CC BY
67ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ
УДК 622.691.4
И.И. Велиюлин1, e-mail: [email protected]; В.А. Александров1, e-mail: [email protected]; В.М. Гуслиц1, e-mail: [email protected]; А.А. Филатов2; Р.Р. Усманов3
1 ООО «ЭКСИКОМ» (Москва, Россия).
2 ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия).
3 ООО «Газпром трансгаз Уфа» (Уфа, Россия).
Обеспечение надежности функционирования газопроводов, продолженных через малые водные преграды
Наиболее характерной причиной повреждения магистральных газопроводов при пересечении малых водотоков является размыв грунта. Переформирование дна и берегов водной преграды, потеря устойчивости при недостаточной балластировке приводят к всплытию уложенного в подводную траншею трубопровода. Само по себе это явление не представляет техногенной опасности. Однако сложное гидродинамическое воздействие водного потока на свободные пролеты размытых участков газопроводов может привести к аварийной ситуации. Данные проблемы отчасти обусловлены действовавшими до середины 1990-х гг. нормативными документами, рассматривавшими переходы через малые водные преграды как участки линейной части газопроводов. В дальнейшем ситуация изменилась. Так, в 1995 г. была разработана инструкция по борьбе с водной эрозией грунтов на линейной части трубопроводов и переходах через малые водные преграды. Однако мер, предложенных в данном документе, недостаточно обеспечения надежности функционирования газопроводов, проложенных через малые водотоки.
В статье предложен ряд методов, позволяющих исключить нарушения положения подводных трубопроводов. В частности, при потере устойчивости подводного трубопровода, участки которого находятся в размытом состоянии, предлагается несколько способов балластировки. Для размытых участков или участков с ненормативным защитным слоем грунта над трубопроводом предложены меры по его дозаглублению или переукладке на нормативную глубину заложения. Кроме того, одним из наиболее эффективных методов предотвращения или ликвидации оголений трубопроводов, пересекающих мелкие рек и малые водные преграды, является, по мнению авторов, устройство донных порогов. В статье проанализированы особенности применения сооружений этого типа.
Ключевые слова: магистральный газопровод, переход через малые водные преграды, перемещения трубопровода, донный порог.
I.I. Velyulin1, e-mail: [email protected]; V.A. Aleksandrov1, e-mail: [email protected]; V.M. Guslits1, e-mail: [email protected]; A.A. Filatov2; R.R. Usmanov3
1 EKSIKOM LLC (Moscow, Russia).
2 Gazprom PJSC (Saint-Petersburg, Russia).
3 Gazprom transgaz Ufa LLC (Ufa, Russia).
Operation Reliability Control of Gas Pipelines Laid through Small Water Barriers
The most typical cause for the damage of gas mains when crossing small water barriers is soil man-induced. Reformation of beds and banks of water barriers, lost stability at insufficient ballasting result in floating up of a pipeline laid in underwater trench.
This phenomenon itself does not represent a technogeneous risk. Nevertheless a complex hydrodynamic effect of water flows on the loose spans of washed out gas line sections can result in emergency situations. These problems are often result from the regulations valid up to the mid-1990 in which crossings through small water barriers were considered to be grounds of linear gas line portions. But the situation has since been changed. Thus, in 1995 the
68
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
PIPELINES EXPLOATATION AND REPAIR
guidelines was developed to control ablation of soils in the linear gas line portions and crossings through small water barriers. Nevertheless, the measures proposed in this paper are not enough to control operation reliability of gas lines laid through small watercourses. The article puts forward some techniques making it possible to exclude underwater pipeline malposition. In particular when loosing stability of underwater pipelines with washed out zones we suggest several ways of ballasting. For washed out zones or zones with a nonnormative protective soil layer above the pipeline some measures were proposed including its additional deepening or refitting to normative laying depth. Besides, in the authors' opinion one of the most effective methods to prevent or exclude denudation of pipelines crossing shallow rivers and small water barriers is considered to be arrangement of bottom sills. The article analyzes application features of such structures.
Keywords: gas main, crossing through small water barriers, pipeline relocation, bottom sill.
На газопроводах, пересекающих малые реки и ручьи, через несколько лет эксплуатации зачастую наблюдается такое явление, как всплытие [1]. При значительных паводках протяженность всплывшего участка возрастает за счет захвата примыкающих к реке частей перехода. Порой длина всплывшего участка достигает сотни метров. На реках малой глубины это приводит к перекрытию зеркала вод, что осложняет миграцию рыб и ухудшает экологию. Данная проблема возникла в связи с тем,что трубопроводы, прокладываемые через малые водные преграды шириной до 30 м и глубиной до 1,5 м, в свое время строились как участки линейной части магистральных газопроводов без применения подводно-технических средств. Отдельная проектная документация на такие объекты не разрабатывалась [2].
Переходы через ручьи глубиной до 0,5 м не относятся к подводным переходам. При их сооружении или ремонте зачастую не предусматривается балластировка подводной части трубопровода. Переходы через малые водные преграды, при строительстве и эксплуатации которых отсутствует необходимость проведения подводно-технических работ, также не относятся к подводным переходам [3]. Устойчивое положение трубопроводов в местах таких переходов обеспечивается их балластировкой или закреплением как объектов линейного строительства [4]. Неучет гидрогеологических и гидрологиче-
Рис. 1. Выпучивание берегового участка перехода через малый водоток. Причина изменения проектного положения трубопровода - нарушения, допущенные при строительстве Fig. 1. Arching of the coast area for crossing through a small water barrier. The cause for changes in the design pipeline position - breaking of construction rules
Рис. 2. Морфологический состав грунта в створе перехода и проектное положение трубопровода: 1 - аллювий русловой, 2 - аллювий пойменный, 3 - аллювий старичный, 4 - коренные породы склонов и дна реки
Fig. 2. Morphological composition of soil in the location of crossing and design pipeline position: 1 - bed alluvium, 2 - flood-plain alluvium, 3 - oxbow alluvium, 4 - bedrocks of slopes and river beds
Для цитирования (for citation):
Велиюлин И.И., Александров В.А., Гуслиц В.М., Филатов А.А., Усманов Р.Р. Обеспечение надежности функционирования газопроводов, продолженных через малые водные преграды // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 4. С. 68-72.
VeLyuLin I.I., ALeksandrov V.A., GusLits V.M., Filatov A.A., Usmanov R.R. Operation Reliability Control of Gas Pipelines Laid through Small Water Barriers. Territorija «NEFTEGAS» = OiL and Gas Territory, 2018, No. 4, P. 68-72. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 April 2018
69
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ
Рис. 3. Изменение технического состояния трубопровода при эрозии пойменных грунтов: 1 - аллювий русловой, 2 - аллювий пойменный, 3 - аллювий старичный, 4 - коренные породы склонов и дна реки
Fig. 3. Changes of pipeline operating conditions in erosion of bottomland soils: 1 - bed alluvium, 2 - flood-plain alluvium, 3 - oxbow alluvium, 4 - bedrocks of slopes and river beds
ских факторов, морфологии берегов при выборе типа утяжелителей ведет к нарушениям проектного положения подводного трубопровода [5]. Само по себе всплытие трубопровода, проложенного через малую водную преграду, в плане разрушения участка без угрозы внешнего воздействия не представляет опасности. Вместе с тем, поскольку изменяется геометрия (рис. 1) положения трубопровода, на сопря-
женных участках возникают дополнительные продольные напряжения. Также имеют место случаи его выпучивания и аркообразования.
Из эксплуатируемых в ПАО «Газпром» более 2270 подводных переходов около 60 объектов находятся в неисправном состоянии и до 25 - в предельном. Если же говорить о пересечениях мелких рек и малых водных преград, которые не квалифицируются как подводные переходы, по ним точной статистики нет. Однако, по оценкам экспертов, соотношение технического состояния объектов несколько хуже, чем по подводным переходам.
Наибольшее число пересечений водных преград отмечается в северных и центральных регионах.
Стоит отметить, что только на территории Республики Башкортостан имеются 12835 рек и водных преград, многие из которых пересекают газопроводы. Проблемы,возникшие с пересечением мелких рек, привели к необходимости разработки ООО «Газпром трансгаз Уфа» нормативного документа, направленного на борьбу с водной эрозией грунтов на линейной части трубопроводов [6]. Процесс размывания русла и берегов, дестабилизации положения подводной и примыкающих частей трубопровода на участке пересечения с водными преградами является, как правило, постепенным и занимает около 10-15 лет. По наблюдениям, начинается этот процесс во время пиковой стадии паводкового движения водного потока по берегам рек (рис. 2 и 3), когда берега размываются и происходит унос грунтовой части закрепления трубопровода. За несколько лет толщина защитного слоя грунта снижается до уровня, при котором происходит поэтапный размыв участка трубопровода в пойменной части перехода. Избежать влияния эрозионных процессов можно путем сооружения защитного покрытия на участках нарушенных строительством грунтов. Однако аналогичная ситуация наблюдается и в русловой зоне переходов через реки и мелкие водотоки, в результате чего зона закрепления трубопровода также оказывается в размытом состоянии. При этом на трубопровод помимо
Рис. 4. Схема приложения сил, способствующих потере устойчивости размытого подводного трубопровода: F - выталкивающая сила; Fx - сила лобового сопротивления; Fy - подъемная сила от обтекающего водного потока; F - суммарный вектор сил, действующих на трубопровод со стороны обтекающего водного потока; V и V2 - скорости водного потока, обтекающего трубопровод сверху и снизу, соответственно Fig. 4. Diagram of application of forces stimulating stability loss of the washed out underwater pipeline:
F - buoyancy force; F - drag force; F - lift
арх J J ' x ° У
force from slipping water flow; F - sum force vector, acting on pipelines from slip flow; V и V2 - water flow velocities, slipping pipelines from the top and bottom, respectfully
Рис. 5. Схема сил, возникающих при подъеме и выпрямлении подводного трубопровода на размытом участке подводного перехода
F^ - сила вертикального перемещения трубопровода, являющаяся функцией сил N и N2; N и N2 - силы, возникающие в трубопроводе от транспортируемого потока газа и вызывающие продольные напряжения, не учитываемые в нормативных документах
Fig. 5. Diagram of forces emerging in lifting and straightening of underwater pipelines in the washed out area of underwater crossing.
F^ - a force of vertical relocation of a pipeline being a function of forces N and N2; N and N2 - forces emerging in the pipeline or transported gas flow and causing longitudinal stresses not considered in regulations.
70
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
PIPELINES EXPLOATATION AND REPAIR
силы тяжести и выталкивающей силы Fарх дополнительно действует сила лобового сопротивления Fx, а в районе дна водотока - дополнительная подъемная сила Fy [7] (рис. 4).
При проектировании ремонтов подводных переходов с провисающими участками необходимо рассчитать устойчивость трубопровода и определить возникающие в нем напряжения [8]. Проблематичность этих расчетов заключается в следующем. Поскольку выталкивающая сила F является вели-
^ арх
чиной постоянной, определение уровня сил Fx и Fy обусловлено рядом неопределенностей, заключаются в отсутствии информации о скоростях потока воды в паводок и справочных данных по коэффициентам лобового сопротивления и подъемной силы. Указанные коэффициенты зависят от шероховатости поверхности труб и числа Рейнольдса. В точках А и Б (рис. 5) в связи с размытием подводного перехода должны произойти подъем и выпрямление участка трубопровода, что приведет к дополнительным продольным напряжениям в примыкающих к сечениям зонах. С целью предотвращения этих процессов предлагается ряд мер, к числу которых относятся:
• установка анкеров завинчивающегося или забивного типа в зонах сечений А и Б или в русловой части перехода (рис. 5). Возможно их сочетание;
• балластировка русловой части трубопровода;
• заглубление участка трубопровода, к примеру, в зоне В (рис. 5);
• использование при строительстве или ремонте перехода технологий наклонно-направленного бурения;
• применение при строительстве или ремонте перехода метода «кривых».
В качестве альтернативы или дополнительного средства поддержания проектного положения трубопроводов, проложенных через малые водные преграды, предлагается установка затруб-ных преград (донных порогов) (рис. 6). До настоящего времени борьба с размывом сводилась в основном к монтажу утяжелителей на участках предполагаемого размыва, т. е. ставилась задача борьбы не с самим размывом, а с его последствиями (рис. 6). Более
а) a)
Направление потока Flow course
Донный порог Bottom sill
Трубопровод Pipeline
Неразмываемая преграда из строительных железобетонных панелей
// Non washable-out barrier of construction / building panels
Направление потока Flow course - ■ Береговые линии Coastlines
Рис. 6. Схема размещения заглубленной неразмываемой преграды из строительных панелей, противодействующей размыву трубопровода при пересечении быстротекущего мелководного потока:
а) вид сбоку; б) вид сверху
Fig. 6. Layout of the buried non washable-out barrier of construction building panels, preventing pipeline wash-out when crossing galloping shallow flow: а) side view; б) top view
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 April 2018
71
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ
перспективной представляется разработка средств предотвращения размыва, вследствие чего может отпасть необходимость проведения повторных ремонтных работ на переходе. Так, эффективным средством может стать сооружение неразмываемой преграды водному потоку непосредственно позади заглубленного трубопровода. Для бурного и быстротекущего мелководного потока это может быть донный порог, существенно повышающий уровень воды в потоке над заглубленным трубопроводом (рис. 6.). При этом скорость в нижнем слое потока перед порогом будет существенно меньше средней скорости потока, и размыва может либо не произойти вовсе, либо может даже наблюдаться повышение уровня грунта за счет выпадения осадка, принесенного потоком. Такие преграды можно также сооружать в сухих руслах и на других участках, предполагаемых временных быстротекущих потоков воды.
Эффективно применение донных порогов и на уже размытых участках переходов газопроводов через водные преграды. При определенных условиях можно устранить напряжения в трубопроводе, вызванные гидродинамическим воздействием водного потока, и восстановить нормативный слой грунта над подводным трубопроводом. Сооружение неразмываемой преграды не должно вызывать трудностей, так
как элементы преграды, например, в виде вертикально установленных железобетонных строительных плит (рис. 7) без принципиальных затруднений могут быть установлены в одну траншею с трубопроводом, на безопасном расстоянии от него, составляющем по существующим нормам не менее 20 см. Донные пороги также могут сооружаться путем отсыпки камнем или укладки грунтозаполняемых контейнеров. Параметры предложенных схем защиты от размыва определяются расчетным путем с учетом гидрологических особенностей водотока. Конструктивные особенности донных порогов для находящихся в предельном состоянии переходов трубопроводов, имеющих размытые участки, должны определяться в ходе экспериментальных исследований. Очевидно, что вопрос выбора того или иного средства зависит от конкретных условий и экономической целесообразности их применения.
References:
1. Isl.amgal.eeva L.F., Zaripov R.M. Effect of the Soil's Drowning of Adjoining Underground Areas on the Stress-Strain State of the Gas Pipeline. Elektronnyi nauchnyi zhurnal "Neftegazovoe delo" = Electronic scientific journal Oil and Gas Business, 2011, No. 6, P. 116-129. (In Russian)
2. Industrial construction standards VSN 010-88 (Oil and Gas Industry Construction Ministry). Construction of Gas Mains. Underwater Crossings [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200001421 (access date - April 24, 2018). (In Russian)
3. Company standard STO Gazprom 2-3.5-454-2010. Operating Instructions for Gas Mains [Electronic source]. Access mode: http://files.stroyinf. ru/Data1/53/53416/ (access date - April 24, 2018). (In Russian)
4. Construction regulations (SP) 107-34-96. Ballasting, Stability Control of Gas Lines on Design Reference Marks [Electronic source]. Access mode: http://files.stroyinf.ru/DataV5/5818/ (access date - April 24, 2018). (In Russian)
5. Construction regulations (SP) 36.13330.2012. Gas Mains. Updated edition of the Construction rules and regulations (SniP) 2.05.06-85* (with adjustment No. 1) [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200103173 (access date - April 24, 2018). (In Russian)
6. Ruling document RD 51-2.4-007-97. Control of Ablation of Soils in the Linear Gas Line Portions [Electronic source]. Access mode: http://files. stroyinf.ru/Data1/8/8054/ (access date - April 24, 2018). (In Russian)
7. Guidelines for Operational Integrity Assessment of Underwater Gas Line Crossings when Beds are washed out [Electronic source]. Access mode: http://files.stroyinf.ru/Data1/50/50872/ (access date - April 24, 2018). (In Russian)
8. Filatov A.A. Stresses and Relocation of Pipelines in the Areas of Underwater River Crossings of Gas Mains. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2011, No. 9, P. 56-60. (In Russian)
Литература:
1. Исламгалеева Л.Ф., Зарипов Р.М. Влияние степени обводнения грунта прилегающих подземных участков на напряженно-деформированное состояние подводного газопровода // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2011. № 6. С. 116-129.
2. ВСН 010-88 (Миннефтегазстрой) Строительство магистральных трубопроводов. Подводные переходы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// docs.cntd.ru/document/1200001421 (дата обращения: 24.04.2018).
3. СТО Газпром 2-3.5-454-2010. Правила эксплуатации магистральных газопроводов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fi1es.stroyinf.ru/ Data1/53/53416/ (дата обращения: 24.04.2018).
4. СП 107-34-96. Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопроводов на проектных отметках [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fi1es.stroyinf.rU/Data1/5/5818/ (дата обращения: 24.04.2018).
5. СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85* (с Изменением № 1) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200103173 (дата обращения: 24.04.2018).
6. РД 51-2.4-007-97 Борьба с водной эрозией грунтов на линейной части трубопроводов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fi1es.stroyinf. ru/Data1/8/8054/ (дата обращения: 24.04.2018).
7. Рекомендации по оценке работоспособности подводных переходов газопроводов при наличии размывов дна [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fi1es.stroyinf.ru/Data1/50/50872/ (дата обращения: 24.04.2018).
8. Филатов А.А. Механические напряжения и перемещения трубопровода на участках речных подводных переходов магистральных газопроводов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2011. № 9. С. 56-60.
72
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
