Устойчивость подводного трубопровода при воздействии течения и волн

Полный текст

Введение Трубопроводный транспорт является самым дешевым способом доставки различных жидких и газообразных материалов потребителям. Поэтому он получил широкое распространение. Протяженность трубопроводов составляет сотни и тысячи километров. Трасса трубопровода пересекает различные водные преграды: реки, болота, моря. Трубопроводы, проложенные по дну морей, относят к отдельной категории, называемой морскими трубопроводами. Наиболее широко морские трубопроводы используются при освоении месторождений, расположенных на шельфе морей. В качестве примера можно назвать систему трубопроводов, расположенных на шельфе Охотского моря, месторождение в Карском море (Варандей- море), Северный поток-1, Северный поток-2, Южный поток и др. Строительство трубопроводов по дну морей требует учета множества внешних факторов, воздействующих на подводные трубопроводы, которые влияют на его устойчивость, прочность и надежность. На глубокой воде основное воздействие, влияющее на устойчивость трубопровода это сила Архимеда. В нормативной документации воздействие данной силы рекомендуется компенсировать дополнительным утяжелением трубопровода с помощью обетонирования трубы. Как правило, этого достаточно для обеспечения устойчивости трубопровода на глубокой воде. Однако в условиях мелководья, исходя из опыта эксплуатации трубопроводов, можно сделать вывод, что обетонирование трубопроводов не обеспечивает его устойчивость. Потеря устойчивости трубопровода в мелководной зоне морей выражается его всплытием. Одним из способов обеспечения устойчивости трубопровода на мелководье является погружение трубопровода в траншеи на глубину до 4 м. Такая мера связана еще и с ледовой экзарацией морского дна для морей северных широт. Основной особенностью мелководной зоны является волновое воздействие на дно моря. Этому вопросу посвящено большое количество исследований, рассматривающих различные аспекты этого процесса. В данной статье собран обзор различных источников, занимающихся проблемами всплытия морских трубопроводов, а также рассматривается проблема возврата всплывшего трубопровода в проектное положение. 1. Изучение влияния волн больших периодов (цунами) на морские трубопроводы В результате компьютерного моделирования было установлено следующее: после того как волна цунами прошла трубопровод, размер завихрений воды на передней и задней сторонах трубопровода существенно увеличилась. После прохождения через трубопровод высота волны уменьшилась. Также было обнаружено, что гидродинамические силы в подводных трубопроводах могут сильно зависеть от высоты волны, глубины воды и диаметра трубопровода. Однако максимальная горизонтальная сила уменьшается с увеличением глубины воды и расстояния между трубопроводом и морским дном. На морских нефтяных месторождениях подводные трубопроводы прокладываются по морскому дну с различной топографией. При проектировании подводных трубопроводов следует учитывать топографию морского дна. Если поверхность неровная, в трассе трубопровода могут пролегать свободные пролеты с неподдерживаемыми участками. Если такой участок является слишком длинным, то возникающее изгибающее напряжение может быть чрезмерным. Влияние подводных вихрей, вызванных волной цунами, может вызвать серьезные деформации на подобных участках. 2. Изучение влияния сейсмической нагрузки на морские трубопроводы Сейсмическая нагрузка служит причиной для разжижения грунта, из-за которого морской трубопровод может всплыть. В данном исследовании проводилось изучение подъемной силы, которая возникает из-за разжижения грунтов при сейсмической нагрузке, смоделированной на виброплатформе с помощью центрифуги [2]. Для эксперимента были использованы центрифуга ZJU400 и виброплатформа. Для имитации трубопровода была использована алюминиевая труба плотностью 2,7 г/см3, длиной 390 мм, толщиной 4 мм и внешним диаметром 40 мм. В результате было обнаружено, что начальный и конечный момент подъема трубы не связаны напрямую с сейсмическим движением. Поднятие сильно зависит от нарастания избыточного порового давления (разжижение грунта). Подъем трубы - это комбинация нескольких сил. Во время сейсмической вибрации создается избыточное поровое давление, грунт вокруг трубопровода постепенно растекается в форме овала, что вызывает как изменение веса перекрывающего грунта, так и несущую способность грунта, лежащего под трубопроводом. В результате равновесие трубопровода во время вибрирования нарушается, и, как следствие, труба поднимается вверх. Волны на поверхности воды, особенно возникающие во время шторма, могут вызывать высокоамлитудные колебания порового давления, которое возникает в песчаных донных отложениях, что, в свою очередь, может увеличивать гидродинамическую подъемную силу, действующую на подводный трубопровод, одновременно уменьшая силы сопротивления, тем самым влияя на возможность всплытия трубопровода. 3. Изучение влияния волновой нагрузки на морские трубопроводы В данном исследовании моделировалось вертикальное перемещение морского трубопровода, погруженного в песчаные грунты морского дна под действием волновой нагрузки, вызванной гармоническими колебаниями водной поверхности [3]. Установка для динамических испытаний состоит из прямоугольного контейнера со следующими параметрами: Lс = 1,0 м (длина), Hс = 0,7 м (высота), Bс = 0,4 м (ширина). Контейнер заполнен влагонасыщенным песком. Толщина песчаного слоя составляет Hв = 0,6 м. На верхней части песчаного контейнера устанавливается столб воды, совершающий колебания, уровень воды в котором составляет 1,2 м от песчаной поверхности. Вертикальные колебания поверхности столба воды генерируются подачей колебательного давления воздуха, воздействующего на поверхность воды. Цилиндрический элемент повышенной стойкости к деформациям погружается в песчаный контейнер параллельно его длинной стороне. Внешний диаметр трубы составляет 0,1 м, длина - 0,38 м. В ходе эксперимента труба погружается на три разные глубины: 0,025, 0,050, 0,075 м. Изменение порового давления около трубы в течение одного периода колебания воды было измерено. Используя простую интеграцию гидродинамического порового давления по линии окружности трубы, была вычислена гидродинамическая подъемная сила, Fp = =0,1 кН/м, которая возникает во время максимального состояния падения водного давления, приложенного на поверхность песка В результате проведения эксперимента были получены следующие данные: труба медленно поднимается в течение первых 25 минут, после чего заметно ускоряется. Труба достигает границы песка спустя 53 минуты после начала теста. Таким образом, можно сделать вывод о том, что результирующая гидродинамическая вертикальная сила возникает при изменении порового давления и имеет колебательный характер. Чем больше время действия и амплитуда гидродинамической вертикальной силы, тем короче время всплытия трубопровода. 4. Изучение воздействия донных наносов на морские трубопроводы Прибрежная зона характеризуется подвижностью донных грунтов при волновом воздействии. В такой ситуации донные отложения формируют поток наносов. Перенос наносов может играть значительную роль в процессе эксплуатации трубопровода. Согласно наблюдениям ученых, при формировании потока наносов грунты частично теряют связность и переходят во взвешенное состояние [6]. Таким образом, меняется плотность жидкости, в котором располагается трубопровод, что приводит к изменению величины силы Архимеда и, как следствие, всплытию трубопровода. Решением этой проблемы могут быть дополнительные расчеты, учитывающие разницу масс, которую в целях обеспечения устойчивого положения морского трубопровода необходимо компенсировать. Для решения данной проблемы активно используется метод балластировки. 5. Методика определения величины пригрузки заглубленного трубопровода грунтом На заглубленный трубопровод в первую очередь оказывает влияние масса грунта, находящегося над ним. Для того чтобы оценить эффективность пригрузки трубопровода забетонированными мешками, вначале необходимо рассчитать усилие анкеровки в грунте самого трубопровода. При расположении трубопровода в грунте возможны различные схемы его взаимодействия с окружающим массивом грунта [7]: а) продольное перемещение трубопровода в грунте; б) поперечное перемещение трубопровода в грунте по горизонтали; в) поперечное перемещение трубопровода в грунте по вертикали (при этом возможны перемещения как вниз в сторону непотревоженного грунта, так и вверх, в сторону грунта засыпки); г) кручение трубопровода в грунте. Причины и процесс перемещения трубы в грунте вверх трудно поддаются теоретическому анализу, поэтому в основном изучаются эмпирическими методами. Так, в работах Э.М. Ясина [8, 9] и П.П. Бородавкина [10] представлены некоторые результаты экспериментальных исследований. В книге А.Б. Айбиндера [11] описаны эксперименты, в которых расположенная в грунте труба нагружалась прессовой нагрузкой. В результате были получены зависимости сопротивления грунта перемещению. Для испытаний использовались отрезки трубы длиной 4 м с различными диаметрами 273, 529 и 720 мм, заглубленные в грунт. Для подъема труб использовались лебедки, натягивающие тросы, закрепленные в трубах. Для замера усилий натяжения тросов использовались динамометры, а для измерения перемещений - прогибомеры. . Нагружение производилось шагами, причем на каждом шаге подъема осуществлялась выдержка для того, чтобы усилия в тросе стабилизировались. Высота засыпки в экспериментах изменялась от 0 до 1 м, а для засыпки использовались различные виды грунтов. В процессе экспериментов было установлено, что зависимость сопротивления грунта от перемещения трубы практически одинакова. При малых перемещениях сопротивление грунта зависит от перемещения практически линейно, а затем, по мере увеличения перемещения, линейность нарушается, причем после достижения максимальной величины сопротивление грунта начинает уменьшаться. Величина предельной удерживающей способности грунта, т. е. его сопротивления, соответствующего потере устойчивости грунта, зависит от призмы выпора (рис. 1, а, б). Учитывая, что заложение трубопровода относительно его диаметра невелико, можно принять, что угол откоса призмы выпора определяется углом внутреннего трения грунта. Предельное сопротивление грунта перемещению трубы вверх может быть определено из выражения [11] а б Рис. 1. Схема взаимодействия трубопровода с грунтом: а - для формулы (1); б - для формулы (2) Figure 1. Diagram of the interaction of the pipeline with theground: а - for the formula (1); б - for the formula (2) В настоящее время построен ряд моделей взаимодействия грунта с трубопроводом, систематизированные в [12]. Анализ и сравнение этих моделей между собой было проведено в [13]. По заключению автора, наиболее подходящей моделью взаимодействия грунта с трубопроводом является модель, представленная в [14; 15], и согласно которой величина удерживающей силы от грунта, лежащего выше трубопровода, может быть определена по формуле . (2) Выражение (2) по смыслу соответствует первому слагаемому в формуле (1) и позволяет получить пригрузку от грунта на трубопровод без учета трения и сцепления по поверхности призмы выпора (рис. 2). Рис. 2. Поверхность призмы выпора Figure 2. Thrust prism surface 6. Механизмы разжижения грунта вокруг заглубленного трубопровода Расчетный случай с заглубленным трубопроводом в проницаемых грунтах с колебаниями частиц грунта вокруг трубопровода под действием волн и соответствующих колебаний самого трубопровода является одним из наиболее сложных случаев рассмотрения устойчивости трубы. Значительное увеличение порового давления может быть причиной, например, колебания грунтов морского дна, разжижения верхних слоев грунта и последующего всплытия трубопровода из-за уменьшения давления грунтов сверху. а б Рис. 3. Давление на морское дно при действии волн на поверхности (а); пример определения толщины грунта, подверженного разжижению, при действии волн длиной 100 м (б) [23] Figure 3. Seabed pressure due to surface waves action (on the left); examples of wave-inducted liquefaction analysis for shoaling seabed deposit due to wave action 100 m long (on the right) [23] Причиной разжижения грунтов принято считать сейсмическое воздействие, из-за чего при проектировании трубопроводов в районах низкой сейсмической опасности не рассматривается вероятность потери устойчивости трубопровода в разжиженном грунте. Механизм разжижения грунта заключается в том, что между мельчайшими минеральными частицами грунта, в промежутках между которыми находится вода (поровая вода), разрывается часть связей и контактов, вследствие чего значительно снижается прочность этого грунта. Причин для разрыва связей между частицами и последующего разжижения грунта в контексте рассмотрения подводных трубопроводов может быть несколько: колебания частиц с разными скоростями при прохождении упругой волны, что характерно для сейсмических воздействий [16]; интенсивно повторяющееся гидродинамическое воздействие на грунт, при котором переход грунта в разжиженное состояние может происходить за несколько десятков периодов волнения [17-19]; передающиеся грунту высокочастотные колебания самого трубопровода как результат колебаний давления транспортируемого сырья [20; 21]. Согласно одной из исследовательских работ, результаты которой приведены в [22], динамическую неустойчивость при сейсмических воздействиях на шельфе острова Сахалин проявляют грунты в пределах 6-7-метровой толщи от уровня дна. Изучение распространения напряжений в грунте морского дна при циклических перепадах давления, возникающих при распространении ветровых волн, показало, что в этом случае направления главных напряжений в грунте непрерывно меняются (вращаются), несмотря на то, что амплитуда колебаний давления остается постоянной. Это приводит к тому, что условно определяемый коэффициент циклических напряжений, показывающий степень разжижения грунта, уменьшается примерно на 30 %, т. е. грунт быстрее переходит в разжиженное состояние. При этом толща разжиженного грунта вследствие волнового воздействия может достигать 9 м во время продолжительных штормов со средней длиной волны около 100 м (рис. 3, а, б) [23] . Таким образом, разжижение некоторой толщи грунтов морского дна вблизи трубопровода с наибольшей долей вероятности явилось причиной его всплытия и оголения. Наиболее простой путь в этом случае - принять процесс разжижения грунтов совершившимся (или частично совершившимся) и рассматривать вертикальную устойчивость трубопровода уже в разжиженном грунте. Несвязный водонасыщенный грунт превращается в тяжелую вязкую жидкость [24], что позволяет находить вес погруженного трубопровода как разницу собственного веса трубопровода и веса вытесненной трубопроводом жидкости с повышенной плотностью. Поскольку плотность разжиженного грунта будет всегда больше плотности жидкости, выталкивающая сила будет больше, что ухудшает устойчивость трубопровода. Это может рассматриваться как один из расчетных аварийных случаев потери устойчивости заглубленного трубопровода во время эксплуатации. Для определения плотности разжиженного грунта допустимо пользоваться следующим выражением: (3) где - плотность скелета грунта; - плотность воды; - природная влажность грунта. В случае неустойчивости трубопровода в разжиженном грунте обычно требуется увеличение веса трубопровода путем увеличения толщины облицовки, что в настоящем случае невозможно. Согласно нормам для обеспечения устойчивости трубопровода в период эксплуатации на участке, где грунт подвержен разжижению, необходимо предусмотреть компенсационные мероприятия, такие как: замещение грунта обратной засыпки на грунт, не подверженный разжижению (щебень), устройство щебеночных перемычек. Заключение На сегодняшний день точная причина всплытия морских трубопроводов не установлена. Некоторые изыскатели предполагают, что причинами этого могут являться волновые или сейсмические воздействия, но единого ответа нет. Наименее изученным является влияние низкочастотного волнового нагружения. При этом проводимые исследования не учитывают волнового взвешивающего давления, воздействующего на трубопровод, которое является дополнительной силой, влияющей на устойчивость. Для решения этого вопроса требуются дополнительные эксперименты и исследования. В настоящее время используется метод избыточной балластировки, что приводит к увеличению стоимости трубопроводов. Задачей исследований в этой области должно быть определение наиболее опасных внешних воздействий, влияющих на устойчивость трубопроводов, и разработка наиболее экономичных решений, обеспечивающих устойчивость трубопроводов.

Об авторах

Константин Петрович Мордвинцев

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: mkp58@yandex.ru

доцент департамента строительства инженерной академии РУДН, кандидат технических наук

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Александр Григорьевич Гогин

Российский университет дружбы народов

Email: alex.gogin@bk.ru

ассистент департамента строительства инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Екатерина Михайловна Корнеева

Российский университет дружбы народов

Email: korneeva.e.m@yandex.ru

студент магистратуры департамента строительства инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы