CC BY
59
© С.М. Соколов, С.Ю. Торопов, Ю.Д. Земенков, М.Н. Редутинский. 2013
УДК 621.644.074
С.М. Соколов, С.Ю. Торопов, Ю.Д. Земенков, М.Н. Редутинский
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЕКТНЫХ ОТМЕТКАХ ОТ ВСПЛЫТИЯ
Рассмотрены вопросы закрепления проектного положения трубопроводов от всплытия при помощи инъекционных анкеров и ковровых модульных утяжелителей.
Ключевые слова: трубопровод, пригруз, балластировка, анкер.
Существует множество способов закрепления трубопроводов от всплытия на проектных отметках [1, 2. 3]. Однако все они имеют свои особенности. определяющие область их применения.
В практике строительства трубопроводов используются анкеры различных типов. служащих для передачи выдергивающих усилий от трубопровода на грунтовую толщу при его всплытии.
Одним из способов - является закрепление трубопровода инъекционными анкерами.
Рассмотрим возможность применение инъекционного грунтового анкера для закрепления трубопроводов на проектных отметках от всплытия.
Возможность реализации подобных анкеров известна [4.5]. но для закрепления трубопровода на проектных отметках от всплытия анкер используется довольно редко [5].
Что же сдерживало его применение? Это необходимость пакера при погружении анкера в грунт и подачи по трубе избыточного давления раствора к наконечнику.
Эксперименты показали. что отказ от пакера приводит к выдавливанию раствора по тяге анкера и трубе для его погружения.
Наиболее приемлемым и промышленно проверенным для подачи к наконечнику служит цементный раствор. Данный анкер представляет из себя: тягу 1 с наконечником 2. и полую обсадную трубу 3 с пакером 4. которая служит для погружения
Рис. 1 Закрепление трубопровода инъекционными анкреами:
а) погружение обсадной трубы 3 с пакером 4,с тягой 1 и наконечником 2 на проектную глубину; б) подъем обсадной трубы на 0,3-0,5 м и подача цементного раствора 5 в обсадную трубу 3 через штуцер 6; в) нагнетание в зону заделки анкера 5 цементного раствора под давлением 1,5-2 МПа после подъема трубы на 0,3- 0,5 м; г) извлечение обсадной трубы 3; д) закрепление анкера на трубопроводе 7
анкера на проектную глубину и подачи по ней под избыточным давлением цементного раствора к наконечнику.
В полость обсадной трубы, после погружения анкера на проектную глубину нагнетается цементный раствор, создающий ядро вокруг наконечника. Пакер представляет собой уплотняющее устройство в виде расширяющейся камеры, препятствующей выходу раствора из скважины при инициировании анкера. Для инициирования цементного раствора в скважину используют инъектор цементировочного агрегата. Анкер и схема его работы в грунте в рабочем положении показана на рис. 1.
Несущая способность Р данного анкера, работающего на осевую нагрузку может быть определена как сумма расчетных сопротивлений Р1 над пятой анкера ( для простоты расчетов диаметром тяги можно пренебречь), и веса анкера с цементным раствором Са:
Р = Р1+ва (1)
Расчетное сопротивление над пятой инъекционного производится так же, как для анкера глубокого заложения с
площадью. равной площади пяты анкера соответствующего диаметра.
Расчетное сопротивление под пятой анкера может быть определено по соответствующим формулам [ 4. 5 ].
Необходимый объем цементного раствораУ. нагнетаемого в скважину для анкеров с пакером. определяется по формуле
2 из литературы [4]:
V = 0.5(Э2 - а2)(1+3.1п)1к. (2)
где п = В/Ц - весовое водоцементное отношение; Э- диаметр заделки анкера; 1к- длина заделки. часть длины анкера. в пределах которой усилие передается грунту; <<- диаметр тяги в зоне заделки анкера.
Цилиндрические анкеры следует применять в многолетне-мерзлых грунтах. Анкеры с уширением. разбуренным инвентарным расширителем или при помощи пароотаивания. могут быть применены так же в многолетнемерзлых грунтах и прочных породах.
Для повышения несущей способности анкера следует выполнять несколько уширений. расстояния между которыми (1) должны удовлетворять условию: 1 = 3Ц,. где - диаметр уширения.
В основном закрепление трубопровода производят парными анкерами. Несущая способность парных анкеров равняется:
Банк = гРш. (3)
где Ъ - количество анкеров в устройстве; т - коэффициент условий работы анкерного устройства. обычно т = 0.5.
Несущая способность анкера может быть принята и по результатам испытаний.
Количество анкеров. подвергаемых пробным полевым испытаниям на выдергивание. следует принимать в зависимости от общего количества устанавливаемых анкеров по проекту в каждом слое грунта в следующей пропорции: 2 %. но не менее
3 шт.
Часть анкеров. подвергаемых пробным испытаниям на выдергивание. но не менее 2. следует доводить до разрушения с целью установления предельной нагрузки. соответствующей потере несущей способности по грунту.
При проведении пробных полевых испытаний на выдергивание следует зафиксировать следующие данные: гидрогеологические и грунтовые условия на месте испытания. продолжи-
тельность погружения анкера. количество и вид промывочного бурового раствора; водоцементное отношение и состав цементного растворов; марку цемента; количество и вид добавок; тип оборудования для приготовления цементного раствора; продолжительность перемешивания; давление нагнетания раствора; количество нагнетаемого раствора по стадиям; метеорологические условия проведения испытаний; полные данные об испытании.
На полигоне в естественных условиях были проведены испытания подобного анкера. С помощью трубы диаметром 50 мм и длиной 6 м. анкеры были погружены на 3 - 5 м от поверхности земли. Затем по обсадной трубе с помощью цементировочного агрегата под давлением 15 МПа нагнетался буровой раствор к наконечнику. Выдержка до момента приложения к анкеру нагрузки на вырыв составила 3 суток.
Предельная нагрузка вырыва анкера от глубины погружения равнялась. соответствено 4 - 10 т.
Таким образом. удерживающая способность анкера. доходящая до 10 т. позволяет закреплять на проектных отметках от всплытия трубопроводы.
Грунтовый анкер погружается в любые грунты. подстилающие основание трубопровода. кроме торфа. ила. которые должны быть пройдены. В слабых грунтах удерживающая способность анкера достигается весом нагнетаемого раствора и незначительным отпором грунта. В многолетнемерзлых грунтах анкер выдерживается до его замерзания в грунте.
Данные экспериментов показали возможность применения грунтового анкера для закрепления промысловых трубопровода от всплытия.
Заделку анкера в грунт следует создавать нагнетанием цементного раствора из портландцемента. воды и. при необходимости. пластифицирующих добавок. Водоцементное отношение для достижения оптимальной вязкости следует принимать в пределах 0.45 - 0.55. Закрепление трубопровода грунтовыми анкерами необходимо проводить через 3 - 5 суток. но не ранее чем будет достигнута прочность цементного камня в пределах 20 МПа. Длина погружения анкера в подстилающий грунт должна быть не менее 3 м. но не более 10 м. В песок рекомендуется погружать анкер на глубину 4 - 6 м. пылевато-глинистый грунт 5 - 7 м.
Рис. 2. Общий вид коврового модульного утяжелителя
Для повышения коррозионной стойкости и упрощения технологии работ по закреплению трубопроводов от всплытия тяги анкера могут быть изготовлены как металлические, так резинотканевые и полимерные.
Конструкция пакера и применяемый материал может быть также различный.
Для защиты обводненных участков трубопроводов от размыва применяются ковровые модульные утяжелители (УКМ) (рис. 2). УКМ представляют собой прямоугольный мат, набранный из бетонных блоков с профилированной нижней частью связанных между собой синтетическим канатом.
Выемка в нижней части единичного блока сделана с целью
уменьшения контактного давления на поверхность трубопровода и снижения вероятности повреждения изоляционного покрытия трубопровода при вероятном контакте с УКМ.
Для улучшения противоэрозионных свойств УКМ предусматривается установка противоэрозионной Рис. 3 Общий вид противоэрозионной на- насадки (рис. 3). садки
Вес 1 м2 пригруза с учетом выталкивающе
—»—1600 Н/м2 -■-2000 Н/м2 —±—2500 Н/м2
диаметр. О (м)
Рис. 4. Зависимость длины УКМ от диаметра трубопровода
Противоэрозионная насадка предназначена для удержания грунта на внешней поверхности пригрузов и представляет своего рода гибкий контейнер.
Элементы насадки изготавливаются из листового геоматериала и скрепляются заклёпками. Внутренние размеры насадки соответствуют внешним габаритам блоков. Для крепления к блоку используются внешние связи. Насадка устанавливается на блок. фиксируется в этом положении внешними креплениями блока и как единая конструкция собирается в ковровый пригруз (УКМ).
Применяются две схемы защиты участка от размыва с помощью УКМ. Первая с укладкой непосредственно на трубопровод. при второй схеме. пригруз укладывается после восстановления обваловки трубопровода и выполняет функцию про-тивоэрозионного покрытия.
На рис. 4 показана зависимость необходимой длины УКМ от диаметра трубы. Расчеты производились без учета веса перекачиваемого продукта. т.к. опорожнённый трубопровод обладает наибольшей плавучестью. Это позволит обеспечить проектное положение участка нефтепровода в самом неблагоприятном случае.
Согласно проведенным расчетам больше половины длины мата - это участки АВ. лежащие на поверхности грунта (рис. 4). Учитывая. что их длина определяет величину трения. а следовательно натяжение в точке отрыва пригруза от грунта. желательно всячески увеличивать силу трения балластирующего мата
г
<Рг /
А_В
У/ /// /// //,
Рис. 5. Схема пригрузки трубопровода УКМ
о грунт или просто закреплять концы УКМ анкерами. В этом случае анкера на участке АВ работают на сдвиг и, следовательно, конструктивно выполнены достаточно просто [6]. Такой подход позволяет применять конструкции, в которых вес участков лежащих на поверхности грунта минимальный, а сила трения обеспечивается анкеровкой матов на сдвиг.
Полученные результаты позволяют сделать вывод об эффективности использования данных пригрузов, как при проведении ремонтных работ на участках размыва и потери устойчивости нефтепроводов - в качестве элементов защиты и балластировки, так и при строительстве новых ниток в сложных условиях Западной Сибири.
Таким образом, инъекционные анкера и ковровые модульные утяжелители могут использоваться для закрепления и балластировки трубопроводов, что и подтверждается данными исследованиями.
1..Дерцакян А.К., Васильев Н.П. Строительство трубопроводов на болотах и многолетнемерзлых грунтах. - М.: Недра 1978. - С-167
2.Васильев Н.П. Балластировка и закрепление трубопроводов. - М.: Недра, 1984. - С-166
3. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. - М.: Недра, 1982. - С-384
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. ВСН- 506 - 88 Проектирование и устройство грунтовых анкеров. Минмонтажспецстрой СССР, 1988. - С- 39.
5. Инструкция по баластировке трубопроводов с применением анкер-инъекторов. РД-39Р-00147105-028-02 Уфа 2002 г.
6.Бухгольц H.H. Основной курс теоретической механики. В 2-х ч. Ч. 1. Кинематика, статика, динамика материальной точки: учеб. пособие. - 7-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2009.
7. Земенков Ю.Д. Повышение безопасности эксплуатации линейных участков магистральных газопроводов. / Ю.Д. Земенков, С.М. Дудин, Г.В. Бахмат// Трубопроводный транспорт [теория и практика]. - Москва: ВНИ-ИСТ, 2012. - №5 - С. 36-39. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Соколов Сергей Михайлович - доктор технических наук. профессор. Торопов Сергей Юрьевич - доктор технических наук. профессор. Земнков Юрий Дмитриевич - доктор технических наук. профессор. Редутинский Максим Николаевич - ассистент.
Тюменский государственный нефтегазовый университет. Институт Транспорта. кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов».
тел. +7 (3452) 20-19-31
