Строительство подводных переходов
Содержание
Введение. Характеристика подводного перехода
- Технологическая часть
- Расчет устойчивости подводного трубопровода. Проверочный расчет пригрузов
- Исходные данные
- Особенности сооружения подводных переходов
- Подготовительные работы
- Земляные работы
- Трубоукладочные баржи
- Работы заключительного периода
Список использованных источников
- ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА
К подводным переходам относятся участки магистральных трубопроводов, пересекающие естественные и искусственные водоемы (реки, озера, водохранилища) по их дну. Границы подводного перехода определяются уровнем, до которого вода в водоеме поднимается не чаще 10 раз за 100 лет.
Схема подводного перехода показана на рис. 1. Она включает основную 2 и резервную 3 нитки трубопровода, а также береговые задвижки (на газопроводах - краны) 1. В случае возникновения аварийной ситуации на основной нитке, она отключается запорными устройствами 1, а транспортируемый продукт пускается по резервной нитке (дюкеру). При ширине водной преграды в межень (в среднем) менее 75 м резервную нитку допускается не сооружать.
Магистральные трубопроводы прокладывают, как правило, с заглублением в дно водоемов. Земляные работы под водой выполняют с помощью специальных землеройных машин (земснарядов, гидромониторов и т.д.). Широко распространена разработка подводных траншей скреперными установками, приводимыми в движение с обеих сторон реки либо лебедками, либо тракторами с помощью канатов. В отдельных случаях (при глубине водоемов не более 2...3 м) разработку подводной траншеи ведут экскаватором, установленным на понтоне, перемещаемом в свою очередь с помощью лебедок, которые наматывают тросы, закрепленные якорями на берегу.
Перед укладкой трубопровод сваривают, наносят на него изоляционное покрытие, футеруют матами из деревянных реек, после чего его балластируют.
Балластировка, или утяжеление трубопровода производится с целью предотвращения его всплытия. Для этого используют одиночные чугунные или железобетонные пригрузы, а также сплошные покрытия из бетона или асфальтобетона. В настоящее время широко распространены чугунные пригрузы в виде двух полумуфт, скрепляемых болтами. Они жестко фиксируются на трубопроводе через определенные расстояния. Железобетонные пригрузы различны по конструкции. Часть из них имеет седлообразную форму и жестко на трубе не фиксируются. Другие разным образом закрепляются на трубе. Однако применение одиночных пригрузов требует увеличения размеров отрываемой траншеи. Наиболее перспективным является применение анкеров, утяжеление труб сплошным покрытием из бетона или заполнение утяжеляющим раствором межтрубного пространства (при схеме прокладки типа «труба в трубе»).
Подготовленный к укладке трубопровод состоит из одной или нескольких секций, общая длина которых на несколько десятков метров превышает ширину водной преграды между урезами воды.
Рисунок 1. Схема подводного перехода: 1 - отключающие устройства (задвижки - на нефтепродуктопроводах, краны - на газопроводах); 2 - основная нитка трубопровода; 3 - резервная нитка трубопровода.
В настоящее время применяется три способа укладки трубопроводов в подводные траншеи: протаскивание по дну, погружение с поверхности воды трубопровода полной длины и погружение с поверхности воды последовательным наращиванием секций трубопровода. Первые два способа аналогичны применяемым при строительстве трубопроводов на болотах и обводненных участках трассы. В последнем случае трубопровод заглубляют по мере присоединения к нему все новых секций.
Дюртюлинское ЛПУМГ эксплуатирует 5 подводных переходов, включающих 11 ниток, в том числе через судоходную р.Белая. Общая протяженность всех подводных переходов составляет 68,84 км, в том числе по ширине водной преграды – 6,3 км.
Подводный переход магистрального газопровода Челябинск –Петровск диаметром 1020х16 мм через р.Белая был сооружен в 1980 году, в том числе две резервные нитки в 1979 году и 1981 году. Строительство производилось под контролем Горьковского управления “Оргэнергогаз” и БДСГ “Баштрансгаз”.
Протяженность перехода: основной нитки – 660 м (длина подводной части составляет 382 м); первой резервной нитки - 550 м (длина подводной части составляет 240 м); второй резервной нитки – 610 м (длина подводной части составляет 360 м).
Газопровод изолирован в два слоя пленкой “Поликен 980-20”, а так же два слоя антикоррозийной обертки “Бишоф”. Футеровка ниток произведена деревянными рейками, размерами 2000х60х50. Балластировка осуществлена с помощью чугунных кольцевых пригрузов марки СЧ-21-40.
Береговая линия укреплена гибкими железобетонными плитами и железобетонными решетками с засыпкой ячеек грунтом.
Неисправных переходов в составе основных, в соответствии с “Регламентом по техническому обслуживанию подводных переходов магистральных газопроводов через водные преграды” РД 51-3-96, нет.
В 2010 году выполнено приборное обследование подводных переходов МГ Челябинск-Петровск через р.Белая. Работы проводились специалистами ООО ”ЭКОНГинжиниринг”. По результатам обследования нарушений требований НТД не выявлено.
1.2. Расчет устойчивости подводного трубопровода. Проверочный расчет пригрузов
К подводным переходам относятся участки трубопроводов, пересекающих естественные или искусственные водоемы (реки, озера, водохранилища), шириной 10 м и более по зеркалу воды в межень и глубиной свыше 1,5 м.
Подводные переходы трубопроводов через водные преграды проектируют на основании данных гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом условий эксплуатации в районе строительства ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, влияющих на режим водной преграды в месте перехода, перспективных дноуглобительных и выправительных работ в заданном районе пересечения трубопроводом водной преграды, требований по охране рыбных ресурсов и окружающей среды.
Границами подводного перехода трубопровода, определяющими длину перехода, являются для многониточных переходов – участок, ограниченный запорной арматурой, установленный на берегах.
Створы переходов через реки выбирают на прямолинейных устойчивых плесовых участках с пологими не размываемыми берегами русла при минимальной ширине заливаемой поймы.
Створ подводного перехода необходимо, как правило, предусматривать перпендикулярным динамической оси потока, избегая участков, сложенных скальными грунтами. Устройство на перекатах, как правило, не допускается.
1.3 Исходные данные
По нормативной литературе для трубы диаметром 1020х16 мм выписываем необходимые данные:
- Площадь сечения, F=504 см2;
- осевой момент сопротивления W=12480 см3;
- осевой момент инерции I=636600 см4;
- удельный вес металла трубы qm=3960 Н/м.
При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода, пересекающего реки, необходимо учитывать вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия потока воды на трубу в процессе укладки трубопровода на дно траншеи.
Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия на единицу длины трубопровода
где - гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком; - средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, м/с; - удельный вес воды с учетом растворенных в ней молей, принимаемых равным (1,025-1,15)104Н/м3.
Коэффициент определяется в зависимости от числа Рейнольдса
По экспериментальным данным, при Re<105; для гладких труб и для бетонированных или офутерованных труб при 105<Re<107.
Вертикальную составляющую воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода Py рассчитывают по формуле
где - гидродинамический коэффициент подъемной силы, .
Интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопровода по формуле
где - угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости на выпуклом и вогнутом рельефе (в радианах); - радиус кривизны рельефа дна траншеи, который должен быть больше или равным минимальному радиусу упругого изгиба оси трубопровода из условия прочности; E – модуль Юнга, E=2,06 1011 Па.
Выталкивающая сила воды по формуле
Для расчета устойчивости подводного трубопровода с учетом гидродинамического воздействия потока жидкости следует иметь в виду следующее.
Вертикальная составляющая Py действует в том же направлении, что и выталкивающая сила воды.
Горизонтальная составляющая действует на трубу, сдвигая её в сторону от оси траншеи. Для противодействия за счет дополнительной нагрузки q создается сила трения
где k – коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях трубопровода, для илистых и суглинистых грунтов k=0,4.
Отсюда
Величина вводится в формулу так же с положительным знаком.
Тогда требуемый вес балластировки в воде будет определен по формуле
где – коэффициент надежности по нагрузке, для чугунных грузов ; qтр – расчетный вес единицы длины трубопровода в воздухе с учетом изоляции при коэффициенте надежности по нагрузке nсв=0,95; qдоп - с учетом возможного опорожнения трубопровода (по СНиП 2.05.06-85*) может быть принятой равной нулю.
Соответственно формула для расчета веса балластировки в воздухе принимает вид
где - удельный вес материала пригруза.
При укладке подводных трубопроводов необходимо производить проверку устойчивости трубы против смятия под действием внешнего гидростатического давления воды по формуле
где – средний диаметр трубы, ; - глубина водоёма; - глубина заложения трубопровода от дна водоёма до верхней образующей.
.
0,016 м>0,00545 м, следовательно, устойчивость трубы против смятия обеспечивается.
Балластировку подводных трубопроводов в пределах участка подводно-технических работ выполняют кольцевыми чугунными грузами, жестко фиксируемых на трубопроводе.
Расстояние между одиночными чугунными грузами рассчитывают по формуле
где , - средняя масса и объем одного груза соответственно.
Выбираем чугунный кольцевой груз диаметром 1020 мм: Р груза=2000 кг, R1=630 мм, R2=560 мм, R3= 550 мм, А=723 мм, В= 610 мм, С=1300 мм.
Число пригрузов, необходимое для балластировки участка трубопровода длиной L, определяют по формуле
Дробное число N округляют в большую сторону до ближайшего целого числа.
1.4.Особенности сооружения подводных переходов
На своем протяжении магистральные трубопроводы пересекают большое число самых различных по характеру и протяженности естественных и искусственных препятствий (крупные и мелкие реки, железные и автомобильные дороги, водохранилища, овраги, ручьи и др.). Сооружение переходов должно опережать сооружение нитки трубопровода. Строительство переходов ведется специализированным потоком (бригадой), оснащенным необходимыми машинами и механизмами. Через крупные реки сооружают подводные и надводные переходы. Наиболее часто в практике строительства трубопроводов применяют подводные переходы через крупные реки. Подводный переход состоит из русловой части, проходящей под основным руслом реки, и пойменной части, проходящей через заливаемые в паводки примыкающие к основному руслу поймы. Как в пойменной, так и в русловой части переход выполняется подземным способом в траншеях. Подводные траншеи необходимы во избежание повреждения подводного трубопровода судами (например, при бросании якорей) и, что более важно, во избежание непосредственного гидродинамического воздействия воды на трубопровод. Применяют две конструкции подводных переходов - двухниточную и однониточную типа "труба в трубе". Двухниточный переход состоит из основной и резервной ниток, располагаемых в подводных траншеях на определенном расстоянии друг от друга. За пределами пойменного участка сооружают колодцы с кранами, позволяющими отключать или включать резервную нитку подводного перехода. Резервная нитка перехода сооружается для бесперебойной работы трубопровода при отказе основной нитки перехода. Однониточный переход для повышения надежности его работы выполняют трехслойным, в виде двух концентрически расположенных труб, зазор между которыми заполняют мелкозернистым бетоном (цементно-песчаной смесью). Хотя при такой конструкции перехода расход стальных труб не сокращается, но снижается объем земляных работ по разработке подводных траншей, что делает его более экономичным.
Для сооружения подводного перехода через крупную реку рядом со створом этого перехода организуют специальную промышленную площадку, где сосредоточивают сварочную базу, базу для изоляции и футеровки труб и трубных плетей, спусковую дорожку для спуска (подвода футерованных трубных плетей к кромке воды).
При сооружении подводных переходов на крупных реках выполняют следующий комплекс строительно-монтажных работ: подготовительные, земляные, сварочно-монтажные, изоляционные и футеровочные, укладку трубопровода в подводную траншею, обратную засыпку подводной траншеи, очистку полости и испытание подводного перехода. Подготовительные работы включают геодезические и гидрометрические работы, подготовку спусковых дорожек и др. Геодезические работы связаны с проведением промеров для составления фактического профиля подводных траншей и их положения в плане. Глубины воды в точках промера в створе перехода измеряют с плавучих средств с помощью эхолотов. Гидрометрические работы включают определение скоростей потока воды, измерение отметок уровня воды на водомерных постах. Береговые подготовительные работы - это работы по монтажу на промышленной площадке сварочной базы, базы для изоляции и футеровки трубных плетей, по устройству спусковой дорожки.
- Подготовительные работы
Очистные средства, предоставляемые исполнителем:
- скребок очистной СО;
- скребок очистной с магнитными блоками СО-….М;
- магнитный очистной поршень МОП;
- универсальный магнитный очистной поршень УМОП.
Первичная очистка полости трубопровода производится эксплуатирующим предприятием стандартными очистными поршнями, после чего Исполнитель проводит следующие очистные работы:
- Предварительная очистка
от основного мусора и
- Магнитная очистка от металлического мусора (огарков электродов) – магнитным очистным поршнем (МОП);
- Окончательная магнитная очистка - универсальным магнитным очистным поршнем (УМОП).
Для достижения качественных результатов инспекции, могут потребоваться несколько пропусков очистных средств.
Критерий очистки - вынос последним очистным снарядом менее 15 кг отложений.
Внутритрубная инспекция трубопровода включает в себя два основных компонента:
1. Профилеметрия:
- контроль формы поперечного сечения труб по длине трассы (выявляются местные искажения сечения типа овальности, вмятин, гофр);
- определение наименьших
радиусов изгиба и мест
2. Дефектоскопия:
- контроль основного металла стенок труб;
- контроль сварных соединений труб.
При профилеметрии и дефектоскопии также осуществляется регистрация конструктивных элементов и особенностей обустройства трубопровода.
Профилеметрия производится внутритрубными электронно-механическими снарядами-профилемерами типа ПРТ и основывается на измерении внутреннего сечения трубы роликовыми опорами рычажного типа для определения местных искажений формы и регистрации пройденного пути по участку трубопровода.
Выявляемые профилемерами особенности и искажения формы участка трубопровода:
1. Особенности положения трубопровода:
- радиусы кривизны трубопровода в плане и профиле;
- углы поворота трубопровода в плане и профиле.
2. Искажения формы поперечного сечения труб:
- овальность;
- вмятины;
- выпуклости;
- гофры.
Дефектоскопия трубопровода производится внутритрубными высокочувствительными магнитными снарядами-дефектоскопами типа ДМТ и ДМТП.
При движении снаряда система из постоянных магнитов намагничивает участок трубы до состояния почти технического насыщения. Наличие тех или иных особенностей в металле стенки трубы вызывает искажение линий магнитного потока (рассеяние магнитного потока), которое фиксируется системой электромагнитных датчиков и регистрируется для последующей обработки.
Обнаружение дефектов в стенке трубопровода реализуется следующими "интеллектуальными" снарядами-дефектоскопами:
- Снаряды дефектоскопы ДМТ;
- Снаряды дефектоскопы ДМТП-1;
- Снаряды дефектоскопы ДМТП-2.
Таблица 1 - Основные технические характеристики магнитных снарядов-дефектоскопов
Минимальное проходное сечение |
0.85 Dн |
Минимальный проходной радиус изгиба |
3 Dн при повороте на 90° |
Диапазон температур эксплуатации |
-10 +50оС |
Максимальное давление |
8 МПа |
Допустимая скорость пропуска |
1.5…2.5 м/с |
Оптимальная скорость пропуска |
2.0 м/c |
Время непрерывной работы |
90 часов |
Количество секций |
1-2 шт. |
Шаг опроса датчиков по оси трубы |
5 мм |
Расстояние между датчиками в окружном направлении |
4,8 мм |
Выявляемые дефектоскопами дефекты и особенности обустройства трубопровода:
1. Дефекты потери металла:
- коррозия;
- каверна;
- язва;
- продольная канавка;
- продольная трещина;
- зона продольных трещин;
- поперечная канавка;
- поперечная трещина;
- механические повреждения.
2. Дефекты, связанные с нарушением сплошности металла:
- расслоения в стенке трубы;
- трещины;
- включения, закаты.
3. Сварные соединения и их дефекты (качественная оценка несовершенств сварных швов):
- расположение кольцевых стыков;
- расположение спиральных швов;
- нарушения формы сварных соединений (смещение кромок, утяжины, отклонения размеров усиления шва);
- дефекты сварных соединений (раковины, подрезы и т.п.).
4. Конструктивные элементы (расположение и размеры):
- трубы, врезные катушки, кривые вставки;
- крановые узлы;
- тройники;
- отводы-врезки;
- отстойники;
- заварки технологических отверстий.
5. Элементы обустройства
трубопровода и другие
- защитные кожухи (патроны) на переходах через дороги;
- пригрузы (хомутовые и кольцевые чугунные);
- посторонние металлические предметы вблизи трубопровода.
Очистка и подготовка участка газопровода к обследованию производились средствами, представленными в таблице 2.
Таблица 2 - средства очистки и подготовки участка газопровода
Снаряд |
Дата пропуска |
Средняя скорость |
СО-1000К |
24.08.2009 |
2,1 |
ПМО-2-1000Б |
24.08.2009 |
2,0 |
Инспекция участка газопровода производилась средствами, представленными в таблице 3.
Таблица 3 – средства инспекции участка газопровода
Снаряд |
Дата пропуска |
ДМТ-2-1000Б-1024 |
24.08.2009 |
ДМТП-2-1000Б-768 |
24.08.2009 |
Скорость дефектоскопов при обследовании в основном была в пределах 1,5-2,5 м/с.
Давление газа на протяжении участка составляло 6,3 МПа.
Температура газа от начала к концу участка составляла 25 град.С.
Протяженность участка по документации: 7900 м.
Протяженность участка измеренная: 7679 м.
Результаты внутритрубной инспекции представлены в таблице 4.
Таблица 4 – обобщенные результаты инспекции
Общее количество труб |
684 | |
одношовные: |
672 |
98,2% |
двухшовные |
0 |
0,0% |
спиральношовные |
0 |
0,0% |
с не выявленными швами |
12 |
1,8% |
трубы с повреждениями |
18 |
2,6% |
Общее количество реперных точек |
3 | |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
Маркеры |
1 |
33,3% |
Краны |
2 |
66,7% |
дефектов |
труб | |
Общее количество |
34 |
18 |
Дефекты потери металла |
30 |
16 |
По типам | ||
все продольные |
3 |
1 |
продольные канавки |
3 |
1 |
продольные трещины |
0 |
0 |
зоны продольных трещин |
0 |
0 |
коррозия |
14 |
10 |
каверны |
0 |
0 |
язвы |
0 |
0 |
поперечные канавки |
13 |
9 |
поперечные трещины |
0 |
0 |
По глубине | ||
менее 10% |
13 |
9 |
10 - 20% |
17 |
11 |
20 - 30% |
0 |
0 |
30 – 40% |
0 |
0 |
40 - 50% |
0 |
0 |
- Земляные работы
Земляные работы - это работы по разработке подводных траншей и обычных траншей в пойменной части перехода. Наибольшую трудность представляет разработка подводных траншей. В зависимости от ширины и глубины реки, ее судоходности применяют земснаряды, экскаваторы, или специальные скреперные установки. Земснаряды используют при отсутствии скальных грунтов в русле реки, а также при ширине рек более 200 м и глубине более 2 м. Земснаряд – это плавучая машина, смонтированная на барже. На стреле в передней части баржи смонтирована режущая фреза для разработки грунта. Грунт, разработанный фрезой на дне реки, по трубопроводу отсасывается вместе с водой в виде пульпы с помощью насосной установки, находящейся на барже. Пульпа по трубопроводу может перемещаться на различные необходимые расстояния. Ее можно использовать для засыпки параллельной подводной траншеи с уложенным трубопроводом. Разработку грунта земснарядом обычно начинают на нитке перехода, расположенной ниже по течению реки, что позволяет использовать грунт, вынутый из траншеи, расположенной выше по течению, для засыпки траншеи, вырытой ниже по течению реки. Разработку подводной траншеи ведут одним или двумя земснарядами. В последнем случае земснаряды начинают проходку с середины реки, оставив при этом необходимой ширины фарватер для прохода судов. Каждый земснаряд перемещается к своему берегу. Земснаряды перемещаются с помощью якорных установок. Якорный канат наматывают на барабан тяговой лебедки. Якорь или якоря забрасывают по ходу движения земснаряда и затем тяговой лебедкой выбирают канат, обеспечивая перемещение земснаряда. Ориентирами для правильного перемещения земснаряда по оси подводной траншеи служат створные знаки, установленные на берегах реки в створе перехода.
При глубине реки не более 2 м и ширине не более 200 м для разработки подводных траншей используют экскаваторы с обратной лопатой или типа драглайн. Экскаватор устанавливают на баржу или понтон, перемещаемый по мере разработки траншеи с помощью якорной установки. Если глубина реки небольшая (несудоходная река), то для перемещения экскаватора параллельно с осью подводной траншеи отсыпают из грунта насыпь.
В практике разработки подводных траншей на реках шириной до 300 м широко используют скреперные установки. Самоходная скреперная установка состоит из трактора-тягача с двухбарабанной лебедкой, установление на заднем мосту, комплекта скреперных ковшей и якорно-канатного приспособления с блоком. Трактор-тягач с лебедкой устанавливают на одном берегу реки, а якорь - на другом. Якорь оснащен обоймой с блоком для пропуска каната. На скреперной установке используют два каната: тяговый и холостой. Тяговый канат одним концом закрепляют на первом барабане лебедки, а другим концом - на передней стенке скреперного ковша. При вращении первого барабана лебедки обеспечивается рабочий ход скреперного ковша. Второй канат одним ковшом закрепляют на втором барабане лебедки, а второй конец пропускают через блок на якоре и закрепляют на задней стенке скреперного ковша. При включении второго барабана тракторной лебедки через второй канат осуществляют возвратный (холостой) ход скреперного ковша. Таким образом, при рабочем ходе скреперного ковша срезается слой грунта на глубину до 20 см и транспортируется к лебедке на берег. С берегового участка грунт удаляют в отвал бульдозером. Скреперные ковши не имеют дна, что позволяет освобождать их от грунта при начале холостого хода без подъема и опрокидывания. При разработке подводных траншей используют также скреперные установки с двумя ковшами, что обеспечивает непрерывность работы установки без холостых ходов. Ковши располагают на одной линии, направляя их в противоположные стороны, и скрепляют за задние стенки. Тогда оба ковша работают попеременно, то рабочим, то холостым ходом.