,36 m, maksimum üfüqi yerdəyişmə 2,65 m səviyyəsinə yüksəlir. Həcm kiçilmə nisbəti isə %14,32 olur.

Bu həcm kiçilməsi hələ də %30 həddindən aşağıdır; lakin ildə 1 dövr ssenarisindəki %4,02 qiyməti ilə müqayisədə çox böyük artım göstərir. Bu, dövrlərin sayı artdıqca mağaranın ətrafındakı sürünmə zonasının sürətlə sıxıldığını və effektiv saxlama həcminin azaldığını göstərir.

Çoxölçülü stabillik göstəriciləri daha ciddi xəbərdarlıqlar verir. Dartılma çatlağı riski xüsusilə ara lay zonalarında artır. Dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalında \(1,0 \leq SF \leq 1,5\) kritik keçid zonaları daha qalın və daha davamlı hala gəlir. Ekvivalent viskoplastik deformasiya və kumulyativ zədələnmə zonaları genişlənir. Mağara divarında mikroçatların inkişaf zonası böyüyür və \(0,1 \leq D \leq 0,5\) zədələnmə təkamülü zonası daha aydın olur.

Bu ssenari üçün tədqiqatın şərhi ehtiyatlı və balanslıdır: Qısamüddətli istismar nəzarət altında saxlanıla bilər; lakin 30 il ərzində bu tezliklə işləmək yerli struktur qeyri-sabitlik riskini artırır. Yəni ildə 2 dövr dərhal fəlakət demək deyil; lakin uzunmüddətli istismar müddəti ciddi şəkildə nəzarətdə saxlanılmalıdır.

İldə 3 dövr niyə kritik hala gəlir?

İldə 3 dövr ssenarisi yüksək tezlikli istismarın təhlükəli sərhədini göstərir. 30 ilin sonunda maksimum səth çökməsi 4,54 m, maksimum üfüqi yerdəyişmə 3,58 m səviyyəsinə yüksəlir. Həcm kiçilmə nisbəti %19,39 olur.

İlk baxışda bu həcm kiçilməsi hələ də %30 həddindən aşağı görünür. Lakin tədqiqat yalnız həndəsi kiçilməyə baxmağın yetərsiz olduğunu açıq şəkildə göstərir. Çünki əsas kritik pozulma zədələnmə, dartılma riski, kəsilmə möhkəmliyi və hermetiklik göstəricilərində üzə çıxır.

Bu ssenaridə ara lay zonalarında dartılma qırılması daha şiddətli olur. Dinamik möhkəmlik ehtiyat əmsalı azalır və \(SF<1,0\) zonaları genişlənir. Bu, süxur kütləsinin bəzi sahələrdə plastik axma və ya kəsilmə zədələnməsi həddinə çatdığını göstərir. Ekvivalent viskoplastik deformasiya mağara boğazında, alt küncdə və yan divarlarda %10 həddini aşır; bu da yerli reoloji zədələnmə riskini göstərir.

Ən kritik nəticə isə kumulyativ zədələnmə əmsalında müşahidə olunur. Geniş süxur kütləsi zonalarında \(D>0,5\) həddi aşılır. Bu, mikroçatların geniş miqyasda birləşərək makroskopik çatlaq şəbəkəsi yarada biləcəyi və mağaranın hermetiklik göstəricilərinin ciddi şəkildə zəifləyə biləcəyi deməkdir. Hidrogen saxlanması baxımından bu nəticə çox mühümdür; çünki bu halda risk yalnız struktur deformasiya deyil, həm də qaz sızması və hidrogen miqrasiyasıdır.

Tədqiqatın gəldiyi nəticə aydındır: İldə 3 dövr fövqəladə və ya qısamüddətli xüsusi hallarda nəzərdən keçirilə bilər; lakin 30 il boyunca standart istismar rejimi kimi tətbiq edilməməlidir. Uzunmüddətli perspektivdə ümumi qeyri-sabitlik, zədələnmə və hermetikliyin itirilməsi riski çox yüksəkdir.

Üç ssenarinin nəticələri necə müqayisə edilməlidir?

Bu cədvəl istismar tezliyinin qeyri-xətti təsirini göstərir. Həcm kiçilməsi 1 dövrdən 2 dövrə keçdikdə çox güclü artır. 3 dövrdə isə həndəsi hədlər hələ tam aşılmasa belə, zədələnmə və hermetiklik baxımından kritik hədlər aşılır. Buna görə mağara təhlükəsizliyində yalnız həcm kiçilməsi və ya yerdəyişmə kifayət deyil; zədələnmə əmsalı və çatlaqların inkişafı da əsas qərar meyarlarından olmalıdır.

Bu tədqiqat gündəlik həyat baxımından necə başa düşülə bilər?

Bu tədqiqat texniki olaraq dərin duz mağarası, geomekaniki modelləşdirmə və hidrogen saxlanması haqqında olsa da, gündəlik bir bənzətmə ilə başa düşülə bilər. Metal teli davamlı irəli-geri əysəniz, bir dəfəyə qırılmaz. Lakin kifayət qədər çox əyildikdə yorular və qopar. Duz mağarası da oxşar şəkildə tək bir inyeksiya və ya hasilat dövründə dərhal zədələnməyə bilər. Lakin tez-tez təkrarlanan təzyiq və temperatur dəyişiklikləri mağara divarındakı süxurda tədricən yorulma zədələnməsi yığa bilər.

Başqa bir bənzətmə isti-soyuq şokudur. Şüşə stəkana çox isti su töküb dərhal ardınca soyuq su əlavə etsəniz, temperatur fərqi materialda gərginlik yaradar. Duz mağarasının divarı da qaz inyeksiyası zamanı qızır, qaz hasilatı zamanı soyuyur. Bu proses ildə bir dəfə baş verdikdə süxur bərpa ola və ya zədələnmə məhdud qala bilər. Lakin bu dövr tezləşərsə, eyni zonada davamlı termal gərginlik yaranır və mikroçatların böyüməsi mümkündür.

Buna görə hidrogen saxlama təhlükəsizliyi yalnız mağaranın nə qədər böyük olması və ya nə qədər təzyiqə davam gətirməsi ilə deyil, necə istismar edilməsi ilə də bağlıdır. Eyni mağara yavaş və seyrək istismarda təhlükəsiz, sürətli və tez-tez istismarda isə riskli ola bilər.

Enerji keçidi baxımından tədqiqatın əhəmiyyəti nədir?

Enerji keçidi çox vaxt günəş panelləri, külək turbinləri, elektrolizatorlar və hidrogen istehsalı üzərindən müzakirə olunur. Lakin bu tədqiqat yeraltı saxlama infrastrukturunun da eyni dərəcədə kritik olduğunu xatırladır. Yaşıl hidrogen iqtisadiyyatı yalnız hidrogen istehsalından ibarət deyil. İstehsal edilən hidrogen təhlükəsiz, iqtisadi və uzunmüddətli şəkildə saxlanmalıdır.

Duz mağaraları iri miqyaslı hidrogen saxlanması üçün ən perspektivli seçimlərdən biridir. Lakin bərpa olunan enerjidəki dalğalanmaları sürətlə tarazlamaq üçün bu mağaraların daha tez-tez işlədilməsi istənilərsə, süxur mexanikasının hədləri enerji sisteminin istismar strategiyasını müəyyən edən amilə çevrilir. Yəni şəbəkə operatoru “daha tez-tez doldur-boşalt” dedikdə, yeraltındakı duz süxurunun yorulma həddi də nəzərə alınmalıdır.

Bu tədqiqat bu baxımdan mühüm körpü yaradır: enerji sisteminin çevikliyi ilə geomekaniki stabillik arasındakı əlaqəni ədədi şəkildə qiymətləndirir. Nəticələr hidrogen saxlama mağaralarının bərpa olunan enerjiyə dəstək verə biləcəyini, lakin yüksək tezlikli istismarın məhdudiyyətsiz təhlükəsiz sayıla bilməyəcəyini göstərir.

Keçmiş, bu gün və gələcək baxımından tədqiqatın mənası

Keçmişə baxdıqda duz mağaraları uzun illərdir təbii qaz saxlanması və bəzi enerji saxlama tətbiqləri üçün istifadə olunur. Bu istismarlar adətən mövsümi pik tarazlama məntiqinə əsaslanırdı. Belə istifadədə dövrlərin sayı az, təzyiq və temperatur dəyişiklikləri daha yavaş və uzun intervallı olur. Buna görə klassik stabillik modelləri bir çox tətbiqdə yetərli hesab edilmişdir.

Bu gün bərpa olunan enerjinin payı artdıqca saxlama infrastrukturunun işləmə məntiqi dəyişir. Hidrogen anbarlarından yalnız qış-yay arasında mövsümi saxlama üçün deyil, daha tez-tez baş verən güc dalğalanmalarını tarazlamaq üçün də istifadə etmək istənilə bilər. Bu, duz mağarasının daha çox dövrə məruz qalması deməkdir. Tədqiqat bu yeni istismar şəraitinin klassik təhlükəsizlik fərziyyələrini çətinləşdirdiyini göstərir.

Gələcək baxımından hidrogen iqtisadiyyatının təhlükəsiz böyüməsi üçün hər bir duz mağarası öz geoloji şəraiti, temperatur-təzyiq dövrləri, istismar tezliyi, zədələnmə yığılması və hermetiklik təhlükəsizliyi ilə birlikdə modelləşdirilməlidir. Sabit “duz mağarası təhlükəsizdir” və ya “duz mağarası risklidir” hökmü yetərli deyil. Təhlükəsizlik mağaranın formasından, dərinliyindən, lay quruluşundan, istismar təzyiqindən, temperatur dalğalanmasından və dövrlərin sayından asılıdır.

Tədqiqatın güclü tərəfləri hansılardır?

Tədqiqatın ən güclü tərəflərindən biri yüksək tezlikli hidrogen saxlama istismarını klassik süxur mexanikasının sərhədlərindən kənarda nəzərdən keçirməsidir. Model yalnız elastik deformasiyanı deyil, sürünməni, temperatur yumşalmasını, özlülük dəyişikliyini, gərginlik güclənməsini və zədələnmə təkamülünü birlikdə nəzərə alır.

İkinci güclü tərəf nəzəri modelin laboratoriya təcrübələri ilə doğrulanmağa çalışılmasıdır. Kiçik miqyaslı duz mağarasının fiziki simulyasiyası, yüksək təzyiqli qaz dövrləri, akustik emissiyanın izlənməsi və qaz sızmasının ölçülməsi modelin yalnız riyazi təklif kimi qalmasının qarşısını alır.

Üçüncü güclü tərəf təhlükəsizliyin beşölçülü qiymətləndirilməsidir. Yerdəyişmə, dartılma riski, möhkəmlik ehtiyatı, viskoplastik deformasiya və zədələnmə əmsalı birlikdə istifadə olunduğu üçün mağaranın stabilliyi daha bütöv şəkildə qiymətləndirilir. Bu, xüsusilə hidrogen saxlanmasında mühümdür; çünki hermetikliyin itirilməsi struktur çökmədən əvvəl kritik hala gələ bilər.

Dördüncü güclü tərəf real sahə mağarası olan JK8-6 Jintan məlumatları ilə 30 illik ədədi analiz aparılmasıdır. Beləliklə tədqiqat yalnız ideallaşdırılmış model deyil, mühəndislik baxımından mənalı uzunmüddətli ssenari müqayisəsi təqdim edir.

Beşinci güclü tərəf nəticələrin istismar siyasəti baxımından aydın mesaj verməsidir. İldə 1 dövr təhlükəsiz, ildə 2 dövr diqqətli nəzarət tələb edən, ildə 3 dövr isə uzunmüddətli standart istismar üçün ciddi riskli görünür. Bu cür hədlər hidrogen saxlanmasının planlaşdırılması üçün praktik dəyər daşıyır.

Tədqiqatın məhdudiyyətləri hansılardır?

Birinci və ən mühüm məhdudiyyət tədqiqatın resenziyadan keçməmiş preprint olmasıdır. Buna görə nəticələr dəyərli elmi tədqiqat nəticəsi kimi nəzərdən keçirilməli, lakin yekun resenziyalı nəşrin nəticəsi kimi qəti qəbul edilməməlidir.

İkinci məhdudiyyət təcrübələrin laboratoriya miqyasında aparılmasıdır. Laboratoriya nümunəsinin diametri 200 mm, hündürlüyü 400 mm-dir. Real duz mağarası isə onlarla metr ölçüsündədir və daha mürəkkəb geoloji laylarla əhatə olunur. Laboratoriya nəticələri mexanizmi anlamaq üçün güclüdür; lakin sahə miqyasına birbaşa eynilə köçürülməməlidir.

Üçüncü məhdudiyyət təcrübələrdə heliumdan istifadə edilməsidir. Hidrogenin molekulyar davranışı, sızma meyli, kimyəvi qarşılıqlı təsirləri və istismar təhlükəsizliyi şəraiti heliumdan fərqlənə bilər. Ədədi analiz hidrogen saxlanması kontekstinə yönəlib; lakin real hidrogen sahə sınaqları ayrıca tələb olunur.

Dördüncü məhdudiyyət modelin müəyyən mağara həndəsəsi və Jintan JK8-6 sahəsi üçün tətbiq edilməsidir. Fərqli duz layları, dərinliklər, ara laylar, mağara formaları və təzyiq intervalları fərqli nəticələr verə bilər. Buna görə hər sahə üçün yerli kalibrləmə aparılmalıdır.

Beşinci məhdudiyyət 30 illik analizlərin müəyyən dövr tezlikləri ilə məhdud olmasıdır. Real istismarda dövrlər qeyri-müntəzəm ola bilər; bəzi dövrlərdə tez-tez, bəzi dövrlərdə seyrək işlədilə bilər. Bundan əlavə, fövqəladə şəbəkə dəstəyi, bazar şəraiti və hidrogen tələbi istismar profilini dəyişdirə bilər. Buna görə gələcəkdə qeyri-müntəzəm və stoxastik istismar ssenarilərinin də araşdırılması lazımdır.

Bu tədqiqat nə deyir, nə demir?

Bu tədqiqat duz mağaralarında hidrogen və yeraltı enerji saxlanmasının yüksək potensiala malik olduğunu qəbul edir; lakin təhlükəsizliyin istismar tezliyindən çox asılı olduğunu göstərir. İldə 1 dövr kimi ənənəvi istismar şəraitində araşdırılan mağara 30 il ərzində təhlükəsiz və nəzarətolunan vəziyyətdə qalır.

Tədqiqat ildə 2 dövrdə risklərin aydın şəkildə artdığını bildirir. Bu halda qısamüddətli istismar hələ də idarə oluna bilər; lakin 30 illik uzunmüddətli istismarda yerli qeyri-sabitlik riski artır. Buna görə istismar müddəti, zədələnmənin monitorinqi və təhlükəsizlik hədləri diqqətlə idarə edilməlidir.

Tədqiqat ildə 3 dövrdə yüksək tezlikli istismarın uzunmüddətli standart rejim kimi təhlükəsiz olmadığını göstərir. Zədələnmə əmsalının 0,5 həddini aşması mikroçatların makroçatlaq şəbəkəsinə çevrilməsi və hermetikliyin itirilməsi riskinin çox ciddi hala gəldiyini göstərir.

Bununla yanaşı, tədqiqat bütün duz mağaralarının ildə 3 dövrdə mütləq sıradan çıxacağını demir. Nəticələr araşdırılan model, parametrlər, JK8-6 sahə həndəsəsi və istifadə olunan istismar şəraiti üçün keçərlidir. Fərqli mağaralarda fərqli nəticələr əldə edilə bilər. Lakin əsas elmi xəbərdarlıq güclüdür: Hidrogen saxlama mağaralarında istismar tezliyi struktur təhlükəsizliyinin əsas layihələndirmə parametrlərindən biri olmalıdır.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Bu tədqiqat duz mağaralarında yeraltı enerji/hidrogen saxlanmasının yüksək tezlikli inyeksiya-hasilat əməliyyatları altında termomexaniki zədələnmə və uzunmüddətli stabillik davranışını araşdıran modelləşdirmə, təcrübə və ədədi simulyasiya tədqiqatıdır.

Tədqiqatın metodu üç əsas mərhələdən ibarətdir:

• Termomexaniki zədələnməni ehtiva edən Burgers sürünmə modelinin hazırlanması,
• Laboratoriya miqyaslı duz mağarası fiziki simulyasiyası və akustik emissiya ilə doğrulama,
• JK8-6 Jintan duz mağarası üçün 30 illik üç istismar tezliyi simulyasiyası.

Klassik Burgers sürünmə modeli belə ifadə olunur:

\[ \varepsilon(t)= \frac{\sigma}{E_1} + \frac{\sigma}{\eta_1}t + \frac{\sigma}{E_2} \left( 1-e^{-\frac{E_2}{\eta_2}t} \right) \]

Model temperatur təsirini elastiklik modulunun zəifləməsi ilə daxil edir:

\[ E_i(T)=E_{i0}\exp(-\beta_E \Delta T) \]

\[ \Delta T=T-T_0 \]

Özlülük əmsalı temperatur və gərginlik təsiri ilə belə düzəldilir:

\[ \eta_j(T,\sigma)= \frac{ \eta_{j0} \exp\left(\frac{Q_j}{R(T+273)}\right) }{ 1+\alpha_\sigma \sigma } \]

Zədələnmənin inkişafı isə aşağıdakı tənliklə təmsil olunur:

\[ \frac{dD}{dt} = C f \left[ \frac{\sigma_{eq}/\sigma_c}{1-D} \right]^m \exp\left[ -\frac{Q_D}{R(T+273)} \right] \]

Bu tənlikdə \(D\) zədələnmə dəyişənidir, \(f\) dövr tezliyini, \(\sigma_{eq}\) ekvivalent gərginliyi, \(\sigma_c\) xarakterik möhkəmliyi, \(C\) və \(m\) eksperimental zədələnmə parametrlərini, \(Q_D\) zədələnmənin aktivləşmə enerjisini ifadə edir. Tənlik yüksək tezlikli dövrlərin, yüksək gərginliyin və temperaturun zədələnməni sürətləndirdiyini; zədələnmə böyüdükcə sonrakı zədələnmənin özünü daha da sürətləndirdiyini göstərir.

Stabillik qiymətləndirməsində istifadə olunan əsas göstəricilər bunlardır:

\[ U_{\mathrm{total}}=\sqrt{u^2+v^2+w^2} \]

\[ Risk_{\mathrm{Tensile}}=\sigma_1-\sigma_t(T) \]

\[ SF= \frac{ \sigma_c(T)+ \sigma_3 \tan^2 \left( 45^\circ+\frac{\varphi(T)}{2} \right) }{ \sigma_1 } \]

\[ \varepsilon_{vp} = \sqrt{ \frac{2}{3} e^{vp}_{ij}e^{vp}_{ij} } \]

\[ e^{vp}_{ij} = \varepsilon^{vp}_{ij} - \varepsilon^{vp}_m\delta_{ij} \]

\[ \varepsilon^{vp}_m= \frac{1}{3}\varepsilon^{vp}_{kk} \]

Eksperimental doğrulamada təbii duz süxuru nümunəsindən istifadə edilmişdir. Nümunənin diametri 200 mm, hündürlüyü 400 mm-dir. Nümunənin daxilində maksimum diametri 62,58 mm, hündürlüyü 75,12 mm və həcmi 158,64 mL olan kiçik duz mağarası yaradılmışdır. Təcrübələrdə qaz təzyiqi 7-17 MPa arasında dövr etdirilmiş və 5 dövr tətbiq olunmuşdur.

Üç təcrübə şəraiti belədir:

• T1 əsas qrup: 23 MPa oxboyu/əhatə təzyiqi, 50 °C temperatur.
• T2 yüksək deviator gərginlik qrupu: 28,8 MPa oxboyu/əhatə təzyiqi, 50 °C temperatur.
• T3 yüksək temperatur qrupu: 23 MPa oxboyu/əhatə təzyiqi, 65 °C temperatur.

Təcrübə nəticələri:

• 5 dövrün sonunda radial deformasiya T1-də %0,0159, T3-də %0,0245, T2-də %0,0388 olmuşdur.
• Yüksək temperatur sürünməni sürətləndirmiş, yüksək deviator gərginlik isə deformasiyanın daha güclü artmasına səbəb olmuşdur.
• Akustik emissiya məlumatlarından çıxarılan zədələnmə dəyişəni S formalı və qeyri-xətti artım göstərmişdir.
• Yüksək deviator gərginlik şəraitində 5-ci dövrdə zədələnmə dəyişəni \(D=0,076\) səviyyəsinə çatmış və qeyri-sabit zədələnmə inkişafı meyli göstərmişdir.
• Qaz sızması zədələnmənin inkişafı ilə uyğun şəkildə irəliləmişdir.
• Yüksək deviator gərginlik şəraitində 5-ci dövrdə kumulyativ sızma nisbəti %0,105 səviyyəsinə yüksəlmişdir.
• Model parametrləri təcrübə məlumatları ilə kalibrlənmiş və ümumi uyğunluq \(R^2>0,92\) səviyyəsində verilmişdir.

30 illik ədədi analizlərdə JK8-6 Jintan duz mağarasından istifadə edilmişdir. Mağaranın hündürlüyü təxminən 89,7 m, maksimum diametri təxminən 69,2 m-dir. Duz layı 995-1195 m dərinlik intervalında yerləşir və təxminən 200 m qalınlığındadır.

Simulyasiya nəticələri:

• İnyeksiya zamanı mağara daxilində temperatur mərkəzdə təxminən 68 °C-yə qədər yüksəlmişdir.
• Hasilat zamanı qazın genişlənməsi və Joule-Thomson effekti ilə temperatur mərkəzdə 45 °C-dən aşağı düşmüşdür.
• İstilik dəyişikliyi mağara divarına yaxın nazik termal təsirlənmiş zonada cəmlənmişdir.
• Bu dar zonada təkrarlanan termal gərginlik mikroçatların başlanması və zədələnmənin sürətlənməsi mexanizminin əsas fiziki səbəbi kimi şərh edilmişdir.

Üç istismar ssenarisinin 30 illik nəticələri:

• 1 dövr/il: Maksimum üfüqi yerdəyişmə 2,37 m, səth çökməsi 1,85 m, həcm kiçilməsi %4,02. Dartılma riski aşağıdır, \(SF>1,5\) əksər zonalarda qorunmuş, \(D<0,1\) üstünlük təşkil etmişdir. Ümumi vəziyyət təhlükəsiz və nəzarətolunandır.
• 2 dövr/il: Səth çökməsi 3,36 m, üfüqi yerdəyişmə 2,65 m, həcm kiçilməsi %14,32. Kritik möhkəmlik və zədələnmə zonaları genişlənmişdir. Qısamüddətli istismar nəzarət altında saxlanıla bilsə də, 30 illik istismar yerli qeyri-sabitlik riski daşıyır.
• 3 dövr/il: Səth çökməsi 4,54 m, üfüqi yerdəyişmə 3,58 m, həcm kiçilməsi %19,39. \(SF<1,0\) zonaları genişlənmiş, \(\varepsilon_{vp}>10\%\) sahələri yaranmış və geniş zonalarda \(D>0,5\) həddi aşılmışdır. Uzunmüddətli standart istismar üçün ciddi struktur qeyri-sabitliyi və hermetikliyin itirilməsi riski mövcuddur.

Ümumilikdə tədqiqat duz mağaralarında hidrogen saxlanmasının təhlükəsizliyinin yalnız saxlama təzyiqi və ya mağara həndəsəsi ilə deyil, istismar tezliyi və termomexaniki yorulmanın yığılması ilə də müəyyən olunduğunu göstərir. Yüksək tezlikli istismar bərpa olunan enerjinin inteqrasiyası üçün cəlbedici olsa da, uzunmüddətli süxur zədələnməsi və hidrogen hermetikliyi baxımından diqqətlə məhdudlaşdırılmalıdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Bu məzmun Jiasong Chen, Zhekang Ding, Tongtao Wang, Youqiang Liao və Tao He tərəfindən hazırlanmış “Thermo-Mechanical Damage and Stability of Underground Energy Storage Under High-Frequency Operations” adlı tədqiqat mətninə əsaslanaraq hazırlanmışdır. Müəlliflərin qurumları arasında Chongqing University, PipeChina Energy Storage Technology Co., University of Chinese Academy of Sciences və Chinese Academy of Sciences nəzdindəki State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering yer alır.

Tədqiqat mətnində açıq şəkildə “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadəsi yer alır. Bundan əlavə, SSRN elektron nüsxə məlumatı mövcuddur. Buna görə bu məzmunda tədqiqat resenziyadan keçməmiş preprint / ön nəşr tədqiqat mətni kimi qiymətləndirilmişdir.

Bu məqalə hazırlanarkən tədqiqatın xülasəsi, giriş hissəsi, termomexaniki zədələnməni ehtiva edən Burgers modeli, temperatur və gərginlik düzəlişləri, zədələnmə təkamülü tənliyi, Mohr-Coulomb əsaslı ekvivalent gərginlik yanaşması, laboratoriya fiziki simulyasiya təcrübələri, akustik emissiya ilə doğrulama, qaz sızması nəticələri, model kalibrlənməsi, beşölçülü stabillik qiymətləndirmə sistemi, JK8-6 Jintan duz mağarası üçün 30 illik ədədi simulyasiyalar və nəticə bölməsi əsas götürülmüşdür.

Tədqiqatda yer almayan sahə miqyaslı dəqiq hidrogen qaçağı ölçməsi, bütün duz mağaraları üçün universal təhlükəsizlik həddi və ya birbaşa kommersiya istismar standartı kimi iddialar əlavə edilməmişdir. Tapıntılar istifadə olunan model fərziyyələri, laboratoriya doğrulama şəraiti, JK8-6 mağarasının həndəsəsi və 1-3 dövr/il istismar ssenariləri çərçivəsində qiymətləndirilməlidir.