Три способа борьбы с буграми пучения

Процессом теплообмена трубопровода с окружающим массивом можно управлять, придерживаясь заданного наперед закона изменения радиуса протаивания R₀, или глубины протаивания под трубой. Вопрос в том, какими должны быть величины R_0min и R_0max?

Задача управления ореолом протаивания поставлена так, что величина R_0max определяется из условия сохранности окружающей среды вдоль трассы нефтепровода, а величина R_0min - из условий сохранности линейной части самого трубопровода.

Пучение грунтов не будет причиной аварии трубопровода, если кроме регламента его эксплуатации по температуре и производительности, выполняются следующие условия:

1) условие несмерзания талика вокруг трубы;

2) скорость перемещения границы протаивания –промерзания должна быть за пределами скоростей пучинообразования;

3) для защиты используется теплоаккумулирующая способность грунта, которая обеспечивается за счет сдвига по фазе колебательных процессов).

Выполнение этих условий можно рассматривать как способы борьбы с буграми пучения.

1 способ. Так как одной из наиболее вероятных причин порывов трубопровода считается защемление и изгиб трубы вследствие морозного пучения грунта, то необходимо исключить возможность защемления трубопровода в процессе его эксплуатации.

Поэтому необходимым условием, которое должно выполняться при выборе минимально допустимого радиуса протаивания Romin принимаем условие несмерзания талика под трубопроводом:

R_0min > R_из. (16.3)

2 способ. В талом грунте трубопровод потенциально подвижен и при нарастании напряжений стенки трубы он может менять положение своей оси. Идущий впереди талик будет перемещаться, и труба, проплавляя грунт, будет занимать положение, соответствующее минимальным напряжениям.

При такой постановке задачи следует сопоставить скорости нарастания бугров пучения V_пр.опт и скорости передвижения границы промерзания - протаивания dR₀/dt. Труба должна проплавлять грунт быстрее, чем нарастает во встречном направлении бугор пучения.

Поэтому вторым необходимым условием должно быть условие, ограничивающее скорость перемещения фронта протаивания:

dR₀/dt << V_пр.кр (16.4)

Как показано выше, оптимальная скорость нарастания бугра пучения составляет V_пр.опт = (1,9...2,8)×10 м/с. Если скорость промерзания грунта меньше V_пр.кр = 0,11×10 , миграция влаги к фронту промерзания вообще прекращается (рис. 16.2).

Оценим максимальную скорость смерзания талика вокруг трубопровода для условий трассы Тарасовская-Муравленковская, величина амплитуды колебания радиуса протаивания которого равна 0,24 м. Максимальная скорость смерзания по (15.6):

. (16.5)

Откладывая полученное значение 0,48×10^-7 м/c по горизонтальной оси на рис. 16.3б, ориентировочно получим близкое к "0" значение миграционного потока i. Вывод о том, что в данной ситуации наведенные бугры пучения не возникнут, сделать можно. Если проверка показывает, что скорости смерзания ореолов протаивания близки к V_пр.опт, то параметры регулирования следует изменить.

107м/с

·

·

·

·

а)

б)

Рисунок 16.3 - Зависимость миграционного потока влаги от скорости промерзания для песка с размером частиц 0,25…0,50 мм:

а) при влажности около 11%; б) при влажности 5%

1-суммарный поток; 2-поток внутри промерзающей зоны

Скорость смерзания талика (dR₀/dt)_max можно уменьшить сократив амплитуду колебания радиуса протаивания R₀".

3 способ. И, наконец, надо иметь запас тепла, чтобы "проплавлять" бугор пучения и использовать для этого теплоаккумулирующую способность грунта. За счет сдвига по фазе a на начало отсчета, см. (15.5), можно увеличить размеры талой зоны в зимний период, обеспечивая тем самым определенный запас надежности геотехнической системы. Для расчетов можно использовать программу REGL.

Сравнивая состояние геотехнических систем арктического и субарктического регионов, следует отметить, что проблема регулирования и управления процессом теплообмена между трубопроводом и мерзлым грунтом представляется более сложной на территориях не арктического, а субарктического региона, для которого характерны формирования островной, прерывистой и вялой мерзлоты.

В отдельных районах тундры достаточно расчистить грунтовую площадку, чтобы через несколько лет она превратилась в озеро. Известно, что следы тяжелой техники остаются в тундре в течение 30…40 лет, а на восстановление растительного покрова требуется времени гораздо больше, так как ягель, которым питаются олени, восстанавливается не менее 50 - ти лет.

Имеется опыт эксплуатации трубопроводов Крайнего Севера на освоенных участках Медвежьего и Уренгойского месторождений, проложенных в сильнопучинистых грунтах. За время эксплуатации в коридорах трубопроводов Уренгойского газоконденсатного месторождения (УГКМ) произошли необратимые изменения во всех без исключения природно-территориальных комплексах, пересекаемых ими. Ведущим негативным фактором, сопутствующим строительству и эксплуатации коллектора в условиях региона, явилась деградация многолетнемерзлых пород вследствие формирования ореолов протаивания под теплыми газопроводами.

Кроме того, по всей полосе нарушенного почвенно-растительного покрова произошла просадка грунта, что способствовало привлечению дополнительного поверхностного стока в коридоры. Не стоит принижать необходимость рекультивации этих территорий, так как альбедо поверхности с нарушенным почвенным покровом уменьшается вдвое по сравнению с площадями, покрытыми растительностью, с 0,27 до 0,2…0,08. А это значит, что на поверхности нарушается сбалансированность теплообмена настолько, что прогрев грунта полосы отчуждения с поверхности в летний период становится соизмеримым по тепловой мощности с тепловым воздействием самого трубопровода. Теплообменные процессы на поверхности почвы при этом кардинально меняются.

Понижение температуры перекачиваемых углеводородов до отрицательных значений не спасает положения, так как в нарушенных и обводненных грунтах развивается пучение.

По той же причине пучение приводит и к выпиранию свай балочных переходов. Выпучивание свай может происходить со скоростью 8…10 см в год. Разница отметок верхней образующей трубы над опорой и в местах максимальных провисов может составлять несколько метров! В местах опирания переходов образовываются гофры высотой 15…17 мм. Аналогичные явления наблюдались и на Транс – Аляскинском нефтепроводе. Т.е., выполнение трубопровода в надземном варианте, на опорах, не обеспечивает надежности трубопроводов в криолитозоне.

Как видно, морозное пучение грунтов, так же, как и прогрессирующее таяние грунтов под трубопроводом занимает одно из важнейших мест среди негативных факторов, воздействующих на трубопроводы субарктических регионов.

Несомненно, что вопросы предотвращения вредного воздействия негативных факторов надо решать на этапе проектирования, закладывая в основу сбалансированный теплообмен трубопровода с окружающей средой.