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.