Характеристика умов прокладання

Вступ

 

Процес організації спорудження  магістральних трубопроводів на болотах за багатьма факторами є  складнішим ніж у нормальних умовах, так наприклад постає потреба  у багатьох видах нових робіт (спорудження спеціальних під’їзних  доріг, буро вибухові роботи, укладка  різними методами, використання баластування, як одиночними, груповими привантажувачами, так і анкерним пристроями), а  також впровадженням нової техніки, уповільненням процесу спорудження, та важко доступністю до дефектних  ділянок трубопроводу, що споруджується.

Спорудження магістральних  трубопроводів є досить складним технологічним процесом, який залежить від багатьох факторів, одним з  яких є рельєф місцевості, геологічні та метаморфічні умови. При проходженні  траси трубопроводів по районах  місцевості зі слабо несучими ґрунтами складність спорудження їх досить ускладнюється  як з боку організаційних питань так  і з боку технології виконання  того чи іншого виду робіт.

Є досить багато методів  прокладання трубопроводів на ґрунтах  з малою несучою здатністю, до них і належить метод протягування трубопроводу по ґрунтовій доріжці. Даний метод є часто застосовуваним особливо при спорудженні трубопроводів  малих діаметрів, він виключає використання додаткових засобів для протягування трубопроводів, а саме – візків, колій і. т.д.

Та при спорудженні  трубопроводів великих діаметрів  і при великій довжині перешкоди (болота) для протягування трубопроводу влаштовують спеціальні колійні  доріжки або здійснюють протягування з використанням візків.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Характеристика  умов прокладання

 

Даний нафтопровід відноситься  до ІІ категорії, проходить по заболоченій  та заводненій місцевості, а саме по болотах другого та третього типу.

Болота другого та третього типу характеризуються наступними особливостями:

1. допускають роботу тільки  спеціальних плавучих машин і  механізмів або звичайних машин  на понтонах;

2. болота, цілком заповнені торфом, які  допускають роботу і проїзд  машин з питомим тиском до 0,1 кгс/см² при ширині болота більше  1 км.

При спорудженні  магістральних трубопроводів на болотах ІІІ типу виникає необхідність у використанні методу протягування або сплаву при укладанні, а також  потреба у привантажуванні трубопроводів  від спливання

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розрахункова частина

 

2.1 Розрахунок стійкості трубопроводу  проти всплиття

Стійке положення (проти всплиття) трубопроводу необхідно перевіряти для окремих дільниць (в залежності від умов будівництва) згідно вимог  СНиП 2.05.06.85 на виконання умови:

                                                                         (2.1)

де Q_акт – сумарне розрахункове навантаження на трубопровід, яке діє вверх, включаючи пружний відпір при прокладанні трубопроводу методом вільного згину, (Н); Q_пас - сумарне розрахункове навантаження на трубопровід, яке діє вниз, включаючи власну вагу трубопроводу, (Н); К_н.в - коефіцієнт надійного стійкого положення трубопроводу проти всплиття, приймається згідно таблиці 2.1

 

Таблиця 2.1 – Значення коефіцієнта  стійкості проти всплиття           трубопроводу

 

Тип дільниць переходу	Значення  коефіцієнту Кн.в
За межами ведення підводно-технологічних  робіт	1,05
Через річки шириною  до 200м по середньому рівню, включаючи  приберегові  ділянки в межах  ведення підводно-технологічних  робіт	1,10
Через ріки та водосховища  шириною більше 200м, а також  гірські річки	1,15

 

В окремому випадку при  укладанні трубопроводу методом  вільного згину при рівномірному баластуванні по довжині величина нормативного баластування – вага у воді визначається із умови:

                          

                    (2.2)

де  - нормативна вага балансу у воді, Н/м; п_б – коефіцієнт надійності з навантаженню; 0,9 – для залізобетонних привантажувачів, 1,0 – для чавунних привантажувачів; q_в – розрахункова виштовхуюча сила води, що діє на трубопровід, рівна

                                                                            (2.3)

q_згин – розрахункове навантаження від пружного відпору при вільному згині трубопроводу, що відповідає рельєфу дна траншеї, визначається відповідно за формулами для:

- випуклих дільниць

                                                                         (2.4)

- вгнутих дільниць

                                                                         (2.5)

q_тп – розрахункова вага одного погонного метра трубопроводу на повітрі з врахуванням ізоляційного покриття при коефіцієнті надійності по вазі рівному 0,95; q_доп - розрахункова вага продукту, що транспортується по трубопроводу. При визначенні необхідного баласту для газопроводів не враховується, а для нафто- та нафтопродуктопроводів вага продукту враховується, але якщо при експлуатації трубопроводів можливе їх використання із заміною продукту на повітря. В даному випадку необхідно передбачити додаткове балансування з коефіцієнтом: K_н.в=1,03; Е — модуль пружності матеріалу труби Е =2,06-10⁵ МПа; І - момент інерції труби, рівний:

                                                                     (2.6)

 β - кут повороту осі трубопроводу в вертикальній площині на випуклих і вгнутих ділянках рельєфу (приймається в радіанах); ρ - радіус кривизни рельєфу дна траншеї, котрий повинен бути більший або рівний мінімальному радіусу пружного згину осі трубопроводу.

При балансуванні одиночним привантажувачами основними параметрами є відстань між ними (точніше між їхніми центрами) і необхідна кількість для  баластування даної дільниці трубопроводу.

Відстань між привантажувачами обчислюється за формулою:

                                                                          (2.7)

де Q_в, ν_в – середня маса та об’єм одного привантажувача, які в залежності від типу беруться згідно таблиць 2.5, 2.6, 2.7, 2.8; - нормативна вага баласту на повітрі, рівна:

                                                                     (2.8)

 γ_δ - нормативна об'ємна вага матеріалу баласту з бетону γ_δ = (2,3-2,5)-10⁴ Н/м³; γ_в - питома вага води з врахуванням розчинених в ній солей, приймається рівним γ_в = (1,1-1,15)-10⁴Н/м³;

Необхідно відмітити, що вагу конструкцій привантажувача можна  визначити через об’єм витісненої води даною конструкцією згідно формул для:

- залізобетонних сідлоподібних  (рисунок 2.2):

                                                                       (2.9)

Таблиця 2.2 –  Характеристика залізобетонних сідлоподібних  привантажувачів

Dз , мм	Вага вантажу, кг	Розміри, мм
		a	b	c	d	Rr	Δ	h
325 426 529 720 820 1020 1220 1420	300 500 1500 3000 3000 3000 4000 4000	840 1080 1320 1540 1640 1840 2000 2100	590 760 900 1120 1210 1430 1600 1750	400 400 800 1200 1100 900 1050 1000	200 260 330 340 340 340 320 250	220 280 330 430 480 580 580 800	40 40 40 40 40 40 50 90	170 220 240 340 390 500 500 620

 

 

 

1 – привантажувач; 2 – трубопровід; 3 – захисна прокладка.

                 Рисунок 2.1 – Залізобетонний сідлоподібний привантажувач.

         

  - залізобетонних охоплюючих привантажувачів типу УБО:

                                                                 (2.10)

 

Таблиця 2.3 –  Характеристика привантажувачів типу УБО

 

Марка вантажу	Dз , мм	Габаритні розміри    блоку,мм			Загальний об’єм вантажу, м3	Загальна маса вантажу, т
		b	c	a
УБО-1 УБО-2 УБО-3 УБО-3 УБО-3 УБО-4	1420 1220 1020 820 720 530	1600 1400 1100 1100 1100 750	1200 1350 1300 1500 1500 1500	600 600 550 550 550 400	1,872 1,843 1,455 1,455 1,455 0,750	4,305 4,238 3,346 3,346 3,346 1,725

 

 

1 – блок залізобетонний; 2 – трубопровід; 3 – стальний  з’єднувальний пояс; 4 – монтажна  петля; 5 – скоба

                Рисунок 2.2 – Привантажувач бетонний охоплюючий УБО

   

 - чавунних кільцевих привантажувачів:

                                                                         (2.11)

 

Таблиця 2.4 – Чавунні  кільцеві привантажувачі для баластування       трубопроводів

 

Dз , мм	Вага вантажукг	Розміри, мм
		R1	R2	R3	A	M	d	l
325 377 426 478 529 630 720 830 1020	250 300 350 400 450 50 1100 1100 1100	275 305 330 355 385 435 480 530 635	210 245 26 294 320 373 415 465 570	150 175 200 230 255 280 310 360 405	260 285 310 335 360 410 455 505 610	400 450 500 500 500 500 960 870 725	20 20 20 20 20 20 24 24 24	120 130 130 140 170 170 180 180 180

 

                    Рисунок 2.3 – Чавунний кільцевий привантажувач

      А для залізобетонних кільцевих привантажувачів значення Q_в, ν_в беруться з таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 – Залізобетонні кільцеві важкі вантажітипу УТК

Dз , м	Марка вантажу	Маса ван-тажу на пові-трі, кг	Об’єм ван-тажу, м3	Тов-щина ван-тажу, м	Шири-на ван-тажу, м	Зовн. діа-метр ван-тажу, м
0,53   0,72   0,82   1,02   1,22   1,42	УТК 530-12-1 УТК 530-12-2 УТК 720-18-1 УТК 720-18-2 УТК 820-18-1 УТК 820-18-2 УТК 1020-24-1 УТК 1020-24-2 УТК 1220-24-1 УТК 1220-24-2 УТК 1420-24-1 УТК 1420-24-2	450 658 1100 2000 1564 2300 3174 4048 4508 5658 5700 8240	0,178    0,28    0,46    0,68    0,88    1,00    1,38    1,76    1,96    2,46    2,48    3,58	0,07 0,105 0,120 0,165 0,165 0,165 0,200 0,195 0,240 0,210 0,285            0,665	1,2 1,2 1,8 1,8 1,8 1,8 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4              2,4	0,7 0,81 0,96 1,12 1,12 1,22 1,43 1,50 1,78 1,79 1,93             2,08

 

 

   Число привантажувачів, необхідне для баластування дільниці трубопроводу довжиною L, визначається за формулою:

                                                   (2.12)

Отримане значення заокруглюється в більшу сторону до  цілого числа.

2.2 Розрахунок тягового зусилля  при протягуванні трубопроводу  по ґрунтовій доріжці.

Використання ґрунтової  спланованої (повздовжній нахил  повинен бути не більше 0,02) спускової  доріжки доцільне тільки для коротких секцій трубопроводу з дотриманням  необхідних заходів для запобігання  пошкоджень ізоляційних покрить  у процесі протягування.

Основним параметром укладання  трубопроводу в проектне положення  по дну траншеї з допомогою  раніше укладеного тросу є зусилля  протягування Т_пр, яке залежить від способу баластування і етапу протягування.

Перший етап — зрушення трубопроводу з місця по ґрунтовій доріжці.

У випадку суцільного оббетонування зусилля протягування рівне:

                  Т_пр=ƒ·G+C                                                  (2.13)

де ƒ – коефіцієнт тертя трубопроводу по ґрунту при повздовжніх переміщеннях, котрий в першому наближенні можна прийняти рівним тангенсу кута внутрішнього кута ґрунту φ_гр

              ƒ=tgφ_гр                                                                                       (2.14)

G – загальна вага трубопроводу на повітрі, який протягується, знаходиться за формулою

                                                         (3.15)

q_mn – розраховане навантаження від власної ваги трубопроводу; – розраховане значення величини необхідного баласту на повітрі (формула 2.38); L — довжина трубопроводу, що протягується;

              C=c_гр·i_mp·L,                                                 (3.16)

і_тр – довжина частини кола труби, яка врізається в ґрунт, орієнтовно приймається рівною:

                 і_тр=0,3 ,                                                (3.17)

- зовнішній діаметр трубопроводу  з врахуванням товщини бетонного  шару.

При баластуванні трубопроводу одиночними привантажувачами значення тягового зусилля визначається як:

                  T_пр=ƒ·G₀+C+E_пас ,                                         (3.18)

де G₀ – загальна вага спорядженого і за футерованого трубопроводу, яка дорівнює:

              G₀=(q_mn+ +q_ф)·L                                        (3.19)

q_ф – розраховане навантаження на трубопровід від ваги футіровки, що визначається за формулою:

                                                         (3.20)

 п_ее – коефіцієнт надійності за власною вагою, рівний 0,95 (на стійке положення); γ_ф=7600 Н/м³ – питома вага дерев'яної футіровки; D_з, D_ф – зовнішні діаметри відповідно заізольованого та зафутерованого трубопроводу; Е_пас – пасивний опір ґрунту, що перешкоджає протягуванню трубопроводу, рівний:

                       

                (3.21)

N – кількість привантажувачів встановлених на трубопроводі; γ_гр – питома вага ґрунту на повітрі; t – товщина привантажувачів; i – довжина хорди тієї частини привантажувачів, котра заглиблюється в ґрунт (див. рисунок 3.1), яка дорівнює:

                                                          (3.22)

Другий етап – ковзання трубопроводу по спусковій доріжці. На даному етапі величина тягового зусилля не залежить від способу баластування і розраховується за формулою:

 

        Т_пр=ƒ·G                                                             (3.23)

 

 

1 – поверхня трубопроводи (з ізоляцією та футіровкою); 2 – поверхня кільцевого привантажувача; 3 – частина             привантажувача, яка врізалася в ґрунт.

Рисунок 3.1- Схема врізання трубопроводу в ґрунт.

 

Третій етап – ковзання трубопроводу по дну траншеї. Незалежно від способу баластування величина тягового зусилля визначається як:

             Т_пр=ƒ_B·G_B                                                                                (3.24)

де ƒ_B – коефіцієнт тертя трубопроводу по ґрунті у воді, орієнтовно приймається рівним:

                ƒ_B =0,8ƒ,                                                 (3.25)

G_B – загальна вага трубопроводу, що протягується у воді, рівна:

                                                       (3.26)

 – нормативна вага баластування  у воді (формула 2.32), Н/м; q_в – розрахована виштовхуюча сила води, що діє на трубопровід, Н/м.

Четвертий етап – зрушення трубопроводу з місця тимчасової (більше однієї години) зупинки процесу протягування.

При суцільному оббетонуванні  трубопроводу величина тягового зусилля  визначається за формулою:

                Т_пр=ƒ·G_B+q_пр·F,                                              (3.27)

де q_пр – інтенсивність присмоктування трубопроводу до дна траншеї, яка залежить від виду ґрунту (для суглинків та щільних глин q_пр=0,3 кН/м² , а для в'язких глин q_пр=0,6 кН/м²); F – площа поверхні контакту трубопроводу з ґрунтом, рівна:

                F = і·l_про ,                                               (3.28)

l_про – довжина ділянки, на яку протягнули трубопровід.

При баластуванні одиночними вантажами величина тягового зусилля  визначається за формулою:

             T_пр=ƒ_в·G_в+E_{пас в}+q_пр·F,                                     (3.29)

де Е_{пас в} – пасивний опір ґрунту, що перешкоджає рухові трубопроводу в воді, рівний:

                                      (3.30)

 

γ_в - питома вага води з розчиненими в ній солями (1,05–1,15 кН/м³); с_{гр е} – коефіцієнт зчеплення ґрунту у воді (для гладкого трубопроводу с_грв=0,05с_гр, для зафутерованого трубопроводу с_гр<0,1с_гр.

 

 

 

3 Організація та технологія  спорудження трубопроводу на  грунтах з низькою несучою  здатністю по ґрунтовій доріжці

 

3.1 Загальні положення

Для доставки газу, нафти та нафтопродуктів, останнім часом і вуглеводнів, на великі відстані служить в основному трубопровідний транспорт. З розвитком трубопровідного  транспорту збільшилась протяжність  магістралей, зросли діаметри труб. Довжина  окремих магістралей вимірюється  тисячами кілометрів. Вартість сталевих труб складає значну частину загальних  витрат на спорудження трубопроводів. Зниження цієї вартості йде, в основному, за рахунок скорочення витрат металу, шляхом підвищення показників міцності металу і покращення якості труб. Вагому знижку витрат можна досягти раціональним проектуванням магістральних трубопроводів, зокрема, за рахунок застосування оптимальних  конструктивних схем надземних переходів  через природні і штучні перешкоди. Аналіз досвіду будівництва повітряних переходів трубопроводів через  гірські потоки і ріки Карпат, через  балки і дороги показав, що надземна прокладка трубопроводів знижує в багатьох випадках вартість переходів, скорочує терміни їх будівництва, збільшує надійність роботи, полегшує умови  експлуатації трубопроводів. Метод  прокладки трубопроводів треба  вибирати на основі техніко-економічних  показників і розрахунків і порівнюючи різні варіанти.

Підводні переходи прокладаються через ріки, канали, озера водосховища, морські заливи і протоки. Конструкція підводних  переходів і засоби їх спорудження  в значній мірі залежить від характеру  водної перепони.

Підводні переходи через  водні перепони проектують на основі гідрологічних, гідрогеологічних і  топографічних досліджень, отриманих  не пізніше двох років до початку  будівництва. Якщо давність досліджень перевищує два роки, то повинні бути проведені додаткові дослідження.

Створи переходу через  ріки необхідно вибирати на не розмивних  дільницях пологих берегів. При  необхідності прокладання трубопроводу з перетинанням крутих берегів збільшується обсяг земляних робіт. При експлуатації трубопроводу порушується нестійка структура берега, котра легко  розмивається, часто створюється  небезпека зсуву трубопроводу і  його розрушення.

Підводний перехід трубопроводу поділяється на дві дільниці :

Підводний, що розташується нижче горизонту води. Трубопроводи на цій дільниці споруджуються з застосуванням спеціальних підводно-технічних робіт.

Пойменний, що розташовується по обидва береги ріки. Трубопроводи на берегах споруджуються, як правило, з застосуванням механізмів, що використовуються на сухопутній трасі.

Підводний трубопровід заглиблюється  нижче поверхні дна ріки. Це попереджає пошкодження трубопроводу якорями  і лотами суден і плотів, що пропливають, а також розмив дна ріки під  укладеним трубопроводом.

Глибина закладання трубопроводу під ріками, каналами, протоками  і іншими водними перепонами повинна  бути не менше 0,5 м від рівня можливого розмиву дна до верхньої твірної трубопроводу. При призначенні проектної відмітки дна підводної траншеї необхідно враховувати можливі в майбутньому зміни режиму водної перепони (заглиблення і розширення русла, розмиви берегів і т. п.). Глибина траншеї повинна бути не менше 1 м., але якщо дно русла складене з скальних порід, що виходять на поверхню дна водосховища, глибину траншеї можна зменшувати до 0.5 м., якщо ж виявиться, що рити траншею в скельних і інших породах недоцільно, роблять укладку безпосередньо на дно русла. Закріплення і захист трубопроводу виконуються засипкою або іншими засобами.

Заглиблення трубопроводів  робиться згідно вертикальної трасировці з укладанням його на берегових ділянках по кривим механічного гнуття або  по кривій, що визначається радіусом пружного згину.

При прокладці з застосуванням  кривих механічного гнуття дещо зменшуються  обсяги земляних робіт і попереджаються порушення структури і розмивання берега стоками води, а для газопроводів і нафтопроводів великого діаметру знижується кількість необхідного  баласту для пригрузки трубопроводові.

Одним з методів прокладання  трубопроводів під водяними перешкодами, та прокладання на болотах є метод  протягування трубопроводу по ґрунтовій  доріжці, він є досить економним, так як при його використанні не виникає потреби у використанні складних облаштувань (рейсових спусків, візків вузької колії і. т. д.

В даний час існує два  основних способи укладання трубопроводів  у траншею: роздільний і сполучений. При роздільному способі попередньо підготовляють траншею, а потім  укладають у неї трубопровід; при сполученому способі одночасно  з розробкою траншеї проводиться  ізоляція трубопроводу і його укладання  в траншею.

Застосування  сполученого способу обумовлюється  можливістю просування по поверхні болота уздовж траншеї ізоляційно-укладальної  колони.

При роздільному способі  трубопровід потрібно укладати у  відриту траншею негайно після  її розробки  щоб уникнути сповзання  відкосів  траншеї. Нижче приводяться технологічні схеми укладання по обох способах.

Роздільний спосіб.

При укладанні трубопроводів  на болотах роздільним способом найбільш поширені три технологічні схеми; 1) протягування баластованого трубопроводу з берега по дну траншеї; 2) сплав  трубопроводу по поверхні води в траншеї  з наступним при вантаженням  його вантажами і 3) протягування трубопроводу по поверхні води (при наявності  її в траншеї) із застосуванням понтонів, що розвантажують.

При протягуванні використовується наступна схема.

Трубопровід, баластований вантажами, протягують з берега по дну  траншеї. Цю технологічну схему широко застосовують при будівництві переходів  через водяні перешкоди і  використовують на будівництві переходів через  болота: в обох випадках трубопровід  укладають під воду. При рішенні  питання про доцільність застосування схеми 1 потрібно мати на увазі як позитивні її сторони, так і негативні. Головними є наступні фактори:

а) на болотах II і III типів  дуже складно навішувати вантажі  з поверхні болота з використанням  трубоукладачів, спеціально обладнаних для цієї мети чи екскаваторів інших  вантажопідйомних машин. У таких  умовах баластування трубопроводу на березі і протягування його по дну  траншеї здійснити значно простіше, ніж з поверхні болота;

б) при довжині трубопроводу 400 м. і більше, особливо при діаметрах труб 500 мм і вище, величина стискального зусилля виявляється дуже значною, що вимагає застосування для протягування могутніх тягових засобів, що не завжди маються в розпорядженні виконавця робіт;

в) при виконанні укладання  за схемою 1 вимагаються обов'язково кільцеві (із двох половинок) чавунні  чи залізобетонні вантажі;

    г) необхідний пристрій у ряді випадків спеціального спускового шляху.

Основна перевага схеми 1 у  тім, що вона дозволяє уникнути складного  навішення вантажів з поверхні болота і дає можливість укладати трубопровід, що протягується, відразу в проектне положення.

Суть способу  полягає в тому, що трубопровід  протягують по дну підводної траншеї  з одного берега до іншого за допомогою  троса, заздалегідь прокладеного в  траншеї. Цей спосіб дозволяє виконати укладання трубопроводу, не створюючи  перешкод судноплавству, що дуже важливо, тому що практично на всіх ріках  у літній період судноплавство дуже інтенсивне.

Технологічна послідовність  основних операцій, зв'язаних з укладанням протягуванням, що випливає:

1) трубопровід зварюють  на березі в нитку, спресовують,  ізолюють, футерують, а в необхідних  випадках баластують;

2) улаштовують спускову доріжку,  на яку поміщають підготовлений  до укладання трубопровід;

3) по дну підвідної  траншеї укладають тяговий трос;

4) протаскують трубопровід  через водяну перешкоду за  допомогою  чи тракторів лебідок;

5) по закінченні протягування  проводять водолазне обстеження  й іспит покладеного трубопроводу, визначають його положення і  потім засинають ґрунтом. 

   До моменту укладання повинні бути підготовлені як трубопровід, так і берегові і підвідні траншеї. До про трубопроводу можна приступити після того, як буде встановлено, що фактичні дані підвідної траншеї відповідають проектним. Приведемо основні схеми укладання трубопроводів протягуванням.

Технологічні схеми протягування

Схема 1

      Обидва береги водойми мають рівнинний характер, що створює сприятливі передумови для протягування цілком підготовленого до укладання трубопроводу з одного берега до іншого тракторами без зміни напрямку їхнього руху. На одному з берегів улаштовують спускову доріжку, достатню для розміщення всього трубопроводу, а на іншому березі знаходяться тягові засоби.

Довжина протаскується по схемі 1 трубопроводу обмежується розміром площадок на обох берегах водойми, а  також стискальним зусиллям і  наявністю для його створення  тягових засобів. Як показує досвід. при великому числі тракторів  або інших самохідних тягачів  важко домогтися синхронності їхньої роботи Наприклад, використання одночасне  більш п'яти машин на одному тяговому тросі через складність синхронізації  їхньої роботи не приводить до істотного  збільшення стискального зусилля. При  всій удаваній простоті схеми саме це приведе до затримок і зупинок  протягування. Тому напередодні протягування необхідно провести перевірку погодженості в діях машиністів і одночасно  достатності тягових засобів. Для  цієї мети  трубопровід, що укладається, один - два рази зрушують з місця (основний трос до цього часу повинний бути прокладений через водойму). В, час іспиту тягові механізми повинні  бути розставлені як і під час  протягування. Найбільше зусилля  протягування виникає саме в момент рушання.