«ШИШКИН Иван Владимирович РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Специальность - 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ Диссертация на соискание ...»

По результатам термоизмерений установлено, что температура многолетнемерзлых грунтов на глубине до 3 м снижается от 0 до минус 1,6 С и далее стабилизируется. Для грунта засыпки характер распределения температур по глубине аналогичен многолетнемерзлым грунтам, однако стабилизация наблюдается, начиная с 2 м, и минимальная температура составляет минус 1,3 С.

Толщина слоя сезонного промерзания-оттаивания составляет 0,8 м, что в данном случае подтверждается результатами термоизмерений. Из представленных графиков распределения температур видно, что область нулевых значений находится на глубине до 1 м.

Характеристики грунтов получены по результатам инженерных изысканий. Рассматриваются следующие контрольные параметры:

- показатели влажности (суммарная влажность, льдистость, влажность между ледяными включениями; влажность на границе текучести и границе раскатывания);

- механические характеристики грунтов (плотность, пористость, расчетное сопротивление сжатию, относительная деформация пучения, относительная деформация осадки).

Полученные данные позволят установить особенности применения георадиолокационного метода в зависимости от грунтовых условий прокладки МГ, а именно:

- от типов грунтов;

- механических характеристик грунтов;

- температуры - влажности.

Результаты экспериментального определения физических 2.4.

характеристик мерзлых грунтов Участок № 1 характеризуется сочетанием двух форм рельефа, и представляет собой склон, переходящий в заболоченную тундру. Анализ грунтовых условий участка выполнен на основании данных инженерных изысканий, а также по результатам отбора проб грунта при бурении термоизмерительных скважин (таблицы 2.1 и 2.2, рисунок 2.12).

По результатам анализа грунтовых условий было установлено:

- особенности водонасыщения грунта, в зависимости от глубины, а также высотной отметки контрольного сечения;

- изменение эксплуатационных характеристик грунта по длине участка и по глубине.

Влагонасыщение грунтов на участке определяется:

- пористостью грунта (в данном случае, грунты участка на глубинах от 1,5 м и глубже представлены супесями и суглинками примерно идентичными по фракционному составу и соответственно по показателю пористости);

- рельефом местности;

- глубиной.

Таблица 2.1 – Типы грунтов на участке ПК Суглинок мерзлый, сильнольдистый, незасоленный Суглинок мерзлый, слабольдистый, незасоленный Супесь мерзлая, сильнольдистая, слабозасоленная Выявлены следующие закономерности:

1. Суммарная влажность мерзлого грунта увеличивается в верхних слоях на глубине до 2 м с понижением рельефа, что в данном случае объясняется интенсивным накоплением талых вод в период таяния снега. Максимальные значения показателя зафиксированы на ПК 266, что соответствует точке профиля с минимальной высотной отметкой. На глубине 3 м наблюдается увеличение суммарной влажности на ПК 264, что в данном случае также связано с отепляющим действием талых вод, которые насыщают грунт на склоне и постепенно дренируются вниз по подстилающему слою многолетнемерзлых грунтов и далее накапливаются у подножия склона. На глубинах 4, 5 и 6 м суммарная влажность остается практически на одном уровне, с небольшим увеличением, приуроченным точке профиля, расположенной перед местом перехода склона в заболоченную тундру, что возможно, также связано с отепляющим действием талых и атмосферных вод, дренирующихся вниз по склону.

2. Так как грунт участка большую часть года находится в мерзлом состоянии, соответственно характер распределения показателя по длине и по глубине будет соответствовать суммарной влажности с теми же механизмами формирования.

3. На всех глубинах отмечается увеличение влажности между ледяными включениями в месте перехода склона в болотистую тундру (рисунок 2.13).

Рисунок 2.12 – План (а), профиль (б) и графики температуры многолетнемерзлых грунтов (в) Таблица 2.2 – Физико-механические характеристики грунтов на участке ПК ли единицы та, расположенного между льдистыми включениями, доли единицы мерзлого грунта, доли единицы нице текучести, доли единицы нице раскатывания, доли единицы единицы родной влажности, г/см та, г/см г/см сухом состоянии, г/см в сухом состоянии, г/см пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой (коэффициент водонасыщения), доли единицы Продолжение таблицы 2. мативное), МПа ледяных включений, доли единицы единицы грунта, МПа морского типа засоления), доли единицы мерзлого грунта, доли единицы (нормативное значение), пучения, доли единицы оттаивании В данном случае это явление может объясняться следующим. Известно, что влажность между ледяными включениями представляет собой связанную поровую или засоленную воду, которая перемещается по поровому пространству грунта даже при отрицательной температуре и соответственно насыщает грунт на всех глубинах. Общий переизбыток влаги в данном месте, возможно, способствует повышению влажности грунта, расположенного между ледяными включениями.

Величина усадки грунтов при оттаивании под собственным весом (или весом газопровода) будет определяться их льдистостью, то есть чем больше ледяных включений, тем на большую величину осядет грунт при оттаивании. В начальный период эксплуатации наибольшая осадка грунта засыпки наблюдается на первой нитке МГ Бованенково – Ухта – на текущий период за счет оттаивания и уплотнения она составила более 2 м.

Влажность мерзлого грунта, льдистыми включениями расположенного между Суммарная влажность мерзлого грунта Суммарная 1, 2, 3, 4, 5, 6 – кривые распределения влажности грунта на глубинах соответственно Просадка грунта у основания валика грунта засыпки под собственным весом может способствовать накоплению осадков и дальнейшему растеплению грунта на большую глубину. Пористость мерзлого грунта может рассматриваться как функция льдистости, так как поры и пустоты в грунте могут формироваться в процессе замерзания поровой влаги, с последующим образованием ледяных прослоев.

Плотность мерзлого грунта будет тем меньше, чем выше его суммарная влажность (рисунок 2.14, а). Из представленного графика видно, что меньшую плотность в мерзлом состоянии имеют грунты на глубинах до 2 м в точках профиля, имеющих минимальную высотную отметку. Как указывалось ранее, в таких точках наблюдаются максимальные значения суммарной влажности. Характер изменения плотности частиц грунта по длине МГ на участке № 1 представлен на рисунке 2.14, б. Из представленных графиков видно, что большую плотность имеют частицы грунтов, расположенных в верхней части склона с постепенны снижением значения параметра с понижением высоты.

На основании вышесказанного следует:

- грунты на склоновых участках обладают лучшей балластирующей способностью, так как имеют больший вес частиц, а также больший вес в мерзлом состоянии, по сравнению с грунтами на низинных участках;

- наибольшей осадкой при оттаивании характеризуются грунты в верхних слоях на глубинах до 3 м.

- грунты в основании газопровода менее влагонасыщенные и соответственно обладают лучшей несущей способностью при оттаивании (дают меньшую усадку), чем грунты в верхних слоях.

Анализ конструктивных особенностей газопровода 2.5.

Бованенково-Ухта, оценка возможности их диагностирования При строительстве МГ реализованы следующие технические решения:

- при сооружении газопровода используются стальные прямошовные трубы диаметром 1420 мм с толщиной стенки 27,7 мм, класс прочности – К65, с гладкостным внутренним покрытием и внешним защитным трехслойным полиэтиленовым покрытием заводского нанесения. Изоляция стыков выполнена термоусаживаемыми манжетами;

- повороты трассы МГ в ориентальной плоскости выполняются с использованием отводов, как заводского, так и трассового исполнения. На пересеченных участках трассы, вертикальный изгиб выполняется с использованием холодногнутых вставок;

- балластировка МГ выполнена с использованием полимерно-контейнерных устройств ПКБЦ-МК, заполняемых минеральным грунтом. Балластирующие устройства устанавливаются в группах равномерно вдоль трассы, частота установки определяется проектом. На переходах через водные преграды используют чугунные и железобетонные утяжелители.

- теплоизоляция выполнена с использованием сегментов «Пеноплекс».

Теплоизоляционное покрытие применяется:

а) на участках распространения талых грунтов (таликов под руслами рек, ручьев);

б) на склоновых участках, в местах стока атмосферных осадков и талых вод;

МГ укладывается на песчаную подушку и обсыпается песком на высоту 0,2 м;

- для исключения перемещения и размыва грунта засыпки применяются грунтозадерживающие барьеры, устанавливаемые с определенным шагом в траншее МГ перед засыпкой;

- для предотвращения сползания грунта на склонах при оттаивании предусмотрены средства инженерной защиты – геомодули и георешетки;

- в местах распространения подземных льдов предусмотрена наземная прокладка или замена льда привозным минеральным грунтом (в зависимости от глубины распространения).

Грунтозадерживающие подземные барьеры формируются из противоэрозионных контейнеров КП-Р-1.8, заполненных минеральным грунтом. Контейнеры противоэрозионные изготавливаются из полиамидной технической высокопрочной ткани ТБГ и представляют собой оболочку с горловиной для засыпки минеральным грунтом с монтажными грузовыми ручками. Грунтозадерживающие барьеры полностью перекрывают поперечное сечение траншеи и тем самым препятствуют выносу нарушенного при строительстве грунта из траншеи в теплое время года. Конструкция барьера приведена на рисунке 2.15.

Полимерно-контейнерные балластирующие устройства ПКБУ предназначены для балластировки магистральных газопроводов диаметром до 1420 мм и состоят из двух контейнеров, соединенных четырьмя силовыми лентами, а также металлических распорных рамок, включающих в себя четыре продольных и четыре поперечных трубы соединенных между собой. Контейнеры изготавливают из мягких синтетических материалов (например, стеклохолст), которые должны обладать высокой прочностью. В процессе монтажа конструкции на трубопровод на рамные конструкции одевают ткань, после чего собранную конструкцию устанавливают на трубопровод. ПКБУ-МК опирается на трубопровод двумя грузовыми лентами, выполненными заодно с тканью. Общий вид ПКБУ-МК приведен на рисунке 2.16.

1, 2, 3, 4, 5, 6 – кривые распределения плотностей на глубинах соответственно Рисунок 2.14 – Плотность мерзлого грунта (а) и плотность частиц грунта (б) на участке 2-й нитки МГ Бованенково – Ухта ПК 257 – ПК Рисунок 2.15 – Конструкция грунтозадерживающих барьеров из КП-Р-1. 1 – трубопровод; 2 – грунт засыпки; 3 – емкости ПКБУ-МК; 4 – рамки жесткости;

5 – перегородки; 6 – верхние силовые пояса; 7 – нижний силовой пояс; 8 – траншея;

9 – верхние продольные стороны – прогоны рамок жесткости; 10 – нижние (внутренние) продольные стороны – прогоны рамок жесткости;11 – проушины Рисунок 2.16 – Полимерно-контейнерные балластирующие устройства ПКБУ Полимерконтейнерное балластирующее устройство (ПКБУ-МК) содержит две размещенные по обе стороны от трубопровода и заполняемые грунтом емкости из полотнищ полимерной технической ткани, каждая из которых снабжена рамками жесткости и перегородками. Нижний силовой пояс и заполняемые грунтом емкости выполнены в виде единого налагаемого на трубопровод полотнища, снабженного проушинами для размещения в них продольных прогонов рамок жесткости. Каждая перегородка скреплена с образующим емкость полотнищем и соответствующим верхним силовым поясом, при этом каждая рамка жесткости располагается в плоскости, касательной к наружной поверхности трубопровода, и относительно дна траншеи размещена с уклоном в сторону трубопровода без опирания на него и на грунт дна траншеи.

Комплект ПКБУ-МК в сборе навешивают на трубопровод вплотную друг к другу или группами по четыре комплекта в группе и более, затем засыпают грунтом с помощью спецтехники.

На переходах через реки балластировка МГ выполняется чугунными кольцевыми пригрузами с футеровкой поверхности труб деревянными рейками (рисунок 2.17). На участках распространения слабонесущих обводненных грунтов используются утяжелители бетонные УБО-1420. На участке проведения исследований данные типы балластирующих устройств не применяются.

Рисунок 2.17 – Балластировка МГ бетонными (а) и чугунными пригрузами (б) Пример исполнения теплоизоляционного слоя на участке наземной прокладки представлен на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Термоизоляция МГ сегментами «Пеноплекс» толщиной 100 мм (а) и защита теплоизоляционного слоя стальным оцинкованным листом (б) Теплоизоляционное покрытие состоит из отдельных сегментов, монтируемых по окружности трубы и закрепляемых с помощью стальных лент с фиксирующими элементами. Для защиты теплоизоляционного покрытия от механических повреждений служит экран из стального оцинкованного листа толщиной 0,05 – 0,1 мм, монтируемый вокруг теплоизоляционного покрытия и также закрепляемый стальными лентами. В данном случае назначение теплоизоляционного покрытия – исключение обледенения труб на наземном участке МГ в процессе эксплуатации при насыщении грунта валика водой в весенний, летний и осенний периоды.

Теплоизоляционные плиты «Пеноплекс» применяются для термоизоляции поверхности грунта на склонах (под георешетками), а также в основании МГ на участках распространения подземных льдов (рисунок 2.19, а, б) совместно с грунтовыми модулями.

Грунтовые модули (рисунок 2.19, в, г) представляют собой ячеистые конструкции, заполняемые местным или привозным грунтом. Изготавливаются из лент технической ткани расчетной ширины с различными размерами ячеек, меняя которые добиваются требуемой несущей способности грунтового основания с учетом динамических нагрузок.

На участках проведения исследований грунтовые модули используют:

- для закрепления валика грунта засыпки на склонах;

- на участках наземной прокладки для закрепления грунтовой обсыпки (рисунок 2.20, а).

1 – МГ; 2 – минеральный привозной грунт; 3 – геомодуль; 4 – теплоизоляционная плита «Пеноплекс»; 5 – грунт засыпки; 6 – подземный лед Рисунок 2.19 – Инженерные решения, реализованные на участках распространения подземных льдов: наземная прокладка (а);

выемка льда с заменой привозным грунтом (б); крупноразмерные геомодули (в, г) Предполагаются следующие особенности выявления георадиолокационным методом приведенных выше элементов МГ:

- магистральный трубопровод выполнен из стальных труб, покрытых защитным покрытием, имеющим электрическое сопротивление, значительно превышающее сопротивление грунтов засыпки. Массивный стальной объект также является отражающим экраном для электромагнитных волн высокой частоты, излучаемых антенной прибора;

- теплоизоляционное покрытие МГ обладает значительным электрическим сопротивлением и высокой влагостойкостью, соответственно его поверхность также должна отражать высокочастотный радиосигнал, излучаемый антенной прибора. Отличия в результирующих радиограммах от радиограмм, полученных при исследований на участках МГ без термоизоляции возможно будут заключаться в более пологих и растянутых параболических осях синфазности, формируемых отраженными от поверхности МГ радиоволнами. Возможно также отличие характеристик отраженного сигнала, так как в данном случае, часть сигнала отразится от поверхности теплоизоляционного покрытия, а часть от поверхности трубы;

- выявление теплоизоляционного покрытия в основании МГ, возможно, будет затруднено, вследствие экранирования трубами всех объектов, находящихся под ними;

- в грунтозаполняемых балластирующих устройствах отражение высокочастотного радиосигнала в основном будет происходить от поверхностей металлических элементов каркаса. Грунт, заполняющий устройство, в ходе эксплуатации будет или мало отличатся от грунта засыпки или определяться как грунтовый массив малого размера (в зависимости от электрических характеристик грунта засыпки и грунта-заполнителя). Нижняя граница грунтового контейнера, возможно, также будет выступать как граница раздела сред с разными электрическими характеристиками;

- грунтозадерживающие барьеры и крупные геомодули могут рассматриваться как крупноячеистые структуры, которые на начальный период эксплуатации будут иметь электрические характеристики, отличающиеся от характеристик грунта засыпки. По результатам исследований на радиограммах возможно выделение или отдельных грунтовых контейнеров или всего объекта, причем в этом случае отражающая граница будет соответствовать дну траншей. При эксплуатации, при постепенном насыщении грунта в грунтозаполняемых контейнерах и геомодулях грунтовыми или поверхностными водами с последующим их замерзанием, электрические характеристики объекта могут приблизиться к характеристикам грунтам засыпки, соответственно выделение этих объектов на радиограммах может быть затруднено;

- в том случае, если теплоизоляционное покрытие МГ перекрыто защитным стальным экраном, то характер отражения радиосигнала будет определяться геометрией экрана. Если экран исправен, то отраженные радиосигналы на радиограммах будут формировать изображение, характерное для цилиндрического горизонтального объекта. При нарушении геометрии или целостности экрана оси синфазности отраженных сигналов, будут приобретать различные сложные формы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГАЗОПРОВОДОВ В

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Глубинность, разрешающая способность и детальность метода Мощность принятого сигнала Рr при радиолокации локальных объектов в однородной среде определяется выражением [56]:

где Рt – мощность излучаемого сигнала; Gt, Gr – коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн; R – расстояние зондирования; Sэфф – эффективная площадь рассеяния объекта; – диэлектрическая проницаемость среды распространения.

От формулы, описывающей мощность принятого излучения при радиолокации в воздухе, выражение (3.1) отличается экспоненциальным множителем, описывающим затухание в среде. Под длиной волны в формуле (3.1) следует понимать длину волны, соответствующую средней частоте спектра радиоимпульса георадара. Первый множитель R2 описывает сферическую расходимость волны, излучаемой передающей антенной, второй множитель R2 описывает расходимость волны, отражённой от объекта.

При распространении в среде с поглощением сигнал может сильно менять свою форму, и средняя частота спектра может существенно понижаться. Объект зондирования, если он имеет небольшие электрические размеры, сдвигает среднюю частоту спектра отражённого сигнала в сторону более высоких частот. Для точных оценок принятого сигнала проводится детальное численное моделирование, включающее расчёт характеристик антенн и отражающих свойств объектов в широкой полосе частот (или излучаемого и отражаемого импульса во временной области) и моделирование распространения импульса в поглощающей среде.

Мощность минимального обнаруживаемого сигнала Рmin (Вт) на фоне тепловых шумов и шумов приёмника определяется выражением [56]:

где k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура зондируемой среды (или антенны при низком КПД антенны); В – ширина рабочей полосы частот радара, принимаемых и поступающих на вход приёмника, Гц; Fn – шум-фактор приёмника; T0 = °К, kT0 = 4 10-21 Вт/Гц.

Мощность тепловых шумов в выражении (3.2) даётся формулой Найквиста. Величина s/n – минимальное отношение мощностей сигнала и шума, необходимое для надёжного обнаружения. Обычно отношение сигнал-шум, при котором сигнал различим на фоне помех, принимают равным Еs/n = 10lg(s/n) 10дБ. При суммировании большого числа N сигналов при одном и том же положении антенн мощность шумов в суммарном сигнале увеличивается в N раз амплитуда сигнала в N раз мощность сигнала в N2 раз. Отношение сигнал-шум увеличивается в N раз.

Приравнивая Pmin (4.2) и Рr из (3.1), находим максимальную дальность зондирования R = Rmax.

Мощность принятого сигнала Рr при зондировании плоской границы раздела сред даётся формулой:

где Г – комплексный коэффициент отражения от границы раздела:

где Z1, Z2 – волновое сопротивление среды распространения и расположенной ниже среды с комплексной диэлектрической проницаемостью 1 и 2 соответственно.

Под энергетическим потенциалом (энергетическим запасом) радара понимают отношение напряжений на выходе генератора Uг и минимального напряжения на входе приёмника Umin при котором сигнал хорошо различим на фоне помех. Обычно энергетический потенциал выражают в децибелах:

где Es/n (дБ) - отношение сигнал-шум; N - число накоплений сигнала.

Амплитуда тепловых флуктуаций напряжения на входе приёмника, поступающего с антенны, Uтепл (В) выражается формулой:

где k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура антенны; R – действительная часть входного импеданса антенны на средней частоте f рабочего диапазона радара; В – ширина рабочего частотного диапазона радара, Гц.

Теоретически достижимый предел энергетического потенциала георадара составляет около 190 - 200 дБ для средней частоты радара 100 - 10 МГц соответственно. При этой оценке предполагается число накоплений сигнала 5104 амплитуда напряжения генератора U = 300 В, уровень собственных шумов приёмника (кроме тепловых) предполагается малым по сравнению с тепловыми шумами. При использовании генераторов с амплитудой импульса Uг = 3000 В энергетический потенциал может составлять 210 - 220 дБ.

Величиной, характеризующей отражательную способность объекта, является эффективная площадь рассеяния Sэфф. На рисунке 3.1 показан график характеризующий зависимость параметра Sэфф металлической сферы от её размеров в долях длины волны [56].

В релеевской низкочастотной области, где размер объекта меньше чем гр/, Sэфф меняется обратно пропорционально четвёртой степени длины волны. Эта зависимость характерна для любого объекта, наибольший размер которого намного меньше длины волны [58]. Следовательно, если размеры локального объекта по всем направлениям существенно меньше, чем гр/, где гр - средняя длина волны (в грунте) спектра сигнала георадара, объект не будет обнаружен радаром ввиду малости отражённого сигнала.

Рисунок 3.1 – Эффективная площадь рассеяния металлической сферы: