Расчет устойчивости подводного трубопровода

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

1. Характеристика подводного перехода

Дюртюлинское ЛПУМГ эксплуатирует 5 подводных переходов,

включающих 11 ниток, в том числе через судоходную р.Белая. Общая протяженность всех подводных переходов составляет 68,84 км, в том числе по ширине водной преграды - 6,3 км.

Подводный переход магистрального газопровода Челябинск -Петровск диаметром 1020х16 мм через р.Белая был сооружен в 1980 году, в том числе две резервные нитки в 1979 году и 1981 году. Строительство производилось под контролем Горьковского управления “Оргэнергогаз” и БДСГ

“Баштрансгаз”.

Протяженность перехода: основной нитки - 660 м (длина подводной части составляет 382 м); первой резервной нитки - 550 м (длина подводной части составляет 240 м); второй резервной нитки - 610 м (длина подводной части составляет 360 м).

Газопровод изолирован в два слоя пленкой “Поликен 980-20”, а так же два слоя антикоррозийной обертки “Бишоф”. Футеровка ниток произведена деревянными рейками, размерами 2000х60х50. Балластировка осуществлена с помощью чугунных кольцевых пригрузов марки СЧ-21-40.

Береговая линия укреплена гибкими железобетонными плитами и железобетонными решетками с засыпкой ячеек грунтом.

Техническое состояние Неисправных переходов в составе основных, в соответствии с

“Регламентом по техническому обслуживанию подводных переходов магистральных газопроводов через водные преграды” РД 51-3-96, нет.

В 2010 году выполнено приборное обследование подводных переходов МГ Челябинск-Петровск через р.Белая. Работы проводились специалистами

ООО ”ЭКОНГинжиниринг”. По результатам обследования нарушений требований НТД не выявлено.

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

2. Расчет устойчивости подводного трубопровода. Проверочный расчет

пригрузов

Кподводным переходам относятся участки трубопроводов,

пересекающих естественные или искусственные водоемы (реки, озера,

водохранилища), шириной 10 м и более по зеркалу воды в межень и глубиной свыше 1,5 м.

Подводные переходы трубопроводов через водные преграды проектируют на основании данных гидрологических, инженерно-

геологических и топографических изысканий с учетом условий эксплуатации

врайоне строительства ранее построенных подводных переходов,

существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, влияющих на режим водной преграды в месте перехода, перспективных дноуглобительных и выправительных работ в заданном районе пересечения трубопроводом водной преграды, требований по охране рыбных ресурсов и окружающей среды.

Границами подводного перехода трубопровода, определяющими длину перехода, являются для многониточных переходов - участок, ограниченный запорной арматурой, установленный на берегах.

Створы переходов через реки выбирают на прямолинейных устойчивых плесовых участках с пологими не размываемыми берегами русла при минимальной ширине заливаемой поймы. Створ подводного перехода необходимо, как правило, предусматривать перпендикулярным динамической оси потока, избегая участков, сложенных скальными грунтами. Устройство на перекатах, как правило, не допускается.

По нормативной литературе для трубы диаметром 1020х16 мм выписываем необходимые данные:

Площадь сечения, F=504 см2;

осевой момент сопротивления W=12480 см3;

осевой момент инерции I=636600 см4;

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

удельный вес металла трубы qm=3960 Н/м.

При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода,

пересекающего реки, необходимо учитывать вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия

потока воды на трубу в процессе укладки трубопровода на дно траншеи.

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия на

единицу длины трубопровода

,

где - гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком; - средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на

дно подводной траншеи трубопровода, м/с; - удельный вес воды с учетом растворенных в ней молей, принимаемых равным (1,025-

1,15)104Н/м3.

Коэффициент определяется в зависимости от числа Рейнольдса

,

,

.

По экспериментальным данным, при

Re<105; для гладких труб и

для бетонированных или офутерованных труб при 105<Re<107.

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

.

Вертикальную составляющую воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода Py рассчитывают по формуле

,

где - гидродинамический коэффициент подъемной силы,

.

.

Интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопровода по формуле

,

где - угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости на

выпуклом и вогнутом рельефе (в радианах); - радиус кривизны рельефа дна траншеи, который должен быть больше или равным минимальному радиусу упругого изгиба оси трубопровода из условия прочности; E - модуль

Юнга, E=2,061011 Па.

.

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Выталкивающая сила воды по формуле

.

Для расчета устойчивости подводного трубопровода с учетом гидродинамического воздействия потока жидкости следует иметь в виду следующее.

Вертикальная составляющая Py действует в том же направлении, что и выталкивающая сила воды.

Горизонтальная составляющая действует на трубу, сдвигая её в

сторону от оси траншеи. Для противодействия за счет дополнительной нагрузки q создается сила трения

,

где k - коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях трубопровода, для илистых и суглинистых грунтов k=0,4.

Отсюда

.

Величина вводится в формулу так же с положительным знаком. Тогда требуемый вес балластировки в воде будет определен по

формуле

,

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

где - коэффициент надежности по нагрузке, для чугунных грузов

; qтр - расчетный вес единицы длины трубопровода в воздухе с учетом изоляции при коэффициенте надежности по нагрузке nсв=0,95; qдоп - с учетом возможного опорожнения трубопровода (по СНиП 2.05.06-85*) может быть принятой равной нулю.

,

.

Соответственно формула для расчета веса балластировки в воздухе принимает вид

,

где - удельный вес материала пригруза.

При укладке подводных трубопроводов необходимо производить проверку устойчивости трубы против смятия под действием внешнего гидростатического давления воды по формуле

,

где - средний диаметр трубы, ; -

глубина водоёма; - глубина заложения трубопровода от дна водоёма до верхней образующей.

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

.

,016 м>0,00545 м, следовательно, устойчивость трубы против смятия обеспечивается.

Балластировку подводных трубопроводов в пределах участка подводно-технических работ выполняют кольцевыми чугунными грузами, жестко фиксируемых на трубопроводе.

Расстояние между одиночными чугунными грузами рассчитывают по формуле

,

где , - средняя масса и объем одного груза соответственно. Выбираем чугунный кольцевой груз диаметром 1020 мм: Р груза=2000

кг, R1=630 мм, R2=560 мм, R3= 550 мм, А=723 мм, В= 610 мм, С=1300 мм.

.

Число пригрузов, необходимое для балластировки участка трубопровода длиной L, определяют по формуле

.

Дробное число N округляют в большую сторону до ближайшего целого числа.

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

3. Особенности сооружения подводных переходов

На своем протяжении магистральные трубопроводы пересекают большое число самых различных по характеру и протяженности естественных и искусственных препятствий (крупные и мелкие реки, железные и автомобильные дороги, водохранилища, овраги, ручьи и др.). Сооружение переходов должно опережать сооружение нитки трубопровода. Строительство переходов ведется специализированным потоком (бригадой), оснащенным необходимыми машинами и механизмами. Через крупные реки сооружают подводные и надводные переходы. Наиболее часто в практике строительства трубопроводов применяют подводные переходы через крупные реки. Подводный переход состоит из русловой части, проходящей под основным руслом реки, и пойменной части, проходящей через заливаемые в паводки примыкающие к основному руслу поймы. Как в пойменной, так и в русловой части переход выполняется подземным способом в траншеях. Подводные траншеи необходимы во избежание повреждения подводного трубопровода судами (например, при бросании якорей) и, что более важно, во избежание непосредственного гидродинамического воздействия воды на трубопровод. Применяют две конструкции подводных переходов - двухниточную и однониточную типа "труба в трубе". Двухниточный переход состоит из основной и резервной ниток, располагаемых в подводных траншеях на определенном расстоянии друг от друга. За пределами пойменного участка сооружают колодцы с кранами, позволяющими отключать или включать резервную нитку подводного перехода. Резервная нитка перехода сооружается для бесперебойной работы трубопровода при отказе основной нитки перехода. Однониточный переход для повышения надежности его работы выполняют трехслойным, в виде двух концентрически расположенных труб, зазор между которыми заполняют мелкозернистым бетоном (цементно-песчаной смесью). Хотя при такой конструкции перехода расход стальных труб не сокращается, но снижается объем земляных работ по разработке подводных траншей, что делает его более экономичным.

Для сооружения подводного перехода через крупную реку рядом со створом этого перехода организуют специальную промышленную площадку, где сосредоточивают сварочную базу, базу для изоляции и футеровки труб и трубных плетей, спусковую дорожку для спуска (подвода футерованных трубных плетей к кромке воды).

При сооружении подводных переходов на крупных реках выполняют следующий комплекс строительно-монтажных работ: подготовительные, земляные, сварочно-монтажные, изоляционные и футеровочные, укладку трубопровода в подводную траншею, обратную засыпку подводной траншеи, очистку полости и испытание подводного перехода. Подготовительные работы включают геодезические и гидрометрические работы, подготовку спусковых дорожек и др. Геодезические работы связаны с проведением промеров для составления фактического профиля подводных траншей и их

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

положения в плане. Глубины воды в точках промера в створе перехода измеряют с плавучих средств с помощью эхолотов. Гидрометрические работы включают определение скоростей потока воды, измерение отметок уровня воды на водомерных постах. Береговые подготовительные работы - это работы по монтажу на промышленной площадке сварочной базы, базы для изоляции и футеровки трубных плетей, по устройству спусковой дорожки.

Земляные работы - это работы по разработке подводных траншей и обычных траншей в пойменной части перехода. Наибольшую трудность представляет разработка подводных траншей. В зависимости от ширины и глубины реки, ее судоходности применяют земснаряды, экскаваторы, или специальные скреперные установки. Земснаряды используют при отсутствии скальных грунтов в русле реки, а также при ширине рек более 200 м и глубине более 2 м. Земснаряд - это плавучая машина, смонтированная на барже. На стреле в передней части баржи смонтирована режущая фреза для разработки грунта. Грунт, разработанный фрезой на дне реки, по трубопроводу отсасывается вместе с водой в виде пульпы с помощью насосной установки, находящейся на барже. Пульпа по трубопроводу может перемещаться на различные необходимые расстояния. Ее можно использовать для засыпки параллельной подводной траншеи с уложенным трубопроводом. Разработку грунта земснарядом обычно начинают на нитке перехода, расположенной ниже по течению реки, что позволяет использовать грунт, вынутый из траншеи, расположенной выше по течению, для засыпки траншеи, вырытой ниже по течению реки. Разработку подводной траншеи ведут одним или двумя земснарядами. В последнем случае земснаряды начинают проходку с середины реки, оставив при этом необходимой ширины фарватер для прохода судов. Каждый земснаряд перемещается к своему берегу. Земснаряды перемещаются с помощью якорных установок. Якорный канат наматывают на барабан тяговой лебедки. Якорь или якоря забрасывают по ходу движения земснаряда и затем тяговой лебедкой выбирают канат, обеспечивая перемещение земснаряда. Ориентирами для правильного перемещения земснаряда по оси подводной траншеи служат створные знаки, установленные на берегах реки в створе перехода.

При глубине реки не более 2 м и ширине не более 200 м для разработки подводных траншей используют экскаваторы с обратной лопатой или типа драглайн. Экскаватор устанавливают на баржу или понтон, перемещаемый по мере разработки траншеи с помощью якорной установки. Если глубина реки небольшая (несудоходная река), то для перемещения экскаватора параллельно с осью подводной траншеи отсыпают из грунта насыпь.

В практике разработки подводных траншей на реках шириной до 300 м широко используют скреперные установки. Самоходная скреперная установка состоит из трактора-тягача с двухбарабанной лебедкой, установление на заднем мосту, комплекта скреперных ковшей и якорноканатного приспособления с блоком. Трактор-тягач с лебедкой устанавливают на одном берегу реки, а якорь - на другом. Якорь оснащен

СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

обоймой с блоком для пропуска каната. На скреперной установке используют два каната: тяговый и холостой. Тяговый канат одним концом закрепляют на первом барабане лебедки, а другим концом - на передней стенке скреперного ковша. При вращении первого барабана лебедки обеспечивается рабочий ход скреперного ковша. Второй канат одним ковшом закрепляют на втором барабане лебедки, а второй конец пропускают через блок на якоре и закрепляют на задней стенке скреперного ковша. При включении второго барабана тракторной лебедки через второй канат осуществляют возвратный (холостой) ход скреперного ковша. Таким образом, при рабочем ходе скреперного ковша срезается слой грунта на глубину до 20 см и транспортируется к лебедке на берег. С берегового участка грунт удаляют в отвал бульдозером. Скреперные ковши не имеют дна, что позволяет освобождать их от грунта при начале холостого хода без подъема и опрокидывания. При разработке подводных траншей используют также скреперные установки с двумя ковшами, что обеспечивает непрерывность работы установки без холостых ходов. Ковши располагают на одной линии, направляя их в противоположные стороны, и скрепляют за задние стенки. Тогда оба ковша работают попеременно, то рабочим, то холостым ходом.

На промышленной площадке подготавливают плеть подводного трубопровода для укладки на дно подводной траншеи. Длина плети должна на несколько десятков метров превышать ширину русловой части реки. Если ширина реки большая, (более 100 м), то подготавливают несколько плетей ограниченной длины, которые соединяют сваркой по мере укладки плетей в подводную траншею. Вначале из отдельных труб на сварочной базе изготавливают секции длиной по 36-48 м (с применением автоматической электродуговой сварки под флюсом). Затем секции с помощью ручной электродуговой сварки соединяют в плети. Плети покрывают изоляционным покрытием усиленного типа. Во избежание повреждения изоляционного покрытия при укладке плетей трубопровода поверхность труб футеруют деревянными рейками. На плети надевают чугунные или железобетонные грузы для создания отрицательной плавучести трубопровода. Вместо нанесения изоляционного покрытия и навешивания грузов используют сплошное обетонирование труб, что одновременно служит и изоляционным покрытием и утяжелителем. Подготовленные плети до нанесения изоляции испытывают на прочность гидравлическим способом (водой) на давление, равное 1,25 рабочего давления трубопровода.

Подготовленные и испытанные плети трубопровода подают на спусковую дорожку, облегчающую перемещение плети до уреза воды. Спусковые дорожки состоят из рельсового пути и тележек или из роликов, по которым плеть трубопровода и перемещается к урезу воды. Наиболее ответственная технологическая операция при сооружении подводных переходов - укладка подводного трубопровода на дно подводной траншеи. В практике сооружения подводных переходов используют три способа укладки подводного трубопровода в траншею: протаскивание по дну подводной траншеи; свободное погружение с поверхности воды трубопровода полной