Technological features of the ducker device for transportation of petroleum products

Full Text

На сегодняшний день в нашей стране существует более 5000 подводных переходов магистральных нефтепроводов, а их общая длина превышает 3000 км. Это одни из самых уязвимых составляющих магистрали. Работы по устранению последствий аварийных случаев на воде более трудоемко, продолжительно по времени и технически сложно, чем на суше, при этом наносится колоссальный вред экологии [1–5]. Поэтому для обеспечения надежности и бесперебойности функционирования всей системы трубопроводного транспорта необходимо обеспечить надежность подводных переходов. Это в большой степени зависит от оптимального выбора метода устройства и укладки подводного перехода магистрального нефтепровода. Задачей данной работы является рассмотрение существующих методов укладки подводного перехода, выделение особенностей производства работ, определение достоинств и недостатков.

В настоящее время методы устройства дюкеров делятся на траншейные и бестраншейные [6] (см. таблицу). Траншейные методы наиболее распространены вследствие хорошей технической оснащенности организаций, но с экономической точки зрения бестраншейные методы более выгодны, так как отсутствует необходимость в нарушении естественного покрытия земной поверхности и, следовательно, отсутствует такой этап работ, как рекультивация нарушенных территорий.

При данном методе строительства выполняются следующие работы: участки трубопровода укладываются на берегу в нитку, свариваются, стыки изолируются, проводятся работы по изоляции, балластировке и футеровке трубопровода. Далее, в зависимости от выбранной схемы укладки, нефтепровод укладывается в траншею [7].

Траншейные методы характеризуются большим объемом земляных работ, которые включают работы по срезке береговых склонов, разработке траншеи, засыпке траншеи, берегоукреплению, рекультивации нарушенных земель. Стоимость выполнения земляных работ составляет примерно половину общей стоимости устройства подводного перехода.

 Рассмотрим основные схемы укладки нефтепровода при траншейном способе устройства подводного перехода нефтепровода [8].

1. Метод протаскивания по дну траншеи

Суть метода заключается в следующем. Подготовленный к укладке трубопровод размещается на спусковой дорожке, зацепляется к тросу, заранее проложенному по дну траншеи, протягивается за этот трос при помощи трактора или тяговой лебедки. После гидравлического испытания трубопровода, проведения водолазного обследования на соблюдение проектных отметок положения траншея засыпается (рис. 1).

Достоинством данного метода является то, что процесс судоходства при выполнении укладки нефтепровода не прекращается.

 

Рис. 1. Протаскивание нефтепровода по дну траншеи:

1 – экскаватор; 2 – протягиваемый нефтепровод; 3 – головка; 4 – тяговый трос; 5 – тяговая лебедка

 

2. Погружение нефтепровода с поверхности воды

При данном способе укладки подготовленный нефтепровод размещается на плаву над траншеей, затем погружается при положительной плавучести затоплением, а при отрицательной плавучести – отсоединением удерживающих нефтепровод на плаву приспособлений. Проводится обследование положения нефтепровода (рис. 2).

 

Рис. 2. Подготовленный к погружению нефтепровод

 

3. Укладка трубопроводов, сооружаемых по схеме «труба в трубе»

Существует две схемы исполнения данного метода укладки (рис. 3):

1) В наружную трубу укладывается трос, затем она опускается в подготовленную траншею, заполняясь при этом водой. Траншея засыпается. Далее внутрь наружной уложенной трубы протаскивается внутренняя, меньшего диаметра. Межтрубное пространство заполняется утяжеляющим раствором, к примеру песчано-гравийной смесью. Для обеспечения проектного положения внутреннего трубопровода его оснащают катками.

2) Внутренняя труба помещается в наружную на берегу, далее эта конструкция размещается на плаву над траншеей и погружается заполнением внутреннего трубопровода водой. Проводится водолазное обследование на соответствие проектного положения. Затем заполняется межтрубное пространство утяжеляющим раствором.

 

Рис. 3. Укладка трубопровода по схеме «труба в трубе»:

1 – основной трубопровод; 2 – тяговый трос; 3 – раструб; 4 – протягиваемый трубопровод

 

В отличие от траншейного метода, бестраншейный способ укладки подводного перехода подразумевает минимальное количество земляных работ. Рассмотрим основные схемы укладки.

1. Метод прокола

При данном способе укладки прокладываемый трубопровод, на который надет специальный наконечник, продавливается из первого котлована во второй. Грунт при этом не извлекается, так как наконечник при своем движении его раздвигает и происходит уплотнение стенок (рис. 4).

 

Рис. 4. Укладка трубопроводов методом прокола

 

2. Метод продавливания

Метод продавливания идентичен методу прокола и отличается только тем, что грунт разрабатывается специальными ножевыми приспособлениями, а затем удаляется из скважины механизмами или вручную.

 Методы прокола и продавливания не используются для устройства подводных переходов магистральных трубопроводов, так как рассчитаны на диаметры до D=500 мм, а также на непротяженные трубопроводы длиной до 150 м (рис. 5).

 

Рис. 5. Укладка трубопроводов методом продавливания

 

3. Метод наклонно-направленного бурения

Суть данного метода заключается в следующем: под руслом реки пробуривается труба, которая примерно повторяет поперечный профиль водной преграды [9].

Устройство дюкера методом наклонно-направленного бурения включает следующие работы: в первую очередь пробуривается пилотная скважина. При этом ее диаметр должен быть меньше, чем диаметр нефтепровода. Далее с другого берега пилотную скважину расширяют до диаметра дюкера и протаскивают через получившуюся скважину [10] (рис. 6).

К достоинствам данного метода можно отнести:

экологичность работ;

высокие показатели надежности трубопровода;

небольшую длительность производства строительства.

 

Рис. 6. Укладка наклонно-направленного бурения:а – образование пилотной скважины; б – предварительное расширение скважины; 3 – протягивание трубопровода

 

4. Метод микротоннелирования

При данном методе производится строительство тоннеля проходческим щитом, который управляется дистанционно. Для того чтобы укрепить стенки тоннеля, используют прочные железобетонные трубы. Они из стартовой шахты проталкиваются пресс-рамой [11] (рис. 7).

К достоинствам метода относятся:

русло реки в процессе работ не подвергается никаким воздействиям;

глубина заложения дюкера намного больше прогнозируемой глубины предельного размыва русла, следовательно, метод характеризуется высокой защищенностью трубы от размыва и механических воздействий;

экологичность производства работ;

отсутствие помех судоходству.

Недостатки метода:

возможность заклинивания дюкера, которое может привести к разрыву сварного шва;

риск отклонения нефтепровода от запланированной траектории.

 

Рис. 7. Схема подводного перехода, уложенного по методу микротоннелирования:

1 – датчик, предназначенный для измерения давления; 2 – железобетонная труба; 3 – нефтепровод; 4 – пространство с инертно-газовой смесью; 5 – полиэтиленовый трубопровод;6 – тоннель; 7 – крановый узел

 

5. Метод тоннелирования

 При щитовой проходке защитного кожуха-обделки выполняется укладка дюкера. Кожух представляет собой отдельные кольца – блоки-сегменты, находящиеся под защитой щита. Щитовые домкраты продвигают проходческий комплекс. При продвижении по тоннелю проделывается два вида нагнетания: 1) первичное; 2) контрольное – чтобы заполнить пустоты и трещины, образовавшиеся вокруг тоннеля [12].

К достоинствам метода можно отнести те же, что и у метода микротоннелирования. Но недостатки второго метода тоннелирования отсутствуют. Тем не менее стоит учитывать, что у обоих методов грунт и труба являются тесно связанными друг с другом, поэтому при каких-либо изменениях в грунте (например возникновения полостей, трещин) есть вероятность разрушения подводного перехода и возникновения аварийной ситуации.

6. Метод «кривых»

Данный метод является комбинацией двух методов: наклонно-направленного бурения и микротоннелирования, но имеет важное отличие от наклонно-направленного бурения: при выполнении устройства дюкера методом «кривых» используются изогнутые трубы [13]. Это позволяет уменьшить радиус изгиба нефтепровода и, следовательно, сократить длину подводного перехода, что в свою очередь делает проект более экономичным и быстровыполнимым.

Дюкер при строительстве данным методом можно укладывать в любых грунтах благодаря использованию в качестве бура микрощита, за которым далее следует нефтепровод. Таким образом, все работы по укладке можно разделить на три этапа:

• подготовка к выполнению работ;
• строительно-монтажные работы по укладке трубопровода;
• этап демонтажа оборудования и проведения гидравлических испытаний нефтепровода.

7. Метод устройства дюкера с помощью реверсивного раскатчика скважин

Реверсивный раскатчик предназначен для осуществления проходки наклонных и вертикальных скважин в дисперсных уплотняемых грунтах, а также в грунтах с включениями крупнообломочных частиц.

Суть метода заключается в том, что сначала установка направленного бурения пробуривает лидерную скважину. Затем раскатчик расширяет скважину без помощи бентонитового раствора. Одновременно выполняется затягивание трубопровода (рис. 8).

Достоинства метода:

просадка грунта на поверхности невозможна;

отсутствие необходимости укрепления бетонитом, что значительно снижает стоимость выполнения работ по сравнению с методом наклонно-направленного бурения;

значительное снижение рисков повреждения затягиваемых труб благодаря гладким стенкам скважины, образуемой раскатчиком;

высокая точность проходки;

возможность использования метода в различных видах грунта.

 

Рис. 8. Схема расширения скважины и затягиваниев расширенную скважину нефтепровода:

1 – расширение скважины реверсивным раскатчиком; 2 – затягиваемый нефтепровод; 3 – уплотненная зона грунта

 

Сравнительный анализ методов устройства дюкеров

Критерий	Траншейный метод	Бестраншейный метод
Сезонность	Имеет ограничения, т. к. работы по рытью траншеи в зимнее время затруднительны	Возможна прокладка труб круглый год
Время строительства	Большое количество времени занимают земляные работы: рытье траншеи, устройство спусковой дорожки, засыпка траншеи, рекультивация нарушенных земель	Сроки выполнения работ, по сравнению с траншейным методом, могут быть сокращены до 20 раз, т. к. земляные работы отсутствуют
Влияние на экологию	Нарушение верхнего слоя почвы и дна водоема, вследствие чего гибнет растительность и животный мир	Практически безвредны для окружающей среды
Эффективность и надежность эксплуатации подводного перехода	При строительстве привлекается много техники, которая может создать не сразу заметный дефект подводному переходу, который в течение короткого времени может привести к аварии. При некачественной засыпке траншеи могут образовываться пустоты, в которых будет скапливаться вода, приводящая к коррозии трубопровода	При устройстве дюкера с помощью наклонно-направленного бурения может произойти размывание грунта, что приведет к коррозии. Но в любой схеме бестраншейного метода грунт не разрабатывается полностью, как в траншее, а значит, его плотность больше и меньше риск попадания воды
Стоимость работ	Высокая стоимость выполнения монтажа вследствие привлечения большого количества техники и рабочих на земляные работы	Требуется небольшое количество техники и рабочих бригад. Стоимость работ, по сравнению с траншейным методом, может снижаться до 50 %

 

Вывод. Более предпочтительным по критериям сравнения является бестраншейный метод. Но, тем не менее, выбор метода устройства дюкера должен выполняться индивидуально для каждого подводного перехода. Для этого необходимо провести анализ климатических, гидрологических и гидрометеорологических условий, технологических характеристик нефтепровода, технической оснащенности монтажной организации, экономических возможностей заказчика и других требований к подводному переходу. Главное – это обеспечение надежности подводного перехода и уменьшение возникновения рисков аварий и, как следствие, обеспечение надежной, эффективной и бесперебойной работы всей трубопроводной системы.

About the authors

Galina Nikolaevna Ryazanova

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: ryazanovagn55@mail.ru

Academy of Architecture and Civil Engineering, PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Technology of Construction Process Organization Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Yulia Yu. Churilina

Samara State Technical University

Email: q15.09.98@mail.ru

Academy of Architecture and Civil Engineering, Master’s Degree Student of the Faculty of Industrial and Civil Engineering

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files