Сегодня идущие в мире процессы выдвигают перед Россией стратегическую задачу становления одним из полицентричных образований мировой экономики направленное на разумное освоение территорий Сибири, Крайнего Севера и Арктики, и других, приравненных к ним Российских территорий на суше и на море, концентрирующий в себе 2/3 планетарных природных ресурсов, не только в виде углеводородов, но и полиметаллов. Поэтому создание и поддержка надежных и устойчивых, но в то же время гибких и легко приспосабливающихся к изменению условий мировых или региональных систем снабжения различными видами нефтегазового минерального сырья становится в настоящее время одной из наиболее актуальных политических, экономических и научно-теоретических задач. Она включает необходимость научно обоснованного решения таких задач, как достижение равновесия между потребностями экономического развития и возможностями природы поставлять необходимые для этого ресурсы, способность экосистем «переваривать» отходы и загрязнения и обеспечивать жизнедеятельность человека. Обеспечение эксплуатационной надежности трубопроводной системы подземного расположения, от которого в дальнейшем необходимо отказаться как неэффективный, что эта система находится в состоянии бифуркации (раздвоения) имеет неоднозначный эволюционный путь развития для данного региона. В найденных несоответствиях необходимо находить новые научно-практические направления развития нефтегазовой отрасли в условиях Сибири, Крайнего Севера и Арктики. В противном случае, что сегодня мы наблюдаем, следует стагнация, разрушение и гибель экосистемы приводящее к изменениям среды обитания человека.
Подземная прокладка и эксплуатация трубопроводов в Западной Сибири и Крайнего Севера в сложнейших инженерно-геологических условиях, со структурными изменениями свойств болот и грунтов со множествами факторами, из-за цикличности деградационных и метаморфических процессов, обусловили высокие нагрузки на трубопроводы, влияющие на поддержание высоконадежной работы.
Исследование проведенные авторами в полевых условиях, а также анализ результатов космической диагностики территорий Западной Сибири и Крайнем Севере показали, что более 48% территории покрыто болотами 3-его типа, 23 % водными переходами, остальные многолетнемерзлыми грунтами с глубокими сезонными промерзаниями (>3,0м).
В этих условиях при поиске оптимальной трассировки трубопроводов и вдольтрассовых дорог при обходе выше приведенных препятствий, завышают протяженность прохождения трасс на 43%, тем самым создаются сложные конфигурации сети нефтегазопроводов, что в свою очередь дополнительно факториально увеличивает отказ работы всей системы. На основе проведенных исследований диагностики отказов в магистральных нефтегазопроводах Западной Сибири и Крайнего Севера, построены диаграммы, где наглядно отражаются эти ситуации (рис.1).
Анализ распределения отказов на магистральных нефтегазопроводах показал, что число аварий линейной части в значительной мере зависит от степени заболоченности территории, от водных переходов и конфигурации.
Поэтому при подземной прокладке трубопроводов с низкими несущими способностями болот 3-его типа с циклично меняющими структурными свойствами (внешними и внутренними силовым, влажностным, химическим, коррозионным, биологическим и другими системными элементами), из-за неустановившихся деградационных и метаморфических процессов болот, в обводненных участках, вечномерзлых грунтах и в грунтах с глубоким сезонным промерзанием происходят значительные перемещения трубопроводов, с потерей продольной устойчивости и выходом их на поверхность, с образованием арок и их конфигурации.
Все это меняет напряженное состояние трубопроводов и приводит к завышению напряжений в 3 - 4 раза относительно нормативных. Эти системные параметры вызывают необходимость корректировки расчетных схем и прочностных расчетов для определения НДС, подбора соответствующих материалов, обусловленного нагрузками и воздействиями исходя из предельных.
Таким образом, высокая степень неопределенности факторов их нагружения, учет условия эксплуатации всей конструкций, наукаемкость моделирования происходящих процессов при подземной прокладке, а также технологическая сложность доставки используемых забивных свай, опор и пригрузов, предопределили выделение большого количество не решенных научно-методологических, теоретических и конструкторско-технологических проблем.
На наш взгляд решение такой сложной комплексной, системной задачи без изменения принципа проектных решений, методологии строительства по новой конструктивно-технологической схеме без применения новейших материалов, изменении ГОСТа и ВСН невозможно эволюционизировать уровень эффективного, надежно управляемого, круглогодичного строительства трубопроводов различного назначения в условиях Сибири, Крайнего Севера и Арктики, это аксиома, на основе которой предлагается новый подход к решению ключевых проблем.
Предлагаемая новая технология, подчинена закону: «растеплять-вскрывать» мерзлоту нельзя, качать холодную замерзшую нефть также нельзя, переходить на перекачку сжиженного газа нужно, а строить трубопровод на опорах очень дорого. Но строить надо, поэтому данная научная проблема является новой, и остается как одной из важнейших приоритетных комплексных направлений оптимизации и механизации при организации круглогодичного строительства трубопроводного транспорта в условиях Сибири, Крайнего Севера и Арктики, что приведет к уменьшению приведенных затрат, повышению надежности, обеспечению доступности к трассы круглый год. Такая новая технология на 95% позволяет поддерживать заданную технологическую температуру перекачиваемого продукта.
Следовательно, впервые, создаются:
- условия доведения уровня автоматизации производства композиционных понтонов до степени компьютерных систем, а также укладки трубопроводов на теле универсальной дороги из понтонных модулей с использованием универсального автоукладчика без вскрышных работ;
- организацию комплекса подготовки производства для сварки трубопроводов в автоматизированном режиме при контролируемом качестве сварочного процесса в модульных помещениях.
Такой комплексный подход исключит варварское строительство вдольтрассовых дорог и обеспечит минимизацию экологических воздействий на окружающую хрупкую среду не на декларативном уровне, а реально. Поэтому комплексное решение проблемы круглогодичного строительства в заболоченной местности зависит, прежде всего, от оптимальных проектных решений, внедрения прогрессивных форм организации работ, применения новых средств механизации и внедрения новых специальных робототехнических средств технологий.
Решение задачи создания трубопроводостроительного комплекса полного цикла связано со значительными трудностями теоретического плана, технической и конструктивной сложностью разработок и отсутствием опыта в деле их практической реализации. Вследствие этого, теоретические разработки в данном направлении носили поэтапный характер.
Все вновь создаваемые варианты комплексов полного цикла для круглогодичного строительства на болотах, обводненных участках должны отвечать следующим основным требованиям: обеспечивать работу в летний период на болотах всех типов и обводненных участках; иметь конструктивное исполнение, обеспечивающее работу с существующими тяговыми средствами; обладать необходимой остойчивостью при выполнении технологических операций и запасом плавучести при номинальной нагрузке (для комплексов, базирующихся на платформах-волокушах и платформах с воздушной разгрузкой); обеспечить выполнение работ по полному технологическому циклу.
В связи с вышеизложенным, целью является сооружение принципиально новой комбинированной понтонной дороги, изготовленной из композитных материалов стандартных размеров, собранных в единую «дорожку» со свойствами понтона с установлением специальных металлических колей по всей длине трассы, связанной тросами вдоль и поперек для постелирования трубопроводной системы.
Достоинством предлагаемого метода строительства и эксплуатации трубопроводной системы является:
1. Строительство плавающей, трубопроводно-транспортной системы может осуществляться в любое время года (используется схема наращивания понтонов);
2. Устойчивость системы в пространственном положении, т.е. обеспечение надежности по абсолютной величине;
3. Высокая экологичность, т.к. сведен к минимуму объем земляных работ и воздействие на экосистему;
4. Возможность создания вдольтрассовой ЛЭП и линий телекоммуникаций в кабельном варианте;
5. Свободный доступ к трубопроводу для проведения профилактических, диагностических и ремонтных работ;
6. Минимальные коррозионные воздействия на трубопроводную систему за счет использования композитных экранов.
Сооружение в целом, а также отдельные его элементы и сопряжения рассчитали на самое неблагоприятное сочетание возможных нагрузок. Пролетные строения понтонных модульных дорог с трубопроводами должны быть устойчивыми против опрокидывающего действия ветра, сжатые элементы от льда должны быть прочными на продольный изгиб и выдерживать ледоход.
Требования к жесткости сооружения заключаются в том, чтобы деформации его под действием нагрузок не превышали допустимых величин. На практике иногда гибкие конструкции наземных трубопроводов подвергаются значительным вибрациям под действием ветра или пульсации транспортируемого продукта.
С точки зрения расчета на прочность и жесткость понтонных модульных дорог с трубопроводами любого назначения представляет собой стержневую систему, как правило, многократно статически неопределимую [1,2]. Эта система может быть плоской или пространственной, состоящей из ряда участков, границами которых служат неподвижные опоры или колодцы.
В нашем случае через заданное расстояние будут установлены специальные технологические колодцы, которые предназначены для регулирования положения трубопровода при изменении уровня грунтовых вод. Тросы, проходящие сбоку и снизу понтонов, входят в колодец через специальные отверстия и наматываются на барабаны с помощью двигателя с редуктором (рис. 3 и 4).
Технологический колодец доставляется на трассу в виде цельного, укомплектованного оборудованием блока модульного типа. При монтаже блока технологического колодца (БТК) необходимо обеспечить целостность конструкции, предотвратить попадание внутрь блока воды, грязи и пр.
Параллельно с работами по монтажу БТК в проектное положение произвести установку анкеров. Приняты в качестве анкеров выстреливаемые анкеры, которые позволяют проводить их заглубление в подстилающий грунт до 5 м независимо от мощности торфяного слоя. Погружение анкеров в грунт осуществляется с помощью специальных установок на гусеничном ходу повышенной проходимости.
Далее представлен пример выполненного проекта по строительству дорожной постели понтонного типа из модулей с использованием «сороконожки», связанных в виде неразрезного ванта, для проезда техники и укладки трубопровода, как показана на рис. 5 а, б, в, г.
На понтоны, выполненные в виде модуля из композитных материалов, имеющих внутри силовой каркас, и собранных в виде ванта, монтируется две колееобразующие направляющие, типа «швеллера», обращенные полками вверх. Ширина колей имеет такой размер, чтобы по этим направляющим могла пройти строительная и ремонтная техника (трубоукладчик «сороконожка») и при необходимости автомобильный транспорт.
Количество модулей определяется, исходя из несущей способности самого модуля и исходя из нагрузки, которая будет приложена на понтонное основание (постоянная нагрузка от веса трубопровода и временная нагрузка от веса автоматизированного трубоукладчика при сооружении, ремонте и обслуживании трубопровода) рис. 6 и 7.
Таким образом, на болотах с высокой степенью обводненности будет создана плавающая трубопроводная система на основе понтонных модулей исключающая необходимость дополнительного строительства вдольтрассовой дороги для движения техники в прямом и в обратном направлении с противоположной стороны трубопроводного строительства [3,4,5].
Предлагаемый автоматизированный монтажно-укладочный комплекс также способен производить сварочно-монтажные и изоляционные работы в закрытых модульных зданиях при любых природно-климатических и гидрогеологических условиях строительства.
Реализация разрабатываемого технического предложения обеспечит долговременный, надежный, экологически чистый и экономически выгодный вариант природопользования трубопроводных систем, как в нашей стране, так и в других странах.
Литература:
1. Власов, В.З. Тонкостенные упругие стержни / В. З. Власов - М.: Физматгиз, 1959. - 568 с.
2. Вольмир, А. С. Гибкие пластинки и оболочки / А. С. Вольмир - М.: Госиздат, 1956. - 420 с.
3. Мерданов, Ш. М. Снеголедовые дороги: исследования, конструкции, технология строительства, механизированные комплексы / Ш. М. Мерданов - Тюмень, ТюмГНГУ, 2006. - 160 с.
4. Рябков, А. В. Разработка новой технологии укладки трубопроводов на композиционных понтонных модулях в условиях Сибири и Крайнего Севера// А. В. Рябков, В. А. Иванов, А. Ф. Закураев - Тюмень, «Тюменский дом печати», 2014. - 391с.
5. СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов).
6. СНиП 3.04.03-85 Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии.
