Исследование влияния талых вод на проектное пространственное положение трубопровода в процессе эксплуатации

На сегодняшний день развитию магистрального транспорта отведено особое значение и, связано, это с ростом добычи нефти и газа. В связи с чем, состояние при эксплуатации трудопроводов должно быть исправным, надёжным и без деформации [5]. И, одним из ключевых факторов, определяющих данную исправность и надежность, является защита со стороны талых вод. Стоит отметить, что воздействие талых вод на трубопровод в грунте может быть коррозионным, силовым, тепловым, химическим, биологическим и другими. В свою очередь, талые воды воздействует на грунт как через постоянно действующие нагрузки, так и сквозь переменные, обусловленные изменением силы, давлением и температуры перекачиваемого продукта. В связи с чем, при проектировании и эксплуатации трубопроводов необходимо учитывать разного рода воздействия трубопровода на грунт и особое внимание уделять климатическим условиям, монтажу и дислокации эксплуатации.

Отметим, что в сложных климатических условиях характерны резкие перепады температурных режимов, заболоченность территории и пучинистости грунтов. Опыт эксплуатации трубопроводов показал, что негативные климатические и природные условия могут привести к дефектам трубопровода, а также выходу его из рабочего состояния. Стоит отметить, что неисправности трубопровода происходят чаще в местах с многолетней мерзлотой, а также в связи с пучинистостью грунтов, которое происходит с осени по весну в почвах отличных по составу [3]. Также пучение может иметь и зимний характер, к примеру, негативное воздействие геокриологического процесса на состояние трубопровода. Так, при замерзании воды, объем грунта увеличивается на 10 и даже 99 процентов, что сопровождается образованием льда и становится опасным для сооружения трубопровода. При отрицательной температуре грунты переходят из трёхкомпонентной системы в четырехкомпонентную систему, что создаёт затруднения при монтаже.

Так, соотношение между грунтовыми водами определяется гидрофильностью состояния грунта. Стоит отметить, что в глинистых и песчаных грунтах содержания воды намного больше по сравнению с обычными грунтами. Температура для разных грунтов также различна (для песка 0 °С, для глины -0,5-1,5 °С) и, «наивысшей» считается температура при начале замерзания (начала замерзания воды при концентрации солей 16% составляет -10 °С, а в не солённом состоянии -1,0 °С) [4].

Интенсивность промерзания грунта определяется следующими факторами:

– суровостью зимнего периода и продолжительностью снежного покрова;

– временем выпадения осадков, а также видом и влажностью грунта;

– влажностью и динамикой грунта во времени;

– наличием и характером растительного покрова;

– глубиной залегания подземных вод;

– дислокационными характеристиками;

– рельефом местности и др.

Данные факторы имеют также региональное значение. Пространственная из- менчивость приводит к тому, что активность процесса пучения изменяется на отдельных участках и проявляется как случайный процесс.

Перечисленные температурные процессы приводят к следующим последствиям:

– выпучиванию и всплытию трубопровода;

– провисанию и деформации состояния отдельных участков трубопровода.

В результате, изменяется состояние трубопровода и тепловой режим грунтов, что сопровождается экологическими, экономическими, а также материальнотехническими негативными последствиями [1]. Ниже, на рисунке 1 изображено распределение отказов трубопровода в зависимости от времени года.

Рис. 1. Зависимость отказов трубопровода

Так, по результатам измерений температуры было доказано, что наибольшее количество отказов приходится на осенний или весенний периоды, и связано это, прежде всего, с высоким содержанием воды в грунтах. Так, в апреле или мае, при таянии снега или льда наблюдается резкое увеличение объема воды. При высыхании вод можно наблюдать также просадку грунта. В результате оттаивания грунта под трубопроводом образуется ореол оттаивания, который приводит к его осадке, и, как следствие, к деформации пространственного положения [2]. И, именно дан- ный фактор приводит, зачастую, к аварийным ситуациям.

Стоит отметить, что процесс оттаивания грунта достаточно затруднительный, который следует разделить на два этапа:

– величина и осадка оттаивания зависит от физико-химических свойств грунта;

– осадка уплотнения и оттаивания зависит от веса и нагрузки.

Следует сделать вывод, что на взаимодействие трубопровода пагубно воздействую сезонность и оттаивание грунта. И, наилучшим методом является термостабилизатор, который представляет собой стабилизатор нужной температуры.

Рис. 2. Стандартная схема работы термостабилизатора грунта (ТСГ)

1 – воздушный конденсатор, 2 – исправитель, 3 – грунт, 4 хладагент, 5 –тепловой поток от охлаждаемого грунта

Стоит отметить, что радиус зоны замерзания грунта вокруг ТСГ при температуре –15 составляет 1,5 метра и функционировать данный ТСГ начинает при температуре воздуха минус пять градусов. Однако, и данный ТСГ наделён недостатком – способность пропускать тепло, что приводит к изменению проектного пространственного положения трубопровода. В связи с чем, необходимы ТСГ из антикоррозионных алюминиевых сплавов. А также для повышения эффективности применения ТСГ необходимо увеличивать количество ТСГ или объем хладагента. В связи с чем, при проектировании и монтаже трубопроводов следует уделять особого внимания данному факту, так как грунт, вода и трубопровод находятся в постоянном взаимодействии.