Технология укладки подводных трубопроводов и расчетное обоснование схем укладки

Подготовленный к укладке в подводную траншею переход представляет отрезок или несколько отрезков трубопровода, общая длина которых на несколько десятков метров превы­шает ширину водной преграды между урезами воды. Сварен­ный в нитку, заизолированный и футерованный, утяжеленный грузами и оснащенный необходимыми приспособлениями тру­бопровод устанавливают в исходном перед укладкой положе­нии. Операция по укладке является основной, завершающей большой объем подготовительных работ. Поэтому к ее прове­дению необходимо готовиться тщательным образом. Сущест­вует много способов и схем укладки трубопроводов в подвод­ные траншеи. Все они могут быть разбиты на три способа: протаскивание по дну, погружение с поверхности воды трубо­провода полной длины и погружение с поверхности воды по­следовательным наращиванием секций трубопровода.

Укладка способом протаскивания

Суть способа заключается в следующем. Трубопровод прота­скивают по дну подводной траншеи с одного берега к другому с помощью троса, заранее проложенного в траншее. Этот способ позволяет выполнить укладку трубопровода, не создавая по­мех судоходству, что очень важно, так как практически на всех реках в летний период судоходство очень интенсивное. Технологическая последовательность основных операций, свя­занных с укладкой протаскиванием, следующая: трубопровод сваривают на берегу в нитку, опрессовывают, изолируют, фу­теруют, а в необходимых случаях балластируют; устраивают спусковую дорожку, на которую помещают подготовленный к укладке трубопровод; по дну подводной траншеи укладывают тяговый трос; протаскивают трубопровод через водную пре­граду с помощью тракторов или лебедок; по окончании про­таскивания проводят водолазное обследование и испытание уложенного трубопровода, определяют его положение и затем засыпают грунтом. К моменту укладки должны быть подго­товлены как трубопровод, так и береговые и подводные тран­шеи. К протаскиванию трубопровода можно приступить после того, как будет установлено, что фактические данные подвод­ной траншеи соответствуют проектным. Приведем основные схемы укладки трубопроводов протаскиванием.

Схема 1. Оба берега водоема имеют равнинный характер, что создает благоприятные предпосылки для протаскивания полностью подготовленного к укладке трубопровода с одного берега к другому тракторами без изменения направления их движения (рис. 13.19, а). На одном из берегов устанавливают спусковую дорожку, достаточную для размещения всего тру­бопровода, а на другом берегу находятся тяговые средства. Длина протаскиваемого по схеме 1 трубопровода ограничива­ется размером площадок на обоих берегах водоема, а также тяговым усилием и наличием для его создания тяговых средств. Как показывает опыт, при большом числе тракторов или дру­гих самоходных тягачей трудно добиться синхронности их ра­боты. Например, использование одновременно более пяти ма­шин на одном тяговом тросе из-за сложности синхронизации их работы не приводит к существенному увеличению тягового усилия. При всей кажущейся простоте схемы именно это при­водит к задержкам и остановкам протаскивания. Поэтому на­кануне протаскивания необходимо провести проверку согласо­ванности в действиях машинистов и одновременно достаточно­сти тяговых средств. Для этой цели укладываемый трубопровод один-два раза сдвигают с места (основной трос к этому вре­мени должен быть проложен через водоем). Во время испыта­ния тяговые механизмы должны быть расставлены как и во время протаскивания. Наибольшее усилие протаскивания воз­никает именно в момент трогания. Поэтому в процессе пробного трогания проверяют

надежность тягового троса, крепле­ний и достаточность тяговых средств. Операция по протаски­ванию облегчается при применении тяговых лебедок большой грузоподъемности, предназначенных специально для протаски­вания подводных трубопроводов. Как видно из табл. 13.4, ис­пользуя различные лебедки, можно обеспечить укладку труб длиной до 1600 м. Однако при этом тяговое усилие может ока­заться значительно большим, чем дает лебедка. Для умень­шения тягового усилия часто «разгружают» протаскиваемый по берегу трубопровод с помощью трубоукладчиков (рис. 13.19, б), устанавливаемых вдоль трубопровода. Это по­зволяет в ряде случаев отказаться от устройства специальных спусковых дорожек. Обычно для протаскивания используют один тяговый трос. Однако с увеличением диаметра и длины трубопровода тяговое усилие достигает таких значений, что для передачи его от лебедки или тягачей на трубопровод по­требуется трос диаметром 50 мм и более. Выполнять такелаж­ные работы с таким тросом сложно, поэтому применяют два, а при необходимости и большее число тросов. В этом случае необходимо «развести» тросы в разные направления, например, как изображено на рис. 13.20 (тросы 2, 3, 4). Каждый тягач (это может быть и лебедка)

способен создавать свое усилие pi, pi, рз- Однако суммарное усилие, приложенное к оголовку трубопровода /, должно быть равно усилию, необходимому для протаскивания.

Схема 2. Протаскивание трубопровода осуществляется с из­менением направления движения тягового троса на необходи­мый угол с помощью блока. Эта схема применяется, когда на одном берегу реки, обычно пологом, можно разместить подго­товленный к укладке трубопровод, а на другом движение тя­гачей возможно только по узкой береговой полосе. Протаски­вание по этой схеме осуществляется, как изображено на рис. 13.21, а. Особое внимание уделяют закреплению поворот­ного блока, расчету и устройству анкерной опоры. При пересе­чении водных преград, на одном из берегов которых невоз­можна работа тракторов и лебедок, например при большой крутизне берега или сильной заболоченности его, протаскива­ние осуществляется с исходного берега (рис. 13.21, б). На

труднодоступном берегу устанавливают блок, с помощью ко­торого изменяют направление движения тягового троса на 170—180°. Тяговый трос прокладывают по дну траншеи, про­пускают через блок и перекидывают на исходный берег, где закрепляют его на тяговой лебедке или тракторе. Как и в пре­дыдущей схеме, особое внимание уделяют закреплению пово­ротного блока, расчету анкера и испытанию его несущей спо­собности. Для уменьшения тягового усилия можно устраивать спусковую дорожку или разгружать трубопровод, поднимая трубоукладчиками.

Схема 3. При незначительных размерах площадок в створе перехода, пригодных для производства строительно-монтажных работ на обоих берегах, протаскивание осуществляется после­довательным наращиванием укладываемого трубопровода (рис. 13.22). При выполнении работ по данной схеме сложных спусковых дорожек обычно не устраивают, поскольку длина отдельных плетей составляет не более 120—200 м. В этом слу­чае протаскивание можно выполнить по спланированному грунту или с поддержкой плетей трубоукладчиками.

Схема 4. Трубопровод укладывают протаскиванием с одно­временной заливкой внутрь его воды. Этот способ часто при­меняют при укладке нефтепроводов, если по условиям судо­ходства или иным причинам укладка их с поверхности воды не допускается. Вода заливается в процессе протаскивания в спе­циально сделанное овальное отверстие в головной части трубо­провода. На берегу трубопровод перемещают по спусковой до­рожке или трубоукладчиками. При заполнении водой вес его в подводном положении незначительно уменьшается по сравне­нию с весом в воздухе, поэтому тяговое усилие оказывается наибольшим не в начальный момент, а в конце протаскивания, когда весь трубопровод уходит под воду. Для уменьшения тя­гового усилия применяют разгружающие понтоны,

которыми заранее оснащают трубопровод. Число понтонов определяют из расчета, чтобы общая отрицательная плавучесть (т. е. вес трубопровода в воде) создавала достаточную устойчивость от сдвига его течением воды. Скорость протаскивания нефтепро­водов с самозаливом в них воды зависит от скорости заполне­ния трубопровода водой. Отверстие для самозалива воды (оно видно на рисунке) делают с таким расчетом, чтобы можно было обеспечить поступление воды в таком объеме, при кото­ром бы заполнение трубопровода происходило со скоростью его протаскивания. Для предохранения от закупорки грунтом отверстие закрывают кожухом, который может быть совмещен с буксировочным оголовком.

Для протаскивания трубопровода по всем приведенным схемам требуется обеспечить необходимое тяговое усилие.

Расчет тягового усилия

От того, насколько правильно оно определено, зависит успех операции протаскивания. Чрезмерное завышение тягового уси­лия потребует дополнительных тяговых средств; занижение мо­жет привести к задержке и даже срыву операции. Расчетное тяговое усилие определим из условия

где m — коэффициент условий работы тяговых средств, прини­маемый 1,1 при протаскивании лебедкой и 1,2 — при протаски­вании тягачами; Т„ — предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.

Рассмотрим основные расчетные случаи.

Протаскивание по поверхности грунта, движение устано­вившееся, равномерное:

Трогание трубопровода с места. Усилие трогания Г_п._тр тру­бопровода при движении по грунту всегда будет большим, чем усилие равномерного движения, и определяется в общем слу­чае из условия

где qi — вес единицы длины снаряженного трубопровода; ф_р — расчетный угол внутреннего трения грунта; с_р — расчетное сцеп­ление поверхности труб с грунтом, равное пс; с — сцепление, определенное опытным путем; i — длина части окружности трубы, врезающейся в грунт; /_тр — длина трубопровода; £_Пас — пассивный отпор грунта врезающимся в него неровностям на поверхности трубы. Если протаскивается трубопровод с глад­кой поверхностью, то Е„_ас = 0. Величину £„ас при шероховатой поверхности определяют по формуле

где Ni — число выступающих элементов на поверхности трубы; Уест — удельный вес грунта; t — толщина выступающих эле­ментов.

Так, если выступающими элементами являются утяжеля­ющие грузы, то Ni — это число грузов, t — толщина стенки груза. Если выступающими элементами являются футеровоч-ные рейки, то ni следует принять равным их числу на всей длине трубопровода, t — равным толщине футеровки. При на­личии грузов футеровка не учитывается.

В табл. 13.5 приведены значения i для грузов; для футеро­ванного трубопровода без грузов i принимается рапным 0,3D_H, где Д, — наружный диаметр снаряженной трубы. Величину с лучше всего определять опытным путем; если таких данных нет, то для деревянной футеровки можно принять с = 0,1 от¹

величины структурного сцепления грунта; для гладкого трубо­провода— 0,05 с. При вынужденных остановках протаскива­ния усилие трогания иногда оказывается выше начального. Это объясняется присосом трубопровода к грунту. Основные закономерности присоса рассматриваются в курсе «Механика грунтов в трубопроводном строительстве». Как известно, силу присоса q_n следует учитывать при остановках протаскивания не менее 1 ч. В плотных глинах и суглинках ^_п = 0,03 Н/см², а в вязких — <7„ 0,06 Н/см².

Таким образом, при повторном трогании

где F — площадь опирания трубопровода на водонасыщенный глинистый грунт.

Подставляя наибольшее из значений 7„, найденных по фор­мулам (13.2), (13.4), (13,6), в условие (13.1), определяют рас­четное тяговое усилие Г_Р, на которое рассчитывают диаметр тягового троса, и подбирают тяговые средства.

Определение скорости движения трубопровода при протаскивании с самозаливом

При протаскивании трубопровода с одновременным заполне­нием его водой через отверстие, оставляемое в головной части, необходимо уравнять скорость протаскивания со скоростью за­полнения водой. Если скорость протаскивания будет больше скорости заполнения трубы водой, то возможно всплытие не заполненной водой части трубопровода. Для обеспечения устой­чивости трубопровода необходимо, чтобы уровень воды в нем не опускался ниже уровня воды в водоеме в среднем на 1 м. Считая отверстие для залива воды круглым и определив по­ступление воды в отверстие за секунду при напоре 1 м (раз­ность уровней воды в реке и трубопроводе), получаем выраже­ние для скорости движения трубопровода.

Пусть £>_в„ = 0,7 м. По (13.7) при d = 0,2 м и = 0,22 м/с; при d=0,3 м о = 0,5 м/с; при d=0,4 м и D_RH=\ м и = 0,43 м/с.

Диаметр основного троса (свободного от различных за­креплений и приспособлений) определяют по табл. 13.6 в за­висимости от разрывного усилия троса R_H, получаемого по формуле

где Тр — расчетное тяговое усилие; m — коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1; п_п — коэффициент надежно­сти, принимаемый для случая протаскивания по грунту равным 2 и по специальным дорожкам (кроме грунтовых)—1,3; k — коэффициент однородности для троса, принимаемый для

новых тросов равным 1, а для тросов, имеющих обрывы про­волок,— 0,8; t — коэффициент тросового соединения.

При определении Rн по формуле (13.8) нужно принимать наименьшее из возможных значений коэффициента t при рас­смотрении фактических условий закрепления и изгибов троса.

Устойчивость подводного трубопровода

Под устойчивым состоянием подводного трубопровода понима­ется такое состояние, при котором он будет находиться в по­кое при самой неблагоприятной комбинации силовых воздейст­вий, стремящихся вывести его из устойчивого положения. Та­кими силами и воздействиями являются: выталкивающее усилие, определяемое по закону Архимеда, горизонтальная и вертикальная составляющие гидродинамического воздействия потока, переменное гидродинамическое воздействие, силы уп­ругости трубопровода, сжимающее или растягивающее про­дольное усилие, возникающее при протаскивании трубопро­вода или вследствие изменения его температурного режима и внутреннего давления. Прежде чем записать условие устойчи­вости трубопровода, рассмотрим основные факторы, определя­ющие перечисленные воздействия, а затем методику расчета устойчивости.

Выталкивающую силу А определяют по закону Архимеда

где у — объемный вес жидкости с учетом взвешенных частиц; V — объем воды, вытесненный единицей длины изолирован­ного, зафутерованного и балластированного трубопровода.

В процессе укладки трубопроводы подвергаются силовому воздействию обтекающих их потоков. Проявляется оно в раз­личных формах: в виде сравнительно постоянной по значению и направлению силы, которая вызывает иногда колебания тру­бопроводов столь значительной амплитуды, что возможно раз­рушение труб. В практике строительства известны случаи вы­броса труб из подводных траншей при неправильном учете си­лового воздействия потока, а в практике эксплуатации - многочисленные аварии, связанные с разрушением размытых участков подводных трубопроводов при их колебаниях. Сило­вое воздействие потока на трубу определяется в основном скоростью набегающего на нее потока и диаметром трубы. Поэ­тому остановимся сначала на определении скорости потока, обтекающего трубопровод.

Скорости в различных точках речного потока изменяются как по глубине Н, так и в плане. Типичное изменение скоро­стей потока по глубине представлено на рис. 13.23, а, б. Дон­ная скорость Удо„ составляет 0,4—0,6 от поверхностной. Сред­няя скорость может быть вычислена по выражению

Распределение скоростей в плане (рис. 13.23, в, г) зависит от формы русла. Наибольшие скорости для прямолинейного участка реки находятся на ее середине, наименьшие — у бере­гов. Скорости в различных точках по ширине реки определяют в соответствии с эпюрой распределения скоростей. Эта эпюра должна быть получена при изысканиях створа перехода. Не­обходимо, чтобы эпюра скоростей устанавливалась для межен­ного и паводкового состояний реки. Эпюра меженного состоя­ния определяет наименьшие, а паводкового — наибольшие ско­рости потока для одних и тех же точек.

Для оценки силового воздействия потока на трубопроводы, находящиеся в подводных траншеях, необходимо знать распре­деление скоростей потока. Определяющими факторами для ки­нематики скоростей потока в траншее являются скорость в при­донном слое и на подходе к траншее и параметры самой тран­шеи. Устройство траншеи несущественно отражается на распределении усредненных скоростей транзитного потока, од­нако в потоке над траншеей по сравнению с потоком ненару­шенной структуры интенсивность пульсации скоростей возрас­тает. Часть кинетической энергии транзитного потока переда­ется жидкости, находящейся в траншее, и возбуждает в ней дви­жение, характер которого зависит от параметров: m — заложе­ние откосов траншеи;/>//г_т— отношение ширины траншей по дну Л к ее глубине Л_т; Ф— параметр криволинейной траншеи. Рас­пределение скоростей по оси траншеи показано на рис. 13.24. Скорость v на глубине у в траншее (у отсчитывается от линии дна) можно определить по формуле

где v -скорость в траншее на глубине у от верха траншеи-удон —донная скорость на подходе к траншее; и, —донная ско­рость в траншее.

На основании опытных данных построен график зависимо- ^2/Удон от b/h_r при различных параметрах Ф (рис 1325) помощью которого можно легко определить расчетную скорость в траншее. При составлении графика принята во внима ше автомодельнбсть критерия

Рейнольдса Re = uZ)_H/_v где D — наружный диаметр труб; v —коэффициент кинематической вяз­кости при значениях Re>10⁴, т. е. для всех встречающихся и практике трубопроводного строительства случаев.

Пример. Определить донную скорость в траншее а₂, имеющей параметры га=1, Ь — 2 м, /1_Т = 0,75 м. По графику (см. рис. 13.25) иг/идон = —0,46. Соот­ветственно донная скорость в траншее Uj — —0,75-0,46 = ^0,315 м/с и направ­лена навстречу транзитному потоку. Если необходимо построить эпюру ско­ростей в траншее, то можно воспользоваться формулой (13.12), принимая различные значения у по глубине траншеи.

Силовое воздействие потока на единицу длины трубопро­вода при обтекании его потоком жидкости определяется по из известной формуле

где С_х — коэффициент сопротивления; -у — удельный вес жид­кости; v — средняя скорость потока, набегающего на трубу; g — ускорение свободного падения.

Случай симметричного обтекания. Под симметричным по­нимается обтекание трубы потоком с равномерным распреде­лением скоростей по его высоте. Анализ результатов большого числа экспериментальных работ по обтеканию круглого ци­линдра потоком жидкости, выполненных советскими и зару­бежными исследователями, позволяет сделать обоснованные рекомендации по назначению коэффициентов лобового сопротивления для подводных трубопроводов. Графики зависимости С_х от числа Рейнольдса Re по результатам ранее выполнен­ных работ показаны на рис. 13.26. Из рисунка видно, что С_х при Re = 2- 10⁴-f-10⁵

сохраняет постоянное значение, равное 1,2. В этом диапазоне чисел результаты многих исследователей совпадают. При числах Re= 10⁵ч-5-10⁵ наблюдается резкое уменьшение коэффициента С_х (так называемый кризис сопро­тивления) примерно до 0,4 для гладких цилиндров. С увеличе­нием числа Рейнольдса от 5- 10⁵ до 4-Ю⁶ значение С_х возра­стает до 0,7 и при дальнейшем увеличении Re, включая и верх­нюю границу (Re=10⁷), C_x не изменяется, оставаясь равным 0,7. В современной аэрогидродинамике физическая природа кри­зиса сопротивления объясняется изменением распределения давления и изменением положения точки отрыва потока от по­верхности цилиндра. До кризиса сопротивления отрыв потока происходит при ламинарном пограничном слое, и точка отрыва расположена на передней части цилиндра, ширина кильватера больше диаметра цилиндра. С увеличением Re до некоторого значения, при котором наступает кризис сопротивления, по­граничный слой становится турбулентным и может противо­стоять большему увеличению давления, точка определения потока поэтому перемещается к задней части цилиндра, а ши­рина кильватера уменьшается до значений, меньших диаметра цилиндра, в результате чего и наблюдается уменьшение коэф­фициента С_х. Обобщая результаты исследований, можно ре­комендовать следующие значения коэффициента лобового со­противления при отсутствии влияния дна и поверхности по­тока:

для трубопроводов с гладким и синтетическим покрытиями или с гладкой металлической поверхностью С_х определяется по графику зависимости Cx = f(Re), полученной Визельсбергом и Рошко (см. рис. 13.26); для шероховатых (футерованных и бетонированных) тру­бопроводов С_х=1,2 при Re=10⁴4-10⁵ и С_х= 1 при Re=10⁵4--ИО⁷.

Значения С_х для различных шероховатостей (различное со­стояние футеровки, бетонированного покрытия) поверхности трубопроводов Re=10⁵-M0⁷, очевидно, будут отличаться и даже зависеть от Re. Однако рекомендуемое нами постоянное значение С_х=\ удобно в практических расчетах, а некоторое завышение С_х по сравнению с истинным его значением С_х<1 будет увеличивать запас устойчивости трубопровода на сдвиг, тем более что учесть точные условия гидравлического режима потока в связи с возможными размывами русла сложно.

Случай несимметричного обтекания. Под несимметричным понимают такое обтекание, при котором распределение скоро­сти потока существенно изменяется даже в пределах диаметра трубы. Такое явление имеет место, когда труба расположена на дне, а также вблизи дна и свободной поверхности потока. При обтекании трубопроводов, расположенных на дне или вблизи дна речного русла, на них действуют горизонтальная сила (сила лобового сопротивления) и вертикальная (подъемная), составляющие которых (на единицу длины трубопровода) оп­ределяются соответственно по формулам

где С'_х и Су — коэффициенты соответственно лобового сопро­тивления и подъемной силы при несимметричном обтекании; y —удельный вес жидкости; у —средняя скорость набегаю­щего на трубопровод слоя потока высотой, равной диаметру

труб D_H.

Коэффициенты С'_х и С„, входящие в формулы (13.14) и (13.15), зависят от гидравлического режима потока, шерохо­ватости поверхности трубопровода и положения, занимаемого им относительно дна.

Исследования, проведенные П. П. Бородавкиным и О. Б. Шадриным, позволили установить, что при s/D_H (s- расстояние от дна до нижней образующей трубы) С'_х можно принимать равным соответствующим значениям С_х при сим­метричном обтекании. Если труба расположена вблизи поверх­ности потока, то влияние искривления свободной поверхности на величину С_х следует учитывать лишь при ЛД)„<3 (Л-расстояние от поверхности воды до верхней образующей трубы). При h/D_H>3 C_x определяется, как и для симметрич­ного обтекания. Для С_х при h/D_H<3 необходимо ввести попра­вочный коэффициент k\, учитывающий влияние h/D_H, по гра­фику (13.27, а), и поправочный коэффициент k₂, учитывающий

C_x^k^C_x. (13.16)

При расположении трубопровода на дне и вблизи дна реки при 5<Л_Н на него кроме лобового сопротивления Р_х действует и статическая подъемная сила Р_у. Для определения коэффици­ента С_у подъемной силы на основании проведенных экспери­ментов построен график зависимости С_у от Re (рис. 13.28, а) для гладких и бетонированных труб; для футерованных труб коэффициент С_у надо умножить на 1,1. Изменение s/D_H в пре­делах 0—1 оказывает весьма существенное влияние на коэффи­циент подъемной силы С_у.

На рис. 13.28, б изображена зависимость С_У.₉/С_!/., = 0 от s/D_H (C_ys — коэффициент подъемной силы для произвольного расстояния s трубопровода от дна реки). Влияние искривле­ния свободной поверхности при расположении трубопровода на дне и вблизи дна реки (если h/D_H<3) учитывается коэффи­циентами k\ и k_z, как и в предыдущем случае.

то же, при наличии течения

Методика расчета устойчивости. Условие устойчивости не засыпанного грунтом трубопровода на сдвиг записывается в виде

где Р_х — горизонтальная составляющая силового воздействия потока; &_у._с — коэффициент устойчивости на сдвиг, принимае­мый равным 1,15; Б — вес балласта в воде; Q — вес единицы длины трубы с учетом изоляции, футеровки и продукта, за­полняющего трубу; &у._в — коэффициент устойчивости на всплы­тие, принимаемый равным 1,1; А — выталкивающая сила; Р_у — вертикальная составляющая силового воздействия потока; <7„ — взвешивающее усилие, возникающее при упругом изгибе трубопровода; q_H — взвешивающее усилие, обусловленное на­личием продольной растягивающей силы в искривленном трубо­проводе при его протаскивании по дну траншеи; /_тр — коэффи­циент трения трубопровода о грунт, принимаемый равным tgq>.

Вес балласта на единицу длины трубопровода может быть установлен по формуле (13.17). Основные расчетные случаи:

прямолинейный трубопровод, течение отсутствует

то же, при наличии течения

трубопровод искривлен по профилю перехода, течение от­сутствует

Если Б окажется

отрицательным, то балластировка не тре­буется, при положительном Б трубопровод нужно балластиро­вать.

Вес балласта в воздухе, обеспечивающий необходимый вес балласта в воде, можно рассчитать по формуле

где у«— объемный вес балласта в воздухе; у_ж — объемный вес поды.

Остановимся далее на определении q_K и </„. Они зависят от вида профиля перехода. Характерные профили изображены на рис. 13.29. Для случая, изображенного на рис. 13.29, а, по­стоянное по длине q_u определяется из выражения

где EI — жесткость труб; f — стрелка прогиба трубопровода. Определив далее из выражения

значения у в нескольких сечениях х совмещают упругую ли­нию, рассчитанную по (13.25), с профилем перехода. Если она будет расположена не выше отметок дна траншеи, то q_n опре-

делено верно; если выше — то увеличивают q,, до значения, при котором расчетная упругая линия (13.25) опустится ниже ли­нии профиля.

На рис. 13.29, б показан вариант, когда q» должно опреде­ляться только для обеспечения кривизны в пределах участка, ограниченного углом а, а пригрузку, компенсирующую д„, сле­дует размещать в пределах а. Уравнение упругой оси в соот­ветствии с принятыми на рис. 13.29, б обозначениями имеет вид

Измерив по проектному профилю значение y = f в сечении *тах, из (13.26) находим соответствующее q,,. Для случая, по­казанного на рис. 13.29, б, пригрузку, компенсирующую <fr, лучше размещать в пределах участка /_п. Взвешивающее уси­лие вычисляется как сумма

где <7и]—усилие от изгиба трубопровода длиной / со стрелкой fn прогиба по (13.24); q_K<-> — усилие от дополнительного изгиба участка / на f.

Для профиля, показанного на рис. 13.29, в, можно найти q_w следующим образом. Для участка а, считая, что один конец его опирается, а другой защемлен (j/' = 0),

При укладке трубопроводов протаскиванием к ним прикла­дывают тяговые силы, достигающие десятков тонн. Это обус­ловливает своеобразную «разгрузку» трубопровода, что приво­дит к уменьшению запаса устойчивости за счет взвешиваю­щего усилия q», а иногда к уменьшению прогиба и провиса­нию трубопровода на отдельных участках. Последнее особенно опасно, так как под воздействием потока провисающие уча­стки могут прийти в колебательное движение, при котором возможно разрушение трубопровода. Взвешивающее распределен­ное усилие <7н от воздействия продольной силы определится следующим образом.

Пусть трубопровод протаскивается по схеме рис. 13.29, а, тяговой силой Т, приложенной со стороны правого берега (точка В). При отношении ///<0,1 можно определить продоль­ную силу в любом сечении х из условия

где q_Tp — вес единицы длины полностью снаряженного трубо­провода в подводном положении (за вычетом выталкивающей силы). Принимая во внимание соотношение между прогибами и продольными усилиями в «жесткой нити», для сечения х = = 0,5 / имеем

Из (13.34) видно, что при 7 = 0 прогиб f будет таким, как для балки на двух опорах с равномерно распределенной на­грузкой. Определив по (13.33) Т_х для лс = 0,5 /, находим по (13.34) q_t, + q_n при заданном f (по фактическому профилю). Значение д_н + Он будет полным распределенным взвешиваю­щим усилием с учетом упругого изгиба и продольной силы в трубопроводе.

Укладка трубопровода с поверхности воды

Суть способа укладки с поверхности воды заключается в сле­дующем. Полностью подготовленный к укладке трубопровод устанавливают на плаву над подготовленной заранее тран­шеей, а затем погружают на ее дно затоплением при положи­тельной плавучести или отсоединением специальных устройств, удерживающих трубопровод на поверхности воды.

Подготовка трубопровода к укладке

Трубопровод сваривают в нитку, длина которой на несколько метров (или десятков метров) больше ширины зеркала воды между урезами. Затем его испытывают на прочность и плот­ность, изолируют, футеруют, оснащают (в необходимых слу­чаях) понтонами, крепят тросы, которыми трубопровод будет удерживаться в створе перехода. Если спуск будет произво­диться по створу, то трубопровод укладывают на спусковую дорожку, а по дну водной преграды прокладывают буксиро­вочный трос. Для увеличения плавучести трубопровод осна­щен понтонами. Если установка в створе будет осуществляться разворотом на плаву, то устройства спусковой дорожки не тре­буется. В этом случае трубопровод размещают в непосредст­венной близости от уреза воды (вдоль него).

Установка трубопровода в створ

Эта операция является наиболее ответственной при укладке с поверхности воды, так как при недостаточно точном ее вы­полнении трубопровод может быть изогнут потоком воды и даже сломан. В практике строительства применяют различные технологические схемы. Основной особенностью любой схемы является способ перемещения трубопровода в створ на плаву и удержание его в таком положении до погружения. В зависи­мости от ширины русла водоема средства, с помощью которых трубопровод устанавливают в створ и удерживают в нем, мо­гут располагаться либо только на берегах, либо на берегах и в русле водоема. Рассмотрим основные схемы установки трубо­провода в створ.

Схема 1. Схема применяется при ширине водоемов до 250 м. Полностью подготовленный к опусканию трубопровод протаскивают и выводят на воду с одного берега перпендику­лярно к потоку (рис. 13.30, а). До начала протаскивания тру­бопровод 2 закрепляют тросами-оттяжками 3 от лебедок, уста­новленных на обоих берегах (положение /), и тяговым тро­сом /, с помощью которого осуществляется протаскивание. В местах строповки трубопровода (точки а, б) устраивают сплошную футеровку из деревянных реек. На расстоянии 150— 200 м выше створа на обоих берегах устанавливают лебедки для удержания трубопровода при выводе его в створ от сноса потоком. Лебедки устанавливают как можно ближе к урезам воды. По мере продвижения трубопровода в русло реки в ра­боту включается лебедка Л₂, с помощью которой трубопровод ориентировочно удерживается в створе (положение //). Затем начинает работать и лебедка Л^ (положение ///). Регулируя длину оттяжек лебедками Л\ и Л₂, трубопровод устанавливают точно в створе. Грузоподъемность тяговых средств и лебедок, а также диаметры тягового троса и оттяжек определяют в за­висимости от размеров трубопровода и интенсивности гидро­динамического давления потока.

Схема 2. Схема применяется при ширине водоемов более 250 м. Установка в створ может быть выполнена по схеме, изо­браженной на рис. 13.30, б. В положении / конец труб удержи­вается одной оттяжкой от лебедки Л₃, установленной на пон­тоне; затем трубу в заранее намеченной точке б стропят второй оттяжкой от //₂, также установленной на понтоне (поло­жение //). Сам понтон удерживается якорем, замытым в русле реки. При дальнейшем продвижении вперед трубопровод стро­пят в точке а оттяжкой от лебедки 77₄, а оттяжки от лебедок.7/2 и Лз переносят в точки бив. Затем в работу вводят ле­бедку Л\. Трос от нее удерживает трубопровод в точке г (по­ложение ///). Следует иметь в виду, что откреплять оттяжки можно только в том случае, когда трубопровод закреплен но­вой оттяжкой и нагрузка от гидродинамического воздействия воды уже воспринята ею. Широкому применению рассма­

триваемой схемы в летний период препятствует необходимость перекрывать на некоторое время судоходство. При четкой ор­ганизации работ вывести в створ и уложить трубопровод в траншею при ширине реки до 500 м можно за 3—4 ч. Наи­более частые причины осложнений — ненадежно замытые в рус­ловой части неподвижные якоря, которые начинают «ползти» при полной нагрузке на оттяжки.

Схема 3. Трубопровод выводят в створ разворотом его на плаву от одного берега к другому. Этот способ очень удобен при строительстве переходов через водоемы, имеющие крутые берега, когда для устройства спусковых дорожек требуется разработка глубоких береговых выемок, а трубопровод имеет на концах кривые вставки. Схема выведения трубопровода в створ изображена на рис. 13.31. На одном из берегов выше или ниже створа перехода (лучше выше) подыскивают пло­щадку шириной 3 м и более, длина которой равна или больше длины перехода. На этой площадке собирают трубопровод про­ектной длины с кривыми вставками (если они предусмотрены), покрывают его изоляцией, а в необходимых местах футеруют. На площадке трубопровод можно собирать из готовых секций длиной 80—120 м, доставляе­мых сплавом.

Подготовлен­ный к укладке трубо-провод спускают с площадки на воду. Затем нитку буксируют кате­ром к створу перехода и ус­танавливают вдоль одного из берегов (см. рис. 13.31, поло­жение /). Трубопровод выво­дят в створ по простой, но требующей четкой организа­ции работ схеме. Один конец трубопровода шарнирно за­крепляют в точке 0, а другой отталкивают от берега. Под действием движущейся воды трубопровод на плаву сво­бодно поворачивают в точке О до упора незакрепленного конца в противоположный бе­рег (положение //). Для удержания трубопровода в створе его закрепляют оттяжками. Накануне выведения трубопро­вода в створ точно замеряют скорости течения в разных точ­ках реки (по ширине), зная которые, можно легко оп­ределить интенсивность гидродинамического воздействия, а в со­ответствии с последней рассчитать необходимое число оттяжек. Оттяжки закрепляют на лебедках, устанавливаемых на пон­тонах. Понтоны /, 2, 3, на каждом из которых установлено по три лебедки, прикрепляют к трубопроводу в положении /. Двумя тросами с каждого понтона трубопровод стропят до начала разворота в точках а, б, в, г, д, е. В точках 4, 5, 6 (по числу понтонов с лебедками) и 80—100 м выше створа за­мыкают в грунт якоря, способные удержать весь трубопровод на поверхности реки от сноса течением. К неподвижным яко­рям прикрепляют отрезки тросов, концы которых удержива­ются на поплавках на поверхности воды. При проходе трубо­провода вместе с понтонами над соответствующим якорем (по­ложение ///) трос последнего прикрепляют к тросу, идущему от одной из лебедок, предназначенной для удержания понтона в нужном положении. Одновременно понтон открепляют от трубопровода; вследствие разматывания оттяжек, закреплен­ных на двух других лебедках, понтон отстает от трубопровода. Он продвигается вниз по течению медленнее, чем разворачи­вается трубопровод. При этом последовательно вступают в ра­боту неподвижные якоря 4, 5 и 6. Постепенно скорость разма­тывания оттяжек уменьшается, а смещение понтонов по тече­нию прекращается: они занимают положение 7, 8, 9, удерживаясь на неподвижных якорях. Скорость разворота трубопровода замедляется, и после вступления в работу всех удерживающих якорей он полностью останавливается и удер­живается оттяжками в точках а, б, в, г, д, е. Так как длина трубопровода больше, чем расстояние между берегами, то в какой-либо момент незакрепленный конец трубопровода упрется в берег (положение ///). К этому времени все пон­тоны должны стоять на якорях. Конец трубопровода (точка 0) вводят в береговую траншею. Если этого недостаточно для введения другого конца в траншею, то регулируя длину рус­ловых оттяжек, дают возможность трубопроводу прогибаться (положение IV) до тех пор, пока второй конец не войдет в траншею. Натяжением тросов-оттяжек трубопровод устанав­ливают точно в створ (положение V). При наличии береговых кривых вставок их поднимают в вертикальное положение с по­мощью трубоукладчиков. После установки в створ трубопро­вод затопляют. Рассмотренная технология позволяет весьма быстро, без устройства специальных спусковых дорожек укла­дывать подводные трубопроводы любых диаметров.

Для укладки по данной схеме необходима тщательная разработка технологии; накануне операции должен быть со­ставлен план ее выполнения, в котором нужно четко распреде­лить обязанности каждого ее участника. Как отмечалось, при установке трубопровода в створ должно быть обеспечено над­лежащее геодезическое обслуживание работ. Схема 3 требует в этом отношении особой тщательности. Расстановка якорей для удержания понтонов должна быть выполнена с высокой точностью. Так, ошибка в определении положения точки за­мывки одного из якорей на 4—6 м может привести к тому, что понтон при развороте трубопровода пройдет мимо этого якоря.

Схема 4. Укладка трубопровода осуществляется зимой со льда. Установку его в створ выполняют в специально устраи­ваемой во льду узкой прорези. При толщине льда 25 см и бо­лее все подготовительные и строительно-монтажные работы не отличаются от линейных и выполняются непосредственно на льду. При этом обязательно соблюдение минимально допусти­мого расстояния между работающими машинами, которое за­висит от их массы (табл. 13.7).

При толщине льда до 20 см, как видно из табл. 13.7, проезд трубоукладчиков и гусеничных тракторов, имеющих массу бо­лее 10 т, не допускается. В этом случае на береговой строи­тельно-монтажной площадке сваривают, изолируют и футеруют секции труб длиной 100—120 м. С помощью лебедки, установ­ленной и закрепленной на льду, секции протаскивают на лед и укладывают вдоль створной линии на 1,5—2 м выше или ниже ее. Створ заранее отмечают метками. После протаскивания секций выполняют сварку секционных стыков. Затем проверяют качество стыков и покрывают их изоляцией. На льду осущест­вляют и опрессовку трубопровода. Непосредственно перед ук­ладкой во льду точно по створной линии устраивают прорезь шириной примерно 1,5 диаметра трубы. После очистки прорези

иг разрушенного льда в нее опускают трубопровод. Перед опу­сканием его стропят оттяжками, закрепленными в лебедках. Длину оттяжек с помощью лебедок можно регулировать. От­тяжки необходимо пропускать подо льдом. В противном слу­чае трубопровод будет снесен течением на откос или бровку траншеи. Длину оттяжек рассчитывают так, чтобы нитка пере­хода точно легла на дно траншеи. При глубине рек до 6 м можно вместо оттяжек использовать направляющие сваи, ко­торые опускают в прорезь. Нижние концы их забивают в дно траншеи па 0,5—1 м, а верхние опираются на лед. Для изго­товления свай используют равные бревна диаметром 18—20 см или стальные трубы диаметром 100—150 мм. При толщине льда менее 10 см работы со льда с использованием машин ве­сти нельзя. Ледовые покрытия используют в этом случае только для удержания трубопровода в створе в прорези.

Погружение трубопровода в траншею

Трубопровод сразу же после установки в створ опускают в траншею. При этом необходимо, чтобы трубопровод погру­жался плавно, без колебаний, в вертикальной плоскости и время погружения было минимальным. Погружение в траншею может быть произведено по двум схемам. Если погружают тру­бопровод, имеющий положительную плавучесть, то его погру­жают заливом воды внутрь трубы. Если плавучесть отрица­тельная (трубопровод тонет в воде), то он удерживается на плаву понтонами, а погружается последовательной их отстроповкой (откреплением). При погружении затоплением воду в трубу заливают с более низкого берега; на другом берегу устанавливают вантуз для выхода воздуха из трубопровода. Заливают воду насосами, имеющими подачу до 200 м³/ч. Во время заливки внимательно следят за образованием началь­ного участка переходной кривой. В это время вода должна по­даваться медленно, чтобы избежать перелива, что очень

опасно, так как вследствие быстрых перемещений воды внутри труб могут возникнуть колебания трубопровода в вертикаль­ной плоскости. На рис. 13.32 изображена схема деформирова­ния переходной кривой. В начале заливки образуется прогиб 2. Если слишком быстро подавать воду, то она может перели­ваться в пустую часть трубы, участок / опорожнится и будет вытолкнут вверх; начнется колебательный процесс. Полная подача воды может быть только при образовании нормальной переходной кривой (положения 3 и 4). При погружении трубо­провода с помощью понтонов отстропка производится от од­ного берега к другому. При этом трубопровод постепенно погружается в траншею. Имеются специальные понтоны, от­стропка которых осуществляется с поверхности воды, так что управление процессом погружения в этом случае достаточно просто. Как в первом, так и втором случаях, оттяжки, которые удерживают трубопровод в створе, отсоединяют только после погружения его в траншею.

Основные расчеты, связанные с укладкой трубопровода с поверхности воды.

Определение предельной глубины при погружении заливом воды.

Как отмечалось, при заливе воды образуется переходный участок с (рис. 13.33). При этом в стенках трубы возникают изгибающие напряжения, которые могут привести к ее разру­шению. Задача заключается в определении допустимой глу­бины погружения Лдоп, при котором напряжения в трубе (т_тпх

будут меньше или равны допускаемым [а], т. е. должно вы­полняться условие

где [а] = 0,9ст_т; ст_т — предел текучести.

Уравнение переходной кривой можно получить, рассматри­вая участок трубы с как балку на двух опорах в точках А и В, загруженную распределенными нагрузками q\ (отрицатель­ная плавучесть) и q₂ (положительная плавучесть), а также* реакцией грунта R.

Для участка а уравнение упругой линии имеет вид

где Е — модуль упругости; / — момент инерции трубы; п = = с/а — отношение полной длины переходного участка с к за­полненной водой части а.

Зависимость п от отношения q\lq% представлена на рис. 13.34. После определения Af_amax и Мьтах находят о_тах по формуле

Впервые в такой постановке задача о погружении трубо­провода была решена В. Ф. Кожиновым.

Порядок расчета следующий:

по графику (рис. 13.34) при известном qi/q₂ находят п;

по выражению (13.43) при заданном h находят а а по Фор­муле (13.40) /?;

определив далее М„ _тах и М_1>тах, по (13.44) находят (т_тах;

сравнивая (Т_тах с [о], устанавливают возможность погруже­ния трубопровода затоплением. Если о,_п._ах<[о], то погружение возможно. При (T_mai>[a] необходимо принять меры к умень­шению (Ттах, для чего применяют разгружающие понтоны, что ведет к уменьшению отношения q_t/q₂ вследствие уменьшения fi-

Для определения допустимой глубины погружения трубо­провода с поверхности воды можно воспользоваться графи­ком, приведенным на рис. 13.35. На нем дана зависимость ко­эффициентов г|з, и i)5₂, являющихся функцией п, от отношения Чг/Яь

Определяют Л_ДОп по формуле

где [а] — допускаемое напряжение материала труб при укладке; б —толщина стенки труб; г_ср — средний радиус трубы! Коэффициент г|) принимается по графику (см. рис. 13.35). При использовании им следует иметь в виду, что при q\jq₂> I нужно подставлять в формулу (13.45) значение г|з,, а при <7iA?2<l значение г|)г.

Определение предельной глубины при погружении откреплением понтонов.

Этот случай характерен для укладки с поверхности воды трубопровода, имеющего отрицательную плавучесть, напри­мер газопровода, бал-ластированного грузами или сплошным бетонированием.

Схема укладки изображена на рис. 13.36. Понтоны 1, 2, 3 еще прикреплены к трубе, а 4, 5, 6 и т. д. от­креплены. На участке b труба уже лежит на дне, на участке а образовалась переходная кривая, далее труба находится на плаву. Заменяя действие сосредоточенных сил от понтонов /, 2, 3 распределенной нагрузкой q₂, приходим к предыдущей схеме. Различие заключается в том, что в случае заливки воды внутрь труб регулирование величины q₂ исключается. Во вто­ром случае q₂ можно регулировать в необходимом направле­нии, а следовательно, в соответствии с (13.45) можно регули­ровать и допустимую глубину погружения /1_Д011. Причем из (13.45) видно, что существенное увеличение /г_доп достигается уменьшением г|> (при прочих равных условиях). Приведем по­рядок расчета трубопровода, укладываемого заливкой воды или с помощью понтонов. Возможен также и совмещенный ва­риант, когда величина </i уменьшается за счет применения понтонов, а погружение осуществляется заливкой воды внутрь труб.

1. Подготовляют исходные данные: D», о, /, A, [a], q\, q₂,

q\lqi-

2. По графику рис. 13.35 находят гр, а затем по формуле
(13.45) Л доп- Если Лд„_п>/1, то укладка возможна. В противном
случае по (13.45) находят ^ при h_atm = h, а затем по графику
(см. рис. 13.35) определяют требуемое значение q\fq₂. Регули­
руя q_{ и q₂ (применением понтонов различной грузоподъем­-
ности, изменением расстояния между ними и т. п.), добива-­
ются необходимого соотношения q\/q₂.

Расчет количества оттяжек, удерживающих трубопровод в створе на плаву

Как уже отмечалось, для удержания трубопровода в створе перехода на плаву применяют тросовые оттяжки. Точки за­крепления их определяют в зависимости от интенсивности ги­дродинамического воздействия потока и характеристик трубо­провода. Прежде всего определяют интенсивность гидродина­мического воздействия потока Р_х по длине трубопровода.

Для определения Р_к перед установкой трубопровода в створ замеряют поверхностные скорости с помощью гидро­метрической вертушки или в крайнем случае с помощью круг­лых поплавков. На основании замеров строят эпюру скоро­стей v (см. рис. 13.24), которая дает наглядное представление не только о распределении скоростей потока, но и об интен­сивности гидродинамического воздействия. На практике часто принимают скорость, а следовательно, и Р_х постоянной по ши­рине потока и равной Апах- Рассматривая далее трубопровод как балку на нескольких опорах, определяют длину пролета между двумя оттяжками. При двух пролетах изгибающий мо­мент в точке установки оттяжки будет

где I — расстояние между оттяжками.

Учитывая, что M = [a]W, где [<т] — допускаемое напряжение в материале труб при упругом изгибе, a W— момент сопро­тивления сечения трубы, находим длину пролета:

В этих формулах [о] принимается по данным сертификатов на трубы, Р вычисляется на 1 см длины трубы.

Определив расстояние / между оттяжками по несущей спо­собности, вычисляют стрелку прогиба пролетов f под давле­нием воды. Если стрелка прогиба окажется больше, чем поло­вина ширины дна траншеи, то трубопровод может не лечь в траншею. В этом случае расстояние между оттяжками нужно уменьшить. Для краевых (прибрежных) пролетов стрелку про­гиба определяют по выражению

где Е — модуль упругости; / — момент инерции сечения трубы; pi определяют по (13.13).

Например, расстояние между оттяжками, определенное по несущей способности при Р/ = 3,4 Н/см, / = 28000 см⁴, W= = 1320 см⁴, равно 100 м.

Прогиб для русловых пролетов будет f=160 см. Если при этом ширина траншеи по дну равна или менее 2,5 м, то трубо­провод ляжет на бровку. Поэтому расстояние между оттяж­ками нужно уменьшить. Приняв / = 60 м, получим стрелку про­гиба, равную 21 см в русловой части и 50 см — в прибрежных пролетах. Укладка трубопроводов, сооружаемых по схеме «труба в трубе»

Как показывает опыт эксплуатации подводных однотрубных переходов, наличие одной или нескольких ниток дает возмож­ность лишь обеспечить перекачку нефти и газа без перерыва в случае аварии одной из ниток. Однако в настоящее время такой подход нельзя считать правильным, ибо ущерб, нано­симый природе при разрушении труб, может значительно пре­высить ущерб от остановки перекачки на некоторое время. Поэтому основное внимание должно уделяться повышению об­щего уровня надежности каждой нитки перехода, а не про­стому резервированию за счет числа ниток. Такой подход дает реализация однониточного перехода в двухтрубном исполне­нии. Рассмотрим способы сооружения такого перехода.

Схема 1. Переход сооружается в однониточном исполнении по схеме двойной трубы (см. рис. 13.11, г). В подготовленную заранее подводную траншею опускают наружную трубу с уло­женным внутри нее тросом. Труба в процессе укладки запол­няется водой, после чего ее нужно засыпать грунтом. Затем с помощью троса внутрь уложенной трубы с берега протаски­вают вторую трубу меньшего диаметра. Пространство между трубами сразу после протаскивания внутренней трубы запол­няют цементно-песчаным или другим утяжеляющим раство­ром, который заменяет чугунные утяжеляющие грузы или сплошное бетонирование, выполняемое на берегу. Прочность такого трубопровода намного выше прочности обычного, что и позволяет отказаться от традиционного двухниточного ис­полнения. Для того чтобы расстояние между наружной и внутренней трубами было одинаковым по всей длине, внут­ренняя труба оснащается катками. Катки закрепляют на внутренней трубе с помощью кольцевых полумуфт. Примене­ние катков позволяет протаскивать внутреннюю трубу с ма­лым тяговым усилием.

Схема 2. В створ перехода устанавливают на плаву сдво­енный трубопровод (внутренняя труба еще на берегу прота­скивается во внешнюю трубу), который удерживается в створе с помощью тросовых оттяжек, по одной из описанных схем. Погружение сдвоенного трубопровода в подводную траншею осуществляется заполнением внутреннего трубопровода водой, при этом межтрубное пространство остается незаполненным. После укладки трубопровода на дно траншеи тщательно (с помощью эхолота) проверяют его положение, и только при соответствии действительного положения проектному межтруб­ное пространство заполняют утяжеляющим раствором (це­ментно-песчаным)— одна из ответственнейших операций схемы. Для этой цели следует применять растворы с водоцементным отношением B/U. = 0,45-f-0,6, так как при более высоком В/Ц раствор расслаивается. Раствор не должен схватываться до тех пор, пока не окончится заполнение. Для увеличения подвижности смеси необходимо применять гидрофобные добавки типа ССБ (спиртово-сульфитная барда). При приготовлении раствора лучше всего применять тампонажный портландце­мент. Поскольку заполнение трубопровода должно продол­жаться не более чем срок схватывания цемента, то следует применять агрегаты высокой производительности, например типа используемых при цементировании скважин при бурении.