Подводные переходы нефтепроводов

Подводные трубопроводы сооружают при пересечении рек, водохранилищ, озер, морских акваторий. К подводным относятся и трубопроводы, прокладываемые в болотах, сложенных слабонесущими грунтами, не допускающими прохождения по ним обычной техники. Границы подводного перехода определяются уровнем воды в водоёме 10% обеспеченности.

Подводные трубопроводы, полностью пересекающие водную преграду в составе трубопроводов, называют переходами трубопроводов через соответствующую водную преграду.

Все подводные трубопроводы классифицируются следующим образом:

1. По глубине погружения Н

ü особо глубоководные Н > 400 м;

ü глубоководные 40 < H £ 400 м;

ü средней глубины 10 < H £ 40 м;

ü мелководные Н £ 10 м.

2. По внутреннему давлению

ü высокого давления Р ³ 12 кг/см²;

ü низкого давления Р £ 12 кг/см²;

ü самотечные.

3. По виду транспортируемого продукта

4. По виду укладки на дне водоёма

ü по дну без заглубления;

ü по дну с заглублением;

ü по дну с заглублением с грунтовым или каменным;

ü выше дна с закреплением на опорах или поплавках.

5. По числу параллельно проложенных труб

6. По характеру воздействия перекачиваемого продукта на окружающую среду

ü катастрофическое;

ü особо неблагоприятное;

ü неблагоприятное;

ü нейтральное.

По конструкции подводные трубопроводы подразделяют на заглубленные трубопроводы (укладываются ниже дна), незаглубленные (на дне) и погруженные (выше дна). Наиболее распространенной является укладка труб по заглубленной схеме, позволяющей надёжно защитить их от внешних силовых воздействий.

Створы переходов через реки надлежит выбирать на прямолинейных устойчивых плесовых участках с пологими неразмываемыми берегами при минимальной ширине заливной поймы.

Надёжная работа подводных переходов в течение расчётного срока их эксплуатации обеспечиваются выбором обоснованного решения о заглублении трубопровода в русловой части и на береговых её участках, а также соответствующих конструктивных решений.

В настоящее время для оценки возможных деформаций русла рек и берегов рек в створах трубопроводов применяют гидролого-морфологическую теорию руслового процесса. Результаты обследования большого числа нефте- и газопроводов показали, что всё многообразие размывов трубопроводов, встречающихся на практике, можно отнести к следующим типам: размывы в средней части русла и размывы приурезных и береговых участков. На разных участках рек эти размывы происходят по разным причинам, которые изучает наука гидрология.

Подводный переход, как правило, представляет в плане двухтрубную систему. При меженном уровне воды 75 м и более пересечение водной преграды по СНиП 2.05.06-85 рекомендуется осуществлять с обязательной укладкой резервной нитки трубопровода. Иногда допускается, при соответствующим обосновании, укладка однониточного перехода.

Подводный трубопровод заглубляется в грунт ниже возможной границы размыва дна реки и её берегов. В этом случае не производится крепление дна, берега же реки обычно закрепляются. Если же трубопровод не может быть уложен ниже границ размыва, то участки, на которых возможен размыв, крепятся в обязательном порядке. В пределах длины подводного перехода желательно укладывать трубопроводы без кривых вставок, т.к. это усложняет условия строительства.

Иногда с целью повышения надёжности трубопроводов над ними делают каменную отсыпку или укладывают железобетонные плиты, которые предохраняют трубы от механического повреждения. Подводные нефте- и нефтепродуктопроводы обычно изолируют, покрывают футеровкой и навешивают пригрузы.

Все работы по сооружению подводных переходов подразделяются на подготовительные и основные.

К подготовительным работам относятся: геодезические и гидрометрические работы, связанные с промерами глубин в створе перехода и определением скоростей потока, планового положения траншей; подготовка спускных дорожек; футеровка и балластировка трубопровода и т.д. Трубопроводы, подготовленные к укладке под воду, размещают обычно на берегу на специальных спусковых дорожках, которые служат для спуска трубопровода с берега в подводную траншею. Выбор типа дорожки зависит от вида грунта и веса трубопровода. Трубопроводы футеруют деревянными рейками для предохранения изоляции от повреждений при укладке. Балластировка трубопровода производится при его положительной плавучести в заполненном продуктом состоянии. Балластировку выполняют чугунными и железобетонными отдельными грузами и в виде сплошных покрытий бетоном или асфальтобетоном.

Трубопровод, расположенный в подводной траншее, подвергается воздействию различных нагрузок. 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, силы упругости трубопровода, сжимающее или растягивающее продольное усилие, возникающее при протаскивании трубопровода или воздействие изменения его температурного режима и внутреннего давления. Условие устойчивости не засыпанного грунтом трубопровода на сдвиг записывается в виде:

, (6.37)

где Р_х – горизонтальная составляющая силового воздействия потока; k_ус – коэффициент устойчивости на сдвиг, принимаемый равным 1,15; Б – вес балласта в воде; Q – вес единицы длины трубы с учётом изоляции, футеровки и продукта, заполняющего трубу; k_ув – коэффициент устойчивости на всплытие, принимаемый равным 1,1; А – выталкивающая Архимедова сила; Р_у – вертикальная составляющая силового воздействия потока; q_и – сила, возникающая вследствие упругого изгиба трубопровода по заданной кривой; q_н – сила, обусловленная наличием продольной растягивающей силы в искривленном трубопроводе при его протаскивании по дну траншеи; f_тр – коэффициент трения трубопровода о грунт, принимаемый равным .

Вес балласта на единицу длины трубопровода может быть установлен по выше приведенной формуле. Основные расчётные случаи:

1. Трубопровод прямолинейный, течение отсутствует

(6.38)

2. Трубопровод прямолинейный при наличии течения

(6.39)

3. Трубопровод искривлен по профилю перехода, течение отсутствует

(6.40)

4. Трубопровод искривлен по профилю перехода при наличии течения

(6.41)

5. Общий случай (при протаскивании)

. (6.42)

Если Б окажется отрицательным, то балластировка не требуется, при положительной Б трубопровод нужно балластировать.

В этих формулах сила q_и определяется по формуле:

(6.43)

где EJ – жесткость трубы; f – стрелка прогиба искривленного участка трубопровода; l_кр – длина криволинейного участка подводного перехода.

Сумма сил определится следующим образом:

, (6.44)

где Т_р – расчётное тяговое усилие при протаскивании трубопровода (определяется методом последовательного приближения).

При строительстве подводных переходов выполняют значительный объём земляных работ, связанных с устройством траншей. Эти работы ведутся с помощью специальных землеройных машин. Береговые траншеи разрабатывают с помощью одноковшовых экскаваторов, оборудованных обратной лопатой. Русловая часть перехода разрабатывается земснарядами. Время окончания земляных работ должно, как правило, совпадать с временем окончания подготовки трубопровода к укладке в подводную траншею, чтобы не произошло заиливание траншей.

При глубине водоёмов не более 2¸3 м и незначительной их ширине (до 200 м) для устройства траншеи в русловой части можно использовать экскаватор, установленный на барже или понтоне соответствующей грузоподъёмности. Широко распространена на практике разработка подводных траншей канатно-скреперными установками.

Ширину подводных траншей по дну следует назначать с учётом режима водной преграды, методов разработки траншеи, необходимости водолазного обследования, способа укладки трубопровода. Крутизну откосов подводных траншей следует назначать в соответствии с требованиями СНиП III-42-80.

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 объём подготовительных работ. 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 последовательным наращиванием секций трубопровода.

При первом способе трубопровод протаскивают по дну подводной траншеи с одного берега к другому с помощью троса, заранее проложенного в траншею. Этот способ позволяет выполнять укладку трубопровода, не создавая помех судоходству. Нефтепроводы укладывают протаскиванием обычно с одновременной заливкой внутрь него воды, чтобы трубопровод не всплыл при протаскивании, т.к. в незаполненном состоянии он обладает положительной плавучестью.

Для протаскивания трубопровода требуется обеспечить необходимое тяговое усилие. Расчётное тяговое усилие определяется из условия:

, (6.45)

где m – коэффициент условия работы тяговых средств, принимаемый 1,1 при протаскивании лебедкой и 1,2 – при протаскивании тягачами; Т_п – предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.

Предельное сопротивление при трогании трубопровода с места будет самым большим и определяется в общем случае из условия:

, (6.46)

где q_i – вес единицы длины снаряженного трубопровода; j_р – расчётный угол внутреннего трения грунта; i – длина части окружности трубы, врезающейся в грунт; l_тр – длина протаскиваемого трубопровода; Е_пас – пассивный отпор грунта врезающимися в него неровностями на поверхности трубы. Если протаскивается трубопровод с гладкой поверхностью, то Е_пас = 0.

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 её дно путем заполнения водой.

Метод погружения трубопровода с поверхности воды последовательным наращиванием секций трубопровода применяется при переходах водных преград большой протяженности. В этом случае укладка трубопровода производится с помощью специального трубоукладочного судна, которое закрепляется на якорях.

Известны специальные способы прокладки магистральных трубопроводов через водные преграды:

· постепенного заглубления – обетонированный трубопровод укладывают на спланированное дно водоёма, сложенное рыхлыми породами; по трубопроводу несколько раз проходит (вперед-назад) самоходный трубозаглубитель гидравлического, механического или гидромеханического типа, послойно удаляя из под него грунт; трубопровод под действием собственного веса погружается на дно водоёма (на проектную отметку); после этого он обследуется водолазами и засыпается;

· направленного бурения – с одного берега водоёма на другой методом направленного бурения под дном прокладывается труба-кожух, в которую протаскивается рабочая труба; межтрубное пространство заполняется цементным раствором или другим материалом.