Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы строительства и ремонта МГ в руслах малых водных преград (МБП) 6
1.1. Особенности проектирования и строительства МГ на переходах через МБП, овраги 6
1.2. Проектировочные расчеты МГ на устойчивость 12
1.3. Реальное состояние МГ на уклонах, поймах и руслах МБП 18
1.4. Способы ремонта МГ на пересечениях МВП 26
Глава 2. Конструктивные методы обеспечения устойчивости МГ и грунтов засыпки на обводняемых участках трассы с МВП 31
2.1. Водопропускные сооружения 31
2.2. Железобетонные утяжелители и конструкции типа "труба в трубе" 37
2.3. Анкерные системы 42
2.4. Конструкции и способы балластировки с применением геотекстильных синтетических материалов (ГСМ) 45
2.5. Обеспечение устойчивости грунта в траншее на уклонах трассы 49
Глава 3. Расчетные исследования устойчивости МГ с начальными искривлениями в обводненных грунтах, включая МВП 55
3.1. Обзор расчетных методик. Постановка задачи подсадки МГ в русле МВП 55
3.2. Расчет параметров подсадки МГ в русле МВП. Анализ результатов 64
3.3. Экспериментальное обоснование выбора метода расчета 78
Глава 4. STRONG Разработка методов ремонта размытых и провисающих участков газопроводов 87
4.1. Ремонте использованием ВПС STRONG 87
4.2. Ремонт методом подсадки и с применением новых способов балластировки 102
Глава 5. Практическая реализация результатов работы 115
5.1. Разработка нормативной базы 115
5.2. Внедрение технических решений 123
5.2.1. Водопропускные сооружения 123
5.2.2. Метод подсадки 129
5.2.3. Конструкции и способы балластировки 141
Общие выводы 150
Список литературы 152
- Проектировочные расчеты МГ на устойчивость
- Железобетонные утяжелители и конструкции типа "труба в трубе"
- Расчет параметров подсадки МГ в русле МВП. Анализ результатов
- Ремонт методом подсадки и с применением новых способов балластировки
Введение к работе
Бесперебойная подача природного газа от месторождений до потребителей является главной задачей газотранспортных предприятий ОАО "Газпром". Выполнение этой задачи непосредственно зависит от надежного функционирования линейной части магистральных газопроводов, общая протяженность которых составляет около 150 тыс. км, из них диаметром 1020-ь 1420 мм свыше 60 %.
В эксплуатации ООО "Севергазпром" находится более 8,5 тыс. км. магистральных газопроводов (МГ), проходящих через пять регионов северозападной части России: республику Коми, Архангельскую, Вологодскую, Ярославскую и Тверскую области. Протяженность коридоров МГ составляет 1,4 тыс. км. Многочисленные водные преграды — реки, ручьи, балки, овраги, лощины с временными водотоками пересекают коридоры МГ на всем протяжении. На каждые 100 км коридора приходится порядка 25 больших и малых водотоков, причем, малые водные преграды (МВП) составляют абсолютное большинство.
Натурные обследования состояния трассы МГ показывают, что на пересечениях газопроводов с МВП встречается масса размытых, провисающих, частично заглубленньгх в русло участков с остатками ж/б пригрузки и поврежденной изоляцией. Такие участки не соответствзтот проектным решениям, являются потенциально-опасными по причине внепших воздействий потока воды, льда, плывущих деревьев и т.п. На отдельных участках активизируются коррозионные процессы, особенно на границах "вода-воздух", "грунт-воздух". В период стояния высоких вод заливаемые территории охватывают значительные по длине отрезки газопровода, которые при необеспеченной балластировке теряют устойчивость, всплывают, что усиливает эрозионные процессы вымывания грунта из траншеи.
Применение только традиционных железобетонных утяжелителей является дорогостоящим способом балластировки и, кроме того, не обеспечи-
5 вающим устойчивость грунтов на уклонах. За последние 15 лет успешно развиваются способы закрепления трубопроводов с использованием геотекстильных, в том числе нетканых синтетических материалов, которые сочетают высокую техническую и экономическую эффективность при строительстве и ремонте МГ на периодически обводняемых территориях.
Важным фактором повышения устойчивости и, как следствие, экономичности ремонта МГ, является применение безвырезной технологии, когда на базе данных диагностического состояния металла стенок трубы возможно не вырезать участок перехода, а использовать резервы несущей способности действующего газопровода. Высокая стоимость новых труб резко удорожает традиционные способы ремонта с вырезкой труб и стравливанием газа. В настоящее время возникла острая необходимость в ориентировании стратегии ремонта МГ на технологии без прекращения перекачки продукта. Основные положения этой стратегии разработаны руководством ОАО "Газпром" и ведущими специалистами ВНИИГАЗа.
Предлагаемая диссертационная работа направлена на решение проблем устойчивости положения эксплуатируемых МГ и непосредственно связана с безвырезной технологией ремонта МГ на переходах через МВП с использованием метода подсадки и применения водопропускных сооружений в насыпи, возводимой на провисающих участках МГ. Оба способа являются технически эффективными и экономически целесообразными.
В работе поставлены и решены задачи обеспечения устойчивости МГ при осуществлении безвырезной технологии ремонта МГ на пересечениях малых водотоков с разработкой изобретений, повышающих эффективность и экономичность ремонта и продлевающих срок службы действующих систем.
Проектировочные расчеты МГ на устойчивость
В проектах 60" - начала 7 0 " годов при прокладке МГ больших диаметров 1020 -f- 1420 мм старались сводить к минимуму второй способ по причине нехватки трубогибочного оборудования, что приводило к завышенному количеству участков надземной прокладки при прохождении переходов через МВП и пониженных участков местности. Самым распространенным видом надземной прокладки являлись однопролетные бескомпенсаторные балочные переходы длиной до 40 - 60 м. Например, такие переходы часто встречаются в проекте строительства первой очереди газопровода Ухта - Торжок, разработанного институтом Гипроспецгаз в 1967 г. В условиях слабо пересеченной местности, на переходах через лощины, балки, овраги, балочные переходы позволяли без применения кривых искусственного гнутья проходить большие участки трассы с минимальной планировкой и срезкой грунта, используя свободный упругий изгиб газопровода с минимальным радиусом 800 м при диаметре газопровода 1220 мм. В дальнейшем радиусы изгиба были ограничены — не менее 1000 Дн (Дн = 219 - 1420 мм — наружный диаметр трубы) [169].
В местах выхода переходов из грунта часто предусматривали опорные конструкции и меры по предотвращению размыва грунта. При этом, возвышение низа трубы над горизонтом воды 5 % обеспеченности принималось не менее 1 , 0 м.
При монтаже балочных переходов по проекту требовалась прямолинейность в плане путем прохождения пролета одной плетью по неразрезной схеме монтажа или устройством временных опор на период монтажа. Такая схема обеспечивала оптимальное распределение изгибающего момента по длине перехода. С учетом осадки грунта в опорных сечениях, значения изгибающего момента в них и в середине пролета сближаются по абсолютной величине, составляя около половины от максимального момента при разрезной схеме монтажа.
Этот эффект позволял более точно использовать несущую способность трубопровода и увеличивать пролетные расстояния балочных переходов.
С целью повышения надежности прокладываемых МГ, а также в связи с увеличением числа трубогибочных станков, в проектах стали чаще заклады вать кривые искусственного гнутья на подземных переходах через естественные препятствия. Для сведения к минимуму напряжений от изгиба плети трубопровода при укладке, необходимо обеспечивать максимальное прилегание тела трубы к дну траншеи.
При строительстве часто допускались случаи несовпадения профиля дна траншеи и нижней образуюш;ей трубопровода, когда вогнутая кривая вставка была избыточна или недостаточна по длине [128]. В обоих случаях под трубопроводом возникали пустоты, которые в дальнейшем служили очагами интенсивного вымывания грунта течением водотока. Кроме того, эти же пустоты вызывали дополнительные напряжения изгиба при установке железобетонных утяжелителей.
Ниже изложены элементы технологии земляных работ при пересечении водных преград [112, 126, 169, 117]. Строительство переходов осуш;ествляют при минимальных уровнях воды. Через ручьи и неглубокие реки глубиной до 0,5 м в устойчивых грунтах траншею копает одноковшовый экскаватор, который движется непосредственно по дну водотока или работает с берега. Если грунты неустойчивы и глубина реки более 0,5 м, русло перекрывают земляной дамбой, по которой перемещается экскаватор и копает траншею в русле рядом с дамбой или непосредственно в ней. Перекрытие дамбой является временным. В дальнейшем она разрушается или используется для засыпки траншеи. Иногда производится отвод водотока в другое русло на время подготовки траншеи, затем естественное русло восстанавливается.
Если ширина реки доходит до 30 м, а глубина составляет 0,5 1 , 5 м, траншею разрабатывает экскаватор-драглайн поочередно с обоих берегов. Грунт транспортируется на берег в отвалы бульдозером. При глубинах 2 2,5 м производительность экскаваторов резко снижается, поэтому требуется специальная подводная техника. Засыпка подводных траншей также производится экскаватором сразу после укладки трубопровода.
Укладка трубопровода в русле МВП производится с учетом рельефа местности и разности отметок русла и поймы, а также конфигурации трубопровода (наличия кривых вставок). Применяется три схемы прокладки [112]: — протаскиванием по дну; — с временной дамбы; — с берега траншеи.
При протаскивании плети, имеюш;ие одну или две кривые механического гнутья, поддерживаются в вертикальной плоскости трубоуклад-чиками. Русловая плеть должна иметь длину с запасом для пристыковки "насухо" береговых плетей.
Береговые траншеи на обводненных и заболоченных поймах разрабатывают одноковшовыми экскаваторами с обратной лопатой или экскаваторами-драглайнами со щитов, еланей и дорог или болотными экскаваторами. В илистых и плывунных грунтах, когда стенки траншеи не сохраняются, ее разрабатывают с креплением и водоотливом.
Овраги, балки с крутыми склонами перед укладкой трубопровода делают пологими путем планировки бульдозером, обеспечивая уклон до 20 4- 25. Грунт перемещается на дно оврага и разравнивается. Затем экскаватор копает траншею. Элементы трубопровода с кривыми вставками располагают на откосах, изолируют, футеруют, опускают в траншею, стыкуют и сваривают.
Сооружение переходов производится в общей линейной колонне, если не требуется специальной техники и технологии, или с опережением колонны, когда работы выполняют отдельные комплексные бригады.
Железобетонные утяжелители и конструкции типа "труба в трубе"
Железобетонные (ж/б) утяжелители широко применяются для балластировки трубопроводов в руслах МВП, как пойменных и заболоченных участках трассы [4, 5, 7, 8, 12, 15, 18, 24, 49, 50, 65, 143, 13, 115, 111, 171, 172, 112, 113, 126, 133, 136, 130, 121, 99, НО]. Усовершенствование ж/б утяжелителей шло по направлениям: — повышения устойчивости положения на трубе; — обеспечение сохранности изоляции трубы при монтаже утяжелителя; — увеличение балластирующей способности отдельного утяжелителя, в т.ч. за счет повышения плотности материала.
При одинаковой массе ж/б блоков преимущество утяжелителя с более высокой плотностью очевидно. Так, при возрастании плотности бетона с 2300 кг/м до 2900 кг/м балластирующий эффект (при равной массе) в воде увеличивается в 1 , 4 6 раза [ 1 3 0 ] .
Повышение устойчивости положения утяжелителя на трубе может быть получено двумя путями — пониженным расположением центра тяжести утяжелителя и увеличением сил взаимодействия утяжелителя с поверхностью трубопровода. По сравнению с традиционным седловидным грузом [99], выполненным в виде П - образного блока с криволинейной посадочной поверхностью, пониженным положением центра тяжести отличаются утяжелители типа УБО, широко представленные в нормативных документах [115, 111, 113], а также менее известные поясные утяжелители типа УП [121]. По патенту [143] предложен вариант расположения блоков УБО плашмя на дне траншеи с обеих сторон трубы, при этом скосы граней обращены к трубе, а силовые поясы закреплены в конических отверстиях блоков. Центр тяжести такого утяжелителя расположен на уровне около нижней образующей трубы.
Увеличение сил взаимодействия утяжелителя с трубой достигается различными конструктивными мерами [4, 5, 8, 12, 24]. В конструкциях [4, 8] предусмотрены специальные нижние захваты в виде небольших ж/б блоков, связанных эластичной лентой, охватывающей трубу. Основной блок при установке воздействует на нижние захваты и одновременно натягивает ленту, при этом не только повышается усилие фиксации, но и сохраняется изоляция, не соприкасающаяся с поверхностями блоков. Утяжелитель [5] состоит из двух вложенных один в другой П-образных блоков, внутренний из которых снабжен повротными коромыслами на шарнирных пальцах. При установке наружный блок садится на внутренний и поворачивает коромысла, фиксируя утяжелитель на трубе. Утяжелитель [12] состоит из двух шарнир-но-связанных блоков, которые посредством клинового соединения стягиваются винтом с прижатием блоков к трубе. Утяжелитель [24] снабжен двумя вкладышами по внутренним сторонам П-образного блока с возможностью взаимного перемещения. При установке утяжелителя вкладыши неподвижно садятся на трубу, а блок, смещаясь вниз, прижимает вкладыши к трубе.
Сохранение изоляционного покрытия трубопровода — главная цель изобретений [15, 18], по которым утяжелитель имеет кольцевую форму из вложенных друг в друга полуколец, раздвигаемых при установке с помощью специальной технологии строповки.
В способе балластировки [49] решается вопрос защиты изоляции при линейных перемещениях трубопровода с группами ж/б пригрузов, которые по краям зафиксированы разъёмными утяжелителями в виде клеммового зажима с помощью болтового соединения.
Как уже говорилось, увеличение балластирующей способности отдельного утяжелителя может быть получено за счет большей плотности материала. В этом смысле эффективны чугунные кольцевые пригрузы из серого чу-Г у н а СЧ-00 плотностью 6 8 0 0 - - 7 0 0 0 кг/м [ 1 2 6 ] . Однако, на трубопроводах большого диаметра их экономичность снижается, поэтому они применяются на малых диаметрах. Плотность железобетона может быть повышена до 2900 кт/мЛ, если использовать заполнитель из медеплавильного шлака, а шлако-литые утяжеляюпдие грузы имеют плотность свыше 3000 кг/м Другим направлением увеличения балластируюп];ей способности ж/б утяжелителей является использование минерального грунта, работающего в качестве балласта совместно с утяжелителями [84, 48, 56, 61, 62, 85, 81, 89, 75, 140, 45, 97]. Например, пригрузы УБО за счет "развала" блоков над трубой, способны вовлекать часть грунта засыпки в качестве балласта [85, 81, 89, 140, 45]. Утяжелитель [75] представляет собой П-образную ж/б емкость, устанавливаемую на трубу и засыпаемую грунтом. Конструкции [48, 56, 61, 62] выполнены в виде ж/б плит и сборных элементов из железобетона, монтируемых на трубе с образованием емкостей для засыпки балласта. Максимальное вовлечение грунта засыпки для балластировки трубопровода предусмотрено в изобретениях [84, 97], в которых ж/б плиты фактически выполняют роль анкеров, они расположены на дне траншеи, а трубопривод связан с ними гибкими бандажами.
Важнейшим условием надежной работы МГ на подводном участке является его устойчивое положение в русле МВД. Устойчивость обеспечивается одиночными ж/б утяжелителями, монолитным и сборным железобетоном [7,50,65,115,171,126,130].
Расчет параметров подсадки МГ в русле МВП. Анализ результатов
Для решения задачи подсадки используются два метода, рассмотренные выше — аналитический и энергетический. Вводится понятие фиктивных нагрузок, обеспечивающих начальное и конечное положение трубопровода. Расчетными являются разности силовых факторов: Рассмотрим аналитический метод расчета. Дифференциальное уравнение изгиба на участке АоВлСо имеет вид [146Л общее решение которого для прогибов "у" имеет вид Произвольные постоянные Сі и С2, определяются из граничных условий Значение стрелы прогиба при X = 0,5 / равно Значения изгибающих моментов в сечениях X = О, X = определяют ся по зависимостям Продольное усилие, выраженное в виде (29), требует уточнения, ввиду перемещений концевых застков, удлинения за счет "слабины", температурного перепада и изменения внутреннего давления продукта. С учетом этих поправок выражение для силы N примет вид где — деформация за счет выбора "слабины" трубопровода; При упругом перемещении трубопровода, 1/м; СЛЛ — коэффициент постели грунта при сдвиге, н/м ; деформация трубопровода за счет измене ния температуры и внутреннего давления; — температурный перепад, С; АР — изменения давления, н/м . Уравнение (37) примет вид Используя формулы (35), (36), получим связь между прогибом Г и вызывающей его нагрузкой я Уравнения (39), (40) применяются доя расчета необходимых параметров подсадки. Порядок решения задачи следуюш;ий: - задается начальная длина 4 = 300 0А и в соответствии с реальным профилем, автоматически находится величина 4 (рис. 10); - в уравнение (39) подставляются величины = 4; / = и другие параметры, определяется КА; - величины 4,1д , No подставляются в уравнение (40), определяется в уравнение (39) подставляются величины f = 4, / = 4, определяется ЬР; - аналогично по формуле (40) определяется Я = - находятся приращения параметров Aq, AM, AM,,. Далее задаются необходимые ограничения по нагрузке Ад и продольным напряжениям в виде где яА — распределенная весовая нагрузка трубопровода, и/и; о-л = — напряжения от усилия АК, в сечений 01-0,, н/мЛ; сг л = напряжение от изгибающего момента в сечении My — изгибающий момент при прокладке упругим изгибом, зафиксированный до начала подсадки; т ц = \л л — напряжения от внутреннего давления, н/м , Р — проектное давление, н/м ; At2 — температурный перепад от периода подсадки к процессу возобновления эксплуатации, С; cj , — нормативный предел текучести трубной стали, н/м ; Kg — коэффициент надежности.
Ремонт методом подсадки и с применением новых способов балластировки
Рассмотренные в разделе 4.1 методы ремонта провисающих и размытых З астков МГ в русле МВП не связаны с изменением положения газопровода. Несмотря на очевидную экономическую целесообразность ремонта с применением ВПС, существуют ограничения по водопропуску, возрастает риск размыва примыкающих подземных и русловых участков трассы, а также береговой эрозии при высоком уровне воды. В таких случаях приемлемым методом обеспечения устойчивости газопровода, русловых и береговых участков трассы по безвырезной технологии является подсадка газопровода со значительным изменением его продольного положения.
Достаточная несущая способность стенок труб газопроводов, эксплуатируемых длительное время, доказана в результате экспериментальных исследований, в т.ч. полигонных испытаний трубных плетей с дефектами [157, 193,194].
Состав вопросов, которые необходимо решать для осуществления подсадки, приведен в блок-схеме (рис. 30). Вопросы, решаемые в рамках данной диссертационной работы, выделены на блок-схеме штрих-пунктирной линией: Из них методика расчета разработана и приведена в Главе 3. Необходимо рассмотреть методы обеспечения устойчивости, разработанные в ходе выполнения диссертационной работы. В соответствии с блок-схемой выделяются способ заглубления газопровода и способы его балластировки с помощью новых технических решений, которые в комплексе обеспечивают возможность подсадки, устойчивое положение протяженного газопровода и устойчивость грунта засыпки в траншее на береговых участках трассы.
Ниже эти технические решения представлены. Впервые разработан способ подсадки трубопровода, защиш;енный патентом [150]. Схема способа приведена на рис. 31. Газопровод 1 провисает в русле 2 водной преграды шириной L. Необходимо заглубить его в новое (проектное) положение 5, определенное расчетом. Последовательность операций по подсадке, защип];ен-ная патентом, включает мероприятия, перечисленные ниже. На первом этапе производится вскрытие траншеи вдоль трубопровода с обеих сторон, начиная от русловой части и двигаясь вверх по уклонам и углубляя траншею до расчетных отметок. За пределами русла оставляют не разработанными грунтовые массивы 6, далее 8 и 10, играющие в дальнейшем роль водозадержи-вающих перемычек, а также грунтовые перемычки 7, служащие для временного опирания освобождаемой плети трубопровода. Расстояния между перемычками 6 и 7 определяются расчетом пролета трубопровода на изгиб, а между перемычками 6 и 8 — горизонтальным уровнем от верха перемычек б до точки пересечения линии уровня с дном расчетной траншеи (т. С). Образованные участки траншеи между перемычками 6 и 8 заполняют водой, трубопровод поддерживается на плаву, опорные перемычки 7 освобождаются. Затем опоры 7 срезают, трубопровод опирается на перемычки 6 и 8. Аналогично проходят следующие ступени по участкам траншеи между перемычками 8, 10 и т.д. После срезки опор 7 срезают перемычки 6 и 8, вода стекает в русло водной преграды, трубопровод плавно садится на дно траншеи 5. Науча-стках обводнения от русла водной преграды заранее устанавливают утяжеляющие пригрузы, компенсирующие плавучесть трубопровода и облегчающие тем самым его погружение в нижней (центральной) части подсаживаемого участка.
После укладки трубопровода в расчетное положение, его балластируют на отрезках 3,4 и выше по уклону. После балластировки производят окончательную засыпку грунтом всего участка подсадки.
Перейдем к техническим решениям по балластировке газопровода, основные сведения о которых изложены в сборнике трудов [157]. В Главе 1 говорилось, что обычное проектное решение по балластировке состоит в пригрузке русловой части железобетонными утяжелителями, а на уклонах трассы — просто минеральным грунтом. При недостаточной толщине слоя засыпки и ее балластирующей способности, возможны всплытие и потеря продольной устойчивости газопровода, когда весенний паводок достигает высокого уровня — порядка 2-10 % обеспеченности (Раздел 1.3).
При производстве ремонта МГ методом подсадки риск потери устойчивости примыкающих участков газопровода к руслу МВП должен быть исключен. Это с одной стороны, а с другой — надежность данного мероприятия необходимо обеспечить минимальными экономическими затратами. Таким условиям удовлетворяет геотекстильный материал, в частности, НСМ и разработанный на основе способ балластировки подземного трубопровода, защищенный патентом [154]. Техническая и экономическая эффективность балластирующих конструкций с применением НСМ доказана опытом эксплуатации сисчтемы МГ "Ямбург - Центр" на головном участке, где распространена вечная мерзлота [133, 197]. На рис. 32 представлена суть данного способа. Трубопровод 1, лежащий в траншее, перекрывают гибкими коврами НСМ и засыпают балластом 2, оставляя свободными от засыпки торцевые участки ковров, заворачивают полотнища по продольным и поперечным краям засыпки, образуя замкнутые полости НСМ с грунтом. Между смежными блоками засыпки 2 остаются свободные промежутки 3, в полости которых расстилают такие же ковры 4, засыпают в них балласт 3 до уровня блоков засыпки 2, затем продольные 4 и поперечные кромки сворачивают в положение 5, а после укладки сваривают газовой горелкой.
