Современные методы строительства ППМН

Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естественные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.

Обеспечение стабильного функционирования, надежности и безопасности магистральных нефтепроводов входит в ряд первоочередных задач при их строительстве и эксплуатации любой трубопроводной системы.

С точки зрения эксплуатационной надежности МН к участкам с повышенным риском эксплуатации можно отнести переходы через естественные и искусственные преграды.

Повышенный риск эксплуатации любого подводного перехода по сравнению с основной частью магистрального трубопровода определяется не сколько вероятностью возникновения аварийной ситуации, сколько большими экологическими проблемами и экономическими затратами на устранение ее
последствий.

Сроки ликвидации отказов на ППМН во много раз превышают аналогичные показатели на сухопутной части нефтепроводов, а их ремонт по сложности и затратам сопоставим со строительством нового.
В настоящее время в системе ОАО «АК "Транснефть" эксплуатируется свыше тысячи ППМН общей протяженностью около 2 тыс км (включая пойменные участки).

Более 400 переходов представляют собой двух- и трехниточные конструкции, более 1200 сооружены траншейным методом, в том числе переходы через такие крупные реки, как Волга - протяженностью от 2300 до 8200 м (8 ниток), Енисей - 800 м (3 нитки), Обь - от 735 до 1230 м (14 ниток), Кама - от 830 до 5090 м (10 ниток).
При выборе места пересечения трубопроводом водных и других преград учитываются многие факторы: направление и особенности трассы, а также характеристики преграды. Например, в случае пересечения МН водной преграды - это тип руслового процесса, ширина и глубина водоема, водный режим, состояние береговых склонов, геологическое строение русла, берегов, поймы и пр.
При проектировании ППМН через водные преграды разработчики опираются на данные гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом специфики эксплуатации в данном районе ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, которые могут оказать влияние на режим водной преграды в месте перехода, планируемых дноуглубительных работ, а также на требования по охране водных ресурсов.

ТРАНШЕЙНЫЙ МЕТОД

В мировой практике строительства ППМН наиболее широкое применение получили методы их прокладки, которые условно можно разделить на две группы: траншейные и бестраншейные.

Одним из самых распространенных методов строительства ППМН является траншейный метод (рис. 1). Он включает в себя подводную разработку траншеи специальной землеройной техникой (земснаряды, грунтососы, гидромониторы, скреперы и т. д.) и одновременно с этим подготовку дюкера (дюкер - часть магистральной трубы, проходящая через водную преграду, изолированная, обернутая футеровочной рейкой и утяжеленная пригрузами). Применяются три основных метода укладки трубопровода в подводные траншеи: протягивание по дну; погружение с поверхности воды трубопровода полной длины и укладка с плавучих средств и опор.
Каждый из перечисленных методов укладки имеет свои недостатки, основным из которых является большой объем подводно-технических и земляных работ, связанных с разработкой траншеи, однако при определенных условиях имеют ряд преимуществ. Чаще всего траншейный метод строительства подводных переходов применяется в случаях невозможности использования бестраншейных методов, характеризующихся рядом ограничений.

БЕСТРАНШЕЙНЫЕ МЕТОДЫ
В настоящее время широкое распространение получили бестраншейные методы строительства подводных переходов магистральных трубопроводов: наклонно направленное бурение, микротоннелирование, тоннелирование, вантовые и др.
При использовании бестраншейных технологий строительства подводных переходов отсутствуют недостатки традиционных методов, уменьшается неблагоприятное воздействие на окружающую среду, в том числе гидрологию водоемов, повышается надежность трубопровода.

Наклонно направленное бурение Строительство подводных переходов методом наклонно направленного бурения (ННБ), в зависимости от характеристик водных преград, технических характеристик используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров протаскиваемого трубопровода (длины криволинейного участка, диаметра и др.), осуществляется по различным технологическим схемам.

Общими для всех технологических схем являются основные этапы ННБ:
- бурение пилотной скважины;
- расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях;
- протягивание трубопровода в разрабатываемую скважину.

Данный метод позволяет обеспечить высокую надежность построенного объекта; сохранение природного ландшафта и экологического баланса в месте проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов; значительное уменьшение риска аварийных ситуаций и, как следствие, гарантию длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.
Применение ННБ имеет ряд ограничений: сложные инженерно-геологические условия, большая протяженность перехода и диаметр укладываемой трубы.
В России были построены единичные переходы протяженностью более 1000 м с диаметром труб не более 1020 мм. Основная масса построенных переходов диаметром труб 1020-1420 мм имеет протяженность не более 500-700 м. Другим ограничением метода ННБ являются сложные геологические условия: галечниковые грунты, грунты с включением валунов, карстовых полостей, скальные, илистые грунты. Эти факторы в совокупности с конструктивными параметрами буровых установок и технологии бурения определяют возможность или невозможность строительства того или иного объекта методом ННБ. Микротоннелирование Метод микротоннелирования (рис. 2) основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционного управляемого проходческого щита. Микротоннельный
щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.
Преимуществами микротоннелирования (так же как и метода ННБ) является отсутствие отрицательного воздействия на русловые процессы пересекаемой водной преграды; надежная защита руслового участка ППМН от размыва и высокая степень защиты трубопровода от механических повреждений, обеспечиваемая прокладкой трубопровода на глубине не менее 7 м от дна и значительно ниже линии предельного размыва русла реки; сохранение экологического баланса в месте проведения работ; отсутствие воздействия на режим судоходства и пр.
Однако микротоннелирование имеет следующие сложности при проходке:
- в трещиноватых доломитах есть большой риск заклинивания трубного става, в связи с относительно высокой прочностью породы и опасностью возникновения неравномерного горного давления;
- на границе перехода из прочных пород в зону карстового образования при малейшем отклонениищита от заданной траектории резко возрастают усилия продавливания всего трубного става (заклинивание), при превышении которых будет происходить разрушение секций трубного става;
- при преодолении карстовых участков возникает большая степень риска отклонения трубного става от проектной траектории прокладки микротоннеля, что повлечет за собой изменение проектного положения и расчетной схемы трубопровода;
- стандартная конструкция труб не предусматривает связи растяжения в стыках, поэтому заклинивание может привести к раскрытиюстыка и прорыва грунта вмикротоннель при проходке в слабых грунтах.
Тоннелирование

При сооружении ППМН тоннельным методом используют щитовую проходку защитного кожуха-обделки, состоящего из отдельных колец, которые, в свою очередь, собираются из блоков- сегментов (или тюбингов) под защитой проходческого щита. Для продвижения проходческого комплекса в конструкции щита предусматриваются щитовые домкраты, которые отталкиваются от каждого вновь собранного кольца обделки, тем самым разрабатывая грунт и освобождая место для монтажа следующего кольца обделки. При проходке тоннеля производится первичное и контрольное нагнетание, в результате которого заполняются возможные трещины и пустоты вокруг обделки тоннеля.
Преимущества тоннельного метода прокладки схожи с преимуществами метода микротоннелирования, но при сравнении этих двух методов оказывается, что у первого отсутствуют недостатки, присущие методу микротоннелирования. Тем не менее негативное воздействие на ППМН окружающего грунта, изменение инженерно-геологических условий, к примеру, образование или развитие карстовых полостей, может нарушить целостность сооружения и привести к серьезным экологическим последствиям. Во избежание возможных негативных последствий требуется разработка специальных мероприятий и технических решений, предотвращающих аварийные ситуации при строительстве и способствующих нормальной эксплуатации сооружения и сохранению окружающей среды.

ПОДВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ МН ВСТО
Целесообразность применения того или иного метода строительства ППМН определяется с учетом анализа всех возможных факторов, существенно влияющих нанадежность и безопасность трубопровода. Причем в рамках одного проекта строительства могут применяться практически все методыпрокладки ППМН. В этом плане показательным является реализация проекта нефтепровода ВСТО. Трубопровод пересекает около 530 водотоков, в том числе такие крупные реки, как Ангара, Лена, Алдан, Туолба, Чульман, Уда, Топорок, а также Усть-Илимское водохранилище и др.
Сооружение нефтепровода ведется в крайне сложных природно-климатических условиях, таких как заболачивание, наледи, карсты, криогенное пучение, оползневые участки, значительные температурные перепады (от -50 до +50 оС), в районах с повышенной сейсмичностью и наличием мерзлых грунтов.
Анализ характеристик естественных пересечений МН той или иной преграды, геологических условий и многих других факторов предопределил применение как траншейных, так и бестраншейных методов прокладки ППМН. Следует подчеркнуть,
что при проектировании объектов нефтегазотранспортных систем экологическая
составляющая в большинстве случаев является определяющим фактором при выборе
того или иного технического решения.
Технические решения по пересечению водных и других преград нефтепроводом ВСТО принимались применительно к каждому конкретному случаю.

ФОРСИРУЯ ЛЕНУ
Строительство ППМН ВСТО через р. Лену, а именно способ прокладки перехода, вызвало широкий общественный резонанс. После анализа всех возможных способов прокладки проектировщики выбрали траншейный способ строительства перехода через р. Лену как наиболее апробированный в разных грунтовых условиях и имеющий хорошо отлаженную
технологию строительства.
На подготовительном этапе проектирования ППМН проработали пять вариантов местоположения пересечения нефтепроводом р. Лены. В результате анализа вариантов был принят переход ниже г. Олекминска. Выбор створа перехода в данном месте реки обусловлен несколькими причинами, наиболее существенными из которых являются устойчивость русла, его прямолинейность и симметричная форма поперечного сечения, что свидетельствует об отсутствии условий для изменения положения русла и наилучшей
пропускной способности данного участка.
По результатам геологических изысканий установлено, что особенности геологических пород в пределах русла не позволяют осуществить строительство ППМН бестраншейными методами проходки.
В прибрежной и подрусловой части на глубине 10 м и более отмечено наличие карстовых проявлений, дресвяных и щебенистых грунтов. Проходка микротоннельного щита по сильнотрещиноватым породам создает избыточное давление, что ведет к чрезмерному нагружению и заклиниванию режущего инструмента. Эти же факторы являются ограничениями применения метода наклонно направленного бурения при строительстве данного перехода. Кроме того, отсутствует опыт строительства ППМН бестраншейными методами в данных природно-климатических условиях.
При траншейном методе прокладки трубопровод не попадает в зону карстового поражения, расположенную на глубине ниже 10 м, тем самым исключаются его просадка, оголение и провисы.
Для безопасности эксплуатации ППМН через р. Лену был разработан ряд технических решений:
- применение трубы из стали повышенной прочности с увеличенной толщиной стенки до 29 мм;
- диагностика сварных поперечных швов в объеме 200% радиографическим методом, 100-процентный контроль визуально-измерительным методом и 100-процентный ультразвуковой контроль.
Кроме того, был разработан специальный Регламент технической эксплуатации подводного перехода магистрального нефтепровода ВСТО через р. Лену, в котором определены требования по контролю за техническим состоянием ППМН при эксплуатации и природоохранные мероприятия, в том числе мониторинг состояния водного объекта, атмосферного воздуха и почвы, а также мероприятия, направленные на сохранение растительного сообщества и предотвращение развития возможных опасных экзогенных геологических процессов.

Из вышеизложенного следует, что принятый комплекс инженерно-технических мероприятий при траншейном способе прокладки подводного перехода через р. Лену гарантирует обеспечение экологической и промышленной безопасности эксплуатации нефтепровода в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации. Другие методы строительства подводного перехода в данных геологических условиях не
обеспечивают безопасного производства работ и эксплуатации перехода в дальнейшем.
Проект перехода получил положительное заключение экологической экспертизы, экспертизы промышленной безопасности, Ростехнадзора РФ, а также федеральных и
региональных органов власти.
Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность ППМН, что увеличит срок их безотказной работы.