4.3. воздействие гидроморфологических и гидрологических факторов на надежность переходов

4.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ И ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАДЕЖНОСТЬ ПЕРЕХОДОВ

Для обеспечения надежной работы подводных переходов важное значение имеет прогнозирование возможных повреждений и своевременное устранение причин, которые могут вызвать предаварийное и аварийное состояние. К ним относятся:

переформирование русла и берегов реки в створах переходов, в результате чего размытые участки трубопровода подвергаются силовому воздействию потока, льда, опасности механического разрушения;

укладка трубопровода в дно реки и врезка в берега с отступлением от проекта при строительстве или в результате экстремальных природно-климатических изменений;

коррозионное разрушение металла трубы вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней (коррозионной или агрессивной) средой;

возникновение и развитие эрозионных зон вдоль прибрежной трассы перехода (растущие овраги, промоины и т.п.).

Ретроспективный анализ причин повреждений показывает, что в результате вибрации размытых участков под воздействием потока произошло 72 % аварий, повреждения проходящими судами и их якорями — 11 %, местной коррозии —

5 %, коррозии поверхности — 4 %, некачественной сварки стыков и приварки усилительных муфт — 4 %, повреждения трубопроводов льдом — 2 %, эрозии береговых зон — 2 %.

Подводные переходы, расположенные под судоходными трассами рек и каналов, наиболее подвержены механическим повреждениям из-за размывов, оползней, волочения якорей, углубления дна. Утечки нефти, газа, конденсата и других загрязнителей нередко обнаруживаются через 12 ч и более после начала их проявления. Опасные утечки загрязняющих веществ остаются незаметными в течение длительного времени, наносят ущерб всем экологически значимым объектам окружающей среды.

Турбулентный поток в придонном слое вызывает перенос твердых частиц за счет потока постоянных импульсов. Число частиц зависит от вероятности возникновения повышенных скоростей пульсации: чем интенсивнее пульсация, тем выше поднимаются частицы. Так как пульсация происходит постоянно, то и процесс движения твердых частиц является непрерывным.

Существует некоторый предел скорости течения, при которой частицы не переносятся потоком воды. Эта скорость течения называется неразмывающей. С некоторой степенью приближения можно определить соотношение между размывающими и неразмывающими скоростями:

v_p = 1,4 v_H.

Знание этого соотношения важно для практических целей, когда требуется решать задачи, связанные с деформациями рельефа определения крупности песчаных или гравелистых частиц, залегаемых или отсыпаемых в ложе трубопровода.

Размыв дна, сложенного связными глинистыми породами, которые представляют собой полидинамические системы, состоящие из частиц различной крупности, происходит иначе. Наиболее активную роль играют глинистые частицы диаметром менее 0,002 мм, которые составляют около 30 % этой системы. Глинистые породы активно взаимодействуют с водой, которая изменяет степень подвижности частиц и пластичность. Однако при воздействии внешних усилий трещины в этой породе не образуются.

Дно русел, сложенных глинистыми грунтами, размывается по-разному, что зависит от режима водной преграды. Например, при прочих равных условиях каналы, работающие на переменном режиме, размываются интенсивно, а на постоянном — менее интесивно или не размываются совсем.

Вибрация трубопровода под воздействием потока воды приводит, как известно, к усталости металла. Это возможно при образовании безопорных участков или недостаточным заглублением трубопроводов в дно водных преград.

Механизм разрушения после размыва: оголение трубопровода — возникновение колебания размытого участка — вхождение участка в резонансный режим со сложной эпюрой колебаний — разрушение. Длительное размывание трубопровода даже без колебаний также способствует быстрому нарушению футеровки, изоляции, механическим повреждениям.

Причинами размыва являются переформирование русла и берегов реки в створах переходов, в результате чего размытые участки трубопровода подвергаются силовому воздействию потока, опасности механического разрушения, в результате экстремальных природно-климатических изменений [1, 13].

Одна из причин повреждений трубопроводов на подводных переходах — деформация береговой линии. Изменение прочностных и структурных свойств грунтов в период строительства приводит к нарушению равновесия береговой зоны. Нередко во время эксплуатации, особенно первоначально, наблюдаются ее локальные разрушения, которые являются результатом воздействия водного потока, ветровых волн и атмосферных осадков на грунт нарушенной структуры. Так, характеристики грунтов, из которых сложены берега сибирских рек (Ватинский Еган, Демьянка, Иртыш и др.) резко изменились после завершения строительства: сопротивление грунта сдвигу уменьшилось в 1,5 раза, сцепление — в 10 раз, а пористость увеличилась в 1,3 раза [6]. Возрос коэффициент фильтрации грунтов. В результате из-за разрыва структурных связей происходит нарушение устойчивости земляных масс в береговой зоне, создаются условия, благоприятные для образования оползней в зоне расположения магистральных трубопроводов.

Следовательно, во избежание аварий подводных переходов основным условием их безаварийности является заглубление в дно с учетом предполагаемой деформации русла реки.

Интенсивность деформаций русла во времени зависит не только от свойств грунтов, слагающих ложе реки, а и скоростей течения. С изменением сезонных расходов меняются гидравлические характерстики потока (глубина, продольный уклон, скорость течения), что приводит к соответствующей перестройке форм рельефа дна. Интенсивность деформации русла зависит также от действия льда, ветра, береговой растительности и антропогенной деятельности.

Устойчивость грунтов против эрозии зависит от размера, удельного веса и связности составляющих грунт частиц. При одинаковых скоростях течения наиболее интенсивные деформации будут происходить в речном русле, сложенном из мелких и песчаных фракций, легко поддающихся размыву, чем из гравелистых фракций. На реках с гравелистыми грунтами паводок может проходить несколько недель, не успевая оказать значительного воздействия на рельеф дна. В то же время на реках с высокой подвижностью переформирование русла происходит интенсивно, часто в течение нескольких дней и даже часов.

При устройстве подводных траншей, разрабатываемых на переходах до паводка и оставляемых открытыми до меженных уровней, происходит их замыв, поскольку с сезонными изменениями глубин, скоростей течения и уклонов меняются места аккумуляции и размыва наносов.

Дноуглубительные работы изменяют форму перекатов, ширину русла и высоту меженных уровней.

В годы с высоким уровнем воды скорость перемещения перекатов и излучин вниз по течению увеличивается от 100 м в год до нескольких метров в сутки. При таких условиях возникают аварийные ситуации на подводных переходах.

Ледовый режим существенно влияет на русловые процессы, особенно в областях с мощными наледями (таранами). Даже каменное покрытие, примерзаемое к толстому льду при подъеме воды, уносится течением, обнажая трубопровод на берегу, постепенно уничтожая террасы, и усиленно подмывая коренные берега (переход через Татарский пролив).

На больших реках разрушению берегов способствует действие ветра вследствие образования волн и навала льда, плывущего к берегу. Поскольку высота ветровых волн прямо пропорциональна ширине водной преграды, то разрушение берегов происходит как во время разливов, так и в меженный период.

Существенное влияние на процесс руслообразования оказывает молевой сплав. Затонувшие топляки, скапливаясь на дне, затрудняют глубинную эрозию, зато удары плывущих бревен разрушают береговые откосы.

На всех водотоках страны более столетия ведутся наблюдения и составляются лоцманские карты. Это позволяет использовать плановые материалы при анализе перемещений лощин и побочней за определенные промежутки времени и формировать представление о развитии процесса русловых переформирований на отдельных участках рек, сделать вывод

о правильности выбранного створа или методов управления русловыми процессами на конкретном переходе.

Воздействие на русловой режим рек углубительных работ может быть значительным и трудно поддающимся прогнозированию, потому что изменяются форма перекатов, ширина русла и высота меженных уровней. Поэтому заглубление трубопроводов на подводных переходах должно проектироваться с учетом возможных землечерпательных работ в перспективе.

Неблагоприятны для сохранности подводных переходов выпрямительные работы, изменяющие режим реки. Устройство бун, изменяющих направление динамической оси потока для улучшения судоходных условий, может привести к боковой эрозии и размыву грунта в основании уложенных трубопроводов.

Созданные водохранилища существенно изменяют русловые процессы и ледовый режим. В одних случаях они, уменьшая расход воды, в половодье, способствуют сохранению подводных переходов, в других — неизбежная переработка коренных берегов может привести к аварии трубопроводов.

Построенный подводный переход влияет на естественный русловой процесс. Деформация русла в месте выбранного створа перехода будет зависеть от характера и интенсивности русловых переформирований участка реки выше створа сооружения. Поэтому при инженерных изысканиях в процессе эксплуатации следует выполнять детальное исследование деформации русла реки на протяжении до 10—15 км выше створа перехода. Только на основании использования этих исследований может быть обеспечена безаварийная эксплуатация переходов в течение 30 — 50 лет после окончания строительства.

Длина, заглубление, конструкция берегоукрепления будут зависеть от глубинной и боковой эрозии русла. В некоторых случаях эрозия русла определяет выбор диаметра и числа ниток трубопроводов на переходах.

Подводный трубопровод, уложенный без учета возможной деформации русла, в результате эрозионных явлений будет провисать в створе перехода. С момента провисания трубопровода размывающее действие потока воды, обтекающего трубопровод снизу, будет увеличиваться с одновременным удлинением безопорного участка и стрелки прогиба. Максимальные напряжения от веса провисающего трубопровода возникают в местах заделки в грунт. В результате воздействия потока, вызывающего колебания трубопровода, могут возникнуть знакопеременные нагрузки, которые приводят к нарушению поверхности изоляции и к изменению структуры металла на границах провисающих участков и повышению хрупкости стали.

Трубопроводы могут прокладываться на узком или широком участке реки. На узком участке возникают большие скорости при одинаковых расходах воды в реке и средних глубинах и, следовательно, при равных геологических условиях возможны более частые и значительные деформации русла. В случае размыва дна на узком участке реки провисающий трубопровод будет испытывать большее гидродинамическое давление. Поэтому для сооружения перехода иногда целесообразнее выбирать более широкий участок реки, несмотря на связанное с этим увеличение длины трубопроводов. Затраты на сооружение перехода, как правило, не увеличиваются, так как на более узком участке потребуется большее заглубление трубопровода с соответствующим повышением стоимости подводных земляных работ, техническими трудностями по прокладке и во время эксплуатации.

Подводные трубопроводы на обнаженных и провисающих участках, кроме динамического воздействия потока, подвержены истирающему действию влекомых наносов. Имеется ложное мнение, что на обнаженных участках для защиты от коррозии достаточно увеличить защитный потенциал тока, поскольку обследование трубопровода под водой показывает, что его поверхность на ощупь не имеет коррозионного износа. Однако из-за истирающего воздействия наносов коррозионный слой постоянно смывается потоком.

Кроме того, обнаженный трубопровод приводит к повышению возможностей повреждения от судовых якорей, волокуш, а также обрастанию различными водными организмами.

Обрастатели создают неблагоприятные условия для эксплуатации трубопроводов за счет повреждения изоляционных покрытий, развития коррозии, в особенности местных коррозионных повреждений. Так, на подводном переходе через Волгу обнаружено повреждение битумной изоляции личинками ручейника (Trichoptera). На кусках изоляции, находившейся под водой немногим более одного года, было найдено большое количество личинок, а местами изоляция разъедена на глубину 4 — 5 мм.

На болотах изоляция разрушается на всю ее толщину за счет прорастания водных растений. Образующиеся при этом полости заполняются продуктами гниения растений и газов, способствующих усилению коррозионных повреждений.

Покрытия морских трубопроводов повреждаются моллюсками, губками и другими организмами.

Интенсивность обрастания увеличивается с повышением температуры воды. Развитие коррозии при обрастании поверхности трубопровода объясняется усилением притока к металлу кислорода, выделяемого растениями, и образованием углекислоты и сероводорода при разложении мертвых организмов.

Заглубление трубопроводов в дно реки предотвращает обрастание их поверхности различными организмами.

На безопасность эксплуатации трубопроводов различного назначения, проходящих в одном техническом коридоре, влияет ряд факторов как общих, так и индивидуальных для каждого трубопровода. К общим можно отнести не только характеристики природной окружающей среды, но и антропогенного фактора:

русловые переформирования, вызванные воздействием работ, выполняемых владельцами подводных переходов, а также сторонними организациями в техническом коридоре и за его границами в пределах зоны влияния на русловые процессы;

характеристики судоходства, особенно в меженный период;

взаимное пространственное положение ниток трубопроводов в пойменной зоне, что важно для разработки индивидуальных и совместных мероприятий по ликвидации аварий;

взаимное влияние трубопроводов и их электрохимической защиты от коррозии на коррозионную ситуацию в коридоре.

Подводные переходы относятся к пассивным инженерным сооружениям, зона влияния которых на русловой процесс ограничивается одной макроформой или несколькими мезо-формами рельефа. Если технический коридор трубопроводов захватывает несколько мезоформ (ленточные гряды, побоч-ни, осередки), то ремонтные работы, выполняемые на одной из коммуникаций, влияют на русловой процесс всего коридора. В практике эксплуатации подводных переходов известны случаи отрицательного взаимного влияния, когда вследствие ремонта одной нитки оголялись другие нитки.

Особенно наглядно такие процессы проявляются в техническом коридоре, где проходят коммуникации, эксплуатируемые разными организациями. Охранная зона подводных переходов, в пределах которой запрещены дноуглубительные работы без согласования с эксплуатирующей организацией, устанавливается на расстоянии 100 м от осей крайних ниток в обе стороны. Таким образом ремонтные работы на трубопроводах другого ведомства, расположенных на большем расстоянии, чем 100 м, могут выполняться без согласований и учетов последствий изменения руслового процесса в районе соседних коммуникаций.

Из практики эксплуатации переходов нефтепроводов известны случаи многолетних ремонтных работ по ликвидации размывов их ниток, вызванных аналогичными работами на соседних по коридору коммуникациях. Обоюдное вмешательство в ход руслового процесса эксплуатирующими организациями при отсутствии согласованности в действях приводило к излишним материальным затратам.

Примером негативного влияния катодной защиты газопровода Нижневартовск—Кузбасс на нефтепровод Александров-кое — Анжеро —Судженск может служить появление коррозионных язв глубиной до б мм в местах поврежденной изоляции. Это произошло из-за нарушения общей коррозионной ситуации в коридоре, на которую влияют климатические изменения, вызванные глобальным парниковым эффектом, антропогенная деятельность и другие факторы.

Другим примером многониточного подводного перехода, испытывающего воздействие ряда вышеперечисленных факторов, может служить коридор трубопроводов через реку Иртыш (пос. Медведчиково), в котором кроме пяти ниток нефтепроводов выше по течению присутствуют еще и шесть ниток газопроводов. Расстояние между крайней нижней ниткой газопроводов и крайней верхней нефтепроводов составляет примерно 120—150 м, что соответствует требованиям соблюдения охранной зоны, но не исключает взаимного влияния ремонтных работ на характер и интенсивность русловых деформаций в створах переходов.

Коридор переходов расположен на свободно меандриру-ющем участке реки Иртыш. Он пересекает русло в верхней половине излучины, сползающей вниз по реке. К сползанию приводит размыв выпуклого и намыв вогнутого берега в верхней половине излучины, и происходит смена направленности деформации в нижней ее половине. Вблизи нефтепроводного коридора естественная скорость размыва по нормали к нему достигает 5 м/год. Высота донных гряд — микроформ не превышает 2,5 м, возможный диапазон сезонных деформаций в полтора раза меньше этой величины. В половодье скорость течения на поверхности не превышает 1,7 м/с, придонные скорости достигают 0,8 м/с.

Донные отложения на участке переходов представлены в основном песком, супесью и суглинком. Диаметр фракций для супесчаных грунтов в среднем составляет 0,12 мм, а для песчаных — 0,36 мм. Наблюдения за взвешенными наносами показали, что сток их в течение года распределяется неравномерно. Наибольшие расходы взвешенных наносов происходят в период половодья (4900 кг/с). Годовой сток взвешенных наносов составляет 98 % общего объема наносов, транспортируемых рекой.

Анализируя результаты и последствия выполнения ремонтных работ, специалисты предприятий, эксплуатирующих магистральные трубопроводы, пришли к выводу, что взаимная несогласованность защитных мероприятий не только ведет к излишнему расходованию средств, но и снижает безопасность эксплуатации подводного перехода.

На цветном вкладьтттте (фото 3), выполненном с помощью компьютера и напоминающем картину художника-абстрак-циониста, все аномалии размыва дна водотока отображаются на экране монитора изменением цвета. Оператор во время просмотра данных всесторонне изучает геометрические размеры намытых и размытых участков трубопровода, производит измерения объемов работ и включает эту информацию в отчет. Приведенные аномалии дают возможность вынести решение и наметить дальнейшие планы по обеспечению безопасности подводного перехода.

Глава 5 ремонт подводных трубопроводов  »

Библиотека »