К подобным реакциям «отторжения» относятся просадка или всплытие (выпучивание) сооружений, активизация мерзлотных, эрозионных, оползневых процессов и процессов обводнения-заболачивания на трассах магистральных и промысловых трубопроводов различного назначения. Это особенно характерно для легко ранимых и практически невосстанавливающихся ландшафтов севера Западной Сибири, где высокая чувствительность северной природы очень быстро переводит экологические проблемы строительства и эксплуатации в технологические и экономические.
Силовое взаимодействие подземных магистральных газопроводов с грунтами при их эксплуатации в условиях Крайнего Севера в силу морозного пучения и оттаивания может приводить к существенным немонотонным деформациям металла труб и в конечном счете — к аварийным ситуациям.
Эксперимент в Кане
Отправная точка исследований по программе «Ямал», проводимых Газпромом с 80-х гг., всегда заключалась в том, что охлаждение газа при транспортировке якобы полностью снимает все проблемы взаимодействия трубопровода с окружающим грунтом, то есть обеспечивает недеформируемость и высокую надежность трассы в эксплуатации. Однако анализ мирового и отечественного опыта показывает другое.
Первыми изучение взаимодействия холодного газопровода с грунтом начали французы и канадцы. Проект выполнялся в 80–90-х гг. во французском городе Кане интернациональным коллективом исследователей.
Прежде всего производилось изучение напряжений экспериментального трубопровода, находящегося в грунте. Проект включал в себя также изучение физики процессов промерзания — оттаивания и пучения грунтов различного состава, структурных преобразований в грунте и явлений, происходящих в системе «грунт — трубопровод».
В зале высотой 5 м была установлена емкость с грунтом длиной 18 м, шириной 8 м и высотой 1,75 м. В смежных комнатах размещалась аппаратура для записи режима и механическое оборудование (насосы и т. д.).
В емкость с грунтом двух типов помещался длинный стальной трубопровод длиной 16 м и диаметром 273 мм с независимой системой воздушного охлаждения. Емкость была тепло- и гидроизолирована. Эксперимент моделировал условия прокладки газопровода в неоднородных по литологическому составу грунтах, при этом один из грунтов являлся пучиноопасным, а второй нет. В таких условиях газопровод подвергается воздействию крайне неравномерных вертикальных деформаций, что нередко приводит к его разрыву. Моделировались условия холодного трубопровода, влияние которого накладывается на процесс естественного промерзания — оттаивания пород — температура воздуха, циркулирующего по трубе, задавалась и поддерживалась с точностью до ±0,2° С в диапазоне –2…–5,2° С в зависимости от условий эксперимента. Температура на поверхности грунта задавалась переменной во времени, положительной или отрицательной в зависимости от цикла «промерзание — оттаивание». Промерзание грунта происходило в условиях «открытой системы», вода подводилась по трубке к нижней границе установки, где находилась песчаная линза (для обеспечения равномерной подпитки по длине трубы).
Температурное поле фиксировалось с помощью термисторов и термопар, а гидравлический режим — пьезометрами (напоромерами).
Деформация трубы определялась с большой точностью и контролировалась четырьмя независимыми методами.
Вертикальные перемещения вследствие замерзания воды в порах и миграции влаги замерялись с помощью 217 металлических маркеров. Считывание результатов проводилось оптическим способом. Специальные датчики давления (тензиометры) были установлены на промерзших и оттаявших участках. Боковые смещения грунта фиксировались с помощью маленьких захороненных маркеров, показания которых снимались в конце эксперимента, путем раскопки грунта.
Было проведено четыре цикла «замораживание — оттаивание» с периодом времени от 276 дней до 700 дней. Датчики напряжений показали, что максимальное напряжение в результате деформации трубы в период замораживания достигает 115 МПа. Такое напряжение было зафиксировано в конце первого периода замораживания. Напряжения в трубе увеличивались от цикла к циклу «охлаждение — нагревание» из-за остаточных напряжений. В цикле оттаивания происходило существенное сокращение ореола грунта, замороженного вокруг трубы. Напряжение в трубопроводе резко падало, а профиль трубы спрямлялся с небольшими остаточными вертикальными перемещениями в обоих грунтах. Давления в грунте ниже расположения трубы также уменьшались в течение процесса оттаивания.
Детальные результаты исследования, связанные с обработкой и интерпретацией полученных даных, продолжают изучаться членами канадской и французской групп.
Испытания на Аляске
Специалистами Японии и США были проведены натурные эксперименты по изучению пучения холодного (до –5° С) трубопровода при переходе через талик.
Газопровод на Аляске проходит через северные и центральные регионы штата. Наиболее сложными являются участки перехода от талых пород к мерзлым, характеризующиеся различными показателями пучения. Часто на таких участках трубопровод испытывает неравномерные деформации, вызывающие напряжения в стенках трубопровода. Проблема неравномерного пучения выдвигает задачу определения максимальных деформаций. Какие максимальные деформации будут развиваться в процессе работы трубопровода? Будут ли они лежать в пределах допустимых значений? Эти вопросы являются основными при проектировании и выборе режима работы трубопровода, тем не менее они до сих пор остаются открытыми.
Трубопровод диаметром 900 мм и длиной 105 м был уложен в грунт в мерзлой и талой зоне, температура воздуха, подаваемого в трубу, составляла –5° С.
Сборка наблюдательной сети включала: установку 150 термисторов, 40 датчиков напряжений в 11 точках вдоль трубопровода, 28 стержней для регистрации вертикальных колебаний, приваренных к верхней образующей трубопровода, 5 датчиков вертикальных деформаций, установленных ниже трубопровода, и др.
Стержни для измерения вертикальных колебаний трубопровода и рейки для замеров уровня грунтовых вод контролировались вручную каждые две недели с помощью лазерного нивелира.
Температурные замеры записывались два раза в день тремя автоматизированными системами получения и накопления данных HP. Мониторинг начался в декабре 1999 г. За первые 200 дней трубопровод в талой зоне переместился вверх на 197 мм, скорость пучения трубы в различных сечениях талой зоны в этот период составила 0,210–0,231 мм в сутки. В следующие 500 дней скорость пучения составила 0,206–0,313, а в последующие 500 — упала до 0,081 мм в сутки. Суммарное перемещение трубопровода в таликовой зоне составило 0,4 м, напряжения перешли в пластику. Давление в трубопроводе не создавалось, поэтому сплющивание трубы происходило без разрыва. При таких величинах пучения на Ямальском трубопроводе диаметром 1420 мм и при давлении 120 атмосфер (в соответствии с нормами СниПа) неизбежно разрушение.
Исследования компании «ЭксонМобил»
Для обеспечения безопасности сооружения магистрального газопровода диаметром 762 мм, названного впоследствии «Трубопровод Маккензи», была применена высокопрочная сталь марки 550. Повышенные требования к стали были продиктованы высоким проектным давлением (18,7 МПа), низкими рабочими температурами (среднегодовая температура –7,5° C) и большой протяженностью трубопровода в многолетнемерзлых грунтах (1200 км) с возможной продольной деформацией до 2%.
Низкие рабочие температуры обусловлены зонами сплошного и прерывистого распространения многолетнемерзлых грунтов, что обычно приводит к морозному пучению на участках развития талых грунтов. Трубопровод Маккензи — первый трубопровод, испытывающий значительные нагрузки от пучения на участках в сотни километров.
Распределение напряжений от пучения в значительной степени зависит от условий вдоль трассы трубопровода. Вероятность сильного пучения грунта может быть определена на основании статистических данных по скважинным образцам, с использованием данных установленных при картировании.
Значительные деформации пучения возникают на коротких участках трассы (менее 10 м), сложенных талыми грунтами, поэтому для моделирования зоны промерзания применяется температурное трехмерное моделирование. Начальные и граничные температурные условия для коротких участков принимаются одинаковыми.
В отличие от предыдущих проектов рассматривалось большее количество кривых зависимости деформаций от напряжения, чтобы учесть весь возможный спектр параметров трубы. Каждое семейство кривых включало кривые продольного растяжения, продольного сжатия и кольцевого растяжения. Изменения параметров и геометрии трубы в каждом соединении могут приводить к концентрации напряжений.
Программное обеспечение, используемое для расчета деформационных напряжений трубы «Трубопровода Маккензи», имеет уникальное свойство моделировать морозное пучение. Программа использует результаты трехмерного температурного моделирования для пошагового анализа изменений, происходящих во времени.
Для разработки матрицы деформаций было выполнено более 25 000 расчетов конструкций. Независимые переменные поделены на группы более высокой и более низкой приоритетности. В матричную таблицу были включены все комбинации переменных высокой приоритетности и некоторые комбинации переменных низкой приоритетности. Деформационные нагрузки увеличиваются со временем, снижением температуры трубы, сокращением протяженности участка с непромерзлым грунтом, увеличением содержания мелкой пылеватой и глинистой составляющих грунта, снижением продольной прочности трубы и деформационного упрочнения.
Мониторинг трубопровода и ремонтно-восстановительные работы во время эксплуатации явились важными аспектами процесса проектирования и учитывались при анализе надежности трубопровода. Была предусмотрена возможность проводить мониторинг всего трубопровода для определения деформации, с использованием диагностических устройств, позволяющих измерять деформации, а на выбранных участках были установлены измерительные приборы для мониторинга изменений грунтовых условий, вызванных замерзанием.
Методика ФГУП «Фундаментпроект»
На сегодняшний день в России в существующих нормативных документах отсутствуют расчетные методики по определению сил пучения, действующих на «холодный» газопровод подземной прокладки при промерзании талых грунтов в его основании. Поэтому применяемые на практике мероприятия по обеспечению проектного положения газопроводов, разработанные на основе регламентированных в нормативной литературе расчетных методик, которые учитывают только воздействие на трубопроводы выталкивающих сил, обуславливающих их всплытие, малоэффективны. Известно много случаев, когда балластировка газо- и конденсатопроводов кольцевыми утяжелителями, рассчитанная в соответствии с нормативными источниками, была вытолкнута на поверхность за счет сил пучения, воздействующих на трубопровод.
Разработанная в ФГУП «Фундаментпроект» методика расчета позволила оценить величины нормальных сил пучения, действующих на трубу газопровода, или удерживающей силы, которую необходимо приложить к трубе для обеспечения ее устойчивости. Для реализации методики были выполнены теплотехнические расчеты, а также расчеты на действие сил морозного пучения на участках зоны прерывистой ММП.
Натурные исследования на Ямбурге
Силами фирмы «Экотех-Север» под руководством автора проводились исследования холодных трубопроводов. Это конденсатопровод Ямбург — Новый Уренгой и газопровод УКПГ-1в — ГКС на Ямбургском месторождении.
По технологии транспорта продукта на головной установке 1В Ямбургского месторождения производится охлаждение конденсата до –5° С. Таким образом, впервые в мировой практике эксплуатируется трубопровод, имеющий начальную отрицательную температуру перекачиваемого продукта и переходящий последовательно через зоны низкотемпературной (среднегодовая температура грунта –5° С), вялой (среднегодовая температура грунта около 0…–1° С) мерзлоты и талых грунтов. Грунты в основании трубопровода слабые, льдистые и высокопучинистые. Конденсатопровод пересекает четыре крупные реки и множество мелких водотоков бассейна р. Пур. Перекачиваемый продукт взрывопожароопасен и очень ядовит.
Работы по диагностике конденсатопровода начались в 1990 г.
В полевой сезон 1990 г. выполнены: анализ технической документации, проведение аэрофотосъемки (АФС) и аэровизуального обследования (АВО) трассы, наземные маршруты обследования с использованием автомобильной техники, выбор участков трассы для детальных наземных исследований, их обследование. На момент первичного обследования эксплуатация МК еще не началась, трубопровод находился под давлением.
АФС трассы конденсатопровода была выполнена в середине сентября 1990 г. с самолета АН-30. Съемка проводилась топографическим АФА с фокусным расстоянием 100 мм в масштабе 1:7000 на черно-белую пленку типа 42. Отдельные участки снимались камерой LМК с фокусным расстоянием 150 мм в масштабе 1:5000 на пленку СН-15. Одновременно группой специалистов с борта самолета осуществлялись АВ-наблюдения.
Анализ собранной технической документации, картографических и фондовых материалов, имеющихся материалов дистанционного зондирования, результатов АВ и наземных маршрутных обследований позволил выполнить выбор участков для установки тензодатчиков. Для их монтажа на трубе использовался аппарат точечной электросварки АСТ-2. В качестве первичных преобразователей были использованы самотермокомпенсированные привариваемые тензорезисторы (ЦНИИпроектстальконструкция). В местах установки тензорезисторов в выбранных сечениях МК снималась изоляция, место установки зачищалось до металлического блеска, поверхность обезвоживалась и обезжиривалась.
Поскольку трубопровод находится в сложном напряженном состоянии, и измерение носило режимно-диагностический характер, во всех контролируемых точках по сечению устанавливались трехкомпонентные розетки. По окончании монтажа всех тензорезисторов в сечении проверялось сопротивление изоляции, затем все датчики сечения с помощью кабеля связи с одним контактным разъемом подключались к измерительному прибору, показания заносились в журнал. Тензорозетки герметизировались с помощью герметика ВГО-1 (ВИАМ). В качестве вторичных измерительных приборов использовались ЦТИ и СИИТ.
На обследованных участках были созданы локальные геодезические сети, зафиксировано пространственное положение МК.
В начальный период в 1990–1991 гг. конденсатопровод эксплуатировался с начальной положительной температурой перекачиваемого продукта. И только в конце 1991 – начале 1992 гг. температуру стали понижать на установке 1В и довели до –5° С. Измеренные по тензодатчикам напряжения показали «скачок» именно в этот период. Полученные данные позволили сделать следующие выводы:
1. Конденсатопровод Ямбург
— Новый Уренгой, несмотря на непродолжительный срок эксплуатации, на всех выбранных для контроля участках имел значительные упругопластические деформации. Учитывая, что большую часть года трубопровод находится в мерзлом грунте, сделан вывод, что в конденсатопроводе развиваются усилия, близкие к критическим. По полученным результатам тензонаблюдений был сделан вывод о необходимости пересмотра температурного режима эксплуатации трубопровода.
2. На участке № 1 (км 44) в сечении № 2 перед углом поворота трубопровода развились деформации сжатия, доходящие до пластики.
3. На участке № 2 (разъезд Песчаный) в сечении № 1 произошли необратимые пластические деформации, участок нуждается в постоянном контроле.
4. На участке № 3 (км 216) имело место упругопластическое напряжение.
5. При выборе участков наблюдений сознательно искали места, где напряжения заведомо должны быть большими (углы поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях, переходы геоморфологических уровней и т. д.), однако экспериментально полученные величины деформаций и напряжений превзошли все ожидания. За этими опасными участками необходим контроль. Впервые за практику контроля НДС газопроводов были зафиксированы такие значительные деформации и напряжения. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что распространенное мнение о нормальных условиях эксплуатации холодного трубопровода в мерзлом грунте неверно. Зафиксированные «скачки» напряжения можно объяснить изменением температурного режима эксплуатации и начавшимся процессом морозного пучения.
Автор: Н. Н. Хренов
