CC BY
189
УДК 622.692.4
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-6-20-22
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПРОКЛАДКИ НЕФТЕПРОВОДОВ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
ANALYSIS OF THE PROBLEM OF LAYING OIL PIPELINES IN PERMAFROST
Л.М. Муталова, Ф.М. Мустафин
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCHID: https://orcid.org/0000-0001-9481-6577, Email: [email protected], Email: [email protected]
Резюме: В статье рассмотрены основные проблемы прокладки нефтепроводов в вечной мерзлоте. Для сохранения мерзлых грунтов в ненарушенном состоянии необходимо минимизировать тепловое и механическое воздействие. Выявлено, что применение наземного способа прокладки нефтепровода позволит снизить последствия техногенного воздействия, а также сохранить мерзлый грунт в ненарушенном состоянии.
Ключевые слова: нефтепровод, многолетнемерзлые грунты, тепловое взаимодействие, наземная прокладка.
Для цитирования: Муталова Л.М., Мустафин Ф.М. Анализ проблем прокладки нефтепроводов на вечной мерзлоте // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 5-6. С. 20-22.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-6-20-22
Введение
На сегодняшний день нефтепроводы занимают значительную территорию всей России, транспортируя нефть с самых отдаленных уголков нашей страны в крупнейшие города и за рубеж. И с каждым годом сеть нефтепроводов растет, исследуются ранее не изведанные территории, внедряются новые способы и технологии прокладки трубопроводов.
Большая часть запасов углеводородов находится на территории Западной Сибири. Прокладка нефтепроводов в северных районах России является актуальной на сегодняшний день задачей. Но суровые климатические условия северных регионов накладывают определенные ограничения при сооружении объектов систем трубопроводного транспорта.
Основная задача при прокладке нефтепроводов в условиях вечной мерзлоты - оказать минимальное воздействие на природу и сохранить ее в первозданном виде. При этом необходимо учитывать все особенности строительства на участках распространения многолетней мерзлоты: отрицательные температуры, физико-механические свойства грунтов.
Основные проблемы прокладки нефтепроводов на вечномерзлых грунтах
Исходя из практики строительства на вечномерзлых грунтах, можно сказать, что грунт будет являться прочным основанием при сохранении его в мерзлом состоянии. В настоящее время этого добиться сложно ввиду механического и теплового воздействия на грунт при прокладке нефтепроводов, вследствие чего в грунте начинают возникать различные процессы, влияющие на его структуру.
Liliana M. Mutalova, Fanil M. Mustafin
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCHID: https://orcid.org/0000-0001-9481-6577, Email: [email protected], Email: [email protected]
Abstract: The main problems of laying oil pipelines on permafrostare analyzed in the paper.In order to preserve frozen soils in an undisturbed state, it is necessary to minimize thermal and mechanical effects. It was revealed that the use of the land-based method of laying the oil pipeline will reduce the consequences of technogenic impact and preserve the frozen soil in an undisturbed state.
Keywords: oil pipeline, permafrost, thermal interaction, ground laying.
For citation: Mutalova L.M., Mustafin F.M. ANALYSIS OF THE PROBLEM OF LAYING OIL PIPELINES IN PERMAFROST. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 5-6, pp. 20-22
DOI:10.24411/0131-4270-2020-6-20-22
Так начинается сложный процесс взаимодействия между горячим нефтепроводом и мерзлым грунтом.
Тепловое воздействие на мерзлый грунт при подземной прокладке ведет к растеплению грунта. Так как сами нефтепроводы являются источником тепла при транспортировке подогретой нефти, то при длительном взаимодействии теплой трубы с мерзлым грунтом возникает процесс растепления грунтов. Мерзлые грунты принимают отводимое тепло, вследствие чего происходит их оттаивание, а затем - обводнение больших участков.
Механическое воздействие зачастую обусловлено различными земляными работами. При подземном способе прокладки это разработка траншеи, в результате которой существует риск обводнения траншеи, а при надземном - установка свай-опор. При этом сваи-опоры взаимодействуют с грунтом, но если не применять специальные охлаждающие средства, то вокруг свай возникают ореолы оттаивания. В этом случае грунт просаживается вместе с опорами, изменяется положение оси нефтепровода относительно проектных отметок, появляется риск потери устойчивости всей конструкции.
Также необходимо учитывать частую проходку строительной техники, в результате которой нарушается соблюдение условия нулевого теплового баланса на поверхности мерзлого массива грунта [1].
При повреждении растительного покрова, например в тракторных колеях, глубина протаивания увеличивается на 0,6-0,8 м. В летнее время года колеи заполняются водой вследствие слабого дренирования поверхностных слоев, подстилаемых вечномерзлым грунтом. В результате вследствие интенсивной термоэрозии и термокарста образуются промоины и овраги глубиной до 5 м, шириной в верхней
части 7-10 м. Если растительный покров только поврежден, то в ближайшие два-три года глубина протаивания будет увеличена на 20-40 см, а на восстановление растительного покрова потребуется несколько лет [2].
Территория северных регионов известна своей хрупкостью из-за обширного распространения вечной мерзлоты. Растительный покров является теплоизолятором для мерзлых грунтов: зимой предохраняет от переохлаждения, а летом от перегревания. При нарушении тонкого слоя почвенно-растительного покрова наблюдается нарушение гидрогеологического режима, активизируются криогенные процессы, изменяется тепловой баланс поверхности. При этом глубина протаивания может увеличиться в 1,5-3 раза. Стабилизация природных условий наступает через длительное время, так, например, моховой покров восстанавливается в течение 50-100 лет [1].
Существуют различные методы предотвращения растепления мерзлых грунтов. К таким относятся сезонно-дей-ствующие охлаждающие устройства (СОУ), теплозащитные экраны и другие устройства. Например, при строительстве самого северного нефтепровода России Заполярье - Пурпе было использовано более 100 тыс. термостабилизаторов, установленных в надземные опоры. Но такие устройства требуют не только больших финансовых затрат, но и качественной установки из-за сложного процесса их монтажа.
Однако устранив одну проблему, а именно растепление грунтов и их последующую осадку, можно получить совершенно другую: при замораживании грунтов возникает их морозное пучение, что также может негативно сказаться на всей конструкции и привести к аварийным ситуациям. Как известно, мерзлые грунты содержат воду, и при ее замерзании грунт увеличивается в объеме, что приводит к выпучиванию и повреждению подземных нефтепроводов и их конструкций, свайных опор и т.д.
Сезонное пучение в обводненных грунтах (пойма реки) увеличивается в полосе строительства в 1,1-2 раза (до 0,040-0,120 м), в траншее трубопровода - в 2-5 раза (до 0,080-0,300 м). В то время как в не нарушенных при строительстве условиях величина сезонного пучения и осадки не превышает 0,080 м. Как видно, скорость нарастания бугра пучения в результате техногенного воздействия возрастает в несколько раз [3].
Основным способом предотвращения морозного пучения грунтов является их осушение. Помимо этого существуют и другие способы, такие как замена пучинистого грунта непучинистым, обогрев грунта, тепловые или химические мероприятия.
Таким образом, существующие методы предотвращения оттаивания-промерзания грунтов не являются гарантированно эффективными и безопасными для окружающей среды.
Способы прокладки нефтепроводов на вечномерзлых грунтах
Взаимодействие трубопровода с окружающим мерзлым грунтом определяется способом его прокладки и температурой транспортируемого продукта. Строительство нефтепроводов на вечномерзлых грунтах может осуществляться тремя возможными способами: подземным, надземным и наземным. Применение каждого вида определяется с учетом всех факторов, влияющих на сохранение
особенностей любой конструктивной схемы в течение всего периода эксплуатации.
При подземном способе прокладки трубопровод укладывается в траншею и засыпается грунтом. Такую прокладку лучше всего осуществлять в зимний период для беспрепятственного проезда строительной техники.
В момент начала эксплуатации по трубопроводу пропускают нефть, которая имеет положительную температуру. Между трубопроводом и грунтом возникает тепловой поток, который постепенно размораживает мерзлый грунт. Вследствие этого возникают ореолы оттаивания в различных местах, что может привести к неоднородной просадке грунта и изменению положения оси трубопровода. А достижение предельных значений изгиба трубопровода может привести к его разрушению.
Также необходимо учитывать тот факт, что при постоянном промерзании-оттаивании грунта изоляционное покрытие трубопровода может разрушиться преждевременно.
При подземной прокладке нефтепроводов затруднено выявление и устранение аварий. Особенно сложным является вскрытие трассы в зимнее время, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии.
Чтобы исключить многие негативные факторы, в условиях вечной мерзлоты чаще вместо подземной прокладки используют надземную. Между тем надземный способ является весьма затратным и трудоемким. Необходимо устраивать компенсационные участки, сооружать свайные или грунтовые опоры, применять СОУ. При этом способ надземной прокладки также не устраняет механическое и тепловое воздействие на мерзлый грунт.
Для уменьшения риска возникновения просадки, пучения и многих других факторов необходимо уменьшить воздействие на грунт. Самый простой способ достичь этого -использовать наземную прокладку.
Весьма убедительны данные по интенсивности отказов газопровода Соленинское-Мессояха-Норильск диаметром 720 мм, подтверждающие работоспособность трубопровода при наземной прокладке. Основной фактор, приводящий к отказам трубопроводов, - воздействие грунтов. Так, на суглинках и торфяниках интенсивность отказов при надземной прокладке составляет 0,5-0,6 на 1 км трассы, а на песках - 0,15. На участках с подземной прокладкой данного трубопровода частота отказов около 3, наземной - 0,13 [4].
Существуют различные конструкции наземной прокладки трубопроводов на мерзлых грунтах. Способ прокладки трубопровода без вскрытия массива грунта и нарушения структуры его мерзлой толщи, руководствуясь принципом сохранения подстилающих грунтов в естественном, ненарушенном состоянии, подробно описан в работах С.М. Соколова, Н.А. Гаррис и Э.А. Закировой [1, 5].
На сегодняшний день основной задачей строительства в районах мерзлоты является сохранение мерзлого грунта в естественном состоянии или возможность минимального воздействия на него. Использование мерзлого грунта в ненарушенном состоянии позволит избежать многих негативных факторов, которые обычно возникают в результате строительства. Например, существует риск деградации вечной мерзлоты при длительном техногенном воздействии, при растеплении грунтов в процессе устройства фундаментов, нарушении в эксплуатации охлаждающих систем и т.д.
5-6
• 2020
21
Наземный способ является наиболее оптимальным решением и имеет ряд положительных особенностей.
Во-первых, применение принципа, представленного в [5], исключает земляные работы, так как нефтепровод прокладывается на дневной поверхности земли открытым способом без обвалования нефтепровода грунтом с максимальным использованием несущей способности мохово-растительного покрова. Не нужно разрабатывать траншеи или устанавливать сваи-опоры. Грунт остается нетронутым.
Во-вторых, ограничивается тепловое воздействие на мерзлые грунты, в отличие от подземного способа прокладки. Кроме того, нет воздействия ветровых нагрузок на сам нефтепровод, как при надземном способе прокладки. Нет жесткого сцепления трубы с грунтом, поэтому при прокладке в сейсмически активных районах, нефтепровод не будет испытывать дополнительные усилия.
В-третьих, наземный способ прокладки обеспечивает простоту обслуживания и ремонт нефтепровода.
Наземный способ прокладки также имеет свои недостатки, но, несмотря на это, он является наиболее подходящим под условия минимального теплового воздействия на мерзлый грунт и сохранения его в ненарушенном состоянии.
Выводы
Строительство нефтепроводов на вечномерзлых грунтах на сегодняшний день является перспективным направлением, так как большие запасы углеводородов находятся в северных регионах страны.
При выполнении строительно-монтажных работ необходимо строго соблюдать требования защиты окружающей среды, сохранения ее устойчивого равновесия.
Проведенный анализ позволил сделать следующие выводы: применение наземного способа прокладки нефтепроводов на участках вечной мерзлоты является оптимальным решением. Для того чтобы сохранить мерзлые грунты в естественном и ненарушенном состоянии, необходимо уменьшить механическое и тепловое воздействие на грунт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаррис Н.А., Закирова Э.А. Третий принцип использования мерзлых грунтов в качестве основания трубопроводов // Территория «Нефтегаз». 2017. № 5. С. 70-78.
2. Карнаухов Н.Н. Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях Севера. М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. 432 с.
3. Закирова Э.А., Гаррис Н.А. Как избежать выпучивания опор надземных трубопроводов в районах пучини-стых грунтов // Нефтегазовое дело. 2016. Т. 14. № 2. С. 85-92.
4. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. М.: Недра, 2001. 467 с.
5. Соколов С.М. Теоретические основы новых методов сооружения нефтепромысловых трубопроводов в условиях Западной Сибири: автореферат дис. д-ра техн. наук: 25.00.19. Тюмень, 2009. 38 с.
REFERENCES
1. Gams N.A., Zakirova E.A. The third principle of using frozen soils as the base of pipelines. Territoriya «Neftegaz», 2017, no. 5, pp. 70-78 (In Russian).
2. Karnaukhov N.N. Mekhanika merzlykh gruntov i printsipy stroitel'stva neftegazovykh ob'yektov v usloviyakh Severa [Mechanics of frozen soils and principles of construction of oil and gas facilities in the North]. Moscow, TsentrLitNefteGaz Publ., 2008. 432 p.
3. Zakirova E.A., Garris N.A. How to avoid buckling of the supports of aboveground pipelines in areas of heaving soils. Neftegazovoye delo, 2016, vol. 14, no. 2, pp. 85-92 (In Russian).
4. Kharionovskiy V.V. Nadezhnost iresurs konstruktsiygazoprovodov [Reliability and resource of gas pipeline structures]. Moscow, Nedra Publ., 2001. 467 p.
5. Sokolov S.M. Teoreticheskiye osnovynovykh metodovsooruzheniya neftepromyslovykh truboprovodovvusloviyakh Zapadnoy Sibiri. Diss. dokt. tekhn. nauk [Theoretical foundations of new methods for the construction of oil field pipelines in the conditions of Western Siberia. Dr. tech. sci. diss.]. Tyumen, 2009. 38 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Муталова Лилиана Маратовна, студент, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Мустафин Фаниль Мухаметович, д.т.н., профессор кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Liliana M. Mutalova, Student, Ufa State Petroleum Technological University.
Fanil M. Mustafin, Dr. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
