Предупреждение разрывов нефтепровода при морозном пучении грунтов

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.

Бугры пучения

Особенностью формирования бугров пучения под влиянием климатических факторов является то, что они замерзают сверху, а поток воды образуется снизу. Суммарная влажность грунта в зоне промерзания увеличивается. При замерзании, за счет увеличения льдистости объем замершего грунта увеличивается и, непрерывно намерзая снизу, лед выпирает грунт, образуя бугор пучения. Укладка трубопровода в бугор пучения не допускается, т.к. трубопровод в бугре пучения будет работать на изгиб и может разорваться даже при сохранении мерзлоты с момента укладки трубопровода. При прохождении трассы трубопровода через пучинистые грунты в процессе его эксплуатации возможно появление бугров пучения на любом участке трубопровода.

Газопровод в промерзающем грунте

Рассмотрим еще одну модель. Нередко пучению подвергаются газопроводы, транспортирующие газ при отрицательных температурах в сезоннооттаивающих грунтах. В теплый летний период деятельный слой грунта с поверхности оттаивает. Но вокруг газопровода сохраняется "мерзлое" кольцо грунта (рис. 16.1а). Вначале, при промерзании грунта миграция влаги будет происходить из окружающего грунта к газопроводу. При понижении температуры воздуха до отрицательных значений промерзать начнет и верхний деятельный слой массива. Миграция влаги будет развиваться одновременно в двух направлениях: к трубопроводу и вверх, к промерзающему слою грунта, как показано на рис. 16.1б. Причем пучение по разным направлениям будет неравномерным. Так как сопротивление вверх меньше, то пучение будет преобладать в вертикальном направлении. Пучение продолжается и после смыкания мерзлых зон грунта, т.к. миграция влаги продолжается к фронту промерзания (рис. 16.1в). В этот период, приходящийся на самые холодные месяцы, суммарные перемещения и деформации будут максимальны. Суммарная глубина промерзания в месте прохождения газопровода во много раз превышает глубину промерзания в естественных условиях. Вертикальные перемещения велики. Этим объясняется тот факт, что именно в холодный период учащаются аварии на газопроводах, сопровождающиеся разрывами трубы вследствие морозного пучения грунтов. Наличие высокого уровня грунтовых вод усугубляет положение, так как расстояние от фронта промерзания до уровня грунтовых вод меньше всего под газопроводом, где грунт промерзает на большую глубину и пучение более интенсивное.

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 R0min...R0max , 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.

4.6.2. Зависимость миграционного потока от скорости промерзания грунта

Многочисленными исследованиями установлено, что величина миграционного потока влаги i зависит от скорости промерзания (рис. 16.2). Миграционный поток максимален при скорости промерзания Vпр.опт = (1,9...2,8)10 м/с, а скорость, при которой миграция влаги прекращается, в зависимости от типа грунта, находится в пределах (22...42)10 м/с.

При малых скоростях промерзания, по данным В.Е. Борозинца миграция влаги к фронту промерзания прекращается при скоростях Vпр. < 1,910 м/с в условиях закрытой системы и по данным Г.М. Фельдмана при скоростях Vпр. < 0,1210 м/с в условиях открытой системы.

4.6.3. Механизм образования бугров пучения

В конечном итоге льдонакопление определяется соотношением между скоростью промерзания и скоростью подтока воды к промерзающей поверхности. Баланс тепла, предполагающий непрерывный рост шлира льда при отсутствии непосредственного промерзания минерального грунта, обычно представляется в виде:

                                                                                          Vпр.кр.=(5,6…11,1)10-9 м/с

                                                                                          Vпр.опт.=(1,9…2,8)10-7 м/с

                                                                                          Vпр.max.=(2,2…4,2)10-6 м/с

Рисунок 16.2 - Характер зависимости величины миграционного потока влаги от скорости промерзания грунта

    qм = qмг + qт ,    (16.1)

где:

qм - тепловой поток от границы промерзания в атмосферу;

qмг - тепловой поток, соответствующий количеству тепла, выделяющемуся при кристаллизации мигрирующей влаги;

qт - тепловой поток из талого грунта к границе промерзания.

Сегрегационное накопление льда идет по нижней границе шлира, которая представляет собой "цепочку" игольчатых кристаллов, проникающих между агрегатами в поровое пространство, т.е., они, как бы, прорастают в талый грунт. Пленочное движение наблюдается в зоне нарастания кристаллов льда. Обезвоживающийся талый грунт не может достаточно быстро уменьшить свой объем на величину объема потерянной воды, и в результате образуется вакуум.

Подтягивание воды, при наличии градиента, объясняется фильтрацией под влиянием вакуума в зоне талого грунта.

Такое толкование находится в соответствии с вакуумно-фильтрационным механизмом перемещения. Причем льдонакопление может происходить и сверху, если имеется подток воды. Располагающим моментом является многократное промерзание и протаивание грунта сверху. Колебания границы промерзания приводят к возникновению вакуума, вследствие уменьшения объема льда при его таянии. Это вызывает фильтрацию воды из водоносного горизонта в протаивающую зону. По данным Н.Ф. Полтева, при последующем промерзании вода фиксируется в количестве до 9 % объема тающего льда.

Особый интерес представляет эффект стабильного снижения влажности грунта вокруг магистрального нефтепровода Тарасовская – Муравленковская. Не смотря на то, что система труба – грунт является открытой системой, где возможен подток влаги извне, обводнения грунта, окружающего трубопровод, не происходит. Это объясняется тем, что в неводонасыщенном грунте движущая сила, в конечном итоге, определяется градиентом температуры, и влага движется в сторону уменьшения температуры.

Как меру борьбы с "буграми пучения" можно рассматривать условие ограничения скорости протаивания dR0/d по величине в период "смерзания" талика. Практика эксплуатации трубопроводов в районах пучинобразования и анализ исследований по этому вопросу позволяет предположить, что в период сезонных подвижек фронта промерзания, когда скорости его перемещения близки к Vпр.опт , (рис. 16.2), происходит чрезмерное подтягивание влаги к фронту промерзания, что в конечном итоге формирует образование ледяных прослоев, линз и бугров пучения в деятельном слое массива.

Таким образом, при регулируемом теплообмене скорость продвижения границы промерзания dR0/d должна быть за пределами интервала скоростей, при которых происходит нарастание бугра пучения: Vпр.кр.…Vпр.опт.…Vпр.max. (рис.16.2). Для условий эксплуатации нефтепровода это условие (16.2):

      .  (16.2)

"Оптимальная" скорость промерзания (оптимальная в том смысле, что при ней создаются наиболее благоприятные условия для миграции и "подтягивания" влаги в зону промерзания) составляет Vпр.опт = (1,9...2,8)10-7м/с. Миграционный поток при этом максимален.

Миграции влаги, а следовательно и формирования бугров пучения не наблюдается при скоростях, меньших Vпр.кр= (0,056...0,110) 10-7 м/с и превышающих Vпр.max = (22...42)10-7 м/с.

Правильно рассчитанный регламент должен обеспечивать безопасные пределы изменения dR0/d. Условие (16.2) следует принимать как второе дополнительное и достаточное условие при решении задач подобного рода.

4.6.2. 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 R0min и R0max ?

Задача управления ореолом протаивания поставлена так, что величина R0max определяется из условия сохранности окружающей среды вдоль трассы нефтепровода, а величина R0min - 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:

                                                        R0min > Rиз.                                          (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 Vпр.опт и скорости передвижения границы промерзания - протаивания dR0/d. 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/d << Vпр.кр                                    (16.4)

Как показано выше, оптимальная скорость нарастания бугра пучения составляет Vпр.опт = (1,9...2,8)10 м/с. Если скорость промерзания грунта меньше Vпр.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 Vпр.опт , то параметры регулирования следует изменить.

                                                                          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/d)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  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.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

нефть 16 11c.doc

нефть 16 11c.doc
Размер: 1.8 Мб

.

Пожаловаться на материал

Изменение влажности грунта на границе промерзания – как фактор, провоцирующий образование бугров пучения. Бугры пучения. Газопровод в промерзающем грунте. Нефтепровод в вечномерзлом грунте. Зависимость миграционного потока от скорости промерзания грунта.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Проблема мотивації молоді щодо вступу у ВНЗ

Предмет дослідження – є особливості прояву молоді, до навчання у ВНЗ та визначення щодо напрямку підготовк, як майбутнього фахівця . Мета даної роботи полягає у виявленні особливостей прояву мотивації молоді щодо навчання у ВНЗ.

Наложение швов, снятие швов. Практический навык

Ґрунти, гумус. Тести з відповідями

Ґрунти, які виявляють значний опір під час обробітку, глинисті або суглинкові за гранулометричним складом. Здатність ґрунту вбирати речовини у вигляді цілих молекул. Фізичны показники ґрунту. Ґрунтові бактерії, хімічні елементи.

Монопольная власть. Особенности рынка ресурсов. Антимонопольное законодательство

Индекс Герфендаля-Хиршмана: теоретическое и математическое обоснование. Спроси и предложение ресурсов: общий доход. Кривые спроса (MRPL) и предложения (MRCL) совершенно конкурентной фирмы, отраслевое равновесие спроса и предложения на рынке труда.

Адміністративна відповдальність за корупційні правопорушення

Курсова робота З дисципліни «Адміністративне право» Кафедра конституційного і адміністративного права Метою роботи виступає корупція як інтернаціональне глобальне явище притаманне усім країнам незалежно від політичного устрою і рівня економічного розвитку

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok