Способ защиты подземного трубопровода от механических повреждений
METHOD OF UNDERGROUND PIPELINE PROTECTION AGAINST MECHANICAL DAMAGES

Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти и газа и может быть использовано для защиты подземных трубопроводов, прокладываемых в скальных и/или мерзлых грунтах.
Традиционными средствами защиты подземного трубопровода от механических повреждений являются скальный лист и/или футеровка.
Известен скальный лист для защиты трубопровода (варианты) и способ изготовления скального листа [патент РФ №2317475, F16L 57/00, опубл. 20.02.2008, бюл. №5], состоящий из гибкого полотнища, выполняемого однослойным, двухслойным или многослойным из листового односторонне или двусторонне ламинированного волокнистого нетканого материала на основе волокон группы полипропиленов или полиэфиров с пропиткой волокнистого нетканого материала на всю толщину самоотверждающейся композицией.
Недостатком данного скального листа является невозможность предотвращения формирования зон пластической деформации стенок труб (вмятина) в нижней части трубопровода, в точках контакта с выступающими локальными твердыми фрагментами грунта, расположенными на дне траншеи, в условиях интенсивной весовой нагрузки от трубопровода и грунта засыпки.
Для предотвращения образования вмятин в трубах для защиты подземного трубопровода дополнительно к скальному листу обычно выполняют подсыпку дна траншеи и вокруг трубы привозным песком, что является дорогостоящим, особенно в случае отсутствия на территории производства работ естественных запасов песчаных грунтов. Также, в случае расположения трубопровода на склонном участке, песчаная подсыпка трубопровода подвержена вымыванию вниз по склону при дренировании дождевых и талых вод в траншее, что приводит к осадке трубопровода до скального грунта основания траншеи и образованию вмятин.
Известен способ прокладки трубопровода в скальных и полускальных грунтах на продольном уклоне [патент РФ №2516984, F16L 1/028, опубл. 27.05.2014, бюл. №15], заключающийся в подготовке дна траншеи путем выявления нивелировкой и последующего устранения локальных выступов и локальных углублений дна траншеи, сплошной укладке на дно траншеи мешков с песком на подготовленное дно траншеи, установке трубопровода на мешки с песком, которые позволяют снизить вымывание привозного песчаного грунта и, следовательно, снизить повреждение изоляционного покрытия трубопровода.
Недостатками указанного способа являются:
1) Значительная трудоемкость работ по выравниванию дна траншеи в скальных или слабодеформируемых грунтах.
2) Значительная стоимость и трудоемкость работ по доставке песка, заполнению мешков песком, сплошной их укладке на дно траншеи.
Известен футеровочный мат (варианты) [патент РФ №137077, F16L 1/06, опубл. 27.01.2014, бюл. №3], предназначенный для защиты изоляционного покрытия трубопровода от механических повреждений на подводных переходах через водные преграды, а также в условиях скальных, гравийных и щебенистых грунтов, выполненный в виде единой конструкции, состоящей из отдельно изготавливаемых протяженных элементов из полимерного материала, скрепляемых между собой различными способами, образующий при монтаже внешнюю цилиндрическую оболочку трубопровода.
Недостатками футеровочного мата являются:
1) Значительная стоимость изделия, высокая трудоемкость монтажа.
2) Недостаточная эффективность защиты, например, в местах стыковки секций футеровочных матов, а также при нарушениях целостности образуемой ими защитной оболочки вследствие разрушения крепежных лент в процессе укладки и эксплуатации трубопровода.
Перечисленные аналоги осуществляют защиту трубопровода от механических повреждений путем размещения вокруг трубы и под трубой промежуточных слоев и/или оболочек. При этом, опыт эксплуатации подземных трубопроводов, построенных с применением указанных средств, показывает наличие значительного числа механических дефектов на участках скальных грунтов в виде сквозных повреждений противокоррозионных покрытий труб и вмятин в металле труб.
Преобладающая часть механических повреждений локализуется снизу трубопровода, и вызвана механическим контактным взаимодействием оседающего трубопровода и скального грунта основания. Очевидно, что для увеличения степени защиты необходимо существенно увеличить толщину и стойкость к локальному продавливанию указанных средств защиты, а это будет приводить к существенному удорожанию строительства трубопроводов.
Кардинально решить проблему защиты трубопровода от механических повреждений возможно путем гарантированного обеспечения зазора между скальным грунтом основания траншеи и нижней поверхностью трубопровода путем размещения трубопровода в траншее на подземных опорах, что исключит прямое или опосредованное (через средства защиты) контактное взаимодействие трубопровода и скального грунта основания траншеи.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является устройство [патент РФ №2613703, E04G 25/00, опубл. 21.03.2017, бюл. №9], предназначенное для поддержания трубопровода в траншее или временной укладке трубопровода на поверхности грунта при выполнении ремонтных работ, выполненное в виде полимерной опоры, представляющей собой полое тонкостенное тело с прямоугольным основанием, наклонными боковыми трапециевидными стенками с ребрами жесткости, и верхней опорной поверхностью седловидной формы. Способ применения прототипа заключается в размещении на дне траншеи с заданным шагом полимерных опор и последующей укладке в траншею на полимерные опоры трубопровода или в закреплении полимерных опор на нижней части трубопровода, с последующей его укладкой в траншею.
Недостатками прототипа являются:
1) Недостаточная устойчивость рассматриваемой конструкции опоры на скальном основании траншеи. Для надежной фиксации трубопровода и исключения его деформирования после укладки под воздействием собственного веса, а также веса грунта засыпки, необходимо чтобы опоры были выставлены вертикально на ровное основание, что в скальных грунтах без песчаной подсыпки выполнить невозможно. В противном случае опоры будут деформированы изгибом, что приведет к потере их устойчивости.
2) Недостаточная ударная прочность рассматриваемой конструкции опоры. Для изготовления опоры используют полиэтилен, полипропилен или компаунды на их основе, которые в условиях низких температур воздуха (зима) обладают низкой пластичностью. При укладке трубопровода с опорами на скальное основание значительные весовые или ударные нагрузки, в особенности на неровном скальном основании траншеи, будут приводить к растрескиванию или раскалыванию опор.
Целью изобретения является создание способа защиты подземного трубопровода от механических повреждений, исключающего указанные недостатки аналогов и прототипа, снижение трудоемкости обустройства траншеи в скальных, грунтах, а также повышение эксплуатационной надежности трубопровода.
Техническим результатом изобретения является упрощение технологии подготовки траншеи в скальных грунтах, механическая защита трубопровода от воздействия выступающих относительно общего уровня дна фрагментов скального грунта, механическая защита нижней части трубопровода от пластических деформаций на границах скальных и осаживающихся грунтов.
Поставленная цель и технический результат в способе защиты подземного трубопровода от механических повреждений, включающем размещение трубопровода в траншее на опорах с верхней опорной поверхностью вогнутой седловиной формы, соответствующей укладываемому трубопроводу, решаются тем, что нижнее основание опоры оснащается деформируемым основанием, сжимающимся под воздействием весовой нагрузки от трубопровода и грунта засыпки, причем первая опора располагается в непосредственной близости от границы массивов скального грунта и осаживающегося грунта, с таким уменьшением величины сжатия деформируемого основания каждой следующей опоры, что переход трубопровода от участка, выполненного в массиве скального грунта к участку, выполненному в массиве осаживающегося грунта, происходит по плавной дуге.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2. На фиг. 1 показана схема установки полимерной опоры с деформируемым полимерным основанием. На фиг. 2 показана схема размещения полимерных опор с деформируемым полимерным основанием на границе массивов скального и осаживающегося грунта.
Способ реализуется следующим способом:
В траншею 1 (фиг. 1), выполненную в скальном грунте, устанавливают опоры 2, в верхней части имеющие цилиндрическую выемку, а в нижней оснащенные деформируемым основанием 3. Выполняют укладку трубопровода 4 на опоры 2, после чего засыпают трубопровод 4 грунтом 5, при этом, под одновременным воздействием веса опор 2, трубопровода 4 и грунта 5, деформируемое основание 3 в нижней части принимает форму поверхности дна траншеи 1, а также сжимается на величину, определимую интенсивностью весового воздействия.
Опоры 2 (фиг. 1) выполняют из полимерных материалов, сохраняющих свои эксплуатационные характеристики в условиях низких температур. Деформируемое основание 3 опор 2, выполненных из полимерных материалов, также выполняется из полимерных материалов.
Для защиты трубопровода 4 от воздействия выступающих скальных фрагментов на дне траншеи 1, опоры 2 (фиг. 2) размещают с определенным шагом вдоль трубопровода 4. Шаг установки опор 2 определяется в соответствии с расчетом, по величине допустимого прогиба участков трубопровода 4 между опорами 2 под действием весовой нагрузки от трубопровода 4 и грунта 5.
При пересечении трассой трубопровода 4 (фиг. 2) последовательно расположенных массивов скального грунта 6 и осаживающегося грунта 7, может иметь место неравномерная осадка трубопровода 4, что обусловлено тем, что скальные грунты 6 не деформируются, а осаживающиеся грунты 7 сжимаются под воздействием трубопровода 4 и грунта 5 при уплотнении или оттаивании. При этом может происходить механический контакт нижней части трубопровода 4 с границей 8 массивов скального грунта 6 и осаживающегося грунта 7.
Для защиты трубопровода 4 от механических повреждений на границе 8 массивов скального грунта 6 и осаживающегося грунта 7, на дно траншеи 1 (фиг. 2), в пределах массива скального грунта 6 устанавливают опоры 2 с деформируемым основанием 3, причем первая опора 2 располагается в непосредственной близости от границы 8 массивов скального грунта 6 и осаживающегося грунта 7. После укладки трубопровода 4 в траншею 1, его участок, уложенный в пределах массива осаживающегося грунта 7, в процессе эксплуатации осаживается, при этом происходит сжатие деформируемого основания 3 опор 2, установленных на участке, расположенном в пределах массива скального грунта 6. Так как величина сжатия деформируемого основания 3 тем больше, чем выше величина воздействия на опору 2 механических нагрузок, максимальное сжатие будет наблюдаться у деформируемого основания 3 опоры 2, расположенной на границе 8 массивов скального грунта 6 и осаживающегося грунта 7, с плавным уменьшением величины сжатия деформируемого основания 3 каждой следующей опоры 2. В результате, на границе 8 массива скального грунта 6 и осаживающегося грунта 7 исключается резкий перегиб трубопровода 4 с образованием в его нижней части вмятины, и переход трубопровода 4 от участка, выполненного в массиве скального грунта 6 к участку, выполненному в массиве осаживающегося грунта 7, происходит по плавной дуге.
Пример:
Необходимо выполнить защиту от механических повреждений трубопровода диаметром 1420 мм с заводским противокоррозионным покрытием, прокладываемого на участке, включающем последовательное расположение массивов скального грунта и мелкодисперсного, осаживающегося при уплотнении, грунта.
В соответствии с расчетом, выполненным по общепринятым методикам, установлено, что для исключения точечного контакта нижней части трубопровода со скальными фрагментами на границе массива скального грунта необходимо использовать три последовательно расположенные опоры, деформация основания которых должна составлять: 0,2 м у первой опоры, расположенной у границы массивов скального и осаживающегося грунта; 0,1 м у второй опоры, удаленной от первой на 5 м; 0,05 м у третьей опоры, удаленной от второй на расстояние 10 м. Для достижения этого, высота деформируемого основания опор, с учетом их уплотнения под нагрузкой, составляет: 1,2 м у первой опоры; 0,6 м у второй опоры; 0,3 м у третьей опоры.
На дно траншеи, в пределах массива скального грунта устанавливают опоры с деформируемым основанием, укладывают на опоры трубопровод, засыпают грунтом.