Морозное пучение в эксплуатации трубопроводов
При строительстве трубопроводных систем в любых климатических условиях происходит искусственное встраивание объектов техногенной сферы в природную среду. В большинстве случаев происходит нарушение естественного равновесия. При этом активизируются природные процессы, которые отрицательно влияют на техническое состояние трубопроводов и могут привести к аварийным ситуациям.
Одним основных проявлений подобных процессов в климатических районах Крайнего Севера является
морозное пучение или оттаивание грунтов, которое приводит к просадке или выпучиванию трубопроводных сооружений. Подобные движения приводят к деформациям труб, что приводит к изгибам и разрывам в магистральной системе. Итог этого — техногенные аварии с экологическими и экономическими последствиями.
Что представляет собой морозное пучение? Это постепенное поднятие поверхности грунта вследствие его промерзания и образования в нем кристаллов льда. Это связанно с кристаллизацией в почве воды, которая поступает из подстилающих горизонтов. Величина пучения зависит от количества привносимой воды в промерзающий грунт, состава грунта и скорости промерзания. Чем медленнее снижается температура воздуха, тем больше величина морозного пучения грунта. Это связано с тем, что количество грунтовой воды, поступающей к промерзающему слою, увеличивается с течением времени.
Предложенные решения проблемы
В 80-е года прошлого века для борьбы с морозными пучениями газовых магистралей было предложено
охлаждение газа при траспортировке. По замыслу инженеров, с естественной средой должен был взаимодействовать трубопровод, охлажденный до температуры этой среды. В разных странах научными и коммерческими специалистами были проведены соответствующие испытания. В конечном итоге ни одно из них до конца не подтвердило 100% улучшений противопучинных мероприятий: в течение длительных сроков эксплутации, особенно на пучинистых грунтах большой протяженности, трубопровод все равно подвергался воздействию морозного пучения, возникающего с различной периодичностью. Возможно, это связано с тем, что охлаждение газа происходило с постоянной температурой, которая не изменялась в соответствии с изменением реальных температур в течение года.
Еще одним решением является
засоление грунта под трубопроводами, которое проводится с помощью технической поваренной соли - хлористого натрия, что позволяет обеспечить незамерзание грунтов при температурах до -21С. Засоление грунтов производится как концентрированным соляным раствором, так и кристаллической солью. В зависимости от концентрации соли возможно полное подавление морозного пучения. Однако засоление имеет серьезные отрицательные стороны: оно ускоряет разрушение металлических опор трубопроводов, усиливая коррозию их поверхности. Кроме этого, соль влияет на структуру грунта: с течением времени грунт может стать более морозоопасным, чем до мероприятий засоления.
Применение противопучинных свай
Российскими специалистами совместно с японскими коллегами было предложено конструктивное решение для борьбы с морозным пучением — противопучинные сваи. Это анкерные металлические сваи, устанавливаемые под опорами трубопроводов в местах вечномерзлых морозоопасных грунтов. В средней части сваи на уровне деятельного грунта находится специальное полиэтиленовое покрытие, препятствующее ее выталкиванию при пучении. В нижней части сваи находится анкерное устройство, которое прочно удерживает сваю в слое вечной мерзлоты.
После установки противопучинные анкерные сваи сводят к минимуму напряжения, возникающие в грунте при морозном пучении, сохраняя плановое и высотное положение трубопроводов. Напряжения в стенках трубопроводов снижаются, а значит возрастает эксплуатационная надежность нефтегазопровода.
Вполне возможно, что с составлением единых данных, основанных на инженерно-физических исследованиях влияния морозного пучения на состояние трубопроводов, специалистами будет найдены новые решения этой проблемы. Однако на данный момент применение противопучинных свай является экономически оправданным методом борьбы с пучениями грунтов, так как не требует изменения конструкций трубопроводов, а также применения специального оборудования для охлаждения транспортируемых веществ.
