Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов укладки магистральных газопроводов в условиях Заполярья

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов укладки магистральных газопроводов в условиях Заполярья"

На правах рукописи

ХОМИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УКЛАДКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ

Специальность 25 00 19 - «Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОТ1585

Тюмень - 2007 г

003071585

Диссертационная работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском институте по строительству и эксплуатации трубопроводов, объектов ТЭК (ОАО ВНИИСТ)

Научный руководитель кандидат технических наук

Гаспарянц Рубен Саргисович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Малюшшх Николай Александрович

кандидат технических наук, доцент Торопов Сергей Юрьевич

Ведущая организация ОАО «Гипротюменнефтегаз»

Защита состоится 25 мая 2007 года в 14 00 на заседании диссертационного совета Д 212 273 02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу 625000, г Тюмень, ул Володарского, 38

С диссертацией молено ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу 625039, г Тюмень, ул Мельникайте, 72

Автореферат разослан «_ 23 » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Открытое в середине 1960-х годов месторождение Заполярное около 30 лет находилось в числе резервных Острая необходимость компенсации падающего уровня добычи газа на действующих промыслах страны ускорила принятие решения об обустройстве этого месторождения

В связи с этим возникли проблемы, связанные с созданием трубопроводных систем в условиях Крайнего Севера Помимо очевидных трудностей, обусловленных суровым климатом этих районов, появились и новые, ранее не встречающиеся проблемы К их числу, прежде всего, следует отнести практически полную неизученность характера взаимодействия трубопровода с грунтами региона

При прокладке подземных трубопроводов, ввиду сильной обводненности грунтов, главной трудностью стало решение задач по их балластировке Существующие методы балластировки зачастую не могли быть применены на участках строящегося газопровода Заполярное - Уренгой

Поиск возможных технологических решений по укладке забалластированного трубопровода с большой глубиной заложения привел к актуальной необходимости рассмотрения ряда «нетрадиционных» строительных технологий Среди них основное внимание было уделено оценке применимости так называемого бесподъемного метода укладки, который обычно принято именовать как метод подкопа Этому методу и посвящена настоящая работа

Состопппе гаучепностп вопросов темы. Вопросом изучения конструктивно-технологических параметров процесса бесподъемной укладки занимались ученые Аникин Е А, Герпггейн М С, Габелая Р Д , Королев М И, Гаспарянц Р С и др на результатах работ которых ссылается автор в своих исследованиях

Целыо работы является разработка бесподъемной укладки магистральных газопроводов в условиях Заполярья

Основные задачи исследований:

• Оценить применимость для условий Крайнего Севера строительной технологии и конструктивных решений по прокладке газопроводных систем в грунтах с изменчивыми мерзлотными характеристиками,

• Разработать на основе научных подходов наиболее эффективные организационно-технологические решения по строительству протяженных участков газопровода (с предварительно установленными балластными утяжелителями) в условиях сильно водонасьнценных грунтов, включая возможное использование бесподъемных методов укладки плетей,

• Создать методологические основы по проведению обследований технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги с разработкой рекомендаций по совершенствованию процессов проектирования и строительства этих объектов и улучшению их качества,

• Выявить пути совершенствования конструктивных решений и технологии возведения защитных противоэрозионных сооружений на наземных участках газопроводов в местах их выхода из насыпи (в составе водопропускных объектов) и разработать новые конструкции закрепления фронтальных откосов насыпи, отвечающих требованиям надежности, промышленной и экологической безопасности

Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических исследований Теоретические исследования основывались на теории строительной механики и математического анализа, а также теории моделирования

Научная новизна работы:

1 Разработана математическая модель расчета напряжений при укладке трубопровода методом многоступенчатого подкопа

2 На основе предложенной математической модели автором найден безразмерный параметр а, позволяющий унифицировать расчеты по определению напряжений при укладке трубопровода в траншею

3 Выявлены закономерности взаимосвязи между изгибающими моментами, действующими в процессе монтажа, и оптимальными расстояниями между забоями

4 Получены расчетные соотношения, позволяющие корректировать технологические параметры схем укладки трубопроводов с учетом фактических нагрузок

Практическая ценпость работы. Результаты проведенных исследований рекомендуется использовать при проектировании и производстве строительно-монтажных работ по сооружению магистральных трубопроводов в условиях сильнообводненных грунтов, а также применять в курсах обучения студентов по специальности «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ»

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах и конференциях (2001-2006 г г) Диссертация заслушана и рекомендована к защите на межкафедральном научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета 16 апреля 2007 г

Публикации, структура и объем диссертации'

Основное содержание работы опубликовано в 4 научных статьях Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка использованной литературы из 91 наименования Диссертация изложена на 163 страницах текста, содержит 39 рисунков

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи исследований, дана краткая характеристика работы

В первом разделе дана общая характеристика условий строительства объектов трубопроводного транспорта в условиях Крайнего Севера, а также проведен анализ существующих методов проектирования и строительства магистральных газопроводов

Проблемы, связанные с созданием трубопроводных систем в условиях Крайнего Севера и Заполярья, возникли в связи с открытием новых нефтегазовых месторождений в арктических и субарктических районах нашей страны Практически одновременно с этим аналогичные задачи появились и в других странах мира, в частности, в США (на Аляске) и в Канаде (на территории ее северных провинций)

Островная мерзлота является одним из основных факторов, который объективно отражает специфику рассматриваемого района строительства

При сооружении газопроводов Крайнего Севера необходимо особо выделить этот фактор - условия взаимодействия конструкции с многолетнемерзлыми грунтами, который определяет работоспособность линейного сооружения на стадиях строительства и эксплуатации и требует всестороннего изучения

Для надземных участков, сооружаемых в этих условиях, главную опасность представляют нагрузки, обусловленные самой северной природой (низхше температуры, особые характеристики ветров, специфика взаимодействия трубопровода со снегом)

Для подземных трубопроводов одной из главных трудностей становится решение задач по балластировке Кроме того, ограничивающим фактором выступила экологическая проблема, по сути, обязывающая вести строительство только в зимний период

Традиционно используемые технологии укладки трубопроводов предусматривают, как правило, раздельное выполнение работ, связанных с устройством траншей и непосредственным опуском забалластированных трубных плетей (или отдельных труб, секций) в проектное положение

Примерами тому могут служить широко распространенные методы укладки плетей «с бровки» (точнее, с бермы) уже готовой траншеи или другие не менее известные способы, основанные на использовании продольного перемещения укладываемой плети (сплав, протаскивание), которые также предусматривают предварительную разработку траншей

Возможны также варианты, когда плеть балластируется заранее, и уже вместе со смонтированными утяжелителями укладывается в проектное положение Наиболее употребительным такой прием является в случае использования методов сплава или протаскивания Тем не менее, применительно к укладке с бермы траншеи допускается осуществлять укладку предварительно забалластированных плетей

Анализ возможности реализации и область применения методов укладки с бермы забалластированного трубопровода из труб диаметром 1420 мм определяются рядом обстоятельств

Во-первых, глубина траншеи в тех местах, где предусматривается укладка плетей, оснащенных утяжелителями, не должна превышать 3,2м Иначе монтажные напряжения в металле труб могут превысить допустимый уровень Заметим, что в реальных условиях глубина траншеи может достигать значений 4,0 — 4,2м,

Во-вторых, применение балластировки обусловлено, как правило, наличием на трассе сильнообводненных грунтов, где крутизна откосов траншеи не превышает значения 1 1 или они закладываются еще более пологими В этих условиях трубоукладчики, участвующие в укладке плети работают с предельно максимальным вылетом стрел (до б - 7 м) Каждый из них, имея момент устойчивости против опрокидывания порядка 110тсм,

способен нести нагрузку на крюке в пределах 14 - 17 тс (при коэффициенте запаса равном 1,1)

Учитывая, что забалластированный трубопровод имеет значительный вес, каждый трубоукладчик в колонне будет способен поднять всего лишь 4 -5 м такого трубопровода Другими словами, даже если все трубоукладчики (а их в такой колонне должно быть около 10 единиц) будут находиться вплотную друг к другу, они просто «не впишутся» в собственные габариты,

В-третьих, на отдельных участках трассы могут встретиться места, где потребуется дополнительный вылет стрелы по сравненшо с указанными выше значениями, и здесь возникает еще одна трудность - стрела имеет ограниченную длину (она составляет около 8 м)

Перечисленные ограничения, а также высокие стоимостные показатели во многом предопределяют слабую допустимую область применения метода укладки забалластированного трубопровода с бермы траншеи

Если рассматривать вариант технологии, когда сначала выполняется укладка плети, а затем производится ее балластировка, то здесь могут возникнуть другие трудности В частности, работы по монтажу кольцевых утяжелителей на уложенном трубопроводе в условиях, когда уровень воды в траншее может достигать 1,0 - 1,2 м, вести крайне сложно (а порой и вообще невозможно) Осуществлять же здесь водопонижение не всегда представляется возможным

Анализируя возможность применения сплава забалластированных плетей (например, применительно к строительству пойменного участка перехода через р Пур), снова приходится сталкиваться с проблемой уровня воды в траншее В данном случае он недостаточно высок для осуществления сплава

Рассматривая вариант протаскивания забалластированной плети по дну траншеи, приходится искать места для установки тяговых лебедок (с усилием

около 300 тс) Таких мест - с устойчивыми грунтами - на рассматриваемом участке трассы просто нет

Что касается возможности применения потрубной сборки плетей (метод последовательного наращивания нитки трубопровода непосредственно в проектном положении), то применительно к заданным условиям такая технология - по причине наличия воды в траншее - не рассматривалась К тому же для опуска одной трубы весом около 42 тонн потребовалось бы при вылете стрел, равном 6 м, не менее четырех трубоукладчиков Такое их количество невозможно разместить на длине участка 12 м (т е на длине одной трубы) Это обстоятельство явилось, пожалуй, ключевым при отказе рассмотрения метода потрубной сборки

Выполненный анализ - в части возможного применения «стандартизированных» методов укладки забалластированных плетей в условиях поймы р Пур - показывает, что ни один из известных методов нельзя считать приемлемым для эффективного использования на данном участке трассы

Дальнейший поиск возможных технологических решений по укладке забалластированного трубопровода с большой глубиной заложения приводит к необходимости рассмотрения ряда «нетрадиционных» строительных технологий Среди них основное внимание было уделено оценке применимости так называемого бесподъемного метода укладки, который обычно принято именовать как метод подкопа

Во втором разделе представлена расчетная методика определения технологических параметров схем многоступенчатой бесподъемной укладки трубопровода методом подкопа

Впервые о бесподъемном методе укладки трубопроводов было упомянуто в конце 1960-х годов в связи с рассмотрением вопроса о возможном строительстве газопроводов диаметром 2500мм из Западной Сибири в европейскую часть страны Однако дальнейшего развития сама

идея строительства таких трубопроводов не получила развития, а сам метод долгое время оставался невостребованным

Суть метода состоит в том, что под сваренной ниткой трубопровода разрабатывают с помощью специальной машины (трубозаглубителя) грунт, в образовавшуюся траншею под действием собственного веса опускается укладываемый трубопровод

Среди известных публикаций имеются разработки, в которых получило дальнейшее развитие идея бесподъемной укладки Было предложено, в частности, организовать работы по заглублению трубопровода так, чтобы при наличии одновременно двух забоев форма изгиба укладываемой части формировалась таким образом, чтобы произошло обеспечение дополнительного снюкения монтажных напряжений в трубопроводе

В диссертации представлена математическая модель схем бесподъемной укладки трубопровода с применением одного и двух забоев Получены количественные характеристики взаимосвязи между изгибающими моментами, действующими на трубопровод в процессе монтажа, и оптимальными расстояниями между забоями Расчетная глубина заложения трубопровода при применении схемы с двумя забоями составляет 1^ = 3,16 м Если при этом 'учесть на участке укладки рельеф местности, то допустимая для этой схемы глубина траншеи оказывается еще меньшей (2,36 м)

Ввиду того, что область применения схем с одним и двумя забоями весьма ограничена (недостаточная во многих случаях глубина траншеи), возникла необходимость рассмотрения случая, когда укладку трубопровода по бесподъемной технологии придется выполнять с использованием трех забоев Решение поставленной задачи велось с учетом полученных расчетных соотношений для схем с одним и двумя забоями

Расчетная схема применительно к случаю с тремя забоями представлена на рисунке 1, технологическая схема - на рисунке 2

(с тремя забоями)

Обозначения на рис 1 /1-/4- расстояния от точки 0 до точек забоев, /г, - /г4 - глубина забоев, Л, - К4 - нагрузки в точках опирания трубопровода на грунт

По представленной методике были получены следующие соотношения (обозначения, как на рис 1)

Глубина забоя в точке 2

=0,4872 Л,,

5

глубина забоя в точке 3

=0,19143

Технологические расстояния между забоями ¿¡ я ¿2 (см рис 2)

где £7- изгибная (балочная) жесткость трубопровода в точке 4, q - расчетный вес единицы длины забалластированного трубопровода на воздухе,

кр - требуемая глубина траншеи

- [_--

Рис. 2 Технологическая схема укладки трубопровода методом поэтапного подкопа

Рассчитанные по методике автора технологические параметры с использованием безразмерных множителей (например, ^ =1,8847 или Ьг =1,2212) позволяют в случае необходимости осуществлять физическое моделирование схем укладки трубопровода с различными «свойствами» (диаметр, глубина заложения) В работе также представлены расчетные соотношения для определения изгибающих моментов в искомых точках

В диссертации проанализированы дополнительные воздействия на трубопровод, неучтенные в математической модели, и выведены расчетные соотношения, позволяющие скорректировать технологические параметры схем укладки с учетом этих воздействий К их числу относятся влияние проектного рельефа местности, воздействия, связанные с возможными несовершенствами исходной формы оси трубопровода, неучтенные нагрузки, обусловленные наличием начальной консоли (т е зависающего участка плети на стадии выполнения работ вблизи ее начала)

В результате проведенных расчетов схемы с тремя забоями была получена максимальная глубина траншеи, равная 4,2 м, что в большинстве случаев оказывается достаточным для прокладки трубопровода

При разработке производственной документации (ППР, технологических карт и тд) рекомендуется производить разделение трассы на участки, где

предусматривается применение различных схем, отличающихся количеством забоев При этом следует руководствоваться рекомендациями предложенными в данной работе

В третьем разделе проведен анализ существующих решений по прокладке трубопроводов на пересечениях с дорогами в условиях Крайнего Севера На основе расчетных обоснований и проведенного обследования фактического состояния защитного кожуха перехода газопровода через дорогу разработан ряд рекомендаций по выбору строительно-технологических параметров кожухов в условиях обводненности и неоднородности грунтов Крайнего Севера

Во-первых, при траншейной прокладке кожухов диаметром 1720 мм на переходах необходимо в составе проектной документации предусмотреть дополнительное увеличение толщины их стенки до 20мм, сопровождая такое решение соответствующими расчетными обоснованиями

Во-вторых, в составе всей документации рабочих чертежах (в виде указаний по монтажу), проекте организации строительства (в разделе, где указывается применяемые методы строительства), а также проекте производства работ (в общей пояснительной записке и в соответствующих технологических картах) необходимо строго регламентировать требования к защите кожуха в период его монтажа от механических повреждений, в том числе от чрезмерных деформаций поперечных сечений

В-третьих, непосредственно при выполнении работ необходимо осуществлять тщательный инструментальный контроль за положением и состоянием кожуха на всех этапах его монтажа и в процессе засыпки траншеи (котлована), обеспечивая при этом постоянную проверку качества послойного уплотнения грунта В проекте дополнительно следует оговаривать условия заполнения грунтом пазухов и его уплотнения в этих местах (с указанием методов производства работ и способов контроля качества подбивки)

Помимо указанных мер следует предусматривать и ряд других мероприятий, а именно установку временных распорок внутри кожуха, монтаж наружных ребер жесткости или временных подкрепляющих колец изнутри и т п Подобные меры обеспечивают сохранность заданной круглой формы поперечных сечений кожуха, но не исключают возможного искривления его оси в процессе производства работ

Для того чтобы обеспечить строгую прямолинейность кожуха во время его засыпки и в процессе уплотнения грунта необходимо организовать эти работы согласно разработанной схеме, которая предусматривает одновременное выполнение одноклинных операций с обеих сторон ч кожуха, формирование текущего уровня засыпки по всей длине кожуха (не допуская таких ситуаций, когда одна часть кожуха уже полностью засыпана, а другая еще открыта), поэтапный контроль высотного и планового положения оси кожуха

В четвертом разделе представлена технология закрепления фронтальных откосов насыпи над трубопроводом в местах размещения по трассе водопропусков Технология закрепления откосов узла выхода газопровода из грунта разработана проектным институтом ДОАО «ВНИПИгаздобыча» при непосредственном участии автора данной диссертации Реализация данной конструкции осуществлена на ряде участков газопровода Заполярное - Уренгой (I нитка)

Также в разделе представлена практическая реализация полученных в работе результатов Бесподъемная укладка участка газопровода по приведенной в работе технологии была произведена в пойме р Пур (Заполярье), общая протяженность экспериментального участка составила 600 м

Работы выполнялись в следующей последовательности • Непосредственно над осью будущей траншеи производится сварка труб, затем плеть изолируют и покрывают футеровкой, после чего на

участок, подлежащий балластировке, монтируют кольцевые (железобетонные или чугунные) утяжелители,

• Производится укладка трубопровода путем удаления грунта из-под плети, причем осуществляется это «ступенями» разрабатывал грунт одновременно с двух сторон от укладываемого трубопровода,

• Дополнительно (если это требуется) грунт в траншее размывается с помощью гидромониторов

Основные выводы по работе:

1 Проведенный анализ показал, что традиционно используемые технологии укладки трубопроводов в ряде случаев не могут быть применены в условиях Заполярья В связи с этим разработан и реализован на практике многоступенчатый метод бесподъемной укладки предварительно забалластированных трубных плетей газопровода на сильно водопасыщенпых грунтах

2 Разработаны эффективные технологии прокладки протяженных участков газопроводов большого диаметра в условиях водонасыщенных грунтов с использованием бесподъемных методов укладки плетей

3 Разработана методика по проведению обследования технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги На основе проведенного обследования защитного кожуха разработаны рекомендации по совершенствованию строительства и определению конструктивных параметров переходов через дороги в условиях неоднородности грунтов Крайнего Севера

4 Разработана и внедрена технология закрепления фронтальных откосов в местах «входа-выхода» трубопровода из насыпи при сооружении водопропусков, обладающая положительными качествами по сравнению с существующими (касательно районов Крайнего Севера)

Основные положения диссертации опублпковапы в следующих работах:

1 Хомиченко С А Новые материалы и технология теплоизоляции на строительстве газопровода Заполярное -Уренгой / Юшков ЮЮ Рудавец ИМ// Производственно-технический журнал «Потенциал» № 3, 2001, - С 2830

2 Хомиченко С А Новые технологические решения на строительстве газопровода Заполярное - Уренгой / Аникин Е А , Габелая Р Д , Рудавец ИМ/ Производственно-технический журнал «Потенциал», № б 2001 -С 15-17

3 Хомиченко С А Оптимизация параметров технологических схем укладки газопроводов бесподъемным способом / Важенин 10 И // Журнал «Известия вузов Нефгь и газ» - Тюмень ТюмГНГУ -2007 - С 38-42

4 Хомиченко С А, Гнатусь Н А, Аникин Е А, Гаспарянц Р С , Габелая РД, Рудавец ИМ Способ укладки предварительно забалластированного трубопровода на обводненных участках Патент на изобретение РФ, № 2176758 М 10 декабря 2001 г

подписано к печати ЮУ 2007г Бум писч №1

Заказ № i 0£ Уч -изд л 1,00

Формат 60x841/16 Уел печ л 1,00

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул Киевская, 52

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Хомиченко, Сергей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ I. КОНСТРУКТИВНЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО ПРОКЛАДКЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ

1.1. Общая характеристика условий строительства объектов трубопроводного транспорта в условиях Заполярья.

1.2. Анализ существующих решений в области проектирования и строительства газотранспортных систем.

1.3. Анализ аналитических и экспериментальных методов исследований основных технологических решений при строительстве трубопроводов.

1.4. Анализ существующих методов прокладки забалластированных трубопроводов.

Выводы по разделу 1.

РАЗДЕЛ И. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПО УКЛАДКЕ ТРУБОПРОВОДА МЕТОДОМ ПОДКОПА

2.1. Бесподъемный метод укладки трубопроводов.

2.2. Математическое моделирование процесса укладки трубопровода методом подкопа.

2.3. Разработка расчетных методик определения технологических параметров схем двух- и трехступенчатой бесподъемной укладки трубопроводов.

2.4. Анализ дополнительных воздействий на укладываемый трубопровод при использовании бесподъемной технологии.

2.5. Разработка инженерной методики расчета параметров схем укладки трубопровода с применением бесподъемной технологии.

Выводы по разделу II.

РАЗДЕЛ III. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ И СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРОКЛАДКЕ ПЕРЕХОДОВ ТРУБОПРОВОДА ЧЕРЕЗ ДОРОГИ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

3.1. Анализ существующих решений по прокладке трубопроводов на пересечениях с дорогами в условиях Крайнего

Севера.

3.2. Разработка рекомендаций по выбору строительно-технологических параметров кожуха для перехода газопровода через дороги.

Выводы по разделу III.

РАЗДЕЛ IV. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ НАСЫПИ НАД ТРУБОПРОВОДОМ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ В РАБОТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Технология закрепления фронтальных откосов насыпи над трубопроводом в местах размещения по трассе водопропусков и ее практическая реализация.

4.2. Практическая реализация бесподъемного метода укладки трубопровода в условиях Заполярья.

Выводы по разделу IV.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов укладки магистральных газопроводов в условиях Заполярья"

Актуальность темы. Газонефтеконденсатное месторождение Заполярное является одним из крупнейших в мире источников природных углеводородов. После ввода его на проектную мощность здесь будут добывать около 20 % всех освоенных в стране запасов газа.

Открытое в середине 1960-х годов месторождение Заполярное около 30 лет находилось в числе резервных. Острая необходимость компенсации падающего уровня добычи газа на действующих промыслах страны ускорила принятие решения об обустройстве этого месторождения [38, 76, 77,91]

В связи с этим возникли проблемы, связанные с созданием трубопроводных систем в условиях Крайнего Севера. Практически одновременно с этим аналогичные задачи появились и в других странах мира, в частности, в США (на Аляске) и в Канаде (на территории ее северных провинций).

Помимо очевидных трудностей, обусловленных суровым климатом этих районов (применение хладностойких сталей, необходимость в использовании специальных «северных» технологий, проведение комплекса социальных и экологических мероприятий и т.п.), в этих условиях появились и новые, ранее не встречающиеся проблемы. К их числу прежде всего следует отнести практически полную неизученность характера взаимодействия трубопровода с местной средой [3, 5, 8].

Для надземных участков, сооружаемых в этих условиях, главную опасность представляют нагрузки, обусловленные самой северной природой (низкие температуры, особые характеристики ветров, специфика взаимодействия трубопровода со снегом).

Наземная прокладка (как и полузаглубленная) имеет ту особенность, что для ее реализации не требуется использовать балластировку трубопровода. Это существенное преимущество, особенно в труднодоступных условиях Заполярья, зачастую является решающим при выборе способа прокладки.

Для подземных трубопроводов одной из главной трудностей является решение задач по их балластировке.

Существующие методы балластировки зачастую не могут быть применены на участках газопровода Заполярное - Уренгой.

Например, укладка забалластированного трубопровода с бермы траншеи. Учитывая, что забалластированный трубопровод имеет значительный вес, каждый трубоукладчик в колонне будет способен поднять всего лишь 4.5 м такого трубопровода. Другими словами, даже если все трубоукладчики (а их в такой колонне должно быть около 10 единиц) будут находиться вплотную друг к другу, они просто «не впишутся» в собственные габариты.

Если рассматривать вариант технологии, когда сначала выполняется укладка плети, а затем производится ее балластировка, то здесь могут возникнуть другие трудности. В частности, работы по монтажу кольцевых утяжелителей на уложенном трубопроводе в условиях, когда уровень воды в траншее может достигать 1,0. 1,2 м, вести крайне сложно (а порой и вообще невозможно). Осуществлять же водопонижение не всегда представляется возможным.

Анализируя возможность применения сплава забалластированных плетей применительно, например, к строительству пойменного участка перехода через р. Пур, снова приходится сталкиваться с проблемой уровня воды в траншее. В данном случае он недостаточно высок для осуществления сплава, к тому же по длине отдельных участков этот уровень сильно колеблется (убывая в ряде мест до значений порядка 0,2-0,5 м).

Рассматривая вариант протаскивания забалластированной плети по дну траншеи, приходится искать места для установки тяговых лебедок.

Таких мест - с устойчивыми грунтами - на рассматриваемом участке трассы не имеется.

Дальнейший поиск возможных технологических решений по укладке забалластированного трубопровода с большой глубиной заложения привел к необходимости рассмотреть ряд «нетрадиционных» строительных технологий. Среди них основное внимание было уделено оценке применимости т.н. бесподъемного метода укладки, который обычно принято именовать как метод подкопа.

В связи со сказанным выше, а именно невозможностью применения существующих схем балластировки, можно сформулировать цель исследований.

Состояние изученности вопросов темы. Вопросом изучения конструктивно-технологических параметров процесса бесподъемной укладки занимались ученые Аникин Е.А., Герштейн М.С., Габелая Р.Д., Королев М.И., Гаспарянц Р.С., на результаты работ которых основывался автор в своих исследованиях.

Целью работы является разработка бестраншейной укладки магистральных газопроводов в условиях Заполярья.

Основные задачи исследований:

• Оценить применимость для условий Крайнего Севера строительной технологии и конструктивных решений по прокладке газопроводных систем в грунтах с изменчивыми мерзлотными характеристиками.

• Разработать на основе научных подходов наиболее эффективных организационно-технологических решений по строительству протяженных участков газопровода (с предварительно установленными балластными утяжелителями) в условиях сильно водонасыщенных грунтов, включая возможное использование бесподъемных методов укладки плетей.

• Создать методологические основы по проведению обследований технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги с разработкой рекомендаций по совершенствованию процессов проектирования и строительства этих объектов и улучшению их качества.

• Выявить пути совершенствования конструктивных решений и технологии возведения защитных противоэрозионных сооружений на наземных участках газопроводов в местах их выхода из насыпи (в составе водопропускных объектов) и разработать новые конструкции закрепления фронтальных откосов насыпи, отвечающих требованиям надежности, промышленной и экологической безопасности.

Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических исследований. Теоретические исследования основывались на теории строительной механики и математического анализа.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель расчета напряжений при укладке трубопровода методом многоступенчатого подкопа.

2. На основе математической модели разработана методика расчета технико-технологических параметров при многоступенчатой бесподъемной укладки трубопровода в сильнообводненных грунтах Крайнего Севера.

3. Разработана методика обследования технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги и приведены рекомендации по совершенствованию методов строительства переходов через дороги в неоднородных грунтах Крайнего Севера.

4. Разработана технология закрепления фронтальных откосов в местах «входа-выхода» трубопровода из насыпи, при сооружении водопропусков, обладающая положительными качествами по сравнению с ранее существующими в районах Крайнего Севера.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований рекомендуется использовать при проектировании и производстве строительно-монтажных работ по сооружению магистральных трубопроводов в условиях сильнообводненных грунтов. Рекомендуется использовать в курсах обучения студентов по специальности: «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах и конференциях (2001-2006 г.г.). Диссертация заслушана и рекомендована к защите на межкафедральном научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета (Протокол №от2006г.)

Публикации, структура и объем диссертации: Основное содержание работы опубликовано в 4 научных статьях. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка использованной литературы (91 наименований). Диссертация изложена на 163 страницах текста, содержит 40 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Хомиченко, Сергей Алексеевич

Основные выводы по диссертации

1. Проведенный анализ показал, что традиционно используемые технологии укладки трубопроводов в ряде случаев не могут быть применены в условиях Заполярья. В связи с этим разработан и реализован на практике многоступенчатый метод бесподъемной укладки предварительно забалластированных трубных плетей газопровода на сильно водонасыщенных грунтах.

2. Разработана методика по проведению обследования технического состояния защитных кожухов на строящихся переходах газопровода через автомобильные и железные дороги. На основе проведенного обследования защитного кожуха разработаны рекомендации по совершенствованию строительства и конструктивных параметров переходов через дороги в условиях неоднородности грунтов Крайнего Севера.

3. Разработана и внедрена технология закрепления фронтальных откосов в местах «входа-выхода» трубопровода из насыпи, при сооружении водопропусков, обладающая положительными качествами по сравнению с существующими (касательно районов Крайнего Севера).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Хомиченко, Сергей Алексеевич, Москва

1. Аникин Е.А. Технология укладки подземных трубопроводов. Серия «Транспорт и хранение газа», вып. 5, ВНИИЭгазпром, 1983.

2. Аникин Е.А., Габелая Р.Д., Рудавец И.М., Хомиченко С.А. Новые технологические решения на строительстве газопровода Заполярное -Уренгой. Производственно-технический журнал «Потенциал», № 6.2001.

3. Аникин Е.А., Комарица В.Н., Асланов В.И. и др. Экспериментальное определение изгибной жесткости обетонированных труб. Экспресс-информация ВНИИПКтехоргнефтегазстроя. Серия «Строительство магистральных трубопроводов». № 2. 1988.

4. Аугусти Г., Баратта А., Кашпати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М. Стройиздат. 1988.

5. Баталин Ю.П., Березин B.JL, Телегин Л.Г., Курепин Б.Н. Организация строительства магистральных трубопроводов. М. «Недра». 1980.

6. Березин B.JL, Телегин Л.Г. Аникин Е.А. Методические указания по расчету трубопроводов на прочность при строительстве. МИНХ и ГП им И.М. Губкина. 1974.

7. Болотин В.В. Об упругих деформациях подземных трубопроводов, прокладываемых в статически неоднородном грунте. «Строительная механика и расчет сооружений», № 1,1965.

8. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. М. «Недра». 1976.

9. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М. «Недра». 1984.

10. Бославский И. А. Устойчивость подземных труб. «Гидротехническое строительство», № 10,1964.

11. И.Васильев Г.Г., Кленин В.И., Коэтес А. Современные технологии для мониторинга и восстановления трубопроводов. «Нефтяное хозяйство»,4,1994.

12. Васильев Н.П. Балластировка и закрепление трубопроводов. М. «Недра». 1984.

13. Виноградов С.В. Обзор методов расчета подземных тонкостенных труб на прочность, жесткость и устойчивость. Труды Союзводпроект. № 48. 1977.

14. Виноградов С.В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. Стройиздат. М. 1980.

15. Виноградов С.В., Кружалов Ю.М. Натурные испытания на прочность и устойчивость подземных стальных тонкостенных труб большого диаметра. М. 1959.

16. ВСН 008-88/ Миннефтегазстрой. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Противокоррозионная и тепловая изоляция. ВНИИСТ. 1989.

17. ВСН 012-88 / Миннефтегазстрой СССР. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приемка работ. Части 1 и 2. М. ВНИИСТ. 1989.

18. ВСН 013-88 / Миннефтегазстрой. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. ВНИИСТ. М. 1989.

19. ВСН 39-1.9-003-98. Конструкции и способы балластировки и закрепления подземных газопроводов. ОАО «Газпром». М. 1998.

20. Герштейн М.С., Королев М.И., Габелая Р.Д. и др. «Способ подземной прокладки трубопровода в слабом грунте». Патент РФ № 2027998; зарегистрирован 27 января 1995

21. Гнатусь Н.А., Аникин Е.А., Гаспарянц Р.С., Габелая Р.Д., Рудавец

22. И.М., Хомиченко С.А. Способ укладки предварительно забалластированного трубопровода на обводненных участках. Патент на изобретение РФ, № 2176758. М. 10 декабря 2001 г.

23. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. Госстандарт России. 1998 г.

24. Григолюк Э.И., Кабанов В.В. Устойчивость круговых цилиндрических оболочек В сб. «Механика твердых деформируемых тел». М. 1969.

25. Декларация безопасности промышленных объектов системы газопроводов «Заполярное Уренгой». ДАО «ВНИПИгаздобыча». Саратов. 1998.

26. Дерцакян А.К., Макуров Е.Д. Переходы магистральных трубопроводов через болота. М. «Недра». 1965.

27. Емельянов JI.M. О расчете подземных гибких труб «Строительная механика и расчет сооружений», № 1. 1961.

28. Завойчинский Б.И. Долговечность магистральных и технологических трубопроводов. Теория, методы расчета, проектирование. М. «Недра». 1992.

29. Иванов В.А. Повышение надежности и качества функционирования газотранспортных систем Западной Сибири. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. ГАНГ им И.М. Губина, НПО «Тюменгазтехнология». Тюмень. 1993.

30. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. М. «Недра». 1985.

31. Иванцов О.М., Харионовский В.В. Арктические газопроводы России. Обзорная информация КИИЦ Нефтегазстройинфорреклама. 1992.

32. ИД 28.2002 Краткий словарь базовых терминов и понятий в современной инвестиционно-строительной деятельности. Госстрой России. ГУПЦПП, 2002.

33. Инструкция по разработке проектов производства работ построительству нефтегазопродуктопроводов. (ВСН). Минтопэнерго России. М. 1999.

34. Киселев В.А. Строительная механика. Общий курс. М. Стройиздат, 1986.

35. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. Гостоптехиздат. М. 1969.

36. Клейн Г.К. Расчет труб, уложенных в земле. Стройиздат. М. 1957.

37. Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях. М. «Недра». 1985.

38. Комарица В.Н. Технологические особенности сооружения промысловых трубопроводов из обетонированных труб. Технология и организация строительства промысловых трубопроводов. Сб. научн. тр. ВНИИСТ. М. 1989.

39. Курганова И.Н. Теоретическое обоснование результатов натурного обследования участков северных газопроводов в непроектном положении. Надежность газопроводных конструкций. М. ВНИИГАЗ, 1990.

40. Кухтерин Н.А. Напряженно-деформированное состояние трубопровода, укладываемого в траншею под действием поперечной нагрузки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. ВНИИСТ. М. 1990.

41. Кушнаренко С.Г. Разработка методов организационно-технологического проектирования процесса строительства газопроводов газораспределительных систем в условиях Заполярья. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ВНИИСТ. 1999.

42. Кушнаренко С.Г. Расчетные обоснования технологических параметров схем укладки трубопроводов малых диаметров. Научно-технический журнал «Нефтепромысловое дело». ОАО «ВНИИОЭНГ». № 1, 2000.

43. Лаврентьев Е.А., Воробьев А.Н. Газовая магистраль XXI века. Производственно-технический журнал «Потенциал», № 6. 2001.

44. Лавров Г.Е. Строительство переходов трубопроводов под дорогами. М. ВНИИСТ, 1961.

45. Лисивеико А.И. Исследование бесподъемного способа укладки магистральных трубопроводов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. МИНХ и ГП им И.М. Губкина. М. 1977.

46. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов. М. ВНИИГАЗ. 1992.

47. Методические рекомендации по натурным измерениям напряженного состояния магистральных газопроводов. М. ВНИИГАЗ, 1985.

48. Минаев В.И. Машины для строительства магистральных трубопроводов. М. «Недра». 1985.

49. Минаев В.И., Лисивенко А.И. Строительство трубопроводов с использованием способа бесподъемной укладки. Научно-технический обзор. М. НИПИЭСУнефтегазстрой. 1976.

50. Минаев В.И., Никитин И.В. и др. Технико-экономическая оценка бестраншейной прокладки трубопроводов методом направленного бурения. Экспресс-информация, вып. 6. М. ВНИИЭгазпром. 1985.

51. Морозов В.Н. Магистральные трубопроводы в сложных инженерно-геологических условиях. Л.: «Недра». 1987.

52. Оспанов С.О., Сюндюков Г.М. Экспериментальные исследования условий работы труб в траншее В сб. научн. труды Челябинского политехнического института, вып. 35.1966.

53. Отчет о работе Надымской тематической партии ВНИИСТ за III квартал 1987 г. Надым 1987.

54. Посягин Б.С. Разработка метода оценки надежности конструкции магистральных газопроводов по результатам диагностирования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. ГАНГ им И.М. Губина, 1995.

55. РД 08-200-98 Правила безопасности в нефтяной и газовойпромышленности; утв. постановлением Госгортехнадзора России № 24от 09.04.1998 г.

56. РД-51-2-97. Инструкция по внутритрубной инспекции трубопроводных систем. М. ИРЦ Газпром. 1997.

57. Самойлов Б.В., Березина И.В. Оптимальная планировка трассы. Межвузовский научно-технический сборник. Вып. 2. У НИ, Уфа. 1980.

58. Система магистральных газопроводов Заполярное Уренгой. Газопровод Заполярное - Уренгой, 3 нитка. Рабочий проект (книги 1 и 2). ДАО «ВНИПИгаздобыча». Саратов. 2002.

59. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов (под общей редакцией Черняева В.Д.). М. ОАО «Издательство «Недра», 1997.

60. СНиП 12-01-2004. Организация строительства, 2004

61. СНиП 12-03-99. Безопасность труда в строительстве. Часть 1. Общие требования. Госстрой России. 2001.

62. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы. ЦИТП Госстроя РФ, изд. 1997г.

63. СНиП 3.01.03-85. Геодезические работы в строительстве. Госстрой СССР. 1986.

64. СНиП 3.01.04-87 (с изменениями, введенными с 1 января 1988 г.). Приемка в эксплуатацию законченных строительством объектов. Основные положения. ЦИТП Госстроя СССР, 1987 г.

65. СНиП 3.02.01-87 Земляные сооружения. Основания и фундаменты. Госстрой СССР. 1987.

66. СНиП Ш-42-80* Магистральные трубопроводы ГУП ЦПП Госстроя РФ, 1997 г.

67. Сорокин В.И., Касаев Б.М. Пошел газ Заполярного. Производственно-технический журнал «Потенциал», № 6. 2001.

68. СП 104-34-96. Производство земляных работ. Утв. Минтопэнерго РФ. ВНИИСТ. 1997.

69. СП 106-34-96. Укладка газопровода из труб, изолированных в заводских условиях. Утв. Минтопэнерго РФ. ВНИИСТ. 1997.

70. СП 107-34-96. Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопровода на проектных отметках. Утв. Минтопэнерго РФ. ВНИИСТ. 1997.

71. СП 109-34-97 Свод правил по сооружению переходов под автомобильными и железными дорогами. РАО «Газпром». М. 1998.

72. Спиридонова Н.В. Воздействие нестабилизированных факторов на процесс укладки магистрального трубопровода и методы снижения их влияния. Реф. сб. Транспорт и хранение газа. М. ВНИИЭгазпром, № 5,1986.

73. Список использованной литературы

74. Стеклов О.И. Старение и коррозия нефтегазовых сооружений. «Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа» № 2.1997.

75. Строительство магистральных трубопроводов. Справочник под редакцией Березина B.JI. и Чирскова В.Г. М. «Недра». 1991.

76. Тимербаев Н.Ш. Исследование местной потери устойчивости магистральных нефтегазопроводов большого диаметра при осевом сжатии и изгибе. Уфа. 1975.

77. ТЭО «Обустройство Заполярного газонефтеконденсатного месторождения. Паспорт проекта. ДАО «ВНИПИгаздобыча». Саратов. 1996.

78. Уваров О.Ф. Применяемые в США методы расчета подземных металлических трубопроводов на внешние нагрузки. «Строительство трубопроводов», № 8,1965.

79. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№ 116-ФЗ от 21.06.1997 г.), М. 1997.

80. Федоров Е.И. О возможности применения теории нечетких множеств в задачах надежности строительных конструкций. Надежность конструкций магистральных трубопроводов. Сб. научн. тр. ВНИИСТ. М. 1983.

81. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М. «Наука». 1979.

82. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. J1. «Недра». 1990.

83. Хомиченко С.А. Газопровод Заполярное Уренгой - магистраль XXI века. Доклад.

84. Хомиченко С.А., Важенин Ю.И. Оптимизация параметров технологических схем укладки газопроводов бесподъемным способом. Изв. вузов «Нефть и газ», №2. Тюмень, 2007. С. 38-42.

85. Хомиченко СЛ., Юшков Ю.Ю. Рудавец И.М. Новые материалы и технология теплоизоляции на строительстве газопровода Заполярное -Уренгой. «Потенциал» № 3, 2001.

86. Хорионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. М. «Недра». 2000.

87. Чирсков В.Г., Иванцов О.М., Кривошеий Б.Л. Сооружение системы газопроводов Западная Сибирь Центр страны. М. «Недра». 1986.

88. Чирсков В.Г., Постников В.В. Организация строительства магистральных трубопроводов Западной Сибири. М. «Недра». 1986.

89. Шкель С.П., Урусов В.М. Комплексы для бестраншейной прокладки труб-кожухов большого диаметра. «Строительство трубопроводов» №4,1991.

90. Шумайлов А.С., Гумеров А.С., Молдованов О.И. Диагностика магистральных трубопроводов. М. «Недра». 1992.