Способы прокладки нефтепровода через водное препятствие

Методы строительства подводных переходов

Проблемы

При прокладке магистрального трубопровода через водные препятствия суши, прежде всего реки, необходимо обеспечить безопасное залегание трубопровода, как на дне, так и на береговых выходах. Обнажение трубопровода, связанное с изменениями рельефа дна и побережья, влечет за собой самые разнообразные опасности — это и критическая деформация, связанная с провисанием трубы, усиление внешней коррозии, внешние воздействия, в частности, во время ледохода или в результате деятельности плавсредств. В связи с этим необходимо просчитывать различные варианты прокладки трубопровода для минимизации возможных рисков.

Решения

Существуют три возможных метода прокладки трубопровода через водные преграды. Самый экзотический — это размещение трубопровода непосредственно в толще вод, либо на специальных опорах, либо на поплавках. Подобный вариант имеет смысл в случае прокладки временного трубопровода, либо трубопровода на большое расстояние, измеряемое километрами. Подобная система сложноприменима для перехода через реки с постоянным и иногда весьма быстрым течением.

На практике выбор делается между двумя другими методами форсирования водных преград — траншейным и бестраншейным. Траншейный метод подразумевает укладку трубы в траншею, выкопанную непосредственно в грунте, в защитном кожухе, в специальном канале, укрытые бетонными защитными плитами. Это наиболее традиционный способ организации подводного перехода.

Данный метод имеет очень долгий срок применения, существует множество практических наработок и технологических приемов. Одновременно существуют принципиальные недостатки данного метода. С точки зрения безопасности функционирования трубопровода, он заглубляется недостаточно, чтобы полностью исключить его размыв. С точки зрения строительства наносится значительный ущерб окружающей среде и, прежде всего, ихтиофауне, поскольку размывается грунтовая толща, выбрасывается в воду значительный объем мути и иногда химических загрязнений, таких как нефтепродукты.

По завершению строительства траншейным методом требуется проводить комплекс работ по рекультивации береговой зоны на большой площади, восстанавливать профиль берегов, благоустраивать территорию.

Бестраншейные методы строительства переходов лишены этих недостатков и ограничений. Основной принцип заключается в создании сквозного миниатюрного туннеля под руслом реки (или иной преградой), в котором и будет находиться трубопровод. Этот мини-туннель может быть создан различными способами: продавливанием или наклонно-направленным бурением, с расширением скважины и без.

Данный метод позволяет провести трассу на глубинах (от поверхности дна) полностью исключающую возможность размыва грунта вокруг трубопровода. На берегу возможна работа на достаточно ограниченных площадках. Поскольку нет работ на акватории, то прокладка переходов не мешает судоходству, рыболовству и не наносит ущерба окружающей среде. Существуют при этом определенные геологические ограничение ограничения по применению данного метода и по предельной длине переходов. Метод также требует применения специальной, дорогостоящей техники, однако, в сумме он оказывается выгоднее традиционных траншейных методов.

Источник

Современные методы строительства ППМН

Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естествен- ные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.

Проанализированы основные методы строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов (ППМН) через естественные и искусственные преграды, указаны преимущества и недостатки каждого из них, а также ограничения в их использовании.

Обеспечение стабильного функционирования, надежности и безопасности магистральных нефтепроводов входит в ряд первоочередных задач при их строительстве и эксплуатации любой трубопроводной системы.

С точки зрения эксплуатационной надежности МН к участкам с повышенным риском эксплуатации можно отнести переходы через естественные и искусственные преграды.

Повышенный риск эксплуатации любого подводного перехода по сравнению с основной частью магистрального трубопровода определяется не сколько вероятностью возникновения аварийной ситуации, сколько большими экологическими проблемами и экономическими затратами на устранение ее
последствий.

Сроки ликвидации отказов на ППМН во много раз превышают аналогичные показатели на сухопутной части нефтепроводов, а их ремонт по сложности и затратам сопоставим со строительством нового.
В настоящее время в системе ОАО «АК «Транснефть» эксплуатируется свыше тысячи ППМН общей протяженностью около 2 тыс км (включая пойменные участки).

Более 400 переходов представляют собой двух- и трехниточные конструкции, более 1200 сооружены траншейным методом, в том числе переходы через такие крупные реки, как Волга — протяженностью от 2300 до 8200 м (8 ниток), Енисей — 800 м (3 нитки), Обь — от 735 до 1230 м (14 ниток), Кама — от 830 до 5090 м (10 ниток).
При выборе места пересечения трубопроводом водных и других преград учитываются многие факторы: направление и особенности трассы, а также характеристики преграды. Например, в случае пересечения МН водной преграды — это тип руслового процесса, ширина и глубина водоема, водный режим, состояние береговых склонов, геологическое строение русла, берегов, поймы и пр.
При проектировании ППМН через водные преграды разработчики опираются на данные гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом специфики эксплуатации в данном районе ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, которые могут оказать влияние на режим водной преграды в месте перехода, планируемых дноуглубительных работ, а также на требования по охране водных ресурсов.

В мировой практике строительства ППМН наиболее широкое применение получили методы их прокладки, которые условно можно разделить на две группы: траншейные и бестраншейные.

Одним из самых распространенных методов строительства ППМН является траншейный метод (рис. 1). Он включает в себя подводную разработку траншеи специальной землеройной техникой (земснаряды, грунтососы, гидромониторы, скреперы и т. д.) и одновременно с этим подготовку дюкера (дюкер — часть магистральной трубы, проходящая через водную преграду, изолированная, обернутая футеровочной рейкой и утяжеленная пригрузами). Применяются три основных метода укладки трубопровода в подводные траншеи: протягивание по дну; погружение с поверхности воды трубопровода полной длины и укладка с плавучих средств и опор.
Каждый из перечисленных методов укладки имеет свои недостатки, основным из которых является большой объем подводно-технических и земляных работ, связанных с разработкой траншеи, однако при определенных условиях имеют ряд преимуществ. Чаще всего траншейный метод строительства подводных переходов применяется в случаях невозможности использования бестраншейных методов, характеризующихся рядом ограничений.

БЕСТРАНШЕЙНЫЕ МЕТОДЫ
В настоящее время широкое распространение получили бестраншейные методы строительства подводных переходов магистральных трубопроводов: наклонно направленное бурение, микротоннелирование, тоннелирование, вантовые и др.
При использовании бестраншейных технологий строительства подводных переходов отсутствуют недостатки традиционных методов, уменьшается неблагоприятное воздействие на окружающую среду, в том числе гидрологию водоемов, повышается надежность трубопровода.

Наклонно направленное бурение Строительство подводных переходов методом наклонно направленного бурения (ННБ), в зависимости от характеристик водных преград, технических характеристик используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров протаскиваемого трубопровода (длины криволинейного участка, диаметра и др.), осуществляется по различным технологическим схемам.

Общими для всех технологических схем являются основные этапы ННБ:
— бурение пилотной скважины;
— расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях;
— протягивание трубопровода в разрабатываемую скважину.

Данный метод позволяет обеспечить высокую надежность построенного объекта; сохранение природного ландшафта и экологического баланса в месте проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов; значительное уменьшение риска аварийных ситуаций и, как следствие, гарантию длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.
Применение ННБ имеет ряд ограничений: сложные инженерно-геологические условия, большая протяженность перехода и диаметр укладываемой трубы.
В России были построены единичные переходы протяженностью более 1000 м с диаметром труб не более 1020 мм. Основная масса построенных переходов диаметром труб 1020-1420 мм имеет протяженность не более 500-700 м. Другим ограничением метода ННБ являются сложные геологические условия: галечниковые грунты, грунты с включением валунов, карстовых полостей, скальные, илистые грунты. Эти факторы в совокупности с конструктивными параметрами буровых установок и технологии бурения определяют возможность или невозможность строительства того или иного объекта методом ННБ. Микротоннелирование Метод микротоннелирования (рис. 2) основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционного управляемого проходческого щита. Микротоннельный
щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.
Преимуществами микротоннелирования (так же как и метода ННБ) является отсутствие отрицательного воздействия на русловые процессы пересекаемой водной преграды; надежная защита руслового участка ППМН от размыва и высокая степень защиты трубопровода от механических повреждений, обеспечиваемая прокладкой трубопровода на глубине не менее 7 м от дна и значительно ниже линии предельного размыва русла реки; сохранение экологического баланса в месте проведения работ; отсутствие воздействия на режим судоходства и пр.
Однако микротоннелирование имеет следующие сложности при проходке:
— в трещиноватых доломитах есть большой риск заклинивания трубного става, в связи с относительно высокой прочностью породы и опасностью возникновения неравномерного горного давления;
— на границе перехода из прочных пород в зону карстового образования при малейшем отклонениищита от заданной траектории резко возрастают усилия продавливания всего трубного става (заклинивание), при превышении которых будет происходить разрушение секций трубного става;
— при преодолении карстовых участков возникает большая степень риска отклонения трубного става от проектной траектории прокладки микротоннеля, что повлечет за собой изменение проектного положения и расчетной схемы трубопровода;
— стандартная конструкция труб не предусматривает связи растяжения в стыках, поэтому заклинивание может привести к раскрытиюстыка и прорыва грунта вмикротоннель при проходке в слабых грунтах.
Тоннелирование

При сооружении ППМН тоннельным методом используют щитовую проходку защитного кожуха-обделки, состоящего из отдельных колец, которые, в свою очередь, собираются из блоков- сегментов (или тюбингов) под защитой проходческого щита. Для продвижения проходческого комплекса в конструкции щита предусматриваются щитовые домкраты, которые отталкиваются от каждого вновь собранного кольца обделки, тем самым разрабатывая грунт и освобождая место для монтажа следующего кольца обделки. При проходке тоннеля производится первичное и контрольное нагнетание, в результате которого заполняются возможные трещины и пустоты вокруг обделки тоннеля.
Преимущества тоннельного метода прокладки схожи с преимуществами метода микротоннелирования, но при сравнении этих двух методов оказывается, что у первого отсутствуют недостатки, присущие методу микротоннелирования. Тем не менее негативное воздействие на ППМН окружающего грунта, изменение инженерно-геологических условий, к примеру, образование или развитие карстовых полостей, может нарушить целостность сооружения и привести к серьезным экологическим последствиям. Во избежание возможных негативных последствий требуется разработка специальных мероприятий и технических решений, предотвращающих аварийные ситуации при строительстве и способствующих нормальной эксплуатации сооружения и сохранению окружающей среды.

ПОДВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ МН ВСТО
Целесообразность применения того или иного метода строительства ППМН определяется с учетом анализа всех возможных факторов, существенно влияющих нанадежность и безопасность трубопровода. Причем в рамках одного проекта строительства могут применяться практически все методыпрокладки ППМН. В этом плане показательным является реализация проекта нефтепровода ВСТО. Трубопровод пересекает около 530 водотоков, в том числе такие крупные реки, как Ангара, Лена, Алдан, Туолба, Чульман, Уда, Топорок, а также Усть-Илимское водохранилище и др.
Сооружение нефтепровода ведется в крайне сложных природно-климатических условиях, таких как заболачивание, наледи, карсты, криогенное пучение, оползневые участки, значительные температурные перепады (от -50 до +50 оС), в районах с повышенной сейсмичностью и наличием мерзлых грунтов.
Анализ характеристик естественных пересечений МН той или иной преграды, геологических условий и многих других факторов предопределил применение как траншейных, так и бестраншейных методов прокладки ППМН. Следует подчеркнуть,
что при проектировании объектов нефтегазотранспортных систем экологическая
составляющая в большинстве случаев является определяющим фактором при выборе
того или иного технического решения.
Технические решения по пересечению водных и других преград нефтепроводом ВСТО принимались применительно к каждому конкретному случаю.

ФОРСИРУЯ ЛЕНУ
Строительство ППМН ВСТО через р. Лену, а именно способ прокладки перехода, вызвало широкий общественный резонанс. После анализа всех возможных способов прокладки проектировщики выбрали траншейный способ строительства перехода через р. Лену как наиболее апробированный в разных грунтовых условиях и имеющий хорошо отлаженную
технологию строительства.
На подготовительном этапе проектирования ППМН проработали пять вариантов местоположения пересечения нефтепроводом р. Лены. В результате анализа вариантов был принят переход ниже г. Олекминска. Выбор створа перехода в данном месте реки обусловлен несколькими причинами, наиболее существенными из которых являются устойчивость русла, его прямолинейность и симметричная форма поперечного сечения, что свидетельствует об отсутствии условий для изменения положения русла и наилучшей
пропускной способности данного участка.
По результатам геологических изысканий установлено, что особенности геологических пород в пределах русла не позволяют осуществить строительство ППМН бестраншейными методами проходки.
В прибрежной и подрусловой части на глубине 10 м и более отмечено наличие карстовых проявлений, дресвяных и щебенистых грунтов. Проходка микротоннельного щита по сильнотрещиноватым породам создает избыточное давление, что ведет к чрезмерному нагружению и заклиниванию режущего инструмента. Эти же факторы являются ограничениями применения метода наклонно направленного бурения при строительстве данного перехода. Кроме того, отсутствует опыт строительства ППМН бестраншейными методами в данных природно-климатических условиях.
При траншейном методе прокладки трубопровод не попадает в зону карстового поражения, расположенную на глубине ниже 10 м, тем самым исключаются его просадка, оголение и провисы.
Для безопасности эксплуатации ППМН через р. Лену был разработан ряд технических решений:
— применение трубы из стали повышенной прочности с увеличенной толщиной стенки до 29 мм;
— диагностика сварных поперечных швов в объеме 200% радиографическим методом, 100-процентный контроль визуально-измерительным методом и 100-процентный ультразвуковой контроль.
Кроме того, был разработан специальный Регламент технической эксплуатации подводного перехода магистрального нефтепровода ВСТО через р. Лену, в котором определены требования по контролю за техническим состоянием ППМН при эксплуатации и природоохранные мероприятия, в том числе мониторинг состояния водного объекта, атмосферного воздуха и почвы, а также мероприятия, направленные на сохранение растительного сообщества и предотвращение развития возможных опасных экзогенных геологических процессов.

Из вышеизложенного следует, что принятый комплекс инженерно-технических мероприятий при траншейном способе прокладки подводного перехода через р. Лену гарантирует обеспечение экологической и промышленной безопасности эксплуатации нефтепровода в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации. Другие методы строительства подводного перехода в данных геологических условиях не
обеспечивают безопасного производства работ и эксплуатации перехода в дальнейшем.
Проект перехода получил положительное заключение экологической экспертизы, экспертизы промышленной безопасности, Ростехнадзора РФ, а также федеральных и
региональных органов власти.
Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность ППМН, что увеличит срок их безотказной работы.

Источник