CC BY
242
УДК 622.692.4.07(252.6)
АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СРЕДСТВ БАЛЛАСТИРОВКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Д.А. ГУЛИН, аспирант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ О.И. ГАЙЛУНЬ, студент
Р.Р. ХАСАНОВ, к.т.н., доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ
С.М. СУЛТАНМАГОМЕДОВ, д.т.н., проф., декан факультета трубопроводного транспорта ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: denis.ufa@list.ru
На этапах проектирования и сооружения трубопроводов основным фактором, усложняющим процесс строительства, является специфика территорий, характеризующихся разнообразием природно-климатических, гидрологических, инженерно-геологических условий, а также наличием естественных и искусственных препятствий (малые и крупные водотоки, водохранилища, озера, болота, овраги, железные и автомобильные дороги и т.п.). При данных обстоятельствах для надежного функционирования трубопроводов одной из первостепенных задач, требующих решения, является обеспечение их продольной устойчивости. Для этой цели в трубопроводном строительстве предусмотрены средства балластировки и закрепления. В данной статье приводится классификация известных на данный момент устройств для закрепления трубопроводов, рассматриваются их конструктивные решения и особенности использования. На основании анализа приводится возможность применения устройств в тех или иных условиях, устанавливаются их основные преимущества и недостатки.
Ключевые слова: магистральный трубопровод, средства балластировки, анкерные устройства, устойчивость трубопроводов.
В настоящее время сооружение трубопроводов ведется высокими темпами. Это объясняется повышенной ролью данного вида транспорта в системе нефтегазовой отрасли, связанной с ускоренной перекачкой углеводородного сырья на большие расстояния, независимо от сезонности, с экономической эффективностью по сравнению с альтернативными видами транспорта. Важно отметить такие достоинства трубопроводного транспорта, как бесперебойность доставки, герметичность, что, в свою очередь, повышает экологическую безопасность, и высокая автоматизация производственного процесса. Таким образом, значимость трубопроводных систем весьма высока в процессе развития нефтяной и газовой промышленности, являющейся важнейшей частью топливно-энергетического комплекса России.
На данный момент ключевой проблемой в трубопроводном строительстве является обеспечение надежной работы объекта, одним из условий которого значится устойчивое положение трубопровода на проектных отметках, достигаемое методом закрепления средствами балластировки.
Потеря устойчивости трубопровода проявляется в виде арочных выбросов, провисов, всплытия. Основная причина всех форм потери проектного положения - негативное влияние продольных и поперечных перемещений трубы на средства балластировки. Потеря устойчивости, в свою очередь, приводит к резкому возрастанию напряжений, нарушению механических свойств металла трубы и повреждению изоляционного покрытия, что требует
незамедлительного проведения ремонта и значительных затрат на его осуществление.
Следовательно, приоритетным направлением трубопроводного транспорта является повышение устойчивости систем магистральных трубопроводов, включающее анализ несущей способности существующих балластирующих устройств, дальнейшее усовершенствование их конструкций, а также разработку совершенно новых технических решений.
Средства балластировки подразделяют на две основные группы:
1) устройства, удерживающие трубопровод за счет нагрузки от собственного веса;
2) анкерные устройства чья несущая способность определяется прочностными и деформационными свойствами грунтов.
К первой группе конструкций относятся:
- кольцевые утяжелители;
- утяжелители охватывающего типа;
- седловидные утяжелители;
- каркасные и бескаркасные грунтозаполняемые устройства.
Ко второй группе относятся анкеры следующих типов:
- винтовые;
- выстреливаемые;
- взрывные;
- раскрывающиеся;
- вмораживаемые;
- инъекционные.
| Рис. 1. Кольцевой утяжелитель
| Рис. 3. Утяжелители седловидного типа
Среди первой группы балластирующих устройств рассмотрим кольцевые утяжелители (рис. 1), которые зарекомендовали себя при сооружении трубопроводов на болотах, переходов через реки и другие водные преграды. Конструкция утяжелителя содержит, как правило, две секции, представляющие собой полукольца в их поперечном сечении, соединяемые между собой стяжными элементами. На внутренней поверхности полуколец монтируются футеровочные деревянные рейки либо полимерные коврики с целью предохранения как изоляционного покрытия, так и поверхности трубы от повреждений при монтаже устройства или вследствии его возможных перемещений в процессе эксплуатации [1].
Секции кольцевого утяжелителя изготавливают из чугуна или бетона. Если чугун подвержен воздействию коррозионного износа с дальнейшей потерей несущей способности конструкции, то бетон на основе портландцемента содержит известь и другие вещества, хорошо растворимые в воде, что неизбежно приводит к процессу выщелачивания извести, и по истечении времени изделие утрачивает связность и разрушается. Кроме растворяющего действия вода особенно опасна в тех случаях, когда устройство, произведенное из бетона на основе портландцемента, подвергается попеременному намоканию в воде и последующему замораживанию. Многократное повторение таких циклов приводит к его быстрому разрушению.
На основании вышеизложенного было решено использовать бетонные смеси, изготовленные на основе шла-кощелочных вяжущих материалов. Данные материалы обладают такими свойствами, как высокая механическая прочность и хорошее сопротивление истиранию; высокая
| Рис. 2. Утяжелители охватывающего типа
водостойкость и водонепроницаемость; низкий коэффициент фильтрации; высокая стойкость в ряде агрессивных сред; возможность твердения при отрицательных температурах; хорошая сохранность стальной арматуры в теле бетона; стабильность во времени структуры бетона, изготовленного на их основе, долговечность, надежность. Сравнение затрат на производство шлакощелоч-ных вяжущих и портландцемента идентичных марок показывает, что у шлакощелочных вяжущих затраты на производство значительно меньше благодаря существенному снижению энергозатрат на производство и доступность сырьевых компонентов [2].
Недостатками кольцевых утяжелителей является их массивность, трудозатраты при транспортных и погру-зочно-разгрузочных работах, а также возможное смещение как футеровки, так и самого балластирующего средства вдоль продольной оси трубопровода, например при его укладке путем протаскивания.
Устройства охватывающего типа предназначены главным образом для балластировки трубопроводов диаметром 530-1420 мм включительно, проходящих через болота, обводненные участки и поймы рек. Конструкция утяжелителя выполнена в виде двух симметрично расположенных относительно оси трубопровода блоков из бетона с парой поясов для их соединения из прошитой технической ткани или из тканых лент на основе полиэфира или полиамида.
Различают данные утяжелители обычного (рис. 2,а) и модернизированного (рис. 2б) исполнения [1, 3]. Существуют аналоги, снабженные упорами на нижних гранях блоков (рис. 2в), предназначенные для погружения в дно траншеи с целью дополнительной фиксации от перемещений и гибкой перемычкой длиной, выбранной из условия натяжения при установке нижних граней балластных блоков на дно траншеи [4].
Недостатки данных устройств проявляются в значительных габаритах, что сказывается на трудоемкости при доставке и монтажных работах, а также усилиях, возникающих при возможном контакте между бетонными блоками и трубопроводом, которые воздействуют на стенку и изоляционное покрытие трубопровода, тем самым снижая
продолжительность срока эксплуатации системы.
Седловидные пригрузы целесообразно использовать для балластировки на участках, сложенных многолетнемерзлыми грунтами, на обводненных и заболоченных территориях. Их конструкция представляет собой
| Рис. 4. Каркасные и бескаркасные утяжелители
седловидный железобетонный блок, внутренняя поверхность которого повторяет форму трубы (рис. 3 а) либо образована двумя цилиндрическими взаимно пересекающимися поверхностями с радиусом, превышающим радиус трубопровода (рис. 3 б). Утяжелители также комплектуются футеровочными матами, укладывающимися непосредственно на трубу под утяжелитель и обеспечивающими защиту изоляции трубопровода от деформаций и повреждений [1].
При мощности торфяной залежи, превышающей глубину траншеи, такие грузы в результате подвижек трубы могут потерять устойчивость, к тому же их центр тяжести расположен выше оси трубопровода, что может вызвать их опрокидывание. Представленные недостатки привели к исключению данных устройств из массового применения для закрепления трубопроводов.
Каркасные и бескаркасные грунтозаполняемые утяжелители выполнены в виде емкостей различной формы (рис. 4), изготовленных из синтетических или полимерных материалов, которые соединены между собой налагаемым на трубопровод силовым поясом [5, 6, 7]. Если же емкости имеют герметичную систему (см. рис. 4 г, д, е), в их верхней части вшивают горловины для загрузки сыпучего материала [8, 9, 10]. Возможны варианты конструкций в виде полых П-образных коробов (рис. 4ж), изготовляемых из гибких полосовых материалов [11].
Заполнение емкостей минеральным грунтом производят экскаватором или бункерным устройством. К заполняемым грунтам предъявляются требования по крупности фракций, плотности, наличию включений торфа, снега и льда.
К недостаткам данной подгруппы можно отнести вымывание минерального грунта из устройств, которое влечет за собой снижение расчетной нагрузки на трубопровод, а также значительные суммарные объемы погрузочно-раз-грузочных и транспортных работ.
Проанализируем вторую группу средств балластировки, объединяющую в себе разнообразные конструкции анкерных устройств, установка которых в летний период осуществляется, как правило, после укладки трубопровода в траншею, а в зимний - сразу же после разработки грунта.
Конструкция винтовых анкеров (рис. 5) выполнена в виде двух тяг с наконечниками, винтовых лопастей и соединительного пояса. Монтаж устройства осуществляется завинчиванием гидравлическими вращателями,
представляющими собой навесное оборудование на базе тракторов, экскаваторов и трубоукладчиков. Установка данного типа анкеров допускается в грунтах, имеющих предрасположенность к восстановлению прочностных свойств при нарушении целостности естественного состояния лопастями устройства [1].
Существует способ закрепления трубопровода выстреливаемыми анкерами (рис. 6), которые вдавливаются в грунт с помощью артиллерийских орудий. Анкер с прикрепленным к нему стропом для фиксации трубопровода устанавливают на грунт, строп помещают в полость поршня-забойника, верхнюю поверхность анкера соединяют с нижним концом съемного массивного поршня-забойника, верхнюю часть которого помещают в ствол артиллерийского орудия, и производят выстрел. Данный метод применим при строительстве трубопроводов в грунте в условиях болотистой местности и вечной мерзлоты [12].
Взрывные анкеры (рис. 7), включают штангу, опорные лопасти, размещенные вокруг штанги, наконечник
| Рис. 5. Винтовые анкеры
I Рис. 6. Выстреливаемый анкер
| Рис. 7. Взрывной анкер
заряд взрывчатого вещества с узлом инициирования. Заряд взрывчатого вещества с узлом инициирования размещен между штангой и лопастями. Под действием взрыва опорные лопасти анкера раскрываются, повышая несущую способность заглубленного устройства [13].
Принцип работы раскрывающихся анкеров аналогичен взрывным с тем единственным отличием, что раскрытие штанг (лопастей) осуществляется обратным частичным извлечением устройства из грунта трубоукладчиком или специально разработанным для этого механизмом, при этом верхние лопасти анкера после их раскрытия должны находиться в минеральном грунте на глубине не менее 3 м [1].
Подобные конструкции применимы при сооружении в малоосвоенных и заболоченных местностях, а также в условиях плотной застройки крупных мегаполисов.
| Рис. 8. Раскрывающийся анкер
Винтовой вмораживаемый анкер устанавливается в заранее разработанную скважину (рис. 8). Начала в скважину устанавливается тяга с наконечником, а затем скважина заполняется грунтовым (песчаным) раствором соответствующего состава и консистенции. Сразу же после заполнения скважины раствором с помощью средств малой механизации или установок для завинчивания анкеров в грунт надетая на тягу винтовая лопасть завинчивается до упора (наконечника). Затем на тягу устанавливается втулка и вторая винтовая лопасть, которая также завинчивается до упора. Заключительной операцией является установка силового соединительного пояса. Установку вмораживаемых анкеров в грунт следует производить в календарные сроки, обеспечивающие смерзание анкеров с грунтом для придания им расчетной несущей способности.
Метод балластировки с использованием анкеров-инъекто-ров основан на закреплении в грунте полых анкеров с отверстиями на боковой поверхности путем инъектирования вяжущего продукта с последующим соединением анкера и трубопровода посредством силовых поясов. Вяжущий продукт инъектируют в грунт через отверстия, выполненные в нижней части боковой поверхности трубы (рис. 9а) либо по всей ее рабочей поверхности (рис. 9б). Закрепляющее вяжущее вещество восстанавливает разрушенную наконечником анкерного устройства структуру грунта: после его затвердевания плотность, водоустойчивость и удерживающая способность грунта значительно увеличиваются. В качестве закрепляющего вяжущего вещества могут быть использованы нефтяные битумы и мастики, глинистые, цементные растворы, силикат натрия, различные смолы и другие жидкие водонерастворимые быстро твердеющие вещества [14, 15].
Недостатком анкера-инъектора является возможное закупоривание отверстий для подачи вяжущего раствора, вследствие чего теряется требуемая несущая способность устройства.
Вопрос закрепления трубопроводов на обводненных и болотистых участках может быть решен с использованием вакуумного анкерного устройства (рис. 10). Оно состоит из корпуса-трубы, заглушенной с одной стороны, при этом посередине заглушки смонтирован патрубок с краном и тройником. К тройнику присоединены вакуумметр и клапан для откачивания воздуха. Несущая способность рассматриваемого анкера обусловлена конструктивной особенностью устройства, она достигается не геометрическими параметрами конструкции, а силой присоса, возникающей
| Рис. 9. Анкеры-инъекторы
| Рис. 10. Вакуумное анкерное устройство
вследствие разности давлений между вакуумной камерой и окружающей средой [16].
Достоинствами второй группы средств закрепления перед устройствами, воздействующими на трубопровод собственным весом, являются их незначительные габариты и масса, что, в свою очередь, значительно увеличивает
скорость доставки и упрощает как погрузочно-разгрузоч-ные, так и транспортные работы. Однако, как показывает практика, данные устройства имеют предрасположенность к частым отказам, что объясняется высокой зависимостью надежности всей системы от работоспособности каждого отдельно взятого анкера, нарушение функционирования которого влечет за собой возрастание отказов по цепной схеме.
Обеспечение устойчивости трубопроводов является комплексной проблемой, включающей аспекты конкретных условий строительства, инженерных изысканий, расчетных нагрузок и ряда других факторов. Решение этой задачи прежде всего сводится к оптимальному проектному замыслу, включающему дифференциальный подход к реализации идеи: использование новых материалов и конструкций, применение нетрадиционных методов, разработку и введение прогрессивных технологий. На данный момент имеется широкий перечень устройств, отвечающих критериям современного строительства. Тенденция модернизации средств закрепления направлена на повышение их несущей способности, снижение материалоемкости и расходов на транспортные перевозки, а также обеспечение высоких темпов производства работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быков Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков С.К. и др. Типовые расчеты при сооружении газонефтепроводов: учеб. пособ. для вузов. СПб.: Недра, 2011. 748 с.
2. Патент РФ № 118712 МПК F16L 1/06 Утяжелитель балластировочный из шлако-щелочного бетона / Краев Д.А., Черевец О.Я., Охотников М.В. и др. Опубл.: 27.12.2012. Бюл. № 21.
3. Патент РФ № 106632 МПК E02D 17/00 Утяжелитель сборный железобетонный охватывающего типа УБО-УМ / Карташян В.Э., Миронов И.А. Опубл.: 20.07.2011. Бюл. № 20.
4. Патент РФ № 116949 МПК F16L 1/06 Бетонный утяжелитель охватывающего типа для балластировки трубопроводов / Миронов И.А., Карташян В.Э., Васильев Д.Н. Опубл.: 10.06.2012. Бюл. № 16.
5. Патент РФ № 111232 МПК F16L 1/06 Полимерконтейнерное балластирующее устройство ПКБУ-МК для балластировки магистральных трубопроводов / Мухаметдинов Х.К., Мухаметдинов Г.Х. Нилович Э.Н. Опубл.: 10.12.2011. Бюл. № 34.
6. Патент РФ № 108115 МПК F16L 1/06 Контейнер полимерконтейнерного балластирующего устройства ПКБУ-МК / Охотников С.В., Карташян В.Э. и др. Опубл.: 10.09.2011. Бюл. № 25.
7. Патент РФ № 126797 МПК F16L 1/06 Утяжелитель контейнерного типа для балластировки трубопроводов / Петрович А.П., Халиков Ю.С. Опубл.: 10.04.2013. Бюл. № 10.
8. Патент РФ № 72295 МПК F16L 1/06 Контейнер текстильный многоемкостный КТМЕ для балластировки трубопровода / Еленевский Е.В., Карташян В.Э. Опубл.: 10.04.2008. Бюл. № 10.
9. Патент РФ № 85206 МПК F16L 1/06 Мягкий контейнер для балластировки трубопроводов / Супрун И.П., Сергеев С.Г. Опубл.: 27.07.2009. Бюл. № 21.
10. Патент РФ № 121026 МПК F16L 1/06 Балластирующее устройство для трубопровода / Шарыгин В.М., Яковлев А.Я., Филиппов А.И. Опубл.: 10.10.2012. Бюл. № 28.
11. Патент РФ № 2432514 МПК F16L 1/24 Способ балластировки подводного трубопровода / Данилов Ю.А., Пономарев А.Н., Смирнов А.В. Опубл.: 27.10.2009. Бюл. № 30.
12. Патент РФ № 2303738 МПК F16L 1/06 Способ закрепления трубопровода выстреливаемыми анкерами и пор-шень-забойник для осуществления способа / Маланин В.В., Пенский О.Г., Русаков С.В. Опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21.
13. Патент РФ № 2269623 МПК E02D 5/80 Грунтовый анкер / Байриков Ю.К., Байриков И.Ю. Опубл. 10.02.2006. Бюл. № 4.
14. Патент РФ № 2184299 МПК F16L 1/06 Способ закрепления трубопровода / Мустафин Ф.М., Спектор Ю.И., Квятовский О.П. и др. Опубл. 27.06.2002. Бюл. № 18.
15. Патент РФ № 2205317 МПК F16L 1/06 Способ закрепления трубопровода / Мустафин Ф.М., Квятковский О.П., Гамбург И.Ш. и др. Опубл. 27.05.2003. Бюл. № 15.
16. Патент РФ № 168768 МПК E02D 5/80 Вакуумное анкерное устройство / Гулин Д.А., Султанмагомедов С.М., Хасанов Р.Р. Опубл.: 17.02.2017. Бюл. № 5.
ANALYSIS OF CONSTRUCTIVE SOLUTION BALLASTING DEVICES FOR MAIN PIPELINES
GULIN D.A., Postgraduate Student of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities GAILUN O.I., Student
KHASANOV R.R., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities
SULTANMAGOMEDOV S.M., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Dean of the Faculty of Pipeline Transport
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan,
Russia). E-mail: denis.ufa@list.ru
ABSTRACT
At the design and construction stages of pipelines the main factor, which complicatea implementation of construction, is the specificity of territories, characterizing by a diversity of natural-climatic, hydrological, engineering-geological conditions, and also the presence of natural and artificial obstacles (small and large watercourses, water reservoir, lakes, marshes, ravines, railways and automotive roads etc.) In this case for reliable functioning of pipelines, one of the high-priority tasks, requiring solution, is providing their longitudinal sustainability. For this purpose in pipeline construction provides ballasting and anchor devices. In this article is given classification, uniting famous at the moment devices for fixing pipelines, considered their constructive solution and features of use. Based on the analysis is given an opportunity to use the device in those or others conditions, are established their main advantages and limitations. Keywords: main pipeline, ballasting devices, anchor devices, sustainability of pipelines. REFERENCES
1. Bykov L.I., Mustafin F.M., Rafikov S.K. Tipovyye raschetyprisooruzheniigazonefteprovodov [Typical calculations for the construction of gas and oil pipelines]. Saint Petersburg, Nedra Publ., 2011. 748 p.
2. Krayev D.A., Cherevets O.YA., Okhotnikov M.V. Utyazheiitei' ballastirovochnyy iz shlako-shchelochnogo betona [Ballasting weighting agent of slag-alkaline concrete]. Patent RF, no. 118712 MPK F16L 1/06, 2012.
3. Kartashyan V.E., Mironov I.A. Utyazhelitel' sbornyyzhelezobetonnyy okhvatyvayushchego tipa UBO-UM [Prefabricated reinforced concrete weighting agent of UBO-UM covering type]. Patent RF, no. 106632 MPK E02D 17/00, 2011.
4. Mironov I.A., Kartashyan V.E., Vasil'yev D.N. Betonnyy utyazhelitel' okhvatyvayushchego tipa dlya ballastirovki truboprovodov [Concrete weighting agent of the enveloping type for ballasting pipelines]. Patent Rf, no. 116949 MPK F16L 1/06, 2012.
5. Mukhametdinov KH.K., Mukhametdinov G.KH. Nilovich E.N. Polimerkonteynernoye ballastiruyushcheye ustroystvo PKBU-MK dlya ballastirovki magistral'nykh truboprovodov [PCBU-MK polymer container ballasting device for ballasting pipelines]. Patent RF, no. 111232 MPK F16L 1/06, 2011.
6. Okhotnikov S.V., Kartashyan V.E. Konteyner polimerkonteynernogo ballastiruyushchego ustroystva PKBU-MK [Container of polymer-container ballasting device PKBU-MK]. Patent RF, no. 108115 MPK F16L 1/06, 2011.
7. Petrovich A.P., Khalikov YU.S. Utyazhelitel' konteynernogo tipa dlya ballastirovki truboprovodov [Weighting agent of container type for ballasting pipelines]. Patent RF, no. 126797 MPK F16L 1/06, 2013.
8. Yelenevskiy Ye.V., Kartashyan V.E. Konteyner tekstil'nyy mnogoyemkostnyy KTMEdlya ballastirovki truboprovoda [A multi-capacity textile container KTME for ballasting pipelines]. Patent RF, no. 72295 MPK F16L 1/06, 2008.
9. Suprun I.P., Sergeyev S.G. Myagkiy konteyner dlya ballastirovki truboprovodov [Soft container for ballasting pipelines]. Patent RF, no. 85206 MPK F16L 1/06, 2009.
10. Sharygin V.M., Yakovlev A.YA., Filippov A.I. Ballastiruyushcheye ustroystvo dlya truboprovoda [Ballasting device for the pipeline]. Patent RF, no. 121026 MPK F16L 1/06, 2012.
11. Danilov YU.A., Ponomarev A.N., Smirnov A.V. Sposob ballastirovkipodvodnogo truboprovoda [Method of ballasting of the underwater pipeline]. Patent RF, no. 2432514 MPK F16L 1/24, 2009.
12. Malanin V.V., Penskiy O.G., Rusakov S.V. Sposob zakrepleniya truboprovoda vystrelivayemymiankeramiiporshen' zaboynik dlya osushchestvleniya sposoba [Method of fixing the pipeline with firing anchors and a piston rammer for the implementation of the method]. Patent RF, no. 2303738 MPK F16L 1/06, 2007.
13. Bayrikov YU.K., Bayrikov I.YU. Gruntovyy anker [Ground anchor]. Patent RF, no. 2269623 MPK E02D 5/80, 2006.
14. Mustafin F.M., Spektor YU.I., Kvyatovskiy O.P. Sposob zakrepleniya truboprovoda [Method of fixing the pipeline]. Patent RF, no. 2184299 MPK F16L 1/06, 2002.
15. Mustafin F.M., Kvyatkovskiy O.P., Gamburg I.SH. Sposob zakrepleniya truboprovoda [Method of fixing the pipeline]. Patent RF, no. 2205317 MPK F16L 1/06, 2003.
16. Gulin D.A., Sultanmagomedov S.M., Khasanov R.R. Vakuumnoye ankernoye ustroystvo [Vacuum anchor device]. Patent RF, no. 168768 MPK E02D 5/80, 2017.
