Автореферат: Разработка методов повышения устойчивости северных газопроводов

Разработаны новые способы балластировки с применением геотекстильных материалов и полимерно-контейнерных устройств. На базе комбинированного способа балластировки создан новый способ, защищенный патентом РФ № 2153119, в котором ЖБУ заменены на дополнительные блоки засыпки, заключенные в ковры НСМ. В результате выросла экономичность способа балластировки.

Дальнейшее развитие методов повышения устойчивости участков МГ связано с созданием впервые в мировой практике полимерно-контейнерных устройств (ПКУ), являющихся изделиями полной заводской готовности и защищенных двумя патентами РФ на изобретения №2047035, № 2185561 (рис. 8).

ПКУ представляет собой полый П-образный короб, содержащий наружные плоские боковые 1 и лобовые 2 стенки, нижние торцевые участки 3, опорный криволинейный свод 4, сопряженный с внутренними боковыми стенками 5, силовой пояс 6 в 1-2 слоя по верхнему периметру короба. Первый вариант ПКУ (пат № 2047035) выполняли из полотен НСМ с пропиткой их полимерным связующим (полиэфирная смола). Для второго варианта использовали стекломатериалы, пропитанные эпоксидной смолой (пат. № 2185561). Прочность на разрыв стенок по результатам испытаний образцов второго варианта ПКУ составляет 149-220 МПа, что на порядок выше, чем у ПКУ первого варианта.

Рис.8 - Общий вид ПКУ (а), продольный разрез (б): 1 - боковая стенка; 2 - лобовая стенка; 3 - нижний торцевой участок; 4 - криволинейный свод; 5 - внутренняя боковая стенка; 6 - силовой пояс.

Разработан также сборный пакет-утяжелитель (СПУ), объединяющий преимущества способов балластировки с применением НСМ и ПКУ. На устройство СПУ и способ балластировки с их использованием получен патент РФ № 2054595 .

Определена экономическая эффективность новых способов балластировки газопроводов с применением НСМ и ПКУ по сравнению с балластировкой ЖБУ. Например, экономический эффект балластировки с применением НСМ составляет 5,082 млн. руб., а в случае использования ПКУ - 2, 673 млн. рублей в расчете на 1 км газопровода диаметром 1420 мм.

В шестой главе рассмотрены результаты практической реализации методов обеспечения устойчивости МГ на обводненных, заболоченных участках трассы, а также в зоне распространения вечной мерзлоты. В течении 1988 - 1990 гг. широкое внедрение прошел комбинированный способ балластировки по авт. свид. №1645720 на линейной части строящейся системы МГ Ямбург-Ныда. Внедрение осуществлено на МГ Ямбург-Тула 1, км 111-151; лупинге МГ Ямбург-Тула, км 111-151; Ямбург-Тула 2, км 33,4-112; Ямбург - Поволжье, км 112-152. Общий объем внедрения составил 60,9 км, экономический эффект с переводом цен на 2006 г. составляет 250 млн. руб.

На объекте реконструкции МГ Грязовец-Ленинград, км 195-197 в 2002 г. внедрен способ прокладки трубопровода по патенту № 2227857. С применением НСМ проложен участок газопровода в глубоком (до 7 м) болоте протяженностью 2265 м без единого ЖБУ. Экономический эффект составил 3,67 млн. руб. На этом же газопроводе в пределах км 252-292 после переизоляции с использованием также патента № 2227857 забалластировано 4,320 км газопровода с экономическим эффектом 6,165 млн. рублей.

На всплывших участках Ухта-Торжок 1, км 894; Ухта-Торжок 2, км 984; Грязовец-Ленинград 2, км 29; Ухта-Торжок 3, км 152 внедрены стеклопластиковые ПКУ по патентам № 2047035, № 2185561. Всего установили 202 ед. ПКУ. Кроме ПКУ частично использовали НСМ, ЖБУ. Балластировку с НСМ по патенту №2153119 внедрили на всплывших участках Ухта-Торжок 2, км 559; км 563; Ухта-Торжок 3, км 559. Результаты экономического расчета по всплывшим участкам приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Результаты экономического расчета по всплывшим участкам

С использованием НСМ дополнительно к рассмотренным выше восстановлена устойчивость всплывших участков на газопроводах: Пунга-Вуктыл-Ухта 1, км 528; Вуктыл-Ухта 2, км 146; Ухта-Торжок 1, км 78;
км 272; Ухта-Торжок 2, км 336; Ухта-Торжок 3, км 298; Грязовец-Ленинград 1, км 96.

Способ подсадки МГ на пересечениях малых водных преград по патенту № 2196269 внедрен на 15 объектах ООО «Севергазпром». Для снижения материалозатрат вместо ЖБУ использовали КТ (контейнер текстильный) и ковры НСМ по патенту №2153119. Так, в результате применения полимерных материалов на участке балластировки одного из объектов подсадки (МГ Ухта-Торжок 4, км 692) длиной 261,3 м количество комплектов ЖБУ было снижено со 165 до 31 ед.

Экономический эффект по 15 участкам подсадки оценивается в 50 млн. рублей. Он складывается не только из экономии ЖБУ, но и по причине исключения вырезки русловых участков, имеющих достаточный ресурс для дальнейшей эксплуатации.

Масштабы реализации способов балластировки по авт. свид. №16457220 и по патенту №2153119 расширяются на объектах переизоляции с помощью ряда проектных организаций. Так, ООО «Промпроект» (г. Ижевск), ООО «Нефтегазгеодезия» (г. С.-Петербург) выполняют проекты по капремонту изоляции на участке трассы в пределах 1105-1156 км МГ Ухта - Торжок 2, Грязовец - Торжок 4, в которых заложена балластировка с применением отечественного НСМ «Геоком-Б-450» производства ОАО «Комитекс», г. Сыктывкар. ООО «Севергазпром» заказало на 2006 г. 0,2 млн. м² этого полотна исключительно для целей балластировки взамен применения ЖБУ. ООО «Подводсервис» (г. Москва) заложило в рабочие проекты для МГ Ухта-Торжок 1, км 438-442, км 456,8-458, км 468-487 и МГ Ухта-Торжок 2, км 400-437 комбинированный способ по авт. свид. № 1645720.

Ориентировочная оценка общего экономического эффекта от внедрения новых методов балластировки с применением НСМ и ПКУ по всплывшим участкам и объектам переизоляции ООО «Севергазпром» оценивается на уровне 190 млн. руб., а общий объем внедрения результатов диссертационной работы на всех объектах ООО «Тюментрансгаз» и ООО «Севергазпром», включая систему МГ Ямбург-Ныда, составляет 500 млн. рублей.

Для успешного внедрения новых методов обеспечения устойчивости участков МГ и проведения испытаний труб разработана нормативная база в виде стандартов предприятия ООО «Севергазпром» и технических условий. Всего в течение 1998 - 2003 г.г. создано пять стандартов, касающихся полимерно-контейнерных устройств (СТП 8828-154-98), ремонта размытых и провисающих участков МГ методом подсадки (СТП 8828-161-2001), методов обеспечения устойчивости газопроводов с применением НСМ (СТП 8828-163-03), оценки опасности дефектов формы сечения труб типа гофр (вмятин) (СТП 8828-169-2001). Отраслевые технические условия ТУ 2296-00158631-97 касаются производства ПКУ, в т.ч. стеклопластиковых. Три технических решения по авт. свид. №1645720 и патентам №2047035, №2054595 с применением полимерных материалов вошли в действующий отраслевой нормативный документ ВСН 39-1.9-003-98. Все созданные нормативные документы существенно расширяют область практического применения разработок по устойчивости газопроводов, направленных на решение приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате обобщения мирового и отечественного опыта в области разработки средств и методов закрепления трубопроводов, выполнена их систематизация и определены перспективные решения для повышения устойчивости северных газопроводов. Разработан комплекс экспериментальных методов исследований (полевых, лабораторных, натурных) средств закрепления газопроводов, позволяющий оценить их эффективность в условиях обводненных и вечномерзлых грунтов.

2. Выполнен анализ работоспособности конструкций и способов закрепления (балластировки) на многониточной системе МГ с Ямбургского газоконденсатного месторождения, показавший уровень эффективности как ранее созданных технических решений, так и новых разработок. Например, проявились недостатки жестких стальных вмораживаемых анкерных устройств и тяжелых железобетонных утяжелителей. Слабая несущая способность мелкодисперсных обводненных грунтов в летнее время и наоборот их высокая прочность, приводящая к развитию сил морозного пучения в зимнее время, вызвали массовые случаи выхода из строя закрепляющих (балластирующих) конструкций с жесткими связями и всплытия участков газопроводов. В это же время способы балластировки с применением эластичных ковров геотекстильных материалов обеспечили устойчивое положение северных газопроводов.

3. В результате экспериментальных исследований показана склонность мерзлых грунтов к проявлению свойства длительной ползучести при воздействии постоянной нагрузки на анкерные стержни, внедренные в мерзлоту. Средняя скорость вертикального перемещения анкерного стержня составила 0,59 мм/сутки. По данным натурных исследований температурного состояния вечномерзлых грунтов в первые годы эксплуатации установлено неуклонное растепление грунтов на уровне 0,40,5 ⁰С/год, что, с одной стороны, отрицательно сказалось на работоспособности анкерных систем с вмораживаемыми элементами, а с другой - практически не повлекло нарушений конструкций балластировки северных газопроводов с применением НСМ.

4. Обобщение опыта эксплуатации газопроводов, забалластированных грунтом с НСМ, позволило расширить область применения средств и методов закрепления газопроводов на обводненных и заболоченных участках с реализацией принципа безвырезных технологий ремонта. Данный принцип базируется на достаточных резервах несущей способности труб, научно доказанных по результатам их испытаний на полигонах (стендах). Испытания на предельную нагрузку подтвердили достаточный ресурс «старых» газопроводов, позволяющий дальнейшую их эксплуатацию в режиме проектного давления перекачиваемого газа. Так, коэффициент действительного запаса прочности труб по девяти испытанным объектам превысил коэффициент проектного запаса их прочности от 3,0 до 48 %.

5. С использованием полученных расчетных зависимостей разработан ряд методов восстановления устойчивости всплывших, плавающих участков, а также размытых участков, пересекающих малые водные преграды. Разработан новый метод прокладки реконструируемых участков в глубоких обводненных болотах, а также метод их испытаний перед пуском в эксплуатацию. Одновременно были созданы и защищены патентами на изобретения новые способы балластировки с использованием НСМ. Кроме того, разработано, испытано и внедрено на газопроводах диаметром 12201420 мм стеклопластиковое полимерно-контейнерное устройство (ПКУ) с высокой прочностью стенок, достигающей 149220 МПа на разрыв

и длительной стойкостью материала в подземных условиях эксплуатации - не менее 30 лет.

6. Применение в конструкциях балластировки эластичных полимерных материалов позволило получить:

- экономичность за счет использования отечественных материалов, обеспечивающих максимальную балластирующую способность грунтов засыпки, заменяющих дорогостоящую железобетонную балластировку;

- существенное снижение напряжений изгиба в стенке газопроводов всплывших и оголенных участков с одновременным повышением их устойчивости в процессе расчетного заглубления, перевода вертикального изгиба в горизонтальный и последующей балластировки грунтом с применением НСМ и стеклопластиковых ПКУ;

- повышение надежности противокоррозионной изоляции при продольно-поперечных перемещениях газопровода в болотах и обводненных грунтах в силу отсутствия жестких тяжелых железобетонных утяжелителей и металлических анкеров;

- обеспечение необходимой податливости без разрушения полимерных материалов в процессе морозного пучения грунтов основания северных газопроводов, проложенных в вечномерзлых грунтах.

7. Благодаря надежности и экономичности новые методы и устройства прокладки и балластировки газопроводов были внедрены в процессе строительства газопроводов с Ямбургского ГКМ на вечной мерзлоте в объеме 60,9 км с экономическим эффектом в масштабе современных цен на уровне 250 млн. руб. В системе действующих газопроводов ООО «Севергазпром» внедрение разработанных технических решений осуществлено на объектах реконструкции и переизоляции, на всплывших участках, на участках пересечения малых водных преград с общим экономическим эффектом около 250 млн. руб. Суммарный экономический эффект от внедренных изобретений составляет порядка 500 млн. руб. Создана нормативно-техническая база для повышения устойчивости северных газопроводов в виде шести стандартов предприятия (СТП) ООО «Севергазпром» и технических условий (ТУ).