автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Защита размываемых участков трубопроводов на подводных переходах через малые водные преграды с помощью гибких конструкций на основе геосинтетиков

'а . л

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПЕРЕЖОГИН ЮРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

Защита размываемых участков трубопроводов на подводных переходах через малые водные преграды с помощью гибких конструкций на основе

геосинтетиков

УДК 622.691.4 (204.1)

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Спектор Ю.И.

Уфа 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ РАЗМЫВА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ................................................. 18

1.1. Причины отказов подводных трубопроводов.................................... 18

1.2. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации подводных переходов через малые водные преграды......................................... 24

1.3. Примеры эксплуатации подводных переходов................................... 27

1.3.1. Подводный переход нефтепровода через р. Мал. Сыня........................ 27

1.3.2. Подводный переход нефтепровода через р. Айюва............................. 28

1.3.3. Подводный переход газопровода через р. Меча................................. 29

1.3.4. Подводный переход трубопровода через р. Керженец.......................... 30

1.4. Особенности русловых деформаций малых рек................................. 31

1.5. Способы защиты трубопроводов на размываемых участках русел и подмываемых берегах................................................................. 35

1.6. Основные задачи исследований..................................................... 44

1.7. Выводы по разделу 1................................................................... 45

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И МОДЕЛЕЙ ЗАЩИТНЫХ КРЕПЛЕНИЙ.................. 46

2.1. Исследования прочности и деформаций геотекстиля и его соединений в конструкциях креплений............................................................... 46

2.1.1. Задачи исследований................ ................................................... 46

2.1.2. Методы испытаний.................................................................... 47

2.1.3. Испытания при кратковременном нагружении................................... 49

2.1.4. Длительные испытания................................................................ 57

2.1.5. Влияние температуры, стойкость к химическим средам........................ 59

2.2. Исследования деформативных характеристик оболочек из НСМ, заполненных закрепленным грунтом.............................................. 61

2.3. Выводы по разделу 2.................................................................. 67

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ РАЗМЫВА............................ 69

3.1. Исследования местного размыва и стабилизации дна в створе

подводного трубопровода............................................................ 69

3.1.1. Анализ существующих результатов исследований............................. 69

3.1.2. Описание экспериментальной установки........................................ 72

3.1.3. Методика моделирования............................................................ 75

4 3.1.4. Первая серия опытов.................................................................. 78

3.1.5. Вторая серия опытов............................ ....................................... 87

3.1.6. Третья серия опытов............................ ....................................... 91

3.2. Оценка деформаций гибких креплений на береговых склонах подводных переходов трубопроводов и определение параметров защитного крепления.................................................................. 100

3.3. Выводы по разделу 3................................................................... 112

4. РАЗРАБОТКА И ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА ГИБКИХ ЗАЩИТНЫХ

ПОКРЫТИЙ............................................................................. 114

4.1. Разработка новой конструкции противоэрозионного экрана из геотекстиля.............................................................................. 115

4.2. Исследования эффективности гибких покрытий на основе отходов авторезины в натурных условиях.................................................... 117

4.3. Разработка конструкций гибких железобетонных покрытий и исследование работоспособности их элементов в лабораторных и натурных условиях.................................................................... 126

4.3.1. Требования к конструкции........................................................... 126

4.3.2. Исследования изоляции стыков между элементами плит..................... 128

4.3.3. Предлагаемые конструктивные решения.......................................... 131

4.3.4. Результаты испытаний натурных образцов....................................... 132

4.4. Разработка конструкции, методики расчета и технологии заполнения защитных матов из геотекстиля..................................................... 144

4.5. Выводы по разделу 4................................................................... 154

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................ 156

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................. 146

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Магистральные газонефтепроводы на своем протяжении пересекают множество водных преград с различными гидрологическими характеристиками и типами русловых процессов. К особенностям переходов через малые водные преграды можно отнести: отсутствие резервных ниток, упрощенные изыскания и проектирование, строительство преимущественно линейными подразделениями без привлечения подводно-технических средств, упрощенные условия обследования в процессе эксплуатации. Вместе с тем количество таких переходов составляет подавляющее большинство общего количества подводных трубопроводов и в значительной мере определяет надежность магистралей.

Проблемам строительства и ремонта подводных трубопроводов, исследованиям местных размывов и стабилизации дна и берегов водоемов в створах переходов посвящены работы отечественных ученых: B.JI. Березина, П.П. Бородавкина, О.Б. Шадрина, С.И. Левина, Д.В. Штеренлихта, Л.А. Бабина, Э.Р. Гольдина, К.А. Забелы, В.И. Зоненко, М.А. Камышева, Б.И. Кима, Н.М. Колосовой, Б.М. Кукушкина, А.Г. Ратнера, И.С. Румянцева, Б.В. Самойлова, Ю.И. Спектора, С.Н. Стрижкова и др., а также зарубежных: П.У. Берман, Е.У. Бийкер, И. Чиеу, И. Мао и др.

Величина заглубления подводных переходов в грунт согласно требованиям действующих нормативных документов назначается исходя из положения линии максимального размыва русла, рассчитанного на срок службы трубопровода. Однако, в следствие неучета при проектировании ряда установленных последними исследованиями факторов, влияющих на динамику размыва, но не отраженных в нормативных документах, а также из-за несовершенства технологии строительства переходов, оголения и провисания значительного числа подводных трубопроводов обнаруживаются задолго до истечения срока их службы, что создает угрозу аварий с серьезными техническими, экономическими и экологическими последствиями.

Существующие методы устранения и предупреждения размывов подводных

трубопроводов: засыпка оголенных участков, подсадка, переукладка - требуют значительных материальных и трудовых затрат, но зачастую не решают проблемы, т.к. проводятся без достаточного анализа руслового процесса, характера деформаций дна и берегов водных преград. Вместе с тем, в гидротехническом и транспортном строительстве, а так же при балластировке трубопроводов накоплен значительный опыт применения геосинтетических материалов.

Цель работы - повышение эффективности строительства и ремонта газонефтепроводов путем разработки нового метода защиты от размыва участков подводных переходов трубопроводов через малые водные преграды с использованием гибких креплений на основе геосинтетических материалов.

Основные задачи исследований:

1. Анализ состояния, причин отказов и способов защиты от размыва подводных

переходов трубопроводов через малые водные преграды, определение основных направлений совершенствования способов оголенных участков и конструкций защитных креплений.

2. Экспериментальные исследования прочностных и деформативных характеристик

геотекстильных материалов и их соединений, выдача рекомендаций по изготовлению гибких покрытий для защиты от размыва русел и берегов малых водных преград в створах подводных трубопроводов.

3. Экспериментальные и теоретические исследования процессов местного размыва

дна вокруг трубопровода, характера работы и деформаций гибких креплений на береговых склонах, определение закономерностей процессов оголения трубопроводов и разрушения креплений, зависимостей для расчета геометрических параметров воронки размыва и проектных параметров зоны крепления гибкими защитными покрытиями.

4. Разработка новых конструкций гибких защитных покрытий для строительства и

ремонта подводных трубопроводов, их опытная и опытно-промышленная проверка в условиях полигона и в трассовых условиях.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Разработана методика прогнозирования параметров воронки размыва вокруг трубопровода и переформирования берегов на переходах через малые водные преграды.

2. Разработана методика определения геометрических параметров гибких покрытий на основе геосинтетиков, обеспечивающих защиту от размыва подводных трубопроводов на переходах через малые водные преграды.

3. Экспериментально установлены: прочностные и деформационные характеристики геотекстиля и его соединений при кратковременных и длительных испытаниях; геометрические размеры воронки размыва и защитного крепления незаглубленного и полузаглубленного трубопровода в зависимости от диаметра труб, глубины и скорости потока, неразмывающей скорости.

4. Разработаны конструктивные схемы стабилизации дна в зоне размыва и конструкции гибких покрытий для защиты от размыва и ремонта оголенных участков подводных трубопроводов на переходах через малые водные преграды.

На защиту выносятся теоретические обобщения и практические рекомендации по прогнозированию местного размыва дна в зоне оголенного подводного трубопровода, разработке конструкций и методики расчета гибких защитных покрытий, конструктивных схем стабилизации трубопроводов при ремонте размытых участков русла и берегов на переходах через малые водные преграды.

Практическая иенность и реализация результатов работы.

Научные результаты, полученные в работе, нашли применение при ремонте и реконструкции газопроводов Уренгой-Петровск, Уренгой-Новопсков, Магнитогорск-Ишимбай на переходах через малые реки Kara, Дымка, Уложа. Использование для защиты трубопроводов от размыва геосинтетических материалов взамен камня, щебня, гравия, железобетона, а также замена подсадки или переукладки

трубопровода на отсыпку местными грунтами позволили получить экономический эффект в размере 451193 рубля.

Рекомендации по защите от размыва участков подводных трубопроводов через малые водные преграды вошли в руководящий документ "Руководство по ремонту размываемых участков газопроводов на переходах через малые водные преграды с использованием гибких защитных креплений".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

международной конференции "Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы" (Казахстан, г. Акмола, 1997 г.);

научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Украина, г. Одесса, 1997 г.);

научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 1997 г.);

научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 1998 г.);

международной конференции "Проблемы строительного комплекса России" (г. Уфа, 1998 г.);

международной конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г. Уфа, 1998 г.);

международной конференции "Риск в геотехнике" (Хорватия, г. Пореч, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы, включающего 115 наименований. Она содержит 182 страницы машинописного текста, включая 41 рисунок, 28 таблиц.

Введение содержит обоснование актуальности, цель и основные задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, характеристики научной

новизны, практической ценности и апробации научных результатов.

Первый раздел диссертации посвящен анализу состояния и способов защиты от размыва подводных трубопроводов.

Разветвленная сеть магистральных трубопроводов на территории России, пересекающих многочисленные водные преграды, обуславливает значительное число подводных переходов. К началу 1997 г. в РАО "Газпром" находилось в эксплуатации 1173 подводных перехода, насчитывающих 1982 нитки. Две трети указанного количества составляют переходы через водные преграды шириной до 75 м. Примерно такое же количество малых переходов эксплуатируются в АК "Транснефть" и АК "Транснефтепродукт". Опыт эксплуатации подводных трубопроводов свидетельствует о том, что отказы в большинстве случаев являются следствием нескольких причин, причем размывы дна в руслах рек зачастую служат первопричиной последующих механических повреждений изоляции и стенок труб, а также активизацией дефектов на оголенных участках.

По данным С.И. Левина около 60% аварий происходит на русловых участках переходов, а более половины из них приходится на размытые участки русел. Согласно материалам обследований подводных трубопроводов в РАО "Газпром" значительное их количество эксплуатируется с отступлениями от СНиП и проектных решений, а свыше 220 переходов (350 ниток) требуют неотложного ремонта из-за значительных оголений, провисаний, размывов урезов.

В практике проектирования и строительства магистральных трубопроводов в России к числу переходов через малые водные преграды (малых переходов) относят однониточные переходы. В соответствии с рекомендациями ВНИИСТа к малым относят переходы трубопроводов через реки с шириной русла до 30 м и глубиной в межень до 1,5 м. Количество таких переходов, строительство которых ведется с привлечением подводно-технических средств, не превышает 15-20% от общего их числа. Можно отметить общие характерные особенности, присущие малым переходам:

отсутствие, как правило, резервных ниток;

упрощенные изыскания и проектирование;

строительство преимущественно линейными строительными подразделениями с применением сухопутной землеройной техники;

меньшая периодичность и облегченные условия обследований в процессе эксплуатации.

Вместе с тем недооценка реальных условий работы подводных трубопроводов приводит к многочисленным случаям их оголений и провисаний в руслах малых рек. В работе приведен ряд примеров эксплуатации малых подводных переходов, которые являются типичными и свидетельствуют о необходимости более углубленного рассмотрения как особенностей русловых деформаций малых рек, так и условий местного размыва дна в зоне частично или полностью оголенного трубопровода.

Большинство малых водных преград относятся к рекам меандрирующего типа, на которых преобладают плавные деформации, обусловленные преимущественно размывом пойменных берегов. Механизм плановых деформаций русел и определяющие его факты освещены в многочисленных работах Российского, Попова, Чалова, Петрова, Эберхардса, Снищенко, Гендельмана, Ляпина, Камаловой и др. Анализ характера разрушения берегов малых рек позволил выявить некоторые количественные и качественные закономерности, которые необходимо учитывать в процессе эксплуатации переходов.

При ремонте оголенных участков подводных трубопроводов получили распространение следующие способы:

дополнительное заглубление трубопровода методом подсадки; укладка мешков с цементно-песчаной смесью; засыпка трубопровода песчано-гравийными грунтами и камнем; местное укрепление берегов. Применительно к малым переходам метод подсадки в большинстве случаев неприменим, т. к. он требует отключения ремонтируемой нитки от магистрали. Другие мероприятия оказываются зачастую малоэффективными и обеспечивают

лишь временную защиту трубопровода, одновременно инициируя размыв дна и береговых склонов на пограничных с закрепленными участках дна.

Наиболее приспособленными к деформации дна являются гибкие крепления, сохраняющие постоянный контакт с подстилающим основанием и локализующие местные размывы. Анализ современного состояния проблемы защиты трубопроводов от размыва с применением гибких креплений выявил текущую тенденцию использования геосинтетических материалов в качестве основы при разработке конструктивных решений.

Исследования геосинтетических материалов для гидротехнического и трубопроводного строительства выполнялись в институтах ВНИИСТ, ЦНИИС, Гипроречтранс, ТюмИСИ такими учеными, как К.И. Зайцев, В.В. Спиридонов, A.C. Гехман, И.Д. Красулин, А.Г. Ратнер, В.П. Черний и др. Хорошо изучены фильтрационные и прочностные характеристики геотекстильных материалов. Однако свойства, характеризующие работоспособность таких материалов в гибких конструкциях применительно к условиям эксплуатации подводных трубопроводов, изучены достаточно.

Во втором разделе представлены результаты экспериментальных исследований геосинтетических материалов и моделе