Межпромысловый гозопровод

На оголяемых от снега  торфяных буграх происходит образование  морозобойных трещин. Такие трещины на склонах бугров способствуют их разрушению (рисунок 2.1.4.2).

Рисунок 2.1.4.2 – Морозобойное разрушение склонов бугра пучения

Как следует из сказанного, бугры пучения нарушают сохранность рельефа местности и могут вызвать аварию газопровода. В местах расположения бугров пучения необходим мониторинг наблюдения.

5. Меры предотвращения морозного пучения

Для решения вопроса по защите трубопроводов от сил морозного  пучения грунтов при инженерно-геологических  изысканиях наряду с определением физико-механических характеристик грунтов необходимо устанавливать их пучинистые свойства и условия, предопределяющие характер и величину этих сил.

С целью уменьшения воздействия  морозного пучения на трубопроводы или их опоры заменяют грунт, устраивают компенсационные участки, проводят техническую мелиорацию грунтов, прокладку  трубопроводов с учётом ожидаемых  деформаций, применяют противопучинистые  устройства для обеспечения устойчивости положения трубопровода.

Одним из способов обеспечения  устойчивости «холодного» (с отрицательной  среднегодовой температурой) газопровода, сооружаемого в обводненных и пучинистых грунтах, является так называемый конструктивный способ, когда конструкцию трубопровода приспосабливают к реальным геологическим условиям. Увеличение сопротивления трубопровода под действием изгибающих нагрузок на участках интенсивного пучения создают путем закрепления трубы на механических погружаемых анкерах с предварительным обратным ее прогибом. Используют методы физико-химической и тепловой мелиорации грунтов для борьбы с процессом пучения. Для сохранения заданного положения трубопровода, сооружаемого в пластично-мерзлых породах, предложен способ одновременного образования траншеи и системы поперечных и продольных закрытых водоотводов соответственно на пониженных и повышенных элементах рельефа. Водоотводы представляют собой узкие прорези, заполненные хорошо фильтрующим песчано-гравийным материалом, и предназначены для дренирования грунтовых вод, образующихся в полосе строительства. Сокращение запасов предзимней влаги в породах приводит к ослаблению их пучинистых свойств и способствует сохранению заданного положения трубопровода в период его эксплуатации. Кроме того, устройство над трубой насыпи из местного грунта предохраняет ее от резких колебаний температуры на поверхности. Применение рассмотренных выше способов в зависимости от конкретных геологических условий по трассе линейных сооружений позволяет снизить, а в некоторых случаях и полностью исключить отрицательные последствия механического взаимодействия трубопроводов с вмещающими породами.

Большое влияние на устойчивость газопроводов оказывает температурный режим перекачиваемого продукта. По мере промерзания окружающего массива у трубы постепенно исчезает возможность свободного перемещения вследствие смерзания ее с грунтом. Колебания температуры при фиксированном положении трубы приводят к росту напряжений в стенке, появлению значительных осевых усилий и в ряде случаев к потере устойчивости. Известны способы обеспечения компенсирующей способности трубопровода при температурных колебаниях транспортируемого продукта путем предварительной термической обработки трубы. При транспортировке горячего продукта трубопровод нагревают выше минимальной температуры, а при транспортировке холодного — охлаждают ниже минимальной температуры перекачиваемого продукта. Достоинством рассмотренного способа является то, что его применение не требует для компенсации расширения или сжатия трубопровода при температурных колебаниях установки компенсаторов. Последние, кстати, малоэффективны при подземном способе прокладки вследствие смерзания их с вмещающим грунтом. Однако указанный способ нельзя использовать при прокладке трубопроводов со знакопеременным температурным режимом перекачиваемого продукта.

Представленные способы  ставят своей целью уменьшить  влияние пучения на трубопровод за счет специальных и, как правило, трудно реализуемых решений. На трассе северного газопровода был разработан и применен сравнительно простой способ, который основан на изменении мерзлотных условий около газопровода. На участках газопровода, где наблюдалось пучение грунта, сооружают систему поперечных разрезов-выемок на глубину заложения трубопровода (рисунок 2.1.5.1).

Рисунок 2.1.5.1 Схема профиля газопровода с разрезами.

1 – грунтовый компенсатор; 2 – газопровод; L – расстояние между разрезами.

Расстояние между разрезами  определяется расчетным путем, исходя из условия непревышения нагрузок, передаваемых на трубопровод от смерзания, допускаемых осевых усилий. Физический смысл указанного решения состоит в том, что обеспечивается проскальзывание трубопровода при смерзании с грунтом в случае, когда в трубе возникают осевые усилия (от перепада температур). Установка поперечных разрезов-выемок нарушает целостность массива грунта, тем самым снижаются силы смерзания грунта с газопроводом.

Естественно, что количество поперечных выемок и расстояние между  ними в каждом отдельном случае обусловлены  реальными геологическими условиями  потенциально опасных участков и  технологическими особенностями эксплуатации газопровода.

Помимо применения на пучинистых участках трассы указанный способ положительно показал себя при комбинированной прокладке. В проектных решениях  закладывается, как правило, один тип прокладки. Однако на практике не всегда удаётся обеспечить соответствие выбранного типа с мезорельефом местности и конкретными геологическими условиями,  в частности в местах перехода газопровода через узкие эрозионные врезы. Здесь температура стенки трубы на участке надземной прокладки примерно равна температуре окружающего воздуха, а на участках подземной — температуре вмещающего грунта. В результате резкого температурного перепада напряжения в местах защемления могут превысить допустимые значения сопротивления на разрыв. Поэтому в контактной зоне перехода надземного газопровода в подземный целесообразно устроить поперечные разрезы. Разрезы обычно засыпают непучинистым грунтом или другим аналогичным материалом.

Данное техническое решение  было реализовано в натурных условиях трассы северного газопровода на пучинистых участках, где имели место  разрывы трубопровода. В течение  нескольких лет эксплуатации на этих участках после устройства поперечных разрезов не отмечалось никаких осложнений, а наблюдение за пучиномерами показало, что уже в следующий после установки грунтовых компенсаторов сезон пучение отсутствовало.

Применяемые решения по закреплению  трубопровода – балластировка, анкеровка, использование охлаждающих установок  и т. п., как показывает практика, не всегда имеют достаточную надёжность в эксплуатации.

С целью обеспечения устойчивого  положения газопровода необходимо максимально использовать природный  фактор — высокие прочностные  свойства массива мерзлых грунтов. Указанная цель достигается применением следующего технического решения (рисунок 2.1.5.2).

Рисунок 2.1.5.2 – Опорные  массивы газопровода:

1 – газопровод; 2 – теплоизоляция; 3 – насыпь грунта; 4 – граница  мерзлых грунтов; 5 – поверхность  земли

На трассе газопровода  создают опорные массивы — мерзлотные пояса вокруг трубопровода за счет теплоизоляции его отдельных участков и сооружения над ними насыпи из местного грунта.

При транспортировке газа с положительной температурой происходит протаивание грунта вокруг неизолированного трубопровода по границе мерзлых грунтов, а грунты опорных массивов сохраняются в мерзлом состоянии, воспринимая усилия положительной плавучести газопровода. При пропуске газа с отрицательной температурой происходит промерзание окружающего грунта со стороны трубопровода и с поверхности (в холодный период времени). Грунты опорных массивов при этом понижают свою отрицательную температуру, что приводит к повышению их прочности. Высота насыпи над опорным массивом определяется теплотехническим расчетом из условия поднятия границы многолетнемерзлых грунтов до основания насыпи.

При выборе протяженности  теплоизоляции исходят из того, что  при длине менее 4 м, как показал  расчет, не обеспечивается необходимая  область промерзания грунта вокруг трубопровода, а в диапазоне 4—10 м в зависимости от типа грунта образуется достаточная для создания мерзлого массива область. Выбор  длины более 10 м нецелесообразен  из-за технологии сборки пояса теплоизоляции  и вследствие экономических соображений.

Выбор расстояния между опорными массивами определяется из условия прочности смерзания грунта с теплоизоляцией, что зависит от свойств грунта. Исходя из этого для трубопроводов, проложенных в суглинках, как показал расчет, шаг между опорными массивами составит около 50 м, а для трубопроводов в песчаных грунтах — около 150 м, что обеспечивает восприятие усилий от всплытия на участке не менее 800 кН. При шаге более 150 м несущая способность опорных массивов будет недостаточна для закрепления трубопровода на проектных отметках, а шаг менее 50 м нецелесообразен из-за технико-экономических соображений.

Созданию устойчивого  опорного массива в значительной степени способствует насыпь, сооружаемая  из местного грунта над теплоизолированными участками высотой 1,2—1,5 м. Такая высота позволяет обеспечить для встречающихся на трассах грунтов поддержание границы 4 над теплоизоляцией на уровне основания насыпи при действии тепла окружающего воздуха и солнца в теплый период времени. При высоте насыпи менее 1,2 м возможно понижение границы 4 и частичное оттаивание опорного массива, что приведет к уменьшению устойчивости положения трубопровода. Увеличение высоты насыпи более 1,5 м экономически не оправдано.

Следовательно, создание опорных  массивов в виде теплоизолированного участка и сооруженной над ним насыпи из местного грунта обеспечивает устойчивость трубопровода при прокладке его в сильнольдистых грунтах и при транспортировке по нему газа со знакопеременной температурой.

Предлагаемый способ обладает рядом принципиальных преимуществ  перед известными способами. Так, применение простых технологических операций при осуществлении предлагаемого  способа, а именно устройство теплоизоляции  из дерева на отдельных участках, сооружение насыпи из местного грунта обеспечивает высокую производительность строительно-монтажных работ в условиях Крайнего Севера. Использование местных материалов делает способ экономичным по сравнению с известными, что заключается в отказе от привозных конструкций железобетонных утяжелителей, анкерных устройств, а также привозных материалов для устройства противопучинных подушек. Способ обладает высокой эксплуатационной   надежностью,   поскольку   используется   природный   фактор (многолетнемерзлые грунты) и климатический фактор (зима более 8 месяцев в году) для создания опорных массивов. Тем самым уменьшаются объемы ремонтно-профилактических работ на трассе газопроводов.

Другой способ – метод  управляемого подогрева. На период сезонного промерзания необходимо снизить отрицательные явления неоднородного пучения вдоль газопровода, для чего предложено осуществить тепловой подогрев участка с таким расчетом, чтобы температура грунта около газопровода на период смерзания была около 0°С. Толщина такого ореола должна быть около 1/3 диаметра газопровода. При этом нагрузки пучения со стороны промерзающего грунта будут воздействовать на данный ореол и не достигнут опасных для трубопровода значений.

Способ осуществляют следующим  образом. На потенциально опасном участке  трассы трубопровода устанавливают  устройство для подогрева транспортируемого  продукта. В пределах выбранного участка  размещают не менее трех наблюдательных площадок, оборудованных на толщину  сезонно-талого слоя датчиками температуры  и давления. Аналогичные датчики  устанавливают в четырех диаметрально противоположных точках по внешнему контуру трубы. С момента начала промерзания проводят наблюдения за температурным режимом промерзающих пород и их механическим воздействием на подземный трубопровод. При достижении нулевой изотермой верхней образующей трубы происходит ее смерзание с грунтом и вертикальное перемещение за счет пучения вышележащей толщи. Во избежание этого начинают подогрев транспортируемого продукта и осуществляют его в течение всего периода промерзания.

В результате вокруг трубы  формируется слой талого грунта, фильтрационная консолидация которого способствует релаксации нагрузок пучения промерзающего грунта. Толщину талого слоя регулируют температурой подогрева продукта или периодичностью его пропуска. После прекращения подогрева происходит промерзание грунтов в самом ореоле оттаивания. Образование ореола оттаивания создает, кроме того, дополнительный положительный эффект, обеспечивая самокомпенсацию температурных напряжений в системе «труба—грунт» за счет возможности продольного перемещения трубопровода.

За счет снижения влажности  грунтов в зоне промерзания и  на 2—4 м ниже нормативной глубины  промерзания можно сущестено уменьшить морозное пучение грунтов, так как количества содержащейся в них влаги в основном обусловливает характер и величину этого явления. Поскольку увлажнение может происходить за счет подземных, атмосферных и производственных вод, то меры уменьшения влажности грунтов должны быть направлены на снижение поступления воды в грунт из всех этих источников. Для этого необходимо:

1)  организовывать отвод поверхностных вод с трассы строительства путем планировки территории, устройства водонепроницаемых покрытий с соответствующими   уклонами;