Нефтепровод в вечномерзлом грунте

Иная ситуация возникает при транспортировке по трубопроводу нагретой нефти, когда вокруг трубы образуется ореол протаивания. При нерегулируемом процессе теплообмена размеры талой зоны увеличиваются: таяние носит прогрессирующий характер. В такой ситуации пучение не грозит трубопроводу, так как потеря устойчивости может произойти по иным причинам, например, вследствие осадок, солифлюкции, эррозии грунтов и т.д. Уникальным примером подобного трубопровода является Транс-Аляскинский магистральный нефтепровод, который, несмотря на многочисленные специальные мероприятия, блокирующие воздействие вечной мерзлоты на линейную часть, нередко оказывался в аварийном состоянии. Восемь энергетических компаний объединились для финансирования грандиозного

Рисунок 16.1 – Процесс промерзания грунта вокруг трубопровода при отрицательных температурах перекачки

проекта. Для исследования взаимодействия системы нефтепровод - мерзлый грунт были проведены беспрецедентные экспериментальные работы по исследованию теплового взаимодействия трубопровода с мерзлым массивом. Они были выполнены в 1969 – 70 гг. на полигонах в районе дельты реки Маккензи, в 256 км за полярным кругом. 143 тыс. м³/сут нефти прокачивалось по кольцевому нефтепроводу длиной 600 м, диаметром 1,22 м, уложенному частью в песчаной дамбе, частью на опорах. Также были проведены исследования прямого контакта трубопровода с мерзлым грунтом, для чего там же был сооружен кольцевой трубопровод длиной 150 м и диаметром 0,1 м, изолированный пенополиуретаном толщиной 0,05 м. Изучение процессов взаимодействия трубопровода с мерзлым грунтом проводилось всесторонне. Несколько ранее, в 1968 г. аналогичные исследования проводились на Аляске с трубопроводом диаметром 1,0 м и длиной 300 м, часть которого была уложена в насыпь из гравия, а другая заглублена.

Анализ теплового влияния прокладки Транс-Аляскинского нефтепровода на устойчивость грунтов, выполненный по результатам экспериментов, показал, что через 2 года эксплуатации должно было произойти оттаивание грунта на глубину 4,5 м, а после 20-летней эксплуатации - на 9 м. Также была предсказана неравномерная осадка трубопровода вследствие неизотермического режима перекачки и различного содержания льда в грунте по трассе, что подтвердилось в процессе эксплуатации нефтепровода.

В качестве примера можно привести случай протаивания вечномерзлых грунтов на участке трассы Трансаляскинского нефтепровода длиной 84 м, который находится в 320 км южнее бухты Прадхо и расположен под дном р. Дитрих. В результате протаивания произошел прогиб труб со стрелой 4,5 м. С 1977 г., когда начали эксплуатировать нефтепровод с производительностью 270 тыс. м³/сут, к тому времени еще не было ни одной утечки нефти. Прогиб труб был обнаружен летом 1984 г., спустя 7 лет с момента ввода нефтепровода в эксплуатацию, когда по нефтепроводу пропускали аппарат, предназначенный для обследования внутреннего состояния трубопровода. Ремонт данного участка трубопровода был сопряжен с крупными затратами. К этому времени на трассе в 640 км наблюдалось примерно 10 случаев прогибания трубопровода на участках длиной до 90 м.

Эти данные по аварийным ситуациям на трассе подтвердили прогнозы о неравномерной осадке и последствиях теплового воздействия неизотермического трубопровода на окружающий мерзлый грунт.

Анализируя создавшуюся ситуацию за длительный период эксплуатации уникального нефтепровода, можно сделать вывод, что многочисленные мероприятия, направленные фактически на блокирование, изоляцию трубопровода от внешней среды, не дали должного эффекта. Это можно объяснить рядом причин:

1) "недозированное" тепло, уходящее в грунт, вызывает нарушение естественного хода миграционных процессов в грунте и выводит систему из равновесного состояния;

2) даже в надземном варианте дополнительное тепловыделение меняет баланс тепла на поверхности почв, делая положительным годовой теплооборот, и в результате меняет микроклимат, вызывая растепление поверхности массива;

3) в случае искусственного замораживания грунта вокруг опор неизбежно возникает подтягивание влаги к фронту промерзания, вызывая увеличение льдонакопления, что представляет собой, по сути дела, искусственно наведенный бугор пучения; опоры практически "выпираются" из грунта, а трубопровод теряет устойчивость, и т.д.

Таким образом, напрашивается первый вывод: трубопровод, сооружаемый на многолетне- и вечномерзлых массивах нельзя блокировать и изолировать от внешней среды. Напротив, для поддержания целостности трубопровода, а значит и сохранности среды, необходимо режим работы трубопровода коррелировать с режимом грунтов в районах прохождения трассы таким образом, чтобы температурный режим трубы естественным образом сочетался с температурным режимом массива. Труба должна "дышать" так же, как "дышит" грунт.

Второй вывод тоже очевиден: состояние грунта является определяющим фактором надежности.

Именно поэтому в предлагаемой (п. 4.5) технологии эксплуатации трубопровода ограничиваются размеры ореола протаивания вокруг трубы пределами R_0min...R_0max, что достигается регулированием радиуса протаивания по периодическому закону с годовым периодом колебания. Причем вынужденные колебания температур в грунте по периоду и характеру теплового воздействия на массив сопоставимы и гармонично увязываются с естественными колебаниями температур, происходящими в деятельном слое.