Способ прокладки магистрального трубопровода
Изобретение относится к строительству и эксплуатации нефтепроводов в сложных климатических условиях Севера, в льдонасыщенных дающих неравномерную осадку грунтах. Магистральный трубопровод укладывают в траншее на опорах, присоединенных к вертикальным трубам, работающим по принципу термосифона. В грунте бурят скважины, в каждую из которых с поверхности земли опускают трубу с герметизированным нижним торцом. Верхний торец трубы выше снежного покрова герметично присоединяют к трубчатому рекуперативному теплообменнику-конденсатору. На уровне дна траншеи к трубе приваривают кронштейн-опору для магистрального трубопровода, а верхнюю половину трубы теплоизолируют. Внутренние полости устройства вакуумируют и частично заполняют легкокипящей жидкостью, преимущественно аммиаком. Повышает надежность подземного трубопровода. 2 ил.
Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов, транспортирующих нефть, нефтепродукты, воду и другие жидкости в сложных климатических условиях севера в грунтах, относящихся к особо сложной категории (грунты категории III и IV). К данным категориям грунтов относят грунты, льдонасыщенные, дающие неравномерную осадку до 10-40% от мощности оттаявшего слоя, а также образующие термокарсты и провалы [1-4].
Проблемы строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях севера усложняются рядом дополнительных факторов, основными из которых являются низкие температуры воздуха и наличие вечной мерзлоты. Наиболее разрушительные явления при эксплуатации трубопроводов связаны с разуплотнением грунтов при оттаивании вечной мерзлоты. В результате, происходит потеря несущей способности грунта, провисание и разрушение магистральных трубопроводов.
Так, на Трансаляскинском нефтепроводе произошло провисание участка, длинной 1 км, на глубину до 5 м [1]. Причина потери несущей способности грунта стало таяние ледяной линзы, на который был уложен данный участок нефтепровода.
Реально оценить несущую способность грунта в условиях севера на стадии проектирования очень сложно. Эта несущая способность зависит не только от теплового взаимодействия трубопровода с вечномерзлым грунтом, но и от теплообмена на поверхности грунта, который включает в себя радиационный теплообмен, кондуктивно-конвективный теплообмен между грунтом и воздухом, а также теплообмен при испарении и конденсации влаги.
Кроме того, глубина оттаивания грунта под трубопроводом непосредственно зависит от наличия на поверхности растительного и снежного покрова, а также других факторов, которые во многих случаях носят случайный характер.
Поэтому, несмотря на очевидные преимущества в условиях севера подземной прокладки, учитывая высокую степень неопределенности перемещения магистральных трубопроводов в вечномерзлых грунтах особо сложной категории, и как следствие: весьма высокую вероятность их разрушения, - на подобных участках вынуждены использовать наземную прокладку указанных трубопроводов [1, рис.4, стр. 20].
Данное техническое решение выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявленному способу.
Существенным недостатком прототипа является то, что для его реализация в условиях севера требует значительных дополнительных капитальных и, особенно, эксплуатационных затрат, связанных необходимостью применения, при этом, устройств попутного электрообогрева магистральных трубопроводов.
Для уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат, а также для увеличения надежности магистральных трубопроводов предлагается новый способ их прокладки в грунтах, относящихся к особо сложной категории, согласно которому указанные трубопроводы, как и обычных условиях, прокладывают в траншее под землей, но, в отличие от известных решений, на специальных опорах, работающих по принципу термосифона [5].
Для этого по дну траншеи, под трубопровод, бурят скважины, в каждую из которых с поверхности земли опускают трубу, предварительно загерметизировав нижний ее торец. Верхний торец этой трубы, выходящий на поверхность земли выше снежного покрова, герметично присоединяют к трубчатому рекуперативному теплообменнику-конденсатору, выполненному из двух: верхней и нижней камер, соединенных между собой трубками с оребрением, в виде пластин или навитой на них стальной ленты. На уровне дна траншеи, к трубе приваривают кронштейн-опору для магистрального трубопровода, верхнюю половину упомянутой трубы теплоизолируют. Перед включением в работу данное устройство вакуумируют и заполняют, частично, легкокипящей жидкостью, преимущественно аммиаком.
Новой в заявляемом изобретении являются операция подземной укладки магистрального трубопровода на специальных опорах в виде термосифона.
Такое техническое решение исключает перемещение магистрального трубопровода при оттаивании грунта, что обеспечивает его прочность и надежность в условиях подземной прокладки в неустойчивых грунтах, особо сложной категории.
Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".
Новые признаки позволяют существенно снизить теплопотери при перекачке продукта, например нефти, условиях севера и отказаться от использования в таких случаях рекомендованной [1] в настоящее время надземной прокладки, а следовательно, - от применения дорогостоящих и энергозатратных устройств путевого электроподогрева магистральных трубопроводов.
Эффективность заявленного технического решения, по сравнению выявленным и рекомендованным к применению наиболее близким аналогом, следует из того, что минимальная температура воздуха (-60
С) на севере на порядок ниже, чем минимальная температура грунта в этом же районе.
Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства, реализующим заявленный способ. В данном примере в качестве магистрального трубопровода представлен участок нефтепровода, проложенный в грунтах особо сложной категории, например в вечномерзлом болоте.
Схема осуществления заявляемого изобретения, на примере прокладки указанного нефтепровода, показана на чертеже (фиг.1), где изображен нефтепровод 1, проложенный в вечномерзлом болоте 2, с границей оттаивания грунта 3. Нефтепровод расположен на кронштейне-опоре 4, присоединенной к трубе 5, верхняя половина которой имеет теплоизоляцию 6. Верхний торец трубы 5 герметично соединен с теплообменником-конденсатором 7, устройство которого представлено на фиг.2.
Этот теплообменник состоит из верхней (паровой) 8 и нижней (конденсатной) 9 камер, соединенных между собой трубками: центральной паровой - 10 и периферийными конденсатными - 11, последние с оребрением, в виде пластин или навитой на них стальной ленты. Нижняя камера 9 сообщена с нижней половиной трубы 5 посредством трубок 12. Данное устройство заполнено, частично, легкокипящей жидкостью 13, преимущественно аммиаком.
Способ осуществляется следующим образом. Перед укладкой магистрального трубопровода 1, в вечномерзлом болоте роют траншею требуемой глубины (1,2-1,8 м), на дне которой через определенный интервал (в зависимости от диаметра магистрального трубопровода) бурят скважины, глубиной порядка 10-15 м и диаметром 150-200 мм; в скважину опускают трубу 5, несколько меньшего диаметра, предварительно загерметизировав ее нижний торец и покрыв теплоизоляцией 6 ее сверху, до средины. Длина трубы 5 принимается такая, чтобы верхний ее торец несколько возвышался над снежным покровом. К верхнему торцу трубы 5 герметично присоединяют трубчатый теплообменник-конденсатор 7 с трубками 12. Кроме того, к трубе 5 на соответствующей отметке присоединяют кронштейн-опору 4, на которую укладывают нефтепровод 1. Траншею с нефтепроводом 1 засыпают до уровня поверхности земли. Далее систему вакуумируют и заполняют частично жидким аммиаком 13.
Система готова к действию. Температура кипения аммиака 13 составляет минус 33С, поэтому при контакте с окружающим грунтом 2, имеющим температуру несколько ниже 0С, через стенки трубы 5, за счет разности их температур происходит активный теплообмен с понижением температуры грунта 2 и одновременным испарением жидкого аммиака 13. Аммиак, испаряясь (каждый килограмм которого при испарении поглощает около 1370 кДж теплоты), поднимается вверх по трубе 5, далее по центральному паропроводу 10 и через верхнюю камеру 8, поступает в конденсатные трубки 11, где под воздействием атмосферного воздуха (температура которого на севере снижается в зимнее время до минус 60С) происходит конденсация пара аммиака.
Аммиак, в виде конденсата (жидкости), под собственным весом стекает вниз по конденсатным трубкам 11 и далее через нижнюю камеру 10, через трубки 12, в нижнюю часть трубы 5, где под воздействием сравнительно высокой температуры грунта, по сравнению с температурой воздуха, жидкий аммиак 13 снова превращается в пар. Цикл повторяется до тех пор, пока температура атмосферного воздуха будет ниже температуры вечномерзлого грунта. Уже при равенстве этих температур, что произойдет в теплое время года, процесс теплообмена между атмосферным воздухом и вечномерзлым грунтом прекращается, устройство самозапирается.
В течение зимнего времени происходит снижение температуры вечномерзлого грунта вокруг нижней половины трубопровода 5, что исключает оттаивание этого грунта, а следовательно, и перемещение нефтепровода 1. Наличие теплоизоляции в верхней части трубы 5 и опускных трубок 12, предотвращающих контакт и теплообмен жидкого аммиака с верхней частью трубы 5, исключает сколько-нибудь существенное охлаждение нефти в трубопроводе 1.
Это очень важно, поскольку снижение температуры нефти влечет за собой одновременно увеличение ее вязкости, что может привести не только к увеличению затрат на ее перекачку, но и в отдельных случаях к прекращению работы нефтепровода, если температура нефти окажется ниже температуры ее застывания.
Источники информации
1. Черняев В.Д. и др. Трубопроводный транспорт нефти в сложных условиях эксплуатации. М.: Недра, 1990. - 20 с.
2. Галеев В.Б., Карпачев М.З., Харламенко В.И. Магистральные нефтепродуктопроводы. - М.: Недра, 1988. стр. 177-178.
3. Галеев В.Б., Харламенко В.И., Сощенко Е.М. и др. Эксплуатация магистральных нефтепродуктопроводов. - М.: Недра, 1973.
4. Черникин В.И. Перекачка вязких и застывающих нефтей. - М.: Гостоптехиздат, 1958.
5. Патент СССР №1831639, 1991, МКИ 5 F 24 D 11 00, авторы Седых Н.А. и Седых А.Н.
Формула изобретения
Способ прокладки магистрального трубопровода в грунтах особо сложной категории, содержащих крупные включения подземного льда, отличающийся тем, что упомянутый магистральный трубопровод укладывают в траншею под землей на опорах, присоединенных к вертикальным трубам, работающим по принципу термосифона, для этого в грунте бурят скважины, в каждую из которых с поверхности земли опускают трубу с предварительно загерметизированным нижним торцом, верхний торец этой трубы выше снежного покрова герметично присоединяют к трубчатому рекуперативному теплообменнику-конденсатору, на уровне дна траншеи к трубе приваривают кронштейн-опору для магистрального трубопровода, верхнюю половину трубы теплоизолируют, внутренние полости этого устройства вакуумируют и заполняют частично легкокипящей жидкостью, преимущественно, аммиаком.
