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

~ 0,78Аг

где C JJ - предел текучести стали, Па.

Проверка на недопустимость всплытия трубопровода про­ изводится, если он находится ниже уровня грунтовых вод или если вокруг трубопровода происходит оттаивание высокольди­

стых ММП (>0,4). Считается, что трубопровод сохраняет ус­

тойчивость, если выполняется условие

где PwiPd,0t ' плотность воды и скелета талого грунта,

кг/м3; a pi v - угол упругого изгиба трубы в вертикальной плос­

кости, рад; р - радиус упругого изгиба трубы в вертикаль­

ной плоскости, м; остальные обозначения даны выше.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-3 5 2 - объектов в условиях Севера

16.5.Расчет наземного трубопровода на прочность и устойчивость

Наземные трубопроводы обычно применяют на участках трассы с резко пересеченным рельефом или с сильной заболо­ ченностью. Существует наземная прокладка с обвалованием труб грунтом и без нее (рис.16.5). Последняя применяется толь­ ко на холодных участках трубопроводов.

Наземная прокладка без обвалования всегда устраивается с компенсацией продольных деформаций, с обвалованием - так же как и подземная прокладка - без компенсации или с устройством компенсационных участков. При наземной прокладке трубы ук­ ладываются на песчаную подготовку ОД м, выкладку из мелко­ лесья (обычно на болотах) или непосредственно на моховой по­ кров. Теплые и горячие участки трубопроводов обваловываются непучинистым грунтом. Высота обваловки принимается не ме­ нее 0,5 м выше верхней образующей трубы. Ширина по верху - более 1,5 м и полуторной величины диаметра трубы. Заложение откосов - от 1:1,5 до 1:2. Гребень и откосы обваловки закрепля­ ются дерном или посевом трав. Схемы наземной прокладки тру­ бопроводов показаны на рис. 16.6 и рис.16.7.

Рис.16.6. Наземная прокладка магистральных трубопроводов:

а - в обваловке, б - без обваловки:

1 - трубопровод, 2 - песчаная подготовка, 3 - местный грунт/

Горячие и теплые участки трубопроводов на территориях с ММП сливающегося типа теплоизолируются. В качестве изоля­ тора используются торф и пенополистирол, из которого выпол­ няются плоский и полуцилиндрический экраны. Горячие участ­ ки трубопроводов на местности П типа прокладывают с приме­

нением теплоизоляции и термоохладителей, которые устанавли­ ваются с двух сторон трубопровода с шагом 10-12 м по длине трассы.

Рис.16.7. Схемы наземной прокладки магистральных трубопроводов: а - холодных и теплых участков на местности Ш и IV типов; б - теплых участ­ ков на местности П типа; в, г - горячих участков на местности II и ГУ типов:

I - трубопровод; 2 - насыпь; 3 - резерв для дополнительной отсыпки насыпи после стабилизации осадки; 4 - талый грунт оснований; 5 - верхняя граница ММП; 6 - мерзлый грунт оснований; 7 - теплоизоляция; 8 - термоохладители.

Пропуск поверхностных вод через обваловку осуществля­ ется через каждые 300-500 м при помощи водопропускных труб. Наземные трубопроводы оказывают на ММП как прямое тепло­ вое воздействие, являясь искусственными источниками или сто­ ками тепла, так и косвенное, существенно изменяя условия теп­ лообмена на дневной поверхности в пределах трассы. Главным из косвенных воздействий является отепляющее влияние снеж­ ных отложений, скапливающихся возле трубопровода, который

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 5 4 - объектов в условиях Севера

задерживает метелевой перенос снега. В определенных услови­ ях это может привести к развитию термокарста и, как следствие, к деформациям самого трубопровода.

Преимущество наземной прокладки по сравнению с под­ земной заключается в отсутствии экскавации грунта по трассе, балластировки труб и анкерных устройств. К недостаткам сле­ дует отнести меньшую надежность при внешних ударных воз­ действиях, большие объемы завозимого грунта, дополнительное косвенное тепловое воздействие на ММП, изменение естествен­ ного стока поверхностных вод, препятствие для миграции диких животных (в случае прокладки труб без обваловки).

При наземной прокладке трубопровод сооружается в насы­ пи (рис. 16.8).

Рис.16.8. Трубопровод в насыпи на мерзлом грунте.

В этом случае непосредственный контакт труб с мерзлым грунтом исключается. Однако это не означает, что никаких про­ блем для обеспечения надежной эксплуатации трубопровода не возникает.

Если строительство было осуществлено в зимний период, то в летнее время вследствие оттаивания мерзлого грунта в пре­ делах деятельного слоя возможно оседание насыпи 1 и трубо­ провода 2. Причем в разных сечениях осадки будут различными. Если в каких-то сечениях труба перемещается меньше, чем на­ сыпь, начнется обтекание трубы грунтом насыпи. В результате на отдельных участках насыпь может «провалиться» и труба как бы всплывет на поверхность. Таким образом, запроектированная конструкция окажется разрушенной.

Бсли, в трубопроводе находится продукт с отрицательной температурой, то это будет способствовать сохранению устой­ чивости, как насыпи, так и мерзлого грунта, на котором отсыпа­ на насыпь.

Если перекачивается продукт, с положительной температу­ рой, то начнется протаивание мерзлого грунта под насыпью с образованием ореола, протаивания, ограниченного линией 4. При этом могут начаться процессы неравномерного оседания трубы и насыпи. Для уменьшения глубины протаивания под трубой можно уложить теплоизоляционную подушку 3. В зави­ симости от теплофизических свойств подушки и ее размеров можно добиться такого положения, при котором глубина ореола оттаивания стабилизируется при постоянном подводе тепла со стороны трубопровода. Регулируя, таким образом, тепловой по­ ток, можно обеспечить устойчивую работу трубопровода, укла­ дываемого в насыпи. Однако этого можно достичь не на любых видах мерзлого грунта. Например, укладка в насыпи исключает­ ся при пересечении бугров пучения, а также сильнольдистых грунтов с жильным льдом и т. п.

Расчет глубины многолетнего оттаивания наземного трубопровода

Глубина многолетнего оттаивания под центром горячего и теплого трубопроводов Hth, расположенных на участках сли­

вающегося типа, рассчитывается ло формуле (расчетная схема приведена на рис. 16.9):

где <Х2 - безразмерный параметр, определяемый по номо­

грамме (рис. 16.9, а) в зависимости от диаметра трубы d p.; f$2

- безразмерный параметр, определяемый по номограмме (рис.

Расчет наземного трубопровода на прочность и устойчивость

Расчет наземного трубопровода ведется на прочность и об­ щую устойчивость в продольном направлении с проверкой на недопустимость пластических деформаций в продольном и кольцевом направлениях. Целью расчета является определение толщины стенки трубы, толщины изоляции и параметров обваловки, если прокладка трубопровода осуществляется в насыпи.

Расчет на прочность осуществляется по методике, изложен­ ной для подземного трубопровода, со следующими исправле­ ниями и добавлениями.

1. Формула (16.20) записывается в виде:

где к н - безразмерный коэффициент, учитывающий спо­

соб прокладки, при наземной прокладке с обваловкой к н = 0,9,

без обваловки к н = 0,7.

2. Формула (15.25) преобразуется:

-# 0), ММП несливающегося типа,

ипринимается для всех видов грунтов, в связи с чем фор­ мула (16.26) исключается.

3.Формула (16.35) записывается в виде

где bdam - ширина гребня обваловки, м; h0 - высота обва­

ловки над верхней образующей трубы, м; Yld - заложение отко­

са обваловки; p dam - плотность грунта обваловки в талом со­ стоянии, кг/м3.

4. Формула (16.37) преобразуется

b=№*+W»A5b)>g(j-S!f L')- <166°)

где q soi} - вес грунта, лежащего на трубе, вычисляется по

формуле (16.53), Н/м;

А, - расстояние от дневной поверхности земли до верхней

образующей трубы, м.

Силы сопротивления сдвигу определяются по формуле

« = * A , » + ( AO + ^ K -

Проверка на недопустимость пластических деформаций ма­ териала наземного трубопровода заключается в контроле вы­ полнения условий (16.44)-(16.45).

16.6. Особенности расчета и проектирования призм обвалования магистральных газопроводов в услови­ ях мерзлых грунтов

Отсутствие призм обвалования на магистральных газопро­ водах обусловливают дополнительные их перемещения. Это ве­ дет к потере продольной устойчивости газопроводов и образо­ ванию арок.

Устранение участков размыва и эрозии обвалования связа­ но со значительными материальными и трудовыми затратами. Так только в 2006 г. для устранения оголенных участков первой и второй нитки магистрального газопровода Заполярное место­ рождение - Новый Уренгой «Газпромом» выделено около 300 млн. рублей.