CC BY
43УДК 62
Д.С. Воронов, Е.В. Кабанов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
Проблема обеспечения надежной эксплуатации газопроводов Крайнего Севера объективно связана с увеличением риска аварий и отказов. Это ведет к значительным экономическим потерям и серьезным экологическим последствиям. В статье представлены основные проблемы, возникающие при эксплуатации трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. В качестве основного решения возникающих проблем рассмотрено применение сезонно охлаждающих устройств, применение которых существенно повышает надежность конструкции. Сокращаются буровые работы, что благотворно сказывается на экономическом показателе.
Ключевые слова: сезонно охлаждающие устройства, вечномерз-лый грунт, криолитозона.
Одной из наиболее актуальных проблем проектирования, строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в северных регионах России является обеспечение проектного положения и эксплуатационной надежности трубопроводов в условиях вечной мерзлоты.
Многолетняя мерзлота предполагает следующие факторы, осложняющие строительство и эксплуатацию магистрального трубопровода:
-потеря несущей способности грунтов при их оттаивании, при производстве строительных работ или в процессе эксплуатации;
-пучение многолетнемерзлых грунтов при их замораживании после оттаивания; -проваливание грунтов из-за оттаивания ледяных включений (линз); -зависимость несущей способности от степени замороженности грунтов.
Оттаивание окружающих магистральный трубопровод многолетнемерзлых грунтов может происходить вследствие их теплового взаимодействия с трубопроводом и формирования ореола оттаивания вокруг него или сезонного оттаивания грунтов. Кроме того, в регионах распространения многолетнемерзлых пород широкое распространение имеют так называемые талики и талые зоны. Они представляют большую угрозу для исправной эксплуатации магистральных трубопроводов.
Для сохранения изначального состояния грунта при прокладке магистральных трубопроводов в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов возможно применение как пассивного способа инженерной (тепловой) защиты (теплоизоляция наружной поверхности труб такими материалами, как пенополиуретан, пеноплэкс и т.п.), так и технических средств активной термостабилизации, а также сочетание теплоизоляционных экранов и термостабилизаторов. Следует учитывать, что при использовании только теплоизоляционных материалов полностью исключить присутствие ореола оттаивания не удается, следовательно, вероятность потери устойчивости трубопровода и нарушения проектного положения сохраняется. Однако, при использовании устройств активной термостабилизации возрастает стоимость проекта, но учитывая преимущества их использования и достаточно большой срок эксплуатации магистральных трубопроводов эти устройства находят широкое применение в трубопроводном транспорте газа, нефти и нефтепродуктов. Они успешно используются при надземной прокладке трубопроводов в многолетнемерз-лых грунтах у нас в стране и за рубежом. Например, при прокладке Трансаляскинского нефтепровода в США, нефтепровода Заполярье - Пурпе в России.
Выбор оптимального проектного решения по прокладке трубопровода в районах вечной мерзлоты в настоящее время, как правило, осуществляется на основе многовариантного проектирования с выбором варианта, соответствующего минимальной сметной (начальной) стоимости. В последнее время появились методики, позволяющие учитывать надежность выбираемого проектного решения. Согласно этим методикам, надземная прокладка магистрального трубопровода не всегда является целесообразной. Иногда она является и вовсе невозможной.
© Воронов Д.С., Кабанов Е.В., 2020.
Научный руководитель: Морозов Алексей Андреевич - старший преподаватель, кафедра Нефтегазовое дело, Дальневосточный федеральный университет, Россия.
ISSN 2223-4047
Вестник магистратуры. 2020. № 1-1 (100)
Авторами статьи предлагается способ, позволяющий обеспечить устойчивость магистральных трубопроводов в зоне многолетнемерзлых грунтов при их подземной прокладке (рисунок 1).
На основании параметров заглубления магистрального трубопровода и ореола его оттаивания определяется требуемая длина свайных опор. Опоры выполняются с системой активной термостабилизации и устанавливаются таким образом, чтобы трубопровод после монтажа оказался на проектной глубине. Крепление трубопровода к сваям производится с помощью хомута специальной конструкции, который для компенсации продольных перемещений трубопровода в процессе эксплуатации выполняется в трех вариантах - неподвижная, продольно-подвижная, свободноподвижная. В ходе эксплуатации вокруг трубопровода будет иметь место значительный ореол оттаивания. Но, благодаря тому, что свайные опоры уходят глубже границы оттаивания, трубопровод будет оставаться в проектном положении. Наличие системы активной термостабилизации позволит решить проблему сохранения грунта в мерзлом состоянии вокруг свайных опор.
Рис. 1. Схема обеспечения устойчивости подземного магистрального трубопровода при помощи свайных опор с устройствами активной термостабилизации:
1 - трубопровод; 2 - хомут специальной конструкции; 3 - свайная опора;
4 - устройство активной термостабилизации; 5 - сезонно-оттаивающий слой грунта;
6 - многолетнемерзлый грунт; 7 - граница ореола оттаивания вокруг магистрального трубопровода
Термостабилизаторы (сезоннодействующие охлаждающие устройства) представляют собой тепловую трубу гравитационного типа, внутри которой происходят процессы тепломассопереноса.
Замораживание грунта происходит в зимний период без энергетических затрат за счёт использования естественного холода. Условием работы сезоннодействующих охлаждающих устройств (активный режим) является наличие разности отрицательной температуры воздуха и грунта. Если температура воздуха ниже, чем температура грунта, то он работает и происходит процесс циркуляции теплоносителя, если наоборот - устройства замыкаются (пассивный период).
Несколько другая ситуация при прокладке подземного трубопровода через талик. Талые и немерзлые горные породы могут занимать различное пространственное положение по отношению к мерзлым толщам: залегать с поверхности (ниже слоя сезонного промерзания), пронизывая всю мерзлую толщу насквозь (сквозной талик) или на некоторую глубину (несквозной талик), когда ниже развиты многолет-немерзлые породы; быть ограниченными мерзлыми толщами сверху и снизу, со всех сторон; находиться ниже мерзлой толщи.
Грунт в таликах имеет слабую несущую способность и для обеспечения устойчивости трубопровода предполагается использование опор иного плана (рисунок 2).
Рис. 2. Схема обеспечения устойчивости подземного трубопровода при прокладке через несквозной талик незначительной мощности:
1 - многолетнемерзлый грунт; 2 - талик; 3 - сезонно-мерзлый грунт; 4 - свайная опора;
5 - труба; 6 - хомут специальной конструкции
В случаях, когда имеют дело с несквозными таликами, предполагается использование свайных опор, нижний конец которых достигает нижних многолетнемерзлых пород с более высокой плотностью и несущей способностью. Поддерживать трубопровод на этих свайных опорах будет хомут специальной конструкции. Как и в ранее описанном методе, конструкция хомутов будет исполнена в трех вариантах -неподвижная, продольно-подвижная, свободноподвижная.
Использование термостабилизаторов в этих условиях не представляется возможным из-за морозного пучения талых грунтов при их замораживании.
Таким образом, осуществление предложенных концепций на практике позволит обеспечить устойчивость подземного магистрального трубопровода на многолетнемерзлых грунтах, а в отдельных случаях возможен отказ от применения традиционной теплоизоляции.
На участках с несквозными таликами реализация описанного предложения позволит повысить надежность трубопровода. В перспективе ожидается достижение экономии средств за счет уменьшения длины магистрального трубопровода, так как в настоящее время при выборе оптимального проекта магистрального трубопровода участки с таликами стараются избегать.
Библиографический список:
1.Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах: СП 25.13330.2012 - Введ. 2013-01-01. -Режим доступа: http://docs.cntd.ru.;
2.Хрусталев Л.Н., Чербунина М.Ю., «Выбор оптимальных решений по прокладке магистральных нефтепроводов в криолитозоне» / «Трубопроводный транспорт: теория и практика» 2011г.;
3.Галкин М.Л., Рукавишников А.М., Генель Л.С. «Термостабилизация вечномерзлых грунтов» научный журнал «Инновационные методы и устройства» 2013г.
4.Баясан Р.М., Голубин С.И. Технология и технические средства термостабилизации мерзлых грунтов оснований магистральных и промысловых трубопроводов в криолитозоне // Инженерные изыскания. 2012г.
5. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Кинцлер Ю.Э. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ. - Тюмень: ООО НПО «Фундаментстройаркос», 2002г.
ВОРОНОВ ДЕНИС СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, Дальневосточный федеральный университет, Россия.
КАБАНОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - магистрант, Дальневосточный федеральный университет, Россия.
