ЛЕКЦИЯ 12. СТРОИТЕЛЬСТВО МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДНЫЕ ПРЕГРАДЫ
12.1. Открытый способ строительства трубопроводов через водные преграды.
12.2. Закрытый способ строительства трубопроводов через водные преграды.
Введение
К подводным переходам относятся участки магистральных трубопроводов, пересекающих естественные или искусственные водоемы (реки, озера) шириной более 10м по зеркалу воды и глубиной свыше 1,5 м.
На основании анализов большого количества подводных переходов через реки разработана следующая классификация водных преград:
1 категория: участки, на которых глубинные переформирования русла не превышают одного метра, а плановые 2-3 м, к этой категории относятся мелкие реки шириной до 50 м, а также крупные реки с устойчивыми берегами и руслами. Опасность размыва подводного трубопровода исключается, если глубина заложения превышаем 1 м, а врезка в берег 3-5 м.
2 категория: небольшие глубинные переформирования до 2 м, плановые до 10м, к этой категории относятся участки переходов через крупные, средние реки ленточно-грядового и побочневого типа.
3 категория: максимальные глубинные переформирования русла до 2 м, плановые до 100 м, к этой категории относятся участки переходов через малые, средние и крупные реки с русловым процессом ограниченного незавершенного и свободного типов меандирования и пойменной многорукавности. Возможные размывы участка перехода представляют собой большую опасность вследствие значительной трудности точного определения максимальных плановых переформирований русла. Имеется опасность повреждения трубопровода от гидродинамического воздействия потока, якорями судов.
4 категория: участки рек с особыми формами из руслового процесса: горные реки, селевые потоки, реки с ярко выраженным неустойчивым руслом.
При прокладке подводных переходов должно быть предусмотрено заглубление трубопроводов в дно пересекаемых водных преград. Величину заглубления устанавливают с учетом возможных деформаций русла.
Строительство трубопроводов через водные преграды осуществляется:
-открытым (траншейным) способом, в том числе типа «труба в трубе» с укладкой трубопровода в подводные и береговые траншеи, разработанные в границах переходов плавучей и наземной землеройной техникой;
-закрытым способом с протаскиванием трубопровода в наклонные скважины, выполненные методом наклонно-направленного бурения или методом микротоннелирования.
Открытый способ строительства трубопроводов через водные преграды
Земляные работы
Границы подводного перехода определяются уровнем воды в водоеме (горизонтом высоких вод, ГВВ) 10% обеспеченностью, т.е. уровнем воды в водоеме до которого она может подниматься в течение 100 лет до 10 раз, а в границах ГВВ не ниже 1% обеспеченности необходимо рассчитывать трубопровод с учетом предотвращения его всплытия.
Перед началом разработки подводных траншей выполняют: измерение глубины водоема (с помощью эхолота), водолазное обследование дна реки для выявления случайных препятствий и удаления их в случае обнаружения, проверяются проектные створы переходов.
Для определения конструкции переходов используют теорию русловых процессов. Различают следующие типы русловых процессов:
— ленточно-грядовой – представляет переформирование русла, выражающееся в сползании по нему крупных одиночных поперечных песчаных гряд, получивших название ленточных. Высота 1-2 м, иногда 3 м, шаг 6-8 ширины русла. Плановые деформации бровок берегов русла при этом не характерны. Подобные гряды обладают устойчивым шагом;
— осередковый тип возникает по реках перегруженных насосами и определяется по обилию крупных гряд, сползающих по руслу и образующих осередки и острова;
— побочневый тип образуется в русле реки цепью гряд, отличающихся перекосом плановой линии гребней;
— ограниченное меандирование является дальнейшим развитием руслового процесса побочневого типа и выражается сползанием слабо выраженных излучен при сохранении ими своих размеров и форм;
— свободное меандирование – излучины проходят определенные циклы развития;
— незавершенное меандирование – русловый процесс при котором не образуются характерные для свободного меандирования излучины;
— пойменная многорукавность представляет собой дальнейшее развитие и усложнение незавершенного меандирования.
При разработке траншей земснарядами земляные работы обычно начинают на нижней по течению реки нитке перехода, что позволяет при разработке верхней траншеи использовать часть грунта для засыпки нижней траншеи с уложенным в нее трубопроводом. Разработка, транспортировка грунта и складирование его в подводные и береговые отвалы баржами и путем рефулирования земснарядами не должны мешать судоходству, нарушать установившийся режим потока, вызывать загрязнение водоема и ухудшать экологическую ситуацию в районе перехода.
При глубине водоемов не более 2 – 3 м и незначительной их ширине (до 200 м) для устройства траншеи можно использовать экскаватор, установленный на барже или понтоне соответствующей грузоподъемности. Экскаватор надежно закрепляют на понтоне, который перемещается в створе с помощью якорей. При ширине русла до 150 м работу ведут от одного берега к другому, причем тросы крепят на берегах, что позволяет разрабатывать траншеи без перекладки якорей.
Рис. 12.1 – Разработка подводной траншеи открытым способом.
При глубине водоемов до 1 – 1,5 м и ширине до 100 м возможна разработка подводных траншей экскаватором со специальных земляных дамб. Дамбы устанавливают с берега или отсыпают грунт самосвалами. Делают дамбы шириной (по верху) 4 –5 м. Лучшим материалом для дамбы является гравийный грунт.
При пересечении широких судоходных водных преград при глубине водоема более 4 м рациональнее использовать земснаряды общестроительные или специальные для трубопроводного строительства типа ТЗР.
В отдельных случаях траншея через водную преграду может разрабатываться канатно-скреперной установкой.
Современные методы строительства ППМН
Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естествен- ные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.
Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естественные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.
Обеспечение стабильного функционирования, надежности и безопасности магистральных нефтепроводов входит в ряд первоочередных задач при их строительстве и эксплуатации любой трубопроводной системы.
С точки зрения эксплуатационной надежности МН к участкам с повышенным риском эксплуатации можно отнести переходы через естественные и искусственные преграды.
Повышенный риск эксплуатации любого подводного перехода по сравнению с основной частью магистрального трубопровода определяется не сколько вероятностью возникновения аварийной ситуации, сколько большими экологическими проблемами и экономическими затратами на устранение ее
последствий.
Сроки ликвидации отказов на ППМН во много раз превышают аналогичные показатели на сухопутной части нефтепроводов, а их ремонт по сложности и затратам сопоставим со строительством нового.
В настоящее время в системе ОАО «АК «Транснефть» эксплуатируется свыше тысячи ППМН общей протяженностью около 2 тыс км (включая пойменные участки).
В мировой практике строительства ППМН наиболее широкое применение получили методы их прокладки, которые условно можно разделить на две группы: траншейные и бестраншейные.
БЕСТРАНШЕЙНЫЕ МЕТОДЫ
В настоящее время широкое распространение получили бестраншейные методы строительства подводных переходов магистральных трубопроводов: наклонно направленное бурение, микротоннелирование, тоннелирование, вантовые и др.
При использовании бестраншейных технологий строительства подводных переходов отсутствуют недостатки традиционных методов, уменьшается неблагоприятное воздействие на окружающую среду, в том числе гидрологию водоемов, повышается надежность трубопровода.
Наклонно направленное бурение Строительство подводных переходов методом наклонно направленного бурения (ННБ), в зависимости от характеристик водных преград, технических характеристик используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров протаскиваемого трубопровода (длины криволинейного участка, диаметра и др.), осуществляется по различным технологическим схемам.
Общими для всех технологических схем являются основные этапы ННБ:
— бурение пилотной скважины;
— расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях;
— протягивание трубопровода в разрабатываемую скважину.
Данный метод позволяет обеспечить высокую надежность построенного объекта; сохранение природного ландшафта и экологического баланса в месте проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов; значительное уменьшение риска аварийных ситуаций и, как следствие, гарантию длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.
Применение ННБ имеет ряд ограничений: сложные инженерно-геологические условия, большая протяженность перехода и диаметр укладываемой трубы.
В России были построены единичные переходы протяженностью более 1000 м с диаметром труб не более 1020 мм. Основная масса построенных переходов диаметром труб 1020-1420 мм имеет протяженность не более 500-700 м. Другим ограничением метода ННБ являются сложные геологические условия: галечниковые грунты, грунты с включением валунов, карстовых полостей, скальные, илистые грунты. Эти факторы в совокупности с конструктивными параметрами буровых установок и технологии бурения определяют возможность или невозможность строительства того или иного объекта методом ННБ. Микротоннелирование Метод микротоннелирования (рис. 2) основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционного управляемого проходческого щита. Микротоннельный
щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.
Преимуществами микротоннелирования (так же как и метода ННБ) является отсутствие отрицательного воздействия на русловые процессы пересекаемой водной преграды; надежная защита руслового участка ППМН от размыва и высокая степень защиты трубопровода от механических повреждений, обеспечиваемая прокладкой трубопровода на глубине не менее 7 м от дна и значительно ниже линии предельного размыва русла реки; сохранение экологического баланса в месте проведения работ; отсутствие воздействия на режим судоходства и пр.
Однако микротоннелирование имеет следующие сложности при проходке:
— в трещиноватых доломитах есть большой риск заклинивания трубного става, в связи с относительно высокой прочностью породы и опасностью возникновения неравномерного горного давления;
— на границе перехода из прочных пород в зону карстового образования при малейшем отклонениищита от заданной траектории резко возрастают усилия продавливания всего трубного става (заклинивание), при превышении которых будет происходить разрушение секций трубного става;
— при преодолении карстовых участков возникает большая степень риска отклонения трубного става от проектной траектории прокладки микротоннеля, что повлечет за собой изменение проектного положения и расчетной схемы трубопровода;
— стандартная конструкция труб не предусматривает связи растяжения в стыках, поэтому заклинивание может привести к раскрытиюстыка и прорыва грунта вмикротоннель при проходке в слабых грунтах.
Тоннелирование .jpg)
При сооружении ППМН тоннельным методом используют щитовую проходку защитного кожуха-обделки, состоящего из отдельных колец, которые, в свою очередь, собираются из блоков- сегментов (или тюбингов) под защитой проходческого щита. Для продвижения проходческого комплекса в конструкции щита предусматриваются щитовые домкраты, которые отталкиваются от каждого вновь собранного кольца обделки, тем самым разрабатывая грунт и освобождая место для монтажа следующего кольца обделки. При проходке тоннеля производится первичное и контрольное нагнетание, в результате которого заполняются возможные трещины и пустоты вокруг обделки тоннеля.
Преимущества тоннельного метода прокладки схожи с преимуществами метода микротоннелирования, но при сравнении этих двух методов оказывается, что у первого отсутствуют недостатки, присущие методу микротоннелирования. Тем не менее негативное воздействие на ППМН окружающего грунта, изменение инженерно-геологических условий, к примеру, образование или развитие карстовых полостей, может нарушить целостность сооружения и привести к серьезным экологическим последствиям. Во избежание возможных негативных последствий требуется разработка специальных мероприятий и технических решений, предотвращающих аварийные ситуации при строительстве и способствующих нормальной эксплуатации сооружения и сохранению окружающей среды.
ФОРСИРУЯ ЛЕНУ
Строительство ППМН ВСТО через р. Лену, а именно способ прокладки перехода, вызвало широкий общественный резонанс. После анализа всех возможных способов прокладки проектировщики выбрали траншейный способ строительства перехода через р. Лену как наиболее апробированный в разных грунтовых условиях и имеющий хорошо отлаженную
технологию строительства.
На подготовительном этапе проектирования ППМН проработали пять вариантов местоположения пересечения нефтепроводом р. Лены. В результате анализа вариантов был принят переход ниже г. Олекминска. Выбор створа перехода в данном месте реки обусловлен несколькими причинами, наиболее существенными из которых являются устойчивость русла, его прямолинейность и симметричная форма поперечного сечения, что свидетельствует об отсутствии условий для изменения положения русла и наилучшей
пропускной способности данного участка.
По результатам геологических изысканий установлено, что особенности геологических пород в пределах русла не позволяют осуществить строительство ППМН бестраншейными методами проходки.
В прибрежной и подрусловой части на глубине 10 м и более отмечено наличие карстовых проявлений, дресвяных и щебенистых грунтов. Проходка микротоннельного щита по сильнотрещиноватым породам создает избыточное давление, что ведет к чрезмерному нагружению и заклиниванию режущего инструмента. Эти же факторы являются ограничениями применения метода наклонно направленного бурения при строительстве данного перехода. Кроме того, отсутствует опыт строительства ППМН бестраншейными методами в данных природно-климатических условиях.
При траншейном методе прокладки трубопровод не попадает в зону карстового поражения, расположенную на глубине ниже 10 м, тем самым исключаются его просадка, оголение и провисы.
Для безопасности эксплуатации ППМН через р. Лену был разработан ряд технических решений:
— применение трубы из стали повышенной прочности с увеличенной толщиной стенки до 29 мм;
— диагностика сварных поперечных швов в объеме 200% радиографическим методом, 100-процентный контроль визуально-измерительным методом и 100-процентный ультразвуковой контроль.
Кроме того, был разработан специальный Регламент технической эксплуатации подводного перехода магистрального нефтепровода ВСТО через р. Лену, в котором определены требования по контролю за техническим состоянием ППМН при эксплуатации и природоохранные мероприятия, в том числе мониторинг состояния водного объекта, атмосферного воздуха и почвы, а также мероприятия, направленные на сохранение растительного сообщества и предотвращение развития возможных опасных экзогенных геологических процессов. .jpg)
Из вышеизложенного следует, что принятый комплекс инженерно-технических мероприятий при траншейном способе прокладки подводного перехода через р. Лену гарантирует обеспечение экологической и промышленной безопасности эксплуатации нефтепровода в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации. Другие методы строительства подводного перехода в данных геологических условиях не
обеспечивают безопасного производства работ и эксплуатации перехода в дальнейшем.
Проект перехода получил положительное заключение экологической экспертизы, экспертизы промышленной безопасности, Ростехнадзора РФ, а также федеральных и
региональных органов власти.
Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность ППМН, что увеличит срок их безотказной работы.