Полный текст

Введение Прокладка магистральных трубопроводов через водные преграды сопряжена с определенными трудностями. В зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий трубопровод может быть подвержен всплытию, особенно при переходе через водные преграды. Это происходит, если силы, действующие на трубопровод вверх, превышают силы, действующие вниз. К силам, действующим вверх, относят выталкивающую силу и упругий отпор грунта при прокладке свободным изгибом. К силам, действующим вниз, относят собственный вес трубы, транспортируемого продукта, а также вес пригрузов и грунта над трубопроводом. В процессе проектирования необходимо выполнить расчет на всплытие и при необходимости принять соответствующие меры по предотвращению данного процесса. Вопросами обеспечения устойчивости и безопасности трубопроводов при преодолении водных преград занимались многоие российские ученые, например Ф.М. Мустафин и др. [1-5], Гулин и др. [6], С.М. Соколов и др. [7], Долгов и др. [8], Земенков и др. [9], Попова [10; 11], Ю.С. Сысоев [12], Комаров, Короленок [13], А.П. Свечкопалов [14]. В настоящее время заводы-изготовители выпускают различные пригрузы, которые могут применяться в разных инженерно-геологических условиях. Выпускаемая продукция может незначительно различаться по конструкции, но это отличие будет влиять на воспринимаемые нагрузки, а значит, и область применения пригруза. Например, может отличаться система крепления частей утяжелителя друг к другу. Утяжелители в зависимости от своей конструкции могут использоваться для балластировки трубопроводов, проходящих через болота, обводненные участки и поймы рек, или на переходах через реки и водные преграды. В данной статье проанализированы различные варианты пригрузов, обеспечивающих балластировку трубопроводов на участках перехода через водные преграды на примере проекта капитального ремонта промыслового газопровода «Каменный Лог - Пермь». Основная часть Согласно данным, приведенным на сайте компании ООО «НПО Энергия» [15], которая занимается производством и комплектацией нефтегазовых объектов таких компаний, как «Транснефть», «Газпром», «Лукойл», «Роснефть», «Спецстрой» и др., материально-техническими ресурсами. Для балластировки трубопроводов могут использоваться несколько типов утяжелителей. Они отличаются по конструкции и области применения. Устойчивость против всплытия трубопроводов, проходящих через водные преграды, может обеспечиваться применением балластировки с помощью железобетонных или чугунных одиночных пригрузов, а также с помощью сплошного обетонирования. Для исключения вероятности всплытия участков промыслового газопровода «Каменный Лог - Пермь», проходящих через реки, можно использовать варианты, представленные в табл. 1. Таблица 1 Утяжелители для балластировки трубопровода 720 ´ 10 мм, проходящего через реки и водные преграды Table 1 Weights for ballasting of 720 ´ 10 mm pipeline, passing through rivers and water barriers Наименование утяжелителя Масса, кг Объем, м3 Расчетный удельный вес материала, Н/м3 Стоимость, руб. Изображение Утяжелитель железобетонный кольцевого типа УТК 720 (комплект из 2 шт.) 2760 1,2 23 000 32 600 Утяжелитель чугунный кольцевой УЧК 720 (комплект из 2 шт.) 1100 0,16 70 000 88 900 Сплошное обетонирование бетоном класса В15 По расчету 24 000 4400 П р и м е ч а н и е: стоимость бетона класса В15 дана за 1 м3; цены на комплекты пригрузов приняты по данным, представленным в открытом доступе на сайтах заводов-изготовителей на февраль 2022 г. Устойчивость положения (против всплытия) трубопроводов, прокладываемых на обводненных участках трассы, проверяют по условию: , (1) где Qакт - суммарная расчетная нагрузка на трубопровод, действующая вверх, включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом, Н/м; Qпас - суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз (включая собственный вес), Н/м; Kн.в - коэффициент надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия. Данный коэффициент в зависимости от условий прокладки трубопровода может быть: 1,05 - через болота, поймы, водоемы при отсутствии течения, обводненные и заливаемые участки в пределах горизонта высоких вод (ГВВ) 1 % обеспеченности; 1,1 - русловых через реки шириной до 200 м по среднему меженному уровню, включая прибрежные участки в границах производства подводно-технических работ; 1,15 - через реки и водохранилища шириной свыше 200 м, а также горные реки. В рассматриваемом случае Kн.в = 1,1. Расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода в пределах русловой части, не учитывается, так как угол поворота оси трубопровода равен нулю. Рассмотрен неблагоприятный вариант, при котором вес продукта не учитывается. Значит, нам необходимо сравнить выталкивающую силу, действующую на трубопровод, с весом самой трубы (с учетом коэффициента надежности) и при необходимости добавить пригрузы. В этом случае необходимо подобрать оптимальный вариант, обеспечивающий устойчивость положения трубопровода с минимальными экономическими затратами. На основе формул, представленных в ГОСТ Р 55990-2014 «Промысловые трубопроводы» и СП 107-34-96 «Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопроводов на проектных отметках», аналитическим методом были выведены зависимости минимального объема материалов от длины участка трубопровода как для одиночных пригрузов, так и для сплошного обетонирования. Для определения интенсивности балластировки при обеспечении устойчивости положения в частном случае укладки трубопровода свободным изгибом и его равномерной по длине пригрузки следует использовать следующую зависимость: , (2) где - коэффициент надежности по нагрузке; - расчетная погонная выталкивающая сила воды, Н/м; - расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе, Н/м; - расчетный погонный собственный вес трубопровода, Н/м; - расчетный погонный вес продукта, Н/м; - удельный вес материала пригрузки, Н/м3; - удельный вес воды, принимаемый с учетом растворенных в ней солей, Н/м3. Рассмотрим подробно каждую величину: 1) Коэффициент надежности по нагрузке принимается равным: 0,9 - для железобетонных утяжелителей и сплошного обетонирования; 1,0 - для чугунных утяжелителей. 2) Расчетная погонная выталкивающая сила воды , действующая на трубопровод, определяется по формуле , (3) где - удельный вес воды с учетом растворенных в ней солей принимается по данным инженерных изысканий. Для рассматриваемого участка принимаем = 10 500 Н/м3; Dн.и - наружный диаметр трубопровода с учетом изоляционного покрытия и футеровки, м. 3) При прокладке трубопровода через водные преграды отсутствует расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе , т.е. 4) Расчетный погонный собственный вес трубопровода определяется по формуле (4) где - плотность стали, принимаем = 7850 кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Dн - наружный диаметр сечения трубопровода, м; - внутренний диаметр сечения трубы, м; d - номинальная толщина стенки трубы, м; 5) Расчетный погонный вес продукта принимается равным нулю как самый неблагоприятный вариант. 6) Удельный вес материала пригрузки принимается в зависимости от используемого утяжелителя. Подставим данные величины в формулу для определения интенсивности балластировки: (5) При балластировке трубопровода отдельными утяжелителями шаг утяжелителей Lг при их равномерной расстановке (расстояние между осями утяжелителей) следует определять по формуле , (6) где Qн - нормативный вес одного утяжелителя, определяемый по формуле , (7) где - удельный вес материала пригрузки, Н/м3; Vг - объем одного утяжелителя, м3. Выведем формулу для определения шага одиночных утяжелителей Lг: ; (8) ; (9) . (10) С учетом того что шаг пригрузов и объем метериала пригрузки V = Vг ∙ n, где L - общая протяженность рассматриваемого участка трубопровода, n - принятое количество одиночных пригрузов, получим формулу . (11) Осюда получим зависимость требуемого объема материала пригрузки V от длины участка L: . (12) Для случая применения сплошного обетонирования трубопровода при отсутствии нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе формула для определения диаметра наружной обетонированной трубы Dc будет иметь вид: , (13) где Н/м3 - удельный вес бетона; Н/м3 - удельный вес материала изоляционного слоя; - толщина изоляционного слоя. Толщину следует округлить в большую сторону с точностью 0,005 м. Тогда требуемый объем бетона V найдем по формуле ∙ L (14) Получим зависимость требуемого объема бетона V от длины участка L: ∙ L. (15) Были произведены расчеты по полученным формулам для трубопроводов сечениями 325 ´ 8, 720 ´ 10 и 1440 ´ 12 мм. Графики зависимости требуемого объема материалов от длины участка представлены на рис. 1, 3, 5. Графики зависимости стоимости рассматриваемых материалов от длины участка представлены на рис. 2, 4, 6. Рис. 1. Требуемый объем материалов на балластировку трубопровода сечением 325 ´ 8, проходящего через водные преграды Fig. 1. Required volume of materials for ballasting of the pipeline section 325 ´ 8 passing through water obstacles Рис. 2. Стоимость материалов, используемых для балластировки трубопровода сечением 325 ´ 8, проходящего через водные преграды Fig. 2. Cost of materials used for ballasting a 325 ´ 8 cross-section pipeline running through water obstacles Рис. 3. Требуемый объем материалов на балластировку трубопровода сечением 720 ´ 10, проходящего через водные преграды Fig. 3. Required volume of materials for ballasting the pipeline section 720 ´ 10 passing through water obstacles Рис. 4. Стоимость материалов, используемых для балластировки трубопровода сечением 720 ´ 10, проходящего через водные преграды Fig. 4. Cost of materials used for ballasting of 720 ´ 10 section pipeline running through water obstacles Рис. 5. Требуемый объем материалов на балластировку трубопровода сечением 1440 ´ 12, проходящего через водные преграды Fig. 5. Required volume of materials for ballasting of the pipeline section 1440 ´ 12 passing through water obstacles Рис. 6. Стоимость материалов, используемых для балластировки трубопровода сечением 1440 ´ 12, проходящего через водные преграды Fig. 6. Cost of materials used for ballasting of a 1440 ´ 12 cross-section pipeline running through water obstacles Расчеты для трубопроводов различного сечения позволяют выполнить сравнительный анализ эффективности использования конкретных утяжелителей, а также проследить изменение стоимости материалов с изменением сечения трубы. Результаты для участка длиной 10 м приведены в табл. 2-4. Таблица 2 Балластировка участка длиной 10 м утяжелителями железобетонными кольцевого типа УТК Table 2 Ballasting a 10 m long section with reinforced concrete ring-type weights UTK Показатель Труба 325 ´ 8 Труба 720 ´ 10 Труба 1440 ´ 12 Количество комплектов утяжелителей, шт. 2 3 4 Стоимость материалов, руб. 11 340 97 800 370 400 Таблица 3 Балластировка участка длиной 10 м утяжелителями чугунными кольцевыми УЧК Table 3 Ballasting a 10 m long section with cast-iron ring weights UCHK Показатель Труба 325 ´ 8 Труба 720 ´ 10 Труба 1440 ´ 12 Количество комплектов утяжелителей, шт. 2 4 9 Стоимость материалов, руб. 35 600 355 600 554 400 Таблица 4 Балластировка участка длиной 10 м с применением сплошного обетонирования бетоном В15 Table 4 Ballasting of a 10 m long section using continuous weight-coating with concrete B15 Показатель Труба 325 ´ 8 Труба 720 ´ 10 Труба 1440 ´ 12 Объем материалов V, м3 0,28 2,36 11,37 Стоимость материалов, руб. 1 232 10 384 50 028 Таким образом, можно сделать вывод, что если рассматривать только стоимость материалов, то наиболее экономичным вариантом для балластировки трубопровода, проходящего через водные преграды, является применение сплошного обетонирования. Кроме того, полученное бетонное покрытие может выступать в качестве защитного компенсирующего мероприятия на участках пересечения и сверхнормативного сближения с коммуникациями, опасными производственными объектами и жилыми постройками, а также для защиты антикоррозионного покрытия трубопровода от механических и иных воздействий. Однако необходимо учитывать, что бетонное покрытие является препятствием для проведения обследований. Обследования трубопровода с целью определения потери металла, трещиноподобных дефектов и т.д. возможны изнутри трубопровода. Кроме того, на общую стоимость будет влиять технология устройства различных утяжелителей, которая, в свою очередь, будет отличаться для разных типов пригрузов. Выводы 1. Балластировка трубопроводов - это одно из важнейших условий надежной и безопасной работы трубопроводного транспорта. В связи с этим необходимо оптимально подбирать способ балластировки. 2. Наиболее распространенными способами балластировки трубопроводов, пересекающих водные преграды, являются: балластировка одиночными железобетонными утяжелителями типа УТК, чугунными утяжелителями УЧК а также использование сплошного обетонирования трубопроводов. Аналитические расчеты показали, что наиболее выгодным среди рассмотренных способов является сплошное обетонирование трубопроводов. 3. Полученные аналитическим путем зависимости для определения требуемого объема материалов позволяют упростить трудоемкие расчеты, представленные в нормативных документах. 4. Графическая интерпретация выполненных расчетов позволяет выполнить сравнительный анализ различных вариантов балластировки трубопроводов, проходящих через водные преграды.

Об авторах

А. О Чучин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

С. В Калошина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Д. Г Золотозубов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 58

PDF (Russian) - 585

Ссылки

• Ссылки не определены.