CC BY
16УДК 622.691.4
А.А. Филатов1, В.А. Александров2, И.И. Велиюлин2, e-mail: maii@eksikom.ru
1 ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия).
2 ООО «Эксиком» (Москва, Россия).
Исследование трения скольжения обетонированного трубопровода о грунт при протаскивании
Применение обетонированных труб при строительстве и ремонте переходов газопроводов через водные преграды обеспечивает технологичность этих работ, устойчивое проектное положение подводного трубопровода и повышает эксплуатационные характеристики подводного перехода.
Использование обетонированных труб позволяет исключить технологические операции по монтажу футеровочного покрытия и кольцевых утяжелителей, облегчить условия укладки методом протаскивания по дну (снизить трение, уменьшить необходимые тяговые усилия).
Однако следует отметить, что в технической и нормативной литературе отсутствуют данные по коэффициентам трения обетонированных трубопроводов с различными типами поверхностных покрытий, что создает трудности при разработке проектной документации с их применением.
В проектных работах коэффициент трения скольжения является важнейшим элементом в расчетах тягового усилия протаскивания трубопровода и устойчивости трубопровода на сдвиг от гидродинамического давления водного потока. В рамках данной работы предложена методика определения коэффициентов трения скольжения обетонированных трубопроводов с различными типами поверхностных покрытий. Методика основана на использовании подвижной модели уменьшенной копии обетонированного трубопровода и неподвижного основания из грунта, расположенных в гидрометрическом лотке.
Разработанная методика определяет порядок выполнения следующих исследовательских работ: измерение силы трения скольжения обетонированного трубопровода; определение коэффициентов трения скольжения обетонированных трубопроводов.
В статье раскрывается технология определения коэффициентов трения скольжения для обетонированных труб, выпускаемых в ЗАО «МТЗК» и ООО «Трубопроводные покрытия и технологии» и используемых при ремонтных и строительных работах в ПАО «Газпром».
Исследование нацелено на повышение качества проектирования и проведения строительных и ремонтных работ на подводных переходах газопроводов с применением этой продукции.
Ключевые слова: обетонированный трубопровод, сила трения скольжения, подводный переход, проектная документация.
A.A. Filatov1, V.A. Aleksandrov2, I.I. Veliyulin2, e-mail: mail@eksikom.ru
1 Gazprom PJSC (Saint-Petersburg, Russia).
2 Eksikom LLC (Moscow, Russia).
Research force sliding friction by dragging pipeline made of concrete coated pipe
Concrete coated pipe appliance provides workability during construction and overhaul as well as stable design position
of submerged crossing. Concrete coated pipe appliance also improves performance of submerged crossing.
The use of concrete coated pipes eliminates process steps for installation lining coating and weighting ring, stacking
ease conditions by dragging on the bottom (to reduce friction, reduce the required tractive effort).
However, it should be noted that there is no data about friction factors of concrete coated pipes in technical standards, with
different types of surface coatings, which creates difficulties of application in the development of design documentation.
Sliding friction factor is an essential element both in pipeline dragging traction and shift from hydrodynamic flow
pressure of the water calculations in design process.
Technique has been offered of determining sliding friction factor concrete coated pipes with various types of surface coatings within of this work.
PIPELINES EXPLOITATION AND REPAIR
The research is based on the use of mobile model a small copy of concrete coated pipe and fixed base of soil, located in the hydrometrical flumes.
The developed method defines the procedure for the following research: measurement of force sliding friction concrete coated pipe, determination of sliding friction factor of concrete coated pipe.
The article reveals technique of determining sliding friction factor of concrete coated pipe produced at Moscow Pipe-coating Plant OJSC and Pipeline Coating and Technologies LLC. Concrete coated pipes are used at overhaul and constructional works in Gazprom PJSC.
Results of the research are intended to improve the quality of design, construction and overhaul on submerged crossings using these products.
Keywords: concrete coated pipe, force of sliding friction, submerged crossing, design documents.
При укладке обетонированного трубопровода на подводном переходе необходимо оперативно учитывать гидродинамическое давление потока воды на трубопровод. Проектная документация на капитальный ремонт подводного перехода резервной нитки газопровода «Уренгой - Новопсков» через Куйбышевское водохранилище предусматривает применение разгружающих понтонов. Подъемная сила понтонов регулируется накачиванием в них воздуха. В этом случае необходимо при укладке трубопровода учитывать гидродинамическое давление потока воды на трубопровод с учетом удерживающей трубопровод в створе силы трения скольжения. Коэффициент скольжения обетонированного трубопровода рекомендуется
определять экспериментальным путем не на подводном переходе, а в специально оборудованном гидрометрическом лотке.
Исследования трения скольжения трубопровода о грунт проводятся на гидрометрическом лотке, созданном в ОАО «Оргэнергогаз». Лоток состоит из следующих основных блоков [1]:
• несущего металлического каркаса;
• водонесущего рабочего блока (лотка) с расходным и приемным баками;
• трубопроводной системы водоснабжения с насосом и эжектором;
• электронного блока плавного пуска с дистанционным управлением мощностью насоса для изменения скорости водного потока.
Русловая часть гидрометрического лотка (рис. 1-2) представляет
собой горизонтально расположенный параллелепипед с размерами 12820x562x562 мм. Геометрические параметры русла лотка позволяют проводить исследования параметров лобового сопротивления макетов обетонированных трубопроводов в зависимости от просвета между дном русла и нижней образующей трубопровода и определять предельное сопротивление трубопровода на сдвиг с использованием поддона с грунтом. Емкости баков: расходного - 1,6 м3, приемного - 2,25 м3. Блок трубопроводной системы водоснабжения (рис. 3) включает:
• центробежный консольный насос К200-150-250 с подачей 315 м3/ч;
• разработанный струйный насос (гидроэжектор) с диффузором и камерой
Рис. 1. Схема подачи воды в русловую часть лотка на исследуемый обетонированный трубопровод: 1 - центробежный консольный насос; 2 - струйный насос; 3 - русловая часть гидрометрического лотка; 4 - приемный бак; 5 - расходный бак; 6 - задвижка; 7 - фильтр; 8 - поддон с грунтом; 9 - исследуемый обетонированный трубопровод; 10 - тяговой трос
Fig. 1. Water supply diagram to the over-water length of the flume on the investigated concrete coated pipeline: 1 - cantilever centrifugal pump; 2 - jet pump; 3 - over-water length of hydrometric flume; 4 - receiving tank; 5 - supply tank; 6 - valve; 7 - filter; 8 - pan with the ground; 9 - investigated concrete coated pipeline; 10 - traction cable
Ссылка для цитирования (for citation):
Филатов А.А., Александров В.А., Велиюлин И.И. Исследование трения скольжения обетонированного трубопровода о грунт при протаскивании // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 102-106.
Filatov A.A., ALeksandrov V.A., VeLiyuLin I.I. Research force sliding friction by dragging pipeline made of concrete coated pipe (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = OiL and Gas Territory, 2016, No. 6, P. 102-106.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 6 june 2016
103
Рис. 2. Схема расположения модели обетонированного трубопровода в русловой части лотка: 1 - гидрометрический лоток; 2 - приемный бак; 3 - расходный бак; 4 - камера смешения струйного насоса; 5 - диффузор; 6 - центробежный насос; 7 - всасывающий трубопровод центробежного насоса; 8 - всасывающий трубопровод струйного насоса; 9 - напорный трубопровод подачи воды в струйный насос; 10 - напорный трубопровод подачи воды в расходный бак; 11 - регулировочная задвижка; 12 - исследуемый обетонированный трубопровод; 13 - поддон с грунтом Fig. 2. Arrangement diagram of concrete coated pipeline model in the over-water length of the flume: 1 - hydrometric flume; 2 - receiving tank; 3 - supply tank; 4 - mixing chamber of the jet pump; 5 - diffuser; 6 - centrifugal pump; 7 - suction pipeline of centrifugal pump; 8 - suction line of jet pump; 9 - pressure water supply to jet pump; 10 - pressure water supply line to supply tank; 11 - adjusting gate valve; 12 - investigated concrete coated pipeline; 13 - pan with the ground
смешения с расчетным преобразованием подачи с 315 до 600-650 м3/ч;
• всасывающий трубопровод центробежного насоса;
• всасывающий трубопровод струйного насоса;
• напорный трубопровод подачи воды в струйный насос;
• напорный трубопровод подачи воды в расходный бак.
Электронный блок плавного пуска системы циркуляции воды позволяет регулировать мощность насоса от 30 до 100% его номинальной мощности. Блок системы водоснабжения построен таким образом, чтобы он обеспечивал циркуляцию водного потока по замкнутому циклу, не ограничивая время проведения экспериментальных измерений и испытаний.
Для создания натурных условий протаскивания трубопровода по грунту на дно лотка устанавливается поддон размером 560х560х30 мм, наполняемый грунтом разного типа. Для исследования трения скольжения обетонированных трубопроводов в гидрометрическом лотке рассмотрены разрешенные в ПАО «Газпром»трубы [2] следующих конструкций: 1) трубы с балластным покрытием, представляющие собой коаксиально расположенную стальную электросварную прямошовную трубу с антикоррозионным трехслойным полимерным покрытием и металлополимерную защитную оболочку, пространство между которыми заполнено армированным
бетоном. Металлополимерная оболочка представляет собой трубу спирально замковой конструкции с наружным двухслойным полимерным покрытием. Общая толщина наружного полиэтиленового защитного покрытия металло-полимерной оболочки должна быть не менее 3 мм. Трубы данной конструкции выпускает ЗАО «МТЗК»; 2) трубы, обетонированные методом на-брызга. Для увеличения прочности конструкции используется армированная плеть из стальной сетки. Использование метателей, набрасывающих с большой скоростью бетонный раствор на вращающуюся трубу, позволяет получить покрытие очень высокой плотности. Плотность бетона - 1900-3400 кг/м3. Трубы, изготовленные методом набрыз-га, выпускает ООО «Трубопроводные покрытия и технологии». Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Исходя из этого, учитывая габаритные размеры русловой части гидрометрического лотка 12820x562x562 мм, размеры уменьшенных моделей обетонированных труб должны быть изготовлены в масштабе 1:10. Длина уменьшенной модели принимается равной внешнему диаметру модели обетонированного трубопровода. Внешняя поверхность уменьшенной модели обетонированного трубопровода должна быть изготовлена из оригинального заводского покрытия. Для трубопроводов конструкции ЗАО «МТЗК» предусматривается покрытие
из полимерной пленки, полимерной пленки с абразивным напылением или металлическое (металлическая оболочка).
Для трубопроводов, выпускаемых ООО «Трубопроводные покрытия и технологии», исследуемой наружной поверхностью является само бетонное балластное покрытие. Исследование силы трения скольжения с помощью гидрометрического лотка сопряжено с большим объемом измерений, проводимых на моделях исследуемых образцов обетонированных трубопроводов в разных типах грунтов [3].
Значения коэффициентов трения скольжения рекомендуется определить для обетонированных трубопроводов в следующих грунтах:
• разрушенная скала (скальные грунты);
• пески крупные и гравелистые;
• пески среднезернистые;
• мелкие пески;
• супеси;
• суглинки;
• глины.
Изучение патентных и литературных материалов [4, 5] показало, что не существует общепринятого способа экспериментального определения силы трения скольжения. Методика определения силы трения скольжения в гидрометрическом лотке основана на прямом измерении предельного сопротивления трубопровода на сдвиг при его протаскивании в поддоне с грунтом (рис. 3).
PIPELINES EXPLOITATION AND REPAIR
Рис. 3. Схема, поясняющая метод измерения силы трения скольжения в гидрометрическом лотке: 1 - гидрометрический лоток; 2 - исследуемый обетонированный трубопровод; 3 - поддон с грунтом; 4 - динамометр; 5 - блоки; 6 - поперечная навесная балка Fig. 3 Diagram illustrating the method of measuring the sliding friction force in the flume: 1 - hydrometric flume; 2 - investigated concrete coated pipeline; 3 - pan with the ground; 4 - dynamometer; 5 - blocks; 6 - transverse mounted beam
Рис. 4. Схема, поясняющая метод измерения силы трения скольжения в гидрометрическом лотке: 1 - гидрометрический лоток; 2 - исследуемый обетонированный трубопровод; 3 - поддон с грунтом; 4 - динамометр; 5 - блок; 6 - поперечная навесная балка Fig. 4. Diagram illustrating the method of measuring the sliding friction force in the flume: 1 - hydrometric flume; 2 - investigated concrete coated pipeline; 3 - pan with the ground; 4 - dynamometer; 5 - block; 6 - transverse mounted beam
Для контроля результатов, получаемых указанным методом, рекомендуется также использовать метод измерения предельного сопротивления трубопровода на сдвиг, но уже за счет перемещения модели от гидродинамического давления водного потока (рис. 4). При основном методе исследований силовой стальной тросик крепится к центру модели (2) обетонированного трубопровода и через блок (5) выводится к динамометру (4). Измерения силы трения скольжения выполняются, когда к противоположной клемме динамометра через второй блок (5) прикладывается усилие, равное предельному сопротивлению трубопровода на сдвиг ^п). Этот блок закреплен к поперечной навесной балке (6). В контрольном варианте исследований ветви тонкого стального тросика (рис. 4) крепятся симметрично к верхней и нижней граням торцов модели (2). В дальнейшем от ветвей через блок (5) стальной тросик выводится на динамометр (4). Динамометр закреплен к поперечной навесной балке (5). Блок (5) должен быть достаточно удален (1,5-2 м) от модели, чтобы не влиять на распределение скоростей вблизи модели.
Необходимое оборудование:гидрометрический лоток, модели трубопрово-
дов, поддон с грунтом, микровертушка, тонкие стальные нити, неподвижные блоки, набор чувствительных динамометров с шкалой с точностью градуировки до 0,01 Н, отрезки стальных профилей, крепежный материал. Определение силы трения скольжения основано на прямом измерении предельного сопротивления трубопровода на сдвиг при его протаскивании в поддоне с грунтом.
Перемещение исследуемой модели осуществляется вручную или с помощью механизма перемещений. Рекомендуемая скорость перемещения модели по поддону с грунтом должна ориентировочно составлять 200 ± 20 мм/мин.
При малых скоростях относительного перемещения модели обетонированного трубопровода коэффициент трения не зависит от скорости его протаскивания.
Нормальная сила, действующая на образец, может составлять 100 Н (10 кгс). Для исключения влияния силы трения покоя в момент трогания модели показания динамометра снимают при установившемся трении не ранее чем через 20 секунд от начала движения исследуемой модели. Определение силы трения скольжения для обетонированного трубопровода
осуществляется серией измерений предельного сопротивления модели трубопровода с различным поверхностным покрытием на сдвиг при его протаскивании в поддоне с определенным типом грунта.
Следующая серия измерений предельного сопротивления модели трубопровода на сдвиг осуществляется для грунта другого типа после его замены в поддоне.
В процессе проведения экспериментальных работ при каждой серии измерений определяется масса (вес) модели трубопровода в воде и на суше. В этом способе определения силы трения скольжения в гидрометрическом лотке также используется метод измерения предельного сопротивления трубопровода на сдвиг, отличие от предыдущего метода в том, что здесь движущей силой перемещения модели трубопровода является гидродинамическое давление водного потока.
Блок системы водоснабжения обеспечивает циркуляцию водного потока по замкнутому циклу.
При регулировании мощности центробежного водяного насоса с помощью электронного блока плавного пуска системы циркуляции воды достигается гидродинамическое давление потока
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 6 june 2016
105
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ
воды, способное сдвигать модель трубопровода.
Рекомендуемая скорость перемещения модели по поддону с грунтом должна быть ориентировочно 200 ± 20 мм/мин. Данная скорость должна быть равномерной и достигается за счет регулировки скорости потока воды в русловой части лотка.
Для данного метода исследований в силе остаются следующие положения:
• показания динамометра снимают при установившемся трении не ранее чем через 20 секунд от начала движения исследуемой модели;
• определение силы трения скольжения для обетонированного трубопровода осуществляется серией измерений предельного сопротивления модели трубопровода с различным поверхностным покрытием на сдвиг при его протаскивании в поддоне с определенным типом грунта;
• следующая серия измерений предельного сопротивления модели трубопровода на сдвиг осуществляется для грунта другого типа после его замены в поддоне.
В процессе проведения экспериментальных работ при каждой серии измерений определяются следующие параметры:
• масса (вес) модели трубопровода в воде и на суше;
• сила воздействия потока воды на трубопровод (лобовое сопротивление).
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Коэффициент трения скольжения вычисляют по формуле
ft = Fn/N
(1)
или
где Fn, Fх - сила трения скольжения (предельное сопротивление трубопровода на сдвиг), согласно показаниям динамометра по шкале, Н; N - вес обетони-рованной трубы в воде. Фактическое значение коэффициента трения скольжения определяют следующим образом:
f = Fk/N
(3)
ft = F/N
где Рк - среднее значение показания силы трения скольжения по шкале динамометра, соответствующее равномерному перемещению модели трубопровода.
Полученные результаты экспериментов могутлечь в основу нормативного документа по применению обетони-рованных труб [6, 7] при строительстве и ремонте подводных переходов с применением обетонированных
(2) труб.
Литература:
1. Создание экспериментального гидрологического лотка и исследование на нем зависимости силы лобового сопротивления свободного пролета речного подводного трубопровода от величины просвета между трубопроводом и дном реки: Отчет о научно-исследовательской работе. М.: ОАО «Оргэнергогаз», 2011.
2. Реестр трубной продукции «Технические условия, которые прошли рассмотрение постоянно действующей комиссией ПАО «Газпром» по приемке новых видов трубной продукции» (создана Приказом ОАО «Газпром» от 21.06.2005 № 101).
3. ВСН 010-88 Строительство магистральных трубопроводов. Подводные переходы. Утв. Приказом Миннефтегазстроя СССР от 01.12.1988 № 332. М., 1988. 50 с.
4. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных газопроводов. М.: Недра, 1977. С. 247-248.
5. Свечкопалов А.П. Способ нанесения балластного покрытия на поверхность трубы для подводного трубопровода. Патент № 2257503 Россия МПК7 ГШ1/24; № 2003131175/06; заявл. 22.10.2003; опубл. 27.07.2005, бюл. № 21.
6. СТО Газпром 2-2.2-334-2013 Строительство и ремонт магистральных газопроводов на подводных переходах, в обводненной и заболоченной местности с применением обетонированных труб.
7. СП 108-34-97 Свод правил по сооружению магистральных газопроводов. Сооружение подводных переходов. Утв. РАО «Газпром» (Приказ от 08.07.1998 № 87). М., 2000. 53 с.
References:
1. Creation of a pilot study of the hydrological tray and investigation of the river underwater pipeline free flight drag forces dependence on the size of the gap between the pipe and the bottom of the river [Sozdanie e'ksperimental'nogo gidrologicheskogo lotka i issledovanie na nem zavisimosti sily lobovogo soprotivleniya svobodnogo proleta rechnogo podvodnogo truboprovoda ot velichiny prosveta mezhdu truboprovodom i dnom reki]. Report on research work. Orgenergogaz OJSC, Moscow, 2011.
2. Register of tubular products "Specifications passed examination of the permanent committee of Gazprom PJSC on the acceptance of new types of tubular products" [Reestr trubnoj produkcii «Texnicheskie usloviya, kotorye proshli rassmotrenie postoyanno dejstvuyushhej komissiej PAO «Gazprom» po priemke novyx vidov trubnoj produkcii»] (created by the order of Gazprom OJSC No. 101 dated 21.06.2005).
3. VSN 010-88 Construction of main pipelines. Underwater lines [Stroitel'stvo magistral'nyx truboprovodov. Podvodnye perexody]. Approved by the Minneftegazstroy order of the USSR No. 332dated 01.12.1988. Moscow, 1988, 50 pp.
4. Borodavkin P.P., Berezin V.L. Construction of the main gas pipelines [Sooruzhenie magistral'nyx gazoprovodov]. Nedra Publ., Moscow, 1977, P. 247-248.
5. Svechkopalov A.P. Method of ballast coating application on the pipe surface of underwater pipeline [Sposob naneseniya ballastnogo pokrytiya na poverxnost' truby dlya podvodnogo truboprovoda]. Patent No. 2257503 Russian IPC 7 F16L1/24; No. 2003131175/06; appl. on 22.10.2003; publ. on 27.07.2005, bul. No. 21.
6. STO Gazprom 2-2.2-334-2013. Construction and repair of main gas pipelines at underwater lines in watered and swamped areas with concrete coated pipes [Stroitel'stvo i remont magistral'nyx gazoprovodov na podvodnyx perexodax, v obvodnennoj i zabolochennoj mestnosti s primeneniem obetonirovannyx trub].
7. SP 108-34-97 Code of practice on the construction of main gas pipelines. Construction of underwater lines [Svod pravil po sooruzheniyu magistral'nyx gazoprovodov. Sooruzhenie podvodnyx perexodov]. Appr. by Gazprom PJSC (Order No. 87, dated 08.07.1998). Moscow, 2000, 53 pp.
106
№ 6 июнь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
