Сооружение подводных трубопроводов

ББК 39.77 С 63

УДК 622 962.4(204.1)002:69

Авторы: Б.В. Самойлов, Б.И. Ким, В.И. Зоненко, В.И. Кленин

Р е ц е н з е н т ы: д-р техн. наук О.Б. Шадрин, канд. техн. наук Г.З. Ибрагимов

Федеральная целевая программа книгоиздания России

Спонсор РАО “Газпром"

С63 лов, Б.И. Ким, В.И. 3<оненко, В.Й. Кленин: Учеб, пособие для вузов. - М.: Недра, 1995. - 304 с.: ил.

ISBN 5-247-01567-3

ВВЕДЕНИЕ

Подводные трубопроводы входят в состав магистральных тру­ бопроводов на переходах через водные преграды: реки, прото­ ки, ручьи, каналы, моря, заливы, озера, пруды, болота. Ста­ тистические данные свидетельствуют, что 3 % длины всех строящихся отечественных трубопроводов составляет суммарная протяженность подводных переходов. Так, на трассе транскон­ тинентального газопровода Уренгой-Помары-Ужгород находятся десятки рек различной ширины - от нескольких десятков метров до двух километров. При сооружении газопровода Алжир-Италия между Тунисом и Сицилией по дну Средиземного моря был уложен учаток протяженностью около 160 км.

Укладывают подводные трубопроводы на различной, по отно­ шению к горизонту воды, глубине: от нескольких метров до де­ сятков и изредка сотен метров. Трубопроводы из-за опасности их повреждения якорями судов, волокушами и подводными тече­ ниями редко укладывают непосредственно на дно реки, преиму­ щественно их заглубляют в дно, обычно не менее чем на один метр по отношению к верхней образующей трубопровода. Трубо­ проводы, прокладываемые под водой, имеют различный диаметр (предельно - 1420 мм).

Подводные переходы магистральных трубопроводов являются наиболее ответственными участками линейной части, к надежно­ сти их предъявляют повышенные требования. Поэтому кроме ос­ новной нитки под водой обычно прокладывают также резервную. Сооружают подводные переходы по специальной технологии, су­ щественно отличающейся от поточной технологии строительства линейной части на сухопутных участках.

Г л а в а 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

1.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

Практика показала, что на выполнение ремонта поврежден­ ного подводного трубопровода требуется очень много времени несколько месяцев, а иногда и лет. Отказ однониточного тру­ бопровода может привести к простою всей магистрали и в ре­ зультате к значительному экономическому ущербу вследствие недопоставки потребителям транспортируемого продукта. Эффек­ тивным, но дорогостоящим средством обеспечения надежности трубопровода является его резервирование. Наиболее сложным является ремонт подводных переходов большой протяженности, поэтому при ширине водных преград от 75 м и при меженном го­ ризонте воды в местах пересечения трубопроводом водных пре­ град предусматривают прокладку резервной нитки (рис. 1.1,

с учетом конкретных характеристик независимо от ширины вод­ ной преграды. Получило также распространение проектное реше­ ние, предусматривающее использование одной резервной нитки на две основных.

При пересечении водных преград расстояние между парал­ лельными подводными трубопроводами назначают исходя из инже­ нерно-геологических и гидрологических условий, а также усло­ вий производства работ по устройству подводных траншей, воз­ можности укладки в них трубопроводов и сохранности данного трубопровода при аварии на параллельно проложенном. Сжатый до давления 7,5 МПа транспортируемый газ в сравнении с жид­ кими продуктами, например нефтью, обладает большей потен­ циальной энергией и при возникновении дефекта в трубе, рас­ ширяясь, разрушает большой участок трубопровода и его грун­ товую засыпку. Близко расположенная параллельная нитка тру­ бопровода при этом также может быть повреждена. Поэтому, ми­ нимальное расстояние / между осями газопроводов, заглубляе­ мых в дно водоема, должно быть не менее 30 м для газопрово­ дов с условным диаметром до 1000 мм включительно и 50 м для газопроводов с диаметром свыше 1000 мм.

На многониточном подводном переходе нефтепровода или нефтепродуктопровода (несколько основных ниток и одна резерв­ ная) допускается прокладка основных ниток трубопроводов в одной траншее. Расстояние между параллельными нитками, про­ кладываемыми в одной общей траншее, и ширину траншеи назна­ чают исходя из условий производства работ по устройству под­ водной траншеи.

Прокладывают подводные трубопроводы обычно с заглублением1 в дно пересекаемых водных преград (рис. 1.1, б, в). Величину заглубления устанавливают с учетом возможных деформаций рус­ ла и перспективных дноуглубительных работ. При проектирова­ нии подводных трубопроводов отметка верха забалластирован­ ного трубопровода назначается обычно на 0,5 м ниже прогнози­ руемого предельного профиля размыва русла реки с учетом воз­ можных деформаций русла в течение 25 лет после окончания строительства перехода, но не менее 1 м от естественных от­ меток дна водоема. Этот полуметровый запас по глубине за­ ложения верха трубопровода по отношению к прогнозируемому предельному профилю размыва русла учитывает погрешность ис­ пользуемых методов прогнозирования плановых и глубинных де­ формаций берегов и дна реки. Тем не менее, на практике имели место ^многочисленные, размывы подводных трубопроводов. Эти факты свидетельствуют о недостаточной точности методов прог­ нозирования переформирований русла, а также о недостаточной

скальными породами, заглубление трубопровода принимается не менее 0,5 м, считая от верха забалластированного трубопрово­ да до дна водоема. Для подводных переходов на глубине, для которой отсутствуют освоенные технические средства разработ­ ки траншей, и при невозможности переноса створа перехода, допускается, по согласованию с соответствующими бассейновыми управлениями, уменьшать глубину заложения трубопроводов и укладывать их непосредственно по дну. При этом предусматри­ вают мероприятия, обеспечивающие их надежность при эксплуа­ тации. С этой целью трубопровод покрывают каменной набро­ ской, мешками с цементно-песчаной смесью или железобетон­ ными плитами.

Профиль трубопровода проектируют с учетом допустимого ра­ диуса упругого изгиба трубопровода, рельефа русла реки и расчетной деформации (предельного профиля размыва), геологи­ ческого строения дна и берегов, необходимой пригрузки и спо­ соба укладки подводного трубопровода. Кривые искусственные гнутья в русловой части подводных переходов допускается ис­ пользовать только в особо сложных топографических и геологи­ ческих условиях. Применение сварных отводов в русловой части не рекомендуется.

Подводные переходы через реки и каналы шириной 50 м и ме­ нее допускается проектировать с учетом продольной жесткости труб, обеспечивая закрепление перехода на береговых неразмываемых участках установкой грузов или анкерных устройств для предотвращения всплытия.

Пассивная защита от коррозии подводного трубопровода обе­ спечивается изоляционным покрытием усиленного типа, состоя­ щим обычно из грунтовки, двух слоев полимерной ленты и двух слоев защитной обертки (рис. 1.1, г). Для защиты изоляцион­

ного покрытия от механических повреждений при укладке трубо­ провода на дно траншеи используется также футеровка деревян­ ными рейками. Обеспечение устойчивости трубопровода от всплытия осуществляется использованием балластных грузов, чаще всего в виде чугунных или железобетонных полумуфт. Под­ водные переходы нефтепроводов допускается укладывать и без балластных грузов при заполнении внутренней полости трубы водой с последующим ее вытеснением нефтью.

На подводных переходах трубопроводов, транспортирующих такие агрессивные и токсичные продукты, как аммиак, газ или нефть с большим содержанием сероводорода, используется на­ дежная, но дорогостоящая конструкция "труба в трубе", в которой рабочий трубопровод находится внутри кожуха. Меж­ трубное пространство обычно заполняется инертным газом (азотом) или водой с ингибитором коррозии. Такая конструкция

1.2. ИЗЫСКАНИЯ

Качественный проект является важной предпосылкой строи­ тельства надежного и эономичного трубопровода. Подводные трубопроводы проектируют на основании данных гидрологиче­ ских, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом условий эксплуатации в районе строительства, ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируе­ мых гидротехнических сооружений, влияющих на режим водной преграды в месте перехода, перспективных дноуглубительных и выправительных работ в заданном районе пересечения трубопро­ водом водной преграды и требований по охране водных ресур­ сов.

Проектирование переходов по материалам изысканий, срок давности которых превышает два года, без проведения дополни­ тельных изысканий не допускается. Важнейшими этапами проек­ тирования подводного перехода являются инженерные изыскания, прогнозирование плановых и высотных деформаций берегов и дна водной преграды, выбор участка и створа перехода, профилиро­ вание трубопровода, расчеты толщины стенки трубы и балласти­ ровки.

Особо следует отметить, что надежность эксплуатации пере­ хода и объемы подводных земляных работ, а, следовательно, и стоимость строительства существенно зависят от прогноза рус­ ловых деформаций. При небольшом заглублении трубопровода заг траты на земляные работы будут относительно невелики, но трубопровод может быть с высокой вероятностью размыт. При чрезмерном же заглублении трубопровода в дно водной преграды вероятность его размыва будет пренебрежимомала, но затраты на земляные работы будут огромны. В этих условиях большое

значение имеет достоверность долгосрочного прогноза русловых деформаций, предопределяющего выбор проектного решения по заглублению трубопровода.

1.2.1. Типы руслового процесса

Изменяемость русла реки была подмечена давно, еще на заре цивилизации. В одну и ту же реку нельзя войти дважды - так утверждал древнегреческий философ Гераклит из Эфеса, сформу­ лировавший принципы объективной диалектики. Скорость течения воды неравномерна во времени как в продольном, так и в попе­ речном сечениях реки. Поэтому в отдельных местах русла, где скорость течения выше минимальной размывающей, происходят размывы дна и берегов. Поток воды в реке обычно перемещает донные наносы: глинистые частицы, песок и гальку. В других местах русла, где скорость течения ниже минимальной размыва­ ющей, донные наносы откладываются и происходят намывы бере­ гов и дна.

Переходы магистральных трубопроводов через реки относятся к категории пассивных гидротехнических сооружений, не пред­ назначенных и не способных влиять на ход развития руслового процесса. Подводные трубопроводы сами подвержены влиянию русловых деформаций и требуют учета характера, темпов, ин­ тенсивности и возможного диапазона плановых и глубинных де­ формаций за период их эксплуатации.

Все возможные схемы деформаций русла равнинных рек, вклю­ чающие начальную, промежуточную и конечную стадии развития в соответствии с гидроморфологической теорией руслового про­ цесса, представлены на рис. 1.2. Направление стрелки на ри­ сунке показывает предполагаемое увеличение транспортирующей способности потока. На рисунке показаны также основные мор­ фометрические измерители различных типов руслового процесса.

Ленточногрядовой тип руслового процесса (1) распространен на средних и малых равнинных реках, сложенных из средних и крупных песков, а также на горно-предгорных участках русел и в отдельных потоках крупных равнинных рек. Как самостоя­ тельный тип руслового процесса на равнинных реках встре­ чается редко.

Ленточногрядовой тип характеризуется наличием в реке оди­ ночных, занимающих всю ширину русла песчаных гряд, длина ко­ торых в 6-8 раз превышает ширину русла, а высота составля­ ет 0,15-0,3 глубины в плесе при высоких уровнях воды менее 10%-ой обеспеченности. Основные деформации русла при лен­ точногрядовом типе выражаются в сползании ленточных гряд по реке, вызывающем местные периодические повышения дна в фик­ сированном створе при прохождении гребней и понижение отме­ ток при прохождении подвалий ленточных гряд.

Ленточногрядовой тип руслового процесса характеризуется

отсутствием поймы. Плановые деформации невелики и носят не­ регулярный локальный характер.

Побочневый тип руслового процесса (2) характеризуется на­ личием в русле крупных, занимающих в меженный период большую часть ширины русла и частично обсыхающих в межень отмелей, расположенных в русле в шахматном порядке. В период паводков побочни покрываются водой и русло принимает прямолинейный вид. Обсохшие побочни в межень придают руслу извилистость в плане. Пониженные затопленные части в местах перегиба русла

между побочнями образуют перекаты. Плесы в русле располага­ ются напротив выпуклых краев побочней.

Русловые деформации при этом типе сводятся к сползанию побочней вниз по течению и в основном приурочены к периодам половодий и паводков. Высота побочней составляет 0,3 глубины в плесе, соответствующей уровню бровок русла, а длина побоч­ ней в 6-8 раз больше ширины русла между бровками. Побочневый тип руслового процесса характеризуется отсутствием поймы. Плановые деформации берегов несущественны и не имеют законо­

распространенного чаще на равнинных реках, охарактеризуется

склонов долины. Осевая линия русла имеет форму олизкую к си­ нусоиде.

Внутрирусловые деформации такие же, как при побочневом типе руслового процесса. В межень перекаты размываются, а в половодье намываются. В плесах размыв приурочен к половодью, а намыв к межени. На пойме следы меандрирования отсутствуют. Деформации поймы выражаются в постоянном нарастании поймен­ ного массива в высоту в результате отложения наилка, образу­

склоны которых не ограничивают свободное развитие плановых деформаций излучин. Характеризуется наличием одного действу­ ющего русла, механизм переформирования которого значительно сложнее и разнообразнее, чем при ограниченном меандрировании, сохраняющем при сползании свои размеры и плановые очер­

излучины свободного меандрирования сползают вниз по течению по схеме ограниченного меандрирования, но при этом меняя (увеличивая) угол разворота. По мере увеличения угла разво­ рота сползание излучины замедляется и меняется ее форма (из^ лучины вытягиваются). При углах разворота близких к 140 происходит разделение плесовой ложбины и нарушение плановой симметрии в результате преимущественного развития одного из плесов. Развитие излучин завершается сближением подмываемых берегов выше и ниже расположенных смежных излучин, прорывом образовавшегося между ними перешейка. После прорыва возника­ ет новая излучина, что нарушает нормальный ход развития смежных излучин. Скорости деформаций в зоне прорыва возра­ стают.

Общий ход глубинных деформаций в многолетнем разрезе псд-

ю