способ ремонта провисающих и размытых участков подземного трубопровода

Формула изобретения

1. Способ ремонта провисающих и размытых участков подземного трубопровода, включающий вскрытие ремонтируемого участка трубопровода частями, углубление траншеи под ним на расчетную величину с последующим извлечением грунта, образование опорных и водозадерживающих перемычек, заполнение траншеи водой, срезку опорных и водозадерживающих перемычек, пригрузку и засыпку трубопровода, отличающийся тем, что траншею начинают разрабатывать по концам участка, образуют под трубопроводом приямки расчетной глубины и длины, заполняют приямки насыпным материалом с последующей разработкой траншеи до русловой части, выполняют водозадерживающие перемычки, ограничивающие русловую часть участка, отрывают водоотводный рукав с организацией водотока вне русловой части, а после разработки траншеи в русле производят ремонт изоляции трубопровода, срезают водозадерживающие перемычки с установкой пригрузки, а опорные перемычки срезают одновременно, затем восстанавливают русло с окончательной засыпкой траншеи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве насыпного материала используют песок или смесь песка и торфа с расчетным модулем деформации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и ремонта магистральных трубопроводов подземной прокладки на провисающих и размытых участках в руслах малых водных преград.

Известен способ ремонта провисающих и размытых участков подводного трубопровода, включающий вскрытие траншеи провисающего и прилегающих к нему участков трубопровода, подъем вскрытых участков, разработку траншеи расчетной глубины, укладку трубопровода на новые отметки с последующей засыпкой траншеи.

Подъем участка подводного трубопровода осуществляют под некоторым углом с обеспечением расстояния между точками подвеса для облегчения провисания трубопровода на размытом участке, устранения сил трения трубопровода о грунт, облегчения продольного перемещения трубопровода в сторону прилегающих к размытому участку и заглубления трубопровода по профилю вновь подготовленных траншей (см. а.с. 1711729, Мкл F 16 L 1/26. Опубл. 15.02.92).

Недостатком известного способа является то, что данный способ содержит операцию подъема провисающего и прилегающих участков с использованием трубоукладочной техники с распределением усилия подъема под углом, что затрудняет выполнение работ на трубопроводах большого диаметра и значительной протяженности размытых и провисающих участков.

Известен другой способ ремонта провисающих и размытых участков трубопровода, взятый нами в качестве прототипа, включающий вскрытие ремонтируемого участка трубопровода, углубление под ним траншеи, последующую его укладку на новые отметки и засыпку грунтом, при этом для заглубления криволинейного участка трубопровода на размытом участке вскрывают его и прилегающие к нему участки трубопровода противоположной и идентичной кривизны. Раскрытие прилегающих участков выполняют частями, равными длине горизонтальной линии пересечения горизонта воды от верха обваловки нижней части участка с точкой будущей траншеи в направлении ее подъема, роют вдоль трубопровода траншею глубже проектной с увеличением раскрытия плеч в обе стороны и с последующим извлечением грунта из-под трубопровода по участкам, обеспечивающим допустимый радиус изгиба трубопровода, лежащего на двух опорах, заполняют траншею с перемычками водой, выбирают промежуточные опорные перемычки, удлиняя свободный пролет трубы, находящейся в воде. С обоих концов прилегающих участков производят подрезку перемычек поэтапно на глубину верхних перемычек к руслу размытого участка. При окончательной срезке перемычек, ограничивающих русловую часть, производят пригрузку трубопровода от центра размытого участка в обе стороны с последующей засыпкой траншеи (см. патент 2081366, МПК F 16 L 1/26. Опубл. 10.06.97. Бюлл. 16).

Недостатки способа, принятого в качестве прототипа, состоят в следующем. Во-первых, данный способ требует значительных затрат энергии и времени для закачки воды в траншею выше естественного горизонта. Во-вторых, необходимо обеспечить водонепроницаемость траншеи на уклонах с целью сохранения уровня закачиваемой воды, что потребует дополнительных трудозатрат. В-третьих, заглубление трубопровода вызывает повышение изгибающих моментов в его теле, достигающих максимальной величины на концах подсаживаемого участка, что снижает надежность трубопровода при эксплуатации. В-четвертых, по прототипу затруднен ремонт противокоррозионной изоляции, поврежденной на русловом участке трубопровода, так как этот участок частично или полностью расположен в воде. В-пятых, излишнее обводнение грунта по всей длине траншеи ухудшает структурную прочность грунта, а движение потоков воды по уклонам при срезании водозадерживающих перемычек размывает дно траншеи, изменяя его профиль от расчетного очертания, что при укладке трубопровода вызывает в нем нерасчетные напряжения изгиба и снижает его эксплуатационную надежность.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности трубопровода с одновременным снижением затрат на ремонт.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе ремонта провисающих и размытых участков подземного трубопровода, включающем вскрытие ремонтируемого участка трубопровода частями, углубление траншеи под ним на расчетную величину с последующим извлечением грунта, образование опорных и водозадерживающих перемычек, пригрузку и засыпку трубопровода, траншею начинают разрабатывать по концам участка, образуют под трубопроводом приямки расчетной глубины и длины, заполняют приямки насыпным материалом с последующей разработкой траншеи до русловой части, выполняют водозадерживающие перемычки, ограничивающие русловую часть, отрывают водоотводный рукав с организацией водотока вне русловой части, а после разработки траншеи в русле производят ремонт изоляции трубопровода, срезают водозадерживающие перемычки с установкой пригрузки, а опорные перемычки срезают одновременно, затем восстанавливают русло с окончательной засыпкой траншеи, причем в качестве насыпного материала используют песок или смесь песка и торфа с расчетным модулем деформации.

Заявителю не известны из патентной и научно-технической информации следующие признаки изобретения:

- траншею начинают разрабатывать по концам участка и образуют под трубопроводом приямки расчетной глубины и длины, заполняют приямки насыпным материалом с последующей разработкой траншеи до русловой части;

- выполняют водозадерживающие перемычки, ограничивающие русловую часть участка;

- отрывают водоотводный рукав с организацией водотока вне русловой части, а после разработки траншеи в русле производят ремонт изоляции трубопровода;

- срезают водозадерживающие перемычки с установкой пригрузки, а опорные перемычки срезают одновременно, затем восстанавливают русло с окончательной засыпкой траншеи;

- в качестве насыпного материала используют песок или смесь песка и торфа с расчетным модулем деформации.

Суть способа ремонта представлена на фиг.1-4. На фиг.1 приведен профиль ремонтируемого участка трубопровода в двух положениях: 1 - до ремонта, 2 - после ремонта, причем до ремонта трубопровод находится в русле водной преграды 3. В положении 1 трубопровод опирается на перемычки 5 и водозадерживающие перемычки 6. Под трубопроводом проходит водоотводный рукав 7. В концевых сечениях трубопровода имеются приямки 8, заполненные насыпным материалом 9 с заданными свойствами. На фиг.2 показан вид сверху с очертанием русла водной преграды 10, водоотводного рукава 7 и защитной дамбы 11. На фиг. 3 представлено поперечное сечение участка трубопровода с насыпным материалом, на фиг.4 - фрагмент профиля трубопровода с приямком 8 и насыпным материалом 9.

Подсадку размытого участка подземного трубопровода осуществляют следующим образом. С помощью геодезических приборов измеряют профиль начального положения 1 оси трубопровода (фиг.1). Задают необходимую величину заглубления f трубопровода в русле водной преграды 10 и производят расчет параметров подсадки, определяя длину участка, отметки дна траншеи в положении 2 трубопровода, силовые факторы, воздействующие на трубопровод в концевых сечениях. Определяют размеры приямка 8 - длину, глубину, деформационные характеристики насыпного материала (коэффициент постели, модуль деформации при сжатии) и эффект снижения напряжений.

Рытье траншеи 4 начинают с концевых участков (т. О и К), образуя приямки 8, которые сразу заполняют насыпным материалом 9 - песком или смесью торфа с песком. Далее траншею разрабатывают на глубину расчетного положения 2 трубопровода, образуя опорные перемычки 5, расстояние между которыми определяют расчетом исходя из максимального использования резервов прочности трубопровода на изгиб. При подходе к русловой части участка 10 (фиг.2) образуют пару водозадерживающих перемычек 6. Затем копают водоотводный рукав 7 с устройством защитной дамбы 11 и организуют отвод воды из русла 10 в рукав 7 с переходом под трубопроводом 1 и далее снова в русло водной преграды 10 (фиг. 2). Разрабатывают траншею в русле 10, ремонтируют или заменяют поврежденную изоляцию. Срезают водозадерживающие перемычки 6, вода из рукава 7 заполняет траншею с уровнем горизонта 3 на длине LM (фиг.1). На образованный обводненный участок трубопровода устанавливают утяжеляющие пригрузы (на фиг.1-4 не показаны), компенсирующие плавучесть трубопровода, после чего одновременно срезают опорные перемычки 5, трубопровод при этом плавно погружается в воду, количество пригрузов (не показаны) увеличивают по мере увеличения длины погруженного в воду участка трубопровода. Крайние верхние участки OL, ОМ 5 также плавно садятся на дно траншеи, при этом насыпной материал 9 сжимается, равномерно распределяя нагрузку по длине приямка 8, снижая тем самым изгибающий момент и перерезывающую силу в концевых сечениях О, К. После посадки трубопровода на дно траншеи по всей длине восстанавливают русло водной преграды и засыпают траншею грунтом.

Ремонт по данному способу позволяет привести ремонтируемый участок магистрального трубопровода в соответствие с требованиями СНиП 2.05.06-85 для подземной прокладки, кроме того, не требуется стравливать газ в атмосферу и разрезать трубопровод. По сравнению с прототипом повышается надежность эксплуатации трубопровода за счет снижения напряжения в концевых его участках и ремонта противокоррозионной изоляции в русловой части участка за счет временного отвода водотока. Кроме того, не требуется создавать водозадерживающих перемычек более двух и перекачивать воду вверх по траншее.

Пример

Методика расчета подсадки приведена в работе "Аналитическое и экономическое обоснование метода подсадки по безвырезной технологии ремонта МГ/Ж." Газовая промышленность. - 1995 г, 2. - с.31. Использован энергетический подход. Исходные данные: труба 1420 х 16,5 мм, предел текучести _т = 470 МПа, начальный прогиб f=12,5 м, требуемое заглубление в русле f=2 м, распределенная нагрузка q=0,5q_тр=0,55700 Н/м=2850 Н/м. В результате расчета получено, что длина подсадки l=506 м. Профиль подсадки аппроксимирован синусоидой. Расчет прочности подтверждает соответствие участка СНиП 2.05.06-85.

Расчетные напряжения от продольной силы, изгибающего момента и внутреннего давления газа в соответствии с нормами СНиП 2.05.06-85 для строящегося трубопровода не учитывают вклад локальных напряжений в плоскости поперечного сечения за счет его овализации или некоторого сплющивания при воздействии перерезывающей силы Q, равной



Под воздействием этой силы, а также изгибающего момента М₀ концевые сечения участка перемещаются вниз на величину w₀ (Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. - М.: Недра. - 1973, с.162), равную



где - коэффициент, 1/м;

k₀ - коэффициент постели грунта, Н/м³;

D_н - наружный диаметр трубопровода, м;

EJ - изгибная жесткость трубы, Нм².

Для рассматриваемого примера величина М₀ на два порядка ниже, чем ql/2, поэтому формулу (2) для простоты представляем в виде



Нижний предел коэффициента k₀ для грунтов ненарушенной структуры составляет порядка k₀=310⁶ Н/м³=3 МПа/м. Подставляя в (3) эту величину, а также найденные значения Q=7,210⁵ Н, =0,13 1/м, получим

w₀=(20,137,210⁵)/(310⁶1,42)=0,044 м.

При осадке w₀=0,044 м на единичное кольцо трубы в концевом сечении будет действовать давление грунта, равное P_гp=k₀w=310⁶0,044=1,3210⁵ Н/м². При сжатии кольца равномерной пригрузкой q= Р_грl₀=1,3210⁵1=1,3210⁵ Н/м в нем возникнет изгибающий момент M_max=0,25qR²=0,251,3210⁵0,71²=1,6510⁴ Нм, вызывающий напряжения = M/W= 1,6510⁴/(4,5410^-5)=3,6410⁸ Н/м²=364 МПа.

Здесь величина W определяется для сечения стенки трубы в виде полосы длиной 1 м и толщиной 0,0165 м.

Уровень напряжений составляет 77% предела текучести стали Х-70 и будет сохраняться в процессе эксплуатации, что снижает надежность трубопровода.

При использовании изобретения данные напряжения снижаются. Ставим задачу уменьшить напряжения в 1,5 раза. Задаемся длиной приямка b=10 м (фиг.4). Осадка w₀₁=w₀/1,5=0,029 м. Угол поворота в сечении (т. О) равен ₀₁ = w₀₁ = 0,0290,13 = 3,7710^-3, осадка w₀₂ = w₀₁+₀₁b = 0,029+3,7710^-310 = 0,067 м.

Коэффициент постели k₀₂ насыпного материала 9 (фиг.4) определяется по выражению



где - часть перерезывающего усилия, воспринимаемого насыпным материалом, Н;

w_0cp=0,5(w₀₁+w₀₂) - усредненная осадка трубопровода в приямке, м.

Подставляя в (5) Q₀₂=0,029/0,0447,210⁵=4,710⁵ Н; w_0ср= 0,5(0,029+0,067)=0,0365 м; b=10 м; D_н=1,42 м, получим k₀₂= 4,710⁵/(0,0365101,42)=9,0710⁵ Н/м³=0,9 МПа/м.

Отношение k₀/k₀₂=3/0,9=3,33, т.е. применяется более податливый материал, чем грунт ненарушенной структуры. В качестве такого материала может быть разрыхленный грунт обратной засыпки - торф, песок, смесь песка с торфом без уплотнения.

Глубина приямка h зависит от модуля деформации материала Е_гр и коэффициента постели k₀₂ и в первом приближении определяется зависимостью

h=E_гр/k₀₂ (6)

Если выбрать в качестве засыпки торф с модулем деформации Е_гр=1 МПа, то h= 1/0,9= 1,1 м. Величина h отсчитывается от низа трубы до дна приямка, а засыпается торф до середины сечения трубы. В сечении с осадкой w₀₂ на кольцо трубы будет воздействовать давление торфа P_гр=k₀₂w₀₂=0,90,067=6,0310^-2 МПа= 6,0310⁴ Н/м², что в 2,19 раза меньше, чем в концевом сечении, следовательно, и напряжения также будут меньше во столько же раз.

Максимально возможное расстояние между опорными перемычками определяется по формуле



где k_н=1,1 - коэффициент надежности;

q_тр=5700 Н/м - весовая нагрузка трубопровода;

l_оп - расстояние между опорами;

W=0,0252 м³ - момент сопротивления сечения трубы.

Из (7) находим



Количество пролетов выбирается нечетным, чтобы русловая часть оказалась симметрично расположенной относительно опорных перемычек 5. Выбираем пять пролетных расстояний с длиной пролетов l=101,2 м, четыре опорных перемычки 5 при двух концевых защемлениях, играющих роль крайних опор (т. О и К).

Водная преграда шириной 20 м располагается посередине между опорными перемычками. Также между ними симметрично располагаются две водозадерживающие перемычки, ограничивающие русловую часть. Расстояние между центрами этих перемычек порядка 25 м.

Эффект изобретения проявляется в следующем. За счет использования на концевых частях подсаживаемого участка приямков с более податливым грунтовым основанием удается снизить напряжения в трубопроводе в процессе ремонта и эксплуатации в 1,5 раза. В результате временного водоотвода из русловой части участка газопровода значительно упрощается ремонт поврежденной изоляции. Плавность укладки трубопровода в углубленную траншею достигается сначала одновременным срезанием водозадерживающих перемычек с постепенной установкой утяжеляющих пригрузов на трубопровод по мере его погружения в воду, а затем одновременным срезанием опорных перемычек с дальнейшей установкой пригрузов на погружаемую в воду часть трубопровода. Плавности подсадки на концах участка способствует сжимаемый насыпной грунт в приямках.