Глубина заложения подземного трубопровода магистральных нефтегазопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Трубопроводный транспорт сегодня - это наиболее экономичный и экологически предпочтительный вид транспорта и по своей значимости для экономики и развития страны является важным техническим сооружением. По территории нашей страны создана разветвленная сеть магистральных газопроводов, нефтепроводов и продуктопроводов по которым перекачивается практически вся добываемая нефть (98%) и 100% добываемого в стране газа. Протяженность магистральных трубопроводов на превысила 250 тыс. км, в том числе газопроводных магистралей - более 175 тыс. км, нефтепроводных - 55 тыс. км, нефтепродуктопроводных -более 20 тыс. км. Именно поэтому особое место отводится надежности и безопасности эксплуатации трубопроводных систем, так как даже незначительные уменьшения производительности или отказы магистральных трубопроводов отрицательно отражаются на всех этапах транспортировки продукта и могут быть связаны с угрозой возникновения пожаров, экологических катастроф, что в свою очередь может повлечь человеческие жертвы.

Большая часть магистральных трубопроводов проложены подземно и их эксплуатирующие характеристики существенно зависят от свойств грунта, характера взаимодействия трубопровода с окружающим его грунтом. Подземные магистральные нефтегазопроводы, прокладываемые в сложных инженерно-геологических условиях, подвержены значительным пространственным перемещениям и со временем реальная глубина заложения трубопровода начинает не соответствовать проектному положению. Эти и другие факторы обуславливают необходимость анализа глубины заложения трубопроводов, поскольку одним из главных направлений обеспечения надежности и безопасности трубопроводов является обеспечение достаточной глубины залегания подземных трубопроводов, которая, в свою очередь, положительно влияет на параметры надежности, прочности, а также эффективную эксплуатацию.

Актуальность проблемы обеспечения пространственной устойчивости подземных трубопроводов обусловлена значительным количеством, разнообразием и суммарной протяженностью участков, находящихся в непроектном положении; высокой стоимостью и технологической сложностью производства работ по восстановлению проектного положения участков трубопровода; отсутствием достоверных методов прогнозирования возможных пространственных перемещений участков подземных магистральных газонефтепроводов.

Целью работы является анализ глубины заложения подземных трубопроводов, анализ существующих способов восстановления глубины залегания участков линейной части магистральных трубопроводов и методов их заглубления, расчет основных технологических параметров заглубления и предложения по усовершенствованию существующих методов.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

- анализ влияния глубины заложения на прочность и устойчивость трубопровода;

- анализ влияние глубины заложения на температуру перекачиваемого продукта;

- установление зависимостей между глубиной заложения трубопровода и свойствами грунта;

- анализ действия наземных нагрузок на трубопровод при различной глубине заложения;

- анализ существующих способов восстановления глубины залегания участков линейной части магистральных трубопроводов;

- анализ существующих методов заглубления трубопроводов в местах недостаточной глубины заложения;

- расчет технологических параметров заглубления;

- усовершенствование существующих методов заглубления трубопроводов магистральных нефтегазопроводов. 

1. АНАЛИЗ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

заложение подземный трубопровод глубина

Магистральные трубопроводы - это капитальные инженерные сооружения, рассчитанные на длительный срок эксплуатации и предназначенные для бесперебойной транспортировки на значительные расстояния жидких и газообразных продуктов из районов их добычи до мест потребления. В ряде трубопроводов внутреннее давление продукта достигает 10, 0 МПа и более. Температура перекачиваемого продукта в зависимости от его свойств может иметь разные значения и достигать до 80 °С.

В соответствии с действующими нормами и правилами основной конструктивной схемой укладки трубопроводов является подземная. Прокладку трубопроводов по поверхности земли в насыпи (наземная прокладка) или на опорах (надземная прокладка) осуществляют только в исключительных случаях, например, такие прокладки допускаются в пустынях, горах, болотах, на вечномерзлых и неустойчивых грунтах, на переходах через естественные или искусственные препятствия.

Глубина заложения подземных трубопроводов магистральных газо- и нефтепроводов определяется из соображений надежности, прочности и эффективной эксплуатации трубопровода.

Достаточная глубина заложения снижает влияние наземной нагрузки на напряженно-деформированное состояние трубопровода. С увеличением глубины заложения значение усилия на трубопровод от наземной нагрузки снижается. Следовательно, снижается уровень механических напряжений в трубопроводе.

Известно, что с увеличением температуры нефти и нефтепродуктов уменьшается вязкость этих продуктов. Это приводит к снижению гидравлического сопротивления движению жидкости в полости трубопровода и необходимого давления для перекачки продукта. Слой грунта достаточной величины обеспечивает сохранение температуры перекачиваемого продукта и тем самым снижает значение необходимого давления перекачки. А это, в свою очередь, дает экономию электроэнергии, потребляемой электродвигателями насосных агрегатов.

Подземная прокладка трубопровода в определенной степени защищает от незаконных врезок в трубопровод и откачки продукта, а также от террористических актов.

Достаточный слой грунта в определенной степени ограничивает продольные и поперечные перемещения подземного трубопровода, обеспечивая общую продольную устойчивость трубопровода. При этом чем больше глубина заложения трубопровода, до определенной величины, тем больше усилие ограничения со стороны грунта.

1.1 Глубина заложения по действующим сводам правил и другим нормативным документам

Основными документами при исследовании заглубления подземных трубопроводов в местах недостаточной глубины залегания является РД-75.200.00-КТН-015-09 "Технология ремонта трубопроводов в местах недостаточной глубины залегания. Методика расчета технологических параметров заглубления трубопроводов", СП 36.13330.2012 "Магистральные трубопроводы".

Заглубление трубопроводов, в зависимости от диаметра и вида грунта, до верха трубы принимается не менее:

- при номинальном диаметре менее DN 1000………............ 0, 8 м;

- при номинальном диаметре DN 1000 и более (до DN 1400)……..1, 0 м;

- на болотах или торфяных грунтах, подлежащих осушению…......1, 1 м;

- в песчаных барханах, считая от нижних отметок межбарханных оснований …………………………………………………1, 0 м;

- в скальных грунтах, болотистой местности при отсутствии проезда автотранспорта и сельскохозяйственных машин…………………… 0, 6 м;

- на пахотных и орошаемых землях ………………………………...1, 0 м;

- при пересечении оросительных и осушительных (мелиоративных) каналов (от дна канала)…………………………………………….. 1, 1 м.

Заглубление нефтепроводов и нефтепродуктопроводов в дополнение к указанным требованиям должно определяться также с учетом оптимального режима перекачки и свойств перекачиваемых продуктов в соответствии с указаниями, изложенными в нормах технологического проектирования.

Заглубление трубопроводов, транспортирующих горячие продукты при положительном перепаде температур в металле труб, должно быть дополнительно проверено расчетом на продольную устойчивость трубопроводов под воздействием сжимающих температурных напряжений.

Ширину траншеи понизу следует назначать не менее:

DN + 300 мм - для трубопроводов номинальным диаметром до DN 700;

1, 5 DN - для трубопроводов номинальным диаметром DN 700 и более.

При номинальных диаметрах трубопроводов DN 1200 и DN 1400 и траншеях с откосом свыше 1:0, 5 ширину траншеи понизу допускается уменьшать до величины DN +500 мм. При балластировке трубопроводов грузами ширину траншеи следует назначать из условия обеспечения расстояния между грузом и стенкой траншеи не менее 0, 2 м. Не допускается прокладка магистральных трубопроводов по территориям населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, аэродромов, железнодорожных станций, морских и речных портов, пристаней и других аналогичных объектов, кроме случаев подключения их к предприятиям по переработке, перевалке и хранению нефти. Тогда должны выполняться следующие дополнительные требования: номинальный диаметр нефтепровода должен быть не более 700 мм; рабочее давление должно быть не более 1, 2 МПа, при этом уровень кольцевых напряжений в трубопроводе не должен превышать 30% нормативного предела текучести металла труб; трубопровод должен приниматься категории В; заглубление трубопровода следует принимать не менее 1, 2 м, при соответствующем обосновании следует предусматривать прокладку трубопровода в стальном защитном футляре, методами микротоннелирования, наклонно-направленного бурения, горизонтально-направленного бурения, защиту трубопровода железобетонными плитами, применение других технических решений, обеспечивающих безопасность нефтепровода.

1.2 Анализ влияния глубины заложения трубопровода на внутреннего давления в трубопроводе

Внутреннее давление в трубопроводе от перекачиваемого продукта одна из основных нагрузок, определяющих его напряженное состояние.

Для создания внутреннего рабочего давления и перекачки нефти или нефтепродуктов по МН применяются центробежные насосы. Выбор типа насоса будет зависеть от технико-экономических показателей.

Основные параметры нефтепровода, в том числе и внутреннее рабочее давление, определяются исходя из обеспечения пропускной способности нефтепровода при расчетных значениях плотности и вязкости продукта. Слой грунта достаточной величины обеспечивает сохранение температуры перекачиваемого продукта, а, как известно, с увеличением температуры нефти и нефтепродуктов уменьшается вязкость этих продуктов, что приводит к снижению гидравлического сопротивления движению жидкости в полости трубопровода и необходимого давления для перекачки продукта.

Исходя из вышесказанного, принятие достаточной глубины заложения трубопровода снижает значение необходимого давления перекачки. А это, в свою очередь, дает экономию электроэнергии, потребляемой электродвигателями насосных агрегатов.



1.3 Анализ влияние глубины заложения на перемещение трубопровода при эксплуатации

Подземный трубопровод при эксплуатации испытывает различного рода воздействия, например, деформации и веса грунта, температуры внутреннего давления перекачиваемого продукта, веса самого трубопровода с продуктом и др. И под влиянием этих нагрузок и воздействий возникают продольные и поперечные усилия, под действием которых происходит перемещение трубопровода, как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Поперечные перемещения трубопровода под действием осевых сжимающих усилий имеют характерные особенности. До определенной величины этих усилий равновесие трубопровода остается устойчивым; по достижению некоторого критического значения усилий сжатия трубопровод теряет устойчивость, то есть переходит в смежные состояния равновесия, при которых характерны большие изменения прогиба при малом увеличении сжимающих усилий. Следствием потери продольной устойчивости трубопровода может быть нарушения условий эксплуатации, повреждение конструкции, аварии.

Продольные усилия, которые не приводят к выпучиванию трубопровода из траншеи или разрушению насыпи, т.е. к потере общей продольной устойчивости трубопровода, тем не менее вызывают перемещение трубопровода как в продольном, так и в поперечном направлениях. Эти перемещения, в свою очередь, могут привести к повреждению стенки трубы от напряжений изгиба.

Существенное влияние на характер перемещений оказывает деформация участков трубопровода, прилегающих к зоне выпучивания. Действительно, взаимодействие трубопровода с грунтом не ограничивается зоной, в которой происходит деформации изгиба. Возникающие при этом продольные перемещения распространяются вдоль прилегающих участков, вовлекая их в работу по изгибу трубопровода.

Опыт эксплуатации магистральных нефтегазопроводов показывает, что значительное число нарушений эксплуатационной надежности трубопроводов обусловливается явлением ползучести грунта. При этом с течением времени без увеличения усилия происходит постепенное увеличение перемещения трубопровода в грунте. Очень часто это приводит к постепенному выпучиванию трубопровода из грунта и к его повреждению от изгиба.

Достаточный слой грунта, в определенной степени, ограничивает продольные и поперечные перемещения подземного трубопровода, тем самым обеспечивая общую продольную устойчивость трубопровода. При этом чем больше глубина заложения трубопровода, до определенной величины, тем больше усилие ограничения со стороны грунта.

1.4 Анализ взаимодействия глубины заложения трубопровода и характеристик грунта

Подземный трубопровод подвергается силовому воздействию грунта. В свою очередь, трубопровод при продольных и поперечных перемещениях, оказывает воздействие на грунт. Характер и сила взаимодействия трубопровода с грунтом зависят от физико-механических свойств грунта, геометрических характеристик трубопровода, величины и направлений перемещений трубопровода. Поэтому основой расчета подземного трубопровода на прочность и устойчивость принимаются сведения о характеристиках грунтов вдоль трассы трубопровода.

В настоящее время трубопроводы сооружают в грунтах практически всех видов и типов. Грунты классифицируются в соответствии с ГОСТ 25100-95. Наиболее часто встречающимися в практике сооружения и эксплуатации подземного трубопровода грунтами являются песчаные и глинистые грунты.

Грунт, окружающий неподвижный подземный трубопровод, оказывает на него давление. Под влиянием этой нагрузки возникают продольные и поперечные усилия, которые приводят к перемещению подземного трубопровода в продольных и поперечных направлениях.

При исследовании напряженно- деформированного состояние трубопроводов на участках, имеющих продольные и поперечные перемещения, необходимо учитывать сопротивление грунта этим перемещениям. В зависимости от упругих свойств грунта, величины продольных перемещений и длительности действия сил в трубопроводе при продольном перемещении могут устанавливаться упругая, упругопластичная или пластичная связи [11]. В результате исследований, было установлено, что сопротивление поперечным перемещениям трубопровода зависит от свойств грунта, величины перемещений и глубины заложения трубопровода.

В работе [14] для определения наибольших предельных величин сопротивления грунта вертикальным поперечным перемещениям трубопровода предложена следующая зависимость:

(1)

где -глубина заложения трубопровода, считая от оси трубы.

В работе [15] для определения наибольших предельных величин сопротивления грунта предлагается другая формула:

, (2)

где -глубина заложения трубопровода, считая от оси трубы.



1.5 Анализ влияния глубины заложения на прочность и устойчивость подземных трубопроводов

Прочность подземного трубопровода оценивается на основе сопоставления возникающих в нем усилий от действующих механических нагрузок с теми усилиями, которые приводят трубопровод в предельное состояние. При этом расчетная схема трубопровода должна отражать действительные условия его работы.

При эксплуатации многие подземные трубопроводы испытывают действие высоких продольных сжимающих усилий, что приводит к потере общей устойчивости подземного трубопровода в продольном направлении в плоскости наименьшей жесткости. Продольное критическое усилие, при котором наступает потеря продольной устойчивости трубопровода, определяется согласно правилам строительной механики с учетом принятого конструктивного решения и начального искривления трубопровода в зависимости от глубины его заложения, физико-механических характеристик грунта, наличие балласта, закрепляющих устройств.

Проблема сохранения проектного положения газонефтепроводов на сегодняшний день является значимой и актуальной. Рассмотрим потерю устойчивости на примере газопровода.

Высокий температурный перепад, который возникает при транспортировке газа, приводит к значительным сжимающим осевым усилиям, которые, в свою очередь, могут привести к потере устойчивости газопровода с образованием арки (арочного выброса).

В работе [22] была рассмотрена динамика роста арок с одной и двумя полуволнами на магистральных газопроводах Западной Сибири, для которых хaрактерны непроектное положение трубопроводов--с недостаточной глубиной заложения трубопроводов-- на участках большой протяженности. Рассмотрены две стадии роста арок с указанной конфигурацией. Для первой стадии продольная сила считается постоянной, для второй используется полученная зависимость этой силы от перемещения трубопровода в область аркообразования. С помощью энергетического метода найдены выражения для стрелы изгиба в случае первой и второй стадии. Параметр, входящий в выражение для , который наиболее неопределен--это длина участка аркообразования . Эта длина определяется по результатам натурных наблюдений. В результате исследований, которые проводились на 66-79 км магистрального газопровода «Уренгой - Сургут - Челябинск», было установлено, что средняя длина для арок с одной длиной полуволны составляет 260 м. Арка срабатывает как естественный компенсатор и полностью снимает продольные напряжения, переводя их в изгибные.

В работе [25] рассматривается динамика продольных перемещений газопровода в область аркообразования. Приводится методика расчета продольных перемещений в область аркообразования в начале и в конце, предполагая упругий режим сопротивления грунта сдвигу. Конечное значение стрелы арки зависит от ряда факторов, среди которых значительная роль принадлежит дополнительным продольным перемещениям трубопровода в область аркообразования.

Наибольший интерес представляет работа [27], в которой приводится анализ пространственных перемещений магистрального газопровода с определением граничных зон. Основываясь на экспериментальные данные, которые были получены в процессе обработки около восьмидесяти участков, находящихся в непроектном положении, авторы сделали попытку определить граничные зоны. При изучении рассматривались аркообразования с одной полуволной--самые распространенные, которые имеют протяженность 50--250 м, и со стрелой прогиба--до 5 м от проектных отметок.

Для того чтобы, наиболее точно определить геометрические параметры линии изгиба каждой арки авторы предложили описать геометрию колоколообразными функциями, поскольку они будут наиболее точно определять геометрию аркообразования по сравнению с синусоидальной функцией, которая использовалась ранее--и, с помощью предложенных функций, после обработки данных геометрии арок и была получена графическая зависимость между параметрами оголенного участка--отношение стрелы прогиба к длине оголенного участка--и удлинения газопровода при температурном расширении металла трубы.

Компенсация продольных усилий, которые возникают в газопроводе при аркообразовании в результате удлинения происходит как на участке изменения высотного положения, так и на участке, который к нему прилегает. Для того, чтобы определить полную длину трубопровода, участвующую в процессе аркообразования и граничных зон, требуется методика, которая позволит учитывать свойства грунта, эксплуатационный режим и климатические условия.

Предложенные авторами колoколообразные функции достаточно точно описывают линию изгиба трубопровода при aркообразовании, особенно «загнутые» примыкающие к нему участки.

Для определения удлинения ДL необходимо в каждом отдельном случае вычислять необходимые коэффициенты, входящие в функцию--и для решения поставленной задачи авторами разработана компьютерная программа, которая позволяет производить необходимые вычисления на основе данных по существующим аркам.

Подход, предложенный авторами, позволяет более точно описать характер пространственного положения арки и исходный экспериментальный материал. А чтобы определить удлинение достаточно знать значения f, L и по их безразмерной комбинации рассчитать удлинение.

Разработана и запатентована программа для расчета общей устойчивости в продольном направлении подземного трубопровода по общеизвестным формулам [28]. С помощью данной программы возможно выполнить следующие задачи:

- рассчитать критическую продольную силу по известным формулам и входящим в нее множителям и слагаемым;

- выбрать из вычисленных значений критической продольной силы наименьшее;

- произвести проверку условия устойчивости по наименьшему значению критической продольной силы;

- в случае невыполнения условия программа выдает рекомендации для его выполнения (применение компенсирующих устройств, установка стабилизирующих устройств, увеличение балластировки трубопровода, увеличение заглубления трубопровода).

Основной целью расчета на устойчивость трубопровода, находящегося под действием начальных сжимающих напряжений, является выбор такого варианта прокладки, глубины заложения, которые гарантировали бы его безотказную эксплуатацию.

Результатом потери устойчивости трубопровода является развитие опасных напряжений в стенках трубы от изгиба и разрушения засыпки.

Наиболее широко вопросы устойсивости подземных трубопроводв рассмотрены в книге Э. М. Ясина и В. И. Черникина [28].

(расчет устойчивости на прям-х уч-х; со слабой несущей способ-ю гр/в; на уч-х упруг. изгиба)

1.6 Анализ действия наземных нагрузок на трубопровод при различной глубине заложения

Трубопроводы прокладываются в самых разнообразных топографических, геологических, гидрогеологических и климатических условиях. Они пересекают значительное количество железных и автомобильных дорог. Трубопроводы укладываются также под проездами, на территориях заводов и других промышленных предприятий.

В последние годы интенсивно развивается сеть газопроводов в населенных пунктах. Имеется большая сеть трубопроводов в подземном исполнении, часто пересекающих автомобильные дороги без специальных покрытий, по которым движется тяжелая колесная и гусеничная транспортная техника. Значительная часть работ по техническому обслуживанию и ремонту подземных трубопроводов выполняется с их вскрытием экскаваторами. Так или иначе, при выполнении работ по техническому обслуживанию и ремонту тяжелая ремонтная техника переезжает подземный трубопровод.

Участки трубопроводов, прокладываемых на переходах через железные и автомобильные дороги всех категорий с усовершенствованным покрытием капитального и облегченного типов, должны предусматриваться в защитном футляре (кожухе) из стальных труб или в тоннеле, диаметры которых определяются условием производства работ и конструкцией переходов и должны быть больше наружного диаметра трубопровода не менее чем на 200 мм.

Несмотря на это иногда возникают проблемы обеспечения прочности трубопроводов на указанных переходах в связи с появлением высоких напряжений, превышающих нормативное. Появление высоких напряжений связано с увеличением масс транспортных средств по сравнению с данными, заложенными при проектировании трубопровода, и сооружением новых дорог, пересекающих действующие магистральные трубопроводы, которые не учитывались на стадиях проектирования и строительства.

Аварии на магистральных трубопроводах по причине воздействия наземной нагрузки учитываются совместно с другими аналогичными причинами как внешнее воздействие. Высокие наземные нагрузки сразу же в момент их действия не всегда могут привести к авариям. Но они приводят к разрушению наружного защитного покрытия от коррозии, к нарушению формы круглого поперечного сечения трубопровода (его сужению) и образованию гофров в сжатой зоне при изгибе трубопровода с появлением остаточных пластических деформаций. В зонах нарушения формы круглого поперечного сечения и образования гофров под действием внутреннего давления возникают локальные повышенные кольцевые и продольные напряжения, которые могут привести к тяжелым последствиям. Указанные сужения и гофры, препятствующие прохождению внутритрубных очистных и диагностических средств, при превышении определенных величин подлежат удалению, что связано с большими затратами.

Интенсивный рост сети трубопроводов, автомобильных дорог и количество автотранспорта делают данную проблему из года в год более актуальной.

1.7 Снижение влияния наземных нагрузок принятием достаточной глубины заложения

Подземный трубопровод работает совместно с окружающим его грунтом. Грунт создает нагрузку, действующую на трубопровод, и является основанием и средой, через которую передается давление наземных нагрузок. Грунт деформируется совместно с трубопроводом. При действии на подземный трубопровод неравномерной по длине нагрузки, например от действия наземной нагрузки, происходит изгиб участка трубопровода.

Наземная нагрузка может быть сосредоточенной и полосовой (распределенной). К сосредоточенным относятся транспортная техника на колесах, отдельное тяжелое оборудование и т.п., к полосовым - транспортная техника на гусеницах, любые механизмы, установленные на несущих плитах, и т.п.

Действие на трубопровод наземных нагрузок зависит от распределения давления в грунте. В соответствии с [44], для описания распределения давлений в грунте могут быть использованы уравнения классической теории упругости для полупространства.

Анализ зависимости (1.1) показывает, что увеличение глубины Я и расстояния Я приводит к существенному снижению напряжения а₂. Если Я равна глубине заложения трубопровода до верхней образующей трубы Н_в, то зависимости (1.1), (1.2) позволяют найти напряжения а_г на уровне глубины заложения трубопровода Н_в по его длине. Для случая подземного трубопровода напряжения а₂ действуют на ширине, равной наружному диаметру трубопровода И.

В связи с изменениями глубины Я и расстояния II значения напряжения а₂ и усилия q по длине трубопровода меняются. В сечении (по вертикальной плоскости) приложения усилия Р значения и максимальны, и с удалением от этого сечения значения а₂ и ц уменьшаются.

В работе [29] в качестве примера рассмотрен трубопровод диаметром 720 мм при значениях Р = 5 т, Н_в = 100 см; тогда указанные разности составляют: при п = 8 и п = 6, следовательно 0, 0001 кгс/см, а при п = 6 и п = 4 имеем 0, 0004 кгс/см. Далее рассмотрено, как влияет значение Н_в на изменения а₂ с изменением п. При И = 21, 9 см, Р= 10 т, Н_в = 50 см разность между значениями при п = 8 и п = 6 составляет 0, 0009 кгс/см, а при Н_в= 100 см эта разность равна 0, 0002 кгс/см. Проведен анализ влияния Р на изменения а₂ при изменении п. Для Б = 72 см, Р = 5 т, Н_в = 100 см разность между значениями а₂ при л = 8 и я = 6 составляет 0, 0001 кгс/см, а при ? = 10 т эта разность равна 0, 0002 кгс/см. Исходя из анализа данных по изменениям а₂ с увеличением количества разделений п можно заключить, что для практических расчетов реально существующих подземных трубопроводов п может быть принято равным 8, 10 или 12. При этом большие значения п следует принять при расчете трубопроводов больших диаметров, действии значительных наземных усилий Р и небольших глубинах заложения трубопровода Н_в.

По вычисленному значению сг₇ по (1) определяется ^ - максимальное значение усилия, действующего на единицу длины трубопровода.



Рисунок 1. Характер изменения напряжений в грунте на глубине Н при действии двух наземных сосредоточенных нагрузок

Изменения напряжений а₂ в грунте по вертикали (в глубину) и горизонтали для полосовых нагрузок имеют такой же характер, как и для сосредоточенных нагрузок, с некоторыми особенностями из-за их распределенного действия на поверхность земли. Для таких наземных нагрузок напряжение в грунте а₂ имеет наибольшее значение по оси симметрии полосовой нагрузки и уменьшается с увеличением глубины нахождения рассматриваемой точки от поверхности и с удалением этой точки от оси симметрии по горизонтали.

В работе [30] даны аналитические зависимости для определения о₂ и в виде таблицы 1.6 значения а₂ в долях от равномерно распределенной наземной нагрузки р в зависимости от расстояний между рассматриваемой точкой до поверхности земли по вертикали и до оси симметрии полосовой нагрузки по горизонтали.



Таблица 1. Значения Р в зависимости от глубины нахождения рассматриваемой точки от дневной поверхности земли и ширины полосовой нагрузки

Я	Значения а -- при -- Р
	0, 0	0, 1	0, 2	0, 3	0, 5	0, 7	1, 0	1, 5	2, 0	3, 0	4, 0	5, 0
0, 0	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000/0	0, 000	0, 000	0, 000	0, 000	0, 000
0, 1	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000	1, 000	0, 500	0, 002	0, 000	0, 000	0, 000	0, 000
0, 2	0, 998	0, 996	0, 996	0, 996	0, 989	0, 961	0, 499	0, 010	0, 005	0, 000	0, 000	0, 000
0, 3	0, 993	0, 987	0, 985	0, 966	0, 910	0, 898	0, 498	0, 005	0, 001	0, 000	0, 000	0, 000
0, 5	0, 960	0, 960	0, 954	0, 942	0, 907	0, 808	0, 496	0, 090	0, 019	0, 002	0, 001	0, 000
0, 7	0, 906	0, 905	0, 900	0, 887	0, 830	0, 732	0, 489	0, 148	0, 042	0, 005	0, 004	0, 001
1, 0	0, 822	0, 820	0, 815	0, 807	0, 728	0, 651	0, 479	0, 218	0, 084	0, 017	0, 005	0, 003
1, 5	0, 670	0, 666	0, 661	0, 647	0, 607	0, 552	0, 449	0, 262	0, 145	0, 050	0, 015	0, 007
2, 0	0, 540	0, 540	0, 543	0, 535	0, 511	0, 475	0, 409	0, 288	0, 185	0, 071	0, 029	0, 013
3, 0	0, 397	0, 395	0, 395	0, 389	0, 379	0, 354	0, 334	0, 273	0, 211	0, 114	0, 059	0, 032
4, 0	0, 306	0, 305	0, 304	0, 303	0, 292	0, 291	0, 275	0, 243	0, 205	0, 134	0, 083	0, 051
5, 0	0, 242	0, 242	0, 242	0, 241	0, 239	0, 237	0, 231	0, 215	0, 188	0, 140	0, 094	0, 065

В таблице 1. Я--глубина нахождения рассматриваемой точки от дневной поверхности земли; в м; а- половина ширины наземной полосовой нагрузки вдоль продольной оси трубопровода; Р--давление полосовой наземной нагрузки на дневную поверхность земли.

Вместе с тем вышепредставленные формулы для сосредоточенной нагрузки, известные аналитические зависимости и табличные данные для полосовой нагрузки сложны для использования при проведении анализа напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов. В связи с этим проведен анализ действия наземных нагрузок на подземный трубопровод и на его основе получена удобная для расчетов аналитическая зависимость усилий, воспринимаемых подземным трубопроводом, от исходных параметров. При этом учитывались следующие положения.

Исходя из закономерности распределения давлений в грунте, можно заключить, что в результате действия с поверхности земли сосредоточенной или полосовой нагрузки подземный трубопровод воспринимает распределенное усилие Значение и закономерности изменения этого распределенного усилия q(x) определяются в соответствии с характером распределения давлений в грунте. С учетом этого, в т.ч. симметричного характера изменений распределенной нагрузки на трубопровод, фактических параметров возможных наземных нагрузок, диаметров трубопроводов и глубин их заложения для определения q(x) в области х > 0 (при глубине заложения Н_в трубопровода) может быть принято выражение [25]:

q{x)=q0-e-ax,

где qo - максимальное значение усилия q(x) на глубине Н_в;

а - параметр, определяемый в зависимости от вида наземной нагрузки и глубины заложения трубопровода;

х - расстояние по горизонтали (вдоль продольной оси трубопровода) от сечения приложения сосредоточенной силы (оси симметрии полосовой нагрузки) до сечения, где определяется усилие.

Рассмотрим характер изменения значений q₀ и q(x) в зависимости от изменений исходных параметров, используя при этом данные работ [12, 44] и формулы, представленные в данном параграфе.

На рисунке 1.9 представлены зависимости распределенного усилия q(x) для различных значений сосредоточенной наземной нагрузки, диаметров подземных трубопроводов и глубин их заложения. Значения q(x) определены, используя (1.12) и вычисляя среднее значение 5ф)ПО формуле Симпсона.

Как видно из рисунка 1.9, значения q(x) по длине трубопровода, начиная с точки приложения (х = 0) усилия, снижаются и достаточно существенно. Так, например, при Р = 10 т, D = 72 см для х = 0 имеем qo = 84, 3 кгс/см, а для х = 100 см qo = 3, 5 кгс/см, т.е. значение q(x) уменьшилось в 24 раза.

На рисунке 2 даны зависимости максимального усилия qo от значения давления на поверхность грунта наземной полосовой нагрузки р, ее ширины 2в вдоль продольной оси л: и глубины заложения трубопровода Н с наружным диаметром 21, 9 см. При этом использованы данные таблицы 1.3 и соответствующие формулы для определения Н, a₂, qon q_x-

Рисунок 2 - Характер изменение q(x) по длине трубопровода для различных диаметров (а) и наземных сосредоточенных усилий (б)

Как показывают графики, увеличение глубины заложения трубопровода, как и следовало ожидать, приводит к снижению влияния наземной нагрузки на подземный трубопровод. Представляют интерес количественные показатели такого снижения. Так, например, при Н = 45 см, р = 2, 5 кгс/см, D = 21, 9 см, в = 150 см имеем q₀ = 54, 4 кгс/см, а при тех же значениях р, D, в и Н= 100 см значение q₀ = 49, 6 кгс/см. Из графиков также видно, что увеличение ширины приложения наземной нагрузки по продольной оси трубопровода (по оси х) для рассматриваемого случая до 2 м приводит к росту q₀, а дальнейшее увеличение в приводит к росту qo очень незначительно. Необходимо также отметить, что изменения д(х) для различных значений х при изменениях в имеют такие же закономерности, как и изменения до- Анализ закономерностей и данных изменений усилий на подземный трубопровод от наземных нагрузок в связи с изменениями исходных параметров, в соответствии с [36], позволяет определить значения максимального усилия и параметра а для сосредоточенной и полосовой наземных нагрузок.

При действии нескольких полосовых наземных нагрузок напряжения в рассматриваемой точке грунта определяются на основе принципа сложения действующих сил.

1.8 Влияние подземной укладки трубопроводов на их безопасность

Хищение нефти и нефтепродуктов через несанкционированные врезки в нефте- и продуктопроводы ежегодно увеличивается почти вдвое. Статистика хищений: свыше 5 млн тонн в год. Финансовые потери от несанкционированных врезок составляют для нефтяных компаний 100-180 млрд рублей, а для бюджета страны - 20-37 млрд рублей. Особенно быстро в последний год растут кражи дизельного топлива «Евро-5» из магистрального нефтепродуктопровода (МНПП) «Север». Так, по данным ОАО АНК «Транснефти», на территории Ленинградской области в 2016 году было обнаружено 24 врезки, а в 2014 году ? 43 врезки, рост на 79%. В зоне ответственности ООО «Балттранснефтепродукт» (Ленинградская, Новгородская, Владимирская, Ивановская, Ярославская и Тверская области) в 2013 году было обнаружено 26 врезок, а в 2014-м - 49, что составляет 88% роста.

Следствием несанкционированной врезки может стать поломка трубопровода, которая потребует полной замены пришедшего в негодность участка, с остановкой работы всей трубы на время ремонта.

Возможны и негативные экологические последствия: по оценкам экологов, при разливе 25 л нефти на 1 кв. м фитомасса сокращается на 90% за 1 год. Период самовосстановления растительного покрова после загрязнения почвы нефтью для северных широт составляет 10-15 лет. Растворенная и эмульгированная нефть в концентрации выше 0, 05 мг/л приводит к значительным нарушениям биологического равновесия водоемов. 1%-ный водный раствор ароматических углеводородов, которых в нефти содержится 30-40%, убивает все водные растения (таблица 1)

Очевидно, что практика незаконных врезок крайне опасна и должна быть ликвидирована. Для защиты от несанкционированные врезок, в основном, применяются два способа - патрулирование или охрана с помощью технических средств.

В настоящее время наиболее распространенным видом охраны является патрулирование, однако оно имеет целый ряд недостатков: во-первых, патрули не могут находиться в каждый момент времени на всем протяжении трубопровода. Одних только магистральных трубопроводов у 215 000 км - больше, чем длина четырех экваторов. Конечно, можно возразить, что значительная часть из них - это газопроводы с давлением 100 атмосфер и нефтепроводы, идущие по просторам Сибири, в которые никто "не врезается", но оставшаяся часть, проходящая по густонаселенным районам Урала, Поволжья, центральной России, Северо-Запада и Юга, представляется весьма интересной для криминала. Во-вторых, высок риск совместной работы охранных и преступных организаций. В-третьих, помешать зафиксировать врезку может обычная халатность.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что заглубление трубопроводов имеет место при принятии мер защиты от несанкционированных врезок: во-первых, усложняется доступ к трубопроводу (появляется надобность в специальной технике), во-вторых, увеличивает время доступа к продукту перекачки, следовательно, увеличивается возможность обнаружения места врезки с помощью технических средств, систем мониторинга и охранной сигнализации, патрулирования. В-третьих, обнаружение самой нитки трубопровода займет большее количество времени, что не только снижает возможность несанкционированной врезки в трубопровод, но и снижает риски террористических актов на магистральных трубопроводах.



2 СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ УЧАСТКОВ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

2.1 Участки в скальных грунтах

Глубина залегания и защита трубопровода с недостаточной глубиной залегания в скальных грунтах на необрабатываемых землях должна восстанавливаться отсыпкой привозным грунтом, независимо от протяженности участка, следующими способами:

-отсыпкой валика над трубопроводом с откосами 1:1, 5. Верх валика должен быть спланирован над трубопроводом на ширину не менее 1, 5 диаметров трубопровода. Высота отсыпки от верхней образующей трубопровода до верха отсыпанного грунта после уплотнения должна быть не менее 0, 6 м, в соответствии со схемой (см. рисунок 3).

-на протяженных участках, кроме восстановления глубины залегания, должны быть обустроены типовые переезды через трубопровод и установлены указатели о месте переезда через нефтепровод.

На обрабатываемых землях с подстилающими скальными грунтами глубина залегания должна восстанавливаться заглублением с опорожнением нефтепровода.

Рис. 3. Участки пересечения с полевыми и лесными дорогами



На участках пересечения трубопровода с полевыми и лесными дорогами восстановление глубины залегания трубопроводов должно выполняться отсыпкой минерального грунта и укладкой железобетонных плит, в соответствии с типовыми решениями.

Слой минерального грунта над верхней образующей трубопровода должна быть не менее 1, 4 м. Грунт насыпи должен быть уплотнен послойно, толщина уплотняемого слоя не более 0, 2 м. Сверху на насыпь переезда должны быть уложены железобетонные дорожные плиты. Поперечный стык между плитами не должен находиться над трубопроводом.

2.3 Трубопровод. Локальные участки

Недозаглубления, оголения и провисы на локальных участках, независимо от грунтовых условий, должны ликвидироваться отсыпкой привозным грунтом.

При ликвидации оголений и провисов должны быть выполнены подсыпка и присыпка мягким грунтом на высоту не менее 0, 2 м над верхней образующей нефтепровода, с подбивкой пазух и послойным уплотнением грунта. Грунт должен быть уплотнен послойно, толщина уплотняемого слоя не более 0, 2 м.

В качестве мягкого грунта подсыпки следует применять песок крупный, средней крупности, мелкий или пылеватый по ГОСТ 25100, в котором частицы размером 2 мм и менее составляют по объему более 50 %, а остальные частицы имеют размер не более 5 мм. Мягкий грунт должен быть получен путем последовательного просеивания песчаного грунта, добываемого в карьере, или грунта из отвала через механические сита с размерами ячеек 5 х5 мм и 2 х 2 мм, и последующего смешивания полученных фракций в вышеуказанном соотношении.

В качестве насыпного грунта должен использоваться минеральный грунт I-IV категорий (глины, суглинки, супеси, песчаный, песчано-гравелистый и другие несвязные грунты по ГОСТ 25100).

Для закрепления насыпного грунта на весь срок эксплуатации участка с восстановленной глубиной залегания, следует использовать присыпку насыпного грунта органо-минеральной смесью и посев многолетних трав.

На обрабатываемых землях работы должны выполняться по схеме, показанной на рисунке 4

1 - грунт минеральный, 2 - нефтепровод, 3 - мягкий грунт, 4 - насыпной грунт, 5 - противоэрозионные материалы и конструкции.

Рисунок 4 - Восстановление глубины залегания на локальных участках линейной части МН, на обрабатываемых землях

На необрабатываемых землях, отсыпка грунта должна выполняться в виде валика.

Для закрепления насыпного грунта на весь срок эксплуатации участка с восстановленной глубиной залегания на линейной части МН, в пойменной части ППМН, откосах выемок и наевшей следует использовать следующие органо-минеральные смеси и негниющие материалы:

- присыпка насыпного грунта органо-минеральной смесью под посев многолетних трав;

- геотекстиль;

- мешки из геотекстиля с различной степенью заполнения; биоматы;

- рулонные материалы и георешетки.

Для защиты от водной эрозии должны использоваться мешки с песком, мешки с ПЦС и ГБМ. При этом верхняя часть валика должна быть спланирована на ширину не менее 1, 5диаметров трубопровода.

2.4 Трубопровод. Протяженные участки

В грунтах I-IV групп с несущей способностью более 0, 03 МПа на необрабатываемых землях на протяженных участках с величиной недозаглубления до 0, 2 м ремонт должен быть выполнен отсыпкой привозным грунтом, за исключением случаев совмещения заглубления трубопровода на этих участках с ремонтом труб или заменой изоляции.

Схема восстановления глубины залегания на необрабатываемых землях приведена на рисунке 2.

Требования к привозному грунту изложены в 2.3 настоящего документа.

В грунтах с несущей способностью до 0, 03 МПа глубина залегания протяженных участков должна быть восстановлена следующими способами:

при недозаглублении до 0, 2 м в болотах I типа - отсыпкой привозным грунтом; при недозаглублении на величину более 0, 2 м в болотах I типа и в болотах П-Ш типа независимо от величины недозаглубления - заглублением.

2.5 Последовательность операций при ремонте участков ЛЧ МН без заглубления

При ремонте участков ЛЧ МН без заглубления должна предусматриваться следующая последовательность операций:

а) разбивка на местности ремонтируемого участка с установкой информационно-опознавательных знаков;

б) очистка от древесной поросли полосы отвода, превышающей протяженность ремонтируемого участка на 20 м;

в) проверка соответствия разбивки участка фактическому положению нефтепровода в плане и по глубине залегания;

г) выполнение работ в соответствии с рабочим проектом.

Перечень основных технических средств, рекомендуемых для применения при ремонте участков МН с недостаточной глубиной залегания без заглубления приведен в таблице 2.

Таблица 2--Перечень основных технических средств, рекомендуемых для применения при ремонте участков МН с недостаточной глубиной залегания без заглубления

Линейная часть и береговые участки ППМН
Наименование работ	Основные технические с	редства и оборудование
	Грунты с несущей способностью >0, 03 МПа	Грунты с несущей способностью <0, 03 МПа
1	2	3
Подготовка строительной полосы, проездов, переездов, снятие плодородного слоя почвы, водоотлив	Бульдозер, мощностью 100- 200 кВт.	Бульдозер болотоходный, мощностью 100-200 кВт.
	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-20 т.	Болотоходный одноковшовый экскаватор или обычный со еланями, пеной-волокушей, весовой класс 12-20 т.
	Автокран, грузоподъемностью 5-16 т.	Трубоукладчик болотоходный
	Трелевочный трактор, типа ТТ-4, ТДТ-55	Трелевочный трактор, типа ТТ-4, ТДТ-55
	Водоотливной агрегат, производительностью 300-750 м3/ч	Водоотливной агрегат, производительностью 300-750 м3/ч
	Грузовой автомобиль, грузоподъемностью от 8 т.	Пена-волокуша.
	Бензопилы ручные, мощность 2-6 кВт.	Бензопилы ручные, мощность 2-6 кВт.
Заготовка насыпного грунта в карьере	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-30 т.	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-30 т.
	Бульдозер-рыхлитель, мощностью 100-200 кВт.	Бульдозер-рыхлитель, мощностью 100-200 кВт.
Транспортировка насыпного грунта	Самосвал, грузоподъемность 8-15 т.	Самосвал, грузоподъемность 8-15 т.
	-	Бульдозер болотоходный мощностью 100-200 кВт. с волокушей
	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-20 т.	Одноковшовый экскаватор болотоходный, весовой класс 12-20 т.
	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-20 т.	Одноковшовый экскаватор болотоходный, весовой класс 12-20 т.
насыпного грунта	Бульдозер, мощностью 100- 200 кВт.	Бульдозер болотоходный, мощностью 100-200 кВт.
	Самосвал, грузоподъемность 8-15 т.
Планировка и уплотнение насыпного грунта	Бульдозер, мощностью 100- 200 кВт.	Бульдозер болотоход, мощностью 100-200 кВт.
	Одноковшовый экскаватор, * весовой класс 12-20 т.	Одноковшовый экскаватор болотоход или обычный со еланями, пеной-волокушей, весовой класс 12-20 т.
	Автогрейдер, класс 140 и выше, мощность от 100 кВт.	-
	Виброплита ручная	Виброплита ручная
Рекультивация	Бульдозер, мощностью 100- 200 кВт.	Бульдозер болотоход, мощностью 100-200 кВт.
	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-20 т.	Одноковшовый экскаватор болотоход или обычный со еланями, пеной-волокушей, весовой класс 12-20 т.
Устройство закрепления насыпного грунта, установка запрещающе- опознавательных знаков	Грузовой автомобиль с манипулятором	Одноковшовый экскаватор болотоход, весовой класс 12- 20 т.
	Автокран, грузоподъемность 5-16 т.	-
	Одноковшовый экскаватор, весовой класс 12-20 т.	Одноковшовый экскаватор болотоход, весовой класс 12-20 т.
	Бур ручной	Бур ручной
Доставка людей к месту работ	Вахтовый автобус	Вахтовый автобус на базе вездехода, гусеничный транспортер
Средства связи	Портативная радиостанция, радиосвязь должна обеспечивать устойчивую связь с НПО
Русловые участки ППМН
Наименование работ	Основные технические средства и оборудование
	Для работ на открытой воде	Для работ на закрытой воде
Водолазное обследование и удаление посторонних предметов	Плавкран, водолазный бот, эхолот, ручной гидравлический инструмент (отбойные молотки, пилы, шлифмашинки)	Грузоподъёмное устройство, водолазная станция в зимнее время, эхолот
Подготовительные работы, доставка и погрузка песчано-гравийной смеси, мешков с песком, мешков с ПЦС, ГБМ	Грузовой автотранспорт, грузоподъёмные средства, экскаватор, баржа	Грузовой автотранспорт, грузоподъёмные средства, экскаватор, бульдозер для отсыпки грунта со льда
Намораживание льда, подготовка щелей и майн во льду	-	Мотопомпа, ледорезная машина, грузоподъёмное устройство
Установка плавсредств	Буксирный катер, баржа с материалами	Дощатый настил, кран
Обозначение ремонтируемого участка буями	Шлюпка, водолазный бот	Водолазная станция при работе со льда
Подбивка трубопровода мешками с песком и ПЦС	Грузоподъёмное устройство, водолазный бот	Грузоподъёмное устройство, водолазная станция
Спуск на дно к ремонтируемому участку пульпопровода	Г рузоподъёмное устройство, водолазный бот	Грузоподъёмное устройство, водолазная станция
Заполнение размытого участка грунтом	Водолазный бот, пульпопровод, земснаряд или грунтосос	Водолазная станция, грунтосос, гидромонитор
Формирование щебеночной постели	Грузоподъёмное устройство, водолазный бот	Водолазная станция, грузоподъёмное устройство.
Укладка ГБМ на ремонтируемом участке со скреплением их синтетическими канатами	Грузоподъёмное устройство, водолазный бот, синтетический канат	Водолазная станция, грузоподъёмное устройство.
Замывание песком зазоров в стыках элементов матов для создания внутренней песчаной оболочки	Водолазный бот, земснаряд или грунтосос	Водолазная станция, грунтосос, гидромонитор
Проведение повторного водолазного обследования	Водолазный бот, эхолот	Водолазная станция, эхолот
Средства связи	Портативная радиостанция, радиосвязь должна обеспечивать устойчивую связь с НПС



3. СПОСОБЫ ЗАГЛУБЛЕНИЯ УЧАСТКОВ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МН

3.1 Способ заглубления трубопроводов с подкопом

- выполняется расчет технологических параметров заглубления нефтепровода на заданную глубину при ремонте с заменой изоляции;