Совершенствование методики расчета устойчивости положения подводных переходов магистральных трубопроводов

Ключевые слова: магистральный трубопровод, подводный переход, траншейный метод строительства, устойчивость против сдвига, боковая устойчивость, коэффициент боковой устойчивости, аллювиальные участки рек горно-предгорной зоны.

К подводным переходам магистральных трубопроводов относятся участки трубопроводов, проложенные через естественные или искусственные водоемы (реки, озера, водохранилища), которые соответствуют следующим критериям: ширина по зеркалу воды в межень превышает 10 метров при глубине более 1,5 метра либо ширина по зеркалу воды в межень составляет 25 метров и более независимо от глубины. Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов – одна из главных задач трубопроводного транспорта, которая решается путем обеспечения устойчивости положения подводного трубопровода.

Актуальность обеспечения устойчивости положения подводного трубопровода возрастает при проектировании и строительстве подводных переходов трубопроводов, проложенных траншейным методом на аллювиальных участках рек горно-предгорной зоны, представляющих собой зоны русел, долин и пойм, сформировавшиеся в результате переноса и отложения обломочных пород (гальки, гравия, песка, валунов) водными потоками. Согласно [1], для строительства подводных переходов магистральных трубопроводов на аллювиальных участках рек горно-предгорной зоны рекомендуется траншейный метод, однако воздействие гидродинамических нагрузок на подводный трубопровод на таких участках, построенных траншейным методом, может возрастать из-за высокой скорости течения, что приводит к размыву грунта и оголению трубопровода, создавая предпосылки для потери его устойчивости. Данные статистики свидетельствуют, что аварии на подводных переходах магистральных трубопроводов через горные реки составляют от 20 до 25 % от всех инцидентов на подобных участках. При этом анализ существующих отечественных методик расчета устойчивости положения подводных переходов показывает, что они в основном ориентированы на оценку устойчивости против всплытия (например, методика расчета, приведенная в [2]), тогда как вопрос определения устойчивости против сдвига, то есть боковой устойчивости, не регламентирован, что обусловливает необходимость совершенствования существующих методик расчета.

Так, например, в методике расчета, приведенной в [2], устойчивость положения (против всплытия) трубопровода определяется по условию, в котором сравниваются суммарная расчетная нагрузка, действующая вверх, включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом, и суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз, включая массу трубопровода с учетом коэффициента надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия. значение которого зависит от типа и ширины водоема:

. (1)

где – суммарная расчетная нагрузка на трубопровод, действующая вверх, включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом, Н;

– суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз (включая массу – собственный вес), Н;

– коэффициент надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия.

Влияние течения реки и волновых воздействий в данной методике учитывается косвенно – через выбор параметров балластировки, глубины заложения и конструктивных решений, но отдельного критерия боковой устойчивости, ориентированного на ограничение поперечных смещений трубопровода по дну, не предусматривается.

Методика, изложенная в [3], уточняет расчет устойчивости положения против всплытия для речных условий и прямо указывает на необходимость учета вертикальной (против всплытия) и горизонтальной (против сдвига) составляющих гидродинамического воздействия потока воды на трубопровод при его укладке в подводную траншею. Горизонтальную составляющую гидродинамического воздействия потока воды предлагается рассчитывать в зависимости от гидродинамического коэффициента обтекания трубы водным потоком и средней скорости течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, а также с учетом силы трения трубопровода о грунт при поперечных перемещениях. Однако даже в данной методике расчета горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды рассматривается как часть общей задачи удержания трубопровода в траншее, а не как отдельный критерий боковой устойчивости подводного трубопровода (против сдвига) с явным контролем допустимых смещений, как, например, в зарубежной методике [4], в которой потеря вертикальной и боковой устойчивости подводного трубопровода рассматриваются как два самостоятельных предельных состояния, для каждого из которых вводятся коэффициенты использования, что позволяет однозначно формулировать требования к минимально необходимому приведенному весу трубопровода и допустимым смещениям.

Для подводных переходов магистральных трубопроводов через реки горно-предгорной зоны проверка боковой устойчивости имеет принципиальное значение, потому что деформации русла и размыв грунта под воздействием высокой скорости течения, особенно во время весенних паводков или разлива рек вследствие выпадения большого количества осадков, способны резко снизить удерживающую способность грунта, что ведет к появлению оголенных участков подводного трубопровода, испытывающих сильное боковое гидродинамическое воздействие. При таких обстоятельствах исключительно проверки устойчивости против всплытия подводного трубопровода недостаточно, так как появляется риск бокового смещения трубопровода.

На основании вышеизложенного направление совершенствования методики расчета устойчивости подводных переходов магистральных трубопроводов можно сформулировать следующим образом:

• проверку устойчивости положения (против всплытия) трубопроводов по [2, 3] сохранить как критерий вертикальной устойчивости, обеспечивающий недопущение всплытия трубопровода на обводненных участках;

• на основе принципов [4] ввести понятие боковой устойчивости и разработать условие для проверки боковой устойчивости подводного трубопровода, в котором горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды сопоставляется с удерживающей способностью грунта основания и силой трения трубы о грунт при поперечных перемещениях;

• ввести коэффициент боковой устойчивости и разработать зависимость для его расчета.

При проверке устойчивости положения (против всплытия) трубопровода необходимо учесть, что вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды действует в направлении, совпадающем с направлением выталкивающей силы воды, поэтому предлагается включить данный параметр в состав активных нагрузок. Тогда для расчета на единицу длины трубопровода условие устойчивости положения (против всплытия) трубопровода может быть представлено в виде

, (2)

где – расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод, Н/м;

– расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопровода, Н/м;

– вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды на единицу длины трубопровода, Н/м;

– коэффициент надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия;

– расчетная нагрузка от веса трубы, Н/м;

– расчетная нагрузка от веса продукта, Н/м;

– расчетная интенсивность балластировки, Н/м.

Вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока на единицу длины трубопровода определяется по формуле [3]

, (3)

где – гидродинамический коэффициент подъемной силы;

– средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, м/с;

– наружный диаметр трубопровода с учетом изоляционного покрытия и футеровки, м.

Запись предлагаемой нами формулы (2) сохраняет структуру нормативного условия (1), однако уточняет состав активной нагрузки за счет учета вертикальной составляющей гидродинамического воздействия потока воды, поскольку она оказывает влияние на уменьшение запаса устойчивости против всплытия аналогично выталкивающему действию воды.

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды вызывает смещение трубопровода по направлению течения. Следовательно, условие боковой устойчивости должно быть сформулировано как сопоставление горизонтальной составляющей гидродинамического воздействия потока воды и удерживающих сил, препятствующих смещению трубопровода. В общем виде предлагается записать это условие как

, (4)

где – горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды;

– сила трения трубопровода о грунт при поперечных перемещениях;

– удерживающая способность грунта основания.

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока воды, приведенная к единице длины трубопровода, определяется расчетной зависимостью [3]

. (5)

где – гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком.

Сила трения трубопровода о грунт может быть определена по формуле

(6)

где – коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях трубопровода.

Тогда условие боковой устойчивости принимает вид

(7)

Введенное в правую часть данного выражения слагаемое отражает удерживающую способность грунта основания, необходимость учета которой предусмотрена [2] при расчете устойчивости положения (против всплытия) трубопроводов, прокладываемых на обводненных участках.

Для оценки устойчивости положения трубопровода против сдвига (боковой устойчивости) целесообразно представить условие (7) в виде

(8)

где – коэффициент боковой устойчивости, который определяется как отношение суммы удерживающих подводный трубопровод сил к сдвигающим.

Боковая устойчивость подводного трубопровода обеспечивается, если коэффициент боковой устойчивости

Если же , это свидетельствует о недостаточной боковой устойчивости трубопровода и необходимости увеличения интенсивности балластировки, изменения глубины заложения либо применения дополнительных конструктивных мероприятий по закреплению трубопровода.

Таким образом, на основании изложенного предлагается использовать для подводных переходов магистральных трубопроводов усовершенствованную методику, включающую две обязательные проверки устойчивости положения трубопровода. Первая проверка выполняется по условию устойчивости против всплытия с учетом вертикальной составляющей гидродинамического воздействия потока воды по условию (2). Вторая проверка выполняется по условию боковой устойчивости (7) или с использованием коэффициента боковой устойчивости по условию (8).

Из условия предельного равновесия определяется минимально необходимая интенсивность балластировки трубопровода

. (9)

В данной работе проведен сравнительный расчет устойчивости подводного перехода магистрального нефтепровода «Тихорецк – Туапсе-2» по действующей и усовершенствованной методикам.

Для расчета использовались следующие исходные данные:

Наружный диаметр трубопровода мм;

Наружный диаметр трубопровода с учетом изоляционного покрытия мм;

Наружный диаметр трубопровода с учетом изоляционного покрытия и футеровки

Толщина стенки мм;

Внутреннее рабочее давление Р = 6,3 МПа;

Длина перехода L = 450 м;

Максимальная глубина реки h_max = 9 м;

Скорость течения м/с;

Кинематическая вязкость воды

Момент сопротивления м³;

Угол поворота оси трубопровода рад;

Минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода м;

Удельный вес воды с учетом наличия растворенных в ней солей и взвешенных. частиц Н/м³;

Перекачиваемый продукт – нефть;

Тип трубопровода – нефтепровод;

Расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода Н/м.

Число Рейнольдса

- для гладкого трубопровода:

(10)

- для офутерованного трубопровода:

(11)

При 10⁵ < Re £ 10⁷ гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком, зависящий от числа Рейнольдса и характера внешней поверхности трубопровода, = 1,0 [2].

Гидродинамический коэффициент подъемной силы С_у = 0,6 [3].

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока:

. (12)

Вертикальная составляющая гидравлического воздействия потока:

. (13)

Интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопровода:

(14)

Выталкивающая сила воды:

(15)

Вес балластировки в воде:

(16)

где − коэффициент надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия (;

k − коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях трубопровода ();

– расчетная нагрузка от веса продукта ().

Вес балластировки в воздухе:

(17)

Проверка устойчивости против смятия трубы:

(18)

где – средний диаметр трубы,

– глубина водоема, = 9 м;

– глубина заложения трубопровода до верхней образующей, = 1 м.

(19)

Условие выполняется. Следовательно, устойчивость трубы против смятия обеспечивается.

Балластировку осуществляем утяжелителями железобетонными 2УТК 720-24, имеющими следующие параметры: масса утяжелителя , объем бетона м³.

Расстояние между пригрузами:

. (20)

Количество пригрузов для русловой части:

(21)

где – длина плети в русловой части, м.

Количество пригрузов для пойменной части:

, (22)

где – длина плети в пойменной части, м.

Принимаем количество пригрузов для русловой части шт., для пойменной части шт.

Далее выполняется расчет устойчивости подводного перехода магистрального нефтепровода по предложенной методике.

В соответствии с предложенной усовершенствованной методикой, помимо условия устойчивости против всплытия, выполняется проверка боковой устойчивости по условию (7). Проверка выполняется без учета удерживающей способности грунта основания, то есть принимается

Тогда условие боковой устойчивости (7) примет вид

. (23)

Подставляя численные значения в формулу (23), получим:

Условие выполняется. Следовательно, уже при принятой по действующей методике балластировке обеспечивается не только устойчивость трубопровода против всплытия, но и его боковая устойчивость.

Определим коэффициент боковой устойчивости из условия (8) при :

(24)

Так как то боковая устойчивость трубопровода обеспечивается.

Определим минимально необходимую интенсивность балластировки по условию боковой устойчивости по формуле (9):

(25)

Из этого следует, что требуемая интенсивность балластировки по условию боковой устойчивости составляет Н/м, тогда как по действующей методике расчета устойчивости против всплытия она составляет Н/м. Следовательно, в рассматриваемом примере определяющим является условие устойчивости против всплытия, а проверка боковой устойчивости носит уточняющий характер и подтверждает принятое проектное решение. Сравнительный анализ результатов расчета по действующей и усовершенствованной методикам по рассчитанным показателям приведен в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Сравнение результатов расчета по действующей и усовершенствованной методикам

Таким образом, для рассматриваемого подводного перехода принятая по действующей методике балластировка обеспечивает выполнение двух условий: устойчивости против всплытия и боковой устойчивости трубопровода.

Для оценки работоспособности предложенной методики выполнен анализ влияния скорости течения воды на устойчивость положения подводного перехода магистрального нефтепровода. Для русловой части подводного перехода из предыдущего расчета приняты следующие значения параметров: Н/м, Н/м, Н/м, Н/м, Н/м, Н/м, , , . Расчеты выполнялись при , то есть без учета удерживающей способности грунта основания.

Согласно формулам определения горизонтальной и вертикальной составляющих гидродинамического воздействия потока, данные величины пропорциональны квадрату скорости течения воды. Тогда для произвольной скорости течения значения этих величин могут быть определены как

(26)

(27)

где м/с – скорость течения воды, принятая по исходным данным.

Определим горизонтальную и вертикальную составляющую гидродинамического воздействия потока при скорости течения воды 0,4 м/с:

Тогда коэффициент боковой устойчивости при скорости течения воды 0,4 м/с определяется как:

(28)

Аналогично выполняется расчет горизонтальной и вертикальной составляющих гидродинамического воздействия потока и коэффициента боковой устойчивости при других значениях скорости течения, результаты расчета представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Результаты расчета горизонтальной и вертикальной составляющих гидродинамического воздействия потока и коэффициента боковой устойчивости в зависимости от скорости течения

Построен график зависимости коэффициента запаса боковой устойчивости от скорости течения на русловом участке перехода (рисунок 1).

РИСУНОК 1. Зависимость коэффициента запаса боковой устойчивости kб.у от скорости течения на русловом участке перехода

Результаты расчета показывают, что боковая устойчивость зависит от скорости течения воды: с увеличением скорости течения коэффициент боковой устойчивости уменьшается.

При скорости течения более 1,35 м/с коэффициент боковой устойчивости становится меньше единицы, то есть условие боковой устойчивости для данного подводного перехода магистрального нефтепровода не выполняется, что свидетельствует о возможной потере его боковой устойчивости и выходе из проектного положения при изменении гидрологического режима реки при сохранении принятых проектом параметров балластировки. Таким образом, для рассматриваемого подводного перехода магистрального нефтепровода принятая по действующей методике балластировка обеспечивает выполнение условий устойчивости против всплытия и боковой устойчивости трубопровода при скорости течения воды до 1,35 м/с включительно. При превышении данного значения скорости течения устойчивость положения не обеспечивается, следовательно, необходимо увеличить интенсивность балластировки и провести реконструкцию участка подводного перехода.

Таким образом, скорость течения воды является одним из определяющих параметров предлагаемой усовершенствованной методики расчета. Это подтверждает необходимость отдельной проверки боковой устойчивости, особенно для подводных переходов трубопроводов, прокладываемых траншейным методом на аллювиальных участках рек горно-предгорной зоны, поскольку при изменении гидрологических условий во время весенних паводков или разлива реки вследствие выпадения большого количества осадков запас устойчивости может резко снижаться даже при выполнении условия устойчивости против всплытия [5, 6].

Предложенная методика расчета устойчивости положения подводного трубопровода с использованием коэффициента боковой устойчивости может быть использована при расчете параметров балластировки и проверке устойчивости положения подводных переходов магистральных трубопроводов на аллювиальных участках рек горно-предгорной зоны для повышения обоснованности выбора проектных решений по балластировке трубопроводов с целью недопущения их выхода из проектного положения [7].

Литература

1. ГОСТ Р 72159-2025. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов): национальный стандарт Российской Федерации: утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 2025 г. – Москва: Российский институт стандартизации, 2025. – 24 с.

2. СП 36.13330. 2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*. – М.: Госстрой, ФАУ «ФЦС», 2013. – 88 с.

3. Быков, Л.И. Типовые расчеты при проектировании, строительстве и ремонте магистральных газонефтепроводов: учебное пособие для вузов / Л.И. Быков, Ф.М. Мустафин, С.К. Рафиков [и др.]. – Санкт-Петербург: Недра, 2011. – 824 с.

4. DNV-RP-F109. On-bottom stability design of submarine pipelines, cables and umbilicals: recommended practice / Det Norske Veritas. – Ed. May 2021. – Høvik (Norway): DNV, 2021. – 114 p.

5. Ханов М.Б., Шарнина Г.С., Рафиков С.К. Анализ возможности применения серобетона для бетонирования сварных стыков морских трубопроводов. – Трубопроводный транспорт – 2020: тезисы докладов XV Международной учебно-научно-практической конференции / редкол: Р.Н. Бахтизин, С.М. Султанмагомедов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. – С. 208–210.

6. Патент на изобретение RU 2556163 C2. Способ оценки напряженно-деформированного состояния магистрального трубопровода с дефектными сварными стыками / Бахтизин Р.Н., Шарипов Ш.Г., Рафиков С.К,, Аскаров Р.М., Быков Л.И., Бакиев Т.А., Аскаров Г.Р., Шарнина Г.С. – Заявка № 2016114205 от 12.04.2016 г., опубл. 31.05.2018. Бюл. № 16. – 17 с.

7. Шарнина Г.С. Мировой топливно-энергетический комплекс: современное состояние, проблемы и перспективы развития. – Учебное пособие по дисциплине «Мировая система топливно-энергетического комплекса». Электронный ресурс. – Уфа, 2018.