СПОСОБ ЗАЩИТЫ УЗЛОВ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В ЗОНАХ С ПОВЫШЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТЬЮ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F16L1/28 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при сооружении подземных магистральных трубопроводов в зонах с повышенной сейсмичностью, а также в районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ).

Магистральные трубопроводы проходят в разных географических зонах, различающихся рельефом, климатическими особенностями, наличием естественных и искусственных препятствий. Все это требует абсолютной надежности конструкций таких ответственных сооружений как магистральные трубопроводы, обеспечения их длительной и безаварийной эксплуатации. Задача эта усугубляется условиями строительства трубопроводных магистралей в районах Севера, Средней Азии, а также возрастанием диаметров магистральных трубопроводов и рабочих давлений в них.

С вопросами надежности связаны условия эксплуатации магистральных трубопроводов, вытекающие из характера местности, наличия естественных и искусственных преград и технологических особенностей работы.

Известно, что трубопроводы, прокладываемые в районах с сейсмичностью 7 баллов и выше, следует проектировать с учетом дополнительных требований, предъявляемых нормативными документами по строительству сооружений в этих условиях. Прокладка и эксплуатация газопроводов на таких грунтах во многих случаях затрудняется из-за постоянных повреждений труб, происходящих благодаря движению грунтовых масс, слагающих такие участки.

В одних случаях при движении грунтовых масс образуются трещины, сбросы, провалы и оползни, иногда перемещение грунта принимает катастрофические размеры. В других случаях происходят лишь небольшие и незаметные для глаза деформации грунта без образования трещин - пластические деформации. Движения второго вида (пластические деформации) происходят несравненно чаще, чем движения первого вида, причем пластические деформации почти всегда предшествуют движениям первого вида.

Большинство повреждений трубопроводов, проложенных на таких участках, происходит благодаря пластическим деформациям. При этом повреждения происходят обычно в местах соединений труб (муфты, раструбы, задвижки) и сопровождаются течью перекачиваемого продукта, которую иногда не сразу можно заметить, причем вытекающий из трубопровода продукт насыщает окружающий грунт, что ведет к усилению деформаций и более сильным повреждениям.

Анализ инженерных решений, обеспечивающих строительство магистральных трубопроводов в зонах с повышенной сейсмичностью, показал, что предлагаемые решения можно условно классифицировать по следующим типам:

- создание искусственных оснований различного вида под трубопроводом, включая различные опорные элементы;

- создание в трубопроводе предварительных напряжений за счет монтажных изгибов трубопровода, которые при эксплуатационных перемещениях трубопровода совместно с грунтами обеспечивают придание трубопроводу новой эксплуатационной формы, что вызывает в нем эксплуатационные напряжения, противоположные по знаку предварительным монтажным, тем самым их компенсируя.

Известен способ прокладки трубопровода, обеспечивающий его сейсмостойкость при прокладке на грунтовом основании с различными свойствами по длине трубопровода. Между участками, характеризующимися резким изменением свойств грунта (например, участок выхода подводного трубопровода на берег), выполняют промежуточный участок с относительным коэффициентом упругого основания, определяемым из соотношения, учитывающего коэффициенты упругого основания всех участков, геометрию трубопровода и его физико-механические характеристики (см. SU 1303786 А1, 15.04.1987). Способ трудоемок и не обеспечивает необходимой надежности в виду необходимости учета значительного количества факторов, имеющих широкий диапазон количественных характеристик.

Анализ сейсмических воздействий на трубопроводы помог установить, что особенности передачи сейсмических воздействий на трубопроводы и характер их работы существенно зависят от системы прокладки трубопровода и его взаимодействия с окружающим грунтом.

В результате анализа фактических материалов о последствиях ряда землетрясений одной из причин разрушения или повреждения подземных трубопроводов являются изгибные деформации, излом, срез трубопровода или осевые деформации в местах присоединения трубопроводов к резервуарам, колодцам, линейным задвижкам, различному оборудованию или трубопроводам другого направления.

Так известно, что наибольшие воздействия на трубопровод оказывают сейсмические волны, направление распространения которых совпадает с направлением трубопроводов. Установлено, что наибольшее число разрушений происходит на трубопроводах, направление которых совпадает с направлением распространения сейсмических волн, при этом указанные разрушения обусловлены растягивающими усилиями, возникающими в защемленных в грунте трубопроводах.

Установлено, что величины деформаций и напряжений в трубопроводе во многом определяются характером взаимодействия грунта и трубопровода, что в свою очередь зависит от параметров сейсмических волн, конструктивных особенностей трубопровода, физико-механических свойств грунта, плотности засыпки траншеи, характера передачи сил трения и других усилий от грунта на трубопровод.

При этом выяснено, что сравнительно небольшие смещения трубопровода в конструкциях, обеспечивающих его податливость, не вызывают повреждений трубопровода. Данные о степени защемления трубопроводов в различных грунтах в зависимости от длительности приложения нагрузки, от времени выдержки трубопровода после засыпки траншеи грунтом являются одними из определяющих при расчете трубопровода на статические и динамические нагрузки. При этом установлено, что влияние слоя подстилающих грунтов является весьма существенным при формировании свободных колебаний грунтовой толщи при сейсмических воздействиях.

Известен способ прокладки подземного трубопровода на сейсмоопасных участках трассы, заключающийся в укладке трубопровода в траншею и использовании специальных оберток трубопровода с засыпкой траншеи рыхлым грунтом или специальным материалом с малым коэффициентом сцепления и с небольшим объемным весом (см. “Сейсмостойкость магистральных трубопроводов и специальных сооружений нефтяной и газовой промышленности” ред. САВИНОВ О.А., Москва, “Наука”, 1980, стр.102).

Известный способ прокладки трубопровода обеспечивает его подвижность за счет снижения степени защемления трубопровода в грунте.

Однако нанесение на трубопровод специальных оберток в известном решении в полевых условиях является процессом не технологичным и трудоемким. Кроме того, засыпка траншеи рыхлым грунтом или специальным материалом с малым коэффициентом сцепления и с небольшим объемным весом отрицательно скажется на работе трубопровода при изменении в нем давления, температурных воздействиях, то есть при основных эксплуатационных воздействиях. Кроме того, способ не эффективен при прокладке в ММГ, поскольку для обеспечения необходимой эксплуатационной надежности трубопровода требуется использование специальных конструктивных и технологических элементов, таких как теплоизоляция, установки охлаждения.

Известен способ сооружения подземного трубопровода, при котором трубопровод проходит над активными зонами тектонических разломов. В известном способе для повышения надежности трубопровода отрывают траншею и в нее устанавливают лотки, которые образуют канал, внутри которого трубопровод через подпружиненные подвески подвешивают к установленным с заданным шагом между плитами покрытия лотков ригелям, что обеспечивает перемещение трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях (RU 2197667 С2, 27.01.2003).

Недостатком известного способа является его сложность, материалоемкость. В то же время сам лоток будучи инженерным сооружением может быть поврежден при сейсмических воздействиях, в результате чего трубопровод получит недопустимые по величине просадки в вертикальной плоскости. Задача повышения надежности трубопровода в известном способе усугубляется условиями строительства трубопроводных магистралей в районах Севера, когда в течение относительно короткого времени происходит увеличение ореола оттаивания многолетнемерзлых грунтов (ММГ) вокруг канала с трубопроводом, что также может привести к недопустимым по величине просадкам канала, а вместе с ним и трубопровода.

Известно, что при эксплуатации трубопроводов имеют место случаи их просадок, выявляемые по оседанию концов труб в местах их соединения с оборудованием, например у входов в камеры. Просадки, равные 30-50 мм, не вызывают особых осложнений и легко устраняются прокладками, просадки 100-150 мм приводят к нежелательным дефектам и требуют, как правило, переварки узлов в камерах. Причиной просадок грунта являются изменения его свойств (под влиянием воды, температуры и нагрузок) или его вымывание. Особенно большие изменения присущи слабым грунтам (слабоуплотненные, насыпные, торфянистые и другие грунты, с коэффициентом постели менее 0,5 кг/см³), а также сильно увлажненным и промороженным. Так, увлажнение подстилающего песка с 5 до 20% уменьшает его начальный объем до 30% и может вызвать просадку трубопровода до 50 мм. Как правило, вымывание песчаной подготовки через дренажную систему или укладка трубопроводов на сильно промороженный (ранее увлажненный) грунт приводит к просадкам до 150 мм. Особенно опасными являются места вблизи камер, сооружаемых после монтажа труб, так как достигнуть требуемого уплотнения под трубами в подходах к камерам почти невозможно.

Известен способ сооружения подземного трубопровода на участках неустойчивых при оттаивании грунтов (см. SU 1665152 А1, 23.07.1991), который является наиболее близким к заявленному решению.

В известном способе для повышения эксплуатационной надежности трубопровода ограничивают ореол оттаивания ММГ. Для этого на участке неустойчивых грунтов трубопровод разветвляют и прокладывают в несколько ниток в разных траншеях. На границах участка устанавливают запорную и переключающую арматуру, а регулирование теплового взаимодействия трубопровода с ММГ в пределах участка осуществляют путем попеременного переключения перекачки продукта по каждой нитке при достижении вокруг нее предельно допустимого ореола оттаивания. Способ не эффективен при сейсмических воздействиях на трубопровод и, кроме того, площадки с размещенной на них запорной и переключающей арматурой при растеплении ММГ превращаются в труднодоступную для обслуживания зону. В случае изменения температурного режима трубопровода обратное промерзание указанных площадок происходит интенсивнее их оттаивания, поскольку последнее осуществляется от точечного источника тепла, в то время как промерзанию способствует весь массив ММГ и атмосферный холод, действующий с поверхности. Известно, что такие процессы сопровождаются пучениями грунта, а при нескольких циклах и выпиранием трубопровода на дневную поверхность.

Кроме того, принятое в практике строительства подземных трубопроводов размещение байпасной линии (см. фиг.1) приводит к тому, что при эксплуатационных перемещениях трубопровода горизонтально расположенная байпасная линия взаимодействует с грунтом засыпки, что отрицательно сказывается на сварных соединениях, а при сейсмических воздействиях приводит к повреждениям байпасной линии.

Таким образом, существует задача создания способа защиты узлов подземных трубопроводов в зонах с повышенной сейсмичностью и многолетнемерзлых грунтах в условиях Севера, при котором перемещения трубопровода должны быть ограничены свыше некоторого расчетного предела, основание трубопровода должно обладать достаточной надежностью, предотвращающей чрезмерную осадку трубопровода. При этом желательно, чтобы способ устранял защемление трубопровода в грунте и обеспечивал возможность смещения грунта относительно трубопровода в местах его соединений с линейными задвижками, в местах соединения с трубопроводами другого направления без значительных деформаций трубопровода, разрушений его изоляции и самого трубопровода в случае воздействия на него сейсмических волн, а также ограничивал величину ореола оттаивания окружающих грунтов.

Указанная задача решается тем, что в способе защиты узлов подземных трубопроводов в зонах с повышенной сейсмичностью, ММГ при температурных перемещениях трубопроводов, заключающемся в отрывке траншеи, укладке в нее оснащенного запорными узлами или ответвлениями трубопровода и засыпке траншеи грунтом, участки расположения запорных узлов с байпасными линиями или с ответвлениями трубопровода располагают в каналах, которые создают из водопроницаемых заполненных грунтом противоэрозионных контейнеров (КП), для чего в местах расположения запорных узлов отрывают траншею увеличенной ширины - уширения, в пределах которых выстилают полотнищами из технической ткани стенки и дно траншеи, устанавливают вертикально не менее чем в один ярус КП, трубопровод укладывают на установленные с расчетным шагом скользящие опоры - грунтозаполняемые контейнерные устройства (ГУК), перед засыпкой траншеи грунтом перекрывают канал сверху снабженной анкерующими элементами силовой мембраной, при этом ширина ряда КП и его высота составляют не менее диаметра трубопровода, а между наружной поверхностью запорных узлов или трубопровода и внутренней поверхностью указанного канала создают расчетной величины зазор, причем засыпку траншеи введут симметрично от продольных относительно трубопровода краев силовой мембраны к трубопроводу.

В частном случае выполнения способа байпасные линии в пределах уширений располагают наклонно, под углом не менее 60 град. к горизонту.

Кроме того, задача решается тем, что скользящая опора представляет собой грунтозаполняемое контейнерное устройство (ГУК), содержащее две соединенные расчетной длины связью и заполненные грунтом мягкие водопроницаемые емкости, в котором из единого полотнища посредством скрепления его поперечных кромок соединительным швом создается обечайка, каждый торец которой образован из полотнища, предварительно скрепленного своими отогнутыми краями с обечайкой или посредством прошивки краев обечайки с предварительным заведением углов внутрь нее, а мягкие емкости получены выворотом центральной части торцов обечайки внутрь с последующим смыканием диаметрально противоположных ее полос до образования перемычки и скреплением полос перемычки силовыми швами с формированием связи, причем продольные оси мягких емкостей располагаются параллельно продольной оси уложенного на мягкие емкости трубопровода.

Водопроницаемые мягкие емкости ГУК выполнены из высокопрочной технической ткани и, в частном случае, водопроницаемые мягкие емкости заполнены песчаным грунтом, при этом каждая из мягких емкостей снабжена торцовым загрузочным рукавом и парой грузоподъемных петель, симметричных продольной оси ГУК.

Использование канала для прокладки участка подземного трубопровода с запорными узлами или для прокладки участка подземного трубопровода с его ответвлениями - поперечными врезками обеспечивает подвижность трубопровода за счет снижения степени его защемления в грунте. Выполнение канала из КП упрощает технологический процесс сооружения подземного трубопровода, обеспечивает необходимую долговечность его конструкции и возможность перемещения трубопровода при изменении температуры и давления вне зависимости от степени сейсмической опасности района. При сейсмических воздействиях на трубопровод конфигурация трубопровода обеспечивает его свободное перемещение, основание трубопровода обладает достаточной надежностью, ограничивает перемещения трубопровода свыше некоторого расчетного предела и предотвращает его чрезмерную осадку. Предложенный способ снижает степень растепления ММГ и обеспечивает удобное обслуживание площадок - мест расположения линейных задвижек трубопровода.

Изобретение поясняется графическим материалом, где изображены: фиг.1 уложенный в траншею 1 трубопровод 2 с запорным узлом 3 и горизонтально расположенной байпасной линией 4, что соответствует принятой практике строительства; фиг.2 - то же, в соответствии с предложенным способом; фиг.3 - крановая площадка 5, вид сверху; фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; фиг.5 - участок трубопровода с ответвлением 6, вид сверху.

Способ осуществляют следующим образом. В зоне с повышенной сейсмичностью, ММГ, при температурных перемещениях трубопроводов отрывают траншею 1. Участки расположения запорных узлов 3 с байпасными линиями 4 или с ответвлениями 6 трубопровода располагают в каналах 7, которые создают из водопроницаемых заполненных грунтом противоэрозионных контейнеров 8 (КП). Для этого в местах расположения запорных узлов 3 создают крановые площадки 5, для чего отрывают траншею увеличенной ширины, создают уширения 9, в пределах которых выстилают полотнищами 10 из технической ткани стенки и дно траншеи, устанавливают вертикально не менее чем в один ярус КП 8, трубопровод 2 укладывают на установленные с расчетным шагом скользящие опоры 11 - грунтозаполняемые контейнерные устройства (ГУ К). Перед засыпкой траншеи 1 грунтом 12 перекрывают канал сверху силовой мембраной 13, снабженной анкерующими элементами 14. Ширина ряда КП 8 и его высота составляют не менее диаметра трубопровода 2, а между наружной поверхностью запорных узлов 3 или трубопровода 2 и внутренней поверхностью указанного канала 7 создают расчетной величины зазор.

Засыпку траншеи введут симметрично от продольных относительно трубопровода 2 краев 15 силовой мембраны 13 к трубопроводу 2. При этом байпасные линии 4 в пределах уширений 9 располагают наклонно, под углом не менее 60 град. к горизонту.

Скользящая опора 11 представляет собой грунтозаполняемое контейнерное устройство (ГУК), содержащее две соединенные расчетной длины связью 16 и заполненные грунтом мягкие водопроницаемые емкости 17, в котором из единого полотнища посредством скрепления его поперечных кромок соединительным швом создается обечайка, каждый торец которой образован из полотнища, предварительно скрепленного своими отогнутыми краями с обечайкой или посредством прошивки краев обечайки с предварительным заведением углов внутрь нее. Мягкие емкости 17 получены выворотом центральной части торцов обечайки внутрь с последующим смыканием диаметрально противоположных ее полос до образования перемычки-связи и скреплением полос перемычки силовыми швами с формированием связи. Продольные оси мягких емкостей располагаются параллельно продольной оси уложенного на мягкие емкости трубопровода. Водопроницаемые мягкие емкости 17 ГУК выполнены из высокопрочной технической ткани и выдерживают без разрушения продольные перемещения трубопровода величиной до 200 мм, а поперечные перемещения в горизонтальной плоскости - до 100 мм. В частном случае, водопроницаемые мягкие емкости ГУК заполнены песчаным грунтом, при этом каждая из мягких емкостей снабжена торцовым загрузочным рукавом и парой грузоподъемных петель. Каждый загрузочный рукав вшит в щелевое отверстие, расположенное в середине торца (крышки) параллельно боковым грузовым петлям и полученное посредством прерывания строчения соединительного шва, скрепляющего отогнутые поперечные края обечайки, или вшит в край кольцевого отверстия в полотнище, образующем торец емкости. Длина связи 16 рассчитывается из условия обеспечения центрального угла α равным 90-120 градусов.

КП представляет собой закрытый мягкий мешок, крышка которого снабжена щелевым отверстием, а с кромкой отверстия соединен мягкий загрузочный рукав, его днище, стенки и крышка образованы из предварительно уложенных крестообразно двух неравной длины полотнищ, предварительно сшитых по кромкам соединительными швами, при этом зона пересечения прострочена и образует двухслойное дно мягкого мешка, а его крышка образована отогнутыми поперечными краями более длинного полотнища. Щелевое отверстие для заполнения мягкого мешка сыпучим материалом расположено в середине крышки параллельно боковым грузовым петлям и получено посредством прерывания строчения соединительного шва, скрепляющего отогнутые поперечные края более длинного полотнища. Заполненные сыпучим материалом КП выполнены из технической ткани или других долговечных рулонных материалов. Силовая мембрана выполнена из долговечной технической ткани с расчетными относительным удлинением и прочностью на разрыв. На краях силовой мембраны выполнены проушины, в которых размещают анкерующие длинномерные элементы, посредством которых закрепляют силовую мембрану в грунте засыпки. Проушины образованы сшивкой полотнища силовой мембраны с его отогнутыми продольными краями, причем швы выполнены равнопрочными с материалом полотнища. Для пропуска длинномерных элементов в проушины в них выполняют с расчетным шагом поперечные продольным кромкам резы или создают отверстия за счет прерывания шва, скрепляющего полотнище с его отогнутыми продольными краями. Общая схема прокладки трубопровода обеспечивает возможность перемещения трубопровода при изменении температуры и давления вне зависимости от степени сейсмической опасности района. Конфигурация трубопровода обеспечивает его свободное перемещение, а основание трубопровода обладает достаточной надежностью, ограничивает перемещения трубопровода свыше некоторого расчетного предела и предотвращает его чрезмерную осадку. Конструкция трубопровода обеспечивает активное гашение колебаний трубопровода, но в то же время не препятствует работе трубопровода на основные эксплуатационные нагрузки и воздействия.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при сооружении подземных магистральных трубопроводов в зонах с повышенной сейсмичностью, а также в районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ). В зонах с повышенной сейсмичностью участки расположения запорных узлов трубопровода с байпасными линиями или с ответвлениями располагают в каналах, которые создают из водопроницаемых заполненных грунтом противоэрозионных контейнеров (КП). Отрывают траншею с уширениями, выстилают полотнищами из технической ткани стенки и дно траншеи, устанавливают вертикально не менее чем в один ярус КП, трубопровод укладывают на установленные с расчетным шагом скользящие опоры - грунтозаполняемые контейнерные устройства (ГУК). Перед засыпкой траншеи грунтом перекрывают канал сверху силовой мембраной. Между наружной поверхностью запорных узлов или трубопровода и внутренней поверхностью канала создают расчетной величины зазор. Засыпку траншеи ведут симметрично от краев силовой мембраны к трубопроводу. Байпасные линии в пределах уширений располагают наклонно, под углом не менее 60 град. к горизонту. Изобретение повышает надежность трубопровода за счет снижения его защемления в грунте, ограничения перемещения трубопровода и его чрезмерной осадки. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ защиты узлов подземных трубопроводов в зонах с повышенной сейсмичностью и многолетнемерзлых грунтах при температурных перемещениях подземных трубопроводов, заключающийся в отрывке траншеи, укладке в нее оснащенного запорными узлами или ответвлениями трубопровода и засыпке траншеи грунтом, отличающийся тем, что участки расположения запорных узлов с байпасными линиями или с ответвлениями трубопровода располагают в каналах, которые создают из водопроницаемых, заполненных грунтом противоэрозионных контейнеров (КП), для чего в местах расположения запорных узлов отрывают траншею увеличенной ширины, в пределах которой выстилают полотнищами из технической ткани стенки и дно траншеи, устанавливают вертикально не менее чем в один ярус КП, трубопровод укладывают на установленные с расчетным шагом скользящие опоры - грунтозаполняемые контейнерные устройства (ГУК), перед засыпкой траншеи грунтом перекрывают сверху канал снабженной анкерующими элементами силовой мембраной, при этом ширина ряда КП и его высота составляют не менее диаметра трубопровода, а между наружной поверхностью запорных узлов или трубопровода и внутренней поверхностью указанного канала создают расчетной величины зазор, причем засыпку траншеи ведут симметрично от продольных относительно трубопровода краев силовой мембраны к трубопроводу.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что байпасные линии в пределах уширений располагают наклонно под углом не менее 60° к горизонту.3. Грунтозаполняемое контейнерное устройство (ГУК), содержащее две соединенные расчетной длины связью и заполненные грунтом мягкие водопроницаемые емкости, в котором из единого полотнища посредством скрепления его поперечных кромок соединительным швом создается обечайка, каждый торец которой образован из полотнища, предварительно скрепленного своими отогнутыми краями с обечайкой или посредством прошивки краев обечайки с предварительным заведением углов внутрь нее, а мягкие емкости получены выворотом центральной части торцов обечайки внутрь с последующим смыканием диаметрально противоположных ее полос до образования перемычки и скреплением полос перемычки силовыми швами с формированием связи, причем продольные оси мягких емкостей располагаются параллельно продольной оси трубопровода, уложенного на указанные мягкие емкости.4. Устройство по п.3, в котором водопроницаемые мягкие емкости выполнены из высокопрочной технической ткани.5. Устройство по п.3, в котором водопроницаемые мягкие емкости заполнены песчаным грунтом.6. Устройство по п.3, в котором каждая из мягких емкостей снабжена торцовым загрузочным рукавом и парой грузоподъемных петель, симметричных продольной оси ГУК.