CC BY
587
УДК 62-75
АНАЛИЗ СПОСОБОВ СЕЙСМОЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
А.Р. ВАЛЕЕВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа Д.В. ЯЛАЛОВ, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected], E-mail: [email protected]
В Российской Федерации перспективные по добыче природного газа и нефти районы отличаются высокой сейсмической активностью. В статье изучено воздействие cейсмических волн на напряженно-деформированное состояние магистральных трубопроводов, рассмотрены достоинства и недостатки надземной и подземной прокладки магистральных трубопроводов в районах, подверженных сейсмическому воздействию, а также разработана классификация применения конструкций и технологий, позволяющих повысить сейсмоустойчивость магистральных трубопроводов. Проведенный анализ показал, что засыпка трубопровода несвязным, измельченным грунтом, применение скользящих опор и компенсирующих устройств имеют преимущества по сравнению с остальными методами сейсмозащиты магистральных трубопроводов.
Ключевые слова: сейсмостойкость, антисейсмические мероприятия.
сейсмическое воздействие, сейсмические волны,
В Российской Федерации неуклонно осваиваются новые месторождения нефти и газа. Для дальнейшего развития нефтегазовой промышленности необходимо освоение новых районов добычи природ-
объектов нефтяной и газовой промышленности в Средней Азии, Сибири, на Кавказе, Дальнем Востоке и Крайнем Севере, которые отличались бы высокой сейсмической активностью [1]. На рис. 1 представлена карта земле-
ного газа и нефти, сооружение трубопроводов и других трясений Евразийского континента с магнитудой > 6,5,
| Рис. 1. Карта землетрясений Евразии с магнитудой >6,5 за 2001-2015 гг.
>
I
Ма гни туда землетрясения
9 8 7
4t
Глубина очага землетрясения (м) 0 200
400 800
Схема 1. Классификация способов уменьшения сейсмических воздействий на надземные трубопроводы
по которой мы видим, что за 2001-2015 годы в РФ значительные землетрясения наблюдались на Алтае, в прибайкальской зоне, в районе дельты реки Лены (Якутия), на Камчатке и Сахалине.
Сейсмические движения земной коры способствуют появлению значительных горизонтальных и вертикальных деформаций грунтов и могут привести к авариям на подземных трубопроводах.
Сейсмическое воздействие на подземный трубопровод является полем перемещений грунта, определенным сейсмическими волнами с конечной скоростью их распространения [2]. Сейсмические волны представлены спектром одноименных волн различной длины, каждая из которых доминирует в различные периоды воздействия землетрясения. На начальном этапе воздействия до трубопровода или иного сооружения доходят продольные Р-волны, поскольку они распространяются с наибольшей скоростью, после них регистрируется воздействие поперечных Э-волн, скорость распространения которых меньше, чем у продольных волн, но интенсивность воздействия больше. Последними приходят поверхностные ^-волны с еще меньшей скоростью распространения. Спектры Р- и Э-волн определяют более интенсивные фазы движения
Рис. 2. Варианты прокладки трубопроводов, обеспечивающие самокомпенсацию деформаций: а - с 1-образными компенсационными участками; б - зигзагообразная прокладка, в, г - прямолинейная со слабоизогнутыми компенсационными участками; 1 - неподвижные опоры; 2 -свободноподвижные опоры; 3 - продольноподвижные опоры
грунта и приводят к наиболее сильным повреждениям и разрушениям магистральных трубопроводов.
Продольные Р-волны вызывают горизонтальные подвижки грунта, увлекающие за собой трубопровод, где возникают растягивающие или сжимающие напряжения.
Поперечные Э-волны приводят к появлению нагрузки, действие которой перпендикулярно продольной оси подземного трубопровода в вертикальной плоскости. Из-за разрушения связей между частицами грунта и смещения одних частиц относительно других грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Одна часть массива грунта перемещается относительно другой, при этом грунт движется по нормали к оси трубопровода или под определенным углом к ней. Такое силовое воздействие является наиболее опасным, так как оно приводит к изгибу тонкостенной оболочки с образованием вмятин и гофр в ее сжатых областях.
Поверхностные ^-волны приводят к появлению оползней и обвалов, что достаточно хорошо изучено и имеет стандартные способы инженерной защиты при сооружении трубопроводов.
Магистральные трубопроводы имеют вид протяженных гибких конструкций, включающих в себя прямо- и криволинейные участки, и могут в допустимых пределах перемещаться без нарушения целостности конструкции.
Сейсмические волны гармонируют колебания грунта а также тонкостенной оболочки трубопроводов (поскольку трубопроводы защемлены в грунте), вызывая в трубопроводе внутренние инерционные силы. Под действием этих сил оболочка трубопровода, не обладающая достаточной сейсмостойкостью, может либо разрушиться, либо потерять устойчивость первоначальной формы равновесия.
На этапе проектирования трубопроводов важнейшим антисейсмическим мероприятием является правильный выбор трассы с учетом данных сейсмического районирования: не следует пересекать линии тектонических разломов и выбирать участки, сложенные сейсмически неустойчивыми грунтами. Если избежать таких участков не удается, необходимо предусмотреть конструктивные мероприятия, обеспечивающие перемещения трубопровода при сейсмических воздействиях.
При сооружении трубопроводов в сейсмически активных районах используются различные конструктивные решения по их прокладке [3]. Широко применяется надземный способ прокладки трубопроводов на свободно-подвижных опорах, особенно при пересечении трассой трубопровода активных тектонических разломов.
Классификация способов уменьшения сейсмических воздействий на надземные трубопроводы представлена на схеме 1.
Наиболее часто прокладку трубопровода осуществляют зигзагообразно либо с 7-образными компенсационными участками, что проиллюстрировано на рис. 2.
На протяженных трубопроводах для компенсации сейсмических нагрузок, возникающих вследствие взаимных смещений опор, находящихся в различных фазах движения сейсмической волны вдоль трубопровода, также применяется установка компенсаторов различных типов.
Рис. 3. Установка сильфонных компенсаторов на трубопроводах
Одними из наиболее перспективных являются сильфон-ные компенсаторы, обладающие гибкостью, имеющие небольшие размеры и обеспечивающие более четкую работу трубопроводной системы. Сильфонные компенсаторы различных конструкций устанавливают как на прямолинейных, так и на криволинейных участках трубопроводов, а также на участках трубопроводов, пересекающих границу двух грунтовых толщ с резко отличающимися свойствами.
Сильфонные компенсаторы воспринимают перемещения, вызываемые растягивающими и сжимающими усилиями, а также изгибающими моментами, возникающими в трубопроводе. Данный вид компенсаторов практически не увеличивает степень защемления трубопровода в грунте.
Сильфонные компенсаторы, изображенные на рис. 3, представляют собой гофрированные (волнистые) элементы трубопровода, которые при необходимости могут иметь ограничители, препятствующие чрезмерному удлинению или повороту компенсатора.
При проектировании надземных трубопроводов для сей-смоопасных районов необходимо обеспечить условия для гашения колебаний. Конструкции опор надземных трубопроводов должны позволять трубопроводам свободно перемещаться по опорам как в продольном, так и в поперечном направлении.
Ригели опор, на которые опирается трубопровод, должны иметь упоры, препятствующие его перемещению свыше определенного значения и сбросу трубы с опор.
Для активного гашения энергии сейсмических колебаний в продольном направлении применяется прокладка трубопровода с компенсационными участками, в
I
Рис. 4. Опора трубопровода с компенсационными салазками и направляющим хомутом
Ж
продольном и поперечном горизонтальном направлениях - конструкция опоры трубопровода с компенсационными салазками и направляющим хомутом, представленная на рис. 4.
Данный вид опоры воспринимает расчетные усилия и обеспечивает нормальную работу трубопровода при статическом нагружении и возможность продольных перемещений трубопровода при расчетных эксплуатационных нагрузках и сейсмических колебаниях. Такая опора обеспечивает двухмерное перемещение трубопровода в целях компенсации возникающих деформационных нагрузок.
Для защиты трубопровода от вертикальной составляющей волн применима конструкция опор трубопровода, внешний вид которой приведен на рис. 5 [4]. Конструкция состоит из упругих стальных пластин, размещенных на одиночных бетонных основаниях, поверх которых кладется трубопровод. Отсутствие жесткого крепления трубы и опоры обеспечивает продольную и поперечную свободу перемещений.
При прокладке подземных трубопроводов применяются способы, классификация которых представлена на схема 2.
Повышение толщины стенки трубы приводит к значительному удорожанию конструкции и не всегда технически осуществимо. Толщину стенки трубопровода рекомендуется увеличивать лишь тогда, когда снижение сейсмических напряжений невозможно или экономически нецелесообразно осуществлять другими способами.
Существенного снижения сейсмических нагрузок на подземные трубопроводы можно добиться при использовании компенсаторов различных конструкций либо надземных компенсационных участков (криволинейных участков трубопровода).
При установке сильфонных компенсаторов на подземных трубопроводах устраивают специальную камеру либо гофрированную часть защищают специальным кожухом от попадания в кольцевые впадины сильфона грунта камней, способных резко ухудшить компенсационные качества системы.
В большинстве случаев весьма целесообразным мероприятием сейсмозащиты трубопровода является снижение его степени защемления в грунте, поскольку во время землетрясения трубопровод приподнимается, в результате чего сейсмические напряжения частично компенсируются, а чем меньше степень защемления трубопровода в окружающем грунтовом массиве, тем меньшее усилие нужно приложить для того, чтобы трубопровод оказался вне траншеи [5].
Добиться снижения степени защемления трубопровода в грунте можно путем применения на сейсмоопасных участках трассы специальных оберток трубопровода или засыпки траншеи рыхлым грунтом или специальным материалом с малым коэффициентом сцепления и небольшим объемным весом.
Засыпка в траншею мелкого песка и торфа может привести к их вымыванию из траншеи потоками воды от ливневых дождей и весеннего паводка. Это в конечном счете приведет к ухудшению компенсационного и демпфирующего свойств окружающего грунта при данном способе
Схема 2. Классификация способов уменьшения сейсмических воздействий на подземные трубопроводы
прокладки трубопровода. Поэтому в качестве грунта засыпки необходимо использовать гравий или щебень.
В некоторых случаях применима технология специальной водонепроницаемой траншеи, заполненной песком и герметизированной путем обертывания геомембранами и сварки их между собой для обеспечения сухих условий внутри траншеи.
Укладывание трубопровода в траншеи с очень пологими откосами, по которым трубы могут свободно скользить, рекомендуется на наиболее опасных участках, где возможны колебания со смещениями более 1,5 м. При значительных смещениях грунтовой толщи вдоль линии
|Рис. 5. Внешний вид конструкции опор надземного трубопровода
разлома трубопровод выйдет из траншеи с пологими откосами, сохранив свою целостность.
При сооружении трубопроводов на участках с рыхлыми грунтами, где при вертикальных сейсмических воздействиях возможны значительные просадки (в том числе неравномерные, особенно там, где трубопровод примыкает к каким-либо сооружениям), следует производить уплотнение грунтов основания (и под трубопроводом, и под сооружением, к которому примыкает трубопровод или рядом с которым он проложен).
Устройство подсыпки из мягких грунтов применяется при прокладке трубопроводов в скальных грунтах. Однако данное мероприятие может повысить опасность повреждений трубопроводов во время землетрясений: если толщина отсыпки превысит 10-15 см, то может иметь место резкое возрастание пиковых ускорений во время землетрясения, а следовательно, при определенных условиях произойдет превышение максимальных напряжений изгиба и сейсмических продольных усилий.
Недостатком подземных трубопроводов, проложенных в сейсмоактивных районах, является то, что за короткий срок обследования последствий землетрясений бывают обнаружены лишь разрывы, приводящие к взрывам или большим утечкам транспортируемого продукта.
На наиболее сейсмически опасных участках трассы необходимо предусматривать автоматическую систему контроля и отключения аварийных участков трубопровода.
Оборудование насосных и компрессорных станций также необходимо защищать от сейсмических воздействий.
В ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов Республики Башкортостан» разработана и широко внедряется виброизолирующая компенсирующая система (ВКС), предназначенная для повышения надежности работы насосных и компрессорных агрегатов, их устойчивости к воздействию внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, снижения действующих уровней вибрации агрегатов, трубопроводов и запорной арматуры.
Упруго-демпферные опоры агрегата (амортизаторы), входящие в состав ВКС, позволяют обеспечить снижение в 20 раз передачи на фундаменты агрегата и здания насосной или компрессорной станции динамических (вибрационных) нагрузок, генерируемых агрегатом, а также обеспечивают повышенную сейсмостойкость оборудования.
Технологические трубопроводы перекачивающих станций устанавливаются на виброизолирующие компенсирующие опоры.
Применение комплекса снижает вибрацию трубопровода в 10 раз, вибрацию фундамента - в 50 раз и повышает сейсмостойкость агрегатов до 8 баллов по шкале Рихтера.
Поэтому для повышения сейсмостойкости трубопроводов, запорной арматуры и перекачивающих агрегатов, расположенных в зданиях насосных и компрессорных
станций, рекомендуется применение виброизолирующих компенсирующих систем.
В сейсмических зонах можно использовать полимерные трубы благодаря их высокой эластичности и легкости. Наиболее распространенные из них - полиэтиленовые трубы, они рекомендованы к применению для устройства магистральных трубопроводов среднего и низкого давления в сейсмических районах на площадках до 9 баллов по шкале МБК-64. Полимерные армированные трубы обладают более высокими прочностными характеристиками, обеспечивающими возможность эксплуатации с рабочим давлением до 4 МПа, однако они менее эластичны и сейсмоустойчивы.
Анализ способов сейсмозащиты магистральных трубопроводов показал, что такие мероприятия, как засыпка трубопровода несвязным, измельченным грунтом, применение скользящих опор и компенсирующих устройств, имеют преимущества по сравнению с остальными методами сейсмозащиты.
Тем не менее эффективность того или иного метода зависит от тектонических и грунтовых условий участка трассы и определяется экономической обоснованностью применения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гехман А.С., Зайнетдинов Х.Х. Расчет, конструирование и эксплуатация трубопроводов в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1988. 184 с.
2. Андреева Е.В. Разработка методики оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах. URL: http://www.dissercat.com/content/razrabotka-metodiki-otsenki-nesushchei-sposobnosti-podzemnykh-magistralnykh-truboprovodov-v- (дата обращения: 01.03.2017).
3. Напетваридзе Ш.Г., Гехман А.С. и др. Сейсмостойкость магистральных трубопроводов и специальных сооружений нефтяной и газовой промышленности. М.: Наука, 1980. 172 с.
4. Валеев А.Р., Зотов А.Н. Новые конструктивные методы повышения сейсмостойкости трубопроводов // Нефтегазовое дело. 2010. № 1.
5. Наваретте Д.Д. Особенности строительства трубопроводов в районах с высокой сейсмичностью. URL: http:// earthpapers.net/osobennosti-stroitelstva-truboprovodov-v-rayonah-s-vysokoy-seysmichnostyu#ixzz4cdVnjFBQ (дата обращения: 01.03.2017).
ANALYSIS OF METHODS OF SEISMIC PROTECTION OF TRUNK LINES
VALEEV A.R., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas YALALOV D.V., Assistant of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected], E-mail: [email protected]
ABSTRACT
In the Russian Federation prospective areas for the production of natural gas and oil are characterized by high seismic activity. In this article the effect of seismic waves on the stress-strain state of pipelines is studied, the advantages and disadvantages of overground and underground laying of pipelines in areas subjected to seismic effect are considered, and different technologies to increase seismic resistance of pipelines are classified. The analysis shows that the filling of the pipeline trench by incoherent, crushed soil, use of sliding pipe support and compensating devices have advantages in comparison with other methods of seismic protection of the pipelines. Keywords: seismic resistance, earthquake load, seismic waves, aseismic events. REFERENCES
1. Gekhman A.S., Zainetdinov Kh. Kh. Raschet, konstruirovaniye i ekspluatatsiya truboprovodov v seysmicheskikh rayonakh [Calculation, design and operation of pipelines in seismic regions]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988. 184 p.
2. Andreeva, E.V. Razrabotka metodiki otsenki nesushchey sposobnosti podzemnykh magistral'nykh truboprovodov v seysmicheski opasnykh zonakh (Development of a methodology for assessing the bearing capacity of underground main pipelines in seismically hazardous areas) Available at: http://www.dissercat.com/content/razrabotka-metodiki-otsenki-nesushchei-sposobnosti-podzemnykh-magistralnykh-truboprovodov-v- (accessed 1 March 2017)
3. Napetvaridze SH.G., Gekhman A.S. Seysmostoykost' magistral'nykh truboprovodov i spetsial'nykh sooruzheniy neftyanoy i gazovoy promyshlennosti [Seismic stability of main pipelines and special structures of the oil and gas industry]. Moscow, Nauka Publ., 1980. 24 p.
4. Valeev A.R., Zotov A.N. New constructive methods for increasing the seismic resistance of pipelines. Neftegazovoye delo, 2010, no. 1 (In Russian).
5. Navarette, D.D. Osobennosti stroitel'stva truboprovodov v rayonakh s vysokoy seysmichnostyu (Peculiarities of construction of pipelines in areas with high seismicity) Available at: http://earthpapers.net/osobennosti-stroitelstva-truboprovodov-v-rayonah-s-vysokoy-seysmichnostyu#ixzz4cdVnjFBQ (accessed 1 March 2017).
