Сооружение подводных трубопроводов

гидроузла до 2 м, амплитуда которых распространяется на про­ тяжении около 90 км, ще она не превышает 0,2 м. Суточное регулирование вызывает бою хода, левый берег которого хождения волны пропуска.

Таким образом, на основании рассмотренных факторов влия­ ния динамики руслового потока нижнего бьефа Новосибирской гидроэлектростанции на эксплуатацию подводного перехода че­ рез Обь магистрального трубопровода можно сделать следующие

ВЫВОДЫ;

Процесс размыва подводного трубопровода полностью соот­ ветствует изменениям, которые наблюдались в речном русле с момента начала эксплуатации Новосибирского гидроузла.

Первый период работы подводного перехода совпал с пуском в эксплуатацию гидроэнергетических сооружений ГЭС, и умень­ шение уровня заложения трубопровода связано с прохождением зоны размыва русла осветленным потоком.

Дальнейший размыв трубопровода усугубился прохождением высоких паводков 1966 и 1969 гг. (см. табл. 6.1) и произ­ водством карьерных разработок, осуществляемых на участке от ГЭС до створа перехода.

Разрушение подводного трубопровода совпало с прохождением высокого паводка 1969 г.

Продолжающееся к настоящему времени понижение уровней во­ ды в районе расположения перехода, которое может способство­ вать его размыву, предопределяет необходимость разработки инженерно-технических решений для обеспечения повышенной ус­ тойчивости подводного трубопровода, проложенного в нижнем бьефе Новосибирской гидроэлектростанции.

Последующий размыв берегов, вызванный прохождением волн суточного регулирования мощности ГЭС, требует проведения берегоукрепительных работ в створе перехода.

В целях дальнейшего выявления широкого спектра характер­ ных особенностей условий эксплуатации переходов в нижних бьефах крупных гидроузлов, рассмотрим и проанализируем по­ ведение подводных трубопроводов, пересекающих р.Волгу.

В пятидесятых годах через Волгу ниже устья одного из ее притоков проложено несколько расположенных в 50 м друг от друга ниток подводных трубопроводов. Русло реки в районе переходов сложено разнозернистыми песками, а в отдельных местах представлено гравийно-песчаными отложениями.

Выше створа переходов трубопроводов русло р.Волги пово­

берегу, справа же остров обтекает небольшая протока. Под­

от левого берега основного русла р.Волги до правого берега протоки по основной нитке трубопровода составляет около 6 км.

На участке местонахождения подводных трубопроводов имели место две характерные и взаимосвязанные зоны отложений на­ носов, которые определяли величину и направление русловых переформирований: левобережный песчаный побочень и следо­ вавшая за ним плесовая лощина, расположенные около устья притока; правобережный песчаный побочень, пересекаемый тру­ бопроводами, которому предшествовала правобережная лощина.

В результате русловых переформирований рельеф дна реки в районе рассматриваемых зон постоянно трансформировался. Особенно существенно изменялось плановое расположение этих зон в створе переходов.

В естественных условиях русловый процесс на участке под­ водных переходов характеризовался наличием около, устья притока крупного левобережного отторженного осередка - крупного сползающего вниз по течению скопления наносов в виде огромной гряды протяженностью 4 км. Основание этой гряды представляло собой глубокий плес длиной около 1 км и шириной более 100 м. Ежегодно в весеннее половодье большая часть наносов сползала вниз по течению и, следовательно, перемещалась расположенная ниже этого скопления плесовая лощина. В связи с этим следователе ожидать на участках под­ водных переходов возможного изменения глубин: сначала вслед­ ствие надвижения песчаного скопления - постепенное умень­ шение глубин, а затем в результате продвижения плесовой лощины - резкое увеличение глубин.

Выполняя прогнозные оценки трансформации естественного руслового процесса на основе гидрологических измерений и систематического обследования переходов, можно было прово­ дить защитные инженерно-технические мероприятия, предот­ вращающие размывы трубопроводов.

В 1958 г. в связи с возведением Куйбышевской волжской ГЭС им. В.И. Ленина произошли существенные изменения рус­ лового процесса на участке подводных переходов трубопро­ водов.

Куйбышевский гидроузел, предназначенный для нужд энер­ гетики и’ судоходства, начал эксплуатироваться при полной проектной нагрузке с октября 1957 г. При помощи созданного

водохранилища полезной емкостью 34,6 км3 осуществлялось не­ полное регулирование стока до заполнения Саратовского водохранилища, построенного ниже по течению в 1968 г.

Куйбышевская гидроэлектростанция включает здание ГЭС с 20 агрегатами общей мощностью 2300 МВт, бетонную водосливную плотину, земляные намывные плотины и судоходные сооружения, состоящие из двухступенчатых шлюзов. Плотина сооружена на мелкозернистых песках с включением гравия и гальки. Суточные колебания уровней воды нижнего бьефа составляют 1,2-1,5 м, а после праздничных дней диапазон колебаний может доходить до 4 м. Зона влияния суточного регулирования распространяется на расстояние свыше 200 км.

Начиная с 1956 г. осуществлялся пропуск паводков чрез сооружения гидроузла, максимальные расходы воды которых представлены в табл. 6.2 [5].

Первые размывы дна глубиной до 17 м наблюдались на участке, непосредственно прилегающем к ГЭС, в ноябре 1956 г. Наибольшие местные деформации русла произошли здесь в период прохождения самого высокого за годы эксплуатации паводка 1957 г. (см. табл. 6.2).

В результате трансформации русла в нижнем бьефе Куйбы­ шевского гидроузла в 1964 г. на первых шести километрах дно р.Волги понизилось по сравнению с его естественным состоя­ нием на 2-3 м. Размыв дна явился причиной изменения здесь строения донного основания. Вследствие выноса мелких фрак­ ций песка произошло укрупнение фунта донных отложений, которые теперь состоят из крупнозернистого песка и гравия, а ближе к ГЭС преобладают щебень и камень. Ниже по течению основу донных отложений составляет среднезернистый песок. На участке, примыкающем к ГЭС, наряду с размывами дна в первый период работы гидроузла наблюдалось значительное расширение русла из-за обрушения берегов.

Деформация русла нижнего бьефа обусловлена прижимом реч­ ного потока к правому берегу, что вызвало более интенсивный его размыв.

Особо заметная трансформация русла в нижнем бьефе Куйбы­ шевской гидроэлектростанции имела место на участке длиной около 15 км, а зона преобладающего размыва распространилась к 1964 г. на 6 км. Вследствие внутригодового перераспреде­ ления стока деформации локального характера наблюдались даже на значительном удалении от ГЭС.

Интенсивные русловые процессы происходили на участке рас­ положения подводных трубопроводов. По причине задержки волжского паводка Куйбышевским водохранилищем паводок при­ тока Волги, устье которого находится выше створа подводных трубопроводов, осуществлялся без подпора от Волги. При этом образовалась большая разность отметок уровней воды в притоке и Волге, что привело к резкому возрастанию скоростей в устьевой части, вдвое превышающих бытовые естественные мак­ симальные весенние скорости. Так, скорости течения притока в паводок 1957 г. достигали 4-5 м/с, а в бытовом состоянии они не превышали 2-2,5 м/с. Результатом таких изменений речного потока явился размыв русла притока, вынос и отложение его наносов в Волгу. Песчаные отложения здесь достигали отметок проектного судоходного уровня. Вследствие этого произошла перестройка направления движения потока в русле р.Волги с отклонением его в сторону правого берега, что вызвалр раз­ мыв берегового участка подводных трубопроводов. Поверхност­ ные скорости течения у правого берега весеннего паводка достигали 1,2-1,5 м/с.

С помощью водолазных обследований было установлено, что подводные трубопроводы находятся в аварийном состоянии. Ре­ зервная нитка на протяжении 50 м была размыта и распола­ галась выше дна реки на 1,2 м. Основная нитка была оголена на длине 80 м и местами провисла. Для предупреждения попа­ дания транспортируемого продукта в водную среду в случае нарушения герметичности резервная нитка была освобождена от продукта и заполнена водой. В 1958 г. выполнено дозаглубление трубопроводов. В этот же период в результате деформа­ ций русла протоки, которую пересекают трубопроводы, уста­ новлено, что здесь основная нитка подводного перехода пол­ ностью размыта на длине 55 м с провисанием свыше 2 м, а резервная нитка размыта на длине 30 м с провисанием более 1 м. На этом участке наблюдались колебания обоих трубопро­ водов.

В меженный период сезонного стояния низких уровней воды протока является практически изолированным водоемом, огра­ ниченным с одной стороны дамбой, а с другой - мелководными участками.

Размыв левого берега протоки был обнаружен после спада весеннего паводка 1958 г., обусловленного высокими паводо-

чными сбросами через водосливную плотину Куйбышевской гид­ роэлектростанции (см. табл. 6.2). Высокий паводок вызвал прорыв дамбы, ограждающей вход в протоку, и способствовал интенсивной трансформации русла левого берега протоки.

Ремонт подводного перехода производился по следующей схеме: вскрытие трубопровода на береговых участках; разрезка и удаление участка трубопровода, расположенного выше гори­ зонта воды; удаление всех криволинейных отрезков; разработка берегового участка траншеи; дозаглубление трубопровода в русловой части реки; восстановление пораженной коррозией поверхности удаленного трубопровода и ликвидация отдельных дефектов поверхности (рисок, задиров и т.д.); удлинение от­ ремонтированной плети за счет приварки труб того же диа­ метра; присоединение отремонтированного трубопровода к под­ нятым над водой концам русловой плети; укладка трубопровода в новую траншею и подсоединение на берегу к магистрали; засыпка вновь уложенного трубопровода и восстановление бе­ регов в местах разработки траншеи. Однако, вследствие про­ должающегося размыва русла реки у правого берега переход снова оказался в оголенном состоянии. Осенью 1960 г. основ­ ная нитка перехода была пробита килем проходящего судна. Повреждение основной нитки перехода было ликвидировано

сприменением кессона.

В1962-63 гг. произведены повторные работы по заглубле­ нию трубопроводов с устройством каменной отсыпки над основ­ ной и резервной нитками на длине соответственно 400 и 520 м при средней высоте отсыпки 1,4 м. Но и после выполнения этих мероприятий трубопроводы продолжали размываться. Поэтому в

1968 г. взамен действующих были сооружены новые две нитки перехода с заглублением более 4 м.

Таким образом, первый ремонт подводного трубопровода че­ рез р.Волгу произведен был фактически в первый же год его работы, второй - через 3 года, а через 11 лет эксплуатации переход был ликвидирован и сооружен новый.

После 1964 г. продолжалось снижение уровней воды нижнего бьефа Куйбышевской ГЭС, что свидетельствовало о распрост­ ранении зоны размыва. К дальнейшему снижению уровней в 19641966 гг. привели суммарные максимальные сбросные расходы. Высокий паводок 1966 г. (см. табл. 6.2) мог явиться причи­ ной новой волны интенсификации трансформации русла, но вследствие подпора, создаваемого со стороны нижерасположенного Саратовского водохранилища этих деформаций русла уда­ лось избежать, так как уровень воды в створе Куйбышевского гидроузла в 1968 г. поднялся без малого на 2 м. Водохрани­ лище Саратовской ГЭС имени Ленинского комсомола полезной емкостью 1,8 км3 возведено для нужд энергетики, судоходства и мелиорации и осуществляет суточное и недельное регулиро­ вание водостока по общему плану с Куйбышевским и Волгоград­ ским водохранилищами.

До 1975 г. размывы на новом переходе подводных трубо­ проводов не наблюдались, однако при последующих обследо­ ваниях было обнаружено, что обе нитки у правого берега раз­ мыты на длине 150 м с частичным оголением трубопроводов.

Рассмотренные примеры воздействия на подводные трубо­ проводы последствий русловых переформирований указывают на необходимость создания современных достоверных методов прог­ ноза внутригодового и многолетнего развития процессов раз­ мыва и отложений, имеющих место в створах подводных пере­ ходов, расположенных в нижних бьефах гидроэлектростанций, включая и удаленные на значительное расстояние (свыше 100 км от ГЭС). В соответствии с прогнозными оценками рус­ ловых деформаций требуется разработать практические инже­ нерно-технические рекомендации в целях обеспечения долго­ временной (40-50 лет) безотказной эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов.

6.4.АНАЛИЗ НАРУШ ЕНИЙ РАБОТОСПОСОБНОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Вотличие от линейной части магистральных нефтегазопрово­ дов подводные переходы имеют ряд особых условий работы. На­ ряду с возможными причинами разрушений, присущими магист­

ральной части, подводные трубопроводы подвержены особым ви­ дам повреждений. Наиболее характерной причиной отказов под­ водных переходов является оголение трубопровода в результате переформирования русла и берегов реки. Опыт эксплуатации свидетельствует, что разрушение размытого трубопровода прак­ тически неизбежно.

Причинами отказов подводных переходов являются плановые и глубинные деформации русла в створе перехода, размывы бере­ гов, механические повреждения трубопровода судовыми якорями, волокушами, льдом и т.п., потеря устойчивости трубопровода, коррозия труб, некачественная сварка продольных заводских и поперечных строительно-монтажных швов, дефекты основного металла труб (табл. 6.3).

Только тщательный и всесторонний анализ опыта эксплуа­ тации подводных нефтегазопроводов и реальных статистических данных, полученных в результате многолетних наблюдений, по­ зволит выявить закономерности работоспособности подводных трубопроводов и оценить их надежность.

При сравнительном анализе различных конструктивных схем подводных трубопроводных систем, включая нефтегазопроводы, определяющими критериями являются показатели эксплуата­ ционной и экологической надежности. Эти показатели могут быть рассчитаны с помощью вероятностных моделей, построенных на основании обработки статистических данных, полученных при эксплуатации трубопроводов.

Наиболее распространенными показателями эксплуатационной надежности являются параметр потока отказов и вероятность безотказной работы трубопровода. В качестве показателя эко­ логической надежности целесообразно использовать вероят­ ность утечки заданного объема.

Наряду с оценкой эксплуатационной надежности трубопро­ вода в целом большой интерес представляет возможность ис­ следования показателей надежности компонентов трубопровода в зависимости от конкретных причин отказов. Анализ опыта эксплуатации морских трубопроводов позволил выделить сле­ дующие группы причин их отказов.

A. Конструктивно-технологические;

Б.Эксплуатационные; B. Коррозионные;

Г. Производственно-хозяйственные; Д. Природные;

Б.Прочие.

Кгруппе А отнесены качество проектных решений, исходных материалов и производства строительно-монтажных работ.

Группа Б включает качество эксплуатации и обслуживания трубопровода, а группа В - внутреннюю и наружную коррозию.

Вгруппу Г объединены причины отказов, связанные с про­

изводственно-хозяйственной деятельностью человека, в том числе судоходство, рыболовство, производство подводных зем­ ляных работ.

Природные причины включают стихийные бедствия (землетря­ сения, ураганы, штормы) и донные явления (переформирования

Повреждение трубопроводов в процессе производственно­ хозяйственной деятельности является одной из наиболее частых причин их отказов. При прохождении донного трала над незаглубленным трубопроводом наблюдается трение канатов и тра­ ла о трубопровод, а также удары направляющими башмаками.

Большую опасность представляют также повреждения трубо­ провода при ударе и зацеплении якорями судов, приводящие к нарушению бетонного покрытия, образованию вмятин на теле трубы или их разрыву. Характер повреждения трубопровода якорем в существенной мере зависит от диаметра трубы и тол­ щины бетонного покрытия. При прочих равных условиях в случае удара или зацепления якорем трубопровода большого диаметра чаще имеет место повреждение утяжеляющего покрытия и вмятины стенки трубы. Для трубопроводов небольших диаметров при таких ударах и зацеплениях более характерны разрывы. Кос­ венно это обстоятельство может быть выражено зависимостью

тип антикоррозионного и утяжеляющего покрытий, план и про­ филь и т.п.);

материалы периодического и приемосдаточного обследования трубопровода;

характеристика водоема (глубина, течение) и дна в районе аварии;

материалы эксплуатации и обслуживания трубопровода;

участка трубопровода; объем утечки и размер экологического ущерба.

В табл. 6.4 приведены расчетные значения параметра потока отказов на 1000 км для трубопроводов Мексиканского залива.

Для оценки вероятности безотказного функционирования морских трубопроводов, которые можно отнести к восста­ навливаемым техническим объектам, воспользуемся данными эксплуатации трубопроводных систем Мексиканского залива (табл. 6.5).

Отказы трубопроводов происходят в случайные моменты вре­ мени, что дает основание считать время между последова­ тельными отказами (ВМПО) случайными величинами, а для их обработки использовать методы математической статистики.

Из табл. 6.5 видно, что за рассматриваемый период эксп­ луатации трубопроводная сеть Мексиканского залива значи­ тельно расширилась с 2260 до 7000 км. Чтобы при оценке по­ казателей надежности учитывать ежегодный прирост протяжен­ ности трубопроводной системы, используем условную единицу

Таблица 6.5