Кафедра «Трубопроводный транспорт»

Кафедра «Трубопроводный транспорт»

ПРАКТИКО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОЕКТ

Сравнительный анализ методов прокладки трубопроводов в районах многолетнемерзлых грунтов, способ снижения влияния пучения грунта на трубопровод

АВТОРы: Студент 3-НТФ-3 Картошкин Антон Дмитриевич Студент 3-НТФ-3 Ревунов Егор Александрович РУКОВОДИТЕЛЬ: Доцент кафедры ТТ Артюшкин Валерий Никитович

 

 

                                                           Самара, 2020

 

Аннотация представляемой научной работы

В обзорной части данной работы проведен анализ методов прокладки трубопроводов в районах многолетнемерзлых грунтов, показано тепловое взаимодействие трубопровода с грунтом, так же в работу введен способ снижения влияния пучения грунта на опорные сваи надземного трубопровода: путём нанесения термоусаживаемого покрытия “Reline”. Приведены результаты испытаний этого покрытия. Получено яркое сравнение между использованием свай с покрытием и свай без покрытия на основе графиков деформации.

Оглавление

Введение. 5

Обозначения и сокращения. 6

1 Строение ММГ. 7

1.1 Типы ММГ. 7

1.2 Простые криогенные текстуры.. 9

1.3 Массивная криогенная текстура формируется в случае. 9

1.4 Слоистые текстуры.. 10

1.5 Особенности физико-механических свойств ММГ. 11

1.6 Основные теплофизические свойства ММГ. 12

2. Принципы использования ММГ в качестве основания сооружений и способы прокладки трубопроводов в мерзлых грунтах. 14

3. Способы прокладки трубопроводов в вечномерзлых грунтах. 19

3.1 Подбор температурного режима перекачки для Надземного способа прокладки. 21

3.2 Бурение скважин и установка свай. 23

3.3 Установка специальных опор. 24

3.4 Теплоизоляция нефтепровода. 25

3.5 Термостабилизация многолетнемерзлых грунтов. 28

3.6 Применение компенсаторов. 31

4. Покрытие Reline как способ минимизации влияния касательных сил, при пучении грунта, на опоры трубопровода. 33

4.1 Результаты испытаний. 33

4.2 Результаты испытаний на сдвиг смерзания стальных моделей свай c песчано-цементной смесью 34

Заключение. 35

Перечень использованных источников. 36

Приложение А График деформации с покрытием “Reline”. 37

Приложение Б График деформации без покрытия. 38

Приложение В Проектное задание. 39

 

Введение

Развитие нефтегазового комплекса нашей страны во многом определяется созданием системы транспорта углеводородов, основным видом которого является трубопроводный транспорт. В настоящее время система трубопроводного транспорта нефти в России, включающая в себя нефтепроводов - 48, 6 тыс. км, и нефтепродуктопроводов- 19,3 тыс. км, играет чрезвычайно важную роль в нефтегазовой промышленности нашей страны. Известно, что основные отечественные месторождения нефти расположены в районах Западной Сибири и Крайнего Севера, поэтому трассы магистральных нефтепроводов на своем пути к потребителю неизбежно должны пересечь зоны вечной мерзлоты.

Опыт эксплуатации подземных магистральных нефтепроводов в зонах вечной мерзлоты убедительно показывает, что одним из основных факторов, резко снижающих эксплуатационную надежность этих ответственных инженерных сооружений, является тепловое воздействие нефтепроводов на многолетнемерзлые грунты. При оттаивании вечномерзлого грунта стальная оболочка трубопровода либо всплывает под действием выталкивающей силы, либо разрушается. Поэтому, несмотря на большое число научных работ, посвященных решению проблемы надежной эксплуатации нефтепроводов в зонах вечной мерзлоты, теоретические и экспериментальные исследования, посвященные вопросам обеспечения устойчивого проектного положения подземного магистрального нефтепровода в траншее на вечномерзлых участках трассы, остаются в настоящее время весьма актуальными для нефтяной промышленности России.

Настоящая работа заключается в изучении комплекса нормативно-технической документации (НТД) по проектированию и сооружению трубопроводов в условиях вечной мерзлоты с последующим сравнительным анализом наземного и подземного способов прокладки трубопроводов в данных условиях.

 

 Обозначения и сокращения

МН – магистральный нефтепровод;

ММГ- многолетнемёрзлый грунт

НПС - нефтеперекачивающая станция;

СОУ– сезонно охлаждающее устройство;

Строение ММГ

Типы ММГ

Криолитозона – верхний слой земной коры, который можно охарактеризовать отрицательной температурой пород и наличием подземных льдов. Основным породообразующим минералом в ней является лед (в виде жил, пластов), а также лед (лед–цемент) соединяющий рыхлые осадочные породы.

Область распространения многолетней мерзлоты в России занимает около 11 млн км2, что составляет почти 65% территории страны.

 В пределах этой обширной территории условия развития мерзлоты не одинаковы. Северные и северо-восточные районы Сибири, острова азиатского сектора Арктики и северный остров Новой Земли заняты сплошной низкотемпературной многолетней мерзлотой. Южная ее граница проходит через северную часть Ямала, Гыданского полуострова к Дудинке на Елисее, затем к устью Вилюя, пересекает верховья Индигирки и Колымы и выходит к побережью Берингова моря южнее Анадыря. К северу от этой линии температура слоя многолетнемерзлых пород составляет - 6…- 12 °С, а его мощность достигает 300 - 600 м и более. Южнее и западнее распространена мерзлота с островами таликов (талого грунта). Температура мерзлого слоя здесь выше (- 2…- 6°С), а мощность уменьшается до 50 – 300 м. Близ юго-западной окраины области распространения мерзлоты встречаются лишь отдельные пятна (острова) мерзлоты среди талого грунта. Температура мерзлого грунта близка к 0°С, а мощность менее 25 – 50 м. Это — островная мерзлота.

Термин вечная мерзлота следует представлять во временном периоде порядка нескольких сотен лет и более, а в общем случае, в соответствии с длительностью пребывания в мерзлом состоянии выделяют три разновидности грунтов:

1) Кратковременномерзлые, которые существуют часы или сутки, а их мощность составляет несколько сантиметров или десятков сантиметров от поверхности;

2) Сезонномерзлые, существующие в течение нескольких месяцев и имеющие мощность от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров;

3) Многолетнемерзлые, которые существуют годы, сотни и тысячи лет и имеют мощность до многих сотен метров

Мерзлыми называют грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед, который цементирует минеральные частицы или заполняет пустоты, поры и трещины. К ним могут относиться:

- дисперсные грунты (обломочные, песчаные, глинистые, торфяные);

- трещиноватые или выветрелые магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы.

Грунты, имеющие отрицательную температуру и влажность, меньшую, чем количество незамерзшей воды при данной температуре, но не содержащие льда, называются морозными.

Мерзлые и морозные грунты, могут значительно различаться по составу, криогенному строению, типу криогенеза, криогенному возрасту, температурному режиму, мощности, льдистости и другим характеристикам.

Дисперсные мерзлые грунты являются наиболее сложным объектом исследований и представляют собой многокомпонентные многофазные капиллярно-пористые или коллоидные грунтовые системы. Влага в них обычно находится в трех агрегатных состояниях: в виде льда, пара и незамерзшей воды. Незамерзшая вода - это часть невымерзшей связанной воды, содержание которой с понижением отрицательной температуры уменьшается. При этом лед и незамерзшая вода находятся в постоянном динамическом равновесии. Так, при повышении отрицательной температуры лед подплавляется и пополняет запасы незамерзшей воды, а при понижении температуры происходит увеличение льдосодержания в грунте за счет постепенного вымерзания незамерзшей воды. Следовательно, мерзлый грунт является высокодинамичной системой, реагирующей на любое изменение внешних термодинамических условий. Промерзшие дисперсные грунты при этом отличаются от немерзлых, прежде всего своей монолитностью, т. е. сцементированностью минеральных частиц льдом и наличием особых (криогенных) структуры и текстуры.

Фазовый переход грунтовой воды в лед при промерзании и сопровождается целым рядом сложных физико-химических процессов.

Промерзание дисперсных грунтов с миграцией влаги приводит к их дифференциации (сегрегации) на массивно-мерзлую (скелетно-минеральную) часть и визуально фиксируемые прослои миграционно - сегрегационного льда, формирующие специфическую криогенную текстуру (слоистую, сетчатую, порфировидную, линзовидную и др.). Если в мерзлом грунте лед в виде визуальных прослоев и отдельных включений отсутствует, а заполняет лишь ее поровое пространство в виде льда-цемента, то формируется бесшлировая криогенная текстура, называемая массивной.

Формирование криогенных текстур в первую очередь определяется составом грунтов, а также их строением и условиями промерзания-оттаивания. В зависимости от первоначального строения различают текстуры, образовавшиеся в однородных и неоднородных грунтах: в первом случае формируются наложенные криогенные текстуры, а во втором - унаследованные. В зависимости от гранулометрического и химико-минерального состава грунтов, условий их промерзания образуются криогенные текстуры различных типов и видов. Ведущим процессом, определяющим разнообразие криогенных текстур, является миграция влаги. Плотность миграционного потока влаги и время его действия определяют мощность прослоев льда, а интенсивность потока – их частоту и ориентировку.

Наложенные криогенные текстуры возникают обычно в относительно однородных (до промерзания) грунтах под влиянием процесса промерзания и не связаны с особенностями первичного (исходного) сложения немерзлых грунтов. Среди наложенного типа криогенных текстур промерзающих грунтов в зависимости от наличия, формы и расположения в них ледяных прослоев обычно выделяют:

- простые криогенные текстуры, образуемые включениями льда одной формы;

- слоистые текстуры (горизонтальная, волнистая, косая и др.), образованные удлиненными линзами, ориентированными в одном направлении и параллельными друг другу;

- сетчатые текстуры (ячеистая, плетенчатая, сетчатая и др.), образуемые пересекающимися удлиненными шлирами льда и создающими в мерзлом массиве решетчатыеформы;

- сложные криогенные текстуры, образуемые шлирами льда различной формы и величины (объединяющие в себе несколько видов простых криогенных текстур, наложенных друг на друга).

Простые криогенные текстуры

К простым криогенным текстурам относятся:

- массивная текстура, которая широко распространена в природе и образуется льдом-цементом. Лед-цемент присутствует в грунте в виде кристаллов, заполняющих полностью или частично поровое пространство. Льдистость глинистых отложений за счет льда цемента не превышает критической влажности;

- базальная текстура, свойственная распученным грубозернистым и обломочным породам, промерзающим в условиях полного водонасыщения, когда частицы и обломки породы погружены в лед и не соприкасаются между собой;

- корковая текстура, свойственная крупнообломочным породам. Не выдержанные по толщине корки и линзы льда образуются вокруг обломков, валунов, щебенки в связи с проявлением анизотропной теплопроводности между обломочным материалом и вмещающим грунтом в процессе промерзания;

- порфировидная текстура, создаваемая изотермичными кристаллами льда в грунте в виде гнезд, вкраплений неправильной формы. Эта текстура формируется в грунтах разного состава, в том числе в торфе, в условиях небольшого их увлажнения.

Слоистые текстуры

Наложенная слоистая криогенная текстура при промерзании дисперсных грунтов образуется при соблюдении теплофизического и физико-механического условий формирования параллельных фронту промерзания сегрегационных прослоев льда. Условие же образования вертикальных ледяных шлиров при этом не выполняется. Этот тип текстуры преимущественно развит в тонкодисперсных грунтах (супеси, суглинки, глины), но иногда встречается и в пылеватых песках. Зарождение и рост слоистой криогенной текстуры происходят обычно в интервале отрицательных температур от минус 0,24 до минус 3С.

Слоистые текстуры, в зависимости от взаимной ориентации ледяных прослоев подразделяются на: - линзовидную; - полосчатую; - плойчатую; - косую.

По сравнению с другими типами шлировой криогенной текстуры слоистая криотекстура развита в естественных условиях более часто и наиболее отчетливо проявляется при малых скоростях промерзания. Возникающие в этом случае значительные скалывающие напряжения оказываются достаточными для преодоления локальной прочности грунта на сдвиг и зарождения в еще талой иссушающейся части грунта параллельных фронту промерзания зон «концентрации» скалывающих объемно-градиентных напряжений. Зарождению таких зон в значительной степени благоприятствует процесс структурообразования, приводящий к организации у большинства природных грунтов плоских структурных отдельностей - агрегатов плитчатой формы. Это обусловливает образование в талой и промерзающей частях грунта большого числа параллельных фронту промерзания «дефектных» зон, являющихся границами структурных отдельностей.

В процессе продолжающегося промерзания после развития горизонтальных зон «концентрации» напряжений и попадания их в промерзающую зону, они скачкообразно превращаются в льдонасыщенные. Здесь преодолевается структурное сцепление грунта и формируются отдельные тонкие линзы и короткие шлиры льда, различимые только под микроскопом. В последующем, при соответствующей скорости промерзания и наличии миграции влаги, происходит увеличение их размеров в ширину и длину, слияние между собой и образование единого и протяженного, параллельного фронту промерзания прослоя льда, который уже отчетливо прослеживается визуально. Ниже этого шлира еще в период его роста происходит зарождение нового сегрегационного прослоя и т.д.

После того, как сформировался нижерасположенный прослой льда, он становится своеобразным прерывателем потока влаги из талой зоны грунта к вышележащему ледяному прослою, скорость роста которого в итоге замедляется, хотя и не прекращается вовсе. Прослои еще долгое время продолжают увеличиваться. Возможно также образование шлиров второй генерации в уже мерзлом грунте. Однако это происходит уже не за счет подтока воды из талой зоны, а за счет запасов незамерзшей влаги грунта, пополняющихся в результате подплавления порового льда и льда располагающихся ниже ледяных прослоев.

Очевидно также, что на взаиморасположение ледяных шлиров в грунте, промерзающем по типу слоистой криогенной текстуры, существенное влияние оказывает прежде всего состав, структурно-текстурные и геолого-генетические особенности грунтов. При одинаковых условиях промерзания различные грунты будут характеризоваться не только различием в плотности миграционного потока влаги к фронту льдовыделения в интенсивности льдонакопления, но и существенным различием в величинах и характере развития объемно-градиентных напряжений и деформаций усадки, набухания - распучивания, в мощности зоны иссушения и области роста шлира и др.

Установка специальных опор

Опоры – один из самых ответственных частей деталей трубопроводных систем. На них ложится основное усилие от трубопровода, которое затем передается грунту или несущим конструкциям.

Важную роль играет строение опор. Конструкции должны проектироваться таким образом, чтобы минимизировать трудоемкость монтажа опор на трассе строительства в условиях Крайнего Севера.

Для того чтобы основы трубопровода подстраивались под изменение состояния грунта и самого трубопровода — а они значительны, если учесть огромный перепад температур, свойственный для северных районов страны, необходимо использовать опоры разной конструкции, одни из них совершенно неподвижные, другие могут перемещаться в одной плоскости, а некоторые —во всех плоскостях.

Неподвижные опоры должны жестко удерживать трубу и не допускать ее перемещения. Такие опоры воспринимают вертикальные нагрузки от веса трубопровода и среды, горизонтальные (осевые) нагрузки от тепловых деформаций трубопровода, а также нагрузки от гидравлических ударов, вибрации и пульсации. Устанавливаются неподвижные опоры на трассе через каждые 500 м.

Конструкция неподвижной опоры представляет собой единую сварную конструкцию, воспринимающую нагрузки от нефтепровода и передающую их через ростверк на свайный фундамент. Она состоит из катушки с приваренной к ней обечайкой. Катушка через регулируемые стойки приваривается к ростверку. Ростверк приваривается к опорным узлам, которые привариваются к сваям фундамента.

Между неподвижными опорами трубу поддерживают продольно и свободноподвижные опоры. Они позволят нефтепроводу, в зависимости от давления и температуры расширения, двигаться в горизонтальном, осевом и поперечном направлениях.

Продольно-подвижная опора применяется для обеспечения возможности продольных (вдоль оси трубопровода) перемещений трубопровода, вызванных температурными деформациями, внутренним давлением рабочей среды в трубопроводе и т.д. Продольно-подвижные опоры устанавливаются на прямолинейных участках (за исключением опор, примыкающих к компенсатору) до и после неподвижной опоры для ее разгрузки от боковых усилий и для обеспечения продольной устойчивости нефтепровода.

Свободноподвижные опоры помимо свободного перемещения трубопровода в горизонтальной плоскости, обеспечивает возможность наклона в направлении продольной оси трубопровода. На ростверке установлены боковые упоры на расстоянии, обеспечивающем продольное и поперечное перемещения трубопровода.

Использование разных видов надземных конструкций позволяет удержать с обеспечением необходимой жесткости нефтепровод даже при падении двух опор. Создание нескольких опор позволяет обеспечить минимальную металлоемкость конструкций. Для неподвижных и подвижных опор следует применять хладостойкую сталь 09Г2С 14-й категории. Масса опор составляет от 2 до 4,9.

Плавное скольжение опор с трубопроводом при температурных деформациях обеспечивается установкой на подошве опоры антифрикционных высокопрочных прокладок из полимерных материалов (типа фторопласт). На опорном столе ростверка установлен лист из нержавеющей стали.

Для предотвращения коррозии трубопровода и обеспечения безопасной эксплуатации в течение 50 лет на опоре установлены узлы электроизоляции с применением полимерных влагостойких электроизоляционных материалов.

Теплоизоляция нефтепровода

Теплоизоляция трубопровода - по сути, та же изоляция, но ее отличительная особенность, способность не пропускать тепло от стенки трубы в окружающую среду. В отличие от обычной изоляции, теплоизоляция состоит из высокоэффективных материалов, обладающих теплоизоляционными свойствами. Теплоизоляция нефтепроводов должна выполнять ряд функций: уменьшение плотности нефти до нормативных величин; стабилизация температуры нефти в трубопроводе; выполнение всех свойств что и обычная изоляция. [8]

У нефти с северных месторождений очень большая вязкость и, следовательно, при транспортировке ее необходимо нагревать до +60 градусов, поэтому при строительстве нефтепровода применяются трубы с дополнительным теплоизолирующим покрытием.

При выборе теплоизоляционного материала важно учитывать свойства покрытия в зависимости от условий сооружения нефтепровода. В условиях севера наилучшим решением является применение специальной технологии монтажа и термоизоляции труб (эпоксидное покрытие, пенополиуретан, металлополимерная оболочка из оцинковки) и сварных швов на

трубопроводе.

Однослойное эпоксидное покрытие наносится только на трубы с последующей теплоизоляцией, что обеспечивает долговечную и надежную антикоррозионную защиту трубопроводов, в том числе при низких температурах окружающей среды. Ударная прочность такого покрытия толщиной 350-400 мкм не превышает значений 6-8 Дж при 20±5°С, а при температуре минус 40°С снижается до 2-3 Дж.

Для защиты свайных труб используется двухслойное эпоксидное покрытие, оно обладает повышенной ударопрочностью, устойчивостью к прорезанию, сдиру при транспортировке труб и строительных работах и не повреждается в условиях вечной мерзлоты. По результатам испытаний ОАО «ВНИИСТ» двухслойное покрытие характеризуется повышенной теплостойкостью, высокой адгезией к стали, отличной стойкостью к катодному отслаиванию, абразивному износу.

Трубы с эпоксидным покрытием имеют широкий температурный диапазон эксплуатации (от -40°С до +60°С) в отличие от труб с полиэтиленовым покрытием (от -20°С до +60°С) и в течение длительного времени могут храниться под открытым небом (от -60°С до +60°С). Эпоксидные покрытия проницаемы для токов катодной защиты – не экранирует тело трубы от токов в местах потери адгезии, под покрытиями не было зафиксировано случаев стресс-коррозии трубопроводов.  Наиболее оптимальным материалом для осуществления изоляционных работ, в частности в строительной и промышленной сферах, является пенополиуретан (ППУ). Он экологически чистый, имеет высокие теплоизоляционные качества, не имеет склонности к разрушению спустя некоторое время.

Суть расчета заключается в подборе теплоизоляционного материала и его толщины таким образом, чтобы величина тепловых потерь не превышала значений, прописанных в СНиПе.

Формула расчета теплоизоляции труб.

ln B = 2πλ [K(tт — tо) / qL — Rн]

В этой формуле:

· λ — коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м ⁰C);

· K — безразмерный коэффициент дополнительных потерь теплоты через крепежные элементы или опоры, некоторые значения K можно взять из Таблицы 1;

· tт — температура в градусах транспортируемой среды или теплоносителя;

· tо — температура наружного воздуха, ⁰C;

· qL — величина теплового потока, Вт/м2;

· Rн — сопротивление теплопередаче на наружной поверхности изоляции, (м2 ⁰C) /Вт.

Условия прокладки трубы Значение коэффициента К

Стальные трубопроводы открыто по улице, по каналам, тоннелям, открыто в помещениях на скользящих опорах при диаметре условного прохода до 150 мм. К=1.2

Стальные трубопроводы открыто по улице, по каналам, тоннелям, открыто в помещениях на скользящих опорах при диаметре условного прохода 150 мм и более.   К=1.15

Стальные трубопроводы открыто по улице, по каналам, тоннелям, открыто в помещениях на подвесных опорах.      К=1.05

Неметаллические трубопроводы, проложенные на подвесных или скользящих опорах. К=1.7

Бесканальный способ прокладки. К=1.15

B = (dиз + 2δ) / dтр, здесь

• dиз — наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, м;
• dтр — наружный диаметр защищаемой трубы, м;
• δ — толщина теплоизоляционной конструкции, м.

Вычисление толщины изоляции трубопроводов начинают с определения показателя ln B, подставив в формулу значения наружных диаметров трубы и теплоизоляционной конструкции, а также толщины слоя, после чего по таблице натуральных логарифмов находят параметр ln B. Его подставляют в основную формулу вместе с показателем нормируемого теплового потока qL и производят расчет. То есть толщина теплоизоляции трубопровода должна быть такой, чтобы правая и левая часть уравнения стали тождественны. Это значение толщины и следует принимать для дальнейшей разработки.

Рассмотренный метод вычислений относился к трубопроводам, диаметр которых менее 2 м. Для труб большего диаметра расчет изоляции несколько проще и производится как для плоской поверхности и по другой формуле:

δ = [K(tт — tо) / qF — Rн]

• δ — толщина теплоизоляционной конструкции, м;
• qF — величина нормируемого теплового потока, Вт/м2;

 

Характеристика пористости