Первоначальные проектные решения по первой нитке МГ Ямбург-Елец предусматривали сплошную балластировку железобетонными утяжелителями (ЖБУ) типа УБО-1, УБК-1,4, а также теплоизоляционных экранов. Всего на участке Ямбург-Ныда протяженностью 185 км было заложено 118700 ед. ЖБУ и 81 км экранов. В процессе согласований количество утяжелителей было снижено на 17%. Параллельно по ведомости возможной замены на МГ Ямбург-Елец 1 была включена балластировка грунтом с НСМ в объеме 5,9 км и закрепление вмораживаемыми стержневыми анкерами без компенсаторов в объеме 9,75 км (1554 пары). Экраны повсеместно были исключены. На последующих нитках стали широко использовать взамен ЖБУ вмораживаемые АУ и НСМ с грунтом.
Рассмотрим результаты натурных исследований состояния газо-проводов, закрепленных разными способами. Так, через 1,5 года после сооружения головного отрезка трассы Ямбург-Елец 2 всплыло в общей сложности 11 участков протяженностью 2740 м, закрепленных однодисковыми и стержневыми АУ, установленными без компенсаторов пучения.
Установка в цепь стержневого анкера компенсатора непрерывного действия конструкции Киевского филиала ВНИИПКтехоргнефтегазстроя на участке км 57-77 лупинга Ямбург-Елец 1 в объеме 3 км позволила повысить работоспособность АУ. После двух лет эксплуатации всплывших участков не зафиксировано.
В первые годы эксплуатации на сложных отрезках трассы первых ниток системы МГ Ямбург-Елец проявились недостатки применения ЖБУ. Зафиксирован ряд размытых участков с железобетонной пригрузкой по причине вымывания мелкодисперсного грунта и протекания процесса солифлюкции (скольжения) на уклонах трассы. При интенсивном оттаивании структурно-нарушенного грунта засыпки в траншее утяжелители и трубопровод обнажаются, траншея размывается, частицы грунта выносятся потоками воды.
Ненадежно ведут себя утяжелители на обводненных поворотных участках трассы. При взаимодействии выталкивающей силы и продольных усилий сжатия газопровод смещается в сторону, при этом даже такие устойчивые утяжелители как УБО или сходят с трубы, или наблюдается отрыв силовых поясов. Так, на одном из всплывших участков МГ Ямбург-Елец-1 (лупинг) длиной 150 м, из 80 установленных УБО на всплывшем участке сохранилось только 15 комплектов. У 21 комплекта оторвались пояса, которые утонули в разжиженном грунте вместе с блоками. На другом прямолинейном в плане участке длиной 160 м сохранились 45 комплектов УБО, из них только 15 комплектов были исправными.
По данным облета трассы Ямбург-Елец в пределах 19-186 км объем всплывших и оголенных участков, закрепленных вмораживаемыми АУ и ЖБУ, составил 2,04 % общей протяженности МГ.
Обследование технического состояния всего девятиниточного коридора системы МГ Ямбург-Ныда, выполненное ВНИИГАЗом в 2003-05 г.г., показало, что объем всплывших участков составил 6,5 % от общей протяженности газопроводов, а количество всплывших участков достигло 580 ед. В основном отказали анкерные системы, железобетонные пригрузы. Практически отсутствовали всплывшие участки, забалластированные грунтом с НСМ.
Для проверки работоспособности вмораживаемых АУ был проведен эксперимент на модели устройства в полевых условиях. Цель эксперимента - оценка ползучести мерзлого грунта при воздействии длительной вертикальной выдергивающей нагрузки на анкерный стержень, установленный в мерзлый грунт.
Анкер завинчивали в мерзлый грунт с температурой минус 1,5 - 2,0 0С , затем прикладывали постоянную выдергивающую нагрузку, равную 63 кН.
Данная нагрузка соответствует выталкивающей силе воды, действующей на один анкерный стержень при расстановке анкерных пар с
шагом 10 м на трубопроводе диаметром 142015,7 мм и создает среднее напряжение сдвига на границе «сталь - грунт», равное 0,13 МПа.
В течение первых суток перемещений не зафиксировано, в дальнейшем скорость выхода анкера стабилизировалась на уровне 0,59 мм/сутки. После 10 суток вследствие резкого потепления скорость возросла до 1,1 мм/сутки. На 13 сутки перемещение анкера достигло критического значения, равного 10 мм.
Результаты испытаний говорят о том, что если в трассовых условиях обводненных грунтов на трубопровод с анкерами воздействует выталкивающая сила, то фактор ползучести мерзлого грунта приводит к постепенному выходу анкеров и всплытию газопровода.
Развитие метода балластировки с использованием НСМ требовало экспериментального обоснования. С целью расширения области применения НСМ для балластировки трубопроводов были поставлены и решены собственные задачи, основные из которых состояли в следующем:
- исследование особенностей взаимодействия системы «труба-НСМ-грунт» при недостаточной массе грунта засыпки и возможности повышения ее балластирующей способности;
- исследование балластирующего эффекта смеси минерального грунта с торфом;
- исследование эффективности НСМ для повышения устойчивости грунта засыпки на уклонах трассы свыше 30 против уноса водными потоками;
- постановка и проведение натурных экспериментов по определению перемещений трубопровода, забалластированного грунтом с НСМ, на вечной мерзлоте (на участке Ямбург-Ныда).
Первые три задачи решали методом лабораторных исследований на специальной установке в виде металлического лотка с измерительными средствами.
По результатам лабораторных испытаний с перенесением на натурный размер газопровода диаметром 10209 мм показана возможность обеспечения устойчивости газопровода против всплытия, если использовать в качестве балласта смесь торфа и песка, в которой содержание торфа по объему достигает 70 % (свзв = 0,31 кг/дм 3), при этом смесь засыпается в ковры НСМ. Предложена новая зависимость удерживающей способности песка с НСМ:
( 2 )
где qгрНСМ - удерживающая способность грунта с НСМ, Н/м; qгр - то же без НСМ; взв - удельный вес грунта во взвешенном состоянии, Н/м3;DН - наружный диаметр трубы, м; Н - глубина траншеи; В - ширина траншеи по низу, м.
Формула (2) дает более близкие значения к экспериментальным результатам, чем аналогичная зависимость в действующих ВСН 39-1.9- 003-98. Для исследования процесса грунтоуноса на уклонах трассы лоток устанавливали под разными углами и пропускали расчетное количество воды. Исследовали три варианта балластировки: а) песок без НСМ, б) песок в НСМ с открытой полостью, в) песок в НСМ с закрытой полостью по вновь разработанному комбинированному способу балластировки (рис. 4). Результаты приведены в таблице 1.
Рис. 4 - Схема комбинированного способа балластировки:1 - трубо-провод; 2 - полотно НСМ; 3 - балластирующий минеральный грунт; 4 - утяжелитель типа УБО; 5 - грунт отвала (торф); 6 - уровень воды.
Таблица 1 - Результаты массоуноса для углов л = 30 и 60
|
Вариант |
Масса грунта mгр для углов |
||||
|
1 = 30 |
2 = 60 |
||||
|
mгр, кг |
% ко всей массе |
mгр, кг |
% ко всей массе |
||
|
а |
5,5 |
19,4 |
7,5 |
26,4 |
|
|
б |
4,8 |
16,9 |
6,9 |
24,3 |
|
|
в |
0,05 |
0 |
0,1 |
0 |
Из таблицы видно, что конструкции а и б близки друг к другу по унесенной массе грунта, в то время как конструкция по схеме в снижает массоунос на два порядка.
Результаты данного эксперимента подтвердили эффективность комбинированного способа балластировки газопровода с замкнутыми полостями НСМ и использованием фиксирующих железобетонных утяжелителей по концам каждого блока засыпки (рис. 4).
Натурные исследования способов балластировки проводили на двух опытных участках действующих МГ: Ямбург-Елец 1, км 75; СРТО-Урал, км 146,6. Первый участок длиной около 100 м на 75 км МГ Ямбург-Елец 1 является поворотным в плане (340), здесь балластировку проводили привозным песком, засыпаемым в ковры НСМ, которые затем были завернуты и закреплены. Пригрузы из железобетона на данном участке отсутствовали.
Второй экспериментальный участок длиной 195 м был выбран на болотистом отрезке трассы газопровода СРТО-Урал, характеризуемом высоким уровнем обводненности. На этом участке применили комбинированный способ балластировки. За каждым участком наблюдали порядка трех лет. На первом участке перемещения в плане составили 0,150,2 м, но по причине существенной погрешности метода измерений удалось только оценить тенденцию перемещений в сторону увеличения кривизны участка. Вертикальные перемещения в пределах погрешности измерений составили 24 мм. Более заметные перемещения имели место в вертикальной плоскости на втором участке - они колебались в диапазоне 811 мм, но и этот уровень перемещений практически не влиял на напряженное состояние данного участка газопровода.
В целом проведенные исследования показали, что способы балластировки с помощью грунта и НСМ в сложных условиях обводненных и вечномерзлых грунтов обеспечивают устойчивое положение газопроводов.
Четвертая глава посвящена расчетно-экспериментальным исследованиям состояния искривленных участков действующих газопроводов, проложенных на обводненных и заболоченных территориях, находящихся в непроектном положении.
Проблема ремонта и реконструкции газопроводов по обеспечению их устойчивого положения имеет свои особенности, усложняющие по целому ряду причин проведение работ по сравнению со строительством. Среди этих причин выделяется необходимость выполнения диагностики и обследования технического состояния ремонтируемого участка, проведение расчетного обоснования напряженного состояния и устойчивости для определения его пригодности к дальнейшей эксплуатации. Данный принцип может опираться только на достаточные резервы несущей способности труб, которые отработали к моменту ремонта длительные сроки.
Для оценки резервов несущей способности металла труб наиболее достоверные данные могут быть получены в ходе их экспериментальных исследований (трубных катушек, плетей), вырезанных из действующих газопроводов и имеющих дефекты различного происхождения. Когда параметры дефектного состояния трубы не удается выразить аналитически, например, по дефектам структуры металла, тогда действительную прочность трубы определяют по предельному давлению среды. Это давление отражает результат комплексного воздействия на трубу условий эксплуатации.
Сопоставление действительной прочности по предельному давлению среды с прочностью новой бездефектной трубы дает общее представление об изменении свойств металла газопровода в зависимости от срока эксплуатации газопровода.
Для новой бездефектной трубы в соответствии со СНиП 2.05.06-85 можно выделить проектный коэффициент запаса прочности бездефектной трубы кпр, определяемого зависимостью:
кпр=(nк1кн)/m ( 3 )
где n, к1, кн, m - коэффициенты в соответствии со СНиП 2.05.06-85. Показатель реального запаса прочности кд =рразр/рпроект, где рразр - экспериментальное значение давления разрушения трубы, рпроект - проектное (рабочее) давление. Аналогично представляется коэффициент запаса по текучести металла трубы, если в качестве предельного состояния выбирается предел текучести:
кпр тек= 0,9 кн/m; кд тек =экв/кц проект ( 4 )
где - эквивалентное напряжение при текучести металла. При выполнении условий кд/кпроект > 1,0; кд тек/кд проект > 1,0 фактические резервы прочности и текучести выше нормативных требований.
Если имеются дефекты, характеризуемые утонением стенки трубы, коэффициенты кд, кд тек делят на расчетный коэффициент снижения прочности:
, ( 5 )
где - коэффициент Фолиаса; А0, А - площади проекций неповрежденной и остаточной толщины стенки в месте дефекта.
Было испытано девять труб с дефектами формы сечения (гофры, вмятины), коррозионными дефектами и смещениями сварных стыков, вырезанных из действующих газопроводов. Диаметр труб - 7201220 мм, срок эксплуатации 630 лет, материалы труб: сталь 17 ГС, сталь 17Г1С, сталь 17Г2СФ, сталь 09Г2С.