Комбинированный способ прокладки трубопровода

Изобретение относится к строительству трубопроводного транспорта преимущественно в северных регионах. Выделяют на осваиваемой трассе трубопровода границы расположения участков надземной, наземной и подземной прокладки. Устанавливают опоры надземного трубопровода непосредственно на поверхности грунтового основания и заполняют нижние части опор грунтом. В местах перехода от одного вида прокладки к другому укладывают трубопровод в вертикальной плоскости по кривой с минимально допустимым из условия прочности радиусом упругого изгиба, а в плане - с искривлением упругим изгибом и расположением вершин поворотов посредине каждого из выделенных по трассе участков. Обеспечивает промышленно-экологическую безопасность при эксплуатации трубопровода. 2 ил.

 

Изобретение относится к строительству, преимущественно в северных регионах, трубопроводов большого диаметра, например магистральных нефтегазопроводов, водоводов, продуктопроводов на участках трассы, сложенных слабо и сильно деформируемыми грунтами.

Известно, что строительство, эксплуатация трубопроводов на Севере осуществляются в условиях сезонно промерзающих или вечномерзлых грунтов, повсеместной заболоченности, развития термокарстовых процессов в грунтовых основаниях подземных и наземных трубопроводов, повышенной «ранимости» тундровых покровов от техногенных воздействий. Все это приводит к значительным затратам на разработку мерзлых грунтов, возведению фундаментов глубокого заложения, необходимости применения упроченных труб, проведению мероприятий по снижению внутренних напряжений в материале трубопровода при изменениях температур транспортируемого флюида или атмосферного воздуха, а также к необходимости обеспечения требований промышленно-экологической безопасности при эксплуатации трубопроводов в сложных природно-климатических условиях. С учетом мерзлотно-грунтовых, технологических, других условий на одной трассе часто одновременно используются надземный, наземный и подземный виды прокладки (конструкции возведения) трубопроводов.

Известен надземный способ прокладки трубопровода с установкой подвижных и неподвижных опор, оснащением его компенсаторами (Казакевич М.И., Любин А.Е. Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов. - Киев, 1980, стр.15-17 - аналог). Способ характеризуется значительными капитальными затратами на возведение опор, например свай, оборудование их верхних частей специальными подвижными и неподвижными устройствами для крепления к ним трубопровода. Однако эти мероприятия не позволяют обеспечить условий для свободных пространственных перемещений трубы, вызванных колебаниями температур наружного воздуха или прокачиваемого флюида, неравномерными осадками от промерзания, оттаивания грунтовых оснований и опор, исключить развитие зон концентраций напряжений в трубопроводах большого диаметра и как результат - аварийных ситуаций на трубопроводе.

Известна конструкция опор надземного трубопровода в виде усеченных четырехгранных пирамид из металлических уголков, установленных непосредственно на поверхности грунтового основания. Для обеспечения устойчивости нижние части опор заполнены грунтом, а верхние оборудованы шарнирными устройствами для крепления трубопровода (Патент РФ 2256838, F16L 1/024, 2000 г. - аналог). Данное решение при значительных затратах на изготовление устойчивых от опрокидывания опор позволяет существенно снизить негативные воздействия от температурных перемещений, напряжений в трубопроводе. Но оно не включает мероприятий, обеспечивающих безопасность эксплуатации трубопровода в местах перехода с надземного на другие виды прокладки трубопровода.

Известен способ надземной прокладки трубопровода (Патент РФ 2205315, F16L 1/024, 2003 г. - аналог) по грунтовым отсыпкам, упрочненным вяжущими, например нефтью. При этом нефть добавляют в количестве от 4 до 15% от массы грунта. Способ, в целом обеспечивая условия для свободных температурных перемещений трубопровода, улучшение прочностных свойств отсыпок, приводит к загрязнениям нефтью прилегающих к трубопроводу участков в процессе вымывания из отсыпок легких углеводородных фракций атмосферными осадками и грунтовыми водами.

Известен способ улучшения строительных свойств пылеватых грунтов и возведения надземных трубопроводов на отсыпках, дорог и других сооружений. Способ включает нагрев грунта и нефти, их перемешивание, введение в смесь необходимого количества бактериальных культур и удаление из смеси легких углеводородных фракций. Приготовленную смесь грунта с «тяжелой» нефтью повторно нагревают и производят послойное возведение объекта (Патент РФ 2135680, 6 Е01С 3/04, 7/36, 1999 г. - аналог). Способ, предусматривая улучшение прочностных и теплофизических свойства пылеватых, сильно деформируемых грунтов, не включает мероприятий, обеспечивающих снижение температурных воздействий, напряжений в трубопроводе, возможностей развития аварийных ситуаций на эксплуатируемом трубопроводе, и прежде всего в местах перехода с одного на другой вид прокладки.

Известны способы подземной и наземной прокладки трубопровода соответственно в слабо или сильно деформируемых, обводненных грунтах, например на болотах, льдистых вечномерзлых, сильно деформируемых при оттаивании грунтах.

Подземная прокладка трубопровода, используемая преимущественно в минеральных грунтах, в целом обеспечивает сохранение исходного положения трубопровода на трассе. Однако эта прокладка (Патент РФ 2117846, 6 F16L 1/028, 1998 г. - аналог) в периоды запусков, перерывов прокачки флюида и температурных перепадах в материале трубы, сезонных изменений термовлажностного режима в грунтовом основании приводит к существенным увлажнениям изоляционного покрытия эксплуатируемого трубопровода, дополнительным мероприятиям, затратам на минимизацию процессов развития концентраций напряжений, внешней и внутренней коррозии материала трубы, обеспечение промышленно-экологической безопасности трубопровода.

Наземная прокладка трубопровода, например на болотах, осуществляется преимущественно в зимние периоды года. Эксплуатируемый трубопровод может перемещаться в горизонтальной плоскости и в целом имеет положительные технико-экономические показатели (Патент РФ 2117846, 6 F16L 1/028, 1998 г. - прототип). Однако данный способ в местах перехода на другой вид прокладки характеризуется: увлажнением изоляционного покрытия трубопровода грунтовыми водами; значительными затратами на отсыпку высоких насыпей; недопустимыми по действующим нормам неравномерными осадками грунтов и изгибающими моментами в материале трубопровода; интенсификацией процессов развития локальных напряжений, коррозии металла и преждевременной разгерметизацией трубопровода.

На сложной для освоения трассе, имеющей участки с грунтами различной несущей способности, избыточной увлажненностью, сильно деформируемыми при промерзании, оттаивании, переходами через дороги и инженерные коммуникации, подключениями к насосам, компрессорам, другому оборудованию, возведение трубопровода осуществляется известным комбинированным способом, включающим одновременно подземную, наземную и надземную виды прокладки (СНиП 2.05.06-85*(2000). Магистральные трубопроводы). Комбинированный способ в целом характеризуется положительными технико-экономическими показателями. Однако непосредственно в местах перехода с подземного на наземный вид прокладки способ имеет следующие недостатки: неравномерные осадки грунтовых оснований и непосредственно трубопровода; значительные, часто превышающие нормативно допустимые значения изгибающих моментов, напряжений в материале трубы; формирование при значительных пространственных перемещениях трубопровода избыточных зон увлажнения изоляционного покрытия. На участках прокладки надземного трубопровода, несмотря на устройство подвижных опор, других конструктивных решений по обеспечению беспрепятственных пространственных перемещений, в трубопроводе развиваются процессы концентрации напряжений, внешней и внутренней коррозии, происходит снижение надежности эксплуатации трубопровода.

Задачей предлагаемого технического решения является снижение затрат на возведение и обеспечение промышленно-экологической безопасности при эксплуатации трубопровода.

Сущностью предлагаемого изобретения являются: выделение на осваиваемой трассе трубопровода границ расположения участков надземной, наземной и подземной видов прокладки; возведение по трассе различных конструкций трубопровода с теплогидроизоляционным покрытием; установка опор надземного трубопровода непосредственно на поверхности грунтового основания и заполнение нижних частей опор грунтом; укладка трубопровода в местах перехода от одного вида прокладки к другому в вертикальной плоскости осуществляется - по кривой с минимально допустимым из условия прочности трубы радиусом упругого изгиба, а в плане - с искривлением наземного участка трубопровода упругим изгибом и расположением вершин поворотов посредине каждого из выделенных по трассе участков.

Это достигается тем, что в процессе возведения надземного трубопровода в нижних частях опор изготавливают упрочненные массивы. В местах перехода от одного вида прокладки к другому вокруг трубопровода дополнительно изготовляют локальные по протяженности изоляционные покрытия, исключающие увлажнения основного и дополнительного покрытий, осадки, изгибающие моменты в материале трубы, концентрации напряжений, обеспечивающие условия для свободных пространственных перемещений и надежности эксплуатации трубопровода. Массивы грунта в нижних частях опор надземного трубопровода, дополнительные локальные по протяженности изоляционные покрытия в местах перехода от одного вида прокладки к другому изготавливают в процессе упрочнения «тяжелой» нефтью грунта. Размеры, геометрические формы массивов опор, изоляционных покрытий назначают из условий исключения их увлажнения грунтовыми водами, развития процессов коррозии, обеспечения беспрепятственных пространственных перемещений, надежной эксплуатации трубопровода по всей длине трассы.

К отличительным признакам заявляемого способа по сравнению с прототипом относятся следующие операции:

- в процессе возведения надземного трубопровода в нижних частях опор изготавливают упрочненные массивы;

- в местах перехода от одного вида прокладки к другому вокруг трубопровода дополнительно устраивают дополнительные локальные по протяженности изоляционные покрытия, исключающие увлажнения изоляционного и теплогидроизоляционного покрытий, осадки, изгибающие моменты и концентрации напряжений в материале трубы, обеспечивающие условия для беспрепятственных пространственных перемещений, надежной эксплуатации трубопровода;

- массивы грунта в нижних частях опор надземного трубопровода, дополнительные локальные по протяженности изоляционные покрытия, в местах перехода от одного вида прокладки к другому изготовляют в процессе упрочнения «тяжелой» нефтью грунта;

- размеры, геометрические формы массивов опор, дополнительных изоляционных покрытий назначают из условий исключения их увлажнения грунтовыми водами, развития процессов коррозии, обеспечения беспрепятственных пространственных перемещений, надежной эксплуатации трубопровода.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

По отношению к прототипу отличительные признаки заявляемого способа позволяют: обеспечить устойчивость надземного трубопровода за счет утяжеления нижних частей опор упрочненными грунтовыми массивами и свободного их перемещения в горизонтальной плоскости при эксплуатации; создать условия для беспрепятственных пространственных перемещений трубопровода в местах перехода от одного вида прокладки трубопровода к другому; исключить увлажнение изоляционных покрытий, осадки грунтов, изгибающие моменты, локальные концентрации напряжений, коррозию металла трубы, разгерметизацию трубопровода; снизить затраты на возведение, повысить надежность эксплуатации трубопровода в северных регионах. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию «положительный эффект».

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают критерию «существенные отличия».

Заявленный комбинированный способ прокладки трубопровода поясняется чертежами. На фиг.1 в вертикальной плоскости представлена геометрия трубопровода при укладке (сплошная линия) и после укладки, с учетом ожидаемой осадки и пространственных перемещений трубопровода (штриховая линия), а на фиг.2 - геометрия трубопровода в плане, при укладке (сплошная линия) и после укладки, с учетом ожидаемых перемещений трубопровода (штриховая линия). Следует отметить, что на фиг.2 участок наземной прокладки трубопровода представлен на уровне поверхности болота и, соответственно, на чертеже не приведена выше расположенная грунтовая насыпь.

Способ осуществляется следующим образом. После выделения на осваиваемой трассе границ расположения участков с надземной (1), наземной (2) и подземной (3) видами прокладки на намеченных участках возводят соответствующие конструкции теплогидроизоляционного трубопровода.

Строительство надземных участков (1) трубопровода при исключении затрат на устройство свайных фундаментов предусматривает установку опор (5) непосредственно на поверхность грунтового основания. В нижних частях опор (5) из грунта изготовляют упрочненные «тяжелой» нефтью массивы (6). Размеры, геометрические формы упрочненных массивов (6) назначают из условий обеспечения устойчивости, безпрепятственного развития пространственных перемещений надземного трубопровода.

В местах перехода от одной к другой конструкции трубопровода (см. фиг.1), и в частности от подземной прокладки (3) к наземной (2), на поверхность болота (7) трубопровод (4) в вертикальной плоскости укладывают в траншею по кривой, включающей участки АБ и БС. За счет конфигурации дна траншеи создают упругий изгиб трубопровода с минимально допустимым из условия прочности радиусом ρ_min. Данный радиус в соответствии с разделом №8 СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы» определяется расчетом с учетом совместной деформации трубопровода с окружающим грунтом. Показатели напряженно-деформируемого состояния (НДС) определяют методом подбора начального минимального радиуса упругого изгиба ρ_min и расчетов трубопровода (4) на внутренние воздействия давления прокачиваемого продукта - р и температурных перемещений трубопровода - _Δt. В плане наземный трубопровод (см. фиг.2), также упругим изгибом трубы (4), прокладывают по поверхности болота (7) с искривлением оси по максимально большому радиусу ρ_max.. При этом образуется начальная стрела прогиба f_o, вершину которой следует совмещать с серединой болота (7). Величины ρ_max. и f_o зависят от диаметра трубы (4), длины болота (7), давления р, температурного перепада Δ_t и определяются расчетом для каждого конкретного случая. Наземная прокладка (2) трубопровода (см. фиг.1) предусматривает отсыпку грунтовой насыпи (8).

Реализация способа основана на известных, достаточно простых в исполнении технологиях. Технологии подземной (3) и надземной (1) видов прокладки предусматривают круглогодичный цикл производства работ. Через болото (7) или обводненный участок наземный трубопровод, как правило, прокладывают зимой. При этом трубу (4) укладывают на предварительно очищенный от снега мерзлый слой, а затем сверху возводят грунтовую насыпь (8). Летом, по мере оттаивания болота (7), труба (4) вместе с насыпью (8) перемещается вниз. Величина осадки S (см. фиг.1) зависит от диаметра трубопровода, мощности насыпи (8) над ним и физико-механических свойств торфа.

В начале эксплуатации, при подаче флюида с положительной температурой t под давлением р, при температурном перепаде _Δt происходит удлинение трубопровода (4) на величину _Δi. Удлинение реализуется за счет перемещения трубопровода (4) под насыпью (8) по поверхности болота (7). При этом стрела прогиба изменяется от f_o до f₁ (см. фиг.2). В результате наземный трубопровод одновременно перемещается вниз и в сторону. В итоге трубопровод (4) занимает новое положение, приведенное на фиг.1 и 2 штриховыми линиями. Фактически участок трубопровода (4) ОАБС (4) на сильно деформируемых грунтах является компенсатором. Основание компенсатора ОА защемлено в минеральном грунте, а его деформируемая часть располагается в торфе, под насыпью (8). Известно, что сопротивление торфа и насыпи (8) поперечному перемещению трубопровода во много раз меньше, чем у минерального грунта природного сложения. Этим и обеспечивается снижение напряженно-деформируемого состояния (НДС) трубопровода (4) от внешних и внутренних нагрузок. В процессе эксплуатации трубопровод в вертикальной плоскости (см. фиг.1) занимает положение, соответствующее штриховой линии. При этом начальный радиус его упругого изгиба ρ_min возрастает до значения ρ_i, а НДС трубопровода (4) уменьшается, происходит повышение надежности эксплуатации конструкции. В результате представляется возможность снижения толщины стенок трубы, затрат при возведении трубопроводов на слабых, обводненных талых или сильно льдистых, деформируемых при оттаивании мерзлых грунтах.

Комбинированный способ в местах перехода от одного вида прокладки к другому, вокруг трубопровода (4), предусматривает дополнительное изготовление из упрочненного «тяжелой» нефтью грунта локальных по протяженности изоляционных покрытий (9). Размеры, геометрические формы изоляционных покрытий (9) назначают из условий исключения увлажнений изоляционных покрытий грунтовыми водами, развития коррозии, обеспечения беспрепятственных для пространственных перемещений трубопровода (4) как в грунтовом массиве, так и непосредственно в теле дополнительных, хорошо деформируемых под воздействием внешних нагрузок, изоляционных покрытий (9), а также сохранения устойчивости трубопровода. Это также отражается на снижении капитальных затрат, повышении показателей эксплуатационной надежности трубопроводов в сложных природно-климатических условиях.

Из выше изложенного очевидно, что предлагаемый способ в полном объеме реализует поставленную цель - снижает затраты на возведение, повышает надежность эксплуатации трубопроводов в северных регионах.

Комбинированный способ прокладки трубопровода, включающий выделение на трассе границ перехода от одного вида прокладки к другому и возведение на участках различных конструкций трубопровода, в местах перехода трубопровода от одного вида прокладки к другому его укладку в вертикальной плоскости производят по кривой с минимально допустимым из условия прочности радиусом упругого изгиба, а в плане - с искривлением наземного участка трубопровода упругим изгибом и расположением вершин поворотов посредине каждого из выделенных на трассе наземных участков, отличающийся тем, что при возведении надземного участка трубопровода на опорах в нижних частях опор изготавливают массивы, а в местах перехода от одного вида прокладки трубопровода к другому, вокруг трубопровода дополнительно изготавливают из упрочненного тяжелой нефтью локальные по протяженности изоляционные покрытия.