Особенности строительства трубопроводов на вечномерзлых грунтах

Как известно из курса механики грунтов [1], вечномерзлые грунты обладают рядом особенностей, делающих их весьма неблагоприятными для любого строительства, в том числе и трубопроводного. Основным строительным недостатком вечно-мерзлых грунтов является изменчивость их несущей способно­сти в очень широких пределах. При отрицательной темпера­туре они могут воспринимать весьма большие нагрузки без заметных деформаций, а при нулевой и тем более положи­тельной температуре, они теряют несущую способность и раз­жижаются. При повторном замерзании грунты вспучиваются,

растрескиваются, что может привести к разрушениям трубо­проводных конструкций, расположенных в таком грунте. Это требует принятия специальных защитных мер, конструктивного или технологического характера. В зимний период вечномерз­лые грунты представляют монолит скального типа, что обес­печивает работу на нем любых строительно-монтажных машин, т. е. технология строительства линейной части трубопроводов остается такой же, как и в нормальных условиях. Это отно­сится к расстановке трубоукладчиков, очистных и изоляцион­ных машин, организации поточного строительства и т. д. В лет­ний период работы по строительству линейной части либо пол­ностью прекращаются, либо производятся по технологии, применяемой на болотах. Рассмотрим далее особенности ра­боты трубопроводов в вечномерзлых грунтах, особенности их конструкций и технологии строительства.

На вечномерзлых грунтах применяются главным образом две конструктивные схемы — подземная и надземная (табл. 12.1). Подземная схема прокладки применяется для всех типов мерзлоты. Трубопровод укладывается в зимний период в траншею и закрепляется в проектном положении навешива­нием на трубу утяжеляющих грузов или анкерами. Утяжеля­ющие грузы должны обеспечить компенсацию не только силы Архимеда, но и взвешивающего усилия, обусловливаемого продольной силой, действующей в трубопроводе. Масса грузов достигает тысячи тонн на 1 км трубопровода диаметром 1420 мм. Доставка такого количества грузов требует огром­ного числа автомобилей. Однако надежность трубопроводов, утяжеленных грузами, невысока; грузы часто сваливаются с труб, и они всплывают. Для повышения эксплуатационной надежности газопроводов большого диаметра может приме­няться крепление труб дисковыми анкерами, вмороженными в грунт. Анкеры представляют металлические диски диамет­ром 150—200 см, прикрепленные к стальным тягам (тяги и диски могут быть и из других материалов) и погруженные в пробуренные скважины.

Надземный трубопровод сооружают на опорах, устанавли­ваемых в вечномерзлом грунте. Расстояния между опорами определяются расчетом. Для компенсации продольных удли­нений трубопровода на нем через определенные расстояния устанавливают компенсаторы.

Остановимся на особенностях работы магистрального тру­бопровода, сооруженного на вечной мерзлоте.

Наиболее существенное влияние на условия работы оказы­вает изменчивость физико-механических характеристик грунтов при изменении температуры. Если температура перекачивае­мого продукта отрицательная, то мерзлый грунт вокруг трубы оттаивать не будет и, следовательно, несущая способность его не будет уменьшаться. Это в свою очередь обеспечит устойчи­вое положение трубопровода и достаточно высокую его надежность. Если же температура продукта будет выше 0°С, то грунт начнет оттаивать, или, как говорят производственники, растепляться. При этом вокруг труб образуется ореол оттаяв­шего грунта, несущая

способность которого крайне низка. Трубопровод может потерять устойчивость и разрушиться. При повторном замерзании грунта, например зимой, возможно яв­ление пучения, что также грозит разрушением труб. Поскольку трубопровод является линейным сооружением, то условия ра­боты по его длине будут существенно различными даже при однородном типе мерзлоты. Известно, что температура трубо­провода меняется по длине прежде всего за счет передачи тепла в окружающий трубу грунт. Например, газ в летний пе­риод поступает в трубопровод с КС, имея температуру до 70° С, а подходит к следующей КС с температурой 20—35° С; в зимний период температура может изменяться от 30—40 до —30°С (в зависимости от температуры окружающей среды). На участке некоторой длины между КС трубопровод в любой период года находится в горячем состоянии, а на остальной части участка в течение некоторого времени в горячем состоя­нии, а оставшееся время года — в холодном. Следовательно, в течение всего периода эксплуатации на первом участке в грунт будет поступать тепло и он будет непрерывно оттаи­вать. На другом участке грунт будет периодически оттаивать и замерзать. В связи с этим приведем существующую в насто­ящее время классификацию, согласно которой участки трубо­провода делятся на горячие, холодные и теплые.

Под горячим понимается участок, температура которого в течение всего года выше 0°С; под теплым — участок, на ко­тором температура может быть выше и ниже 0°С; но средне­годовая— ниже О °С; под холодным — участок, температура труб на котором ниже О °С в любое время года (могут быть лишь эпизодические повышения температуры выше 0°С). Таким образом, определив принадлежность участка трубопро­вода к одному из перечисленных типов, можно заранее ска­зать, что на горячем участке будет происходить только оттаи­вание грунта, на теплом — периодическое оттаивание — замер­зание, а на холодном оттаивания не будет. Это позволяет заранее наметить возможные мероприятия по предотвращению нежелательных для трубопровода воздействий со стороны ок­ружающего грунта.

В оттаявшем грунте под воздействием больших продольных сжимающих сил в трубах происходит так называемая локаль­ная потеря устойчивости, сопровождающаяся искривлением трубопровода с образованием «вынучины». Длина выпучины зависит от жесткости труб, продольной силы и несущей спо­собности оттаявшего грунта. В главе 7 были рассмотрены ус­ловия потери устойчивости. Решения этой главы относятся в равной мере и к трубопроводам в оттаявшей мерзлоте. В связи с рассмотрением продольной устойчивости необходимо отметить, что стабилизация положения трубопровода с по­мощью утяжеляющих грузов весьма ненадежна. Сползание с труб нескольких грузов — уже достаточное условие для по­тери устойчивости с образованием выпучины. Поэтому примене­ние утяжелителей при прокладке трубопроводов на оттаиваю­щей мерзлоте — мероприятие во всех отношениях маловыгод­ное. Заслуживает внимания закрепление труб анкерами различного типа, удерживающими трубопровод не только в вертикальном направлении, но и от смещения в горизон­тальном.

Во многих литературных источниках предлагается умень­шать тепловое воздействие трубопровода на грунт с помощью различного рода утеплителей. Особенно активно пропаганди­руется применение пенополиуретанового теплоизолятора в форме скорлуп, ковров и т. п. Исследования, проведенные нами по определению несущей и теплозащитной способности такого вида теплоизоляции подземных трубопроводов, пока­зали ее полную непригодность в условиях обводненных грун­тов. Изоляция при периодическом оттаивании грунта даже при хорошей гидроизоляции обводняется. Это приводит к практи­чески полной утрате ею теплоизолирующих свойств, а значит, и к потере ею своего функционального назначения. В резуль­тате продольных подвижек труб происходит механическое раз­рушение тепловой изоляции. Целью устройства тепловой изо­ляции является предотвращение растепления мерзлоты. Од­нако вследствие того, что трубопроводы работают несколько десятков лет, роль тепловой изоляции даже хорошего каче­ства сводится на нет, так как изоляция не предотвращает теп­ловой поток в грунт, а лишь замедляет его. Поэтому общая глубина ореола протаивания не уменьшается, а лишь увеличи­вается время, в течение которого она будет достигнута. Но до­статочно в гидроизоляции образоваться небольшому отверстию, как начинается заполнение пор тепловой изоляции водой. Эф­фективность теплоизоляции при этом сводится к нулю. Таким образом, применение пенополистирольной или пенополиуретановой изоляции при строительстве трубопровода на вечномерзлых грунтах по меньшей мере нецелесообразно. Тем самым упрощается технология строительства, удешевляется стоимость трубопровода.

Поскольку вечномерзлые грунты обладают большой несу­щей способностью при минусовой температуре, то наиболее благоприятные условия для трубопровода можно создать, обеспечив такой режим его эксплуатации, при котором темпе­ратура перекачиваемого продукта будет минусовой. Для газо­проводов эта задача решается сравнительно просто. На комп­рессорных станциях сооружаются установки, охлаждающие газ до температуры (—2) — (—3)°С. Пропуская по трубопро­воду такой газ, удается сохранить в мерзлом состоянии грунт в летний период. Следует отметить, что образующийся вокруг труб постоянно мерзлый грунт способствует повышению про­дольной устойчивости трубопровода. Общая жесткость системы труба—мерзлый грунт существенно больше, чем жесткость соб­ственно трубопровода. Кроме того, продольные перемещения труб становятся практически невозможными, что, в свою оче­редь, не дает возможности увеличиваться различного рода иск­ривленным участкам. Происходит своеобразная стабилизация трубопровода.

Охлаждение нефти в нефтепроводах до (—2) — (—3)°С, как правило, недопустимо, так как при этом увеличивается вязкость нефти и перекачка ее по трубопроводу становится невозможной. Следует отметить, что нефть, найденная в зоне распространения вечной мерзлоты, обладает высокой вязко­стью. Для перекачки эту нефть требуется подогревать до тем­пературы 30—40° С. Перекачка подогретой до такой темпера­туры нефти приведет к образованию ореола оттаивания боль­ших размеров. Да и затраты энергии для поддержания такой температуры нефти будут ограниченными. Применение пено­полистирольной изоляции труб в традиционном исполнении исключается в силу описанных выше явлений. Поэтому под­земная прокладка нефтепровода с горячей нефтью возможна, по нашему мнению, только по трубопроводу типа «труба в трубе» с заполнением межтрубного пространства. Однако в отличие от конструкции, в которой заполнителем является тяжелый цементный раствор, в данном случае заполнение меж­трубного пространства следует производить пенобетоном. Пено­бетон обладает достаточно высокими теплоизолирующими свойствами. Защитный кожух предохраняет его от обводнения. Надежность двухтрубной конструкции настолько велика, что обеспечивает безаварийную работу трубопровода даже при значительном оттаивании мерзлоты. Альтернативой такой схеме подземной прокладки является надземная прокладка на опо­рах с обычной теплоизоляцией труб. При надземной прокладке трубопровода диаметром 1000—1200 мм возникают столь слож­ные проблемы с обеспечением устойчивости положения труб на опорах, что трудно найти экономически приемлемые методы их решения. Огромная тяжесть заполненного нефтью трубопро­вода, необходимость компенсации температурных удлине­ний— это требует устройства мощных свайных или иных опор. Однако надежность их работы на печномсрзлом грунте про­блематична.

Рассмотрим далее особенности строительства трубопрово­дов на печной мерзлоте. Строительство линейной части маги­стрального трубопровода на вечной мерзлоте осуществляется, как правило, в период, когда мерзлота находится в нерастеп­ленном состоянии. Только в этом случае возможно перемеще­ние строительной техники (трубоукладчиков, трубовозов и т. д.). Расстановка вдоль трубопровода трубоукладчиков, очистных и изоляционных машин и т. п. остается такой же, как и при строительстве в обычных условиях. Это позволяет применять обычные технологии выполнения работ. Для увели­чения времени, в течение которого можно вести строительные работы, в зимний период устраивают зимники. Для работы в летний период необходима специальная техника, которая могла бы работать на оттаявшем грунте.

Весьма важным в строительный период является обеспече­ние расчетной температуры стенки труб с целью уменьшения продольных усилий. Одним из методов снижения продольных напряжений является подогрев труб в процессе их укладки в траншею пропуском внутрь труб горячих газов и засыпка трубопроводов грунтом сразу же после прогрева. Это приводит к возникновению в трубах растягивающих напряжений, кото­рые уменьшаются и уменьшают соответственно сжимающие напряжения при перекачке продукта (газа, нефти). Тем самым устраняется основная причина потери продольной устойчиво­сти.

Глава 13