Межпромысловый гозопровод

Разрез аллювиальной толщи  надпойменной террасы отличается хорошей выдержанностью. С поверхности до глубины 1,2 – 1,5 м залегает светло-коричневая супесь, слоистая, достаточно однородная, ниже до глубины 5 – 8 м – слой желтовато-серого песка.  На высокой  пойме, в пределах внутренней ее части, распространены суглинки легкие.

Мерзлотные условия района характеризуются низкими среднегодовыми температурами пород и большой мощностью многолетнемерзлых толщ. Наиболее суровые мерзлотные условия с низкой средней температурой грунта (t_ср = -4÷-5°С) и мощностью многолетнемерзлой толщи до 100 – 150 м формируются на низкой пойме. Слой сезонного оттаивания характеризуется следующими физическими и теплофизическими свойствами: весовая влажность 40 – 50%, объемная плотность 1 – 1,1 г/см³ теплопроводность в талом состоянии 0,93 – 1,28 Вт/(м·К), в мерзлом 1,51—1,63 Вт/(м·К). Низкие средние температуры грунта формируются за счет малой мощности снега (0,2-0,6 м), накоплению которого здесь мало способствуют травяной покров и относительно ровная поверхность поймы.

На высокой пойме по мерзлотным условиям выделяются повышенные участки, сильно поросшие густым высоким  ольховником, и пониженные (озерные  котловины), покрытые луговым разнотравьем. На повышенных участках вследствие отепляющего  влияния снега, высота которого более 2 м, формируются высокие средние температуры грунта, равные 0 – 0,5°С. Многолетнемерзлые породы, мощность которых не превышает 70 м, имеют сложные залегания по вертикали: сливающегося, несливающегося и слоистого типов. Слой сезонного оттаивания, представленный пылеватыми суглинками и супесями, имеет весовую влажность 50 – 60%, объемную плотность 0,8 – 1,0 г/см³, теплопроводность в талом состоянии 0,81 – 0,93 Вт/(м·К), в мерзлом – 1,16 – 1,28 Вт/(м·К), объемную теплопроводность (210-250)·10⁴ Дж/м³.

В результате строительства  газопровода произошло нарушение  природной обстановки, повлекшее за собой изменение мерзлотных условий, и в первую очередь температурного режима пород.

Рассмотрим результаты натурных измерений характеристик пучения  в зоне газопроводов. Измерения проводились  на 10 наблюдательных площадках, на каждой из которых имелось 7 – 10 пучиномеров, установленных как на газопроводе, так и на удалении от него. На газопроводе устанавливались обычно три пучиномера: один – на поверхности, второй –  на верхней образующей трубы, третий – на уровне нижней образующей рядом с газопроводом. Наблюдения выполнялись в течение нескольких лет.

Качественную картину  результатов измерений можно  представить для характерных  участков поймы.

На низкой пойме неравномерное  сезонное пучение наблюдается в  неглубоких полосах стока, а также  вдоль траншеи эксплуатируемого газопровода. Это объясняется главным  образом большой влажностью грунтов (W= 45 – 55%). Пучение достигает 12—18 см.

На высокой пойме имеются  повышенные участки и озерные  котловины. В озерных котловинах велика неоднородность мерзлотных условий, что приводит к неравномерному пучению. Анализ результатов наблюдений показывает, что сезонное пучение проявляется  на поверхности сезонного оттаивания. Возникают бугры пучения высотой  около 2 – 3 м при промерзании таликов в краевых частях озер, заболоченных понижениях и т.д. В первый год промерзания таликов бугры имеют небольшую высоту – до 0,5 – 1 м. В следующую зиму с бугра сдувается снег, что усиливает процесс промерзания и создает многолетний бугор пучения. Например, вблизи дюкера образовались бугры пучения высотой до 2,5 м, длиной до 30 м, шириной до 15 м. Большие бугры пучения (высотой до 3 м) прослеживаются в суглинках и тяжелых супесях. В легких супесях высота бугров редко превышает 1 м, а в песках они не встречаются.         

Под газопроводом в слое сезонного оттаивания летом образуется неглубокая чаша оттаивания, в которую  идет приток надмерзлотных вод. Поэтому  пучение грунтов возрастает в 1,1 – 1,4 раза и более по сравнению с ненарушенными условиями. В траншеях, расположенных в тыловых частях озерных котловин, наблюдается неравномерное – до 20 см на 1 м вдоль газопровода – пучение. На сухих ровных участках высокой поймы сезонное пучение изменяется от 2 до 8 см и сильно зависит от мощности снега.

Для количественного анализа  криогенного пучения и его  влияния на газопровод, а также  при расчетах на морозное пучение  необходимо знать характеристики прочности мерзлых грунтов и прочность их смерзания. Такие данные применительно к рассматриваемым условиям получены в работах МГУ, в которых значения влажности, плотности, влагонасыщения, строение грунтов определялись условиями работы газопровода. Представим отдельные результаты исследований прочности мерзлых грунтов на растяжение и прочности их смерзания с металлом при отрыве. Для опытов выбирались грунты нарушенного сложения (у газопровода), шероховатость поверхности металла принималась R_а = 3,7-10,3 мкм. Зависимость прочности мерзлых песка и суглинка на растяжение и прочность их смерзания с металлом от температуры дана на рисунке 2.2.3.1.

 

         а)                                              б)

Рисунок 2.2.3.1 – Зависимость  мгновенной и предельно-длительной (а) и длительной (б) прочности смерзания  грунтов с металлом при сдвиге от температуры грунта:

а) (верхние кривые – мгновенная прочность, нижние – предельно-длительная прочность): 1 – песок, а Q_IV; 2 – суглинок, t Q_IV;

3 – суглинок, ds Q_IV;

б)  1 – супесь с влажностью W = 25%; 2 – песок с W = 20%; 3 – суглинок с W = 27%; 4 – глина с W = 45%.

 

 Видно, что прочность  грунта на растяжение больше  прочности смерзания грунта с  металлом. Поведение мгновенной  и предельно-длительной прочности мерзлых грунтов при изменении температуры дано на рисунке 2.2.3.1 а, а зависимость прочности смерзания грунтов с металлом при сдвиге от температуры представлена на рисунке 2.2.3.1 б. В диапазоне температур -2÷-10°С она фактически линейна. Общая закономерность такова, что

Лабораторные исследования длительных сил смерзания грунтов  со стальными трубами в диапазоне  температур 0÷-5°С были выполнены применительно к грунтовым условиям газопровода. Результаты даны на рисунке 2.2.3.1 б. Длительные силы смерзания являются определяющим фактором в оценке совместной работы заглубленного газопровода и смерзшегося с ним грунта. Установлено, что длительные силы смерзания грунтов с неизолированными трубами во всех случаях превышают их силы смерзания с битумизированными трубами, несмотря на большую шероховатость последних. Силы смерзания труб с водой (льдом) намного меньше сил смерзания их с грунтом. Длительные силы смерзания труб с грунтами достигают максимального значения при влажности грунтов, примерно соответствующей их полной влагоёмкости. С уменьшением влажности грунта возрастает роль сил трения в общем сопротивлении грунта и уменьшается роль сил смерзания, и наоборот, с увеличением влажности роль сил трения уменьшается и силы смерзания с грунтом приближаются к силам смерзания с чистым льдом.

 

3. Методика расчёта

 

Рассмотрим первый случай взаимодействия трубопровода с грунтом, при котором трубопровод уложен в пределах сезонного или многолетнего промерзания грунта, и его температурный  режим не отличается от температуры  грунта. Промерзание происходит с поверхности почвы. На рисунке 2.3.1 а, изображена схема действия сил на трубопровод.

 

а)

б)

в)

Рисунок 2.3.1 – Схема действия сил, действующих на трубопровод при промерзании грунта с поверхности:

 

 

1 – твердомерзлый слой  грунта; 2 – пластичномерзлый слой  грунта;

3 – талый грунт; D_н – наружный диаметр трубопровода, см;

h₀ – глубина заложения оси трубопровода; h_т.м – мощность твердомерзлого грунта; р_см – удельные силы смерзания твердомёрзлого грунта с трубопроводом, кгс/см²; р_сл – удельные силы слипания талого грунта с трубопроводом, кгс/см²; γ_гр – расчётный объёмный вес талого грунта засыпки над трубопроводом, кгс/см³; φ_гр – расчётный угол внутреннего трения грунта, °С; С – расчётное сцепление грунта, кгс/см²; α и β – полярные углы, отсчитываемые соответственно от нижнего и верхнего концов вертикального диаметра.

 

 Слой твердомёрзлого  грунта, перемещаясь вверх под  действием относительных нормальных  сил морозного пучения, развивающихся  в тонком (3-12 см) пластичномёрзлом  слое, может увлечь за собой  трубопровод. Эта возможность  реализуется в том случае, когда  равнодействующая удельных сил  смерзания q_см, приложенных к поверхности трубопровода и распределяющихся в первом приближении равномерно по площади смерзания рассматриваемого элемента трубопровода, превысит вес трубопровода с газом q_т, вес талого грунта над трубой в пазухах, сопротивление талого грунта сдвигу на отрезке от половины диаметра трубы до фронта промерзания грунта q_гр, а также силы, обусловленные липкостью грунта на нижней образующей трубопровода q_сл.

Кроме того, необходимо учитывать  поперечную нагрузку на рассматриваемый  элемент от влияния примыкающих  участков трубопровода Q. Возможность одновременного смерзания трубопровода с мерзлым грунтом в верхней части и слипания в нижней с талым определяется диаметром трубы и температурами мерзлого и талого грунтов. В некоторых случаях слипание будет невозможно, так как температура стенки нижней части трубопровода, соприкасающейся с талым грунтом, может оказаться равной или меньшей нуля. Тогда усилие слипания будет равно нулю. Пока мощность твердомерзлого слоя грунта h_т.м меньше глубины заложения оси трубопровода на рассматриваемом участке h₀ (рисунок 2.3.1 а), величины q_см, q_сл и q_гр можно определить из следующих соотношений:

 

   (2.3.2)

 

При определении q_сл принималось

= p_сл cosα.   (2.3.4)

Численное значение р_см и р_сл зависит от состава, свойств, условий промерзания грунтов, шероховатости поверхности трубопровода, характера изоляционного покрытия и т.п. Максимальные значения р_см, очевидно, не могут превысить длительное сопротивление мёрзлого грунта на разрыв. Последнее существенно зависит от температуры грунта и изменяется в пределах 0,3 кгс/см² при температуре мёрзлых грунтов -0,2°С (супесь тяжёлая пылеватая) до 1,6 – 1,7 кгс/см² при температуре -4°С. При дальнейшем понижении температуры сопротивление мёрзлого грунта разрыву изменяется несущественно.

Липкость грунтов в  значительной степени определяется их гранулометрическим составом, влажностью и величиной действующей удельной нагрузки. Максимальное значение р_сл проявляется в глинистых грунтах и изменяется от 0,4 – 0,5 кгс/см² при внешней нагрузке 10 кгс/см² до 0,1  кгс/см² при нагрузке 1,0 кгс/см². В наиболее пучинистых грунтах (пылеватых супесях, суглинках) значение р_сл, как правило, не превышает 0,1 кгс/см².

Минимальное значение угла β, при котором может начаться вертикальное смещение трубопровода, может быть найдено из уравнения

q_см - q_сл - q_гр - q_т ± Q = 0.   (2.3.5)

Минимальную эффективную  мощность твердомерзлого грунта, при  которой может начаться подъем трубопровода, можно рассчитать по формуле

 

 

По мере продвижения фронта промерзания увеличиваются силы смерзания грунта с поверхностью трубопровода и уменьшаются силы, препятствующие вертикальному перемещению за счет сопротивления талого грунта сдвигу.

После того, как мощность промерзающего грунта превысит глубину  расположения оси трубопровода (рисунок 2.3.1 б), возникают дополнительные нормальные силы пучения, суммарная величина которых определяется значениями относительных нормальных сил пучения р_п, умноженных на площадь поверхности твердомерзлого грунта, с которой происходит сбор сил пучения, действующих на трубопровод. При (рисунок 2.3.1 б) величины q_см и q_сл определяются по формулам:

 

 

Нормальные силы пучения, действующие по двум площадкам, можно  рассчитать по формуле

 

где р_п – относительные нормальные силы пучения (удельные силы), кгс/см².

Величина р_п зависит от многих факторов (состава, свойств грунтов, условий промерзания, внешних нагрузок и т.п.) и, очевидно может меняться в широких диапазонах.

Для такой глубины промерзания, когда h_т.м > h₀, минимальные значения β’ можно определить из уравнения

 

q_см + q_п - q_сл - q_т ± Q = 0.   (2.3.10)

 

Величина h_т.м может быть найдена по формуле

   (2.3.11)

По мере дальнейшего промерзания, когда под трубопроводом сформировался  слой твердомёрзлого грунта (рисунок 2.3.1 в), т.е. , трубопровод начинает перемещаться вместе с вмещающим массивом. В этом случае q_сл, q_гр и q_см следует принять равным нулю. Величину q_п можно рассчитать по формуле

 

Значения h_т.м в этом случае можно найти из уравнения

q_п – q_т ± Q = 0.   (2.3.13)

Эксплуатация трубопроводов  с отрицательной температурой, уложенных  в талые грунты, сопровождается формированием  вокруг них ореолов промерзания.

При глубоком заложении трубопровода и промерзании только от его поверхности  формируется зона мерзлого грунта цилиндрической формы (цилиндрическая граница промерзания). В этом случае силы пучения, развивающиеся  в пластичномерзлом слое, равномерно распределены и направлены по нормали  к поверхности промерзания. Эти  силы уравновешены внешним давлением грунта и сжимают трубопровод и окружающий талый грунт. Поэтому смещение трубопровода отсутствует.