Способ ремонта провисающего или размытого участка трубопровода

Изобретение относится к области ремонта и строительства участков магистральных нефтегазопроводов, пересекающих малые водные преграды. Выбирают параметры ремонтируемого участка, возводят водопропускной канал в насыпи с организацией проезда вдоль ремонтируемого участка, вскрывают трубопровод с образованием по концам его участка приямков. Разрабатывают траншею под трубопроводом на расчетную глубину с образованием опорных и водозадерживающих перемычек с организацией водоотвода. Производят ремонт изоляции, балластируют обводняемую часть ремонтируемого участка утяжелителями, срезают перемычки с опусканием трубопровода, засыпают траншею грунтом и восстанавливают русло. Параметры ремонтируемого участка определяют на основании заявленной математической зависимости. Пояснен монтаж водопропускного канала в насыпи. Позволяет сократить затраты на ремонт при одновременном снижении экологического ущерба. 4 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области ремонта и строительства участков магистральных нефтегазопроводов, пересекающих малые водные преграды.

Известен метод строительства магистрального трубопровода на участке пересечения водной преграды глубиной до 0,5 м и шириной до 30 м в меженный период (см. Ведомственные строительные нормы. Строительство магистральных трубопроводов. Подводные переходы. ВСН 010-88. - М.: Миннефтегазстрой. 1989, раздел 6.). По данному методу разрабатывают береговые и подводную траншеи одноковшовым экскаватором на глубину 2-2,5 м с возможной доработкой подводной траншеи земснарядом, укладывают русловую и две береговые плети труб по определенной технологической схеме, осуществляют мероприятия по временному отводу стока воды в период укладки, в том числе с устройством водопропускных сооружений.

Один из недостатков приведенного метода состоит в том, что на реках глубиной до 0,5 м, а таких большинство по трассе магистральных трубопроводов, экскаватор перемещается непосредственно по дну реки, нанося значительный экологический ущерб за счет разрушения природного русла. Это особенно важно при ремонте, когда трубопровод эксплуатируется много лет и природный ландшафт уже сложился.

Следующим недостатком приведенного метода является ограниченность его использования применительно к ремонту, а именно только при вырезке и замене отработавших определенный срок плетей трубопровода. Для безвырезного способа ремонта, когда прочность ремонтируемого участка трубопровода удовлетворяет действующим нормативным документам и требуется только восстановление устойчивости с ремонтом изоляции, приведенный метод по сути заглубления трубопровода неприменим.

Известно также водопропускное сооружение под насыпью, используемое при ремонте провисающего трубопровода без изменения его положения (см. Патент RU №2137972, кл. F 16 L 1/028, Е 01 F 5/00, опубл. 20.09.1999 г.). Вдоль русла водной преграды укладывают водопропускной канал из плетей труб для пропуска воды, засыпают грунтом с образованием насыпи, охватывающей трубопровод и формированием вдольтрассового проезда по верху насыпи.

Недостаток водопропускного сооружения состоит в том, что оно может быть использовано только для провисающих участков с достаточным для прокладки водопропускного канала просветом между низом трубопровода и дном водной преграды. На практике гораздо чаще встречаются размытые в русле водотоков участки трубопроводов, когда указанного просвета нет или низ трубопровода находится ниже уровня дна водотока, а верхняя часть окружности трубопровода находится в потоке воды.

Следующим недостатком водопропускного сооружения является необходимость применения значительных объемов грунта для образования насыпи, особенно в случаях длинных и высокорасположенных участков трубопроводов. В весенний период насыпь может быть размыта при высоком уровне талых вод.

Наиболее близким и принятым нами за прототип является способ ремонта провисающих и размытых участков подземного трубопровода (см. Патент RU №2196269, кл. F 16 L 1/26, опубл. 10.01.2003 г.). Вскрывают ремонтируемый участок трубопровода, углубляют под ним траншею на расчетную глубину, создают опорные и водозадерживающие перемычки, заполняют траншею водой, срезают перемычки и засыпают его грунтом, причем разработку траншеи ведут с концов участка, образуют под трубопроводом приямки, заполняют их насыпным материалом, кроме того, отрывают водоотводный рукав с организацией водотока вне русловой части и производят ремонт изоляции трубопровода. После срезки перемычек восстанавливают русло с окончательной засыпкой траншеи грунтом.

Недостатки данного способа состоят в следующем. Техническая возможность реализации способа зависит от ряда взаимосвязанных параметров ремонтируемого участка трубопровода, важнейшими из которых являются длина и профиль, а также погонная весовая нагрузка, обеспечивающая заглубление трубопровода в подготовленную траншею. Данный способ эти параметры не связывает, что исключает оптимизационный подход в назначении длины ремонтируемого участка и затрат на ремонт.

Следующим недостатком способа, принятого за прототип, является повышенный объем земляных работ по образованию водоотводного рукава и связанного с этим экологического нарушения природного ландшафта. Поскольку работы проводятся в периоды меженного уровня вод, то большинство природных водотоков имеет незначительный расход воды, поэтому необходимость образования водоотводного рукава отпадает.

Задачей изобретения в способе ремонта провисающего или размытого участка трубопровода является сокращение затрат на ремонт при одновременном снижении экологического ущерба.

Поставленная задача в способе ремонта провисающего или размытого участка трубопровода, включающего выбор параметров ремонтируемого участка, возведение водопропускного канала в насыпи с организацией проезда вдоль ремонтируемого участка, вскрытие трубопровода от грунта частями, образование по концам участка приямков заданных размеров, разработку траншеи под трубопроводом на расчетную глубину с извлечением грунта, образование опорных и водозадерживающих перемычек, организацию временного водоотвода из русловой части участка, ремонт изоляции, балластировку обводняемой части ремонтируемого участка утяжелителями, срезку перемычек с опусканием трубопровода, засыпку траншеи грунтом и восстановление русла, решается тем, что параметры ремонтируемого участка определяют на основании зависимости

где L - длина ремонтируемого участка, м;

q_ТР - погонный вес трубопровода, Н/м;

f₀, f₁ - расстояния от верха трубопровода в русле водной преграды до прямой, соединяющей концы ремонтируемого участка до и после ремонта, м;

Е - модуль упругости материала трубопровода первого рода, Н/м²;

F - площадь поперечного сечения стенки трубопровода, м²;

J - момент инерции сечения стенки трубопровода относительно нейтральной оси, м⁴.

При этом сначала в русле с одной стороны трубопровода вверх по течению монтируют первую секцию двухсекционного водопропускного канала в насыпи, после достижения расчетной величины глубины траншеи на ее дне под торцом первой секции водопропускного канала выполняют локальное углубление, затем, выполняя балластировку обводняемых частей ремонтируемого участка трубопровода утяжелителями, срезают частично по высоте водозадерживающие, а при необходимости и ближайшие к ним опорные перемычки с понижением высотного положения трубопровода в русловой части на величину минимально необходимого зазора между верхней образующей трубопровода и низом водопропускного канала, присоединяют к торцу первой секции водопропускного канала вторую секцию, располагая ее над трубопроводом с выводом противоположного открытого торца в русло водной преграды с другой стороны трубопровода, откачивают воду из траншеи между водозадерживающими перемычками, поддерживая уровень воды в локальном углублении ниже уровня дна траншеи, снимают утяжелители с мест повреждения изоляции и выполняют ее ремонт, совмещая при этом раскопку траншеи вверх по уклонам, далее срезают попарно сначала водозадерживающие, а затем опорные перемычки, демонтируют вторую секцию водопропускного канала.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются:

- параметры ремонтируемого участка определяют на основании зависимости

- в русле с одной стороны трубопровода вверх по течению монтируют первую секцию двухсекционного водопропускного канала в насыпи;

- после достижения расчетной величины глубины траншеи на ее дне под торцом первой секции водопропускного канала выполняют локальное углубление;

- выполняя балластировку обводняемых частей ремонтируемого участка трубопровода утяжелителями, срезают частично по высоте водозадерживающие, а при необходимости и ближайшие к ним опорные перемычки с понижением высотного положения трубопровода в русловой части на величину минимально необходимого зазора между верхней образующей трубопровода и низом водопропускного канала;

- присоединяют к торцу первой секции водопропускного канала вторую секцию, располагая ее над трубопроводом с выводом противоположного открытого торца в русло водной преграды с другой стороны трубопровода;

- откачивают воду из траншеи между водозадерживающими перемычками, поддерживая уровень воды в локальном углублении ниже уровня дна траншеи;

- снимают утяжелители с мест повреждения изоляции и выполняют ее ремонт, совмещая при этом раскопку траншеи вверх по уклонам;

- срезают попарно сначала водозадерживающие, а затем опорные перемычки;

- демонтируют вторую секцию водопропускного канала.

Заявителю неизвестны из патентной и технической литературы вышеуказанные существенные отличительные признаки, которые позволяют считать новым заявленное изобретение.

Заявленное изобретение соответствует также критерию «Изобретательский уровень», т.к. существенные отличительные признаки в совокупности с известными позволяют получить новый эффект при ремонте трубопровода в местах переходов через малые водные преграды и решить поставленную задачу сокращения затрат на ремонт при одновременном снижении экологического ущерба окружающей среде.

Изобретение может быть успешно использовано при ремонте размытых или провисающих участков магистральных трубопроводов на подземных по проекту переходах через малые водные преграды. Устройство проезда через водную преграду, сооружение временного водопропускного канала наряду со снижением затрат на производство работ и ограничением вреда окружающей среде не требует дефицитных материалов и легко осуществляется на практике, а расчетная зависимость позволяет оптимально определить длину подсадки и дополнительную балластировку обводняемой части трубопровода. Таким образом, изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность способа поясняется фиг.1-4, а также табл.1-2. На фиг.1 представлен профильный разрез ремонтируемого участка после раскопки русловой части; фиг.2 - поперечный разрез до заглубления трубопровода; фиг.3 - также поперечный разрез в процессе заглубления трубопровода; фиг.4 - расчетный график зависимости L(f₀) и аналогичный измеренный профиль. В табл.1 задан измеренный профиль газопровода в виде зависимости L(f₀); в табл. 2 приведены численные значения Δy(x).

Способ осуществляется в следующем порядке.

По расчетным зависимостям определяют длину ремонтируемого участка L с учетом расстояний от верха трубопровода 1 в русле водной преграды 2 по прямой, соединяющей концы ремонтируемого участка до (f₀) и после (f₁) ремонта, находят количество балластирующих утяжелителей, проводят проверку прочности трубопровода 1. Работу начинают с возведения водопропускного сооружения, состоящего из секции водопропускного канала 3 и насыпи 4, служащей отрезком вдольтрассового проезда (не показан). Двумя ковшовыми экскаваторами (не показаны) копают русловую часть 2 ремонтируемого участка до проектной глубины Δf=f₁-f₀ и локальное углубление 5, затем обводняемый отрезок LM, оставляя пару водозадерживающих перемычек 6. После раскопки отрезка ремонтируемого участка длиной LM на трубопровод устанавливают расчетное число утяжелителей 15, частично срезают перемычки 6 и при необходимости опорные перемычки 7 с понижением высотного положения трубопровода 1 (от α до β) и обеспечением зазора Δh между низом 8 первой секции водопропускного канала 3, достаточного для прокладки второй секции водопропускного канала 9 и производства работ по ремонту изоляции трубопровода. Затем устанавливают вторую секцию водопропускного канала 9, стыкуя ее с первой секцией водопропускного канала 3 с помощью муфты 10, а противоположный конец располагают в русле водной преграды 2. Воду 11 откачивают с помощью насоса (не показан), снабженного шлангом 12, поддерживая ее уровень 13 не выше уровня 14 дна траншеи в процессе ремонта изоляции. Изоляцию ремонтируют, когда положение трубопровода соответствует уровню β (фиг.3), а утяжелители 15 сняты.

Одновременно экскаваторами копают траншею вверх по уклонам, а на концах участка L образуют приямки 16 расчетных размеров, которые засыпают рыхлым грунтом без уплотнения до оси трубопровода 1.

Затем перемычки 6 и 7 попарно срезают, устанавливают снятые утяжелители 15, демонтируют вторую секцию водопропускного канала 9. Трубопровод 1 принимает положение γ на дне траншеи. На последнем этапе производят засыпку траншеи, начиная с русловой части, восстанавливают русло водной преграды.

Пример

Определить параметры ремонта размытого участка газопровода ⊘1420×16,5 мм. Исходные данные: материал трубы - сталь Х-70, предел текучести σ_т=470 МПа; внутреннее давление газа после проведения ремонта Р=7,4 МПа, расход воды пересекаемого водотока G=0,8 м³/сек; необходимая величина заглубления в русле Δf=f₁-f₀=1,8 м; минимальная величина осадки трубопровода в русле для прокладки второй секции водопропускного канала - 0,8 м; длина размытого отрезка газопровода с поврежденной изоляцией - 15 м; длина обводняемой части газопровода, включая русловую часть, - 120 м; измеренный профиль газопровода в виде зависимости L(f₀) задан в табл.1.

Задаем величины f₀ и определяем соответствующие значения L по приведенной формуле (1) при следующих значениях параметров газопровода: q_тр=5700 Н/м; EJ=3,76·10⁹ Н·м²; EF=1,53·10¹⁰ H. Строим расчетный график зависимости L(f₀) (кривая 1) и аналогичный измеренный профиль (кривая 2). Точка пересечения кривых 1 и 2 определяет минимальную длину участка подсадки L=502 м и расстояния f₀=14,7 м.

При меньших значениях L заглубление в траншею за счет веса трубопровода с компенсацией его плавучести на обводняемом участке не может быть выполнена. При больших значениях L заглубление также обеспечивается, но это уже не оптимальные варианты, требующие ненужных дополнительных затрат на земляные работы.

Заглубление ремонтируемого участка проводится относительно существующего положения газопровода до ремонта, при этом текущие координаты заглубления Δy по длине ремонтируемого участка определяются по формуле

где х - текущая координата от начала участка, м.

Численные значения Δy(x) приведены в табл. 2.

Выбранные параметры L, f₀ кривой участка проверяются расчетом трубопровода на прочность по формуле

где σ_м=σ_м1+σ_м2 - напряжения от изгибающего момента в самом напряженном месте, МПа;

- напряжения от упругого изгиба, заложенные при строительстве газопровода, МПа;

E=2,06·10⁵ МПа - модуль упругости стали;

ρ=1500 м - радиус упругого изгиба;

- максимальные напряжения изгиба, вызванные заглублением, МПа;

- напряжения от растягивающей силы, вызванной заглублением, МПа;

- кольцевые напряжения от внутреннего давления в газопроводе, МПа;

n=1,1 - коэффициент надежности по нагрузке;

К_н=1,1 - коэффициент надежности по материалу.

Подставляя данные в (3), получаем: σ_м1=98 МПа; σ_м2=21 МПа; σ_N=100 МПа; σ_КЦ=342 МПа; σ_ПР=321 МПа; σ_Т/К_н=427 МПа, Таким образом, условие (3) прочности соблюдается, поэтому длина ремонтируемого участка по прямой остается L=502 м.

Определяем поперечное сечение водопропускного канала. Выбираем трубу с внутренним диаметром d=1,0 м и скоростью течения в ней V=1,5 м/сек. Минимальная площадь сечения для пропуска воды равна F_min=G/V=0,8/1,5=0,53 м², а площадь сечения трубы F_тр=πd²/4=3,14·1,0²/4=0,785 м², т.е. труба заполняется на 67,5% площади сечения в «в свету».

Первую секцию водопропускного канала 3 укладывают вдоль русла водной преграды, образуют насыпь 4, соединяющую ремонтный вдольтрассовый проезд вдоль ремонтируемого участка. Раскапывают русловую часть 2 ремонтируемого участка на длине не менее 15 м, обеспечивая глубину траншеи под трубой порядка 1,8 м, выкапывают локальное углубление 5 под трубой емкостью 2 м³. Затем раскапывают обводняемую часть участка LM на длине 120 м с образованием водозадерживающих перемычек 6. Ближайшие опорные перемычки 7 располагаются на расстояниях по 60 м от водозадерживающих и далее с этим же шагом до концов участка, которые также выполняют роль опорных перемычек. Таким образом, получается пара водозадерживающих 6, три пары опорных перемычек 7 и пара концевых участков 16.

После раскопки трубопровода на отрезке LM производится понижение данного участка на необходимую величину в русле, равную Δy₁=0,8 м, чтобы обеспечить необходимый зазор Δl. Для этого частично раскапывают водозадерживающие перемычки с целью осадки отрезка LM в русле на 0,8 м. При осадке трубопровода связь параметров имеет вид

где Δy=0,8 м - осадка трубопровода на перемычках;

М_тр - изгибающий момент в точках L, М, Н·м.

Объединяя формулы (4), (5), выражая напряжения изгиба σ_м через момент М_тр, получим

Напряжения σ_м допустимы для трубопровода. Опорные перемычки для осадки трубопровода можно не раскапывать.

После раскопки перемычек на 0,8 м на обводняемый участок LM устанавливают железобетонные утяжелители 15 с расчетным шагом 1,35 м, трубопровод ложится на перемычки, затем прокладывают вторую секцию водопропускного канала 9 также из трубы ⊘ 1,0 м, присоединяя ее торец к торцу первой секции с помощью, например, стяжной металлической муфты 10, а противоположный конец секции укладывают в русло водотока с другой стороны трубопровода. После этого выкачивают воду 11 между перемычками с помощью шланга 12, поддерживая ее уровень 13 в локальном углублении 5 ниже уровня дна 14 траншеи. Снимают утяжелители с мест повреждения изоляции, производят ее ремонт. Параллельно копают траншею вверх по уклонам. На ее концах длиной по 20 м выкапывают приямки 16 глубиной от низа трубы на 1 м, затем заполняют их рыхлым грунтом до половины трубы. В связи с тем, что на конечных отрезках участка зазор между низом трубы и дном траншеи незначителен (на расстоянии 40 м от конца траншеи всего 0,11 м), то экскаватор выдерживает постоянную глубину, равную 0,4 м от низа трубы, начиная с координат x=80 м, x=422 м, а высотное положение трубы выдерживается на опорных перемычках 7. После раскопки траншеи по расчетному профилю срезают попарно водозадерживающие 6, а затем опорные 7 перемычки, устанавливают снятые утяжелители 15 и под собственным весом трубопровод 1 занимает расчетное заглубленное положение.

Отрезки прогнозируемого обводнения выше уровня LM балластируются грунтом с использованием нетканого синтетического материала или текстильных контейнеров с грунтом типа КТ-1400 (не показаны). После балластировки трубопровод засыпают грунтом, вторую секцию водопропускного канала демонтируют, русло водотока восстанавливают.

Данное изобретение в сравнении с прототипом позволяет достичь следующий технический результат. Водопропускное сооружение защищает русло водной преграды от разрушения тяжелой строительной техникой. Водопропускной канал обеспечивает сток воды без производства земляных работ на время ремонта изоляции. Эти мероприятия значительно снижают экологический ущерб при производстве работ. В локальное углубление стекает вода со дна траншеи, которую откачивают, тем самым повышая безопасность и производительность работ по ремонту изоляции трубопровода. Приямки снижают напряжения изгиба в стенках трубопровода при ремонте трубопровода. Таким образом, данный способ ремонта, обеспечивая достижение цели, является эффективным методом восстановления непроектных участков магистральных газопроводов.

Способ ремонта провисающего или размытого участка трубопровода

Способ ремонта провисающего или размытого участка трубопровода, включающий выбор параметров ремонтируемого участка, возведение водопропускного канала в насыпи с организацией проезда вдоль ремонтируемого участка, вскрытие трубопровода от грунта частями, образование по концам участка приямков заданных размеров, разработку траншеи под трубопроводом на расчетную глубину с извлечением грунта, образование опорных и водозадерживающих перемычек, организацию временного водоотвода из русловой части участка, ремонт изоляции, балластировку обводняемой части ремонтируемого участка утяжелителями, срезку перемычек с опусканием трубопровода, засыпку траншеи грунтом и восстановление русла, отличающийся тем, что параметры ремонтируемого участка определяют на основании зависимости

где L - длина ремонтируемого участка, м;

q_тр - погонный вес трубопровода, Н/м;

f₀, f₁ - расстояния от верха трубопровода в русле водной преграды до прямой, соединяющей концы ремонтируемого участка до и после ремонта, м;

Е - модуль упругости материала трубопровода первого рода, Н/м²;

F - площадь поперечного сечения стенки трубопровода, м²;

J - момент инерции сечения стенки трубопровода относительно нейтральной оси, м⁴,

при этом сначала в русле с одной стороны трубопровода вверх по течению монтируют первую секцию двухсекционного водопропускного канала в насыпи, после достижения расчетной величины глубины траншеи на ее дне под торцом первой секции водопропускного канала выполняют локальное углубление, затем, выполняя балластировку обводняемых частей ремонтируемого участка трубопровода утяжелителями, срезают частично по высоте водозадерживающие, а при необходимости и ближайшие к ним опорные перемычки с понижением высотного положения трубопровода в русловой части на величину минимально необходимого зазора между верхней образующей трубопровода и низом водопропускного канала, присоединяют к торцу первой секции водопропускного канала вторую секцию, располагая ее над трубопроводом с выводом противоположного открытого торца в русло водной преграды с другой стороны трубопровода, откачивают воду из траншеи между водозадерживающими перемычками, поддерживая уровень воды в локальном углублении ниже уровня дна траншеи, снимают утяжелители с мест повреждения изоляции и выполняют ее ремонт, совмещая при этом раскопку траншеи вверх по уклонам, далее срезают попарно сначала водозадерживающие, а затем опорные перемычки, демонтируют вторую секцию водопропускного канала.