Обеспечение надежности при строительстве и эксплуатации подводных переходов трубопроводов через водные преграды

Для обследования подводных газопроводов на переходах через реки компания"Wimpol"разработала в 1986 - 87 гг. электромагнитную сканирующую систему. По опубликованным данным (см. Pipeline а gas jornal v215, 1988, № 10, p.37 - 41) система обеспечивает получения продольного профиля трубопровода и его плановое положение относительно русла реки. Кроме того, система позволяет установить отметки дна реки и характер эрозионных явлений.

ВНИИГАЗом разработана "Методика оценки фактического положения и состояния  подземных трубопроводов", которая может применяться для определения пространственного положения трубопровода и состояния изоляционного покрытия.

2 Методы прокладки подводных переходов трубопроводов

 

При проектировании подводных  переходов  через водные преграды разработчики опираются на данные гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом специфики эксплуатации в данном районе ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, которые могут оказать влияние на режим водной преграды в месте перехода, планируемых дноуглубительных работ, а также на требования по охране водных ресурсов.

В мировой практике строительства  подводных переходов наиболее широкое применение получили методы их прокладки, которые условно можно разделить на две группы: траншейные и бестраншейные. Одним из самых распространенных методов строительства подводных переходов является траншейный метод (рис. 2.1). Он включает в себя подводную разработку траншеи специальной землеройной техникой (земснаряды, грунтососы, гидромониторы, скреперы и т. д.) и одновременно с этим подготовку дюкера. Применяются три основных метода укладки трубопровода в подводные траншеи: протягивание по дну; погружение с поверхности воды трубопровода полной длины и укладка с плавучих средств и опор.

Каждый из перечисленных  методов укладки имеет свои недостатки, основным из которых является большой объем подводно-технических и земляных работ, связанных с разработкой траншеи, однако при определенных условиях имеют ряд преимуществ. Чаще всего траншейный метод строительства подводных переходов применяется в случаях невозможности использования бестраншейных методов, характеризующихся рядом ограничений.

В настоящее время широкое распространение  получили бестраншейные методы строительства подводных переходов магистральных трубопроводов: наклонно направленное бурение, микротоннелирование, тоннелирование, вантовые и др.

При использовании бестраншейных  технологий строительства подводных переходов отсутствуют недостатки традиционных методов, уменьшается неблагоприятное воздействие на окружающую среду, в том числе гидрологию водоемов, повышается надежность трубопровода.

Строительство подводных  переходов методом наклонно направленного  бурения (ННБ), в зависимости от характеристик водных преград, технических характеристик используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров протаскиваемого трубопровода, осуществляется по различным технологическим схемам. Общими для всех технологических схем являются основные этапы ННБ:

          а) бурение пилотной скважины;

б) расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях; 
          в) протягивание трубопровода в разрабатываемую скважину.

Рис. 2.1 -  Строительство подводных переходов траншейный методом и методом микротоннелированием

 

Данный метод позволяет обеспечить высокую надежность построенного объекта; сохранение природного ландшафта и экологического баланса в месте проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов; значительное уменьшение риска аварийных ситуаций и, как следствие, гарантию длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.

Применение ННБ имеет ряд  ограничений: сложные инженерно-геологические условия, большая протяженность перехода и диаметр укладываемой трубы.

В России были построены единичные  переходы протяженностью более 1000 м  с диаметром труб не более 1020 мм. Основная масса построенных переходов диаметром труб 1020–1420 мм имеет протяженность не более 500–700 м. Другим ограничением метода ННБ являются сложные геологические условия: галечниковые грунты, грунты с включением валунов, карстовых полостей, скальные, илистые грунты. Эти факторы в совокупности с конструктивными параметрами буровых установок и технологии бурения определяют возможность или невозможность строительства того или иного объекта методом ННБ.

Метод микротоннелирования (рис. 2.1) основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционного управляемого проходческого щита. Микротоннельный щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.

Преимуществами микротоннелирования (так же как и метода ННБ) является отсутствие отрицательного воздействия на русловые процессы пересекаемой водной преграды; надежная защита руслового участка подводных переходов трубопровода от размыва и высокая степень защиты трубопровода от механических повреждений, обеспечиваемая прокладкой трубопровода на глубине не менее 7 м от дна и значительно ниже линии предельного размыва русла реки; сохранение экологического баланса в месте проведения работ; отсутствие воздействия на режим судоходства и пр.

Однако микротоннелирование имеет  следующие сложности при проходке: 
          а) в трещиноватых доломитах есть большой риск заклинивания трубного става, в связи с относительно высокой прочностью породы и опасностью возникновения неравномерного горного давления;

           б) на границе перехода из прочных пород в зону карстового образования при малейшем отклонении щита от заданной траектории резко возрастают усилия продавливания всего трубного става (заклинивание), при превышении которых будет происходить разрушение секций трубного става;

           в) при преодолении карстовых участков возникает большая степень риска отклонения трубного става от проектной траектории прокладки микротоннеля, что повлечет за собой изменение проектного положения и расчетной схемы трубопровода; 
           г) стандартная конструкция труб не предусматривает связи растяжения в стыках, поэтому заклинивание может привести к раскрытию стыка и прорыва грунта в микротоннель при проходке в слабых грунтах.

При сооружении подводных переходов тоннельным методом используют щитовую проходку защитного кожуха-обделки, состоящего из отдельных колец, которые, в свою очередь, собираются из блоков – сегментов (или тюбингов) под защитой проходческого щита. Для продвижения проходческого комплекса в конструкции щита предусматриваются щитовые домкраты, которые отталкиваются от каждого вновь собранного кольца обделки, тем самым разрабатывая грунт и освобождая место для монтажа следующего кольца обделки. При проходке тоннеля производится первичное и контрольное нагнетание, в результате которого заполняются возможные трещины и пустоты вокруг обделки тоннеля.

Преимущества тоннельного метода прокладки схожи с преимуществами метода микротоннелирования, но при сравнении этих двух методов оказывается, что у первого отсутствуют недостатки, присущие методу микротоннелирования. Тем не менее негативное воздействие на подводный переход окружающего грунта, изменение инженерно-геологических условий, к примеру, образование или развитие карстовых полостей, может нарушить целостность сооружения и привести к серьезным экологическим последствиям. Во избежание возможных негативных последствий требуется разработка специальных мероприятий и технических решений, предотвращающих аварийные ситуации при строительстве и способствующих нормальной эксплуатации сооружения и сохранению окружающей среды.

Целесообразность применения того или иного метода строительства  подводных переходов определяется с учетом анализа всех возможных факторов, существенно влияющих на надежность и безопасность трубопровода. Причем в рамках одного проекта строительства могут применяться практически все методы прокладки подводных переходов трубопровода.

 Таким образом,  при проектировании, строительстве  и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность подводных переходов трубопровода, что увеличит срок их безотказной работы.

 

 

 

 

 
3. Определение устойчивости против всплытия подводного трубопровода с учетом гидродинамического воздействия потока воды на трубу

Исходные данные: участок  категории 1; мм; = 1024 мм; мм; ; ; =2000 м; =9466 Н/м; =19 Н/м; = 3620 Н/м; = 0; ; ; ; L=350м; глубина водоема =7,4м; = 1,0м; грунт суглинистый, k=0,4.

При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода, пересекающего реки, желательно учитывать  вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия  потока воды на трубу в процессе укладки трубопровода на дно траншеи.

Горизонтальная  составляющая гидродинамического воздействия  на единицу длины трубопровода:

,     (3.1)

где - гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком;

- средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, м/с.

Коэффициент определяется в зависимости от числа Рейнольдса:

                                                   

,                                                (3.2)

где v – кинематическая вязкость воды, v = .

,

для офутерованного трубопровода:

.

И в том, и другом случае, = 1,0; = 0,66.

Вертикальная  составляющая воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода рассчитывается по формуле:

, (3.3) 

где - гидродинамический коэффициент подъемной силы, остальные параметры те же, что и в формуле (3.1). Коэффициент зависит от числа Рейнольдса и определяется (для гладких труб) по графику, приведенному в

Требуемый вес  балластировки в воде будет определятся  по следующей формуле:

                       

                      (3.4)

где - коэффициент надежности по нагрузке (0,9 – для железобетонных грузов);

- коэффициент надежности устойчивости  положения трубопровода против  всплытия. принимаемый равным для  участков перехода через болота. поймы. водоемы при отсутствии  течения. обводненные и заливаемые  участки в пределах ГВВ 1%-й  обеспеченности – 1,05.

- расчетная выталкивающая сила  воды, действующая на трубопровод, = 9466 Н/м;

- расчетная нагрузка, обеспечивающая  упругий изгиб трубопровода соответственно  рельефу дна траншеи, = 19 Н/м;

- расчетный вес единицы длины  трубопровода в воздухе с учетом  изоляции при коэффициенте надежности  по нагрузке, 3620 Н/м; 

  - нагрузка от веса перекачиваемого продукта, = 0;

Вес балластировки  в воздухе определяется по формуле:

                     ,                   (3.5)

где - удельный вес материала пригрузки.

Значение коэффициента k для трубопровода, покрытого сплошной деревянной футеровкой приведены в таблице 3.1. Для суглинистого грунта, k = 0,40.

Таблица 3.1 - Значения коэффициентов трения трубы о грунт

Характеристика грунта	k	Характеристика грунта	k
Скальные грунты	0,65	Пески мелки и супеси	0,45
Пески крупные и гравелистые	0,55	Илистые и  суглинистые грунты	0,40

 

  

При укладке подводных  трубопроводов необходимо производить  проверку устойчивости трубы против смятия под действием внешнего гидростатического давления воды по формуле:

                                     ,                                                (3.6)

где - средний диаметр трубы, - глубина водоёма; - глубина заложения трубопровода до верхней образующей.

,

следовательно, устойчивость трубы против смятия обеспечивается.

4. Определение параметров балластировки трубопровода

 

Балластировка подводных  трубопроводов в пределах участка  подводно-технических работ выполняется кольцевыми чугунными и железобетонными грузами, жестко фиксируемыми на трубопроводе или сплошным обетонированием.