книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

и переувлажненными пылеватыми грунтами. Бугры пучения следует обходить с низовой стороны.

Основным принципом использования вечномерзлых грун­ тов в качестве основания для трубопроводов и их сооружений, согласно СНиП 2.02.04-88, является I принцип, при котором вечномерзлые грунты основания следует использовать в мерз­ лом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в тече­ ние всего заданного периода эксплуатации трубопровода.

При прокладке газопроводов на участках с малольдистыми вечномерзлыми грунтами допускается их оттаивание в процессе строительства или эксплуатации. На участках с таликами реко­ мендуется грунты основания газопроводов использовать в талом состоянии. Допускается промораживание талых непучинистых грунтов при прокладке газопроводов, транспортирующих газ с отрицательной температурой.

При прокладке газопроводов, транспортирующих газ с тем­ пературой ниже 0°С, на участках, сложенных талыми пучинистыми грунтами, необходимо предусматривать специальные мероприятия в соответствии со СНиП 2.02.04-88, осуществление которых исключает возможность проявления недопустимых де­ формаций оснований под трубопроводами

Проектирование трубопроводов в районах мерзлых грунтов следует осуществлять в соответствии с требованиями СНиП 2.02.04-88, а также специальных ведомственных нормативных документов по согласованию с Минстроем РФ

Принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве основания трубопровода должен приниматься в зависимости от способа прокладки трубопровода, режима его эксплуатации, инженерно-геокриологических условий и возможности измене­ ния свойств грунтов основания.

Поскольку в период эксплуатации трубопроводов через не­ го в грунт будет или не будет поступать тепло, трубопроводы по классификации Гипроспецгаза делятся на:

горячие - участки, температура которых в течении всего года выше 0°С;

теплые - участки, на которых температура может быть вы­ ше и ниже 0°С, но среднегодовая - ниже нуля;

холодные - участки, температура труб на которых ниже 0°С в любое время года.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -332 - объектов в условиях Севера

Определение принадлежности трубопровода к одному из: перечисленных типов позволяет прогнозировать на горячем участке только оттаивание грунта, на теплом - периодическое оттаивание, а на холодном оттаивания вообще не будет.

Специальные исследования взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами выполнил Р.А.Гильметдинов. интерес представляют сопротивление мерзлых грунтов сдвигу по кон­ такту труба - грунт и изменение этих сопротивлений вследствие проявления реологических свойств замерзающего грунта при постоянной сдвигающей нагрузке.

В процессе опытов также установлено, что предельное дли­ тельное сопротивление сдвигу мерзлого водонасыщенного песка при температуре до -4°С составляет 9 Н/см2 а мерзлых глин при аналогичных условиях - 7-8 Н/см2. при этом продольные пере­ мещения (до срыва) составляют в глинистых грунтах до Змм, а в песчаных - не более 0,1 —0,15 мм [4].

Температура транспортируемого продукта при прокладке трубопровода на мерзлых грунтах должна назначаться в зависи­ мости от способа прокладки и физических свойств вечномерз­ лых грунтов (просадочности, сопротивления сдвигу и др.). На отдельных участках трассы трубопровода допускается:

оттаивание в процессе эксплуатации малольдистых вечно­ мерзлых грунтов, если оно не сопровождается карстовыми про­ цессами и потерей несущей способности трубопровода;

промерзание талых непучинистых грунтов при транспорти­ ровании газа с отрицательной температурой.

Глубина прокладки подземного трубопровода определяется принятым конструктивным решением, обеспечивающим надеж­ ность работы трубопровода с учетом требований охраны окру­ жающей среды.

Высоту прокладки надземного трубопровода от поверхно­ сти земли необходимо принимать в зависимости от рельефа и грунтовых условий местности, теплового воздействия трубо­ провода, но не менее 0,5 м.

Участки надземных трубопроводов, на которых происходит компенсация деформаций за счет перемещения трубы поперек оси, должны прокладываться выше максимального уровня сне­ гового покрова не менее чем на 0,1 м.

При прокладке трубопроводов в насыпях должно быть пре-

усмотрено устройство водопропускных сооружений. Взаимодействие трубопровода с окружающим мерзлым

грунтом определяется способом его прокладки и температурой транспортируемого продукта. В условиях мерзлых грунтов при­ нимается три вида прокладки: подземная, наземная и надземная. Применение каждого вида определяется с учетом всех факторов, влияющих на сохранение особенностей любой конструктивной схемы в течение всего периода эксплуатации. Сложность расче­ тов заключается в том, что, поскольку сооружения трубопрово­ дов являются объектами линейными, инженерно-геологические изыскания в полном объеме проводить сложно. Способы про­ кладки трубопроводов и их расчеты достаточно полно освещены В части 5 «Основ геокриологии» [32], а их взаимодействие с мерзлыми грунтами - в книге П.П.Бородавкина [3].

Подземные трубопроводы проектируются без компенсации продольных деформаций или с устройством подземных компен­ сационных участков. Труба укладывается в траншею, ширина

которой по низу Ь, зависит от внешнего диаметра трубы d pj

bt = d pf + 0,3 м при dpi £700 мм и Ц =1,5dp, при dpi > 700

мм. Заложение откосов траншеи принимается от 1:25 в сухих галечниках и песках до 1:0,5 в глинах и 1:0 в скальных и мерз­ лых грунтах. Глубину траншеи назначают не менее d + 0,8 м.

При прокладке трубопровода в песчаных и глинистых грун­ тах трубу покрывают битумным лаком и укладывают на дно траншеи (рис. 16.1, а). В скальных и крупнообломочных грунтах во избежание повреждения изоляционного покрытия под трубой устраивают подсыпку из песчаных грунтов толщиной 0,1 м, трубу укладывают на подсыпку и засыпают тем же грунтом на высоту 0,2 м, считая от верхней образующей трубы. Затем осу­ ществляется ее пригрузка скальным или крупнообломочным грунтом (рис. 16.1, б). В пучинистых грунтах обратная засыпка траншеи осуществляется привозным непучинистым грунтом.

Теплые участки трубопроводов на территориях с ММП сливающегося типа прокладывают только с применением теп­ лоизоляции (рис. 16.1, в) или термоохладителей (рис. 16.1, г).

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -334 - объектов в условиях Севера

Рис. 16.1. Схемы подземной прокладки магистральных трубопроводов: а - холодных и теплых участков на местности Ш и IV типов; б - холодных, теплых и горячих участков в скальных и крупнообломочных группах;

в, г - теплых участков на местности Нтипа; д - полузаглубленная прокладка: 1 - трубопровод; 2 - местный грунт; 3 - хомут для, крепления трубопровода к анкерам; 4 - привозной песок; 5 - анкер; 6 - теплоизоляция трубопровода; 7 - верхняя граница ММП; 8 - термоохладители

В качестве последних используются вертикальные сезонно действующие жидкостные (термосваи Галеева) и парожидкосгные (термосваи Лонга) охлаждающие установки. Термосван ус­ танавливают с двух сторон трубопровода с шагом 10-12 м по длине трассы. Теплоизоляция и термосваи уменьшают глубину опаивания ММП под трубой и тем обеспечивают допустимые осадки трубопровода. Потеря устойчивости трубопровода, и, прежде всего газопровода, может происходить также в резуль­ тате его всплытия при подъеме уровня грунтовых вод на участ­ ках с ММП несливающегося типа и оттаивания льдистых мерз­ лых пород на участках сливающегося типа. Последние при от­ таивании превращаются во взвешенную массу (пульпу), в кото­ рой вследствие ее большой плотности легко всплывают не толь­ ко газопроводы, но и нефтепроводы. Устойчивость на всплытие обеспечивается или балластированием труб или их заанкерива-

нием в грунте. В качестве анкера часто используют термосваи. При необходимости подземной прокладки горячих участков

трубопроводов на территориях с сливающегося типа трубы опи­ рают на подземные опоры в виде металлических и железобетон­ ных свай, которые закладывают ниже расчетного ореола оттаи­ вания. Для уменьшения последнего применяют теплоизоляцию труб и термосваи одновременно. Термосваи часто используют в качестве опор.

Положительные стороны подземной прокладки известны. Здесь же остановимся на отрицательных. Первым существен­ ным недостатком этого способа является сложность обнаруже­ ния и устранения аварий. Особую трудность представляет вскрытие трассы в зимнее время, когда грунты слоя сезонного промерзания - оттаивания находятся в твердомерзлом состоя­ нии. Разработка таких грунтов без соответствующей землерой­ ной техники, которая на трассе, как правило, отсутствует, выли­ вается в серьезную проблему. Вторым недостатком является большая зависимость вероятности появления аварий от того те­ плового воздействия, которое трубопровод оказывает на геоло­ гическую среду, причем это воздействие часто трудно прогно­ зировать. И, наконец, третий существенный недостаток - боль­ шой объем землеройных работ. С уменьшением глубины зало­ жения труб объем, соответственно, уменьшается и одновремен­ но облегчаются поиск и устранение аварий. В связи с этим в по­ следнее время на практике стали применять модификацию под­ земной прокладки - пояузаглубленную прокладку (рис. 16.1.д). В этом случае трубу укладывают таким образом, что ее верхняя образующая находится выше дневной поверхности, а нижняя - ниже. Выступающая над дневной поверхностью часть трубы обваловывается вынутым из траншеи грунтом. Однако, умень­ шая недостатки подземной прокладки, полузаглубленная про­ кладка приобретает все недостатки наземной прокладки.

Обычно строительство трубопровода на мерзлых грунтах, осуществляется в период, когда грунт находится в мерзлом со­ стоянии, так как при сезонном оттаивании проезд строительной техники вдоль трассы становится практически невозможным. При подземной схеме трубопровод укладывают в траншею и засыпают грунтом.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 3 6 - объектов в условиях Севера

Начальное состояние подземного трубопровода определят ется положением уложенной в траншею и засыпанной грунтом трубы. Поскольку трубы засыпаются мерзлым разрыхленным грунтом, то цементационных связей между трубой и мерзлым грунтом нет. Трубопровод может относительно свободно пере­ мещаться в грунте, если в нем появляются незначительные про­ дольные усилия. В таком состоянии объективно существуют наилучшие условия для эксплуатации подземного трубопрово­ да.

Ввод трубопровода в эксплуатацию может осуществляться с пропуском по нему продукта, имеющего температуру ниже - 0° С и выше 0° С. В первом случае условия эксплуатации не ухудшаются, поскольку оттаивания мерзлого грунта не происходит. Во втором случае между трубопроводом и грунтом уста­ навливается тепловой поток, который постепенно оттаивает грунт вокруг трубы.

Если бы грунт вокруг трубы был однородным на всем про­ тяжений, то такое оттаивание, может быть, было бы и не осо­ бенно опасным, так как трубопровод равномерно по всей длине оседал бы (или всплывал) в оттаивающем слое».

Однако вследствие изменения физических свойств грунта вдоль трубопровода за один и тот же промежуток времени, в различных сечениях труб величина оттаивания - будет различ­ ной. Следовательно, и поперечные перемещения сечений также будут разными. Особенно характерно такое положение для грунтов, имеющих слоистую и ячеистую текстуру, а также грун­ тов с жильными и повторно-жильными льдами. В таких грунтах возникают провалы грунта, в результате чего в местах провалов трубопровод провисает, изгибается и при определенных услови­ ях может разрушиться. Схема подземного трубопровода в от­ таивающем грунте показана на рис. 16.2. В момент укладки тру­ ба находилась в положении 1. Через какой-то период времени граница оттаивания установилась в положении 3; труба, опуска­ ясь в оттаивающем ipym e, установилась в положении 2. При этом в сечениях 1 - 1 к П - П ( и аналогичных, вдоль трассы) воз­ никает опасное для прочности трубопровода напряженное со­ стояние.

Допустим далее, что возникли условия, при которых отта­ явший грунт вновь начнет замерзать (значительное понижение

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 3 о - объектов в условиях Севера

Таким образом, если грунт вокруг трубопровода будет отг таивать и снова смерзаться, положение трубопровода по сравне­ нию с начальным может значительно измениться, а статические условия его работы окажутся очень далекими от расчетных. Это может произойти в том случае, если описанные явления не были учтены при проектировании.

Отметим далее следующее. Каждый подземный трубопро­ вод покрыт специальной противокоррозионной изоляцией. Ес­ тественно, что несколько подобных замерзаний, и оттаиваний с возникновением касательных напряжений полностью разрушат и изоляционное покрытие. Поэтому, рассматривая взаимодейст­ вие подземного трубопровода с грунтом, нельзя оставлять без внимания и вопросы прочности изоляции, подвергающейся воз­ действию касательных напряжений.

В зоне распространения мерзлых грунтов имеются участки, называемые буграми пучения. Особенностью их является то, что они замерзают сверху, а подток воды образуется снизу (рис. 16.4).

Бугор пучения

нам ерзания

Рис. 16.4. Бугор пучения.

Непрерывно намерзая снизу, лед выпирает грунт, располо­ женный выше; в замерзшем грунте возникают столь значитель­ ные напряжения, что бугор пучения иногда взрывается или, как говорят, «стреляет». Если в таком бугре расположить подзем­ ный трубопровод, он обязательно разорвется даже при сохране­ нии мерзлоты с момента укладки трубопровода. Поэтому уклад­ ка подземного трубопровода в буграх пучения не допускается.

16.2. Расчет остывания продукта при его транспортировке

Как известно, продукт по мере движения по трубам остыва­ ет и принимает температуру окружающей среды. Целью расчета является определение температуры в зависимости от протяжен­ ности трассы. Для газопроводов это позволяет установить про­ тяженность горячих, теплых и холодных участков. Для нефте­ проводов - расположение пунктов подогрева нефти или, решая обратную задачу, необходимую толщину изоляции трубы. Рас­ чет изменения температуры продукта, движущегося от пункта А к пункту В осуществляется по формуле:

Т в = К , М тл - г * К " . схб-1)

где ТА - температура энергоносителя в начальной точке А ,

°С\ Тв - то же в конечной точке В , °С; ТЫг-средняя температу­ ра воздуха наиболее холодной пятидневки, °С.

, (16.2)

rpi

где Xins - коэффициент теплопроводности изоляции трубо­

провода, Вт/(м°С); 8 ins - толщина изоляции трубопровода, м;

rpi - внешний радиус трубопровода, м; Срг - объемная тепло­

емкость продукта, Втч/(м3оС); G - расход продукта, м3/ч; L -

расстояние между пунктами А а В, ж, <ХоШ - коэффициент теп­

лоотдачи от поверхности теплоизоляции к воздуху, Вт/(м2 °С), зависит от скорости ветра и определяется по формуле

„0.8

(16.3)

( ч Г

где va - скорость ветра, м/с:

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 4 0 - объектов в условиях Севера

Если в точках А и В находятся пункты подогрева нефти й известны температуры, с которой она поступает на пункт и ухо­ дит из него, то, воспользовавшись формулой (16.1), можно рас­ считать необходимую толщину изоляции трубопровода и интен­ сивность подачи тепла на пункте подогрева. Расчет осуществляв ется по формулам:

<Р2 =

(16.6)

где Tmin, Тт„ - температура нефти, приходящей на пункт

подогрева и уходящей от него, °С; Qpr - интенсивность подачи

тепла на пункт подогрева, Вт.

16.3. Расчет глубины оттаивания и промерзания грунта в основании подземных трубопроводов

Трубопроводы оказывают большое тепловое воздействие на грунты основания, вызывая оттаивание мерзлых грунтов в пре­ делах горячих и теплых участков и промерзание талых грунтов в пределах холодных участков. С этими процессами связаны осадки и пучение труб, что может явиться причиной их дефор­ мации. Поэтому прогноз промерзания-оттаивания грунтов явля­ ется одной из главных частей общего расчета трубопроводов.

Подземные трубопроводы

Глубина многолетнего оттаивания ММП под центром горя­

чего и теплого трубопроводов H th рассчитывается по формуле