Термостабилизация многолетнемерзлых грунтов

С целью обеспечения безопасности на объектах трубопроводного транспорта, а именно на линейной части магистрального нефтепровода, проложенного на участках с многолетнемерзлыми грунтами, эксплуатирующие компании используют мелиорацию грунта. Это понятие включает в себя комплекс мероприятий, связанный с изменением состава, свойств, и других факторов для сохранения грунта в стабильном состоянии.

Методы воздействия на грунт подразделяются на две большие категории: активные (передача грунту холода или тепла); пассивные (влияют через вторичные параметры).

Согласно [17], существует три группы средств воздействия на грунт:

1. Первая группа средств воздействует непосредственно на теплообмен между грунтом и окружающим воздухом и включает в себя ряд способов: навесы; посадка растительности; защита пленками и т.д.

2. Эта группа воздействует на изменение теплообмена в самом грунте. Способы воздействия разнообразны: осушение, полная замена грунта и т.д.

3. Третья группа влияет на температуру грунта при помощи передачи тепла или холода от естественного или искусственного источника. Естественные способы: каналы вентиляции, проветривание, обводнение. Искусственные же методы более распространённые: пар, хладагенты, химические смеси. [10]

Сохранение состояния грунта при эксплуатации нефтепроводов на участках ММГ, основная задача инженеров. Недопущение оттаивания исключает возникновение аварий на действующем нефтепроводе. Опыт отечественного строительства в районах распространения мерзлых грунтов, безусловно, полезен при сооружении и эксплуатации трубопроводов. Средства, которые использовали конструкторы для укрепления грунта под фундаментом сооружений, с успехом используется и в трубопроводном транспорте. Один из таких методов термостабилизация грунта.

Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) предназначены для поддержания грунта в мерзлом состоянии, что обеспечивает устойчивость зданий, сооружений на сваях, а также сохраняет замерзший грунт вокруг опор ЛЭП и трубопроводов, вдоль насыпей железнодорожных путей и автомобильных магистралей. [11]

Для термостабилизации используются различного типа СОУ. Они классифицируются по следующему принципу принцип работы; вид хладогента; расположение в пространстве; металл, из которого изготовлен корпус, по конструкции.

ОУ различаются то типу и модели на [9]:

 по типу хладогента;

 по принципу работы;

 по материалу изготовления корпуса;

 по ориентации в пространстве;

 по конструктивным особенностям.

1. По типу хладогента (используемого теплоносителя) ОУ делятся на 4 типа:

 жидкостные;

 газовые (воздушные);

 газожидкостные (эффект барботажа);

 парожидкостные (двухфазные).

2. ОУ по принципу работы делятся на:

 конвективные (газовые, жидкостные и газожидкостные);

 спарительные (двухфазные).

3. ОУ по ориентации в пространстве подразделяются на:

 слабонаклонные (горизонтальные);

 вертикальные;

 наклонные.

4. ОУ по материалу изготовления подразделяются на:

 из алюминиевых сплавов;

 из нержавеющей стали;

 полиэтиленовые трубы.

5. По конструктивным особенностям имеют широкий спектр в зависимости от назначения.

Систематизация сезонно-действующих охлаждающих устройств приведена на рисунке.

Рисунок - Систематизация СОУ

 

Термостабилизаторы на объектах трубопроводного транспорта применяются с целью:

• поддержание состояние грунта в мерзлом состоянии;

• замораживание грунта, для дальнейшего строительства трубопровода;

• обеспечение устойчивости грунтового массива к осадке;

Работа термостабилизатора грунта (ТСГ) заключается в следующем, нужно отметить, что для всех термостабилизаторов он одинаков. Хладагент в

термостабилизаторе при низких температурах воздуха конденсируется в ребристом радиаторе-конденсаторе, затем естественным путем стекает в нижнюю, испарительную часть ТСГ, где отбирает теплоту грунта, охлаждаемого ниже температуры замерзания, и одновременно испаряясь, попадает в верхнюю часть ТСГ.

 

Рисунок-Типы СОУ

 

В зимнее время конвекционная циркуляция теплоносителя (в простейшем варианте это керосин) в жидкостных устройствах и паров пропана в парожидкостных термостабилизаторах обеспечивает охлаждение грунтов основания. С наступлением летнего периода, как только температура верхнего, находящегося на наружном воздухе, конуса (конденсатора) устройства становится выше температуры теплоносителя, циркуляция прекращается и процесс приостанавливается с частичным инерционным оттаиванием верхнего слоя грунта до следующего похолодания.

Современные термостабилизаторы грунта используют наиболее эффективные по термодинамическим свойствам хладоносители (теплоносители) – сжиженные аммиак или диоксид углерода.

Особенностью использования ТСГ для нефтепровода, проложенного надземным способом в том, что они устанавливаются непосредственно в сваи опор нефтепровода.

Применение компенсаторов

Компенсатор - устройство, позволяющее воспринимать и компенсировать перемещения, температурные деформации, вибрации, смещения.

.

Рисунок – схема П-образного компенсатора

 

Строительство П-образных компенсаторов на трассе предусмотрено через каждые 400 метров. Способность трубопровода компенсировать тепловые удлинения за счет конфигурации участка линии и упругих свойств металла без специальных устройств, встраиваемых в трубопровод, называется самокомпенсацией.

Самокомпенсация осуществляется благодаря тому, что в линии трубопровода, кроме прямых участков между неподвижными опорами, имеются повороты или изгибы (отводы). Расположенный между двумя прямыми участками поворот или отвод обеспечивает компенсацию значительной части удлинения благодаря эластичности конструкции, а остальная часть компенсируется за счет упругих свойств металла прямого участка трубопровода.

Когда при проектировании и монтаже нельзя использовать самокомпенсацию трубопроводов или ее недостаточно для защиты трубопровода от усилий, возникающих под действием тепловых удлинении, устанавливают специальные устройства, называемые компенсаторами. Наиболее часто используют П-образный, Г-образный и Z-образный компенсаторы.

П-образные компенсаторы, обладающие большой компенсирующей способностью (до 700 мм), широко применяют при надземной прокладке технологических трубопроводов независимо от их диаметра. Преимущества таких компенсаторов - простота изготовления и удобство эксплуатации; недостатки - повышенное гидравлическое сопротивление, большой расход труб, значительные размеры и необходимость сооружения дополнительных опорных конструкцийВ рамках проекта, строящейся нефтепроводной системы «Заполярье-Пурпе» впервые были использованы термокомпенсационные блоки на опорах, они компенсируют температурные деформации надземного трубопровода и обеспечивают перемещение по ним трубопровода при изменении температуры и давления.

Для обеспечения работоспособности компенсатора в начале и конце термокомпенсационного блока устанавливаются неподвижные опоры с фиксацией перемещений и углов поворота трубопровода. При наличии углов поворота в плане более 35° они используются для компенсации температурных деформаций надземного участка трубопровода. При этом расстояние от вершины планового угла до неподвижной опоры не превышает 250 м для углов более 50°; 150 м для углов от 35° до 50°. Углы менее 35° включаются в состав температурных блоков, при этом неподвижная опора устанавливается на расстоянии не менее 60 м от вершины угла. Длина температурного блока с трапецеидальным компенсатором составляет в среднем около 500 м, величина вылета – до 20,3 м, расстояния между опорами – до 18 м.