WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Разработка методов укладки магистральных газопроводов в условиях заполярья

На правах рукописи

ХОМИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УКЛАДКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ

Специальность 25.00.19 – «Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тюмень - 2007 г.

Диссертационная работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском институте по строительству и эксплуатации трубопроводов, объектов ТЭК (ОАО ВНИИСТ).

Научный руководитель: кандидат технических наук Гаспарянц Рубен Саргисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Малюшин Николай Александрович кандидат технических наук, доцент Торопов Сергей Юрьевич
Ведущая организация: ОАО «Гипротюменнефтегаз»

Защита состоится 25 мая 2007 года в 14.00. на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу:

625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72

Автореферат разослан «____» апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Открытое в середине 1960-х годов месторождение Заполярное около 30 лет находилось в числе резервных. Острая необходимость компенсации падающего уровня добычи газа на действующих промыслах страны ускорила принятие решения об обустройстве этого месторождения.

В связи с этим возникли проблемы, связанные с созданием трубопроводных систем в условиях Крайнего Севера. Помимо очевидных трудностей, обусловленных суровым климатом этих районов, появились и новые, ранее не встречающиеся проблемы. К их числу, прежде всего, следует отнести практически полную неизученность характера взаимодействия трубопровода с грунтами региона.

При прокладке подземных трубопроводов, ввиду сильной обводненности грунтов, главной трудностью стало решение задач по их балластировке. Существующие методы балластировки зачастую не могли быть применены на участках строящегося газопровода Заполярное - Уренгой.

Поиск возможных технологических решений по укладке забалластированного трубопровода с большой глубиной заложения привел к актуальной необходимости рассмотрения ряда «нетрадиционных» строительных технологий. Среди них основное внимание было уделено оценке применимости так называемого бесподъемного метода укладки, который обычно принято именовать как метод подкопа. Этому методу и посвящена настоящая работа.

Состояние изученности вопросов темы. Вопросом изучения конструктивно-технологических параметров процесса бесподъемной укладки занимались ученые Аникин Е.А., Герштейн М.С., Габелая Р.Д., Королев М.И., Гаспарянц Р.С. и др. на результатах работ которых ссылается автор в своих исследованиях.

Целью работы является разработка бесподъемной укладки магистральных газопроводов в условиях Заполярья.

Основные задачи исследований:

• Оценить применимость для условий Крайнего Севера строительной технологии и конструктивных решений по прокладке газопроводных систем в грунтах с изменчивыми мерзлотными характеристиками;

• Разработать на основе научных подходов наиболее эффективные организационно-технологические решения по строительству протяженных участков газопровода (с предварительно установленными балластными утяжелителями) в условиях сильно водонасыщенных грунтов, включая возможное использование бесподъемных методов укладки плетей;

• Создать методологические основы по проведению обследований технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги с разработкой рекомендаций по совершенствованию процессов проектирования и строительства этих объектов и улучшению их качества;

• Выявить пути совершенствования конструктивных решений и технологии возведения защитных противоэрозионных сооружений на наземных участках газопроводов в местах их выхода из насыпи (в составе водопропускных объектов) и разработать новые конструкции закрепления фронтальных откосов насыпи, отвечающих требованиям надежности, промышленной и экологической безопасности.

Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических исследований. Теоретические исследования основывались на теории строительной механики и математического анализа, а также теории моделирования.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель расчета напряжений при укладке трубопровода методом многоступенчатого подкопа.

2. На основе предложенной математической модели автором найден безразмерный параметр , позволяющий унифицировать расчеты по определению напряжений при укладке трубопровода в траншею.

3. Выявлены закономерности взаимосвязи между изгибающими моментами, действующими в процессе монтажа, и оптимальными расстояниями между забоями.

4. Получены расчетные соотношения, позволяющие корректировать технологические параметры схем укладки трубопроводов с учетом фактических нагрузок.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований рекомендуется использовать при проектировании и производстве строительно-монтажных работ по сооружению магистральных трубопроводов в условиях сильнообводненных грунтов, а также применять в курсах обучения студентов по специальности: «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно- технических семинарах и конференциях (2001-2006 г.г.). Диссертация заслушана и рекомендована к защите на межкафедральном научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета 16 апреля 2007 г.

Публикации, структура и объем диссертации:

Основное содержание работы опубликовано в 4 научных статьях. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка использованной литературы из 91 наименования. Диссертация изложена на 163 страницах текста, содержит 39 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В первом разделе дана общая характеристика условий строительства объектов трубопроводного транспорта в условиях Крайнего Севера, а также проведен анализ существующих методов проектирования и строительства магистральных газопроводов.

Проблемы, связанные с созданием трубопроводных систем в условиях Крайнего Севера и Заполярья, возникли в связи с открытием новых нефтегазовых месторождений в арктических и субарктических районах нашей страны. Практически одновременно с этим аналогичные задачи появились и в других странах мира, в частности, в США (на Аляске) и в Канаде (на территории ее северных провинций).

Островная мерзлота является одним из основных факторов, который объективно отражает специфику рассматриваемого района строительства.

При сооружении газопроводов Крайнего Севера необходимо особо выделить этот фактор - условия взаимодействия конструкции с многолетнемерзлыми грунтами, который определяет работоспособность линейного сооружения на стадиях строительства и эксплуатации и требует всестороннего изучения.

Для надземных участков, сооружаемых в этих условиях, главную опасность представляют нагрузки, обусловленные самой северной природой (низкие температуры, особые характеристики ветров, специфика взаимодействия трубопровода со снегом).

Для подземных трубопроводов одной из главных трудностей становится решение задач по балластировке. Кроме того, ограничивающим фактором выступила экологическая проблема, по сути, обязывающая вести строительство только в зимний период.

Традиционно используемые технологии укладки трубопроводов предусматривают, как правило, раздельное выполнение работ, связанных с устройством траншей и непосредственным опуском забалластированных трубных плетей (или отдельных труб, секций) в проектное положение.

Примерами тому могут служить широко распространенные методы укладки плетей «с бровки» (точнее, с бермы) уже готовой траншеи или другие не менее известные способы, основанные на использовании продольного перемещения укладываемой плети (сплав, протаскивание), которые также предусматривают предварительную разработку траншей.

Возможны также варианты, когда плеть балластируется заранее, и уже вместе со смонтированными утяжелителями укладывается в проектное положение. Наиболее употребительным такой прием является в случае использования методов сплава или протаскивания. Тем не менее, применительно к укладке с бермы траншеи допускается осуществлять укладку предварительно забалластированных плетей.

Анализ возможности реализации и область применения методов укладки с бермы забалластированного трубопровода из труб диаметром 1420 мм определяются рядом обстоятельств:

Во-первых, глубина траншеи в тех местах, где предусматривается укладка плетей, оснащенных утяжелителями, не должна превышать 3,2м. Иначе монтажные напряжения в металле труб могут превысить допустимый уровень. Заметим, что в реальных условиях глубина траншеи может достигать значений 4,0 4,2м;

Во-вторых, применение балластировки обусловлено, как правило, наличием на трассе сильнообводненных грунтов, где крутизна откосов траншеи не превышает значения 1:1 или они закладываются еще более пологими. В этих условиях трубоукладчики, участвующие в укладке плети работают с предельно максимальным вылетом стрел (до 6 7 м). Каждый из них, имея момент устойчивости против опрокидывания порядка 110тс·м, способен нести нагрузку на крюке в пределах 14 17 тс (при коэффициенте запаса равном 1,1).

Учитывая, что забалластированный трубопровод имеет значительный вес, каждый трубоукладчик в колонне будет способен поднять всего лишь 4 5 м такого трубопровода. Другими словами, даже если все трубоукладчики (а их в такой колонне должно быть около 10 единиц) будут находиться вплотную друг к другу, они просто «не впишутся» в собственные габариты;

В-третьих, на отдельных участках трассы могут встретиться места, где потребуется дополнительный вылет стрелы по сравнению с указанными выше значениями, и здесь возникает еще одна трудность - стрела имеет ограниченную длину (она составляет около 8 м).

Перечисленные ограничения, а также высокие стоимостные показатели во многом предопределяют слабую допустимую область применения метода укладки забалластированного трубопровода с бермы траншеи.

Если рассматривать вариант технологии, когда сначала выполняется укладка плети, а затем производится ее балластировка, то здесь могут возникнуть другие трудности. В частности, работы по монтажу кольцевых утяжелителей на уложенном трубопроводе в условиях, когда уровень воды в траншее может достигать 1,0 1,2 м, вести крайне сложно (а порой и вообще невозможно). Осуществлять же здесь водопонижение не всегда представляется возможным.

Анализируя возможность применения сплава забалластированных плетей (например, применительно к строительству пойменного участка перехода через р. Пур), снова приходится сталкиваться с проблемой уровня воды в траншее. В данном случае он недостаточно высок для осуществления сплава.

Рассматривая вариант протаскивания забалластированной плети по дну траншеи, приходится искать места для установки тяговых лебедок (с усилием около 300 тс). Таких мест - с устойчивыми грунтами - на рассматриваемом участке трассы просто нет.

Что касается возможности применения потрубной сборки плетей (метод последовательного наращивания нитки трубопровода непосредственно в проектном положении), то применительно к заданным условиям такая технология - по причине наличия воды в траншее - не рассматривалась. К тому же для опуска одной трубы весом около 42 тонн потребовалось бы при вылете стрел, равном 6 м, не менее четырех трубоукладчиков. Такое их количество невозможно разместить на длине участка 12 м (т.е. на длине одной трубы). Это обстоятельство явилось, пожалуй, ключевым при отказе рассмотрения метода потрубной сборки.

Выполненный анализ - в части возможного применения «стандартизированных» методов укладки забалластированных плетей в условиях поймы р. Пур - показывает, что ни один из известных методов нельзя считать приемлемым для эффективного использования на данном участке трассы.

Дальнейший поиск возможных технологических решений по укладке забалластированного трубопровода с большой глубиной заложения приводит к необходимости рассмотрения ряда «нетрадиционных» строительных технологий. Среди них основное внимание было уделено оценке применимости так называемого бесподъемного метода укладки, который обычно принято именовать как метод подкопа.

Во втором разделе представлена расчетная методика определения технологических параметров схем многоступенчатой бесподъемной укладки трубопровода методом подкопа.

Впервые о бесподъемном методе укладки трубопроводов было упомянуто в конце 1960-х годов в связи с рассмотрением вопроса о возможном строительстве газопроводов диаметром 2500мм из Западной Сибири в европейскую часть страны. Однако дальнейшего развития сама идея строительства таких трубопроводов не получила развития, а сам метод долгое время оставался невостребованным.

Суть метода состоит в том, что под сваренной ниткой трубопровода разрабатывают с помощью специальной машины (трубозаглубителя) грунт, в образовавшуюся траншею под действием собственного веса опускается укладываемый трубопровод

Среди известных публикаций имеются разработки, в которых получило дальнейшее развитие идея бесподъемной укладки. Было предложено, в частности, организовать работы по заглублению трубопровода так, чтобы при наличии одновременно двух забоев форма изгиба укладываемой части формировалась таким образом, чтобы произошло обеспечение дополнительного снижения монтажных напряжений в трубопроводе.

В диссертации представлена математическая модель схем бесподъемной укладки трубопровода с применением одного и двух забоев. Получены количественные характеристики взаимосвязи между изгибающими моментами, действующими на трубопровод в процессе монтажа, и оптимальными расстояниями между забоями. Расчетная глубина заложения трубопровода при применении схемы с двумя забоями составляет = 3,16 м. Если при этом учесть на участке укладки рельеф местности, то допустимая для этой схемы глубина траншеи оказывается еще меньшей (2,36 м).

Ввиду того, что область применения схем с одним и двумя забоями весьма ограничена (недостаточная во многих случаях глубина траншеи), возникла необходимость рассмотрения случая, когда укладку трубопровода по бесподъемной технологии придется выполнять с использованием трех забоев. Решение поставленной задачи велось с учетом полученных расчетных соотношений для схем с одним и двумя забоями.

Расчетная схема применительно к случаю с тремя забоями представлена на рисунке 1, технологическая схема - на рисунке 2.

Рис. 1. Расчетная схема укладки трубопровода методом подкопа

(с тремя забоями)

Обозначения на рис.1: - расстояния от точки 0 до точек забоев, - глубина забоев, - нагрузки в точках опирания трубопровода на грунт.

По представленной методике были получены следующие соотношения (обозначения, как на рис.1):

Глубина забоя в точке 2

;

глубина забоя в точке 3

.

Технологические расстояния между забоями L1 и L2 (см. рис. 2)

;

,

где EJ - изгибная (балочная) жесткость трубопровода в точке 4;

q - расчетный вес единицы длины забалластированного трубопровода на воздухе;

- требуемая глубина траншеи.

 Технологическая схема укладки трубопровода методом поэтапного подкопа-10

Рис. 2. Технологическая схема укладки трубопровода методом поэтапного подкопа

Рассчитанные по методике автора технологические параметры с использованием безразмерных множителей (например, =1,8847 или =1,2212) позволяют в случае необходимости осуществлять физическое моделирование схем укладки трубопровода с различными «свойствами» (диаметр, глубина заложения). В работе также представлены расчетные соотношения для определения изгибающих моментов в искомых точках.

В диссертации проанализированы дополнительные воздействия на трубопровод, неучтенные в математической модели, и выведены расчетные соотношения, позволяющие скорректировать технологические параметры схем укладки с учетом этих воздействий. К их числу относятся: влияние проектного рельефа местности, воздействия, связанные с возможными несовершенствами исходной формы оси трубопровода, неучтенные нагрузки, обусловленные наличием начальной консоли (т.е. зависающего участка плети на стадии выполнения работ вблизи ее начала).

В результате проведенных расчетов схемы с тремя забоями была получена максимальная глубина траншеи, равная 4,2 м, что в большинстве случаев оказывается достаточным для прокладки трубопровода.

При разработке производственной документации (ППР, технологических карт и т.д.) рекомендуется производить разделение трассы на участки, где предусматривается применение различных схем, отличающихся количеством забоев. При этом следует руководствоваться рекомендациями предложенными в данной работе.

В третьем разделе проведен анализ существующих решений по прокладке трубопроводов на пересечениях с дорогами в условиях Крайнего Севера. На основе расчетных обоснований и проведенного обследования фактического состояния защитного кожуха перехода газопровода через дорогу разработан ряд рекомендаций по выбору строительно-технологических параметров кожухов в условиях обводненности и неоднородности грунтов Крайнего Севера.

Во-первых, при траншейной прокладке кожухов диаметром 1720 мм на переходах необходимо в составе проектной документации предусмотреть дополнительное увеличение толщины их стенки до 20мм, сопровождая такое решение соответствующими расчетными обоснованиями.

Во-вторых, в составе всей документации: рабочих чертежах (в виде указаний по монтажу); проекте организации строительства (в разделе, где указывается применяемые методы строительства), а также проекте производства работ (в общей пояснительной записке и в соответствующих технологических картах) необходимо строго регламентировать требования к защите кожуха в период его монтажа от механических повреждений, в том числе от чрезмерных деформаций поперечных сечений.

В-третьих, непосредственно при выполнении работ необходимо осуществлять тщательный инструментальный контроль за положением и состоянием кожуха на всех этапах его монтажа и в процессе засыпки траншеи (котлована), обеспечивая при этом постоянную проверку качества послойного уплотнения грунта. В проекте дополнительно следует оговаривать условия заполнения грунтом пазухов и его уплотнения в этих местах (с указанием методов производства работ и способов контроля качества подбивки).

Помимо указанных мер следует предусматривать и ряд других мероприятий, а именно: установку временных распорок внутри кожуха, монтаж наружных ребер жесткости или временных подкрепляющих колец изнутри и т.п. Подобные меры обеспечивают сохранность заданной круглой формы поперечных сечений кожуха, но не исключают возможного искривления его оси в процессе производства работ.

Для того чтобы обеспечить строгую прямолинейность кожуха во время его засыпки и в процессе уплотнения грунта необходимо организовать эти работы согласно разработанной схеме, которая предусматривает: одновременное выполнение одноклинных операций с обеих сторон кожуха; формирование текущего уровня засыпки по всей длине кожуха (не допуская таких ситуаций, когда одна часть кожуха уже полностью засыпана, а другая еще открыта); поэтапный контроль высотного и планового положения оси кожуха.

В четвертом разделе представлена технология закрепления фронтальных откосов насыпи над трубопроводом в местах размещения по трассе водопропусков. Технология закрепления откосов узла выхода газопровода из грунта разработана проектным институтом ДОАО «ВНИПИгаздобыча» при непосредственном участии автора данной диссертации. Реализация данной конструкции осуществлена на ряде участков газопровода Заполярное - Уренгой (I нитка).

Также в разделе представлена практическая реализация полученных в работе результатов. Бесподъемная укладка участка газопровода по приведенной в работе технологии была произведена в пойме р.Пур (Заполярье), общая протяженность экспериментального участка составила 600 м.

Работы выполнялись в следующей последовательности:

• Непосредственно над осью будущей траншеи производится сварка труб, затем плеть изолируют и покрывают футеровкой, после чего на участок, подлежащий балластировке, монтируют кольцевые (железобетонные или чугунные) утяжелители;

• Производится укладка трубопровода путем удаления грунта из-под плети, причем осуществляется это «ступенями» разрабатывая грунт одновременно с двух сторон от укладываемого трубопровода;

• Дополнительно (если это требуется) грунт в траншее размывается с помощью гидромониторов.

Основные выводы по работе:

1. Проведенный анализ показал, что традиционно используемые технологии укладки трубопроводов в ряде случаев не могут быть применены в условиях Заполярья. В связи с этим разработан и реализован на практике многоступенчатый метод бесподъемной укладки предварительно забалластированных трубных плетей газопровода на сильно водонасыщенных грунтах.

2. Разработаны эффективные технологии прокладки протяженных участков газопроводов большого диаметра в условиях водонасыщенных грунтов с использованием бесподъемных методов укладки плетей.

3. Разработана методика по проведению обследования технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги. На основе проведенного обследования защитного кожуха разработаны рекомендации по совершенствованию строительства и определению конструктивных параметров переходов через дороги в условиях неоднородности грунтов Крайнего Севера.

4. Разработана и внедрена технология закрепления фронтальных откосов в местах «входа-выхода» трубопровода из насыпи при сооружении водопропусков, обладающая положительными качествами по сравнению с существующими (касательно районов Крайнего Севера).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хомиченко С.А. Новые материалы и технология теплоизоляции на строительстве газопровода Заполярное –Уренгой. / Юшков Ю.Ю. Рудавец И.М.//. Производственно-технический журнал «Потенциал» № 3, 2001, - С.28-30

2. Хомиченко С.А. Новые технологические решения на строительстве газопровода Заполярное - Уренгой. / Аникин Е.А., Габелая Р.Д., Рудавец И.М./ Производственно-технический журнал «Потенциал», № 6. 2001.- С. 15-17.

3. Хомиченко С.А. Оптимизация параметров технологических схем укладки газопроводов бесподъемным способом. / Важенин Ю.И. // Журнал «Известия вузов.Нефть и газ». - Тюмень: ТюмГНГУ. - 2007. - С. 38-42.

4. Хомиченко С.А., Гнатусь Н.А., Аникин Е.А., Гаспарянц Р.С., Габелая Р.Д., Рудавец И.М. Способ укладки предварительно забалластированного трубопровода на обводненных участках. Патент на изобретение РФ, № 2176758. М. 10 декабря 2001 г.

подписано к печати 2007г. Бум. писч. №1
Заказ № ____ Уч. – изд. л. 1,00
Формат Усл. печ. л. 1,00
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.

_____________________________________________________________________

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52



 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.