Межпромысловый гозопровод

2)  устраивать дренажи, ливневую канализацию, водосборные колодцы, лотки и другие системы;

3)  устраивать прерыватели миграции влаги к фронту промерзания;

4)  не допускать скопления воды в котлованах, траншеях и приямках при производстве работ по подготовке оснований;                                                                       

5) применять водопонижение  и электроосушение грунтов.

Применяемые противопучинистые решения позволяют предотвратить сильные деформации и аварии трубопровода, особенно эффективны при применении комбинированных способов.

2. Экспериментальные данные

1. Полигонные исследования газопроводов Крайнего Севера

Полигоны на севере Канады и Америки по мерзлотным признакам  относятся к районам прерывистой  мерзлоты, т.е. к северной тайге. Это  полигоны Сен-Солт, Норман-Уэлс, Квилл-Крикс. Другие полигоны - Прадхо-Бей, Инувик, Норильск находятся за полярным крутом и характеризуются многолетнемерзлыми низкотемпературными грунтами с высокой льдистостью. В конструктивном отношении полигоны охватывают основные способы прокладки и диаметры трубопроводов от 600 до 1420 мм. По целям исследований также охвачен широкий диапазон работ, включающих анализ взаимодействия подземных трубопроводов с мерзлотой, пучения свай, устойчивости трубопроводов и грунтов на склоновых участках, изучение температурных полей, деформаций и перемещений трубопроводов, термоэрозионных процессов и т.д.

Полигон в Прадхо-Бей, сооруженный  в 1971 г., отвечал требованиям того периода освоения Заполярья, когда  отсутствовал опыт строительства линейных подземных сооружений в условиях низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов. На подземном трубопроводе диаметром 1219 мм, заглубленном в траншею и частично устроенном в обваловании, выполнялись комплексные исследования с измерением температуры, влажности, глубины промерзания, осадки и пучения грунтов, деформаций трубопровода. Трубопровод состоял из двух секций, соединенных в контур, по которому транспортировали воздух при атмосферном давлении с температурой около минус 4°С в течение 1,5 лет. Выполненный комплекс исследований позволил сформулировать требования к конструкции трубопровода в многолетнемерзлых грунтах при транспорте продукта с постоянной отрицательной температурой.

Изучение "теплых" трубопроводов было выполнено на полигоне Инувик, расположенном за полярным кругом, в дельте реки Маккензи. Эти исследования  предваряли  разработку технико-экономического обеспечения  строительства нефтепроводов на Крайнем Севере. На полигоне были представлены надземный трубопровод на сваях диаметром 1200 мм, участок в обваловании диаметром 600 мм  протяженностью около 300 м, а также подземный участок трубопровода диаметром 600 мм и длиной 27 м. Производили измерения параметров грунта в полосе трубопровода (температура, поровое давление, влажность, просадки), а также деформации трубопровода и устойчивости свайных опор.

В целом на указанных полигонах  выполнены натурные исследования конструкции  трубопроводов диаметром 600 и 1220 мм и модельные исследования с технологических  позиций – вместо рабочего продукта при повышенных давлениях использовался окружающий воздух при атмосферном давлении.

В условиях прерывистой мерзлоты, когда на трубопровод действуют  нагрузки от грунтов, как талых, так  и мерзлых, также важно изучить  механизм взаимодействия трубопроводов с породами, с учетом их разнообразия. Такие исследования выполнялись на полигонах Северной Канады в Сен-Солт, Норман-Уэлс (1971 г.), Квилл-Крикс (1980 г.).

На полигоне Сен-Солт исследовались  две группы трубопроводов: первая – 5 секций трубопровода диаметром 1219 мм длиной 150 м каждая, которые состояли из двух контуров – холодного с тремя подземными секциями и циклического – с надземной и подземной секциями; вторая – пять заглубленных в грунт секций, по которым не было перекачки воздуха. В первой группе по холодному контуру транспортировали воздух с температурой минус 17 – минус 1°С; в циклическом контуре амплитуды температур транспортируемого воздуха составляли минус 3,9 – плюс 6,7°С. Особое внимание было уделено температурным полям – в грунтах установлено около 500 термодатчиков, а также наблюдениям за обводнением траншеи, просадками и перемещениями трубопровода; сравнительному анализу состояния двух групп трубопроводов. На полигоне Норман-Уэлс с аналогичными природными условиями (северная тайга, грунты – торф, песок) были проведены исследования устойчивости трубопроводов на склонах – наименее изученный вопрос при сооружении и эксплуатации северных трасс. Испытания выполняли на четырех секциях трубопровода диаметром 1219 мм, общей длиной 36 м и двух секций диаметром 1066 мм, длиной 24 м, уложенных в траншею в обваловании. По трубам прокачивали воздух с переменной температурой от минус 9 до плюс 19°С. Измеряли различные характеристики грунтов – температуру, плотность, влажность, просадки, производили метеосъемку. Основная цель работ состояла в геотермальном анализе трассы трубопровода на склонах.

На полигоне Квилл-Крикс, характеризуемом прерывистой мерзлотой  и грунтами с высокой льдистостью  и влажностью, выполняли испытания  трех способов прокладки: подземный  участок трубопровода диаметром 1219 мм с полиуретановой изоляцией, длиной 125 м; участок в обваловке протяженностью около 200 м и надземный в бетонном кожухе участок длиной около 50 м. По трубопроводу транспортировали воздух с температурой около 15°С, и наблюдения проводили в течение 3,5 лет. Целью испытаний явилась проверка различных конструкций "теплых" трубопроводов в условиях прерывистой мерзлоты.

Таким образом, на полигонах  накоплен определенный опыт изучения трубопроводов большого диаметра в  условиях Севера. Неизученным оставался  вопрос о натурных промышленных испытаниях газопроводов большого диаметра в многолетнемерзлых грунтах с транспортировкой в них природного газа заданного рабочего давления.

С этой целью ВНИИГАЗом, Гипроспецгазом совместно с ВНИИСТом были представлены в 1986 г. предложения по сооружению опытно-промышленного участка газопровода диаметром 1420 мм, которые после обсуждения были приняты к реализации.                                                                                       

Основные требования к  опытно-промышленному участку заключались  в следующем: газопровод нужно сооружать  в сильнольдистых низкотемпературных грунтах с переменным профилем трассы; возможно создать различные температурные режимы транспорта газа, например отрицательные температуры зимой (холодный газ) и положительные летом, а также установить короткий срок его строительства.

Анализ показал, что наиболее близкими по реализации являются условия ПО "Норильскгазпром", где имеются экстремальные природные условия, низкотемпературные грунты и автономная система газоснабжения, позволяющая реализовать самые различные температурные режимы транспорта газа. Рассмотрим подробнее вопрос о сходстве мерзлотно-геологических условий. Выбор трассы опытно-промышленного участка основывался на геодезических и мерзлотных исследованиях, выполненных привлеченными к этой работе сотрудниками ПО "Севзападаэрогеодезия" и Северной экспедицией географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Анализ натурных материалов показал следующее.

Район строительства опытно-промышленного  участка по климату несколько  суровей, чем климат Бованенковского  месторождения: большая продолжительность зимы, чуть ниже среднегодовая температура воздуха и средняя температура января – февраля минус 30°С (на Ямале минус

20 – 25 °С); примерно одинаков  по ветрам и снежному покрову.  Мерзлотно-геологические условия  были сравнены исходя из геологических разрезов опытного участка и одной из трасс промыслового газопровода на Бованенково. Сравнение показало, что эти трассы фактически одинаковы по составу грунтов, характеру мерзлоты, их тепловым и механическим параметрам. Так, на обоих участках мощные  высокольдистые торфяники, жильные льды с шириной жил 0,3 – 1,2 м, включения льда в виде гнезд и линз с толщиной прослоек 0,2 – 0,3 м; значение сезонного оттаивания составляет 0,7 – 1 м; температура грунтов минус 4 – минус 7°С. Просадочность грунтов велика (0,20 – 0,35). Трассы обоих участков имеют типичные для Крайнего Севера профили: пологие склоны, долины, бугры, ручьи, осушенные озерные котловины. В целом материалы инженерно-геологических и мерзлотных данных позволили заключить, что опытно-промышленный участок является представительным для проведения на нем комплекса исследований по конструктивным решениям трубопроводов, сооружаемых в условиях Крайнего Севера.

На стадии проектирования, выполненного специалистами Гипроспецгаза, были предусмотрены четыре типа прокладки: надземная на свайных опорах (1,68 км), наземная на лежках (0,79 км), подземная (1,60 км), в обваловании (0,79 км) (рисунок 2.2.1.1).

Рисунок 2.2.1.1 – Принципиальная схема опытно-промышленного участка  с измерительными устройствами:

I – измерительные посты, оборудованные термопоперечниками, пучиномерами, тензодатчиками; II – неподвижные опоры.

При этом на каждом участке  реализованы новые, предлагаемые в отрасли, технические решения. Так, в надземном участке применены: прокладка газопровода с максимальным приближением к земле, подвижные опоры с низким коэффициентом трения и регулируемыми по высоте ригелями; противопучинные сваи, трапецеидальные компенсаторы с оптимизацией угла компенсатора по потере труб и осевым нагрузкам.                       

Наземный участок проложен с одним симметричным двойным  трапецеидальным компенсатором  на поверхностных опорах, в которых  применен материал "компонор".

На подземном участке  использованы следующие решения: для  защиты от пучения и всплытия –  противопучинные разрезы, мерзлотные пояса, анкеры-опоры, панели-анкеры, теплозащитные экраны; для обеспечения водопропуска и на склонах – бетонный желоб-переход через ручей, траншейные пробки, водоотводные валики и т.д. Опытно-промышленный участок соединен с действующим газопроводом перемычками диаметром 720 мм и необходимой запорной арматурой, при этом на перемычках реализованы стандартные конструктивные решения, как на основных нитках системы газопроводов.   Рассмотрим подробный опыт строительства подземного участка.

Монтаж трубопровода диаметром 1420 мм на подземном участке ОПУ. Сварочно-монтажные работы выполнялись ручной дуговой сваркой на постоянном токе электродами ЛБ-52 (ЛБ-62) с применением двухпостовых передвижных агрегатов СДУ-2.   Работы по сварке проводились в ноябре-декабре 1986 г., согласно заранее разработанным   и утвержденным технологическим картам. Трубопровод диаметром 1420 мм был сварен в плеть общей длиной 1920 м, участок в обваловании 495 м. До монтажно-укладочных работ в траншею сваренные плети были уложены на заранее подготовленные лежневые опоры.

Реализация технических  решений. После разработки и расчистки траншеи были выполнены работы по сооружению подземных опор согласно чертежам Гипроспецгаза, работы по созданию мерзлотных поясов, противопучинных разрезов. После укладки плети трубопровода диаметром 1420 мм в траншею произведены строительно-монтажные работы по созданию пробок, укладке железобетонных пригрузов из дорожных плит. После выполнения всех строительно-монтажных работ произведена обратная засыпка траншеи.

Технология сооружения подземного участка. На опытно-промышленном участке разработка мерзлых грунтов траншеи под газопровод диаметром 1420 мм выполнялась мощными навесными рыхлителями статического действия фирмы "Катерпиллер" марки № 9В (США) на гусеничном тракторе Д-9 мощностью 283 кВт (276 кВт), производительность данного типа рыхлителей достигает 2300 м³/ч. Глубина рыхления горизонтов 1,0 – 1,5 м, ширина траншеи по дну на одном из участков 3,0 м, а на остальных участках 2,1 м. Выемка рыхленного грунта производилась экскаватором ЭО-4121, грунт из траншеи складировался вдоль нее на расстоянии 1– 1,5 м от бровки, кроме того, на работах по устройству траншеи использовался бульдозер Т-130 для предварительной расчистки трассы и работ по обработанной засыпке траншеи. Все работы на подземном участке выполнялись по ППР, разработанным в тресте НТПС Главтрубопроводстрой.

Разработка траншей проводилась  в течение ноября – декабря 1987 г., а к работам по укладке сваренной  плети трубопровода диаметром 1420 мм бригады СМУ-3 НТПС приступили в феврале – марте 1988 г. Поэтому к моменту укладки трубопровода траншея   оказалась полностью запрессована снегом и потребовалась дополнительная ее расчистка,  а выбранный бульдозером снег уложен на грунты обратной засыпки. После монтажных работ на участке подземной прокладки газопровода обратная засыпка траншеи выполнялась ранее выбранным мерзлым грунтом, смешанным со снегом на 50 %. Все это привело к тому, что в лето 1988 г. при оттаивании грунтов обратной засыпки произошла   сильная  их осадка до ~ 0,7 – 1,0 м.

Сравнительный анализ. При строительстве подземной части опытно-промышленного участка следует выделить следующие позиции:

1. Выбор технологии разработки мерзлых грунтов мощными навесными рыхлителями статического действия с последующей экскавацией разрыхленного грунта на борт траншеи сделан правильно, при этом достигнута максимальная производительность до 200 – 300 м³/ч.
2. По организационным причинам траншея длительное время оставалась открытой, т.е. работы по укладке трубопровода и другие строительно-монтажные работы были выполнены с задержкой. Это привело к тому, что траншея оказалась полностью запрессована снегом и потребовалась дополнительная расчистка траншеи, а грунты для обратной засыпки оказались сильно перемешаны со снегом. Обратная засыпка траншеи произведена мерзлым грунтом, наполовину смешанным со снегом, это в свою очередь привело в дальнейшем к сильным осадкам при летнем протаивании грунтов. Последовательность технологических операций должна быть строго соблюдена, т.е. сразу после разработки траншеи необходимо выполнить подготовительные строительно-монтажные работы, укладку сваренных плетей трубопровода в траншею и обратную засыпку траншеи мерзлым грунтом.
3. Первый опыт строительства подземного участка диаметром 1420 мм с применением новых технических решений: противопучинных разрезов; анкерных устройств "деревянный лежень"; мерзлотных поясов; пригрузов из железобетонных плит; водоотводов, берм и перемычек, показывает, что после их монтажа обратная засыпка этих мест должна выполняться по специальной технологии.