книги из ГПНТБ / Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров - нефтегазохранилищ

разрывы сварочных швов и задвижек на коллекторе или рас­ пределителе. Эта авария является самой серьезной. В этом слу­ чае необходимо принять срочные меры для предупреждения по­ падания теплоносителя в грунт. С этой' целью надо перекрыть задвижки на магистральных линиях и краны на соединительных трубах, поставить на место разрыва хомут со свинцовой или ре­ зиновой прокладкой и сменить поврежденную задвижку;

повреждение замораживающих колонок при выполнении зем­ ляных работ. Необходимо немедленно забить деревянным кли­ ном пробоину, перекрыв краны на колонке, наложить хомут со свинцовой или резиновой прокладкой;

разрыв замораживающей трубы. Необходимо перекрыть краны на питательной и отводящей трубах, снять приборы и соедини­ тельные трубы, откачать теплоноситель, извлечь замораживаю­ щую колонку и после ликвидации повреждения замораживающей трубы и проведения необходимых испытаний колонки вновь опу­ стить ее в скважину. Во время эксплуатации замораживающей установки в галерее необходимо иметь запас аварийных материа­ лов и оборудования: хомутов соответствующих диаметров, запас­ ных кранов и сгонов на каждый диаметр, водомеров, ведер, пакли, сурика, резиновых прокладок, коротких звеньев труб для замораживающих колонок, резервуар для теплоносителя (ем­ костью не менее 1 мг) и т. п.

Исключительно важным является наблюдение за температу­ рой грунта в процессе его замораживания.

С этой целью одновременно с рабочими скважинами пробури­ вают контрольные скважины, в которые опускают трубы диамет­ ром 2—4". Скважины эти располагают группами на отдельных участках замораживаемого контура на расстоянии (между груп­ пами) до 15—20 м. В пределах каждой из групп контрольные * скважины размещают на линии расположения замораживающих скважин (по середине между ними) и на границах будущей за­ мороженной стены в соответствии с ее проектной толщиной.

Вчастности, при замораживании грунта для проходки выра­ боток, имеющих круглую форму в плане, контрольные скважины располагают в следующем порядке: в центре колодца (гидравли­ ческая контрольная скважина), на линии расположения рабочих скважин (между ними) и на внешней границе замороженной стены с учетом ее проектной толщины.

Вгрунтах с торфяными прослойками, а также на глинистых грунтах контрольные скважины располагают возможно чаще, причем величины их заглубления в грунт должны соответство­ вать глубине замораживания.

Трубы, которые опускают в контрольные скважины, должны иметь глухо заделанные нижние концы. Трубы в контрольных скважинах следует монтировать так, чтобы была обеспечена их полная водонепроницаемость. В зависимости от напластования грунтов в каждую скважину опускают несколько термометров

(электротермометры сопротивления или «заленивленные» ртут­ ные термометры), чтобы наблюдать за измерением температуры замораживания различных слоев грунта.

По показаниям термометров контрольных скважин регулируют режим замораживания грунтов в период активного и пассивного замораживания (период поддержания температуры), а также фиксируют момент замыкания замораживаемого контура (соеди­ нения ледогрунтовых цилиндров между собой) и достижение замороженной стеной проектной толщины. Таким образом, строи­ тели получают возможность приступить к земляным работам.

Гидравлическая контрольная скважина состоит из труб с пер­ форированным нижним звеном и открытым концом. В такой гидравлической скважине, находящейся в центре ледяного поля, после смыкания ледогрунтовых цилиндров по мере дальнейшего замораживания грунта вследствие расширения замерзающей

впорах песчаного грунта воды часть ее отжимается в талую зону и вызывает повышение уровня грунтовой воды внутри замк­ нутого мерзлотного кольца, что является признаком образования

втолще грунта замороженного контура.

Контрольные скважины, устраиваемые для наблюдения за тем­ пературами грунта при замораживании, на практике обычно заполняют растворами хлористого натрия или хлористого каль­ ция. Во избежание конвекции и в целях наилучшего улавливания возможной разности температур различных слоев грунта эти скважины иногда заполняют также вязкой жидкостью, например, мазутом.

Между тем данные мерзлотных станций по наблюдениям за температурой грунта показывают, что конвекционный ток воз­ духа в трубе, заложенной в грунте с температурой от минус 15 до плюс 10°, изменяет температуру грунта всего на 0,2—0,3°, т. е. в пределах точности измерения температур «заленивленными» термометрами.

Основываясь на этом, проф. X. Р. Хакимов рекомендует конт­ рольные скважины ничем не заполнять, так как определить тем­ пературы грунта на различных уровнях можно с допустимой точ­ ностью и в заполненной воздухом контрольной скважине.

При заполнении контрольных скважин раствором соли темпе­ ратура" выравнивается, и в скважине фиксируется средняя тем­ пература по глубине. В связи с этим при промораживании неод­ нородной толщи грунта заполнение контрольной скважины рас­ твором соли не рекомендуется.

В случае измерения температур с помощью электротермомет­ ров сопротивления контрольные скважины вообще не следует заполнять какой-либо жидкостью или раствором соли. При этом электротермометры следует устанавливать так, чтобы восприни­ мающая температуру часть термометра касалась внутренней стенки контрольной скважины. Это можно осуществить путем приварки в процессе монтажа внутри контрольной скважины

диска на той отметке, на которой нужно измерять темпера­ туру. Измерение температур в контрольных скважинах, как пра­ вило, необходимо производить электротермометрами сопротивле­ ния. Предпочтительно применять эти термометры при наблюде­ ниях за температурой в скважине на разных глубинах. Если их показания переведены непосредственно на шкалу температур, они весьма удобны для работы.

Для измерения температур в контрольных скважинах можно

Верхнюю часть контрольных скважин для устранения влияния температуры воздуха следует закрывать утепленными деревян­ ными ящиками.

Результаты записей отсчетов термометров, манометров и дру­ гих измерительных приборов на замораживающей станции, в га­ лерее и контрольных скважинах рекомендуется вычерчивать в виде графиков, чтобы иметь наглядную картину работы замо­ раживающей установки и хода процесса замораживания.

§ 10. Заключительный этап процесса замораживания

Проектную толщину замороженной стены, при которой можно приступить к проходке выработки или к земляным работам в кот­ ловане, устанавливают на основании результатов наблюдений температур в контрольных скважинах, а также по количеству тепла, фактически полученного при замораживании, определяе­ мому расчетом.

По достижении проектной толщины замороженной стены при­ ступают к разработке грунта, а замораживающую станцию пере­ водят на режим пассивного замораживания (поддержания отри­ цательной температуры). Пассивное замораживание производят путем выключения из работы некоторого количества компрессо­ ров или путем периодического выключения компрессора, если замораживание осуществляется одним компрессором.

Компрессоры периодически выключают из работы на основа­ нии учета температуры циркулирующего теплоносителя с тем, чтобы было обеспечено поддержание средней заданной проектом температуры замораживания стены. Кроме того, эту операцию выполняют в соответствии с показаниями контрольных скважин, наиболее близко расположенных к замораживающим скважинам.

Количество тепла, отводимого за 1 ч от грунта в период пас­ сивного замораживания, обычно составляет 30—35% от среднего количества тепла, снимаемого также за 1 ч в период активного замораживания грунтов.

§ 1 1 . Выемка грунта

Выемку грунта в котлованах, огражденных замороженными стенами, производят обычными способами, принятыми при раз­ работке котлованов (экскаваторами, методами гидромеханиза­ ции). Для предохранения замороженной стены от оттаивания необходимо защищать ее слоем грунта, оставляемым в котловане с соответствующим откосом.

Если контур выработки захватывает часть замороженной сте­ ны, то при разработке грунта применяют пневматические или электрические отбойные молотки. Разрабатывать мерзлый грунт можно также оттаиванием — паром или водой.

Если замороженная стена служит лишь водонепроницаемой перемычкой, котлован при разработке защищают либо грунтом, оставляемым внутри завесы, либо временным креплением.

Во время производства земляных работ по рытью котло­ вана в условиях положительных температур воздуха необхо­ димо тщательно предохранять замороженную стену от действия дождя и солнечных лучей. В этом случае должен оставаться неприкосновенным слой грунта, который непосредственно примыкает к замороженной стене и является ее тепловой изоля­ цией.

Для удаления воды, оставшейся внутри замороженного кон­ тура, при разработке грунта в котловане устраивают водоотлив. В этих целях котлован прорезывают траншеей или шурфом (зумпфом), из которого вода откачивается насосами. Шурф или траншею следует непрерывно углублять с тем, чтобы они все время опережали забой котлована.

Особенно тщательно водоотливное хозяйство должно быть ор­ ганизовано в случае ненадежности водоупора на дне котлована. При этом необходимо следить за появлением воды на отдельных участках (в виде ручьев и т. п.) и принимать немедленные меры по их ликвидации.

При разработке грунтов в замороженной зоне взрывным спо­ собом, особенно при проходке выработок небольшого сечения, необходимо пользоваться ослабленными зарядами, так как в про­ тивном случае от сотрясений при взрывах может нарушиться прочность замороженной стены или пострадать работа замора­ живающих колонок.

Взрывчатое вещество, применяемое в замороженной зоне, должно быть устойчивым при низких температурах и безопас­ ным. Нитроглицериновые ВВ (динамиты, гризутины) для произ­ водства работ в мерзлых грунтах применять нельзя, так как они при температуре минус 10° замерзают.

Для взрывных работ в мерзлых грунтах следует пользоваться взрывчатыми веществами, нечувствительными к ударам, трению, низкой температуре и дающими при этом наилучшее дробление породы.

По степени трудности разрыхления взрывами мерзлые грунты делятся на три основные категории: галечные; глинистые и мерз­ лые грунты со строительным мусором; растительные и песчаные мерзлые грунты.

Д л я бурения шпуров в мерзлых грунтах применяют паровые иглы, пневматические бурильные молотки и небольшие станки для вращательного бурения.

Бурить шпуры в мерзлых грунтах следует максимально быстро, так как по мере проникновения бура в породу лед тает и в случае остановки бур быстро примерзает к породе. Особенно часто.буры примерзают при проходке глинистых прослоек грунта. Для борь­ бы с примерзанием буров к породе (к стенам шпуров) иногда промывают шпуры раствором хлористого кальция.

Во время применения сжатого воздуха для работы отбойных молотков необходимо обеспечивать проведение мероприятий, предупреждающих замерзание воды в воздухопроводах. Суще­ ственным мероприятием в этом случае является осушение сжа­ того воздуха поглотителями влаги до поступления его к месту потребления.

§ 12. Заключение

В нашей стране намечено построить целый ряд подземных ледогрунтовых хранилищ для разнообразных сжиженных углево­ дородов, начиная от нормального бутана и кончая столь низко­ температурной средой, как сжиженный метан.

Представляет интерес эскизная конструктивная схема ледо­ грунтового хранилища, разработанная в 1965 г. ВНИИпромгазом в расчете на сооружение из сборных элементов.

Хранилище прямоугольной формы представляет собой тран­ шею с поперечным сечением 22X25,7 м. Это позволяет, варьируя длину, получить хранилища заданных объемов, таким образом, конструкция хранилища для всех объемов будет одинаковой. Сверху хранилище перекрывается; перекрытие состоит из несу­ щей конструкции — сборных предварительно напряженных ферм пролетом 30 м, опирающихся на фундаменты, и подвесного тепло­ изолирующего слоя. Конструкция теплоизолирующего слоя пред­ ставляет собой набор блок-коробок транспортабельного размера (6,0X1.9X1,5 м), сваренных из алюминиевого листа толщиной 4 мм. Блок-коробки заполняют теплоизолятором — перлитом.

Перекрытия герметизируют путем применения компенсаторов, при помощи которых блок-коробки соединяются между собой и между стенками емкости. В целом конструкция .перекрытия пред­ ставляет собою плиту, опирающуюся по контуру емкости. Пере­ крытие может свободно деформироваться, не вызывая опасных напряжений.

Боковые стены и дно являются ледогрунтовым ограждением хранилища. Применение подвесного теплоизолирующего слоя

з

TZ7

позволяет применить несущие конструкции-фермы в обычном исполнении.

С целью уменьшения холодопотерь хранилища по периметру устраивают пояс из теплоизолирующего гидрофобного мате­ риала. Конструкция хранилища показана на рис. 38.

Ферма ФС 30-3 сборная предварительно напряженная; стенки хранилища выполняют при искусственном замораживании. От­ таивание не допускается; для изготовления блок-коробки приме­ няют алюминиевые сплавы АМЦС ГОСТ 1946—50. Расход мате­ риалов представлен в табл . 11 .

Размещение хранилища сжиженного метана, его планировка (рис. 39) обуславливаются требованиями противопожарной за­ щиты: ограждения территории, устройства дорог для пожароту­ шения и эксплуатации, устройства системы противопожарного водопровода и т. п.

А. Ф. Капинусом (ВНИИпромгаз) на опытном подземном изо­ термическом хранилище в 1966 г. был проведен полупромышлен­ ный эксперимент № 3 продолжительностью около трех месяцев.

Сферическая емкость диаметром 2 м была образована камуфлетным взрывом на глубине 9 м в пластичных суглинках влаж­ ностью 12%. Внутри емкости в окружающем грунте было распо­ ложено 50 термопар с выводами к пульту измерения. Оборудова­ ние, установленное на дневной поверхности, позволяло воспроиз­ водить изотермический цикл хранения СУГ.

До начала опыта вмещающий емкость грунт имел температуру 6—7° С. В качестве хладоагента, которым является хранимый

границы замороженной зоны, которая уменьшилась от 0,5 на ко­ нец вторых суток до 0,1 см/ч к десятым суткам эксперимента.

Опытные данные по тепловому режиму массива грунта пока­ зали, что на конец первых суток замораживания удельный теплопоток к контуру емкости был равен примерно 200 ккал/м2. Эта величина сопоставима с данными, полученными на гидроинтегра­ торе и в эксперименте № 1. Изменение удельного теплопотока свидетельствует о его резком уменьшении в начальный период замораживания. Через пять суток после начала эксперимента теплопоток к емкости составлял 50 ккал/м2-ч, а к пятнадцатым суткам он уменьшился почти в 2,5 раза.

Эксперимент № 4 проведен на опытном хранилище сжиженного газа, включающем емкость вертикально-цилиндрического типа диаметром 1,2 м и глубиной 4 м. Геологические условия, храни­ мый продукт и технологическая схема хранилища были такими же, как в эксперименте № 3.

Полученные количественные показатели промерзания грунта и удельных теплопотоков из массива в емкость хорошо согласуются с данными эксперимента № 3. В обоих случаях на десятые сутки эксплуатации хранилищ получен ледогрунтовый слой толщиной 0,8 м, а удельный теплопоток — около 30 ккал/м2-ч. Изменение скорости перемещения границы замороженного грунта свидетель­ ствует о более быстрой стабилизации теплофизических процес­ сов вокруг сферической емкости. Например, скорость перемеще­ ния границы замороженной зоны на десятые сутки вокруг сфе­

Сравнение результатов экспериментов на опытных хранили­ щах с результатами, полученными методом гидроаналогий, пока­ зало идентичность качественных характеристик теплофизических процессов, происходящих в грунте вокруг емкости.

Завершая рассмотрение вопросов проектирования и строитель­ ства ледогрунтовых изотермических хранилищ, следует указать на большую перспективность данного метода вследствие безус­ ловной доступности его внедрения практически в любом районе Советского Союза, где сосредоточено производство или потреб­ ление большого количества сжиженных углеводородных газов.