CC BY
0УДК 621.644.073:624.139
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
АММОСОВ ГРИГОРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
Научный сотрудник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова
ЯНЦ СО РАН, РФ, РС (Я), г. Якутск.
КОРНИЛОВА ЗОЯ ГРИГОРЬЕВНА
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова ЯНЦ СО РАН, РФ, РС (Я), г. Якутск.
ИВАНОВ ДЖУЛУСТАН СЕМЕНОВИЧ
Ведущий электроник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова
ЯНЦ СО РАН, РФ, РС (Я), г. Якутск.
КОРНИЛОВА ВАЛЕНТИНА ВАСИЛЬЕВНА
Ведущий электроник, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова
ЯНЦ СО РАН, РФ, РС (Я), г. Якутск.
Аннотация: Магистральные трубопроводы, проложенные на территории Республики Саха (Якутия), эксплуатируются в области распространения многолетнемерзлых грунтов. Экстремальные климатические и инженерно-геологические условия, характеризуются низкими температурами воздуха, высоким уровнем грунтовых вод, заболоченностью и заторфованностью грунтов, глубоким сезонным промерзанием на участках локальных поднятий и подтоплением территорий во время весеннего и осеннего паводков. Обеспечение надежности и работоспособности подземного трубопроводного транспорта нефти и газа в условиях вечномерзлых грунтов под воздействием самого объекта или изменения окружающей среды является одной из основных задач. В работе рассматриваются основные методы защиты, технологии от морозного пучения, сезонного промерзания и оттаивания грунта вокруг трубопровода. Несмотря на обилие решений и средств защиты подземных трубопроводов, из представленных все имеют ряд существенных недостатков.
Ключевые слова: подземные магистральные трубопроводы, вечномерзлый грунт, планово-высотное положение, оттайка, пучение, методы защиты.
Введение
Магистральные трубопроводы относятся к взрыво- и пожароопасным сооружениям, отказы которых могут нанести значительный экологический и экономический ущерб. Существующие нормативные документы не полностью учитывают факторы, воздействующие на работоспособность подземных трубопроводов в условиях вечномерзлых грунтов, и особенно это актуально при сооружении подводных переходов. Подземные магистральные трубопроводы могут быть уложены в пределах деятельного слоя (слоя сезонного промерзания и оттаивания грунта), ниже деятельного слоя, а также в пределах слоя многолетнемерзлого грунта. Температура транспортируемого продукта по трубопроводу может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от транспортируемого вида продукта, причем технология транспорта может предусматривать изменение режимов температур, которые связаны с условиями подготовки продукта к транспорту на компрессорных станциях. В зависимости от температуры транспортируемого продукта участки трубопровода делятся на горячие, холодные и теплые. Горячим называется участок, имеющий положительную температуру в течение всего года, теплым - участок, где температура может быть выше и ниже 0°С, но средне-годовая - ниже нуля, соответственно,
холодным - участок с отрицательной температурой труб в течение года [1]. Очевидно, что на горячем участке будет происходить только оттаивание грунта, на теплом - периодическое оттаивание-замерзание, а на холодном оттаивания не будет.
Нарушение устойчивого положения северных магистральных трубопроводов связано с оттаиванием окружающих многолетнемерзлых грунтов, которое может происходить вследствие теплового взаимодействия трубопроводов с мерзлым грунтом, формированием ореола оттаивания вокруг трубопровода или сезонным оттаиванием грунтов. При оттаивании многолетнемерзлого грунта возможно значительное снижение его несущей и балластирующей способности, что может приводить к просадке или всплытию (при замерзании) участков трубопровода.
В экстремальных условиях Севера эксплуатационная надежность трубопровода определяется преимущественно способностью его конструкции сопротивляться разрушающей динамике геологической среды, которая выражается в неблагоприятной последовательности гидрогеологических и геокриологических процессов, повторяющихся ежегодно. Морозное пучение, как один из наиболее опасных процессов, повторяющееся ежегодно, способно приводить к сильным изгибам трубопроводов в вертикальной плоскости, провисанию отдельных участков, перемещениям, иногда с потерей продольной устойчивости. Взаимодействие трубопроводов с окружающими грунтами является одним из основных факторов, определяющих их эксплуатационную надежность.
Таким образом, наиболее опасные места с точки зрения прочности трубопроводов возникают в районе неравномерной осадки и пучения грунта под трубопроводом, т.е. на границе смены грунтов с разными степенями пучения и просадочными свойствами, в первую очередь, на границе мерзлого и талого грунтов. Морозное пучение может быть обусловлено подтеканием воды под трубопровод с последующим промерзанием в зимний период и наличием пучинистого грунта.
Исходя из выше сказанного, необходимо изучить методы и модели по защите и закреплению магистрального трубопровода на проектных отметках по планово-высотному положению (ПВП) в районах с вечной мерзлотой. Для защиты линейных сооружений от пучений и оттайки грунтов применяют различные методы, технологии и конструкции.
В данной статье рассмотрены обзор и анализ основных методов защиты объектов от оттайки морозного грунта и сил морозного пучения.
Методы защиты зданий и сооружений
Известные противопучинистые мероприятия разделены на несколько условных категорий: физико-химические (гидрофобизация грунтов, добавки полимеров, засоление и др.), инженерно-мелиоративные (тепломелиорация и гидромелиорация), конструктивные, комбинированные.
Засоление грунта проводится с помощью технической поваренной соли - хлористого калия, что позволяет обеспечивать незамерзание грунта до -21 °С. Засоление производится концентрированным соляным раствором или кристаллической солью [2]. Введение в грунт растворов подразумевает введение в грунт до монтажа водоотталкивающих противопучинистых растворов. Используется при наземной прокладке.
Гидрофобизация грунта - передача грунту водоотталкивающих свойств, которые получает грунт за счет обработки вяжущим раствором при определенных гидротермических условиях. В качестве вяжущего раствора применяются: жидкие нефтяные битумы, жидкие каменноугольные дегти, торфяные и древесные дегти, фурол-анилиновые смолы [3].
Широко применяемый метод для зданий и сооружений в Якутии - это использование сезонно-охлаждающихся устройств СОУ [4]. Они представляют собой однотрубную конструкцию с цельнометаллическим корпусом, заправленную хладагентом и работающую за счет разности температур наружного воздуха и грунта в зимнее время без дополнительных энергетических затрат, предназначенную для охлаждения и замораживания
грунтов оснований сооружений естественным холодом с целью повышения их несущей способности.
Гидромелиоративные мероприятия - это регулирование водного режима и понижение уровня грунтовых вод, предотвращение перенасышения грунтов поверхностными водами. К таким мероприятиям относятся: дренажные работы, иглофильтрация, устройства водосбросных канав и т.д. [3, 5]. Тепловая мелиорация - создание слоя теплоизоляции, предотвращающего промерзание грунта [3].
Охлаждение перекачивающего продукта - это охлаждение продукта, транспортируемого по трубопроводу, до температуры окружающей среды, применимо только к природному газу.
Для теплоизоляции подземных трубопроводов в районах многолетнемерзлых грунтов допускается применять сборные теплоизоляционные конструкции, а также теплоизоляционные экраны из влагоненасыщаемых материалов, обладающих высокими прочностными показателями и достаточными теплофизическими характеристиками [6, 7].
Замена грунта - замещение пучинистого грунта непучинистым (песчаный, песчано-гравийная смесь и т.д.), при этом вынимают промерзший грунт и отсыпают непучинистым грунтом до проектной отметки с послойной трамбовкой до достижения коэффициента уплотнения К=0,95 [5].
Установка балластировки и применение противопучинистых свай. Для обеспечения устойчивости положения трубопровода в траншее на проектных отметках производится его балластировка или закрепление. Для этой цели используются конструкции, создающие давление на трубопровод (пригрузка), а также конструкции, использующие пассивное давление (отпор) грунта в основании траншеи в зависимости от конкретных условий участка трассы трубопровода, характеристик грунтов, уровня грунтовых вод и схемы прокладки трубопровода. Применяются следующие конструкции, способы балластировки и закрепления трубопроводов: железобетонные утяжелители охватывающего типа УБО и клиновидные типа 1-УБКм; анкерные устройства винтового, раскрывающего типа (ВАУ, АР), а также вмораживаемые; минеральный грунт, в том числе с применением рулонных нетканых синтетических материалов (НСМ); полимерно-контейнерные балластирующие устройства (ПКБУ); групповой способ установки железобетонных утяжелителей и анкерных устройств.
Изучение и анализ
Представленные методики, технологии и конструкции для защиты пучинистых грунтов имеют свои положительные и отрицательные стороны.
Для подземных трубопроводов в районах многолетнемерзлых грунтов метод засоления не используется. Это связано с тем, что этот метод имеет временный характер, не более двух лет. Если неправильно была произведена операция засоления грунта, он может стать более морозоопасным, чем был до засоления. Процент содержания солей в почве повышает ее температуропроводность. Наиболее подходящими для засоления являются грунты с малым коэффициентом фильтрации, поэтому песчаные и супесчаные грунты не подходят для данного типа мелиоративных мероприятий. При строительстве использование первого подхода сохранения грунтов (засоления) не рекомендуется, так как может нарушиться температурный баланс основания [8]. К основному недостатку можно отнести и тот факт, что соли разрушают строительные конструкции и материалы, ускоряют коррозионные процессы и происходит засоление почвы.
Гидрофобизация и введение в грунт растворов имеют большие временные и трудовые затраты. За счет применения химически активных веществ, кислот, фенолов в грунт, водоустойчивость увеличивается, но пагубно влияет на окружающую среду. Необходимо подчеркнуть, что данный метод имеет временный характер и не исключает появления пучений грунтов, оснований траншеи при прохождении через трубопровод продукта с отрицательной температурой.
Использование природного газа для охлаждения и блокирования теплового влияния трубопровода при подземной прокладке является дорогостоящим методом и пока не достаточно изучен.
Тепловая мелиорация позволяет уменьшить силы нормального и касательного пучения за счет повышения температуры мерзлого грунта и преобразования его состава и свойств мелиорируемого слоя: увлажнение, осушение и дренаж пород, изменение уровня грунтовых вод и режима промерзания и оттаивания грунтов, их уплотнение и разуплотнение, цементация, засоление и прочее. Внутренний тепло- и влагообмен в породах регулируют за счёт применения дополнительных источников тепла (теплоносители - вода или пар, воздух или газ и электрический ток). Один из распространённых методов оттаивания мёрзлых пород на дренажных полигонах и при оттаивании перед строительством сооружений -гидрооттайка. Мёрзлые породы оттаивают электрическим током низкой или высокой частоты. Подача электрического тока производится с помощью электродов, погружённых в мёрзлую породу и располагаемых на расстоянии 2-6 м друг от друга. Максимальные глубины оттаивания составляют 10-15 м и более за 30-50 суток. Метод достаточно дорогостоящий и закладывается до строительства объекта.
Обсуждение
На примере полученных данных по температуре перекачиваемого продукта в подводном переходе магистрального трубопровода через р. Лена температура на левой стороне со стороны подачи продукта в летнее (с 1 мая до 1 октября) и в зимнее время (с 1 октября до 1 мая) составляла: минимальная летняя 8,5°С и зимняя 1,9°С; на приеме на правой стороне летняя температура составляла 17°С и -4°С зимняя.
По результатам исследования планово-высотного положения и при выводе уравнения подземного трубопровода [9] отмечено, что изменения ПВП на береговом склоне носят неравномерный характер. Основная задача в решении уравнения состояла в моделировании реакции грунта, действующей на трубопровод снизу при неравномерных морозных пучениях. Решение полученного уравнения дает возможность оценивать НДС подземного трубопровода по измерениям ПВП.
Морозное пучение может достигать 10-15%, а в исключительных случаях даже 40%, и часто служит причиной деформации сооружений. Из-за неоднородности грунтов, различий в глубине промерзания и давления под основанием сооружений подъем носит обычно неравномерный характер [10]. Промерзание пучинистого грунта в основании способно вызывать вертикальные перемещения линейных сооружений.
Выводы
Вышеперечисленные методы, технологии и инженерные решения для защиты подземных магистральных трубопроводов от негативных воздействий многолетнемерзлых грунтов имеют свои недостатки и ограничения по применению.
Соответственно, необходимы комплексные мероприятия по проверке и подбору методов защиты подземных трубопроводов на выделенных опасных участках трассы, а также исследование механических свойств грунтов, мониторинг ПВП с учетом температуры транспортируемого продукта на каждом участке.
Список использованных источников:
1. Бородавкин П.П. Сооружение магистральных трубопроводов / П. П. Бородавкин, В. Л. Березин. - М.: Недра, 1977. - 407 с.
2. Противопучинные сваи в нефтегазовой промышленности // URL: http://www.sostav.ru/blogs/60931/7074/ дата обращения 05.06.2023.
3. Чернышева И.А., Мащенко А.В. Сравнение методов защиты от морозного пучения грунта // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2016. Т.7. № 4. С. 64-72 DOI:10.15593/2224-9826/2016.4.06.
4. Закирова Э.А., Гаррис Н.А. Как избежать выпучивание опор надземных трубопроводов в районах пучинистых грунтов // Нефтегазовое дело. 2016. Т.14. № 2 . С. 85-92.
5. Курочкина В. А., Яковлева И. Ю. Морозное пучение грунтов как фактор геоэкологического риска в условиях города Москвы // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, издательство ФГБУ "Издательство "Наука" (Москва), 2020, № 1, с. 86-92. DOI:10.31857/S0869780920010081
6. СП 34-116-97 «Инструкция по проектированию, строительству и реконструкции промысловых нефтегазопроводов»
7. СП 86.13330.2014 Магистральные трубопроводы СП 86.13330.2014 Магистральные трубопроводы (пересмотр актуализированного СНиП Ш-42-80* «Магистральные трубопроводы» (СП 86.13330.2012))
8. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. - М.: Стройиздат, 1979. - 128 а
9. Иванов Дж.С., Аммосов Г.С., Корнилова З.Г. Вывод уравнения подземного трубопровода для применения в расчетах напряженно-деформированного состояния при воздействии неравномерных морозных пучений // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2022. № 1 (81). С. 27-30.
10. Мащенко, А.В. Специальные разделы механики грунтов и механики скальных грунтов : учеб. пособие / А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. унта, 2014. - 176 с.
