image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 5 2017

Транспорт и хранение нефти и газа

01.05.2017 10:00 Третий принцип использования мерзлых грунтов в качестве основания трубопроводов
При прокладке трубопроводов в районах мерзлоты нарушается целостность мерзлого массива, что является причиной развития необратимых термодинамических процессов, ведущих к деструкции грунтового основания. Последствия техногенного воздействия приводят к тому, что на протяжении всего срока эксплуатации характеристики грунта по трассе трубопровода не будут соответствовать первоначальным, а теплогидравлические режимы работы трубопровода и его параметры – проектным. Восстановление геокриологической структуры грунта в районах прохождения трассы трубопровода невозможно. При наземной прокладке трубопровода в/на насыпи есть возможность сохранить в мерзлом состоянии грунт деятельного слоя и тем самым обеспечить несущую способность грунта. Тепловое воздействие трубопровода на грунтовое основание необходимо ограничить в соответствии с регламентом по температуре перекачки на основании полученных решений и рекомендаций в этой области. Рациональные конструктивные решения способа прокладки трубопроводов в условиях распространения мерзлых грунтов, при которых не нарушается целостность массива, были получены С.М. Соколовым, предложившим решение ряда практических задач, в том числе разработавшим конструкции и технологию прокладки трубопроводов без снятия мохового слоя. Трубопровод следует прокладывать, не вскрывая массив грунта и без нарушения структуры его мерзлой толщи, руководствуясь III принципом сохранения мерзлых грунтов в естественном ненарушенном состоянии. Прокладку трубопровода в зимних условиях по поверхности грунта с последующим самопогружением можно отметить как прогрессивный метод, соответствующий экологическим требованиям.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, наземные трубопроводы, насыпь, тепловое взаимодействие, регулируемый теплообмен, ореол протаивания, III принцип проектирования.
Ссылка для цитирования: Garris N.A., Zakirova E.A. The Third Principle of Using Frozen Soils as The Pipelines Foundation. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 5, P. 70–76. (In Russian)
Открыть PDF


Опыт, накопленный при освоении нефтегазоносных районов Севера Западной Сибири, п-ова Ямал, при строительстве нефтепроводов в южной части криолитозоны Центральной и Восточной Сибири, показал, что как при подземной прокладке нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах, так и при надземной [1] происходят явления, которые возникают вследствие техногенного воздействия на грунты по трассе трубопроводов и становятся причиной аварийного состояния трубопроводов. К ним относятся:

• вырытые траншеи, которые превращаются в водоприемники (рис. 1) в период таяния снега, паводков, атмосферных, поверхностных и грунтовых вод, оплывают по краям и расширяются; на склонах они превращаются в водостоки с выносом грунта, образуются провалы и труба оголяется (рис. 2) [2];

• грунты обратной засыпки с нарушенной структурой в виде комков мерзлого грунта, снега и льда, которые не уплотняются до исходного первичного состояния и потому не выполняют своего назначения и размываются (рис. 3) [2];

• уничтожение поверхностного растительного слоя и мохового покрова, которое усугубляет положение: изменяет альбедо поверхности, нарушает естественный теплообмен и приводит к растеплению грунтов с поверхности в летний период. В результате грунт теряет несущую способность, происходит потеря устойчивости трубопровода;

• при обратном смерзании грунта трубопровод защемляется, выпучивается, с нарастанием напряжений в стенке трубы создается аварийная ситуация (рис. 4) [2].

Поддержание грунта в мерзлом состоянии не решает проблемы, если грунт пучинистый или высокольдистый. Об этом свидетельствует практика эксплуатации трубопроводов в сезоннопротаивающих и сезоннопромерзающих грунтах. Так, например, в результате многолетних наблюдений за конденсатопроводом «Ямбург – Новый Уренгой» был сделан вывод о недопустимости эксплуатации холодного трубопровода в мерзлом грунте, который имеет практическое обоснование. После понижения температуры перекачки и перехода от положительных температур к отрицательным, до –5 °С, были зафиксированы недопустимые скачки напряжения и деформаций трубопровода в результате начавшегося процесса морозного пучения грунтов [3, 4].

1_1_4.png

Практика перекачки углеводородов при отрицательных температурах, так же как и практика замораживания грунтов оснований трубопроводов и других объектов, показывает, что, устранив одну опасную причину – оттаивание грунтов и их осадку под сооружением, при замораживании грунтов мы приобретаем другую проблему – риск возникновения искусственно наведенных бугров пучения (рис. 5) [2].

Надземный способ прокладки – сложный по исполнению, трудоемкий и высокозатратный – даже в случае использования обычных свай требует сложной компенсирующей способности надземной системы и не исключает неравномерных перемещений опор при ежегодном проседании и выпучивании вмещающего грунта. В таких случаях, как отмечено в [5], процессу пучения подвергается 5–8 % свай. Исследования, проведенные на северных трассах трубопроводов, показали, что величина выпучивания свай, нагруженных трубопроводами, может быть очень большой – до 20–40 см/год, с суммарным перемещением вверх от 1,5 до 2,0 м в зависимости от типа грунтов, влажности, рельефа.

1_1.png

Надежность трубопровода при надземной прокладке повышается при использовании сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ). Установка термостабилизаторов внутрь металлических свай, выполняющих роль опор трубопроводов, либо рядом с ними является прогрессивным техническим решением, но не исключает возможности выпучивания опор [1]. Термостабилизирующая опора может проседать в летний период и выпучиваться в зимний в зависимости от конкретных климатических и геокриологических условий, определяющих ее работу. Поскольку геокриологические условия, рельеф, обводненность грунтов вдоль трассы меняются, то на критических участках режимы промораживания грунтов могут способствовать подтягиванию грунтовой влаги к промораживающим устройствам и провоцировать формирование бугров пучения. В таких случаях мы имеем дело с искусственно наведенными буграми пучения.

Таким образом, сезонно-охлаждающие естественно-действующие устройства также не гарантируют безопасность и работоспособность конструкций, так как не исключают возможности пучения грунта в радиусе их действия (в зоне их влияния) (рис. 6) [6].

1_1_1.png

Необходимо учитывать, что пучение грунтов вдоль трассы трубопровода вполне возможно при любом способе прокладки трубопровода: подземном, надземном и наземном. Как показано в [4, 7], избежать выпучивания трубопровода можно. Проще и дешевле этого добиться при наземной прокладке трубопровода.

Решение должно быть простое. Трубопровод необходимо прокладывать, не вскрывая массив грунта и без нарушения структуры его мерзлой толщи, руководствуясь принципом сохранения подстилающих грунтов в естественном, ненарушенном состоянии.

Этот принцип наименьшего вторжения в грунт пока не сформулирован как самостоятельный в строительных нормах и правилах СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы»,
СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» и др., но уже достаточно проработан и обоснован в многочисленных работах, результаты которых обобщены и опубликованы в открытой печати сотрудниками ПАО «Гипротюменнефтегаз» – Тюменского проектного и научно-исследовательского института нефтяной и газовой промышленности им. В.И. Муравленко [8, 9], ФГБОУ ВО УГНТУ [1, 10–12], ООО «НИПИнефтегазстройдиагностика» [13] и др.

1_1_2.png

Предельно четко выражена суть данного положения автором [13]: «Накопленный десятилетиями опыт строительства и эксплуатации различных зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах в условиях Воркуты, Норильска, Игарки, Дудинки, Тикси и особенно северных газопроводов тех же трасс с Ямбургского месторождения на севере Западной Сибири и других районах доказывает, что надежность и долговечность сооружений тем выше, чем меньше нарушено природное мерзлотно-грунтовое состояние основания сооружения».

1_1_3.png

Технические решения по реализации данного принципа, удовлетворяющие экологическим требованиям и повышающие надежность работы трубопровода в мерзлых грунтах, могут быть различными. Но в любом случае прокладка должна рассматриваться как наземная, в соответствии со строительными нормами и правилами.

Автор [13], используя принцип наименьшего вторжения в грунт, обосновывает правомерность наземной прокладки трубопроводов по насыпи.

Весьма убедительны данные по интенсивности отказов газопровода «Соленинское – Мессояха – Норильск» диаметром 720 мм, подтверждающие работоспособность трубопровода при наземной прокладке. Основной фактор, приводящий к отказам трубопроводов, – воздействие грунтов. Так, на суглинках и торфяниках интенсивность отказов при надземной прокладке составляет 0,5–0,6 на 1 км трассы, а на песках – 0,15. На участках с подземной прокладкой данного трубопровода частота отказов около 3, наземной – 0,13 [5].

1_1_5.png

Существуют различные конструкции наземной прокладки трубопроводов на мерзлых грунтах.

Рациональные конструктивные решения по способу прокладки трубопроводов в условиях распространения мерзлых грунтов, при которых не нарушается целостность массива, были получены С.М. Соколовым [8, 9]. Решения по прокладке трубопроводов «по дневной поверхности на торфяном основании» были теоретически обоснованы и внедрены на промысловых нефтепроводах. При открытой наземной прокладке, без обвалования трубопроводов грунтом, выявлено, что «…прочность сплошного верхнего растительного покрова достаточна для прокладки трубопровода при толщине слоя не менее двух диаметров трубы и сопротивлении сдвигу более 0,05 кгс/см».

В работах [4, 7] теоретически и экспериментально доказано, что, используя принцип минимального теплового воздействия на подстилающие мерзлые грунты при наземной прокладке, можно предельно ограничить растепление грунтов, транспортируя нефть при положительной балансовой температуре.
В [12] определены минимальные размеры ореола протаивания под трубой, необходимые для предотвращения защемления трубопровода в мерзлом грунте.

В СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» предусматривают два основных принципа проектирования трубопроводов, в соответствии с которыми многолетнемерзлые грунты могут использоваться как в мерзлом (принцип I), так и в оттаявшем состоянии (принцип II). Решение по применению одного из принципов использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания сооружений должно приниматься с учетом теплового и механического взаимодействия и не всегда поддается обоснованию.

В настоящее время стала очевидной необходимость формулирования и развития III принципа использования мерзлого массива в качестве основания под трубопроводом в естественном, ненарушенном состоянии.

Этот принцип минимального вторжения в грунт имеет право на существование, так как при проектировании трубопроводов необходимо учитывать геокриологические особенности крайне чувствительных к технологическому воздействию районов многолетнемерзлых грунтов: арктических, субарктических и др. Самым важным является соблюдение условия «нулевого теплового баланса» на поверхности мерзлого массива грунта. Именно это условие неизбежно нарушается в результате строительных работ, которые проводятся с использованием тяжелой техники на гусеничном ходу. Восстановить измененную поверхность Земли практически невозможно. Даже простая рекультивация растительного покрова в условиях тундры проблематична, так как моховый покров восстанавливается в течение 50–100 лет.

В результате с нарушением сложившегося веками нулевого теплооборота на поверхности Земли неизбежно происходит деградация мерзлоты по ее толще и территориально со всеми вытекающими последствиями. Сплошная мерзлота переходит в прерывистую, островную. Если на обычных территориях грунт обратной засыпки восстанавливается со временем до исходного состояния, и примерно через 5–7 лет его характеристики можно принимать в расчетах равными исходным, то для мерзлых грунтов это не происходит по той простой причине, что нарушение криогенной структуры грунта с плавлением льда приводит к необратимым последствиям. Реликтовый лед после плавления в принципе не может восстановиться. Шлиры льда сегрегационного накопления и пластовый лед также невозвратимо разрушаются. Практически свойства грунта будут отличаться от проектных и изменяться на протяжении всего периода эксплуатации.

Последствия техногенного воздействия приводят к тому, что на протяжении всего срока эксплуатации характеристики грунта по трассе трубопровода не будут соответствовать первоначальным, а теплогидравлические режимы работы трубопровода и его параметры не будут соответствовать проектным. Восстановление геокриологической структуры грунта в районах прохождения трассы трубопровода невозможно, так как процессы оттаивания и осадки слабонесущего мерзлого грунта необратимы.
В результате нарушения тепломассообменных процессов в разрабатываемом слое мерзлого массива грунта происходит активизация процессов просадки, обводнения, пучения и т. д., что кардинально меняет структуру грунта и состояние системы «труба – грунт».

В такой ситуации наиболее вероятным последствием будет изменение положения оси трубопровода относительно проектных отметок и потеря его устойчивости.

Твердомерзлые и пластично-мерзлые грунты проявляют себя по-разному. Твердомерзлые грунты, относящиеся к I категории просадочности [8], практически не деформируются, не проседают под нагрузкой.

Просадка свойственна пластично-
мерзлым грунтам II–IV категорий просадочности. Для них подземная и надземная прокладка трубопровода неприемлема. Наземная прокладка предпочтительна, а в ряде случаев может оказаться единственно возможной.

Независимо от того, к какой категории относятся многолетнемерзлые грунты в районах прохождения трассы трубопровода, в летний период они подвергаются сезонному оттаиванию с поверхности. Этот процесс происходит активно под действием радиационного потока в случаях подземной и надземной прокладки.

При наземной прокладке трубопровода в насыпи или на насыпи имеется возможность сохранить в мерзлом состоянии грунт деятельного слоя и тем самым обеспечить несущую способность грунтового основания. Тепловое воздействие на основание трубопровода при этом необходимо ограничить регламентом по температуре в соответствии с полученными решениями и рекомендациями в этой области [7].

Выбору рационального способа прокладки трубопровода на многолетнемерзлых и торфяных основаниях посвящены работы С.М. Соколова [8, 9]. Им решен ряд практических задач, в том числе разработаны конструкции и технология прокладки трубопроводов без снятия мохового слоя.

 

Широкое внедрение в практику получили разработанные им способы:

  • наземной укладки трубопроводов по поверхности с последующим обвалованием торфяным грунтом;

  • полуподземной укладки трубопроводов в торфе с устройством насыпи;

  • открытой наземной прокладки без обвалования трубопроводов грунтом с максимальным использованием несущей способности мохово-растительного покрова;

  • открытой прокладки по поверхности в теплоизолирующем конверте с компенсирующими участками;

  • самопогружение трубопровода с замерзшей поверхности болот и на участках со слабой несущей способностью торфа (были построены и находятся в эксплуатации более 200 переходов протяженностью 30–130 м трубопроводов диаметром 168–720 мм) и др.

Прокладку трубопровода в зимних условиях по поверхности грунта с последующим самопогружением можно отметить как прогрессивный метод, соответствующий экологическим требованиям.

Без пригрузов при положительной плавучести труба будет находиться в «свободном» состоянии с минимальным напряжением в теле трубы. При таком способе прокладки грунт не разрабатывается, поэтому труба не будет «плавать» в обводненной траншее.

При отрицательной плавучести основание трубопровода может быть укреплено обычными или теплоизолирующими плитами, предотвращающими просадку трубопровода. Плоский экран позволит не только уменьшить теплоотдачу в грунт, но и за счет увеличения площади контакта и опоры обеспечить перераспределение нагрузки на всю поверхность плиты и, следовательно, уменьшить удельное давление на поверхность массива грунта, делая нагрузку равномерно распределенной.

Несомненно, что выполненные в соответствии с п. 7.1.2 и 7.1.3 СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» расчеты по несущей способности для твердомерзлых грунтов и по несущей способности и деформации для пластично-мерзлых и сильнольдистых грунтов сделают грунтовое основание надежной естественной опорой наземного трубопровода. Для компенсации температурных напряжений трубопровод прокладывается змейкой или с компенсационными участками за счет упругого изгиба. 


ВЫВОДЫ

1. Применение наземного способа прокладки трубопровода по ненарушенному с поверхности мерзлому грунту является рациональным, так как позволяет свести к минимуму последствия техногенного воздействия и максимально сохранить структуру мерзлого массива и его свойства. Тепловое воздействие на основание трубопровода при этом необходимо ограничить регламентом по температуре в соответствии с полученными решениями и рекомендациями в этой области.

2. Считаем необходимой дальнейшую разработку III принципа использования многолетнемерзлых грунтов.



← Назад к списку


im - научные статьи.