Сооружение подводных трубопроводов

В качестве вспомогательного подводного судна, буксировавшего траншеекопатель вдоль подводного трубопровода, применялась трубоукладочная баржа, длина которой 110 м, а ширина - 30 м. Необходимое для разработки траншеи тяговое усилие равно 17500 Н. Средняя скорость разработки траншеи, с учетом простоев из-за неблагоприятных погодных условий и вследствие неисправностей оборудования, составила 1,8 км в день. Фак­ тическая скорость передвижения плугообразного траншеекопа­ теля достигала 3,4 км в день при максимальной скорости дви­

жения 5 м/мин.

Для заглубления подводных трубопроводов используются гидродиффузионный, фрезерно-гидравлический, гидромехани­ ческий и плужный трубозаглубителя, а также земснаряды. Гид­ родиффузионный трубозаглубитель сложен в изготовлении и по­

требляет большие мощности.

Гидроэжекдионный трубозаглубитель представляет собой обычно мощные трубчатые сани цельносварной конструкции. По­ лозья саней соединены между собой трубчатыми арками (дуга­ ми). На концах саней установлены катки, предназначенные для передвижения трубозаглубителя по трубопроводу. В средней части саней имеются два эжектора с кольцевыми гидрорых­ лителями. Конфузоры эжекторов соединены вместе и имеют общий диффузор и отливной поворотный патрубок, направленный по течению. Трубозаглубитель устанавливается катками на трубопровод и остается в вертикальном положении, так как центр его массы находится ниже опоры. Скорость передвижения по трубопроводу (скорость заглубления) от 0,5 до 1 м/мин. Питание осуществляется от двух гидромониторов УПГМ-360. Габариты трубозаглубителя 11,0x6,0x6,5 м; масса - 11,9 т.

Фрезерно-гидравлический трубозаглубитель представляет со­ бой снаряд с раскрывающимися при помощи гидроцилиндров кор­ пусами (челюстями), на нижней части которых расположены ре­ жущие фрезы, гидроэжекторы с поворотными отливными патруб­ ками, размывающие насадки, два концевых цепных редуктора и реактивные турбины для привода фрез. В передней и задней частях корпуса (опоры) установлены катки для передвижения трубозаглубителя. В верхней части трубозаглубителя крепится понтон. Устойчивость трубозаглубителя обеспечивается за счет расположения центра массы ниже точки опоры. За время работы с помощью гидротурбин вращаются фрезы, разрыхляющие грунт, гидроэжекторы осуществляют эвакуацию пульпы. Перемещение осуществляется тросами при помощи лебедок с концевой опорой в виде блока, закрепленного в створе траншеи. Габариты сна­ ряда 4,Ох1.6x3,7 м; масса - около 8 т.

В гидромеханическом трубозаглубителе режущий нож (экран) разделен на две половины для прохода заглубляемого трубо­ провода' Выброс грунта осуществляется по обе стороны от

траншеи. Грунтовая перемычка, образующаяся под трубопрово­ дом, промывается в нижней части сопла.

Заглубление трубопровода после его укладки на дно до­ пускается на участках рек и водоемов, сложенных легкими грунтами, разработка которых не требует предварительного рыхления механическим или взрывным способом. Укладке трубо­ провода предшествует планировка дна, обеспечивающая допу­ стимые радиусы изгиба.

Перед заглублением уложенного трубопровода выполняют его промеры эхолотом с обязательной фиксацией осевого створа перехода и двух боковых створов. Результаты промеров оформ­ ляют в виде совмещенного продольного профиля дна водоема и уложенного трубопровода, а также, плана в полосе промеров с обозначением местоположения оси трубопровода.

На Ьснове указанных материалов составляют проект заглуб­ ления трубопровода, в котором определяют: границы заглубле­ ния; допустимую величину уступа (высоту заглубления); число проходок; способы контроля отметок дна траншеи и трубопро­ вода; мероприятия, предупреждающие повреждение трубопрово­ да в процессе заглубления.

Трубопровод заглубляют за минимальное число проходок. Допустимую высоту уступа и длину пролета определяют расчетом в зависимости от характеристик трубопровода и рельефа дна. На начальном участке заглубления трубопровод должен иметь необходимый запас длины на изгиб по 5-образной кривой. Если профиль дна не позволяет создать такой запас, то заглубление начинают вблизи берега, чтобы конец трубопровода мог сво­ бодно перемещаться под действием продольных усилий, возни­ кающих при изгибе трубопровода по 5-образной кривой.

Урезные и прибрежные участки подводной траншеи разра­ батывают заблаговременно до укладки трубопровода. Сопряже­ ние дна траншеи водоема на этих участках выполняют по вог­ нуто-выпуклой кривой с допустимыми радиусами кривизны.

Если трубопровод не может быть заглублен за одну проход­ ку по условиям расчета напряженно-деформированного состоя­ ния, то в случае интенсивного занесения траншеи последнюю проходку выполняют с максимально допустимым заглублением.

Земснаряды, используемые для заглубления трубопровода, перемещаются траншейным способом. Становые якоря уклады­ вают на расстоянии не менее 5 м от трубопровода ниже по течению. Земснаряд разворачивают под небольшим углом к створу. Оперативный контроль за разработкой траншеи осу­ ществляется путем эхолотирования с кормы земснаряда. По­ ложение грунторазрабатывающего органа относительно трубо­ провода периодически проверяют с помощью водолазов. Перед подъемом грунтозаборной рамы земснаряд несколько смещают вниз по течению и разворачивают корпус на некоторый угол. При последующем спуске рамы контролируют положение грунто­ заборного устройства в траншее относительно трубопровода.

Свободное провисание подводных трубопроводов может про­ исходить на отдельных участках перехода вследствие гидро­ динамических воздействий речного потока, вызывающих размыв донного грунта, русловых переформирований, естественной не­ равномерной просадки трубопровода. В процессе эксплуатации подводного перехода предусмотрены периодические обследования его технического состояния в целях обоснования необходимости проведения ремонта, связанного с устранением нежелательных прогибов, или разработки специальных инженерно-технических мероприятий по предупреждению возможных подобных негативных явлений. При оценке возможного возникновения опасных по­ следствий провисаний в процессе эксплуатации трубопровода следует учитывать такие факторы, как дополнительные изги­ бающие напряжения, реакции защемления грунта на концах участка провисания, влияние гидродинамических нагрузок, ре­ зонансные вибрации и воздействия возникающих внутри трубо­ провода ударных волн, коробление и смятие труб. Комплексный анализ приведенных факторов позволяет принять наиболее эф­ фективные технические решения применительно к отдельным участкам конкретных подводных переходов, включающие за­ глубление трубопровода в траншею, установку локальных опор, частичную подсыпку грунта под провисающий трубопровод.

Образование безопорных секций подводных трубопроводов вследствие размыва грунта представляет собой сложный про­ цесс, в ходе которого происходит эрозия грунта и неравно­ мерные просадки трубопровода. В связи с этим необходимо про­ ведение экспериментальных и натуральных исследований в целях прогнозирования поведения безопорных участков подводных трубопроводов. При осуществлении таких исследований целесо­ образно установить влияние на работоспособность подводного перехода таких параметров, как скорость течений и гидроди­ намические нагрузки, высота провиса над дном и длина безопорного участка, диаметр трубопровода.

Ремонт подводных трубопроводов на больших глубинах яв­ ляется чрезвычайно сложной технической задачей, требующей специальных технических средств и технологии.

В настоящее время существуют различные концепции в об­ ласти создания средств для ремонта глубоководных трубопро­ водов. Наиболее перспективной среди них представляется кон­ цепция, основанная на модульном исполнении ремонтного обо­ рудования, что предполагает следующие преимущества:

относительно небольшой вес каждого модуля; гибкость в эксплуатации и обслуживании; легкость спуска, навигации и подъема модуля;

высокое качество ремонтных работ за счет специализации модулей.

Ремонтный комплекс, разработанный французскими и итальян­ скими кампаниями, включает вспомогательные и функциональные модули (рис. 6.3). Первая группа модулей предназначена для

доставки основных модулей к месту ремонта и подготовки к не­ му трубопровода 1. К ним относятся Н-образные рамы 7, тран­ спортный модуль 4 и платформа 3, оснащенная центровочным захватом 8 и устройством для фиксации и перемещения функ­ циональных модулей 9 при их транспортировке и работе.

Вторая группа модулей предназначена для выполнения всех видов ремонтных работ: резка трубопровода, удаление утяже­ ляющего и антикоррозионного покрытий; очистка наружной и внутренней поверхностей трубы; устройство фасок; установка катушки и сварка. В соответствии с этим каждый функцио­ нальный модуль выполняет одну или несколько технологически совмещенных операций.

Рассмотрим технологию ремонта подводного трубопровода

сиспользованием ремонтного комплекса.

1.Локализация места повреждения. Осуществляется пило­

тируемой подводной лодкой и л и дистанционно-управляемой под­ водной лодкой в процессе периодических обследований трубо­ провода. Обнаруженное повреждение обозначается акустическим маяком, гидролокационными лампами.

2.Разработка грунта вокруг ремонтируемого трубопровода (как правило, размывом) в случае его заглубления.

3.Доставка и установка Н-образных рам к месту повреж­ дения, фиксация трубопровода захватами и опорных рам на дне

спомощью выдвижных опор.

4.Доставка транспортным модулем платформы и модуля резки трубопровода, фиксация их на трубе захватом и опорами 2.

Подъем и опускание транспортного модуля с платформой и функциональным модулем 9 производится с помощью троса 5 кра­ ном, расположенным на судне обеспечения. Точная установка платформы на трубе - позиционирование осуществляется дви­ жением транспортного модуля, питающимся через кабель 6.

Аналогичным образом производятся последующие технологиче­ ские операции соответствующими функциональными модулями.

Вописанной выше технологии соединение труб предпо­

лагается гипербарической сваркой, которая может применяться на глубинах до 300 м.

Рис. 6.4. Схема соединения труб

Соединение труб является одним из наиболее сложных во­ просов ремонта подводных трубопроводов. Наряду со сварными соединениями разрабатываются также механические способы со­ единения. В этом плане представляет интерес соединение труб специальными муфтами, достоинством которых является воз­ можность использования этого способа на криволинейных участках трубопровода. На рис. 6.4 показана последователь­ ность соединения труб механическим способом.

Трубопровод закрепляют на Н-образных опорах 3 с помощью захватов 2. На конец трубы 1 устанавливают фасонную муф­ ту 4, по которой специальным устройством формуют раструб 8. Замеряют необходимую длину катушки 7, приваривают к ней наконечники б с соединительной муфтой 5. Вставляют далее наконечник б в раструб 8 и замыкают стык мутой 5 прессовым устройством. Данная технология также реализуется ремонт­ ным комплексом, состоящим из модулей, аналогичных выше­ описанным.

6.2. УКРЕПЛЕНИЕ БЕРЕГОВ РЕК

Защита от размывов берегов рек в створах подводных пере­ ходов трубопроводов является сложной инженерно-технической задачей, решение которой в существенной мере повышает эксп­ луатационную надежность подводных трубопроводов.

Вопросы укрепления берегов в створах подводных трубопро­ водов рассмотрены в работах П.П. Бородавкина, ВЛ. Берези­ на, О.Б. Шадрина, Н.П. Васильева, Б.М. Кукушкина, К.А. Забелы. В настоящее время возникла необходимость создания типовых альбомов, включающих различные виды противоразмыв-

ных и защитных конструкций применительно к укреплению бере­ говых участков подводных переходов, и разработки научно обоснованных рекомендаций по выбору наиболее рациональных типов берегоукреплений с учетом особенностей эксплуатации подводных трубопроводов.

В зависимости от типа руслового процесса, воздействие льда, волн и течений, наличия местных строительных материа­ лов для защиты береговых участков подводных переходов мо­ гут применяться различные конструкции укреплений: каменная наброска; мощение, облицовка камнем; бетонные и железобе­ тонные облегающие покрытия - монолитные, сборные и омоно- -личенные; бетонные и железобетонные облегающие решетчатые конструкции с заполнением; подпорные стены - монолитные, сборные, сборно-монолитные; одерновочные, посевы трав и по­ садки кустарников; хворостяные, каменно-хворостяные укреп­ ления.

В створах некоторых подводных переходов применен целый комплекс разнообразных продольных и поперечных противоразмывных и защитных конструкций, что свидетельствует о необ­ ходимости проведения экспериментальных и натурных исследо­ ваний в целях определения области рационального применения и выбора для конкретных переходов наиболее эффективных спосо­ бов берегоукреплений.

Разработка рациональной комплексной схемы защиты, вклю­ чающей различные виды укреплений, должна осуществляться на основе сравнительного технико-экономического анализа не­ скольких вариантов с учетом не только наличия долговечных местных дешевых материалов, но и изменения гидрологического режима реки и воздействия последствий русловых переформиро­ ваний на конструктивные элементы берегоукреплений.

Выбор типа конструктивной схемы защиты береговых участков подводных переходов трубопроводов, способа производства строительных работ, материала определяется условиями работы укреплений в зависимости от их расположения относительно уровня воды. Различают подводную, переменного уровня, и над­ водную зоны береговых откосов и защитных инженерных соору­ жений. Ниже меженного уровня на реках и наинизшего уровня на водохранилищах находится подводная зона и соответственно выше располагаются участок переменного уровня и надводная зона.

Защитные инженерные сооружения и укрепленный откос испы­ тывают многообразие воздействий водного потока, течений, волн, льда, талых и дождевых вод, ветра, способствующих под­ мыву, оплыванию и разрушению берегового участка подводного перехода трубопровода.

Многолетние натурные наблюдения в створах речных перехо­ дов магистральных трубопроводов подтверждают, что основным инженерно-техническим решением по предотвращению размывов берегов является применение набросных укреплений, при со­

ростей течения речного потока. Мелкие камни при волновом воздействии опрокидываются и перемещаются, а при влиянии продольного течения происходит срыв камней с откоса. Круп­ ногабаритные камни с приведенным расчетным размером попе­ речника более 0,7 м образуют неплотности, способствующие разрушению закрепленного участка.

Считается целесообразным использовать несортированный ка­ мень с преобладанием камней расчетного размера. При изго­ товлении наброски из несортированного камня либо устраивают однослойный обратный фильтр, либо обходятся без него.

В последнее время также широкое распространение для за­ щиты береговых участков подводных трубопроводов получили укрепления из железобетонных плит, которые могут быть и сборными, и монолитными. Преимущества этих конструкций свя­ заны с индустриализацией изготовления, транспортирования, строительства и ремонта. Для предотвращения сползания плит по откосу в его основании устраивают каменную упорную приз­ му. Покрытия из монолитных железобетонных плит могут быть уложены на гравийно-щебеночную подготовку.

Для укрепления берегов ниже межени в створах подводных переходов также используют фашинные (хворостяные) и камыши­ товые тюфяки, которые, находясь под водой, не подвергаются гниению.

Биологические виды укреплений включают посевы многолетних трав на слое растительного грунта толщиной около 0,15 м, сплошную одерновку или дерновку в клетку, посадочные мате­ риалы для создания лесонасаждений.

При химических способах закрепления берегового откоса в створах подводных переходов могут успешно использоваться полимерные материалы, битум, цемент. Целесообразно рекомен­ довать в качестве материалов для берегоукрепительных работ в створах переходов битумогрунт с концентрацией битума 8% или цементогрунт, включающий 10% цемента. Такими смесями слоем около 0,1 м можно покрывать береговые участки подводных трубопроводов.

Таким образом берегоукрепительные конструкции для защиты от разрушений береговых участков подводных переходов трубо­ проводов можно классифицировать на биологические, хими­ ческие, набросные, тюфячные и плитные.

Крепление незатопляемых берегов в местах пересечения их подземными трубопроводами предусматривают до отметки, воз­ вышающейся не менее чем на 0,5 м над расчетным паводковым горизонтом повторяемостью один раз в 50 лет и на 0,5 м - над высотой вкатывания волн на откос. На затопляемых берегах кроме откосной части должна укрепляться пойменная часть на участке, прилегающем к откосу, длиной 1-5 м. Ширина укреп­ ляемой полосы берега определяется в зависимости от геоло­ гических и гидрологических условий.

Конструкция крепления подводных откосов каменной на­

броской показана на рис. 6.5. На откос камни укладываются слоями, крепление дна осуществляется без заглубления - на­ броска осуществляется на естественную поверхность дна. Важ­ ной частью каменно-набросного укрепления является щебеноч­ ная подготовка или обратный фильтр, который защищает грун­ товое основание сооружения от размыва. Щебеночная подготовка под каменную наброску выполняется одно- и двуслойной в за висимости от слагающих откос грунтов.

На всех песчаных грунтах, кроме пылеватых песков, под­ готовку отсыпают одним слоем толщиной 50 см с размером фракций 5-150 мм. На пылеватых песках подготовку отсыпают двумя слоями: нижний слой - крупнозернистый песок с раз­ мерами частиц 0,5-2,5 мм, верхний слой - с размерами частиц 5-150 мм. Толщина каждого слоя должна быть не менее 30 см. Каменную наброску выполняют из сортировочного камня и горной массы. Камень должен иметь марку прочности - 400 и объемную массу в сухом состоянии не менее 2,1 т/м3. Толщина наброски из сортировочного камня должна быть в два с половиной раза больше расчетного размера камня. Камни, недостаточные по массе, допускаются в количестве не более 25% от общего объ­ ема наброски. При этом они должны быть равномерно распре­ делены по откосу.

Работы по укреплению подводных откосов каменной набро­ ской выполняются в следующей последовательности:

с помощью плавсредств устраивают (отсыпают) подготовку толщиной 0,5 м из крупнозернистого щебня;

водолазы осуществляют грубое разравнивание щебеночного основания в подводной части;

бульдозером выполняют планировку щебеночного основания

внадводной части;

спомощью плавсредств устраивают каменную наброску тол­ щиной 0,7 м;

водолазы выполняют грубое разравнивание каменной наброски в подводной части;

бульдозером осуществляют планировку каменной наброски в надводной части.

Работы по устройству каменной наброски на обратном фильтре необходимо производить только отсыпкой камня снизу вверх по откосу. Отклонение отметок отсыпки от проектных отметок допускается при условии проведения последующей пла­ нировки ±300 мм, без последующей планировки - ±150 мм.

Берегоукрепление может быть выполнено из закрепленного грунта. Подводная часть такого . берегоукрепления представляетсобой каменную наброску толщиной 1 м (рис. 6.6). Сопряжение каменной наброски и закрепленного грунта выполняется из мо­ нолитного бетона марки 150. Закрепленные грунты получают путем обработки минеральных грунтов, таки* как суглинок и супесь, вяжущим ВМТ-Л по ТУ 38.101960-83. Вяжущие ВМТ-Л готовят компаундированием 70-80% тяжелых нефтяных остатков

Рис. 6.6. Конструкция берегоукреп­ ления с использованием закрепленных грунтов:

1 - каменная наброска; 2 упор из монолитного или сборного железо­ бетона; 3 - покрытие из закреплен­ ного грунта; 4 - горизонт воды

Рис. 6.7. Схема производства берегоукрепительных работ закреп­ лением грунта (I вариант):

дуплотнение закрепленного

20-30% легкого газойля деструктивных процессов (замедленного