Особенности эксплуатации магистрального нефтепровода в режиме, ограничивающем протаивание грунта под трубопроводом

Как показали проведенные исследования и анализ литературных данных, состояние нефтепроводов в северных районах в большой степени определяется грунтовыми условиями. Систематизируя материал, можно отметить следующие особенности.

1. Регулирование теплообмена при перекачке нефти по трубопроводу, проложенному в мерзлых грунтах, с целью предотвращения прогрессирующего таяния, требует жесткогособлюдения регламента, в соответствии с которым производительность перекачки и температура нефти не должны выходить за допустимые пределы. Основным условием нормальной эксплуатации является соблюдение регламентированных t = const и Q = const. Опыт начальной стабилизации параметров перекачиваемой среды известен для газа, закачиваемого в трубопровод в условиях Крайнего Севера.

2. Даже при хорошо отлаженной технологии возможно вынужденное отключение насосно-силового оборудования трубопровода. Если для обычных неизотермических трубопроводов время безопасной остановки t_бо ограничивается лишь ростом гидравлического сопротивления на момент "страгивания", то для трубопроводов, проложенных в многолетнемерзлых и сезоннооттаивающих грунтах, выполнения условия прокачиваемости недостаточно. Дополнительным условием при определении t_бо необходимо рассматривать условия "несмерзания" талика вокруг трубы

. (15.13)

Следует отметить, что условие "несмерзания" талика вокруг трубопровода равноценно условию недопущения отрицательного воздействия бугров пучения на трубопровод. При положительной температуре на поверхности трубы бугор пучения "проплавляется", а труба остается в грунте потенциально подвижной; "защемления", а следовательно, и порыва трубопровода вследствие морозного пучения не произойдет.

3. В талом грунте трубопровод потенциально подвижен и при нарастании в нем напряжений он может менять положение своей оси, "врезаясь, как в масло" в протаивающий грунт. Идущий впереди талик будет растеплять грунт, давая возможность трубе перемещаться и занимать положение, соответствующее минимальным напряжениям.

4. Как меру борьбы с "буграми пучения" можно рассматривать условие ограничения dR/dt по величине в период "смерзания" талика. На рис. 15.4 показан характер зависимости величины миграционного потока влаги к фронту промерзания от скорости промерзания грунта. Практика эксплуатации трубопроводов в районах пучинообразования и анализ исследований по этому вопросу позволяет предположить, что в период сезонных подвижек фронта промерзания, когда скорости его перемещения близки к u_пр.опт (рис. 15.4), возможно чрезмерное подтягивание влаги к фронту промерзания, что в конечном итоге формирует образование ледяных прослоев, линз и бугров пучения в деятельном слое массива. Это замечание относится к сезоннооттаивающим грунтам, которые перемежаются с многолетнемерзлыми грунтами, но в равной степени может быть воспринято и при решении данной задачи.

Таким образом, при регулируемом теплообмене скорость продвижения границы протаивания dR₀/dt не должна превышать критическую скорость промерзания u_пр.опт.

. (15.14)

"Оптимальная" скорость промерзания u_пр.опт (оптимальная в том смысле, что при ней создаются наиболее благоприятные условия для миграции и "подтягивания" влаги в зону промерзания, а миграционный поток максимален) составляет (1,9...2,8)×10^-7м/с. Миграции влаги, а следовательно и формирования бугров пучения не наблюдается при скоростях меньших u_пр.кр= (0,056...0,110)×10^-7м/с и превышающих u_пр.max= (22...42)×10^-7м/с.

Правильно рассчитанный регламент должен обеспечивать безопасные пределы изменения dR₀/dt.

Технология перекачки со сбалансированным теплообменом соответствует требованиям СТО Газпром 2-3.5-051-2006 и позволяет эксплуатировать магистральные трубопровода Крайнего Севера в ресурсоэнергосберегающих режимах.

При этом отмечается три положительных момента:

–при ограничении ореола протаивания по максимуму (R_0max) обеспечивается сохранность окружающей среды, т.е. грунт по массиву остается мерзлым;

–при ограничении ореола протаивания по минимуму (R_0min) исключается возможность порыва трубы вследствие морозного пучения, т.к. трубопровод в талом грунте потенциально подвижен и равнопрочен по длине;

–ограничение скорости перемещения границы протаивания-промерзания, т.е. выполнение условия, можно рассматривать как способ борьбы с буграми пучения.

4.6. Предупреждение разрывов нефтепровода при морозном пучении грунтов

4.6.1. Изменение влажности грунта на границе промерзания – как фактор, провоцирующий образование бугров пучения

Практика эксплуатации нефтепроводов в районах мерзлых грунтов показывает, что при любом способе прокладки, будь то подземный или надземный, тепловое взаимодействие сооружений с мерзлым массивом неизбежно и, в конечном результате, приводит к изменениям проектных отметок оси трубопровода. При значительных отклонениях от проекта трубопровод теряет устойчивость и может произойти разрыв трубы. Не является надежным даже способ прокладки нефтепровода на промораживаемых опорах, примененный на Транс - Аляскинском нефтепроводе, надземная часть которого достигла 50 % от общей длины трубопровода. Казалось бы, на самых надежных участках трубопровода, с охлаждаемыми фреоном или аммиаком элементами опор, происходили аварии вследствие неравномерного вспучивания грунтов или осадки труб - свай, потери устойчивости трубопроводом и превышения напряжений в стенке трубы сверх допустимых.

Способ подземной прокладки значительно проще. Поскольку трубы засыпаются мерзлым разрыхленным грунтом, то в начальный период эксплуатации цементационных связей между трубой и мерзлым грунтом нет. Грунты обратной засыпки остаются разуплотненными в течение нескольких лет. Песчаные грунты уплотняются в течение 1,5...3 лет, а заболоченные участки и мерзлые торфяники до 6...7 лет после отсыпки. Поэтому до установления квазистационарного режима эксплуатации трубопровод может относительно легко перемещаться в грунте при возникновении в нем напряжений. При эксплуатации трубопровода в области отрицательных температур, близких к естественным, и соблюдении проектных показателей система может длительное время сохранять свою устойчивость.

Однако, при наличии температурного напора между трубой и окружающим грунтом устанавливается теплообмен. Даже при отрицательных температурах в мерзлом грунте наблюдается движение незамерзшей влаги, которое может привести к локальным повышениям влажности и льдонакоплению и к криогенному пучению грунтов. Ледяные образования, формирующиеся в виде многолетних сегрегационных бугров пучения и линз мерзлого грунта, наиболее опасны для трубопроводов.

Принято считать, что криогенное пучение в пределах участка с однородным грунтом проявляется как случайный (стохастический) процесс, и предсказать заранее место возможного образования бугра пучения практически невозможно.