CC BY
229
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ
В ЗОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ Таранов Р.А.1, Марченко А.В.2 Email: Taranov666@scientifictext.ru
'Таранов Роман Александрович — кандидат технических наук, доцент; 2Марченко Александра Владиславовна — бакалавр, кафедра экологии и промышленной безопасности, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
г. Москва
Аннотация: опыт эксплуатации подземных магистральных нефтепроводов в зонах вечной мерзлоты показывает, что одним из основных факторов, резко снижающих эксплуатационную надежность этих ответственных инженерных сооружений, является тепловое воздействие нефтепроводов на многолетнемерзлые грунты. При оттаивании вечномерзлого грунта стальная оболочка трубопровода либо всплывает под действием выталкивающей силы, либо разрушается. Крупные включения подземного льда при оттаивании дают термокарстовые провалы и просадку грунта. Без необходимых инженерных мероприятий это приводит к повреждению трубопровода и разливу нефтепродуктов. Ключевые слова: зона вечной мерзлоты, нефтепровод, моделирование.
THE FEATURES OF DESIGN, CONSTRUCTION AND OPERATION OF OIL TRUNK PIPELINES IN PERMAFROST ZONES Taranov R.A.1, Marchenko A.V.2
'Taranov Roman Aleksandrovich — PhD in Technical Sciences, Associate Professor; 2Marchenko Aleksandra Vladislavovna — Bachelor, DEPARTMENT OF ECOLOGY AND INDUSTRIAL SAFETY, BAUMAN MOSCOW STATE TECHNICAL UNIVERSITY, MOSCOW
Abstract: the experience of operation of underground oil trunk pipelines in permafrost zones shows that one of the main factors that sharply reduce the operational reliability of these critical engineering structures is the thermal effect of oil pipelines on permafrost soils. When the permafrost soil is thawed, the steel shell of the pipeline either floats under the action of the buoyancy force or is destroyed. Large inclusions of underground ice during thawing give thermokarst dips and subsidence of the soil. Without the necessary engineering measures, this leads to damage to the pipeline and oil spill. Keywords: permafrost zone, oil pipeline, modeling.
УДК 624.139
Одновременно с освоением богатейших нефтяных месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера накапливается опыт проектирования, строительства и эксплуатации магистральных нефтепроводов. Но, тем не менее, до сих пор существуют серьёзные проблемы при сооружении и эксплуатации нефтепроводов на территориях залегания вечномерзлых грунтов, которые обладают не стабильными физико-механическими свойствами. Весной и летом они протаивают и превращаются в жидкие массы с нулевой несущей способностью, а осенью и зимой промерзают и становятся весьма прочными.
То есть, в процессе строительства и эксплуатации нефтепроводов в зонах вечной мерзлоты происходит нарушение динамического равновесия, сопровождающегося активацией опасных природных процессов, негативным влиянием на техническое состояние нефтепроводов, приводящим нередко к аварийным ситуациям. К подобным «реакциям отторжения» природной средой техногенного воздействия относятся: пучение и просадка промерзающих, протаивающих грунтов, выпучивание (всплывание) участков трубопроводов, активация деструктурных мерзлотных процессов (термокарст, солифлюкция, морозобойные трещины, бугры пучения и др.), эрозионных, оползневых процессов и процессов обводнения и заболачивания трасс нефтепроводов [1, с. 2].
В практике строительства нефтепроводов при прокладке на вечномерзлых грунтах использовались следующие конструктивные решения. Наиболее распространенной являлась прокладка надземным способом.
Надземные нефтепроводы прокладывались по схеме зигзагообразного самокомпенсирующегося контура или по прямолинейной схеме с применением компенсаторов. Обе системы нефтепроводов могут прокладываться с применением различных опор: грунтовых, свайных, лежневых, рамных опор, с использованием качающихся рамных опор, а также с креплением нефтепровода при помощи подвесок [2, с. 72].
При пересечении участков пучинистых грунтов для расчета «холодных» нефтепроводов определяют размеры зоны промерзания вокруг нефтепровода, параметры пучения в зависимости от положения фронта промерзания и оценку прочности и устойчивости нефтепровода вследствие его взаимодействия с грунтом.
С целью уменьшения воздействия морозного пучения на нефтепроводы или на их опоры заменяют грунт, устраивают компенсационные участки, проводя техническую мелиорацию грунтов, прокладку нефтепроводов с учетом ожидаемых деформаций, применяют противопучинистые устройства для обеспечения устойчивости положения нефтепроводов. Выбор конструктивной схемы прокладки на участках многолетнемерзлых грунтов во многом будет предопределяться просадочностью этих грунтов при оттаивании [3, с. 2].
Наилучшим способом оценки надежности инженерных мероприятий является компьютерное моделирование. При этом, для обеспечения высокой точности расчетов теплового взаимодействия нефтепровода и многолетнемерзлого грунта (ММГ), необходимо учесть ряд критичных для нефтепровода факторов:
- реальная геометрия моделируемых объектов;
- неоднородное геолого-литологическое строение грунта с повторно--жильными льдами (ПЖЛ);
- изменение теплофизических свойств грунтов в результате фазовых превращений;
- скорость оттаивания и промерзания;
- изменение метеорологических условий во времени;
- наличие теплоизоляционных материалов;
- толщина и тип теплоизоляции трубы;
- температура и скорость прокачиваемой по трубе нефти;
- конструктивные особенности траншеи, в которой размещен нефтепровод.
Вечномерзлые, или многолетнемерзлые, грунты широко распространены в северных регионах
Российской Федерации. Считается, что вечная мерзлота — это наследие последнего ледникового периода, и она постепенно (в геологическом смысле) тает. Прочностные свойства грунтов связаны с долей льда в них и температурой: чем она ниже, тем их прочностные свойства выше. Содержание льда в них может колебаться в весьма значительных пределах: они могут быть как достаточно сухими, так и весьма льдистыми, вплоть до состояния грязного льда.
Распространение многолетней мерзлоты может быть сплошным, на глубину сотен метров от поверхности, или же прерывистым — в виде отдельных линз. Мерзлота весьма чувствительна к изменениям температурного режима: нарушение слабого поверхностного растительного слоя, например, гусеницами вездеходов или бульдозеров приводит к стремительному таянию мерзлоты, разрушению ее структуры и образованию огромных полей протаивания. Грунты, в мерзлом состоянии служившие надежным основанием, за несколько летних сезонов превращаются в болотную жижу, в которой возможно всплытие нефтепроводов, их поперечное смещение и деформация [4, с. 21].
Таким образом, при прокладке нефтепроводов инженеры сталкиваются с двоякой задачей: им нужно проложить нефтепроводы в среде, которая в ненарушенном состоянии обладает высокими прочностными и несущими свойствами, но в случае изменения теплового режима может быстро превратиться в болото. При этом сами нефтепроводы могут быть источниками тепла, разрушающего структуру грунтов основания [5, с. 16].
На этапе проектирования необходимо определиться: где на трассе нефтепровода будут сохраняться естественные условия залегания мерзлых грунтов, а где допустимо нарушение их залегания. Все решения возможны лишь при тщательном и всестороннем анализе технических возможностей по прокладке нефтепровода по выбранной трассе и при всестороннем экономическом сравнении предложенных вариантов.
В частности возможно строительство нефтепровода над поверхностью земли, на специальных опорах, укладка его на поверхность земли с созданием специальной грунтовой подушки и траншейным способом. Один нефтепровод может иметь самые разные участки прокладки.
Нефтепровод на опорах будет испытывать значительные перепады температур, в связи с чем повышаются требования к качеству стали самого нефтепровода и его опор. В ряде случаев может потребоваться применение опор особого типа, запасающих холод в зимний период, чтобы сохранить мерзлоту летом, так называемые сезонные охлаждающие устройства — СОУ.
При строительстве насыпей, на которые укладываются нефтепроводы, надо использовать так называемый сыпучемерзлый грунт, то есть грунт с низким содержанием частиц льда. Необходимо применять специальные теплоизоляционные материалы и использовать трубы с термоизоляцией заводского производства. При траншейной укладке следует производить отсыпку сыпучемерзлого грунта на дно траншеи и укладывать теплоизоляционные экраны.
Чтобы исключить вероятность всплытия нефтепроводов, следует производить их балластировку или укрепление анкерами, в том числе вмораживаемыми на глубину, гарантирующую отсутствие оттаивания. Во всех случаях желательно использовать СОУ, чтобы предотвратить оттаивание мерзлых грунтов, особенно в зоне установки опорных элементов или анкеров.
Список литературы / References
1. Айдуганов В.М. Опыт строительства и эксплуатации трубопроводов из металлопластмассовых труб. [Электронный ресурс]. // ЭНЖ «Нефтегазовое дело». 2006. № 1. Режим доступа: http://ogbus.ru/authors/Ajduganov/Ajduganov_1.pdf/ (дата обращения: 18.11.2014).
2. АгапчевВ. И. Бестраншейные технологии в трубопроводном строительстве России // НТЖ «Нефть и газ», 2006. № 7. С. 72-74.
3. Гориловский М.И. Состояние и перспективы развития трубопроводов в России // НТЖ «Трубопроводы и экология» / М.: НПО «Стройполимер», 2003. № 4.
4. ВСН 006-89. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка / Миннефтегазстрой. Введ. 01.07.1989. М.: ВНИИСТ, 1989. 216 с.
5. Легезин Н.Е. Эксплуатация труб в коррозионных средах нефтегазовых промыслов // Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности // М.: ВНИИОЭНГ, 1972. 53 с.
