СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА В ПРОЕКТНОМ ПОЛОЖЕНИИ
METHOD FOR INSTALLING UNDERWATER PIPELINE IN DESIGN POSITION

Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти и газа и может быть использовано для закрепления трубопровода при прокладке подводных переходов трубопроводов в озерных, речных, морских и других акваториях, в частности, на участках, где осуществляют засыпку трубопровода слабонесущими подверженными разжижению грунтами.
Обеспечение устойчивости трубопровода на проектных отметках достигается либо балластировкой, либо закреплением трубопровода (СП 107-34-96 Свод правил сооружения магистральных газопроводов. Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопроводов на проектных отметках. М.: ИРЦ Газпром, 1996, п. 1.1). Балластирующее устройство создает давление на трубопровод, препятствующее его всплытию, тогда как для закрепления используют, в основном, удерживающую способность анкерных устройств. При наличии в основании траншеи больших участков из слабонесущих илов и глин, подверженных разжижению, балластировка трубопровода, осуществляемая без проведения дополнительных мероприятий, может привести к нарушению его проектного положения. При этом способность грунтов к разжижению возрастает с увеличением массы сооружения (увеличение массы балластирующих устройств). Дополнительная балластировка подводного трубопровода слоем щебня, в условиях наличия разжижающихся грунтов основания траншеи и обратной засыпки, повышает вероятность потери устойчивости сооружения. В этих условиях предпочтительнее использовать закрепление трубопровода, т.к. при этом не оказывается непосредственное давление на трубопровод, что позволяет обеспечить проектное положение и снизить способность грунтов основания к разжижению.
Известен способ укрепления грунтов на основе комплексного использования синтетических и вяжущих материалов путем армирования грунтовой засыпки геотекстильным материалом либо стеклосеткой (Спектор Ю.И. Новые технологии в трубопроводном строительстве на основе технической мелиорации грунтов. М.: Недра, 1996, с. 61-69). Дополнительно грунты укрепляют вяжущим веществом. Указанный способ применяют при подземной прокладке трубопроводов на суше. При этом необходимо крепить полотна геотекстиля и стекловолокна анкерами или скобами к краям и основанию траншеи, чтобы исключить высвобождение полотна из-под нагружаемого грунта. Однако обработка грунта вяжущим веществом невозможна при глубоководном морском строительстве. Кроме того, известное решение не позволяет избежать непосредственного нагружения трубопровода грунтом.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ прокладки подводного трубопровода (а.с. №1052771, F16L 1/04, опубл. 07.11.83) путем размещения трубопровода на дне водоема, погружения в грунт парных анкерных систем и закрепления последних на трубопроводе. С целью упрощения прокладки трубопровода закрепление анкерных систем на трубопроводе производят у водоема в транспортном, вдоль оси трубопровода, положении, а погружение анкерных систем осуществляют после их разворота в вертикальное положение. Недостатком известного решения является необходимость разработки дополнительных технических решений по технологии укладки трубопровода на дно вместе с закрепленными на нем парными анкерными сваями, проведение большого объема водолазных и других подводных работ, сложность проведения работ, а также низкая эффективность в условиях наличия в основании трубопровода разжижаемых грунтов.
3
3
В процессе эксплуатации подводные трубопроводы подвергаются различным гидродинамическим воздействиям, что может привести к потере устойчивости положения трубопровода и, как следствие, возникновению критических изгибных деформаций. Характерным примером может служить разжижение грунта вследствие нагрузок от гидродинамических процессов при шторме, ветровых, приливных и других течений, в результате чего грунт приобретает свойства флюида. В этих условиях выталкивающая сила, действующая на трубопровод, увеличивается пропорционально увеличению плотности разжиженного грунта, на котором размещен трубопровод. Лабораторные исследования показывают, что в подобных условиях плотность грунта может колебаться в диапазоне от 1,3 т/м до 1,8 т/м. Таким образом, увеличение силы Архимеда, действующей на трубопровод, может привести к всплытию трубопровода и изменению его проектного положения. Кроме того, отклонение от проектных отметок трубопровода, расположенного в северных морях, может привести к повреждению ледовыми образованиями (айсберг, торос, стамуха и др.). Указанные нагрузки и воздействия обусловливают необходимость разработки технического решения по закреплению подводного трубопровода, которое позволит исключить любые перемещения трубопровода в поперечной плоскости.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа, позволяющего осуществлять закрепление подводного трубопровода с учетом возможного наличия слабонесущих разжижающихся грунтов основания траншеи без непосредственного нагружения трубопровода.
Техническим результатом, достигаемым при реализации способа, является упрощение технологии закрепления подводного трубопровода, а также повышение эксплуатационной надежности трубопровода и повышение эффективности закрепления трубопровода.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе закрепления подводного трубопровода в проектном положении, включающем размещение трубопровода на дне водоема и установление на нем системы для закрепления трубопровода, в качестве системы для закрепления трубопровода используют металлическую сетку. Предварительно на одном из концов полотна сетки формируют габионную конструкцию, которую затем размещают на закрепляемом трубопроводе таким образом, что ось габионной конструкции перпендикулярна оси трубопровода, после чего укладывают полотно сетки на трубопровод вдоль его оси и формируют при этом опорные поверхности сетки путем размещения части сетки на грунте с каждой стороны трубопровода, при этом обеспечивают ширину каждой из опорных поверхностей сетки более 2D, где D - внешний диаметр закрепляемого трубопровода, но не менее 2,5 м. После чего обе опорные поверхности сетки отсыпают щебнем, причем необходимый объем щебня определяют расчетным путем.
На фиг. 1 изображен участок закрепляемого трубопровода с установленной на нем габионной конструкцией (1 - щебень, 2 - сетка, 3 - закрепляемый трубопровод).
На фиг. 2 представлена габионная конструкция.
AT
под
TT
УС
На фиг. 3 представлена схема приложения сил, действующих на подводный трубопровод, где 4 - пригрузы, 5 - вода или разжиженный грунт, F - сила Архимеда, действующая на трубопровод, F - максимальная вертикальная подъемная сила, соответствующая максимальной вертикальной составляющей гидродинамического воздействия на трубопровод, F - сила тяжести, F - максимальная удерживающая сила пригрузов, препятствующая всплытию трубопровода.
Способ осуществляют следующим образом.
На предварительно уложенный в траншею подводный трубопровод осуществляют укладку металлической сетки, соответствующей требованиям нормативной документации (ГОСТ P 51285-99 Сетки проволочные крученые с шестиугольными ячейками для габионных конструкций. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 2003). Выбор сетки осуществляют в соответствии с требованиями проектной документации, в зависимости от условий расположения трубопровода, с учетом нагрузок, действующих на трубопровод при его укладке. Перед укладкой сетки на трубопровод предварительно формируют габионную конструкцию, для чего один из концов полотна сетки загибают, закрепляют металлическими (соединительными) скобами и заполняют образовавшуюся полость щебнем. При этом металлические скобы, применяемые для формирования габионной конструкции, выбирают в соответствии с требованиями проектной документации, с учетом величины растягивающих сил, возникающих при укладке габионной конструкции на трубопровод. Затем габионную конструкцию с помощью траверс опускают с баржи (или другого плавсредства) и укладывают поперек трубопровода в начальной точке участка закрепляемого трубопровода. Далее баржу перемещают вдоль трубопровода, одновременно разматывая рулон с сеткой, размещенный на палубе. Части полотна сетки, уложенные на грунт с каждой стороны трубопровода, образуют опорные поверхности. При этом ширина опорной поверхности с каждой стороны трубопровода должна превышать два внешних диаметра трубопровода с учетом ширины балластирующего устройства, футеровки и изоляции, но составлять не менее 2,5 м с каждой стороны уложенного трубопровода. После укладки сетки при помощи эхолота производят точное позиционирование баржи над уложенным трубопроводом с размещенной на нем сеткой. При помощи навигационного оборудования производят позиционирование и маркировку трассы. Далее на обе опорные поверхности отсыпают щебень с целью формирования пригрузов. Для отсыпки на сетку и формирования габионной конструкции используют неразмягчаемые марки щебня (ГОСТ 8267-93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 2008) крупной фракции, размеры которой превышают размеры ячейки металлической сетки. Равномерность формирования пригрузов контролируют при помощи эхолота. После отсыпки необходимого объема щебня производят перемещение баржи вдоль маркированной трассы для закрепления следующих участков трубопровода. Подводный трубопровод, уложенный в траншее, после монтажа сетки и отсыпки щебня может быть дополнительно засыпан грунтом обратной засыпки, если это предусмотрено проектно-технической документацией.
Величину необходимого объема щебня определяют расчетным путем, исходя из условия устойчивости трубопровода, как отношение суммарной расчетной нагрузки, действующей на трубопровод вверх, и суммарной расчетной нагрузки, действующей на трубопровод вниз (СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы. М.: ГУПЦПП, 1997, п. 8.30). Таким образом, коэффициент надежности (устойчивости) для закрепленного трубопровода определяют по формуле:
TT
где F - сила тяжести трубопровода, H;
УС
F - максимальная удерживающая сила пригрузов, препятствующая всплытию трубопровода, H;
AT
F - сила Архимеда, H;
под
F - максимальная вертикальная подъемная сила, соответствующая максимальной вертикальной составляющей гидродинамического воздействия на трубопровод, H.
Значение коэффициента надежности (Кн) для морских трубопроводов принимают в диапазоне от 1,15 до 1,27, в зависимости от гидрометеорологических условий по трассе трубопровода (СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы. М.: ГУП ЦПП, 1997). Однако для расчета устойчивости положения трубопровода в прибрежной зоне рекомендуется принимать (Кн) в диапазоне от 1,2 до 2 (Капустин К.Я. Строительство морских трубопроводов. М.: Недра, 1982 г., с. 207).
TT
TT
T
T
Силу тяжести трубопровода (F) вычисляют как F=m·g, где m - масса трубопровода (кг), включая массу обетонирования, футеровки и изоляции (без учета массы перекачиваемого продукта), для расчетов по максимальному значению плавучести трубопровода.
УС
УС
Удерживающая сила пригрузов (F) возникает, если трубопровод обладает положительной плавучестью. Значение максимальной удерживающей силы пригрузов (F), препятствующей всплытию трубопровода, определяют как:
TP
где K - коэффициент трения на контакте «щебень - грунт»;
<mrow><mrow><mo>|</mo><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><mo>|</mo></mrow></mrow>
- модуль веса щебня;
ПР
2
S - площадь поперечного сечения пригрузов из щебня, м;
гр
3
V - объем пригрузов из щебня с обеих сторон трубопровода, м;
L - длина закрепляемого участка трубопровода, м;
3
γ - удельный вес щебня, Н/м.
Нормативное значение удельного веса щебня определяют по формуле (ВСН 007-88 Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Конструкции и балластировка, М.: ВНИИСТ, 1990):
щ
3
где ρ - плотность щебня, кг/м;
B
3
ρ - плотность разжиженного грунта, кг/м;
ε - коэффициент пористости отсыпки щебня.
рг
TP
TP
При проектировании трубопроводов на участках переходов, сложенных грунтами, которые могут перейти в жидко-пластическое состояние, при определении выталкивающей силы следует вместо плотности воды принимать плотность разжиженного грунта (ρ), определяемую по данным изысканий (СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы. М.: ГУПЦПП, 1997, п. 8.14*). Значение коэффициента трения (K) принимают по данным инженерных изысканий для соответствующих грунтов по трассе морского трубопровода (ВН 39-1.9-005-98 Нормы проектирования и строительства морского газопровода. М.: ИРЦ Газпром, 1998, п. 7.7). Значение (K) также можно определить как tg(φ), где φ - угол внутреннего трения щебня, с учетом коэффициента условий работы (СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*, М.: ОАО "ЦПП", 2011, табл. 9.1).
AT
Сила Архимеда (F), действующая на трубопровод:
где D - внешний диаметр трубопровода с учетом изоляции, обетонирования и футеровки, м;
TP
2
S - площадь поперечного сечения трубопровода с учетом обетонирования и изоляции, м;
под
Максимальное значение вертикальной подъемной силы (F), действующей на подводный трубопровод, определяют по формуле (СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения. М.: ГПЦПП, 1995, п. 2.11):
zmax
где F - максимальная вертикальная проекция линейной нагрузки от волн, Н/м;
xν
θ - коэффициент линейной нагрузки от волн;
h - высота расчетной волны, м;
λ - длина расчетной волны, м.
гр
Таким образом, необходимый объем щебня (V) определяют, с учетом формул (1) и (2), как:
Пример осуществления способа
T
рг
щ
TP
TP
xν
3
3
Определяли объем щебня, необходимый для закрепления в проектном положении 1 погонного метра подводного трубопровода с учетом наличия разжижающихся грунтов основания траншеи. Внешний диаметр трубопровода с учетом изоляции, обетонирования и футеровки (D) равен 1,2 м. Масса 1 погонного метра трубопровода с учетом изоляции, обетонирования и футеровки (m) равна 1850 кг. В проектной документации на закрепляемый трубопровод заложен коэффициент надежности (Кн), равный 1,2. Плотность разжиженного грунта определена по результатам инженерно-геологических изысканий (ρ) и равна 1800 кг/м. Плотность щебня (ρ) равна 3500 кг/м. Коэффициент пористости отсыпки щебня (ε) равен 0,45. Коэффициент трения сетки о грунт (K) определяли по результатам инженерно-геологических изысканий для конкретных условий строительства, в данном случае коэффициент равен 1,5. Указанное значение (K) было получено в результате изысканий, проведенных на опытном полигоне для грунтов обратной засыпки, склонных к разжижению, распространенных по трассе подводного перехода магистрального газопровода через Байдарацкую губу. В проектной документации для закрепляемого трубопровода определены высота и длина расчетной волны: h=6 м, λ=108 м (значения для глубины моря 20 м, скорости ветра 20 м/с, скорости течения 0,5 м/с, разгоне 350 км, продолжительности волнового воздействия 12 ч). Коэффициент линейной нагрузки от волн (θ) равен 0,5 (СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения. М.: ГП ЦПП, 1995, рис. 19, график «б»). Затем рассчитывали необходимый объем щебня для отсыпки на опорные поверхности сетки:
гр
3
На данном примере осуществлен расчет требуемого объема щебня, необходимого для закрепления предлагаемым способом 1 погонного метра подводного трубопровода с указанными выше характеристиками и с учетом наличия разжижающихся грунтов основания траншеи. Необходимый объем щебня составляет V=1,73 м, при этом ширина каждой из опорных поверхностей сетки, расположенных по обе стороны трубопровода, должна быть не менее 2,5 м.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить технологию закрепления подводного трубопровода за счет сокращения объема проводимых работ, а также обеспечивает повышение эксплуатационной надежности подводного трубопровода и эффективности закрепления трубопровода при наличии в основании траншеи разжижаемых грунтов за счет увеличения опорной поверхности системы для закрепления трубопровода.