Анализ всего многообразия технических решений привел к выделению двух существенно различающихся между собой групп методов обеспечения устойчивости трубопроводов. Первая группа методов относится к снижению негативных воздействий в системе "трубопровод-основание" и объединяет мероприятия при прокладке, ограничивающие продольные усилия и изгибающие моменты в трубопроводе, обеспечивающие устойчивость грунтового основания и массива засыпки, окружающего трубопровод.
Вторая группа объединяет способы и конструктивные решения по закреплению трубопроводов на дне траншеи при их прокладке.
В этой группе широко представлены конструкции и методы закрепления трубопроводов с помощью анкеров. Анкерные устройства (АУ) обладают незначительной материалоемкостью и высокой удерживающей силой. Надежность работы АУ определяется не только прочностью анкерной цепи, значением усилий выдергивания элементов, внедряемых в массив грунта, но и определенной мерой податливости устройства, необходимой, например, в пучинистых вечномерзлых грунтах. С перемещением регионов строительства магистральных трубопроводов на крайний Север с территориями распространения вечной мерзлоты, стали интенсивно развиваться методы закрепления трубопроводов с помощью так называемых вмораживаемых АУ.
Надежность вмораживаемых АУ существенно возросла при устройстве в анкерной цепи компенсаторов пучения различных конструкций. Методы установки вмораживаемых АУ связаны со способом образования скважины. Известны четыре способа: механическое бурение, пароотаивание, электропротаивание, огнеструйное (виброогнеструйное) бурение, а также их комбинированное применение.
Анкерные устройства, устанавливаемые в талый грунт, подразделяются на завинчиваемые и внедряемые без вращения путем забивки или задавливания, выстреливания, а также опускания в пробуренную скважину.
Самым распространенным методом балластировки трубопроводов, прокладываемых в обводненной и болотистой местности, является применение железобетонных утяжелителей (ЖБУ).
Конструктивное исполнение ЖБУ включает пять разновидностей: П - образные, кольцевые, поясные, сборно-блочные и заливаемые твердеющие растворы, в том числе системы типа "труба в трубе" с межтрубным цементно-песчаным заполнителем.
Развитие метода балластировки трубопроводов с помощью ЖБУ шло по следующим направлениям: а) повышение прочности, устойчивости и безопасности эксплуатации трубопроводов; б) повышение устойчивого положения на трубопроводе; в) увеличение балластирующей способности; г) обеспечение сохранности противокоррозионной изоляции на трубопроводе при установке и эксплуатации.
Недостатки применения ЖБУ состоят в их высокой стоимости и недостаточной надежности для пучинистых грунтов вечной мерзлоты. В системе магистральных газопроводов на участке Ямбург - Ныда выявлены отни всплывших участков газопроводов, забалластированных железобетонными утяжелителями типа УБК, УБО. То же можно сказать о вмораживаемых АУ. Общее растепление вечной мерзлоты в первые годы работы газопровода привело к массовым всплытиям его участков. Жесткие связи в системе "трубопровод - закрепляющая конструкция - грунтовое основание" в период пучения промерзающего грунта не выдерживают усилий, возникающих при подъеме трубопровода и разрываются в силу того, что не способны компенсировать вертикальные перемещения трубопровода и перераспределить их между отдельными закрепляющими устройствами. Кроме того, взаимодействие этих устройств с трубопроводом создает значительные локальные нагрузки, повреждающие изоляционное покрытие и вызывающие повышение напряжений изгиба в стенке труб.
В начале 80-х годов были начаты исследовательские и практические работы по освоению нового метода балластировки газопроводов с использованием грунтозаполняемых гибких материалов - технических тканей, пленок, геотекстильных полотен. Массовое применение нетканых синтетических материалов (НСМ) произошло на МГ Ямбург - Ныда. С течением лет данное направление быстро развивалось.
К настоящему времени сложился перспективный класс утяжелителей из грунтозаполняемых гибких материалов и устройств из них, а также способов балластировки с использованием этих материалов (рис.1).
Рис. 1 - Блок - схема утяжелителей из грунтозаполняемых гибких материалов и способы их установки на трубопровод
Выделены три группы. Это способы прокладки с гибкими коврами, способы и устройства прокладки с гибкими полосами, устройства - контейнеры с гибкими стенками.
Наиболее распространенным способом балластировки является применение грунтозаполняемых гибких ковров из геотекстильных, в том числе нетканых синтетических материалов. Этот способ, а также грунтозаполняемые мешки из технической ткани типа КТ (контейнер текстильный) вошли в состав действующих нормативных документов.
Научное обоснование работоспособности разных методов и устройств закрепления (балластировки) трубопроводов на вечной мерзлоте может быть получено в результате экспериментальных, в т.ч. натурных исследований ряда параметров состояния системы "трубопровод - закрепляющая конструкция - грунтовое основание": температуры стенки трубы и грунтового массива, очертаний и максимальных глубин ореолов оттаивания, характеристик средств и методов закрепления газопроводов.
Во второй главе разработана методика и приведены результаты экспериментальных исследований теплового взаимодействия магистральных газопроводов с вечномерзлыми грунтами на головном участке Ямбург-Ныда. Исследования проводили в начальный период эксплуатации после сооружения газопроводов на протяжении 35 лет, когда процессы тепловлажностного и механического взаимодействия трубопровода с грунтом протекают наиболее интенсивно.
Эффективным методом прогнозирования состояния грунтового основания и его несущей способности является контроль температуры и ореолов оттаивания грунта, окружающего газопровод, потому что температура - один из решающих факторов, определяющих свойства грунтового основания. Регулярные объективные данные по температурам и ореолам оттаивания грунта позволяют определить тенденции изменения условий эксплуатации газопровода, работоспособности средств закрепления, обеспечивающих его устойчивость.
В ходе исследований были поставлены и решены следующие задачи:
- подготовлены, проверены и установлены средства измерений температуры грунта и стенки трубы в выбранных сечениях газопроводов;
- определены сезонные изменения температуры грунта по глубине на различных расстояниях от оси газопровода;
- оценена взаимосвязь температуры стенки трубы с температурой окружающего основания;
- определены температурное и агрегатное состояние грунта в объеме траншеи с трубопроводом при эксплуатации в течение 35 лет;
- установлены максимальные сезонные температуры грунта и их изменения по годам эксплуатации;
- разработана методика численного моделирования зависимости глубины оттаивания от ряда факторов и получено разрешающее выражение этой зависимости;
- проведены экспериментальные исследования ореолов оттаивания по сечениям МГ и сопоставлены значения максимальных глубин с расчетными данными.
Температуру поверхности трубы и окружающего грунта определяли в термопоперечниках трассы первых трех ниток МГ Ямбург-Елец с помощью термокос.
Ореолы оттаивания вокруг МГ Ямбург-Елец определяли экспери-ментально с помощью металлического щупа, а также расчетными методами: численным и аналитическим. Выполнена оценка вклада основных факторов, определяющих глубину ореолов оттаивания, а именно температуры стенки трубы; толщины снежного покрова в течение зимнего периода; высоты обваловки над дневной поверхностью грунта; ширины основания обваловки; влажности грунта обваловки (торф); влажности массива грунта в траншее (минеральный грунт). Использована теория планирования эксперимента, на базе которой получена зависимость:
y=x0+0,2666x1+0,015x2+0,0313x3+0,0022x4+0,7x5+ ( 1 )
+0,1385x6-0,1813 x1x6 - 0,046 x5x6,
где x1 - толщина снегового покрова; x2 - высота обваловки; x3 - ширина обваловки; x4 - влажность обваловки (торфа); x5 - температура трубы;
x6 - влажность минерального грунта в траншее; x0 = 2,4917 м - глубина оттаивания по средним значениям факторов.
Выделено два температурных режима работы газопроводов по изменению среднегодовой температуры стенки трубы. Так, система МГ Ямбург-Елец работала в режиме компрессорной подачи газа (кроме летних месяцев), а, например, пятая нитка МГ Ямбург-Тула 1 - в бескомпрессорном режиме, когда газ, минуя компрессорную станцию, непосредственно поступал с промыслов в магистральный газопровод.
Среднегодовая температура стенки трубы по ходу газа от КС «Ямбург» дает возможность определить границы «горячих», «теплых», «холодных»
участков газопроводов Ямбург-Елец и Ямбург-Тула 1 в соответствии с известной классификацией.
Определен также «горячий» участок для МГ Ямбург-Елец, на котором температура трубы tтр>0 в течении всего года. Длина его для самого холодного периода года составляет xгор= 60 км. «Теплые» и «горячие» участки трассы характерны тем, что на них с годами развиваются ореолы оттаивания, нарушающие устойчивость газопроводов при недостаточном его закреплении.
Экспериментальные исследования температурного состояния грунтового основания вокруг газопроводов Ямбург-Елец, Ямбург-Тула 1 в период максимального развития ореолов оттаивания и потепления нижележащих слоев вечномерзлого грунта (сентябрь - октябрь каждого года эксплуатации) показали повышение температуры с годами в начальном периоде эксплуатации. Данный факт установлен по всем термопоперечникам МГ Ямбург-Елец на 2-ом, 75-ом, 130-ом, 142-ом км трассы (см. рис. 2).
Рис. 2 - Изменение температуры грунта (toС) по годам 1987...1992 г.г. (а….е) на расстояниях 1,66 м (А); 4,66(Б) от оси газопровода Ямбург - Елец 2, км 2 на различных глубинах в диапазоне 0,53,5 м, максимальной температуры грунта под трубой (tпт) на расстоянии 1,2 м от оси и температуры трубы (tтр).
Наблюдается рост температуры грунта на расстояниях 1,66 м; 4,66 м; 1,2 м (под трубой) от оси газопровода.
Потепление вечномерзлого грунта с годами отмечено и для «холодного»
участка МГ Ямбург-Тула 1, км 149. Термокоса установлена по окружности трубы и по периметру нижней части траншеи.
Измерения, проведенные в августе-сентябре, показали определенный рост температуры мерзлого массива грунта с годами. Так, температура массива грунта, окружающего газопровод, в течение 4-х лет наблюдений возросла от минус 1,0 0С до минус 0,1 0С.
По ореолам оттаивания установлено, что экспериментальные данные характеризуются значительным разбросом по сравнению с расчетными результатами (см. рис. 3).
Рис. 3 - Ореолы оттаивания вокруг газопровода Ямбург - Елец,
км 2. Справа - экспериментальные данные: 05.07.88 г (1), 24.09.88 г (2), 18.06.89 г (3), 07.09.89 г (4), 12.09.91 г (5); слева - расчетные: июнь (6), июль (7), сентябрь (8).
Разброс экспериментальных кривых нулевой изотермы весьма значителен как по максимальной глубине под трубой, так и по очертанию кривых. Это объясняется главным образом режимом работы КС.
Расчетные очертания ореолов получены на базе среднегодовой температуры численным методом по конечно - разностной схеме, без учета режимов работы КС. Расчет продолжался до стабилизации положения нулевой изотермы (примерно три года), при этом значение имеет рассматриваемый месяц, для которого производился расчет.
Соотношение максимальных значений глубины оттаивания под трубой, определенных различными методами для МГ Ямбург-Елец, км 2, км 75 по годам, показывает их медленный рост.
В целом, результаты исследования теплового взаимодействия системы «газопровод-грунт» в первые годы эксплуатации показывают растепление грунтов околотрубного пространства как верхних слоев массива, испытывающих циклы сезонного оттаивания - промерзания, так и нижних слоев ненарушенной вечной мерзлоты в области отрицательных температур. Установленное нарастающее с годами повышение температуры вечномерзлого грунта и развитие ореолов оттаивания вызывает нарушение устойчивости газопроводов и средств их закрепления, работающих на принципе смерзания с грунтом, к которым относятся вмораживаемые анкерные устройства.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям методов закрепления газопроводов с помощью железобетонных утяжелителей, вмораживаемых анкеров и геотекстильных грунтозаполняемых ковровых материалов.
Объективная оценка работоспособности методов закрепления МГ может быть получена по результатам их практического применения. Опыт строительства и эксплуатации системы МГ с Ямбургского ГКМ на участке вечной мерзлоты Ямбург-Ныда дал возможность оценить работоспособность ряда проектных решений по закреплению (балластировке) газопроводов в сложных геокриологических условиях данного региона.