Текст
ПЛ.Бородавкин,В.Л.Березин,О-Б.Шадрин
ПОДВОДНЫЕ
П.П.БОРОДАВКИН,
ВЛ.БЕРЕЗИН,
О.Б.ШАДРИН
ПОДВСЩНЫЕ
ТРУБО-
ПРОВОДЫ
«Недра»
1979
УДК 621.643.(204.1)
Бородавкин П. П., Березин В. Л., Шадрин О. Б.
Подводные трубопроводы. М., Недра, 1979. 415 с.
В книге изложены современные способы проек-
тирования, выбор оптимальных вариантов и конст-
руктивных решений подводных переходов магист-
ральных трубопроводов через реки, внутренние во-
доемы и морские акватории.
Рассмотрены технология строительства подвод-
ных трубопроводов, подготовительные, монтажные,
земляные подводно-технические и берегоукрепитель-
ные работы, укладка трубопроводов различными
способами. Изложены новые методы расчета напря-
женного состояния при укладке подводных трубо-
проводов на различные глубины, а также приведены
расчеты устойчивости и колебаний подводных трубо-
проводов. Освещены современные методы и средства
контроля за состоянием трубопроводов в период
строительства и эксплуатации, даны оценка и про-
гнозирование состояния подводных трубопроводов
на длительный период времени.
Книга рассчитана на инженерно-технических и
научных работников, занятых проектированием, стро-
ительством и эксплуатацией магистральных трубо-
проводов для нефти, нефтепродуктов и газа. Табл.
37, ил. 209, список лит. 36 назв.
30805—545
Б------------ 254—79 3608000000
043(01)—79
© Издательство
«Недра», 1979.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Трубопроводный транспорт газа, нефти
и нефтепродуктов в настоящее время явля-
ется основным средством доставки этих
продуктов от мест добычи, переработки или
получения к местам потребления. Основные
месторождения нефти и газа в СССР рас-
положены в восточных и северо-восточных
районах. Для транспортирования нефти и
газа в центральные и западные районы
сооружаются трубопроводы длиной 2000—
3000 км. Трубопроводы такой протяжен-
ности пересекают огромное число разнооб-
разных водных препятствий: малых и боль-
ших рек, водохранилищ, озер, глубоких бо-
лот, сложенных слабыми грунтами. Дли-
тельное время ведется строительство под-
водных трубопроводов на Каспийском море.
Необычайно широк диапазон различ-
ного рода воздействий, оказываемых на
подводные трубопроводы в зависимости
от вида пересекаемых водных препятствий:
течение, волны, лед поверхностный, донный,
шуга, переформирование дна водоемов, на-
ружное давление воды при укладке на
больших глубинах, воздействие якорей, во-
локуш и других предметов, опускаемых
судами на дно водоемов. Все эти воздей-
ствия являются лишь дополнением к основ-
ной нагрузке — внутреннему давлению, до-
стигающему 75—100 кгс/см2.
Если учесть, что ремонт подводных тру-
бопроводов представляет собой задачу
иногда более сложную, чем собственно
строительство нового перехода, то стано-
3
вится очевидным, насколько сложны усло-
вия работы подводных трубопроводов и,
следовательно, насколько продуманными и
научно обоснованными должны быть рас-
четы и технология их строительства.
Практически при проектировании и
строительстве переходов должна быть ре-
шена задача создания подводных трубо-
проводов, которые могли бы работать без
аварий и ремонтов в течение 40—50 лет.
Только в этом случае средства, затрачи-
ваемые на их строительство, можно считать
оправданными, а водоемы — защищенными
от возможного попадания в них вредных
для животного и растительного мира про-
дуктов.
В настоящей книге главы 1, 4, 14 напи-
саны П. П. Бородавкиным; §§ 3.3—3.5,
главы 5, 6, § 10.4, гл. 11, §§ 12.5, 12.7,
12.9—12.11 — О. Б. Шадриным; гл. 2, §§3.1,
3.2, 3.6, 3.7, 10.1—10.3, 10.5—10.7, 11.1,
12.1—12.4, 12.6, 12.8, 12.12—12.16, 14.2—
П. П. Бородавкиным и О. Б. Шадриным;
главы 7, 8— В. Л. Березиным и О. Б. Шад-
риным; главы 9, 13 — В. Л. Березиным,
П. П. Бородавкиным и О. Б. Шадриным.
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКЦИИ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
§ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
К подводным относят трубопроводы, укладываемые ниже
поверхности воды при пересечении рек, водохранилищ, озер,
морских акваторий. К подводным следует относить и трубопро-
воды, прокладываемые в болотах, сложенных слабонесущими
грунтами, не допускающими прохождения по ним обычной тех-
ники (тракторов, трубоукладчиков и т. п.) даже при приме-
нении разгружающих щитов, еланей и т. п. устройств.
В зависимости от того, какой водоем пересекают подводные
трубопроводы, они получают соответствующее название: мор-
ские, речные, болотные.
По подводным трубопроводам транспортируют нефть, неф-
тепродукты, газ, воду и другие продукты. В зависимости от
этого их называют подводными нефте- и нефтепродуктопрово-
дами, газопроводами, водопроводами и т. п.
Особую группу подводных трубопроводов составляют так
называемые выпускные трубопроводы, предназначенные для
выпуска сточных вод или каких-либо иных жидких отходов на
далекое расстояние от берега.
На озерах, водохранилищах и реках сооружают подводные
трубопроводы-водозаборы. Они служат для забора чистой воды
на значительном удалении от берега и подачи ее в водоприем-
ники насосных станций.
Подводные трубопроводы, полностью пересекающие водную
преграду в составе магистрального трубопровода, называют
переходами трубопроводов через соответствующую водную пре-
граду (например, переход трубопровода через Волгу, Камское
водохранилище, Обскую губу и т. п.). Все подводные переходы
такого рода являются, как правило, высоконапорными трубо-
проводами и обеспечивают транзитный проход всего объема
газа, нефти или иного продукта, перекачиваемого по маги-
стральному трубопроводу.
Трубопроводы, не пересекающие целиком водную преграду,
называют в зависимости от их назначения подводными мор-
скими,. озерными, речными и т. п. Они имеют целевое назначе-
ние, например, подводный морской трубопровод для транспорта
нефти от морского месторождения на береговой приемный пункт,
трубопровод-выпуск для сброса сточных вод и т. д.
5
Морские трубопроводы для транспорта нефти и газа, как
правило, высоконапорные сооружения; водоводы и трубопро-
воды-выпуски — самотечные или низконапорные сооружения,
что обусловливает различный подход к их прочностным и кон-
структивным характеристикам.
Приведем классификацию подводных трубопроводов.
1. По глубине погружения Н:
особо глубоководные //>400 м;
глубоководные 40<//^400 м;
средней глубины 10<//^40 м;
мелководные //^10 м.
Под глубиной погружения Н понимается естественная глу-
бина водоема (от поверхности водоема до его дна).
2. По внутреннему давлению р:
высокого давления 12 кгс/см2;
низкого давления р< 12 кгс/см2;
самотечные.
3. По внутреннему диаметру труб Овн.*
особо большого диаметра /Эвн> 1000 мм;
большого диаметра 800<DBH^ 1000 мм;
среднего диаметра 600<DBH^800 мм;
малого диаметра 400<DBH^600 мм;
очень малого диаметра /)вн^400 мм.
4. По виду продукта, транспортируемого по трубопроводу:
для жидкого продукта;
для газообразного продукта.
5. По виду укладки на дне водоема:
по дну без заглубления;
по дну с заглублением;
по дну без заглубления с грунтовым или каменным об-
валованием;
выше дна с закреплением на опорах или на поплавках.
6. По числу параллельно проложенных труб;
однониточные (одна труба);
двухниточные (две трубы);
трехниточные (три трубы);
многониточные (более трех труб).
7. По характеру воздействия перекачиваемого продукта на
окружающую среду (животный и растительный мир):
катастрофическое;
особо неблагоприятное;
неблагоприятное;
нейтральное.
Для оценки условий работы речных трубопроводов П. П. Бо-
родавкиным и О. Б. Шадриным на основании обобщения резуль-
татов обследования большого числа подводных трубопроводов
разработана классификация [8], принятая в качестве основной
6
в утвержденной Госстроем методике оптимального проекти-
рования.
В ее основу положена зависимость между деформациями
речных русел в створах трубопроводов и вероятность выхода их
из строя в результате разрушений труб при определенных видах
деформаций в течение расчетного срока эксплуатации.
I категория — участки рек, на которых глубинные перефор-
мирования русла не превышают 1 м, а плановые незначительны.
При полном проявлении таких деформаций подводные трубо-
проводы на участках I категории не размываются и не разру-
шаются в течение всего срока эксплуатации. К этой категории
относятся реки шириной до 50 м ленточно-грядового, осередко-
вого и побочневого типов, а также реки шириной более 50 м
с устойчивыми дном и берегами (скальные грунты с толщиной
аллювиального слоя менее 1 м). Опасность оголения труб пол-
ностью исключается, если глубина их заложения более 1 м,
а врезка в берег более 5 м.
II категория — участки рек, на которых глубинные пере-
формирования достигают 2 м, а плановые— 10 м. К этой кате-
гории относятся участки переходов через реки шириной более
50 м ленточно-грядового и побочневого типов. Трубопроводы не
оголяются и не подвергаются силовому воздействию потока,
если они заглублены более чем на 2 м, а врезка в берега более
15 м.
III категория — участки рек, на которых наибольшие глубин-
ные переформирования достигают 2 м, а плановые — несколь-
ких десятков и даже сотен метров. К этой категории относятся
участки переходов через реки с ограниченным, незавершенным
и свободным типом меандрирования, а также участки поймен-
ной многорукавности. Основанием для оценки переформирова-
ний являются материалы аэрофотосъемки и лоцманские карты
разных лет.
IV категория — участки горных рек с особыми формами рус-
лового процесса, реки с явно выраженной неустойчивостью
русла, на которых в течение нескольких дней или недель пере-
формирования русла могут достигнуть по глубине более 2 м,
а в плане — нескольких десятков метров.
Строительство подводных переходов через такие участки рек
нецелесообразно.
Классификация морских трубопроводов по условиям работы
пока еще не разработана. В ее основу должна быть положена
устойчивость дна морской акватории и характеристики волн и
морских течений на отдельных участках прокладки подводного
трубопровода. В пределах одного трубопровода может быть
несколько различных участков. Например, на глубинах более
200—300 м практически нет влияния волн, поэтому волновое
разрушение дна отсутствует, воздействие волн на трубопровод,
не заглубленный в дно, также отсутствует. В то же время в при-
бойной зоне под воздействием волн идет непрерывное перефор-
мирование дна, причем глубина переформирования может в не-
которых случаях достигать 10—15 м. Сила удара волн на ого-
ленный трубопровод может достигать нескольких тонна-сил на
1 м2. В первом случае возможна укладка труб без заглубления
в дно, во втором — невозможна.
§ 1.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
По расположению относительно естественной поверхности
дна водоемов трубопроводы можно укладывать ниже дна (за-
глубленный трубопровод), на дне (незаглубленный трубопро-
вод) и-выше дна (погруженный трубопровод).
Наиболее распространенной является укладка труб по за-
глубленной схеме, позволяющей надежно защитить их от внеш-
них силовых воздействий.
Укладка по незаглубленной схеме применяется в тех слу-
чаях, когда заглубление труб в грунт по каким-либо причинам
невозможно. Открытое положение труб делает их уязвимыми
для механических повреждений и поэтому требуется их защита.
Сооружение трубопровода по погруженной схеме делает
трубопровод уязвимым как для механических, так и гидродина-
мических воздействий. Трубопровод, находящийся в воде в под-
вешенном состоянии, легко может быть поврежден якорями,
якорными цепями, рыболовными снастями. Он непрерывно под-
вергается силовому и волновому воздействию движущейся
воды. Тем не менее применение такой схемы может оказаться
неизбежным при очень больших глубинах водоема.
Рассмотрим конструктивные особенности каждой из схем.
Заглубленный трубопровод. Основное условие для этой
схемы — заглубление трубопровода ниже прогнозируемой по-
верхности размыва дна водоема на расчетный период эксплуа-
тации. Кроме того, необходимо учитывать возможность повреж-
дения труб якорями, волокушами и т. п. предметами, опу-
скаемыми или бросаемыми на дно водоема проходящими или
работающими в данном районе водоема судами. При укладке
трубопровода ниже предельной глубины размыва грунта йр
(рис. 1.1, а) какой-либо дополнительной защиты труб от меха-
нических повреждений не требуется. Конструкция трубопро-
вода будет наиболее простой: труба 7, имеющая расчетную тол-
щину стенки, покрытая антикоррозийной изоляцией 2, если тру-
бопровод имеет отрицательную плавучесть, или изолированная
труба с утяжеляющими грузами или утяжеляющим покры-
тием 3. Если трубопровод находится на глубине h<hR или
й<йр, где йя— глубина проникновения в грунт якорей, воло-
куш и т. п., то для защиты труб от возможных механических
повреждений применяют либо усиленное защитное покрытие
РИС. 1.1.
Заглубленный трубопровод
самих труб, например железобетонной оболочкой, либо крепле-
ние поверхности грунта над трубопроводом каменной наброс-
кой 4, бетонными плитами и т. п. (рис. 1.1, б).
Незаглубленная схема. Применение этой схемы допустимо
только в условиях, полностью исключающих местные размывы
грунта под трубопроводом. Это возможно только в случае очень
плотных или скальных грунтов, не размываемых потоком воды
при максимальных скоростях потока, зарегистрированных
в месте укладки трубопровода. Если это условие не будет вы-
полнено, т. е. если трубопровод на участке длиной /р окажется
провисшим, то, как правило, он начинает колебаться. При опре-
деленных условиях (см. § 5.8) возникает резонансный режим
колебаний и тогда становится неизбежным разрушение труб.
Если опасности механических повреждений якорями в месте
укладки нет, то обеспечение неразмываемостщгрунта и защиты
труб от коррозии еще не гарантирует их эксплуатационную
надежность при укладке труб на дне. Поскольку давление про-
дукта в трубопроводе и его температура могут изменяться
в процессе эксплуатации, то незакрепленный трубопровод мо-
жет смещаться как в продольном, так и поперечном направле-
ниях. Вследствие этого может разрушиться изоляционное по-
крытие, обычно имеющее малую механическую прочность, после
чего начинается быстрое коррозионное разрушение труб. По-
этому при незаглубленной схеме укладки трубы должны быть
покрыты не только антикоррозийной изоляцией, но и защитным
покрытием от механических повреждений. Таким покрытием
9
a
РИС. 1.2.
Незаглубленный трубопровод
РИС. 1.3.
Трубопровод в виде жесткой нити:
а) при положительной плавучести; б) при
отрицательной плавучести
может быть сплошное бетонирование (рис. 1.2, а)-, а также раз-
личного рода обвалования и защитные конструкции (рис. 1.2,6,
в, а, д). Если имеется опасность повреждения труб якорями
судов, то защитные конструкции, показанные на рис. 1.2,
должны быть рассчитаны также и на механическое воздействие
якорей, волокуш и т. п.
Погруженный трубопровод. Представляет собой жесткую
нить, подвешенную на опорных устройствах. Опорные устрой-
ства могут быть двух типов: опирающиеся на дно (рис. 1.3, а)
и плавающие на поверхности воды (рис. 1.3, б). Если трубо-
провод имеет отрицательную плавучесть, то для стабилизации
его положения при больших глубинах целесообразны плавучие
опоры, к которым на гибких тросах подвешивается трубопро-
вод (см. рис. 1.3, б). При положительной плавучести, напри-
мер, в случае подводных газопроводов, гибкое крепление целе-
сообразно крепить к дну водоема (см. рис. 1.3, а).
Схема погруженного трубопровода делает трубопровод уяз-
вимым для якорных цепей, рыболовных снастей и т. п. Эта схема
применима только в случае, если полностью исключается воз-
можность такого контакта.
§ 1.3. КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ
Однотрубные конструкции.
Большинство построенных подводных трубопроводов пред-
ставляют собой однотрубные конструкции. Типичный пример
такой конструкции показан на рисунке 1.4, а, б, в.
10
Конструкция, представленная на
рис. 1.4, а, применяется при заглуб-
ленной прокладке, при отрицатель-
ной плавучести труб, когда не тре-
буется ни утяжеление труб, ни за-
щита их от механических повреж-
дений.
Конструкция (рис. 1.4, б) в до-
бавление к первой конструкции
(рис. 1.4, а) включает утяжеляю-
щие чугунные грузы. Как и первая
конструкция, она применяется при
заглубленной схеме, поскольку не
обеспечивает защиты трубопровода
от механических повреждений.
Конструкция (рис. 1.4, в) пред-
ставляет собой конструкцию (см.
рис. 1.4, а) покрытую бетонным или
железобетонным слоем. Тем самым
в
РИС. 1.4.
Конструкции однотрубного
трубопровода
обеспечивается в необходимых слу-
чаях как утяжеление труб, так и
их защита от механических повреждений.
Защитное покрытие может выполняться как из монолитного
бетона, так и из сборного, собираемого из отдельных заранее
изготовленных элементов. Толщина защитного (утяжеляющего)
покрытия определяется из условий обеспечения устойчивости,
а также прочности при заданных внешних силовых воздей-
ствиях.
Двухтрубные конструкции.
Как показал опыт эксплуатации, однотрубные конструкции
не всегда обеспечивают эксплуатационную надежность нефте-
и газопроводов. Особенно это характерно для трубопроводов,
по которым перекачиваются коррозийно-агрессивные, сильно
подогретые или сильно охлажденные продукты. Для повышения
эксплуатационной надежности в настоящее время применяются
конструкции переходов типа «труба в трубе». Здесь можно вы-
делить две принципиально отличающиеся конструктивные
схемы: «труба в трубе» с наружной трубой, используемой в ка-
честве защитного кожуха, и «труба в трубе» с обеими работаю-
щими трубами.
«Труба в трубе» с наружной трубой-кожухом впервые была
применена на переходе продуктопровода через Неву. Конструк-
ция перехода показана на рис. 1.5. Существенным недостатком
такой конструкции является то, что кожух не несет нагрузки
от внутреннего давления и тем самым не улучшает условия
силовой работы внутренней несущей трубы; кроме того,
требуется балластировка всего трубопровода чугунными гру-
зами.
РИС. 1.5.
Конструкции продуктопровода в защитном кожухе:
/ — продуктопровод 273X10 мм; 2 —чугунный груз; 3 — кожух 530X9 мм; 4 — уголковое
железо 100X100X8 мм; 5 — хомут диаметром 22 мм
трубопро-
конденсато-
РИС. 1.6.
Конструкции подводного
вода:
а — конструкция подводного
провода:
1 — чугунные грузы; 2 — деревянная рей-
ка; 3 — антикоррозийная изоляция; 4 —
стальной кожух 720X18 мм; 5 — деревян-
ная рейка; 6 — антикоррозийная изоляция;
7 — конденсатопровод 377X15 мм; б —
предварительно напряженный аммиако-
провод: /— армированное бетонное покры-
тие толщиной 50,8 мм; 2 — антикоррозий-
ная изоляция (каменноугольная эмаль
3,95 мм, два слоя стеклоткани и слой ас-
беста); 3 — стальной кожух 406X8,7 мм:
4 — шесть деревянных реек для защиты
изоляции; 5 — теплоизоляция из пенопла-
ста толщиной 38 мм; 6 — аммиакопровод
из бесшовной трубы 273X7 мм; 7 — охлаж-
дающий трубопровод диаметром 38 мм;
8 — обоймы с шарикоподшипниками: в —
конструкция подводного нефтепровода:
/ — стальная труба 456X12,7 мм; 2 — пено-
полиуретан; 3 — стальной кожух диамет-
ром 560 мм; 4 — антикоррозийная изоля-
ция (каменноугольная эмаль 1,6 мм, ар-
мированная стеклотканью); 5 — утяжеляю-
щее покрытие
8
РИС. 1.7.
Трубопровод типа «труба в трубе» с заполнением межтрубного пространства
На рис. 1.6 показана конструкция «труба в трубе», отличаю-
щаяся от конструкции, представленной на рис. 1.5 тем, что вну-
тренняя труба уложена центрированно относительно наружной
с помощью специальных центрирующих приспособлений. Тру-
бопровод, как в первом примере, балластирован чугунными
грузами.
Для транспорта сильно охлажденных продуктов, например
сжиженного аммиака, применялась конструкция, показанная
на рис. 1.6, б, а для транспорта подогретых нефтей — на рис.
1.6, в.
Как видно из рисунков, в схеме рис. 1,6,6 межтрубное про-
странство не полностью заполнено теплоизоляционным слоем,
а в схеме рис. 1,6, в — полностью, и наружный кожух исполь-
зуется в качестве формообразующей оболочки для теплоизоля-
ции и одновременно основы, на которую наносится утяжеляю-
щее покрытие.
Имеются различные варианты приведенных конструкций
(внутренние и наружные трубы разных диаметров, теплоизоля-
ция различной толщины, разные утяжеляющие покрытия
и т. п.), но в основе их одна особенность — работает внутренняя
труба, а наружная создает лучшие условия для ее работы.
В случае разрыва внутренней трубы неизбежна остановка в ра-
боте трубопровода.
Для более полного использования несущей способности вну-
тренней и наружной труб рекомендуется заполнять межтруб-
ное пространство цементно-песчаным раствором 2 (рис. 1.7).
Внутренняя труба 1 покрывается антикоррозийной изоляцией
и вставляется в наружную трубу 3, которая также имеет
антикоррозийную изоляцию и защитное покрытие (деревян-
ная футеровка и т. п.). Для создания равномерного зазора
13
между внутренней и наружной трубами устанавливают упругие
пластины 4.
Пространство между обеими трубами заполняется цемент-
но-песчаным раствором, который после отвердения соединяет
жестко внутреннюю и наружную трубы. В результате полу-
чается монолитная двухтрубная конструкция, способная нести
значительно большее внутреннее давление, чем двухтрубная
конструкция без такого заполнителя. Поскольку подводный пе-
реход работает в составе магистрального трубопровода, то дав-
ление в нем будет такое же, что и в магистрали. Следовательно,
двухтрубный переход будет обладать значительным запасом
прочности по сравнению с однотрубным и двухтрубным без за-
полнения.
Заполнение межтрубного пространства позволяет наилуч-
шим образом решить проблему утяжеления трубопровода, так
как цементно-песчаный раствор одновременно является и утяже-
лителем. Нужно лишь соответствующим образом подобрать со-
отношение наружного и внутреннего диаметров труб, а также
толщины стенок обеих труб.
Процесс заполнения межтрубного пространства цементно-
песчаным раствором может выполняться как до укладки трубо-
провода в траншею, так и после его укладки, что определяется
в зависимости от конкретных условий строительства.
ГЛАВА 2. ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ
§ 2.1. ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ НА УЧАСТКАХ
ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ
Материалы для проектирования подводных трубопроводов
должны включать данные, позволяющие:
определить оптимальный створ и профиль подводного тру-
бопровода;
назначить конструктивное решение перехода;
выполнить расчет напряженного состояния и устойчивости
трубопровода;
составить проекты организации строительства и производи
ства работ;
определить затраты на строительство перехода.
Основные данные для проектирования переходов получают
в результате обработки инженерных изысканий (топографиче-
ских, геологических и гидрологических). Изыскания для обос-
нования проектирования могут выполняться: в две стадии —
для технического проекта и рабочих чертежей; в одну стадию —
для технорабочего проекта (технический проект, совмещенный
с рабочими чертежами).
Изыскания для технического проекта выполняют с целью
выбора наилучшего варианта трассы, разработки конструктив-
ных решений по подводному трубопроводу и определения пол-
ной стоимости его строительства.
Изыскания для рабочих чертежей выполняют с целью уточ-
нения и детализации конструктивных решений, предусмотрен-
ных техническим проектом, и получения документации для про-
изводства строительных работ. Трассу, принятую в техническом
проекте, окончательно закрепляют на местности.
Технорабочие проекты разрабатывают для технически не-
сложных подводных переходов, а также для переходов через
водные преграды с достаточно изученными гидрогеологическими
условиями. Весь комплекс изыскательских работ для обоснова-
ния технорабочих проектов выполняют одновременно, объем их
должен обеспечивать решения тех же задач, что и при проекти-
ровании в две стадии.
При топографических изысканиях на стадии технического
проекта выполняют инструментальное трассирование переходов
через крупные водные преграды. На стадии рабочих чертежей
для всех переходов трассу трубопровода закрепляют стан-
дартными закрепительными знаками (деревянными столбами,
15
металлическими трубами или угольниками). Кроме закрепитель-
ных знаков устанавливают грунтовые реперы: по одному-ре-
перу на обоих берегах однониточных переходов и по два репера
на каждом берегу многониточных переходов. Реперы устанав-
ливают на расстоянии 100—150 м от створа перехода в местах,
исключающих их повреждения.
Границы съемки по длине перехода назначают в полевых
условиях, они обычно определяются пойменными участками,
а при их отсутствии — бровками коренных берегов. Устанавли-
вают границы максимального затопления поймы реки в створе
перехода. Сведения о горизонтах высоких вод. принимают по во-
домерному посту гидрометеослужбы с поправкой на. уклон
реки при перенесении отметки в створ перехода. При отсутствии
водомерных постов и регулярных наблюдений за уровнями реки
максимальные уровни определяют по опросам старожилов близ-
лежащих населенных пунктов. Если вблизи перехода нет водо-
мерных постов и населенных пунктов, то максимальные уровни
устанавливают по различным признакам (следы остатков травы
и мусора на ветках деревьев и кустарника после паводка, раз-
мыв коренных берегов и др.).
Границы съемки перехода должны также включать сравни-
тельно ровную площадку длиной до 1,5 ширины реки в межень
для проведения строительно-монтажных работ. Эта площадка
располагается в пределах поймы при редкой ее затопляемости;
при низкой пойме, подверженной затоплению весенними и дож-
девыми паводками, наличии стариц и заболоченных участков
площадка располагается за пределами поймы или за бровкой
коренного берега.
Граница съемки по ширине перехода принимается в преде-
лах расстояний между нитками плюс по 100 м в каждую сто-
рону от крайних ниток. Для рек с интенсивными плановыми
и глубинными переформированиями съемка русла выполняется
на участке протяженностью примерно десять значений ширины
русла.
На основании топографических изысканий составляют де-
тальные планы и профили участков переходов. Масштаб планов
для руслового участка 1 1000—1 2000, для поймы 1 1000—
1 5000. Продольные профили составляют в масштабе плана на
основании промеров глубин русла эхолотом и нивелировки
поймы, вертикальный масштаб принимается 1 100—1 200.
Инженерно-геологические изыскания выполняют с целью
установления характеристики геологического строения, геомор-
фологических и гидрогеологических особенностей участка строи-
тельства трубопровода. На стадии технического проекта инже-
нерно-геологическая съемка выполняется в масштабе 1: 50000
для участков простого геологического строения и 1 :25000 для
участков с неблагоприятными условиями. По выбранным вари-
антам назначаются разведочные скважины (выработки).; место-
16
положение, количество и глубина скважин зависят от инженер-
но-геологических условий, типа и размеров водных преград и
пойменных участков. При ширине реки менее 150 м в русле
устраивают одну скважину, при ширине более 150 м скважины
в русле устраивают через 50—60 м, кроме того, разбуривают по
две скважины на урезах, пойме и на подходах. Глубина сква-
жин при устойчивых русле и берегах, сложенных песчано-гли-
нистыми грунтами, принимается 4—5 м, а илистые грунты ис-
следуются на всю мощность. Из скважин отбирают грунты для
определения их характеристик. Для песков определяют грану-
лометрический состав, объемную массу и плотность, естествен-
ную влажность, коэффициент пористости, угол внутреннего тре-
ния; для глинистых грунтов— объемную массу и плотность,
естественную влажность, пределы пластичности, консистенцию,
угол внутреннего трения и сцепления.
На многониточных переходах на стадии технического про-
екта скважины разбуривают только по центральному створу;
при обнаружении скальных пород разведочное бурение выпол-
няют по трем створам: центральному и расположенным на рас-
стоянии 50 м выше и ниже от него по течению.
На стадии рабочих чертежей или при изысканиях в одну ста-
дию для участков переходов через средние и крупные реки вы-
полняют инженерно-геологическую съемку в масштабе 1 :5000—
I 2000 и детальные буровые разведочные работы в русле реки
в сочетании с геофизической разведкой (вертикальное электро-
зондирование). Ширина полосы съемки должна превышать на
100—200 м расстояние между крайними нитками перехода,
а длина должна быть до бровок верхней пойменной террасы.
В русле скважины бурят через 30—50 м в зависимости от
геологического строения, глубина бурения скважин на несудо-
ходных и несплавных реках — 3 м, а на судоходных и сплав-
ных — не менее 4 м. На урезах воды каждой нитки глубина
скважин 5 м, на пойме скважины бурят через 100—150 м глу-
биной 3 м, на уступах пойменных террас — в 10 м от бровки
уступа глубиной до 10 м. При наличии слабых грунтов про-
ходка скважин ведется на полную их мощность. Из скважин
отбирают пробу грунта и определяют их характеристику для
уточнения свойств грунтов в окончательно выбранных створах
перехода. Результаты инженерно-геологических изысканий на-
носят на планы и профили переходов в виде схем расположения
скважин, геологических разрезов с вертикальным масштабом
1 100—1 :200, характеристики грунтов прилагаются в виде ве-
домостей.
На основании инженерно-геологических изысканий прини-
мают соответствующую организацию производства земляных
работ.
Цель инженерно-гидрологических изысканий на участках
водных преград — установление гидродинамического воздей-
ствия потока на подводные трубопроводы, предельного про-
филя размыва дна и берегов в створах перехода за период его
эксплуатации, химического состава воды и влияния его на кор-
розию трубопровода, сведений о характерных горизонтах воды
и ледовых явлениях.
Объем и способы инженерно-гидрологических изысканий за-
висят от размеров водной преграды, сложности гидрологиче-
ских условий и степени их изученности.
В состав гидрологических работ входят промеры глубин
в намеченных створах; нивелировка характерных уровней воды
в летнюю и зимнюю межень и в период половодья; измерение
скоростей течения по глубине потока в межень и половодье;
получение сведений о ледовых явлениях: горизонтах, сроках и
продолжительности ледостава и ледохода, толщине и участках
затора льда, разрушении берегов ледоходом, наличии и при-
чинах возникновения наледей; установление условий хозяй-
ственного использования реки: наибольшие габариты прохо-
дящих судов, способы лесосплава и размеры плотов, наличие
плотин и проектов гидротехнических сооружений.
На больших и средних водных преградах со сложными усло-
виями гидрологические изыскания выполняют по специальным
программам. На остальных переходах устанавливают отметки
горизонтов высоких вод, поверхностные скорости течения и хи-
мический состав воды, выполняют описание реки в пределах
300 м выше й ниже створа перехода (типы и характерные осо-
бенности русла, берегов поймы; количество и вид твердого
стока, паводки, ледовый режим).
§ 2.2. ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
Состав и объемы инженерных изысканий для строительства
морских трубопроводов значительно отличаются от изыска-
ний для речных подводных переходов и зависят от степени
изученности топографических, гидрографических, геологиче-
ских, геоморфологических, метеорологических, гидрологиче-
ских, гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических
условий акватории.
Результаты топографических и гидрографических изыска-
ний учитываются при выборе оптимальной трассы морского тру-
бопровода, размещении береговой строительной площадки,
подъездных путей и причалов для стоянки судов, производстве
подготовительных и земляных работ, а также технологий
укладки трубопроводов. На основании указанных результатов
и имеющихся морских карт составляют план акватории в мас-
штабе 1 10000—1 25000 с указанием расположения створов
трубопроводов, различных инженерных сооружений, судового
хода, мест стоянки судов и зоны рыболовства.
18
Данные о рельефе морского дна можно получить с помощью
эхолотов, систем профилирования морского дна и специального
устройства, известного под названием «сонар» и основанного на
использовании ультразвука. Сонары с боковым сканирующим
лучом позволяют получить картину морского дна полосой в не-
сколько сотен метров. В настоящее время для проведения ука-
занных изысканий эти устройства являются наиболее эффек-
тивными. Они дают возможность обнаружить различные пре-
пятствия и песчаные гряды на дне, а также ранее проложенные
провисающие и частичные заглубленные в грунт участки трубо-
проводов.
По данным промерных работ с применением эхолотов и
сонаров составляют план участка акватории в горизонталях
(масштаб 1 1000—1 5000) с включением полосы берегового
участка шириной не менее 200 м в обе стороны от створов тру-
бопроводов и продольные профили возможных вариантов под-
водных трубопроводов с вертикальным масштабом 1 100 —
1 200.
План акватории для проектирования трубопроводов мор-
ского рейдового причала должен включать участки с глуби-
нами до 50 м и протяженностью 500 м и более от конца трубо-
провода.
На основании поперечных профилей (нормальных к створу
трубопровода) в конце подводного трубопровода проектируют
расстановку рейдового оборудования.
Инженерно-геологические изыскания проводят для установ-
ления геологического строения, геоморфологических и гидрогео-
логических характеристик участка строительства морского тру-
бопровода. На основании инженерно-геологических изысканий
устанавливают физико-механические свойства грунтов: грану-
лометрический состав, плотность, объемную массу сухого грунта
и в естественном состоянии, влажность, угол внутреннего тре-
ния и сцепление грунта, сопротивление сдвигу, нижний и верх-
ний пределы пластичности и консистенцию глинистых грунтов,
Изучают состав, мощность и условия залегания донных от-
ложений (мощность слабых илистых и рыхлых несвязных грун-
тов, глубину залегания плотных грунтов и скальных пород), фи-
зико-геологические процессы и явления.
Особое внимание уделяют определению устойчивости бере-
гового и подводного склонов, развитию физико-геологических
явлений (береговых процессов, обвалов, оползней, карстов
и др.).
Грунтовые условия акватории существенно влияют на выбор
варианта и конструктивное решение морского трубопровода. От
свойств грунтов зависят величина и способ заглубления трубо-
провода в грунт, переформирование морского дна, конструкция
берегоукрепления и методы закрепления трубопровода, несущая
способность судовых якорей, устойчивость трубопровода на
19
всплытие вследствие изменения свойств грунтов и плотности
воды при шторме, размыве и засыпке траншеи.
Материалы инженерно-геологических изысканий должны
быть достаточными для прогнозирования деформации рельефа
дна и берегов в створах трубопровода на весь период его экс-
плуатации.
Инженерно-геологические изыскания акватории на участках
строительства трубопроводов наиболее эффективно проводить
с помощью акустических методов в сочетании с исследованием
свойств образцов грунтов, взятых со дна акватории с помощью
специальных пробоотборников.
Качество получаемой информации с помощью акустических
методов в значительной степени зависит от частотного спектра
выходного сигнала. Низкочастотный спектр по сравнению с вы-
сокочастотным обладает большей глубиной проникания акусти-
ческой энергии в грунт. Высокочастотные спектры 40 кГц и выше
полностью отражаются от дна или проходящего косяка рыбы
и поэтому используются в эхолотах для промеров глубин и об-
наружения косяков рыбы. При частоте сигнала 12 кГц глубина
проникания в грунт достигает 10 м, если дно сложено из мягких
осадочных пород. При более низкой частоте сигнала в диапа-
зоне 60—120 Гц глубина проникания может достичь нескольких
тысяч метров. С увеличением глубины проникания ухудшается
разрешающая способность системы. Поэтому в каждом конкрет-
ном случае можно выбрать либо увеличение глубины проника-
ния, но ухудшение разрешающей способности, либо увеличе-
ние четкости вследствие уменьшения глубин. Установлено, что
только при определенном сочетании мощности и частоты сиг-
нала можно получить систему с оптимальной разрешающей спо-
собностью.
Для строительства подводных трубопроводов целесообразно
применять акустические приборы, обеспечивающие глубину про-
никания до 5—10 м.
Физико-механические свойства пород, слагающих морское
дно, значительно влияют на качество- съемки. Некоторые по-
роды частично отражают и частично пропускают звуковые вол-
ны, другие породы, почти не отражая, полностью пропускают
или поглощают их.
Твердые скальные породы в основном акустически непро-
зрачны, неконсолидированные осадочные породы с большим со-
держанием воды и глинистые отложения свободно пропускают
звуковые волны, а торфы и другие органические отложения
полностью поглощают их.
Проведение геологических исследований с использованием
акустических методов позволяет определить вид, мощность и
протяженность залегания осадочных пород, отличить илы
и глины от песка и твердых пород, а также с достаточной точ-
ностью получить данные о глубине залегания скальных пород.
Ширина обследуемой полосы морского дна вдоль трассы
трубопровода зависит от глубины моря и должна быть доста-
точной для установления условий заякоривания земснарядов,
трубоукладочных барж и трубозаглубителей. На больших глу-
бинах ширина обследуемой полосы может колебаться от нес-
кольких сотен метров до двух километров.
В дополнение к акустическим исследованиям проводится ана-
лиз образцов грунта, взятых с морского дна с помощью специ-
альных устройств: виброзонда, виброгрунтоотборника, поршне-
вого гравитационного прибора и др.
Виброзонд состоит из свинчивающихся секций двух- или
трехдюймовых труб длиной по 1,5 м, имеющих грунтовые ло-
вушки. Под действием вертикальных колебаний происходит раз-
жижение грунта и виброзонд погружается на необходимую глу-
бину, с которой и отбирают пробы грунта грунтовыми ло-
вушками. Затем зонд поднимают (периодически включая и
выключая вибратор) и извлекают образцы грунта из грунтовых
ловушек, расположенных на различных глубинах. Виброзонд
может погружаться в грунт на 10 м и более. Применение виб-
розонда наиболее эффективно при залегании на морском дне
водонасыщенных песчаных и песчано-гравелистых отложений,
илистых грунтов текучепластичной и пластичной консистенции,
виброзонд можно использовать и для отбора проб крупнообло-
мочных и глинистых грунтов.
При применении подводного виброгрунтоотборника вибратор
располагается под водой. Длина виброгрунтоотборника 3,4 м,
длина труб для отбора грунта 3 м. Для отбора проб связных
грунтов применяют трубы с боковыми прорезами, а песчаных
грунтов — трубы без прорезов. Наконечник виброгрунтоотбор-
ника имеет лепестки для удержания грунта на трубе при ее
подъеме.
Перспективным для инженерно-геологических испытаний яв-
ляется применение подводной пенетрационно-каротажной стан-
ции, с помощью которой можно получить непрерывную по глу-
бине проходки запись изменения пяти показателей: объемной
массы, объемной влажности, естественного гамма-фон породы,
удельного сопротивления породы вдавливанию наконечника
зонда и удельного трения породы. Совместная интерпретация
этих показателей позволяет оценить прочность, сжимаемость,
водопроницаемость, просадочность и другие свойства иссле-
дуемых пород.
Базовый способ проходки пород — статическое зондирова-
ние; значения показателей измеряют с помощью аппаратуры,
расположенной в зонде (на забое), их запись осуществляется
с помощью наземной аппаратуры.
Подводная пенетрационно-каротажная станция предназна-
чена для исследования донных отложений при глубине воды
30—40 м. В ближайшей перспективе предполагается создание
21
новых пенетрационно-каротажных станций, позволяющих ис-
следовать донные отложения с большим числом показателей,
характеризующих свойства породы на глубине акватории до
200 м.
По результатам геологических изысканий составляют про-
дольные инженерно-геологические профили по всем вариантам
створов подводных трубопроводов, на которых указывают но-
мер и расположение колонок (скважин) с характеристиками
грунта.
Метеорологические и гидрологические изыскания необхо-
димы для определения нагрузок на трубопроводы, разработки
проекта организации строительства подводного трубопровода
и проекта производства работ. По данным метеостанций уста-
навливают ветровой режим, атмосферное давление, режим вы-
падания осадков, температурный режим воздуха. На основании
характеристик ветрового режима получают: розы ветров по се-
зонам года и градации скоростей ветра для всех румбов по дан-
ным многолетних наблюдений, а также максимальные скорости
ветра, наблюдаемые по разным направлениям; данные о штор-
мах различной силы и продолжительности их по разным направ-
лениям; графики связи ветров и сезонно-нагонных колебаний
уровня моря, элементов волн и течений по разным направле-
ниям.
Исходные данные, получаемые на станциях и постах гидро-
метеослужбы, характеризуют в основном участки глубокого
моря на расстоянии до 100 км по берегу от района деятельно-
сти станции или поста. В период изысканий изучают гидроло-
гические процессы на участках подводного берегового склона
до глубины 10—25 м и на участках, удаленных от станций и пос-
тов гидрометслужбы. Пункты наблюдения (за уровнем воды,
параметрами волн и течений, наносами и т. д.) размещают
вблизи створа трубопровода с учетом максимального охвата
всего района строительства. Число и продолжительность наблю-
дений на гидрологическом профиле в период изысканий зависят
от параметров ветрового режима, волнения и течения. Наблю-
дения на подводном участке береговой зоны проводят не менее
года. По результатам исследования колебаний уровня моря по-
лучают:
динамику уровней по отдельным месяцам для среднего гид-
рологического года;
обеспеченность и экстремальные значения уровней для не-
приливного моря;
обеспеченность и экстремальные значения ежегодных уров-
ней малой и полной воды и амплитуд колебаний моря, харак-
теризующегося наличием приливов и отливов;
обеспеченность размеров и длительности сгонов и нагонов
воды по месяцам и их связь с направлением и скоростью ветра
и с атмосферным давлением.
Колебания уровня моря необходимо учитывать при прове-
дении подводных земляных работ и укладке трубопровода, по-
скольку на участках с незначительной глубиной моря нормаль-
ная работа земснарядов и трубоукладочных барж ограни-
чивается их осадкой. Течения оказывают гидродинамическое
воздействие на трубопровод как в период строительства при
укладке трубопровода, так и в период эксплуатации при распо-
ложении трубопровода на дне или вблизи морского дна. По-
этому для обеспечения несущей способности трубопровода необ-
ходимы достаточно точные данные о скорости и направлении
течения, распределении скоростей и направлении их по глубине
моря и во времени. Течения можно разделить на две группы.
К первой группе относятся ветровые и компенсационные те-
чения, обусловливаемые ветровыми сгонно-нагонными колеба-
ниями уровня моря. Эти течения как результат действия ветра
характеризуются быстрым появлением, повторяемость и пара-
метры их могут быть определены по скоростям и направлениям
действия ветра.
Ко второй группе относятся течения, обусловливаемые дли-
тельной циркуляцией атмосферы, различием физических свойств
воды или неоднородным распределением плотности; испаре-
нием, солнечной радиацией, атмосферными осадками, стоком
речных вод вследствие возникновения гидростатического дав-
ления.
На параметры течений оказывает влияние вращение Земли;
это влияние может быть установлено измерением скоростей те-
чения в благоприятную погоду при отсутствии ветра.
Скорости и направления течений могут значительно изме-
няться на участке подводного берегового склона, поэтому при
изысканиях необходимо измерять распределение скоростей по
глубине в трех-четырех точках гидрологического профиля.
Одним из основных факторов, определяющих силовое гидро-
динамическое воздействие на трубопровод и условия его строи-
тельства, является волнение моря. Для проектирования подвод-
ных трубопроводов необходимо установить длину, высоту и пе-
риод волн, их повторяемость по градациям и направлениям. Для
расчета воздействия волн на трубопровод, уложенный на дно
моря, необходимо иметь данные о параметрах волн, соответ-
ствующие штормам, наблюдаемым в течение года, 25 и 100 лет.
Исследования волнения моря должны включать сведения
о трансформации по береговому склону наиболее высоких волн
глубокой части моря, а также систем волн с разных полурум-
бов, которые сопровождаются рефракцией и дифракцией волн;
о прибое и накате волн на береговые участки и откосы соору-
жений.
Данные о волнениях моря в строительный период позволяют
планировать число рабочих дней по отдельным месяцам и по-
тери рабочего времени вследствие простоя трубозаглубитель-
23
них снарядов и трубоукладочных барж из-за метеорологиче-
ских условий.
В результате изысканий должны быть получены данные
и о движении наносов, деформации берегов и морского дна, воз-
действии волн и течений на грунты и возможный переход их
в неустойчивое состояние. На основании этих данных определя-
ется заглубление трубопровода в грунт и балласт для обеспе-
чения устойчивости трубопровода на сдвиг и всплытие. Указан-
ные данные могут быть получены сопоставлением гидрогра-
фических планов, аэрофотоснимков и карт, составленных по
съемкам разных лет.
Материалы изысканий для проектирования морских трубо-
проводов должны включать сведения о физических и химиче-
ских свойствах морской воды: плотность, температуру, прозрач-
ность, агрессивность морской воды по отношению к изоляцион-
ному покрытию, бетону и металлу. Химический состав морской
воды и ее температурный режим незначительно изменяются на
больших пространствах моря и могут быть приняты по данным
ближайших гидрометеостанций.
Сведения о морской фауне необходимы для оценки возмож-
ного воздействия морских организмов (моллюсков и ракообраз-
ных) на различные материалы, применяемые при строительстве
трубопроводов.
Материалы изысканий о ледовом режиме должны включать
следующие сведения: даты замерзания и вскрытия льда, его тол-
щина, прочность; направление движения ледяных полей, воз-
можность образования торосистых льдов и деформации дна при
перемещении льда.
Ледовый режим значительно влияет на конструктивные ре-
шения и способы производства работ при строительстве подвод-
ных трубопроводов.
На участках торошения льда и бороздования дна льдом не-
обходимо увеличивать заглубление трубопровода в грунт, при-
нимать соответствующие мероприятия по защите трубопровода
и берегоукреплений от повреждения льдом.
§ 2.3. УЧЕТ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ БЕРЕГОВ
И ДНА РУСЛА РЕКИ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТРУБОПРОВОДОВ
Правильный учет переформирования русла и берегов реки
еще на стадии проектирования позволяет обеспечить надежную
и безаварийную работу подводных трубопроводов в течение рас-
четного срока их эксплуатации.
Проблема переформирования русла и берегов реки — одна
из сложнейших в гидротехническом строительстве. Гидродина-
мические воздействия и морфологические изменения дна и бе-
регов рек зависят от многих случайных факторов, точный учет
24
которых в настоящее время связан с непреодолимыми трудно-
стями. Практическая реализация точных расчетных схем рус-
ловых деформаций, основанных на известных законах гидрав-
лики, часто бывает затруднительна из-за возможности полу-
чения необходимой исходной информации и неоправданной
трудоемкости расчетов.
Как показывают исследования, выполненные авторами в те-
чение пятнадцати лет на многочисленных подводных переходах,
деформацию дна и берегов рек в створе трубопроводов с до-
статочной точностью для целей практики можно оценить с ис-
пользованием гидроморфологической теории руслового про-
цесса, разработанной в Государственном гидрологическом
институте [21]. Согласно гидроморфологической теории из всего
многообразия форм и проявлений руслового процесса можно
выделить основные и свести их к некоторым простым типовым
схемам, позволяющим наглядно представить качественный и ко-
личественный характер русловых и пойменных деформаций.
Различают следующие типы русловых процессов: ленточно-
грядовый, осередковый (русловая многорукавность), побочне-
вый, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование,
незавершенное меандрирование и пойменная многорукавность.
Каждому из перечисленных типов руслового процесса соот-
ветствуют различные характерные признаки и деформации, под-
робное их описание приведено в работе [22], а применение при
проектировании и эксплуатации подводных трубопроводов из-
ложено в [10].
ГЛАВА 3. ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ПОДВОДНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
§ 3.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ В ПЛАНЕ
И ПО ГЛУБИНЕ ПОТОКА
Для определения силового воздействия потока на подвод-
ные трубопроводы, находящиеся на дне и на различных рас-
стояниях от дна, необходимо знать расчетную скорость. Скоро-
сти в различных точках речного потока изменяются как по его
глубине Н, так и в плане. Типичное изменение скоростей потока
по глубине представлено на рис. 3.1. Наибольшие скорости —
поверхностные, наименьшие — донные. Донная скорость состав-
ляет 0,4—0,6 поверхностной. Средняя скорость может быть вы-
числена по выражению
vo,2H + 2 ио,ел + V0,6H
Чф =------------’ (3.1)
или приближенно УСр=^о,8н, где у0,2н, ^о.бн, ^о,8н — скорости на
различных расстояних от свободной поверхности.
На характер распределения скоростей по глубине влияют
различные факторы: шероховатость, рельеф дна, форма потока,
наличие ледяного покрова и т. п.
Изменение характера распределения скоростей в плане
(рис. 3.2) зависит от формы русла. Наибольшие скорости для
прямолинейного участка реки находятся на ее середине,
наименьшие — у берегов. На криволинейных участках гидро-
динамическая ось потока смещается в сторону вогнутого берега,
изменяя характер распределения скоростей в плане. Линии рав-
ных скоростей (изотахи) для поперечных сечений русла приво-
дятся на рис. 3.3.
Турбулентный характер движения воды в реках обусловли-
вает изменение скоростей в данной точке и по времени. Мгно-
венные значения скоростей могут отклоняться от среднего зна-
чения в сторону уменьшения или увеличения до 30 % • Пульса-
ция скоростей у дна и берегов реки больше, чем у поверхности
и на середине реки, и зависит от шероховатости, формы русла
и скоростей течения. Расчетная скорость по глубине определя-
ется как средняя в слое потока, набегающего на трубопровод,
с учетом пульсации скорости. Плановое и глубинное изменение
скоростей потока следует учитывать при распределении балла-
ста по длине трубопровода и при учете гидродинамического
26
воздействия на трубопроводы, укладываемые с поверхности
воды погружением. Сведения о скоростях течения и распреде-
ления их в плане и по глубине речного потока получают на
основании инженерно-гидрологических изысканий в меженный
и паводковый периоды. Паводковый период характеризуется
наибольшими скоростями, и это необходимо учитывать при рас-
четах трубопроводов на сдвиг и всплытие.
Параметры течений на трассах морских трубопроводов су-
щественно отличаются от параметров речного потока. Морские
течения обусловливаются ветровыми сгонно-нагонными коле-
баниями уровня моря, приливами и отливами, неоднородным
распределением плотности, циркуляцией атмосферы, атмосфер-
ными осадками и др. Параметры морских течений: скорость и
направление течения, распределение скоростей и направлений
по глубине моря и во времени определяют с помощью гидро-
метрических вертушек с автоматической регистрацией измеряе-
мых параметров.
РИС. 3.2.
Изменение скоростей речного потока
в плане:
а — на прямолинейном участке русла;
б — на изогнутом участке русла
РИС. 3.1.
Распределение скоростей по глубине
речного потока:
а — при отсутствии ледяного покрова;
б — при наличии ледяного покрова
РИС. 3.3.
Распределение скоростей
потока в поперечном се-
чении русла реки:
а — без ледяного покрова:
б — с ледяным покровом
27
§ 3.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПОТОКА
В ПОДВОДНЫХ ТРАНШЕЯХ
Для определения расчетной скорости потока, действующего
на трубопровод, расположенный в подводной траншее, необхо-
димо знать численные значения и закон распределения скоро-
стей по глубине траншеи. Учитывая отсутствие теоретического
решения этой задачи, авторами [10] были выполнены экспери-
ментальные исследования.
Эксперименты проводились в гидравлическом лотке, длина,
ширина и высота которого были соответственно равны 12,1 и
1,5 м, со специальным углублением 0,6 м для устройства тран-
шей. В опытах были приняты траншеи с гладкими поверхно-
стями трапецеидальной и прямоугольной формы, а также тран-
шеи с криволинейными профилями. Измерение скоростей про-
водили по глубине потока на подходе к траншее и по глубине
траншеи в двух-четырех сечениях (на оси траншеи и на различ-
ных расстояниях от верховой и низовой бровок). Для каждого
режима течения замеряли скорости в 10—30 точках.
Основными параметрами, определяющими кинематику по-
тока в подводных траншеях, приняты: число ФрудаРг = fcp/g Н,
т—заложение откосов траншеи, b^hr — отношение ширины
траншеи по дну к глубине траншеи, Я/Лт — отношение глубины
транзитного потока к глубине траншеи и Ф — параметр криво-
линейности профиля траншеи. Эти параметры в опытах изменя-
лись в следующих пределах: Fr = 0,002-4-0,2; 6т/йт = 0,25ч-5,5;
т = 0ч-2,5; параметр Ф соответствовал скруглению всех углов
траншеи радиусом, равным 0,5 6Т. Пределы изменения указан-
ных параметров охватывают в основном пределы изменения их
в натурных условиях. Масштабы моделей траншей относительно
натурных размеров соответствовали пределам от 1:2 до 1 10.
Выполненные эксперименты показали, что устройство тран-
шей несущественно отражается на распределении усредненных
скоростей транзитного потока. Однако в части транзитного по-
тока над траншеей значительно возрастает интенсивность пуль-
сации скоростей. Режим транзитного потока и прежде всего его
придонной области определяет кинематику движения жидкости
в самой траншее. Часть кинетической энергии транзитного по-
тока передается жидкости, находящейся в траншее, и возбуж-
дает в ней циркуляционное движение. В опытах почти для всех
траншей указанных параметров имело место циркуляционное
течение с отрицательными скоростями вблизи дна траншеи. Раз-
меры циркуляционных областей определяются параметрами Fr,
m, b^h? и Ф. Результаты некоторых опытов представлены в виде
эпюр распределения скоростей (I—VI) в траншеях (рис. 3.4,3.5).
Влияние отдельных .безразмерных параметров на распреде-
ление скоростей в траншеях при прочих равных условиях может
быть охарактеризовано следующим образом.
>28
1. Увеличение заложения откоса т приводит к увеличению
распространения кинетической энергии потока в траншее. При
возрастании т от 0 до 1,0 (&Т/ЛТ<3) увеличиваются отрицатель-
ные донные скорости в траншеях. Дальнейшее увеличение т
(в опытах до 2,5) уменьшает циркуляционную зону, а вслед-
ствие этого уменьшаются и отрицательные донные скорости
(при этом движение потока в большей части траншеи совпадает
с направлением движения транзитного потока).
2. Влияние отношения аналогично влиянию т, так как
с увеличением увеличивается, поверхность соприкосновения
транзитного потока и жидкости, находящейся в траншее. При
увеличении bT/hT от 0 до 3 (т=0-4-1) возрастают отрицатель-
ные донные скорости в траншеях; дальнейшее увеличение
b'zlh'i приводит к уменьшению их. С увеличением отношения
бт/^т от 0,67 до 5,5 (т=2,5) донные скорости в траншеях уве-
личиваются; при Ьт1Нт!<^ отрицательные скорости имеют не-
значительную величину, а при b^lh^^Z они вообще отсут-
ствуют.
РИС. 3.4.
Эпюры распределения скоростей потока в траншеях с заложением откосов
/и=2,5:
<z-*T/ftT=0,67; б - eT/hT=3,0; в-Ьт/Лт=5,5
29
1ПШ1У VV IDBOTYVI
РИС. 3.5.
Эпюры распределения скоростей потока в траншеях криволинейной формы:
о —т=0,5; ЬтАт=0,67; б —m=l,0; bTlhT =0,67; в —m=l,7; b^/h^ =0,67; г — т~
=2,5; &т//гт=2.0
30
2
(3.2)
3. Влияние криволинейности формы профиля траншей Ф по-
добно увеличению параметра иг, так как оба эти параметра
способствуют более плавному сопряжению дна потока с тран-
шеей.
4. Влияние режима потока, определяющегося числом Fr, мо-
жет быть объяснено следующим. С увеличением Fr увеличива-
ется передача энергии транзитного потока жидкости, находя-
щейся в траншее, вследствие чего в ней возрастают абсолют-
ные значения скоростей.
Исследование распределения скоростей проводилось в тран-
шеях, не стесненных цилиндрами, и в траншеях с уложенными
на их дно цилиндрами (Z)/ftT —0,14-0,5). Наличие цилиндра
в траншее при Z)/ftT = 0,14-0,2 несущественно влияет на изме-
нение распределения скоростей при прочих равных условиях
по сравнению с траншеей без цилиндра. При DlhT = 0,24-0,5
изменение в распределении скоростей имеет место лишь на рас-
стоянии примерно 1,5 D от дна траншеи.
Результаты опытов позволили подобрать эмпирическую за-
висимость, которая с достаточным для практики приближением
описывает закон распределения скоростей по глубине на оси
траншеи (рис. 3.6):
у —У* = Л У
У^ — \ Лт
где v — скорость потока в траншее на глубине у, считая от ли-
нии дна транзитного потока; v2— донная скорость в траншее;
Vi — скорость в траншее на уровне дна реки.
Так как на практике vx измерить трудно, в расчеты введена
придонная скорость удон, измеренная на высоте выступа шеро-
ховатости русла реки. Придонная скорость связана известными
зависимостями с уСр и уПов реки и легко может быть определена
на практике. Экспериментально установлено, что 0,9удон.
Безразмерные отношения у2/уДОн в зависимости от парамет-
ров траншеи m и &Т/Л.Т представлены на графиках рис. 3.7. Как
показывают результаты опытов, у2/удон не зависят от числа
Фруда.
Таким образом, для определения расчетной скорости в тран-
шее ут.р для заданных параметров траншеи m и 6Т/Лт по гра-
фику (рис. 3.7) находим безразмерное отношение у2/уДОн. По
заданной (измеренной в натуре) скорости. идон и у2/удон опре-
деляем v2 и Vi = 0,9 уДон. По формуле (3.2) строим эпюру рас-
пределения скоростей по глубине траншеи. Расчетная ско-
рость ут. р определяется как средняя линия трапецеидальной
эпюры (криволинейный участок эпюры заменяется трапеце-
идальным, высота трапеции при этом равна диаметру трубопро-
вода D).
Для широких траншей с параметрами Ьт/Лт + т> 10, как по-
казали опыты, эпюры распределения скоростей по глубине
31
РИС. 3.6.
Расчетная схема распределения ско-
ростей потока в подводных траншеях
РИС. 3.7.
Зависимость 22/^дон от т и b^/h^z
1 — 2 — /71=0,5; 3 — т=0; 4 — т=
= 2,5
траншеи и в различных ее сечениях могут быть определены по
теории турбулентных струй.
Следует отметить, что кинематическая структура потока
в подводных траншеях характеризуется своеобразным полем
турбулентных пульсаций скоростей. Мгновенные скорости в опы-
тах изменялись в пределах ± (5—20%) от их средних значений.
Так как опыты проводились для траншей с гладкими поверх-
ностями и в условиях плоской задачи, степень пульсаций ско-
ростей в опытах будет несколько меньшей по сравнению с на-
турными условиями (шероховатость поверхности траншеи, не-
правильность ее формы, пространственные условия увеличивают
степень пульсации скоростей).
Пример. Определить расчетную скорость потока, действующего на трубо-
провод, расположенный на дне подводной траншеи, при условии, что D=
= 500 мм; т=1; Ят = 2 м; Ьт = 2,2 м; 2ДОН=0,7 м/с.
По графику (см. рис. 3.7.) для заданных т=1 и &т/Ат=2,2/2,0= 1,1 на-
ходим У2/Удон=—0,45 и донную скорость в траншее v2=—0,45-0,7=—0,315 м/с;
^1=0,9 2Дон=0,63 м/с. По формуле (3.2) строим эпюру распределения ско-
ростей по глубине траншеи. Заменяя криволинейную эпюру на участке D тра-
пецеидальной, находим расчетную скорость 2Т.Р =—0,28 м/с.
§ 3.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕЧЕНИЙ
НА ПОДВОДНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Подводные трубопроводы подвергаются воздействию потока
в строительный период (при различных способах укладки и рас-
положении трубопровода в незасыпанной грунтом траншее) и
в период эксплуатации (трубопровод уложен непосредственно
32
на дно водной преграды без заглубления в грунт, при оголении
участка трубопровода в результате деформаций морского дна
или переформировании русла и берегов реки в створе перехо-
дов, при проведении капитального ремонта).
При обтекании потоком жидкости подводные трубопроводы
подвергаются силовому воздействию, составляющие которого
условно можно разделить на две группы: переменные (про-
дольные и поперечные), обусловливающие колебания трубопро-
вода, и постоянные (сила лобового сопротивления и подъемная
сила).
Составляющие гидродинамического воздействия потока Pi,
действующие на единицу длины трубопровода, определяют по
известной в аэрогидродинамике формуле
Pi = CiP^-D, (3.3)
где Ci — коэффициент пропорциональности, принимающий раз-
ные значения для различных составляющих силового воздей-
ствия (Сх и Су — соответственно коэффициенты лобового сопро-
тивления и подъемной силы для постоянных составляющих
воздействия потока, Схп и Су11 — соответственно коэффициенты
лобового сопротивления и поперечной силы для переменных со-
ставляющих воздействия потока); р — плотность жидкости; v —
скорость потока; D — внешний диаметр трубопровода.
Коэффициенты Сх и Су характеризуют следующие виды со-
противлений: сопротивление трения, обусловленное касатель-
ными напряжениями, приложенными к поверхности обтекаемого
трубопровода; сопротивление давления, обусловленное нормаль-
ными напряжениями, приложенными к поверхности обтекаемого
трубопровода; волновое сопротивление, возникающее в про-
цессе непрерывного образования волн на свободной поверхности
в результате обтекания трубопровода, погруженного в жидкость.
Коэффициенты Схп и Суп характеризуют вихревое сопротив-
ление, обусловленное вихревым движением жидкости, возника-
ющим за обтекаемым телом в процессе периодического отрыва
пограничного слоя от поверхности трубопровода.
Все параметры, входящие в формулу (3.3), кроме коэффи-
циента Ci — известные. Для определения гидродинамического
воздействия потока на подводные трубопроводы необходимо
знать значения и основные зависимости для С^
Рассмотрим постоянные составляющие силового воздействия
потока на трубопроводы. Анализ результатов большого числа
экспериментальных работ по обтеканию круглого цилиндра по-
током жидкости, выполненных советскими и зарубежными ис-
следователями, позволяет сделать обоснованные рекомендации
по определению Сх для подводных трубопроводов.
Наиболее исследовано обтекание цилиндров при отсутствии
влияния дна и свободной поверхности потока. График зависи-
33
РИС. 3.8.
Зависимость коэффициента лобового сопротивления Сх от числа Рейнольдса:
1, 2, 3, 4, 5 —по Фэджу и Уорсэпу (различная шероховатость цилиндров); 6 — по Релфу
(гладкий цилиндр); 7 —по Эйснеру (гладкий цилиндр); 8 — по Делани и Соренсену
(гладкий цилиндр); 9, 10, 11, 12 —по Накагаве, Фунджино, Арите, Огате и Масаки
(9 — цилиндр, обмотанный четырьмя спиралями проволоки; 10 — цилиндр, установлен-
ный позади веревочной сетки; 11 — гладкий цилиндр; 12 — цилиндр, обмотанный восемью
спиралями проволоки); /3 — по Визельсбергеру (гладкий цилиндр); 14, 15, 16 — по опы-
там Бородавкина и Шадрина (14—гладкий цилиндр, 15 — цилиндр бетонированный,
16 — цилиндр футерованный рейками); 17, 18, 19 — по Илышеву и Штеренлихту (17 —
цилиндр футерованный рейками: 18, 19 — цилиндры без реек); 20 — по Рошко (гладкий
цилиндр)
мости коэффициента лобового сопротивления Сх от числа Рей-
нольдса
Re = —, (3.4)
V
где v — коэффициент кинематической вязкости жидкости, по ре-
зультатам экспериментов, выполненных различными исследова-
телями, показан на рис. 3.8.
Коэффициенты сопротивлений определяют по эпюре распре-
деления давлений, измеренных на поверхности цилиндра, по-
скольку доля сопротивления трения в общем сопротивлении ци-
линдра при поперечном обтекании не превышает даже для
сильно шероховатых поверхностей 2—3%. Кроме того, значение
Сг может быть вычислено непосредственно по величине Рг-, из-
меряемой весовыми устройствами.
Как видно из рис. 3.8, Сх при Re=2-1044-105 сохраняет по-
стоянное значение, равное 1,2. В этом диапазоне чисел Re ре-
зультаты многих исследователей совпадают. При числах Re=
= 1054-5-105 наблюдается резкое уменьшение коэффициента Сх
(так называемый кризис сопротивления) до ~0,3 для гладких
цилиндров. С увеличением числа Рейнольдса от 5-105 до 4-106
значение Сх возрастает до 0,7 и при дальнейшем увеличении
Re, включая и верхнюю границу Re=107, Сх не изменяется,
оставаясь равным 0,7.
Значения Сх в зоне кризиса сопротивления по данным раз-
личных исследователей не совпадают (см. рис. 3.8), что объ-
ясняется разными условиями опытов, в частности, различными
степенью турбулентности потоков и шероховатостью поверх-
34
ности цилиндров. Большие расхождения значений Сх объясня-
ются здесь, кроме того, и трудностями измерения, и особой чув-
ствительностью потока к условиям эксперимента.
При исследовании обтекания цилиндров в аэродинамических
трубах в случае больших чисел Рейнольдса весовые измерения
становятся затруднительными, и для определения силового воз-
действия измеряют распределение давления по периметру в од-
ном или двух сечениях модели. Принимают, что вследствие двух-
мерности плоского потока распределения давлений по поверх-
ности цилиндра будут одинаковы во всех сечениях.
Однако, как показывают исследования распределения давле-
ния по длине цилиндра [26, 29], в лобовой его части (0^0^
^60°) давление вдоль образующей цилиндра практически не
меняется; в зоне отрыва потока от поверхности цилиндра
(70<6<120°) наблюдается значительная неравномерность рас-
пределения давления вдоль цилиндра; в застойной зоне на
поверхности цилиндра давление вдоль его образующей вновь
становится постоянным. Наличие вдоль образующих цилиндра
значительных градиентов давления свидетельствует о существо-
вании трехмерной структуры потока в зоне отрыва погранич-
ного слоя.
Как показывают расчеты величины Сх по результатам рас-
пределения давления в отдельных сечениях цилиндра, в за-
кризисной области чисел Рейнольдса существует значительная
неравномерность изменения Сх по длине цилиндра. При некото-
рых числах Re коэффициент Сх может изменяться вдоль обра-
зующей цилиндра.
Эти данные могут в некоторой степени объяснить значитель-
ный разброс значений Сх, полученных по распределению давле-
ний в одном сечении цилиндра по данным различных исследо-
вателей (см. рис. 3.8).
В современной аэрогидродинамике физическая природа кри-
зиса сопротивления объясняется изменением распределения дав-
ления и положением точки отрыва потока на поверхности ци-
линдра. До кризиса сопротивления отрыв потока происходит
при ламинарном пограничном слое, и точка отрыва располо-
жена на передней части цилиндра, поток отрывается при угле
6 = 814-85°, ширина кильватера больше диаметра цилиндра
(рис. 3.9). С увеличением числа Рейнольдса до некоторого зна-
чения ReKp, при котором наступает кризис сопротивления, погра-
ничный слой становится турбулентным и может противостоять
большему повышению давления. В этом случае точка отделения
потока перемещается к задней части цилиндра (6=1104-120°),
а ширина кильватера £>к уменьшается до значений, меньших
диаметра цилиндра (см. рис. 3.9), в результате чего и наблю-
дается уменьшение коэффициента Сх.
Если искусственным путем перемещать точки отрыва потока
при заданном Re, то сопротивление будет принимать значения,
35
РИС. 3.9.
Расположение точки от-
рыва потока $ на по-
верхности цилиндра:
а при Re=ReKn; б — при
Re<ReKp Р
соответствующие тем же положениям то-
чек отрыва при их естественном переме-
щении, достигнутом изменением Re. Для
тел с острыми ребрами кризиса обтека-
ния не наблюдается, так как угловые
точки сечения являются точками срыва
потока, и при изменении скорости не мо-
жет происходить перемещение точек от-
рыва и связанного с этим изменения со-
противления. Поэтому устройство раз-
личных ребер или пластин на поверхно-
сти цилиндра, а для подводных трубо-
проводов футеровки, значительно увели-
чивает лобовое сопротивление на кри-
зисных и закризисных режимах обтека-
ния.
За нижним кризисным переходом при
2- 105<ReKp i<5-105, при котором Схдля
гладкого цилиндра уменьшается от 1,2 до
0,3, следует еще один верхний переход
при 106<ReKP2<3,5-106 с увеличением
Сх от 0,3 до 0,7. Диапазон чисел 3,5- 106<Re<107 характеризу-
ется постоянным значением Сх=0,7.
Изменение Сх при Re>106 также объясняется распреде-
лением давления и положением точки отрыва потока на по-
верхности цилиндра. В зоне верхнего кризисного перехода
106<ReKp<3,5-106 кильватер вновь «открывается», но ширина
его остается меньше диаметра; точка турбулентного отделения
потока перемещается к передней части цилиндра (0>9О°) и ста-
новится неподвижной при 3,5-106<Re<107.
Учитывая приведенную выше зависимость Сх от Re и осо-
бенности механизма поперечного обтекания круглого цилиндра
при различных числах Re, можно выделить три режима обте-
кания цилиндров: докритический при Re=C2-105, критический
2-105<Re^3,5-106 с кризисными зависимостями Сх при ReKpi
и ReKp2 и закритический при Re >3,5-106.
При докритическом режиме обтекания пограничный слой на
цилиндре сохраняется ламинарным до точки отрыва, отрыв по-
тока происходит при ламинарном пограничном слое. При кри-
тическом режиме обтекания пограничный слой частично сохра-
няется ламинарным, но отрыв потока происходит в зоне турбу-
лентного течения в пристеночной области. Некоторые исследо-
ватели [43] высказывают предположение о наличии ламинарного
разделительного подслоя, за которым следует турбулент-
ное отделение потока. В закритическом режиме пограничный
слой на цилиндре турбулентный за исключением небольшой об-
ласти в районе передней критической точки, и отделение по-
тока чисто турбулентное.
36
Указанные диапазоны чисел Re для каждого режима
обтекания соответствуют гладкой поверхности цилиндра. Шеро-
ховатость поверхности цилиндра значительно влияет на пара-
метры пограничного слоя, увеличение относительной шерохова-
тости цилиндра приводит к более раннему переходу ламинар-
ного слоя в турбулентный, влияет на положение точки отрыва
пограничного слоя от обтекаемой поверхности.
Основные особенности обтекания шероховатых цилиндров по
сравнению с гладкими цилиндрами заключаются в том, что
критическая зона наступает при меньших числах Re и сниже-
ние Сх в критической зоне меньше (см. рис. 3.8).
Особенностью зависимости Cx=f(Re) для шероховатых ци-
линдров является уменьшение критического диапазона чисел
Re, кроме того, закритический режим обтекания наступает
при числах Re, меньших по сравнению с Re для гладкой по-
верхности.
Чем больше относительная шероховатость поверхности ци-
линдров, тем при меньших Re наступает закритический режим.
Кроме того, с увеличением относительной шероховатости уве-
личивается коэффициент лобового сопротивления Сх в закри-
тической области (см. рис. 3.8).
Подводные трубопроводы могут иметь различные покрытия.
Описанные выше закономерности обтекания цилиндров с шеро-
ховатой поверхностью позволяют сделать вывод, что коэффи-
циент лобового сопротивления Сх зависит от типа шерохова-
тости поверхности трубопровода.
При расположении трубопровода на расстоянии от дна
s>D на него действует сила лобового сопротивления
Px = ±Cxf>v*D. (3.5)
Если трубопровод расположен на дне или вблизи дна
(s<D), на него кроме силы лобового сопротивления Rx дей-
ствует и подъемная сила Ру, возникающая в результате влия-
ния дна за счет несимметричного распределения давления по по-
верхности трубы и значительного изменения градиента скоро-
стей потока вблизи дна реки:
pu = -^Cypv*D. (3.6)
Для установления коэффициентов лобового сопротивления
Сх и подъемной силы Су применительно к подводным трубо-
проводам авторами [10] выполнены экспериментальные исследо-
вания обтекания цилиндров с футерованной, бетонированной и
гладкой поверхностями.
Э7
Значения Сх и Су, определенные экспериментальным путем,
будут соответствовать натурным значениям Сх и Су, если соб-
людены условия моделирования.
При $>Р выполнение условий моделирования сводится
к установлению зависимости коэффициентов' сопротивлений от
следующих безразмерных параметров:
Cx=ffRe, Fr, -8, k
При s<zD
Cx(Q=f(Re, Fr,-A-, -j-, I, e, ft
(3-7)
(3-8)
где Fr =------число Фруда (g — ускорение силы тяжести, Н —
глубина потока); h — расстояние от свободной поверхности по-
тока до верхней образующей трубопровода; I — параметр гра-
диента скоростей потока; в — степень турбулентности потока;
k — параметр шероховатости поверхности цилиндра.
Основными параметрами при моделировании шероховатости
цилиндра были приняты для футерованной поверхности: отно-
шение ширины футеровочной рейки к высоте отношение
расстояния между рейками к ширине с/6р и относительная
шероховатость цилиндра hv]D\ для бетонированной поверхности
модели — относительная шероховатость k/D, где k — средний
размер абсолютной шероховатости.
Эксперименты выполнялись в гидравлическом лотке (длина
12 м, ширина 1 м, высота 1,5 м). Диаметры моделей труб (мм):
D = 278; 108; 56,5. Пределы изменения параметров: Re=2,5X
X1034-5Х105; Fr=0,0094-0,89; hfD = 0,64-10,0; $/£=0ч-2,5.
Силовое воздействие потока на цилиндры и скорости изме-
рялись специальными приборами, сконструированными на ос-
нове электрического метода измерений деформаций с примене-
нием тензометров сопротивления.
Исследованиями установлено, что подводные трубопроводы
в зависимости от их расположения относительно дна и свобод-
ной поверхности реки подвергаются различному по величине
силовому воздействию потока.
Получены значения Сх и Су для цилиндров с различной ше-
роховатостью их поверхности. Значительное влияние шерохова-
тости поверхности цилиндров- на Сх отмечено лишь в кризис-
ной по Re зоне (зоне резкого уменьшения Сх при Re>~105).
Наибольшие значения Сх и Су при прочих равных условиях
имеют футерованные цилиндры, наименьшие — цилиндры, по-
крытые полихлорвиниловой изоляцией; Сх и Су для бетониро-
ванных цилиндров занимают промежуточное положение между
значениями Сх и Су для футерованных и покрытых полихлор-
виниловой изоляцией труб.
Обобщая результаты опытов, выполненных нами, и ранее,
выполненных исследований для практических расчетов подвод-
ных трубопроводов, можно рекомендовать следующие значения
коэффициента лобового сопротивления:
для трубопроводов с гладким и синтетическими покрытиями
или с гладкой металлической поверхностью Сх определяется по
графику зависимости Cx = f(Re) (см. рис. 3.8), полученной Ви-
зельсбергером и Рошко;
для шероховатых (футерованных и обетонированных) тру-
бопроводов Сх=1,2 при Re=104-M05, т. е. как и для гладких
трубопроводов, и Сх=1,0 при Re=1054-107.
Значения Сх для различных шероховатостей (различное со-
стояние футеровки, обетонирование) поверхности трубопрово-
дов при Re= 105Ч-107, очевидно, будут отличаться и даже за-
висеть от Re, но рекомендуемое нами постоянное значение Сх=
= 1 удобно в практических расчетах, а возможное завышенное
значение Сх по сравнению с истинным его значением Сх=1 бу-
дет увеличивать лишь запас устойчивости трубопровода на
сдвиг.
Выше были даны рекомендации о величине Сх в случае от-
сутствия влияния дна и свободной поверхности потока. Как по-
казывают результаты опытов, близость дна и свободной по-
верхности приводит к увеличению коэффициента лобового со-
противления.
Для практических расчетов значение Сх при s/D<A следует
принимать как и для Сх>1, учитывая возможно завышенное
рекомендованное значение Сх при s/D>\ для Re=1054-107
(s — расстояние от нижней образующей трубопровода до дна
реки).
При s/D<\ на трубопровод действует подъемная сила. Ко-
эффициент подъемной силы Су увеличивается с уменьшением
s/D и принимает наибольшее значение при s/D = 0.
В практических расчетах значение Су следует принимать
равным 0,6 при s/D = 0. При l>s/D>0 значение ^принимается
по графику зависимости C^/C^Qот s/D (рис. 3.10), где —
коэффициент подъемной силы для трубопровода, расположен-
ного на расстоянии s от дна. При определенных числах Фруда
Vr = v2/gh и h/D наблюдается подпор и искривление свободной
поверхности, и вследствие этого возникает дополнительная вол-
новая составляющая воздействия потока на трубопровод. Абсо-
лютный максимум волнового сопротивления при обтекании тел,
погруженных на величину h/D>G,2, появляется при значениях
Fr, близких к единице.
В практических расчетах влияние свободной поверхности
потока на коэффициент лобового сопротивления следует учиты-
вать при h/D<A. Значение коэффициента лобового сопротивле-
39
РИС. 3.10.
График зависимости Cys/Cys=Q
от s/D
РИС. 3.11.
Графики зависимостей коэффи-
циентов /Ci от h!D(a) и от
Fr(0
ния Сх при h!D<A ориентировочно может быть получено умно-
жением Сх на коэффициент К\, учитывающий влияние ft/D, и
на коэффициент К2, учитывающий параметр Fr.
Значения коэффициентов /G и К2 определяются по графи-
кам рис. 3.11.
Рассмотренные выше случаи относятся к поперечному обте-
канию трубопровода, т. е. когда вектор скорости потока на-
правлен перпендикулярно к продольной оси трубы (угол сколь-
жения потока р = 90°). Створы трубопроводов на подводных пе-
реходах через реки, как правило, назначаются перпендикулярно
берегам реки, поэтому для речных переходов почти всегда бу-
дет иметь место поперечное обтекание трубопровода.
При прокладке морских трубопроводов направление течения
может изменяться, и вектор скорости потока может быть на-
правлен под различными углами р к продольной оси трубопро-
вода. Поэтому для морских трубопроводов представляет прак-
тический интерес результаты обтекания цилиндров в косом по-
токе, т. е. с углами скольжения р, отличными от 90°
При докритических числах Рейнольдса (Re<ReKpi) вектор
скорости набегающего на цилиндр косого потока можно разло-
жить на две составляющие: перпендикулярную к оси цилиндра
У1 = ^о sin р и касательную o2 = flocosp. Коэффициент лобового
сопротивления Сх принимается таким же, как и при обтекании
цилиндра чисто поперечным потоком со скоростью Сопро-
тивление от продольной составляющей скорости и2, обусловлен-
40
ное силами трения при продольном обтекании цилиндра беско-
нечного удлинения (Z/D->oo), незначительно и им в расчете
пренебрегают.
Обтекание цилиндров косым потоком при Re>ReKpi иссле-
довано недостаточно полно. В работе [29] приводятся сведения
по обтеканию наклонного цилиндра с удлинением IjD=6 в аэро-
динамической трубе при Re = 6,67-105-4-2-106. Результаты опы-
тов показывают, что при углах скольжения 0^30° распределе-
ние давления практически не зависит от Re; при 0 = 60° и 0 =
= 75° наблюдается заметная зависимость распределения давле-
ния от Re; угол 0 = 45° в этой зависимости занимает промежу-
точное положение. При больших углах 0 отрыв пограничного
слоя происходит аналогично поперечному обтеканию, при ма-
лых 0 отрыв отсутствует или носит пространственный характер.
В критическом диапазоне чисел Рейнольдса справедливость
гипотезы разложения потока на две составляющие при обтека-
нии круглого цилиндра экспериментами не подтверждается.
В средней и кормовой частях цилиндра давление, рассчитанное
по этой гипотезе, отличается от экспериментального вследствие
взаимодействия продольного и поперечного обтекания цилиндра.
Учитывая недостаточную изученность обтекания цилиндров
в косом потоке при Re>ReKpi, горизонтальную составляющую
силового воздействия потока Рх следует определять по формуле
(3.5), при этом значение коэффициента лобового сопротивления
принимается равным
СХК=СХ^-, (3.9)
зт
где Схк и Сх — коэффициенты лобового сопротивления трубо-
провода соответственно в косом потоке и при поперечном обте-
кании трубопровода; 0 — угол скольжения потока в радианах.
§ 3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
ПОТОКА НА ТРУБОПРОВОДЫ,
РАСПОЛОЖЕННЫЕ В ПОДВОДНЫХ ТРАНШЕЯХ
В отличие от симметричного обтекания цилиндров, рассмот-
ренного в § 3.3, силовое воздействие потока на подводные тру-
бопроводы, расположенные в траншеях, является менее изу-
ченным.
Горизонтальная Рхт и вертикальная Ру? составляющие сило-
вого воздействия потока на единицу длины трубопровода, нахо-
дящегося в подводных траншеях, определяются по формулам
PXT = 0,5CXTpvlpD-, (3.10)
Рг/т = 0,5Сг/тр pD, (3.11)
где Схт и Сут — коэффициенты лобового сопротивления и подъ-
41
емной силы для трубопроводов, расположенных в подводных
траншеях; рт. р— расчетная скорость потока, действующего на
трубопровод, находящийся в траншее.
Значения Рхт и Рут, вычисленные по формулам (3.10) и
(3.11), позволяют определять силовое воздействие потока на
трубопровод, занимающий различные положения в траншее,
но для этого необходимо установить расчетную скорость по-
тока в последней ит. р и коэффициенты Схт и Сут.
Эксперименты по определению Схт и Сут проводились в гид-
равлическом лотке со специальным углублением 0,6 м для
устройства траншей различных форм и размеров в условиях,
отвечающих плоской задаче. В опытах были приняты траншеи
с гладкими поверхностями, трапецеидальной и прямоугольной
формы, а также траншеи с криволинейными профилями, соот-
ветствующими профилям, встречающимся в натурных условиях
при различных характеристиках грунтов и способах устройства
траншей. Масштаб моделей траншей был равен 1 :2-=-1 : 10.
Коэффициенты лобового сопротивления Схт и подъемной
силы Сут для цилиндров, находящихся в подводных траншеях,
являются функцией следующих безразмерных параметров:
^(C^wfRe, Fr, m, 8, 7д), (3.12)
\ Лу il'T Г1 т /
Ut. р D
где Re =---------, Fr = —— \ Лт — глубина траншеи; m — за-
ложение откосов траншеи; bT/hT— отношение ширины траншеи
по дну к глубине; И— глубина транзитного потока.
Указанные параметры изменялись в следующих пределах:
Re=2,5-1034-2,8- 104; Fr = 0,00154-0,3; ш = 0,5-4-2,5; &Т/АТ =0,5ч-
-j-5,5; —= 0,17^-0,64; /7//гт = 0,5-^10. Диаметры моделей были
приняты 0 = 50, 70, 106, 160, 220 мм; глубина траншей—120—
600 мм; /7=300-4-600 мм.
Модели устанавливали на дне траншеи на равном расстоя-
нии от верхового и низового откосов.
Как показывают результаты опытов, при незначительном
стеснении траншеи трубопроводом абсолютные значения Схт и
Сут несущественно зависят от параметров m, Fr, b^/h^ H/hT и
в практических расчетах при равных числах Рейнольдса, сте-
пени турбулентности потоков могут быть приняты равными Сх
и Су, т. е. как для трубопроводов, расположенных на дне тран-
зитного потока.
Следует отметить, что при одинаковой скорости транзитного
потока составляющие силового воздействия на трубопроводы,
расположенные в подводных траншеях, Рхт и Рут значительно
меньше составляющих силового воздействия Рх и Ру для. трубо-
проводов, находящихся на дне транзитного потока.
42
В отличие от Схт и Сут значения Рхт и Рут существенно за-
висят от параметров Fr, m, b?/hT и Ф, поскольку эти параметры
определяют кинематику и расчетную скорость потока в подвод-
ных траншеях vT. р.
Влияние критерия Fr на величины Рхт и Рут связано с изме-
нением кинематики потока в подводных траншеях. Для всех
параметров траншей, принятых в опытах, кроме т = 2,5 и
bT/hT = 5,5, имеет место циркуляционное течение с отрицатель-
ными скоростями вблизи дна траншеи. Размеры, форма и по-
ложение циркуляционных областей зависят от критерия Fr и
влияют не только на величины Рхт и РуТу но и на направление
Рхт. Сила лобового сопротивления Рхт может принимать как
положительный, так и отрицательный (вектор Рхт имеет проти-
воположное направление относительно вектора скорости тран-
зитного потока) знаки.
Зависимость Рхт и Рут от заложения откосов траншеи опре-
деляется изменением кинематики потока в подводных траншеях.
При изменении m в пределах 0—1 циркуляционное движение
потока занимает почти всю траншею, за исключением Ъ^1Н^ =
= 5,5. Цилиндры, расположенные на дне траншеи, находятся
в области отрицательных скоростей, поэтому значения Рхт от-
рицательны.
С увеличением m от 1 до 2,5 резко уменьшаются размеры
циркуляционных областей, изменяется их- положение в траншее,
и движение жидкости в большей части траншеи совпадает с на-
правлением транзитного потока. Вследствие этого Рхт суще-
ственно зависит от изменения m в пределах 1—2,5 и в зависи-
мости от значений остальных параметров может иметь как по-
ложительный, так и отрицательный знаки.
С увеличением m подъемная сила Р^т уменьшается, что
объясняется снижением отрицательных скоростей потока над
цилиндром при m< ~ 1 и незначительным увеличением поло-
жительных скоростей при приближении к т = 2,5. При опреде-
ленных промежуточных значениях т~ осредненное значение Рут
будет равно нулю (мгновенные значения Р^т могут быть от-
личны от нуля из-за повышенной пульсации скоростей потока
в траншее по сравнению с основным потоком). При дальней-
шем увеличении т значения коэффициентов Рхт и РуТ увеличи-
ваются, приближаясь к значениям Рх и Ру для цилиндров, рас-
положенных на дне транзитного потока. Скругление откосов
траншей аналогично увеличению параметра т, так как оба
этих параметра способствуют более плавному сопряжению дна
потока и траншеи.
Изменение отношения bT/hT значительно влияет на величины
Рхт и Рут- При увеличении bT/hT от 0,25 до 5,5 (т = 0,5-4-1,0)
возрастают по абсолютной величине отрицательные значения
Рхт. Это объясняется увеличением интенсивности циркуляции
потока в траншее.
43
С увеличением от 0,67 до 5,5 (т = 2,5) Рхт увеличива-
ется, что является следствием распространения транзитного по-
тока на большую часть траншеи. При Ьт/йт = 5,5 движение по
всей траншее совпадает с направлением транзитного потока.
Подъемная сила Рут возрастает при увеличении bT/hT от 0,67
до 5,5. Возрастание Рут происходит из-за увеличения скоростей
потока над цилиндром.
Влияние относительного стеснения траншеи трубопроводом
на величины Рхт и Рут для каждого типа траншеи различно.
Однако и здесь можно отметить общие закономерности. При
т = 0,54-1,0 величина РХТ зависит от размеров циркуляционных
областей. С увеличением D/hT от 0,17 до 0,50 уменьшаются по
абсолютной величине отрицательные значения СХТ %ля боль-
шинства Ьт/Лт = 0,25-4-5,5. Уменьшение Рхт объясняется увели-
чением размеров застойных областей в траншее.
С увеличением D/h? от 0,17 до 0,56 (т = 2,5) РХТ увеличива-
ется вследствие возрастания средней скорости в слое потока,
набегающего на трубопровод.
Подъемная сила РуТ с увеличением параметра (т = 0,5-4-1,0)
уменьшается. Уменьшение РуТ обусловлено уменьшением отри-
цательных скоростей потока над трубой, а вследствие этого и
изменением распределения давления на поверхность цилиндра.
При т = 2,5 с увеличением DfhT РуТ возрастает из-за значитель-
ного увеличения скоростей транзитного потока над трубой.
В отношении параметра относительного стеснения траншеи
Dlh^ и его учета в практических расчетах необходимо отметить
следующее: при расположении трубопровода вне циркуляцион-
ной зоны отношение Z)//iT не влияет на Схт и С\уТ (условие обте-
кания приближается к случаю обтекания трубопровода, распо-
ложенного на дне транзитного потока); при расположении тру-
бопровода в циркуляционной зоне стеснение траншеи трубо-
проводом, как показали опыты, несущественно влияет на Схт
и С^т, если верхняя образующая трубопровода расположена
ниже линии нулевых скоростей циркуляционной зоны. При рас-
положении цилиндра в пределах циркуляционной области зна-
чение Схт отрицательно; положительные значения Схт были по-
лучены, когда цилиндр находился вне циркуляционной области.
Если трубопровод расположен в зоне отрицательных и по-
ложительных скоростей, то, очевидно, значения Схт и Су1> будут
отличаться от значений Сх и Су для цилиндров, расположенных
на дне транзитного потока, но в этом случае составляющие си-
лового воздействия потока Рхт и Рут незначительны вследствие
небольшой расчетной скорости и в практических расчетах их
можно не учитывать. Наряду с исследованием силового воздей-
ствия потока на неподвижно закрепленные цилиндры, нахо-
дящиеся на дне подводных траншей, были проведены специаль-
ные эксперименты, в которых цилиндры различной отрицатель-
ной плавучести укладывали на дно траншей без закрепления.
44
Перемещения цилиндров при изменении скорости потока
фиксировали кинокамерой. В траншеях при т = 04-0,5 ци-
линдры нулевой плавучести с увеличением скорости транзит-
ного потока перемещались в сторону верхового откоса. Вслед-
ствие циркуляционного движения цилиндрам с 7)/йт = 0,14-0,37
сообщалось движение по замкнутым траекториям в пределах
РИС. 3.12.
Кинематика цилиндров в подводных траншеях:
п —т=0,5; дт/Лт=0,67; Г»//гт=0,37; б — tn=l,7; &T/\=0,67; £)/Лт=0,7; в —/п=1,7; &Т/АТ=
= 0,67; DJh^Q.2 1 — 6 — положения трубопровода при различных скоростях потока v
45
РИС. 3.13.
Профиль и элементы волны:
1 — средняя волновая линия; 2 — гребень волны; 3 — ложбина волны; 4 — вершина
волны; 5 — подошва волны; h — высота волны; % — длина волны; Т)в— превышение вер-
шины волны над расчетным уровнем; т)п— понижение подошвы волны от расчетного
уровня
траншеи (рис. 3.12, а); в некоторых случаях происходил выброс
трубы из траншеи. При £>/йт = 0,44-0,5; т = 04-0,5; &т/йт = 0,254-
4-1 цилиндры находились в циркуляционной области и при всех
значениях средней скорости транзитного потока (10—110 см/с)
выброс их из траншеи не наблюдался. Положение продольной
оси цилиндров совпадало с центром циркуляции потока
в траншее.
В траншеях с т=1,7 и bT//iT = 0,67 цилиндры с Т)/Лт = 0,14-
4-0,7 перемещались под действием потока в сторону верхового
откоса, и с увеличением скорости потока происходил выброс
трубы из траншеи (рис. 3.12, б).
Цилиндры нулевой и незначительной отрицательной плаву-
чести (Z)//iT = 0,14-0,2), помещенные в траншеи с параметрами
т^2,5 и Ьт/йт = 0,674-3, с увеличением v перемещались в на-
правлении низового откоса, а цилиндры с большей отрицатель-
ной плавучестью, но не достаточной для компенсации силового
воздействия потока при заданных v — в направлении верхового
откоса. В обоих случаях происходил выброс трубы из траншеи.
Изменение направления усилий, действующих на трубопровод
при различных скоростях транзитного потока, происходит за
счет изменения размеров циркуляционной области.
Учитывая, что СХТ и СуТ незначительно отличаются от Сх и
Су, кроме указанных выше случаев, для практических расчетов
числовые значения этих коэффициентов для трубопроводов,
расположенных в подводных траншеях, можно принимать как
и для трубопроводов, расположенных на дне и вблизи дна по-
тока, т. е. 6*^ = 0,6, а Схт=±1,2 при Re<105 и Схт=±1 при
Re>105.
§ 3.5. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛН
Для расчета волнового воздействия на подводные трубопро-
воды необходимо установить основные элементы волны: высоту,
длину и период. Схема простой двухмерной волны показана на
рис. 3.13. Части волны, расположенные выше и ниже средней
волновой линии 1, называются соответственно гребнем 2 и лож-
46
биной 3. Средняя волновая линия пересекает запись волновых
колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой
линии одинаковы. Наивысшую точку гребня волны называют
вершиной волны 4, а наинизщую точку ложбины — подошвой
волны 5. Высотой волны h называется превышение вершины
волны над соседней подошвой, длиной волны X — горизонталь-
ное расстояние между вершинами двух смежных гребней, пе-
риодом волны т—интервал времени между прохождением двух
смежных вершин волн через фиксированную вертикаль, ско-
ростью волны С — скорость перемещения гребня волны в на-
правлении ее распространения, фронтом волны — линия на
плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам
гребня данной волны, лучом волны — линия, перпендикулярная
фронту волны в данной точке.
Волны, как правило, развиваются под действием ветра, это
так называемые вынужденные волны. При увеличении скорости
ветра двухмерные волны превращаются в трехмерные (про-
странственные) волны. Волны, вышедшие из зоны воздействия
ветра (шторма) и вошедшие в зону области сравнительно ма-
лых скоростей ветра (штиль) и распространяющиеся после пре-
кращения ветра, называются свободными волнами или зыбью.
По мере удаления от раойна шторма высота зыби постепенно
уменьшается, волновая зыбь может пройти расстояния до ты-
сяч километров. В результате сложения вынужденных и сво-
бодных волн возникают смешанные волны.
При определении элементов волн на открытых и ограждаю-
щих акваториях необходимо учитывать следующие волнообра-
зующие факторы: скорость ветра (ее величину и направление),
продолжительность непрерывного действия ветра над водной
поверхностью, размеры и конфигурацию охваченной ветром ак-
ватории, рельеф дна и глубину водоема с учетом колебаний
уровня воды.
Расчетные уровни воды и характеристики ветра необходимо
определять по результатам статистической обработки данных
многолетних наблюдений в безледные сезоны, при этом расчет-
ные уровни воды должны определяться с учетом приливно-от-
ливных, сгонно-нагонных, сезонных и годовых колебаний уров-
ней (см. СНиП П-57—75). Воздействие волн на подводные
трубопроводы рассчитывают с учетом деления водоема на сле-
дующие зоны по глубине (рис. 3.14):
1) глубоководная — с глубиной Я>0,5Хгл, где дно не влияет
на основные характеристики волн (Агл — средняя длина глубо-
ководной волны) ;
2) мелководная — с глубиной 0,5^гЛ;>Я>/7кр, где дно ока-
зывает влияние на развитие волн и на основные их характери-
стики (77кр — критическая глубина воды, при которой происхо-
дит первое обрушение волн);
3) прибрежная — с глубиной Н<Нкр.
47
РИС. 3.14.
Схема трансформации
волн при подходе к бе-
РегУ
РИС. 3.15.
Графики для определения элементов ветровых волн в глубоководной и мелко-
водной зонах
РИС. 3.16.
Графики значений коэффициен-
тов ki
k = hi/h
РИС. 3.17.
Графики определения коэффициен-
та ky (график 1) и отношения
^крАгл (графики 2, 3 и 4)
Трубопроводы, укладываемые на глубоководных участках
трассы, на волновые воздействия не рассчитывают. Обеспечен-
ность расчетной высоты волны в системе для магистральных
трубопроводов следует принимать равной 5%.
Расчет элементов волн в глубоководной зоне
Среднюю высоту /1гл и средний период волн т в глубоковод-
ной зоне определяют по верхней огибающей кривой, представ-
ленной на рис. 3.15. По значениям безразмерных величин gtfW
и gDp.^jW2 и верхней огибающей кривой определяют величины
ghrJW2 и g%IW и по меньшим их значениям принимают среднюю
высоту и средний период волн (W— скорость ветра, t — непре-
рывная продолжительность действия ветра, Dp, в — разгон волны
принимаются по рекомендациям СНиП П-57—75). Среднюю
длину волн Лгл при известном значении т вычисляют по фор-
муле
Ггл=-^-, (3.13)
эт
где g — ускорение силы тяжести.
Высота волны г°/о-ной обеспеченности в системе ^тл i опреде-
ляется умножением средней высоты волн на коэффициент Аг-,
принимаемый по графикам рис. 3.16 для безразмерной вели-
чины gDPB/W2.
Расчет элементов волн в мелководной зоне
Высота волн /%-ной обеспеченности hi в мелководной зоне
с уклонами дна 0,002 и более определяется по формуле
hi = kp k} hrJ1, (3.14)
где kT — коэффициент трансформации, принимаемый по гра-
фику 1 рис. 3.17; kp— коэффициент рефракции; kn — обобщен-
ный коэффициент потерь.
Коэффициент рефракции вычисляется по формуле
fcp=l/~ ’ (3-15)
r S
где s0 — расстояние между смежными волновыми лучами в глу-
боководной зоне; s — расстояние между теми же лучами по ли-
нии, проходящей через заданную точку мелководной зоны.
Расстояние s0 и s определяют на основе предварительного
построения плана рефракции (рис. 3.18). План рефракции не-
обходимо строить для волноопасного направления на карте ак-
ватории со сглаженными изобатами (на рис. 3.18 сглаженные
изобаты показаны штриховыми линиями). Расстояние s0 между
лучами волн I и II принимают равным (1—2) Хгл и выбирают
с таким расчетом, чтобы лучи проходили по разные стороны от
расчетной точки А.
Лучи волн на плане рефракции в глубоководной зоне при-
нимают по заданному направлению распространения волн, а_за-
тем в мелководной зоне, начиная с глубин (изобат) /7о = О,5 Хгл,
49
их продолжают до промежуточной изобаты, расположенной
между первой и второй изобатами. В точках пересечения с про-
межуточной изобатой определяют угол аРг между направлением
исходного луча волны и перпендикуляром к соответствующей
промежуточной изобате. В этих точках луч волны следует по-
вернуть в сторону меньших глубин на угол ДаРг. Угол поворота
каждого луча ДаРг определяют по номограмме (см. рис. 3.18)
в зависимости от отношений глубин на предыдущей и по-
следующей Яг+1 изобатах к исходной длине волны Хгл и вели-
чиной угла аРг. На номограмме рис. 3.18 штриховыми линиями
показана последовательность определения ДаРг: для^_хДгл =
= 0,275, Яг+1/Лгл = 0,18 и аРг = 45° значение аРг = 4,5. Положение
рефрагированного луча волны указанным способом наносят на
план до расчетной точки А в мелководной зоне. На построенном
плане рефракции измеряют расстояние s0 и s и по формуле
(3.15) вычисляют коэффициент рефракции kp.
Обобщенный коэффициент потерь kn -Определяется по
табл. 3.1 по заданным значениям величины/7/Хгл и уклонам дна;
при уклонах дна 0,03 и более ku= 1.
РИС. 3.18.
Схема (а) и графики (б) для построения плана рефракции
50
РИС. 3.19.
Графики для определения значений
АДгл в мелководной и ХпрАгл
в прибойной зонах
РИС. 3.20.
Графики для определения значений
Пв/Аг
Длину волн, перемещающихся из глубоководной в мелковод-
ную зону, определяют по рис. 3.19 в зависимости от безраз-
мерных величин Я/%гл и h1%lg%\ при этом период волн прини-
мается равным периоду волн в глубоководной зоне.
Превышение вершины волны над расчетным уровнем т] при-
нимается по графику_рис. 3.20 в зависимости от безразмерных
величин Н/Кгл и hili?.
Аналогично приведенному выше определяют элементы волн,
перемещающихся из мелководной зоны с уклонами дна 0,001
и менее в зону с уклонами дна 0,002 и более.
Среднюю высоту и средний период волн в мелководной зоне
с уклонами дна 0,001 и менее определяют по графикам рис. 3.15.
По безразмерным величинам gDp, JW2 и gHIW* принимаются
значения gh/W2 и gxlW и по ним определяются /гит.
ТАБЛИЦАМ
Относитель- ная глубина Н1% Значения коэффициента kn при уклонах дна (1 : та) Относитель- ная глубина HI % Значения коэффициента kn при уклонах дна (1 : та)
0,025 | 0,05—0,002 0,025 | 0,02—0,002
0,01 0,82 0,66 0,1 0,93 0,86
0,02 0,85 0,72 0,2 0,96 0,92
0,03 0,87 0,76 0,3 0,98 0,95
0,04 0,89 0,78 0,4 0,99 0,98
0,06 0,9 0,81 0,5 и более 1 1
0,08 0,92 0,84
51
РИС. 3.21.
Зависимость коэффициента изме-
нения средней высоты волн в при-
брежной зоне от относительной
глубины и угла подхода волн
Высоту волны /%-ной обес-
печенности в системе следует оп-
ределять умножением высоты
волны на коэффициент kif при-
нимаемый по графикам рис. 3.16.
По безразмерным величинам
gHIW2, и gD^IW2 находят два
значения коэффициента ki и для
расчета принимают меньший из
них.
Среднюю высоту волны Лм
в мелководной зоне определяют
также по формуле (3.14), при-
нимая ЛпЛг = 1. Высоту волн
г %-ной обеспеченности при па-
раллельных и приблизительно
прямолинейных изобатах следу-
ет определять по формуле
(3.16)
Относительная высота волны
Лм/Лгл принимается по рис. 3.21 в зависимости от безразмер-
ной величины /7/Хгл и угла а между нормалью к изобатам и
направлением распространения волн при глубине /7>//кр.
Расчет элементов волн в прибойной зоне.
Высоту волн в прибойной зоне (в пределах которой начина-
ется и завершается разрушение волн) йПр i% определяют для за-
данных уклонов дна (1:та) по графикам 2, 3 и 4 рис. 3.17,
в зависимости от безразмерной величины ///Хгл принимается
значение 1%/gx2, по которому определяют йПр1%-
Длину волны в прибойной зоне Хпр определяют по верхней
огибающей кривой рис. 3.19, а превышение вершины волны
над расчетным уровнем т]в — по верхней огибающей кривой
рис. 3.20.
Критическую глубину Якр при первом обрушении волн без
учета рефракции определяют для заданных уклонов, дна
(1 :та) по графикам 2, 3 и 4 рис. 3.17, в зависимости от без-
размерной величины hilgi;2 принимается значение Якр/ХГл, по
которому определяют /7Кр-
Критическая глубина с учетом рефракции волн определяется
методом последовательных приближений. По ряду задаваемых
значений глубин Н по формуле (3.14) и периоду волн в глубо-
ководной зоне т вычисляют параметры h^gT?, по графикам 2,
3 и 4 рис. 3.17 определяют значения Якр/Агл, из которых прини-
мается 7/кр, численно совпадающее с одной из задаваемых глу-
бин Н.
52
§ 3.6. ВОЛНОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
НА ПОДВОДНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
При обтекании волновым потоком подводные трубопроводы
подвергаются силовому воздействию, которое можно разложить
на горизонтальную Рх и вертикальную Ру составляющие. Каж-
дая из этих составляющих включает соответственно инерцион-
ные Рхи и Рги и скоростные Рхс и Pzc компоненты волновой на-
грузки.
Теоретические и экспериментальные исследования воздейст-
вия волн на подводные трубопроводы выполнены под руковод-
ством профессора Д. Д. Лаппо, основные результаты этих ис-
следований включены в СНиП 11-57—75.
Величина волнового воздействия на подводные трубопро-
воды зависит от расположения трубопроводов относительно дна
водоема и вершины волны (рис. 3.22) и значений параметров
волн, приведенных в § 3.5.
Согласно СНиП П-57—75 максимальное значение равнодей-
ствующей нормативной нагрузки Р от волн на единицу длины
расположенного на дне водоема подводного трубопровода, диа-
метр которого удовлетворяет условиям
D<0,U и £><0,1 Я,
определяется по формуле
р= у Р2х + Р2г
(3-17)
для двух случаев:
с максимальной горизонтальной составляющей нагрузки Рхм
при соответствующем значении вертикальной составляющей на-
грузки Pz;
с максимальной вертикальной составляющей нагрузки PZM
при соответствующем значении горизонтальной составляющей
нагрузки Рх.
Максимальная горизонтальная Рхм и соответствующая вер-
тикальная составляющая Pz волновой нагрузки равны
р g гр g .
1 X М
р =_____— р 8
Г Z - Г ХсУхъ,
5
(3.18)
(3.19)
где Рхи и Рхс — соответственно инерционный и скоростной ком-
поненты горизонтальной составляющей нагрузки от волн, опре-
деляемые по формулам
53
РИС. 3.22.
Схема к определению волновых на-
грузок на подводный трубопровод
РИС. 3.23.
Графики значений коэффициентов сочетания инерционного 6Жи (графики 1)
и скоростного бхс (графики 2) компонентов удельной горизонтальной на-
грузки от волн
РИС. 3.24.
Графики значений коэффициентов удельной нагрузки от волн 0Х и ех
4 X
(3.20)
Pxc = ynD-^-ex, (3.21)
X
6ХИ и 6ХС — коэффициенты сочетания инерционного и скоро-
стного компонентов нагрузки от волн, принимаемые по графи-
кам 1 и 2 рис. 3.23 при различных значениях х = х!'к (х —рас-
стояние от оси трубопровода до_вершины волны); у— объемный
вес воды; h — высота волны; Л — средняя длина волны; 6Х и
— коэффициенты удельной нагрузки от волн, принимаются по
графикам а и б рис. 3.24 в зависимости от относительной глу-
бины расположения подводного трубопровода;
Н
Максимальная вертикальная PZM и соответствующая гори-
зонтальная Рх составляющие волновой нагрузки принимаются
Ргм=-4-рхс. (3.22)
О
р =р
1 X 1 X с*
(3.23)
Трубопроводы, укладываемые на глубоководных участках
трассы [Н/’к > 0,5), на волновое воздействие не рассчитываются.
По формулам (3.18) — (3.23) определяют составляющие волно-
вого воздействия на трубопроводы, расположенные на дне мел-
ководных участков трассы, т. е. при //кр<Я<0,5Х.
Горизонтальную и вертикальную составляющие волновой
нагрузки на трубопровод, расположенный на дне прибрежных
участков трассы (при рассчитывают по формулам
(3.18) — (3.23) при значениях РХи и Рхс, полученных по форму-
лам (3.20) и (3.21) и умноженных на коэффициент йПр,
1+1,2( )'Д (3.24)
где /гКр — высота волны перед обрушением (при Я = Якр);
Лпр— высота прибойной волны, определяется по рекомендациям
§3.5.
Расчетные значения горизонтальной (боковой) Рхр и верти-
кальной (подъемной) Pzp составляющих нагрузок от волн и те-
чений определяют по формулам
55
px? = px kcn COS2 pB + Px n cos2 ₽T;
ргр = ргкси cos2 pB+P2 n cos2 ₽T,
(3.25)
(3.26)
где Px и Pz — горизонтальная и вертикальная составляющие
нагрузок от волн, определяются для двух случаев по формулам
(3.18) и (3.19) и по формулам (3.22) и (3.23); рв — угол между
нормалью к оси трубопровода и лучом набегающей волны; (Зт —
угол между нормалью к оси трубопровода и направлением те-
чения; Рхп и Рш — горизонтальная и вертикальная составляю-
щие гидродинамического воздействия потока (течения) на тру-
бопровод, определяются по формулам (3.5) и (3.6), в которых
следует заменить Рх на PXTL и Ру на Pzn; kCil — коэффициент сни-
жения, учитывающий неодновременность действия нагрузки от
волн по длине трубопровода, принимается при расстоянии ме-
нее 0,25 X — 0,8, при (0,25—0,5) Z — 0,7, при (0,5—1)Л — 0,6,
при Х> 1 и без опор — 0,5.
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ
§ 4.1. РАСЧЕТ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
НА ПРОЧНОСТЬ
Линейную часть магистральных трубопроводов на прочность
рассчитывают по методике, приведенной в СНиП П-45—75. Од-
нако основные положения этой методики вызывают противоре-
чивые толкования относительно ее научной обоснованности. Что
касается методического подхода к практической реализации
основных расчетных формул, то недочеты СНиП П-45—75
в этом плане были показаны нами еще в работе [6] и поэтому
в данной книге останавливаться на них мы не будем.
Методика расчета прочности СНиП П-45—75 распростра-
няется лишь на некоторые подводные трубопроводы. Это можно
понять из примечания к п. 1.1 СНиПа, где сказано, что нормы
не распространяются на трубопроводы, прокладываемые в мор-
ских акваториях, но не указывается на наличие каких-либо ог-
раничений по их применению к расчетам подводных трубопро-
водов на пересечениях рек, озер, водохранилищ.
Необходимость разработки самостоятельной методики, при-
годной для расчета подводных трубопроводов в морской или
не в морской акватории, очевидна. Трубопровод может нахо-
диться в морской акватории на различных глубинах; на тех
же глубинах может находиться и трубопровод, прокладывае-
мый в водохранилищах или реках, при этом внутреннее давле-
ние перекачиваемого продукта и внешнее давление воды также
могут быть одинаковыми. Равноценными могут быть и послед-
ствия в случае разрушения труб на внутреннем водоеме и
на морской акватории. С учетом изложенного авторами раз-
работан метод расчета подводных трубопроводов на проч-
ность.
1. Факторы, оказывающие влияние на несу-
щую способность подводного трубопровода.
К их числу относятся: рабочее давление внутри трубопро-
вода, его стабильность в период эксплуатации, величина испы-
тательного давления, внешнее давление воды, изгиб и колеба-
ния отдельных участков трубопровода под воздействием волн
или течений и, наконец, различного рода механические воздей-
ствия в строительный и эксплуатационные периоды.
Рабочее давление создает в трубах постоянные кольцевые
ак и продольные <уПр напряжения, которые могут изменяться при
57
повышении или понижении внутреннего давления и быть при-
чиной так называемой малоцикловой усталости.
Испытательное давление создает в трубах такие напряже-
ния, при которых разрушение труб или их соединений, имею-
щих различного рода дефекты, достигает высокой степени ве-
роятности.
Внешнее давление воды может привести к разрушению труб
в результате потери устойчивости их круговой формы.
Изгиб труб наблюдается в случае образования промоин
грунта под трубопроводом; эти же участки при определенных
условиях (см. гл. 5) начинают колебаться. Оба эти фактора
обусловливают возникновение дополнительных изгибных усилий.
Механические воздействия весьма многообразны как при
строительстве, так и при эксплуатации. Результатом их могут
быть различного рода царапины, задиры, вмятины и т. п., что
приводит к существенному снижению несущей способности тру-
бопровода в целом. При наличии таких дефектов даже значи-
тельный запас несущей способности трубопровода не исключает
их разрыва в дефектных участках труб. Из числа этих факто-
ров в качестве основных можно выделить рабочее и испыта-
тельное давления, оказывающие наиболее существенное влияние
на толщину стенки трубопровода. Влияние остальных факто-
ров сказывается лишь при определенном образом складываю-
щихся обстоятельствах. Как правило, эти обстоятельства воз-
никают либо в предаварийных ситуациях, либо при нарушении
технологии строительства или эксплуатации. Конечно, необхо-
димо создавать некоторый запас несущей способности труб для
компенсации усилий, обусловленных дополнительными факто-
рами. Однако нельзя считать правильным стремление в некото-
рых случаях полностью компенсировать металлургические или
строительные дефекты увеличением толщины стенки труб. Это
приведет лишь к неоправданному расходу металла. Дефекты
должны выявляться в процессе испытания трубопровода в це-
лом или отдельных его участков и обязательно ликвидиро-
ваться.
2. Нагрузки и воздействия на подводные
трубопроводы.
К нагрузкам относятся внутреннее давление в трубопроводе,
внешнее давление воды, грунта, каменных набросок и бетонных
креплений, собственный вес (сила тяжести) труб.
К воздействиям относятся предварительное (до приложения
основной рабочей нагрузки — внутреннего давления) напряже-
ние трубопровода, изменение температуры труб, просадка осно-
вания, силовое воздействие волн и течений на оголенные уча-
стки труб.
Каждая из перечисленных нагрузок характеризуется норма-
тивным и расчетным значениями. Под нормативной понимается
нагрузка определяемая на основании среднестатистических
58
данных. Возможные отклонения нагрузки от нормативного
в сторону увеличения учитывают коэффициентом перегрузки п
и в расчетные формулы вводят расчетное значение нагрузки
Np = nN„. (4.1)
Значения коэффициента перегрузки п в зависимости от вида нагрузки сле-
дующие:
Собственный вес труб и конструкций 1,1
Внутреннее давление:
для газопроводов ......................... 1,1
для нефтепроводов и нефтепродуктопроводов 1,15
Давление окружающей трубопровод воды:
среднее гидростатическое ..... 1,0
с учетом повышения уровня воды за счет волн 1,2
выталкивающая сила воды 1,1
Давление грунта . 1,4
Давление каменных набросок ... 1,2
Давление бетонных защитных покрытий . . . . . 1,1
Обледенение труб под водой при транспорте продуктов с отрицательной тем-
пературой . 1,4
Сейсмические воздействия 1,1
Нагрузки определяются по следующим формулам:
собственный вес труб 1
<7тР = <7оП> (4-2)
где <7о — вес единицы длины труб с приходящимся на единицу
длины весом конструкций (изоляция, утяжеляющие конструк-
ции и т. п.);
внутреннее давление продукта
Р = пр0, (4.3)
где ро — номинальное значение внутреннего давления (рабочее
или испытательное);
давление грунта на трубопровод
<7гр = п<76гР, (4.4)
где <7огР — давление грунта, определяемое по формулам меха-
ники грунтов для конкретных конструкций [6];
давление воды
<7в = ТвЛвЛ, (4.5)
где ув — объемный вес воды; йв — высота столба воды над рас-
сматриваемой точкой;
выталкивающая сила воды
<7в.в = 0)8ТвО„2п> (4.6)
где Dn— наружный диаметр труб.
1 Основные весовые и геометрические характеристики подводных трубо-
проводов приведены в приложении.
59
Вес продукта, заполняющего трубопровод:
газа
9г = 215Тг-^_, (4.7)
Z 1
где уг — объемный вес газа при нормальных условиях; р —
внутреннее давление; z— коэффициент сжимаемости газа; Т —
абсолютная температура;
нефти и нефтепродуктов
(4.8)
4
где ун — объемный вес нефти и нефтепродукта; DBH — внут-
ренний диаметр труб;
температурные воздействия (напряжения)
az= (4.9)
где et — продольные напряжения в стенке труб, защемленных
в грунте; Е — модуль упругости; Д/— температурный перепад
между рассматриваемой температурой t и температурой tQ, при
которой трубопровод фиксируется в грунте.
Вертикальная и горизонтальная составляющие гидродина-
мического и волнового давления воды определяются в соответ-
ствии с рекомендациями § 3.3, 3.4 и 3.6.
3. Усилия и напряжения в трубопроводе от
внутреннего давления и температуры.
Прямолинейный участок трубопровода.
Если трубопровод не может перемещаться в продольном
направлении, то кольцевые напряжения определяются по фор-
муле
акц = -^-, (4.10)
а продольные
<?пр = 0115^в н±а<ЕД/( (4.11)
где S — толщина стенки трубы.
В формуле (4.11)—знак «плюс» при Д/<0, а «минус» —
при Д/>0 (положительными приняты растягивающие напря-
жения) .
На концевых участках трубопровода, а также в местах кру-
тых поворотов в плане или в вертикальной плоскости в сече-
ниях I—I (рис. 4.1) кольцевые напряжения определяются по
формуле (4.10), а продольные
а"р=£5г- <4Л2>
40
60
РИС. 4.2.
Схема нагрузки на подземный трубо-
провод
РИС. 4.1.
Схема к определению усилий в трубо-
проводе
Во всех остальных сечениях оПр изменяются в зависимости
от степени защемления трубопровода грунтом [6]. Но в любом
случае предельные значения опр определяются по формуле
(4.11), а кольцевые — по (4.10).
Криволинейный участок трубопровода.
На упругоискривленных участках в трубопроводе возникает
изгибающий момент, который обусловливает в трубах дополни-
тельные продольные напряжения
(4-13)
где R — радиус кривизны оси трубопровода.
Таким образом, с учетом (4.11) продольные напряжения
будут
0,15рОвн + em+ED^ (4.14)
пр 6 ~ ' 2R v '
4. Усилия и напряжения в трубопроводе от
внешнего давления грунта и воды.
Давление грунта.
Изгибающие моменты М и кольцевые усилия в стенке труб
в плоскости кольцевого разреза (рис. 4.2)
Л^кц = ?гр ^*н гСр[Л 1О 4“ -j- (14~ я)],
Л^кц = <7гр Гп [D±a+Ег + FLn± (1 + а)], (4.15)
где а = 2—гк/гср; гн — наружный и гср— средний радиусы трубы;
Ль Bi, Ci, Z?i, Ei, Fi — коэффициенты, принимаемые по табл. 4.1.
61
ТАБЛИЦАМ
р Е. F,
0 0,1628 0,0872 —0,0070 0,2122 —0,2122 0,021
ЗТ —0,025 0,025 —0,00084 0,15 0,35 0,0148
4
зт —0,125 —0,125 0,00825 0 1 0,00575
2
3 л 0,025 —0,025 0,00022 —0,15 0,9 0,0138
4
зт 0,0872 0,1628 —0,00837 —0,2122 0,7122 0,224
Если учесть, что в стальных трубопроводах можно принять
Гн~гСр, поскольку толщина стенки мала, то формулы (4.15) по-
лучат вид
(4.16)
ЛГКц = <7грГн(^1+^1+ад. (4-17)
Величина
''ср^о
где I — момент инерции сечения трубы; kQ — коэффициент упру-
гого отпора грунта (коэффициент постели при сжатии). Фор-
мулы (4.16) и (4.17) получены в предположении равномерного
распределения давления грунта. При деформации трубы со сто-
роны грунта в пределах окружности от Pi до р7 на трубу дей-
ствует упругий отпор (рис. 4.2) ф(р) = kw(р), где w(p)—пе-
ремещение стенки трубы от нагрузки q. Если отпор не учиты-
вать, то нужно принять П1 = 0. Определив для различных точек
кольцевого сечения М и N, легко найти и. соответствующие им
напряжения.
Давление воды.
Изгибающий момент Л4КЦ и кольцевая сила МКц определя-
ются по формулам
Л4Кц=-И2 + «А)7вг3н; (4.19)
= -(С2 + пА) ?/н+ТвА/н, (4-20)
где ув — удельный вес воды; /г8 — высота столба воды над верх-
62
ТАБЛИЦАМ
Л 2 В2 С3 d2
0 0,1724 —0,0109 —0,5838 0,0329
л 0,0167 —0,0013 —0,4277 0.0233
V
л —0,1964 0,0129 —0.2146 0.009
V
3 — л 4 —0,0168 0,00036 —0,3941 0,0216
л 0,2203 —0,0131 —0,6312 0,0351
ней образующей трубы; Л2, С2, В2 и D2— коэффициенты, при-
нимаемые по табл. 4.2.
Если не учитывать деформации стенки трубы и упругий от-
пор грунта, т. е. если принять &о = О, то в формулах (4.19) и
и (4.20) нужно принять П1 = 0. Такому условию отвечает трубо-
провод, лежащий на дне водоема без заглубления. Кольцевые
напряжения в стенке трубы можно найти также и по формуле
_Лв£вТв (4.21)
кц 26 7
где 6 — толщина стенки труб.
Знак «минус» означает, что напряжение в стенке труб сжи-
мающее.
5. Расчет толщины стенки трубопровода.
Особенность расчета толщины стенки подводных трубопро-
водов.
Как известно, толщина стенки 6 магистральных трубопро-
водов определяется по формуле
6= иРДвн, (4.22)
2(Ткц
где п — коэффициент перегрузки, р — внутреннее давление,
Окд — действующее кольцевое напряжение, принимаемое рав-
ным так называемому расчетному сопротивлению материала
трубы
Овр т или = (4 23)
Здесь m — коэффициент условий работы, k2 — коэффици-
енты безопасности и &н — надежности, назначаются в зависимо-
сти от характеристик материала, диаметра труб и внутреннего
63
давления, а также категории участка. Приведенные в СНиП
11-45-75 коэффициенты даже при всей их условности не отра-
жают особенностей загрузки и работы подводных трубопрово-
дов и поэтому не могут использоваться при расчете последних.
Подводный трубопроводов подвергается как внутреннему
давлению продукта, так и давлению окружающей его воды.
При этом сразу после укладки действует только внешнее дав-
ление и лишь после ввода трубопровода в эксплуатацию в нем
создается внутреннее давление, которое компенсирует внешнее
давление воды. Следовательно, трубопровод необходимо рас-
считывать на прочность не только на внутреннее, но и на внеш-
нее давление.
Второй особенностью некоторых подводных трубопроводов
является то, что их нельзя испытать на повышенное давление
перед укладкой под воду, поскольку многие схемы укладки не
дают возможность это сделать. Испытывать же подводные тру-
бопроводы после их укладки со значительным превышением
давления по сравнению с рабочим опасно, особенно для глубо-
ководных трубопроводов. Дело в том, что любой разрыв глубо-
ководного трубопровода очень сложно, а иногда и невозможно
ликвидировать. Поэтому метод расчета и метод испытаний (до
укладки) должны обеспечивать неразрушимость труб при всех
режимах эксплуатации трубопровода.
6. Расчет толщины стенки труб по внешнему
давлению.
От внешнего давления возникают кольцевые сжимающие
напряжения, определяемые по формуле (4.21). Как известно
из теории упругости, при равномерно распределенной по пери-
метру кольца нагрузке q при некотором ее значении происхо-
дит потеря устойчивости круговой формы кольца. Эта нагрузка
называется критической и имеет вид
Е63
9кр ““ . з •
Принимая
?кр ~
(4.24)
(4.25)
где Лв — высота столба жидкости над верхней образующей
трубы с учетом превышения гидростатического уровня за счет
волн, из выражений (4.24) и (4.25) можно найти минимальное
значение б, при котором трубопровод будет находиться в кри-
тическом состоянии при данном гСр и hB:
4nrcpVBftB
Е
(4-26)
Поскольку Гср величина известная и равная половине среднего
диаметра трубопровода; то по формуле (4.26) можно найти ми-
64
нимально допустимую из условия прочности трубопровода на
внешнее давление толщину стенки труб. Приведем пример,
приняв /г= 1,2, £>ср=100 см (гСр = 50 см), ув = 0,001 кгс/см3, hB =
= 7,5-103 см, Е = 2,1*106 кгс/см2. По формуле (4.26) 6 =
= 1,29 см, т. е. при глубине укладки трубы на 75 м толщина
стенки труб диаметром £>Ср=100 см должна быть не менее
1,29 см, даже если по расчету на внутреннее давление она бу-
дет меньше.
7. Расчет толщины стенки труб по внутрен-
нему давлению.
Толщина стенки труб для подводных трубопроводов на внут-
реннее давление (без учета продольных сил) должна опреде-
ляться по формуле
Л _ Рисп 7)Н I я
~2(/? + рисп)+ ;
(4-27)
где R — расчетное сопротивление металла труб; 61 — техноло-
гический допуск при изготовлении труб на заводе, устанавли-
ваемый ТУ на изготовление труб; р — испытательное давление.
Для подводных трубопроводов в качестве расчетного со-
противления R необходимо принимать математическое ожида-
ние предела текучести от, определенное по испытаниям стан-
дартных образцов, вырезанных из труб.
Тогда формула (4.27) примет вид
g = Рисп Он . (4.27')
2 (ат рисп)
Испытательное давление рисп должно обеспечить выявление
дефектов, не обнаруженных физическими методами контроля.
Так, нами установлено, что при характеристике безопасности
трубопровода 0,999 (определяется по рекомендациям работы
[6]) предварительное испытание труб должно производиться на
давление 1,6 рраб- Остановимся далее на соотношении между
Рисп й Рраб- Для подводных трубопроводов под рабочим следует
понимать избыточное давление внутри труб, равное разнице
между расчетным внутренним эксплуатационным давлением
Рэкс и внешним давлением окружающей трубопровод воды
т. е.
Рраб= Рэкс ?в- (4.28)
Допустим трубопровод укладывают на глубине 100 м и
Рэкс = 75 кгс/см2. Тогда по формуле (4.25) ^в= 1,2 *0,001 • 104=
= 12 кгс/см2, а рРаб = 63 кгс/см2. Соответственно рИсп=1,6*63 =
= 100,8 кгс/см2.
Что касается предельного значения испытательного давле-
ния, то оно должно быть_на уровне математического ожидания
предела текучести, т. е. от. При этом значении рИсп, как пока-
65
зывает опыт, выявляются все дефекты труб и устраняются
еще до укладки их под воду. Эксплуатация трубопровода по-
сле этого при давлении на 60% меньше испытательного будет
осуществляться при высоком уровне надежности. Кроме того,
в отличие от существующих правил, расчет по испытательному
давлению позволяет знать истинный запас несущей способ-
ности труб, что дает возможность регулировать внутреннее
давление в довольно широких пределах.
Приведем пример расчета, приняв, как и в предыдущем
примере £>Ср=100 см, йв_=7,5- 103 см, ув=0,001 кгс/см3 и, кроме
того, рЭкс = 55 кгс/см2, (Ут = 3600 кгс/см2, Si = 0,05 см. По фор-
муле (4.26) 6=1,29 см; по формуле (4.28) рРаб = 46 кгс/см2; по
формуле (4.27) 6 = _4^L2^L_ + °,°5= 1,07 см. Как видно,
при принятых условиях толщину стенки следует назначать не
по внутреннему давлению, а по внешнему, т. е. принимаем
6= 1,3 см.
Поскольку учет внешнего давления оказывается очень су-
щественным, то расчет толщины стенки труб необходимо вы-
полнять с учетом изменения глубины погружения.
8. Учетпродольных напряжений.
Толщина стенки труб по формулам (4.26) и (4.27) опреде-
ляется без учета продольных напряжений оПр. Для их учета
на прямых участках трассы можно воспользоваться известной
формулой
сцКр = 1//"о2 4-ст2 —о сг . (4.29)
Принимая оПр по выражению (4.11), а оЭкв = пт, после необ-
ходимых преобразований получаем из формулы (4.29) для
толщины стенки труб
6 __________________-Рисп . (4.30)
2 [ - 0,253 Е Д/ 4- К1.265о£-1,2 а2 Е2 Д/Ч-присп ]
Для упругоискривленных участков опр следует принимать
по формуле (4.14). Выполнив аналогичные преобразования,
получим выражение для расчета толщины стенки с учетом уп-
ругого изгиба.
§ 4.2. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ
РЕЧНЫХ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Под устойчивым состоянием подводного трубопровода по-
нимается такое состояние, при котором он будет находиться
в покое в заранее заданном (проектном) положении при самой
неблагоприятной комбинации нагрузок, стремящихся вывести
его из этого положения.
66
Такими нагрузками являются: выталкивающая Архимедова
сила; горизонтальная и вертикальная составляющие гидроди-
намического воздействия потока; силы упругости трубопровода;
сжимающее или растягивающее продольные силы, возникаю-
щие при протаскивании трубопровода, а также вследствие из-
менения его температурного режима или давления перекачи-
ваемого продукта. Для компенсации этих сил и воздействий ис-
пользуется собственная масса трубопровода и заполняющего его
продукта, а также пригрузка утяжеляющими грузами или за-
крепление с помощью анкерных устройств.
Самое неблагоприятное сочетание нагрузок имеет место,
когда трубопровод не заглублен, т. е. находится на дне во-
доема. В других случаях, например, когда трубопровод уло-
жен в подводную траншею и засыпан грунтом, число нагрузок,
снижающих запас устойчивости, соответственно уменьшается.
В общем случае условие устойчивости единицы длины трубо-
провода имеет вид
Px-ky. с< (5 + Q—A —Py—qH—qH)fTp, (4.31)
где Рх— горизонтальная сдвигающая сила: ky.c — коэффициент
запаса устойчивости на сдвиг, принимаемый равным 1,1 при
Р^СбОО мм и 1,15 при Z)>600 мм; Б — вес балласта в воде;
Q — вес труб с учетом изоляции, футеровки и продукта, запол-
няющего трубу; А — выталкивающая сила; Ру— вертикальная
составляющая силового воздействия потока; — взвешиваю-
щее усилие, обусловленное изгибом трубопровода в вертикаль-
ной плоскости; qB — взвешивающее усилие, обусловленное ис-
кривлением трубопровода в вертикальной плоскости вогнуто-
стью вниз; /тр — коэффициент трения поверхности трубы
о грунт.
Значения Рх и Ру получают в соответствии с рекоменда-
циями § 3.3 и 3.4 [формулы (3-5), (3.6) и (3.10), (3.11)].
Остальные составляющие определяют следующим образом:
расчетное значение выталкивающей силы
А = П]А о,
где Ao=yBV (ув — объемный вес воды, V — объем вытесненной
полностью снаряженным трубопроводом воды, определенный
по геометрическим размерам); П\—= коэффициент перегрузки
выталкивающей силы, принимаемый по табл. 4.3;
вес труб и конструкций
Q = AZ2Q0, (4.32)
где П2 — коэффициент перегрузки по весу трубопровода и кон-
струкции (табл. 4.4) ; Qo — вес трубопровода со всеми конструк-
циями и заполняющим его продуктом, определяемый взвеши-
ванием трубопровода в воздухе и воде или расчетным путем.
При определении Qo можно найти и А. Следует отметить, что
67
ТА Б Л И Ц А 4.3
Характеристика условий укладки
D < 700 мм D > 700 мм
Пресная вода
Морская вода
Вода с примесью взвешенных частиц грунта
1,00
1,05
1,10
1,05
1,10
1,10
ТАБЛИЦАМ
Характеристика конструкций
D < 600 мм D > 600 мм
Труба с изоляцией Труба с изоляцией, футеровкой и чугунными 1,00 1,00
грузами Двухтрубная конструкция с заполнением межтрубного пространства цементно-песча^ 0,95 1,00
ным раствором Двухтрубная конструкция без заполнения 1,00 0,95
межтрубного пространства 1,00 1,00
перед укладкой труб на ответственных участках подводных
трубопроводов необходимо Qo и Ло определять взвешиванием.
Это дает наиболее точный результат.
Величины и qn определяют в соответствии с оптимальным
профилем трубопровода. В простейшем случае, когда трубо-
провод искривляется как балка на двух опорах,
(4.33)
где Н — продольная растягивающая сила в трубопроводе; f—
стрелка прогиба искривленного участка; EI—жесткость тру-
бопровода; I — длина искривленного участка.
При других расчетных случаях можно найти по реко-
мендациям [6]. Наконец, /тр принимается равным tg ср, где ср —
угол внутреннего трения грунта.
Что касается веса балласта Б, то именно его и нужно опре-
делить из выражения (4.31):
Б=Р^+Л+р + + Q (4.34)
tg<p
Если по формуле (4.34) Б>0, то балласт необходим и его
значение принимается по формуле (4.34). Если Б<0, то бал-
68
ласт (или закрепление трубопровода анкерами) не требуется.
Формула (4.34) определяет общий расчетный случай.
В практике встречаются следующие расчетные случаи:
трубопровод прямолинейный, течение отсутствует
Б = А — Q; (4.35)
то же, при течении
5 = + (4.36)
tg ЧР
трубопровод имеет кривизну, течение отсутствует
5 = ^ + <7„-Q; (4.37)
то же, при течении
S = ^c + X+9h-Q. (4.38)
tg <р
В этих формулах Б — вес балласта в воде.
Поскольку балласт имеет в воде вес меньший, чем в воз-
духе, то вес его в воздухе должен определяться с учетом вы-
талкивания его водой
где уб и ув — соответственно объемный вес балласта в воздухе
и воде.
Отметим далее следующее. Вокруг подводного трубопро-
вода, по которому транспортируется продукт с отрицательной
температурой, образуется ледяное кольцо. Если трубы заглуб-
лены в грунт, то лед цементирует грунт и никакого дополни-
тельного утяжеления не требуется.
Если же трубопровод не заглублен, то лед дает ему допол-
нительную плавучесть, которую нужно компенсировать при-
грузкой.
Вес льда, приходящийся на единицу длины труб, составляет
Бл = л(г2—г2 н)ул,
где ул — объемный вес льда, гт. н — наружный радиус трубы.
§ 4.3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ
МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
Морские подводные трубопроводы, а также трубопроводы,
прокладываемые через внутренние водоемы и подверженные
воздействию волн и течений, рассчитывают на устойчивость на
сдвиг и всплытие по формуле
Б> _р5Р^ + р +Л+ <7„ + <7H—Q, (4,39)
tg <р
69
где Рхр— горизонтальная суммарная расчетная составляющая
силового воздействия волн и течения; Pzp— вертикальная со-
ставляющая от тех же воздействий. Они определяются по фор-
мулам (3.25) и (3.26). Остальные составляющие те же, что и
в формуле (4.34). Следует иметь в виду, что при укладке тру-
бопровода с заглублением или с защитой от волн и течений
Лер и Pzp не учитываются.
Для пояснения методики расчета устойчивости подводного
трубопровода приведем пример расчета устойчивости на сдвиг
и всплытие газопровода, расположенного на дне моря.
Диаметр газопровода £> = 529 мм, с учетом изоляции £)из=
= 532 мм, вес труб в воздухе Q = 0,2 тс/м; ориентировочно при-
нимаем наружный диаметр бетонного покрытия £>б = 720 мм;
коэффициент трения по грунту /тр = 0,45. План трассы газопро-
вода показан на рис. 4.3. Скорость донного течения пДОн=
0,5 м/с, направление течения перпендикулярно оси газопровода
(рт = 90°); объемный вес морской воды ув = 1,03 тс/м3. Элементы
волн в глубоководной зоне: Хгл=100 м, т=8 с, h\%=& м, h$% ==
= 5 м.
На плане акватории участка трассы трубопровода строится
план рефракции (см. § 3.5) для определения угла подхода волн
к трассе трубопровода 0В в мелководной зоне и коэффициента
рефракции kp. Построение плана рефракции начинается с глу-
бины //=%гл/2= 100/2 = 50 м. Лучи I и II волн располагают воз-
можно ближе к расчетному участку газопровода (рис. 4.4).
Точки пересечения лучей с промежуточными изобатами (на
плане показаны штриховыми линиями) являются поворотными
точками волновых- лучей. В этих точках вычисляют углы аРг
между направлением исходного луча и перпендикуляром к про-
межуточной изобате. Определяют отношения глубин на преды-
дущей и последующей изобатах к исходной длине волны Хгл
и по номограмме (см. рис. 3.18). Определяют углы поворота
каждого луча ДаРг- Откладывая значение ДаРг от направления
исходного луча в сторону меньших глубин, находят направле-
ние рефрагированного луча. Результаты расчета сведены
в табл. 4.5 и представлены на рис. 4.3.
Далее трассу газопровода разбивают на ряд участков
(рис. 4.3,6), для каждого участка определяют углы подхода
к оси газопровода <pB< и расчетные значения элементов волн
5 %-ной обеспеченности. Приведем последовательность вычисле-
ния элементов волн и нагрузок на трубопровод для четвертого
участка.
Средняя расчетная глубина моря
Я =2O+J5=17 5 м
2
Для определения расчетной высоты волны вычисляем ко-
эффициенты, входящие в формулу (3.14). По графику (см.
70
РИС. 4.3.
Расчетная схема к определению составляющих силового воздействия на
трубопровод
РИС. 4.4.
Схема распространения фронта волн и план трассы газопровода
Т А Б Л И U A 4.5
Номер луча Номер точки М ^-1 ^ТЛ Hi+1, м ^ГЛ api’ град ДарС град
I 1 50 0,5 40 0,4 40 0,4
2 40 0,4 30 0,3 45 1,7
3 30 о,з 20 0,2 56 6,6
4 20 0,2 15 0,15 62 8,7
5 15 0,15 10 0,1 55 8,2
6 10 0,1 5 0,05 56 17,7
II 7 50 0,5 40 0,4 53 0,6
8 40 0,4 30 0,3 46 1,7
9 30 0,3 20 0,2 51 4,6
10 20 0,2 15 0,15 43 6,6
11 15 0,15- 10 од 48 7,8
12 10 ОД 5 0,05 52 15,7
рис. 3.17) для Я4/Хгл= 17,5/100 = 0,175 коэффициент трансфор-
мации £т = 0,91- Коэффициент рефракции &р определяем по фор-
муле. (3.15), где s0 и s4 снимаем с плана рефракции (рис.4.3,а),
s0 = 31 мм, s4=37 мм:
kp= 1/— = 0,92.
р У 37
Обобщенный коэффициент потерь kn определяем по табл. 3.1,
для относительной глубины Я4/Хгл = 0,175 и при уклоне дна
0,025 &п=0,95.
По формуле (3.14) вычисляем высоты волн 1%- и 5 %-ной
обеспеченности:
/г.= 0,91-0,92-0,95-6 = 4,77 м;
/ь= 0,91-0,92-0,95-5 = 3,98 м.
Длину волны определяем по графикам рис. 3.19, для задан-
ных ВДгл = 0,175 и Wgx2 = 4,77/9,81-82 = 0,0076 Х4Дгл = 0,84.
Длина волны на рассматриваемом четвертом участке газопро-
вода Х4=0,84 • 21гл = 0,84’ 100 = 84 м.
По формулам (3.20) и (3.21) вычисляем соответственно
инерционный Леи и скоростной Рхс компоненты горизонтальной
составляющей нагрузки от волн. Для этого по графикам, при-
веденным на рис. 3.24, при
— = -^^- = 0,208, Ь- =—^— = 21,1 и
Х4 84 h5% 3,98
__^4 — 2ц__0,5 Рб__,0,5*72_Q Q2
Н~4 Я4 — 17,5 ~ ’
72
находим коэффициенты ©х=0,5 и 2х=0,11.
Рхи = - • 1,оз-3,142-0,722^--0,5 = 0,0936 тс/м;
4 84
Рхс = = 1,03 • 3,14 • 0,72 -0,11 = 0,0483 тс/м.
хс 84
Для различных значений х по графикам / и 2 (см. рис. 3.23)
определяем коэффициенты 6ХИ и 6ХС, а затем по формуле
(3.18) вычисляем горизонтальные составляющие волновой на-
грузки, из которых выбираем максимальное значение Рхм. Ре-
зультаты вычислений приведены в табл. 4.6.
Как видно из табл. 4.6, Рхм = 0,099 тс/м при х=0,16, 6ХИ=
= 0,95 и 6хс = 0,21.
Согласно § 3.6 рассмотрим два случая:
а) с максимальной горизонтальной составляющей нагрузки
Лем = 0,099 тс/м и соответствующей вертикальной составляю-
щей Л, определяемой по формуле (3.19),
Рг = - -0,0483-0,21 = 0,0183 тс/м;
г 5
б) с максимальной вертикальной составляющей нагрузки
Лм при соответствующей горизонтальной составляющей Рх,
определяемыми по формулам (3.22) и (3.23):
= - - 0,0483 = 0,0869 тс/м;
5
Рх = 0,0483 тс/м.
Горизонтальная и вертикальная составляющие гидродина-
мического воздействия течения на трубопровод определяем по
формулам (3.5) и (3.6):
Рхп = - -1 • -ЬВ . 0,52• 0,72 = 0,00945 тс/м;
* 2 9,81
Р2П = - -0,6- -ЬВ.0,52-0,72 = 0,00567 тс/м.
гп 2 9,81
Расчетные значения горизонтальной Рхр и вертикальной
(подъемной) Лр составляющих силового воздействия волн и
ТАБЛИЦАМ
6хс Р С , тс/м Рхс^хс* тс/м рх> тс/м
0,04 0,15 0,91 0,0140 0,0439 0,0579
0,10 0,70 0,58 0,0655 0,0280 0,0935
0,14 0,88 0,325 0,0824 0,0157 0,0981
0,16 0,95 0,21 0,0889 0,0101 0,0990
0,18 0,975 0,12 0,0913 0,0058 0,0971
73
течений на трубопровод определяем по формулам (3.25) и
(3.26) также для двух случаев:
a) Pvp = 0,099-0,5-cos2 у+ 0,00945-1 = 0,02183 тс/м,
Ргр = 0,0183 • 0,5 • cos2y + 0,00567 • 1 = 0,00796 тс/м;
б) Рхр = 0,0483-0,5-cos2-у + 0,00995-1 = 0,01549 тс/м,
Р2р = 0,0869 • 0,5 • cos2 у + 0,00567 • 1 = 0,01653 тс/м.
В расчетах приняты йСн = 0,5, угол подхода волн к оси га-
зопровода для четвертого участка рв4 = л/3 (принят из построе-
ния плана рефракции на рис. 4.3).
Величину пригрузки для обеспечения устойчивости газо-
провода на сдвиг и всплытие для рассматриваемых случаев
расчетной волновой нагрузки подсчитываем по формуле (4.39).
Поскольку газопровод не имеет криволинейных участков (^и=0
и ?н = 0), то
5>-^+ргр.
tg ф
Определяем по формуле (4.31) Л=428,6 кгс/м; Q = 200 кгс/м.
Для случая «а»
5 = 8'1 ’1 + 7,96 + 428,6—200 = 289,8 кгс/м.
0,45
Для случая «б»
Б = 15Л9-М 16 53 428 6_ 200 = 282 9 кгс/м>
0,45
Принимаем большее значение Б, т. е. 5 = 289,9 кгс/м. При-
няв уб = 2,6 тс/м3, определяем наружный диаметр покрытия по
формуле
^=1/ , -.........(4-40)
V л (Уб — Yd)
Выполнив вычисления, получаем Dq = 0,72 м. Толщина бе-
тонного покрытия составляет V2(72 см—53 см) =9,5 см.
Для других участков газопровода расчет балластировки вы-
полняется аналогично.
ГЛАВА 5. КОЛЕБАНИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
§ 5.1. МЕХАНИЗМ КОЛЕБАНИЙ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Колебания круглых цилиндров в потоке жидкости с дав-
них пор привлекают внимание многих исследователей. Это
объясняется прежде всего широким применением разнообраз-
ных конструкций круглоцилиндрической формы.
Колебаниям подвержены дымовые и вентиляционные трубы
промышленных предприятий, перископы подводных лодок, воз-
душные и подводные нефте- и газопроводы, мачты, антенные
устройства, провода линий связи и электропередачи, канаты
подвесных мостов и другие конструкции сооружений.
Задача о колебаниях подводных трубопроводов в настоя-
щее время является актуальной, поскольку, как показывает
практика, колебания трубопроводов со значительной амплиту-
дой могут привести к усталостному разрушению материала
трубы, бетонного или цементного покрытия. Повреждение ко-
леблющегося трубопровода возможно также и при ударах
о донные скальные породы.
Колебания трубопроводов при обтекании их установившимся
потоком жидкости обусловливаются переменной во времени и
направлении гидродинамической силой, возникающей вслед-
ствие срыва вихрей с поверхности трубы. Переменная гидро*
динамическая сила воздействует на трубопровод как в направ-
лении потока (продольная составляющая, переменная сила
лобового сопротивления), так и в поперечном к нему направ-
лении (поперечная составляющая).
Рассмотрим образование и отделение вихрей при различ-
ных числах Рейнольдса. При малых значениях Re поток обте-
кает цилиндр плавно и не отделяется от него, при больших
числах Re позади цилиндра образуется два симметричных не-
подвижных вихря. С увеличением Re эти вихри вытягиваются
вниз по течению, и наконец, при Re —40 становятся асиммет-
ричными и отрываются от цилиндра. Для Re>150 отрыв вихрей
нерегулярен и при Re>300 вихревое движение в следе за ци-
линдром затухает. При больших числах Re (порядка Re>105)
происходит другое существенное изменение потока: погранич-
ный слой становится турбулентным и отрывается от поверхно-
сти в задней части цилиндра. Образующийся за цилиндром вих-
ревой след характеризуется нестационарностыо: нерегулярными
турбулентными пульсациями скорости в следе -й наличием
75
пульсаций с преобладающей частотой и повышенной мощ-
ностью.
Механизм вихреобразования при больших числах Re изу-
чен еще недостаточно полно. Рошко [43] отмечает, что при кри-
тическом режиме обтекания цилиндра частота отрыва вихрей
непериодична, а в закритическом режиме обтекания отличается
резко выраженной периодичностью.
Исследуя обтекание цилиндров при критическом режиме,
Тани [40] не обнаружил периодического отделения вихрей при
ReKp.i, а при ReKp.2 наблюдал прерывистый периодический отрыв
вихря, что, по его предположению, объясняется наличием ла-
минарного разделительного подслоя, когда за воссоединением
потока с поверхностью следует турбулентное разъединение.
В закритическом режиме отделение потока чисто турбулент-
ное. Возможно, что природа отделения вихрей при критиче-
ском и закритическом режиме более сложная.
Наиболее значительное упорядочивающее влияние на срыв
вихрей оказывает футеровка трубопровода. Футеровка обра-
зует острые грани на поверхности трубопровода, которые син-
хронизируют срыв вихрей в месте расположения футеровочной
рейки. Футеровочные рейки будут стабилизировать положение
точек отрыва потока или перехода пограничного слоя в турбу-
лентное движение.
При различных числах Рейнольдса (различной ширине
кильватера) стабилизирующее влияние будут оказывать рейки,
расположенные ближе к точкам отрыва потока или перехода
пограничного слоя в турбулентное движение. Вследствие этого
срыв вихрей с неподвижного цилиндра должен быть периодич-
ным и для критического режима.
Несимметричное расположение реек (рейки расположены
параллельно оси трубопровода) относительно направления
скорости потока, очевидно, будет усиливать эффекты асиммет-
рии срыва вихрей (неодновременный срыв вихрей с каждой сто-
роны трубопровода). Если рейки расположены непараллельно
оси трубопровода, то упорядочивающего влияния их на частоту
срыва вихрей не будет.
Следовательно, футеровка трубопровода «вразбежку» будет
нарушать периодичность вихреобразования и уменьшать тем
самым воздействие переменной поперечной силы на трубо-
провод.
Возникнув, колебания трубопровода усиливаются за счет
упорядочивающего влияния перемещений на срыв вихрей по
длине трубопровода. При критическом режиме влияние пере-
мещения трубопровода на переменную поперечную силу значи-
тельно больше, чем при докритическом и закритическом ре-
жимах. Наибольшее упорядочивающее влияние перемещений
на переменную поперечную силу будет иметь место при резо-
нансе (наибольших амплитудах колебаний).
76
Механизм колебаний круглых цилиндров различными ис-
следователями объясняется с разных позиций. Если раньше
колебания цилиндров рассматривались как вынужденные (ис-
следования проводились в основном при Re<ReKp.i), то в по-
следнее время в связи с развитием экспериментальных средств,
расширением технических возможностей проведения исследова-
ний при Re>ReKp. 1 и накоплением результатов исследований
в критическом диапазоне чисел Рейнольдса отдают предпочте-
ние гипотезе автоколебаний.
Следует отметить, что вынужденные колебания поддержи-
ваются знакопеременной силой, которая существует незави-
симо от них и продолжает действовать даже тогда, когда тело
прекращает колебаться, при этом частота знакопеременной
силы не зависит от собственной частоты (близости к резо-
нансу).
М. Ф. Барштейн [4] отмечает, что в автоколебательной си-
стеме цилиндр — ветровой поток следует различать основную
колебательную систему — цилиндр, усилитель колебаний —
вихри, возникающие при обтекании цилиндра потоком, ограни-
читель нарастания колебаний — силы затухания в опоре ци-
линдра.
Колеблющийся цилиндр — это элемент системы, задающий
частоту автоколебаний. Вихри связывают основную колеба-
тельную систему с источником энергии — ветровым потоком.
При этом колебания цилиндра влияют на образование вихрей,
навязывая свой период процессу в обтекающем потоке.
В работе [41] рассматривается роль вихрей в возбуждаемых
потоком колебаниях тел. Колебания сооружений под действием
вихрей здесь классифицируются на вынужденные, самовозбуж-
даемые и саморегулируемые. Отмечается, что самовозбуждае-
мое колебание поддерживается знакопеременной силой, кото-
рая порождается самим колебанием и исчезает, когда тело
прекращает колебаться. Знакопеременная сила автоматически
резонирует с собственной частотой тела, а усиление колебаний
будет продолжаться до тех пор, пока энергия, обычно посту-
паемая от непрерывного источника энергии (потока), будет
превышать работу, совершаемую демпфирующими силами.
В случае саморегулируемых колебаний знакопеременная
сила существует и когда тело находится в покое, а возникаю-
щие движения и колебания тела влияют на частоту знакоперемен-
ной силы. Для вынужденных, саморегулируемых и самовозбуж-
даемых колебаний влияние движения сооружения на гидроди-
намическое воздействие различно, а именно: не изменяет его —
при вынужденных колебаниях, влияет на него и порождает
его — при самовозбуждаемых (саморегулируемых) колебаниях.
Переменные гидродинамические силы (ПГС), действующие
на неколеблющийся трубопровод, имеют большое значение
в возбуждении его колебаний, поэтому необходимо знать ве-
77
личину и частоту ПГС. Кроме того, необходимо установить
механизм, регулирующий и поддерживающий колебания тру-
бопровода при обтекании его равномерным потоком жидкости.
Из результатов опытов [10] следует, что в докритическом ре-
жиме частота ПГС для неподвижного и колеблющегося ци-
линдра периодична, линейно зависит от скорости потока. Зна-
чительное влияние колебаний на частоту срыва вихрей наблю-
дается лишь в резонансной области, в которой происходит так
называемое явление «захвата» колебаний (частота колебаний
цилиндра вблизи собственных частот может быть непериодич-
ной. Здесь могут происходить биения либо нерегулярные коле-
бания цилиндров).
Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что для
гладких цилиндров и трубопроводов с различной шероховато-
стью при докритическом режиме обтекания колебания под дейст-
вием периодической силы приближаются к вынужденным. Это
подтверждается периодическим срывом вихрей как с непод-
вижного, так и с колеблющегося цилиндра, а также значительно
меньшим по сравнению с критическим режимом влиянием пе-
ремещений на частоту и величину переменной поперечной
силы.
ПГС, действующая на неподвижный гладкий трубопровод
при критическом режиме, является случайной. Колебания тру-
бопровода под действием случайных сил будут происходить
с собственной частотой колеблющейся системы.
Вихревой след за колеблющимся цилиндром зависит от ам-
плитуды колебаний. При значительных амплитудах колебаний
регулярные составляющие пульсации скорости существенно
увеличиваются.
При колебаниях цилиндра вихревой след перестраивается,
происходит синхронизация отрывов вихрей по длине цилиндра
и изменение величины ПГС. Возможность возникновения ко-
лебаний в критическом диапазоне чисел Рейнольдса зависит
от спектра частот переменной поперечной силы (пульсаций дав-
ления на поверхности трубопровода) и близости преобладаю-
щих частот этой силы к собственной частоте колебаний тру-
бопровода.
Колебания могут возникнуть и от внешних воздействий (на
пример, судовых и ветровых волн, давлений от подводных
взрывов и т. д.) и затем продолжаться сколь угодно долго при
отсутствии этих воздействий. Колебания поддерживаются вих-
рями, срывающимися в крайних положениях трубопровода и
являющимися не причиной возникновения колебаний, а след-
ствием их. Поэтому колебания гладкого трубопровода, а также
бетонированного в критическом диапазоне чисел Рейнольдса
следует рассматривать как самовозбуждаемые.
Для футерованных трубопроводов (футеровочные рейки
расположены параллельно оси трубопровода) переменная попе-
78
речная сила будет, по-видимому, периодична как для непод-
вижного, так и колеблющегося трубопровода при всех режимах
его обтекания: докритическом, критическом и закритическом.
При колебаниях поперечная сила определяется вихрями, сры-
вающимися в крайних положениях трубопровода, и вихрями,
явившимися первопричиной возникновения колебания.
Если для гладких трубопроводов при критическом режиме
колебания происходят только с собственной частотой, то коле-
бания футерованных трубопроводов могут происходить с соб-
ственной частотой и частотой вихрей, срывающихся с непод-
вижного трубопровода.
Таким образом, обобщая результаты исследований по обте-
канию цилиндрических конструкций потоком жидкости, можно
сделать выводы:
1) механизм колебаний подводных трубопроводов представ-
ляет собой гидроупругое явление и зависит от гидродинамиче-
ских, упругих, инерционных сил и сил сопротивления колеблю-
щейся системы, от режима обтекания (числа Рейнольдса) и типа
шероховатости поверхности трубопровода;
2) в докритическом диапазоне чисел Рейнольдса колебания
подводных трубопроводов с различными типами шероховатостей
их поверхности приближаются по типу к вынужденным коле-
баниям;
3) при критическом режиме обтекания колебания гладких,
бетонированных и футерованных (рейки непараллельны оси
трубы) трубопроводов являются самовозбуждаемыми. Колеба-
ния трубопроводов в основном происходят с собственной часто-
той. Имеет место ярко выраженный гидроупругий характер ко-
лебаний вследствие существенной зависимости частоты и ве-
личины ПГС от амплитуды колебаний;
4) при закритическом режиме обтекания трубопроводов
с различной шероховатостью их поверхности и при критиче-
ском режиме обтекания футерованных трубопроводов (рейки
расположены параллельно продольной оси трубы и симмет-
рично относительно вектора скорости потока) механизм коле-
баний можно отнести к смешанному типу, занимающему про-
межуточное положение между вынужденными и самовозбуж-
даемыми колебаниями. Колебания могут происходить с часто-
той срыва вихрей, характерной для неколеблющегося трубо-
провода, и при значительных амплитудах колебаний — с часто
той собственных колебаний трубопровода.
§ 5.2. ЧАСТОТА ПЕРЕМЕННОЙ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ
Сложный механизм обтекания цилиндров при различных
числах Рейнольдса не позволяет пока еще получить достаточно
точные величину и частоту ПГС. Поэтому наиболее полную
79
информацию в настоящее время могут дать экспериментальные
исследования. На рис. 5.1 показана зависимость безразмерной
частоты ПГС или числа Струхаля (Sh = nD/v, где п — частота
переменной поперечной силы) от числа Рейнольдса по резуль-
татам экспериментов различных авторов. На рис. 5.1 видно,
что значения числа Струхаля в докрйтическом режиме по дан-
ным различных авторов примерно совпадают (Sh = 0,2). Ча-
стота переменной поперечной силы для неподвижного й ко-
леблющегося трубопроводов линейно зависит от скорости
потока и определяется из условия Sh = 0,2, т. е.
0,2&
п =----
D
В резонансной области (при приближении частоты срыва
вихрей к собственной частоте колебаний трубопровода) проис-
ходит явление «захвата» колебаний и частота переменной по-
перечной силы имеет более сложную зависимость от скорости
(5.1)
РИС. 5.1.
Результаты экспериментов зависимости числа Струхаля от числа Рейнольдса
[Ю]:
/ — по Рошко; 2 — по Коважному; 3— по Рельфу и Симонсу; 4 — по Рибнеру и Эт-
кину; 5 — по Делани и Соренсену; 6 — по Дрешеру; 7 — по Ден-Гартогу; 8 — по Хауз-
неру; 9 — по Оцкеру; 10— по Блюминой и Захарову; 11— по Фуджино, Такахаю, Нака-
гаве Арите; 12 — по Шадрину; 13 —по Беарману; 14 — по Джоунсу; 15 — по Луассо [37];
16 — давление повышенной частоты Sh2 [37]
]15 [3J16
80
потока по сравнению с линейной, определяемой по выраже-
нию (5.1).
При критическом режиме обтекания цилиндров значения
числа Струхаля по данным различных исследователей изменя-
ются в широких пределах (см. рис. 5.1). Это объясняется слож-
ным механизмом вихреобразования, нестационарностью вихре-
вого следа, а также различными способами измерения частоты
срыва вихрей [46].
В работе [37] приводятся результаты опытов по обтеканию
круглого цилиндра в аэродинамической трубе при Re=2,6« 105-г-
4-6,5-10е. Измерения переменной поперечной силы проводились
двадцатью датчиками давления, расположенными в трех сече-
ниях по поверхности цилиндра. Различное положение датчи-
ков вдоль оси цилиндра позволило установить пространствен-
ную корреляцию ПГС. Анализ спектров давления показал, что
при Re = 4«1054-2 106 обнаружен пик повышенной частоты Sh2.
Неожиданностью явилось то, что давление повышенной частоты
наблюдалось перед участком отделения пограничного слоя.
Это давление не следует принимать за частоту отрыва вих-
рей Sh. Поэтому значительный разброс значений чисел Sh при
критическом режиме (см. рис. 5.1) по данным различных иссле-
дователей, вероятно, объясняется измерением не только ча-
стоты срыва вихрей, но и давлений повышенной частоты Sh2.
Частота ПГС при критическом режиме определяется спект-
ром частот пульсаций нестационарных давлений на поверхности
цилиндра, а не единственной доминирующей частотой, которая
характерна для докритического режима. Спектр нестационар-
ных сил лишь незначительно повышается вблизи значений чи-
сел Струхаля, равных 0,2 и 0,45.
Были выполнены исследования обтекания цилиндров в аэро-
динамических трубах в широком диапазоне чисел Рейнольдса
[35, 36]. Исходя из результатов этих исследований, частотный
спектр поперечной ПГС разделен на три типа:
1) широкополосный спектр
1,1- 10е < Re <3,5- 10е, [35]
0,5-106 < Re < 2,5- 10е, [36]
2) узкополосный спектр
3,5-10е < Re <6-10е, [35]
2,5 • 10е < Re <6,5-10е, [36]
в диапазоне чисел Рейнольдса пп. 1 и 2 не наблюдается перио-
дичности ни в неустановившейся ПГС, ни в неустановившемся
давлении;
3) квазипериодический спектр
6-10е < Re <18,7-10е, [35]
6.5 • 10е < Re . [36]
81
в этом диапазоне чисел Рейнольдса в спектре поперечной силы
и неустановившегося давления при Sh~ 0,274-0,3 появляется
пик с периодической составляющей на фоне случайного про-
цесса.
При колебаниях трубопроводов частота ПГС зависит не
только от числа Рейнольдса, но и от гидроупругих свойств ко-
леблющейся системы, которые характеризуются гидродинамиче-
скими, упругими, инерционными силами, силами сопротивления
колебаниям, а также типом шероховатости поверхности трубо-
провода. Возникновение и частота гидроупругих колебаний ци-
линдров при критическом режиме обтекания пока еще недоста-
точно полно исследованы. Установлено, что спектр нерегуляр-
ных сил при колеблющемся цилиндре изменяется значительнее,
чем при неподвижном цилиндре. Явление захвата колебаний
при критическом режиме обтекания выражено значительно силь-
нее по сравнению с докритическим режимом и происходит в бо-
лее широком интервале отношений частот п/пс, где п — частота
колебаний цилиндра в воде; пс — собственная частота колеба-
тельной системы.
В проведенных нами опытах [10] при Re~ReKp. i явление за-
хвата колебаний наблюдалось при п/пс = 0,5-4-1,95, а значения
чисел Струхаля Sh = nD!v приближались к Sh = ncD/y. При
больших значениях и/ис (в опытах п/пс = 2,54-3,5) Sh = 0,2. Об-
ласти захвата колебаний в докритическом и критическом диапа-
зонах чисел Рейнольдса при прочих равных условиях зависят от
соотношения величин и частот ПГС, возникающих вследствие
срыва вихрей с поверхности неподвижного цилиндра с часто-
той пн и колеблющегося цилиндра с частотой п. Взаимодейст-
вие этих сил и обусловливает явление захвата колебаний.
В работах [13, 31] приводятся результаты исследований об-
текания цилиндров при Re = 7-1044-1,5-106, совершающих вы-
нужденные колебания (вынужденные колебания создавались
с помощью вибрационного стенда). Кинематическое число Стру-
халя, составленное по частоте вынуждающей силы ик, изменя-
лось в пределахShK = nKD/v = Он- 0,28. График зависимости чи-
сла Струхаля, составленного по частоте срыва вихрей Sh от ShK,
представлен на рис. 5.2. При ShK = 04-0,04 Sh = 0,2, т. е. частоты
срыва вихрей с колеблющегося и неподвижного цилиндров
равны; при увеличении ShK от 0,04 до 0,1 происходит частичный
захват срыва вихрей колебаниями цилиндра и Sh уменьшается
от 0,2 до 0,1. В диапазоне ShK = 0,14-0,28 происходит полный
захват частотами колебаний цилиндра ик частот срыва вихрей
п (пк = п или ShK=Sh). Из приведенных данных следует, что
синхронизация частоты срыва вихрей с частотой вынужденных
колебаний происходит в широком диапазоне скоростей потока
(Sh = O,044-0,28).
У подводных трубопроводов колебания возникают в резуль-
тате действия потока воды, а не в результате принудительного
82
РИС. 5.2.
Изменение безразмерной частоты
срыва вихрей sh в зависимости от
безразмерной частоты вынужденных
колебаний цилиндра ShK
воздействия (с помощью виб-
рационного стенда и других
приспособлений), и, очевидно,
синхронизация частоты срыва
вихрей с частотой собственных
колебаний трубопровода бу-
дет происходить в меньшем
диапазоне скоростей потока.
Следует отметить, что об-
ласть захвата колебаний, по-
лученная авторами и другими
исследователями, не всегда бу-
дет соответствовать условиям
практики, так как она зависит
не только от Shc, но и от Re,
величины рассеяния энергии
при колебаниях, отношения
объемных весов трубопровода
и окружающей жидкости, ше-
роховатости поверхности тру-
бопровода.
От рассеяния энергии существенно зависит протяженность
зоны захвата колебаний. При большом значении демпфирования
(когда амплитуды колебаний малы) частота колебаний ци-
линдра совпадает с частотой образования вихрей, и синхрони-
зации частоты колебаний с собственной частотой конструкции
не происходит. При среднем значении демпфирования ампли-
туды колебаний возрастают, в определенном интервале скорос-
тей потока происходит захват частоты образования вихрей и
наступает синхронизация частоты колебаний с собственной час-
тотой конструкции. При малом демпфировании колебания про-
исходят с большими амплитудами и в большом интервале ско-
ростей потока с синхронизацией частоты колебаний с собст-
венной частотой конструкции.
Экспериментальные исследования колебаний проводились
в основном с цилиндрами, имеющими гладкую поверхность, а на
практике поверхность трубопровода может иметь различную
шероховатость: футеровку, бетонированное покрытие, балла-
стировку отдельными пригрузами. Поскольку при критическом
режиме, который представляет наибольший интерес для прак-
тики, срыв вихрей нерегулярный и легко поддается изменению,
шероховатость поверхности трубопровода оказывает существен-
ное влияние на срыв вихрей и колебание трубопровода. Футе-
ровка, образуя острые грани на поверхности трубопровода, бу-
дет оказывать значительное влияние на срыв вихрей и стабили-
зировать положение точек отрыва потока. По-видимому,
спектр нестационарных сил для футерованных трубопроводов
при Sh = 0,2 будет более высоким, чем для гладких цилиндров.
83
Если футеровочные реики расположены на поверхности трубо-
провода «вразбежку», то их влияние аналогично влиянию раз-
личного типа устройств на поверхности цилиндров в виде про-
волок или полос — ребер, располагаемых по спирали на боковой
поверхности цилиндра. Применение таких устройств нарушает
одновременность срыва вихрей по длине цилиндра, уменьшает
ПГС, амплитуду колебаний и соответственно протяженность ре-
зонансной зоны или области захвата колебаний. Поэтому об-
ласть захвата колебаний для футерованных трубопроводов бу-
дет меньшей по сравнению с гладким цилиндром. Бетонирован-
ная поверхность не оказывает стабилизирующего воздействия на
срыв вихрей и ее влияние на область захвата колебаний должно
быть незначительным.
Таким образом, можно приближенно установить, что область
захвата колебаний для подводных трубопроводов при докрити-
ческом режиме обтекания (Re<2-105) определяется частотой
Shc = 0,18-4-0,22 и Shc = 0,4, при критическом режиме обтекания
(Re = 2-105-4-6-106) —частотой Shc = 0,l-4-0,4.
§ 5.3. ВЕЛИЧИНА ПЕРЕМЕННОЙ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ,
ВЫЗЫВАЮЩАЯ КОЛЕБАНИЯ ТРУБОПРОВОДА
Гидродинамические силы, возникающие при обтекании тру-
бопровода установившимся потоком, имеют переменные состав-
ляющие, обусловливаемые отрывом потока с его поверхности:
горизонтальную — силу лобового сопротивления и поперечную
силу, интенсивность которых определяется соответственно по
формулам
Рхп = Схпр— D, (5.2)
хп хи ь 2 7 ' '
7|2
P^C^D, (5.3)
где Схп и С^п — коэффициенты сопротивлений, зависящие от
режима обтекания (числа Рейнольдса) и гидроупругих свойств
подводного трубопровода.
Исследованию переменных гидродинамических сил, возни-
кающих при обтекании цилиндра потоком жидкости, посвя'
щено большое число теоретических и экспериментальных работ.
Рекомендуемые значения коэффициентов переменных гидро^
динамических сил Суи и Схп по данным многих исследователей
весьма различны. Значительный разброс значений Суп и Схп
объясняется сложным механизмом вихреобразования при обте-
кании круглых цилиндров при различных числах Рейнольдса,
а также трудностью измерения ПГС.
Обобщая результаты исследований, выполненных авторами
[10], а также другими исследователями, можно установить чис-
84
ловые значения коэффициентов переменных гидродинамических
сил. Для неколеблющихся трубопроводов при Re<jReKp. i коэф-
фициент поперечной ПГС Суп = 0,2, а коэффициент переменной
силы лобового сопротивления Схп = 0,1.
Поскольку при Re>ReKp.! происходит нерегулярный срыв
вихрей с поверхности цилиндра, то значения ПГС следует оп-
ределять с помощью статистических характеристик этих сил.
На рис. 5.3, и 5.4 приведены числовые значения коэффициентов
Суп и СХп, полученные различными исследователями при обте-
кании неколеблющихся цилиндров для широкого диапазона чи-
сел Рейнольдса Re>ReKp. ь Разброс значений коэффициента пе-
ременной поперечной силы СУп в диапазоне чисел Re = 3«1054-
4-6,5-106 (см. рис. 5.3) объясняется случайным процессом ви-
хреобразования. При дальнейшем увеличении чисел Рейнольдса
в диапазоне Re = 6,5-1064-1,87-107 разброс Суп незначителен и
объясняется квазипериодическим срывом вихрей. Значение ко-
эффициента переменной силы лобового сопротивления Схп срав-
нительно постоянно и изменяется в меньшей степени
(см. рис. 5.4).
85
РИС. 5.4.
Зависимость коэффициента переменной силы лобового сопротивления Схп
от числа Рейнольдса [35]:
1 — по Фунг; 2 — по Шмидту; 3 — по И. В. Г. ван Нунену
При колебаниях трубопровода значение переменных ПГС
существенно зависит от амплитуды колебаний и числа Рей-
нольдса. С увеличением амплитуды колебаний трубопровода
вихревой след становится упорядоченным, увеличивается интен-
сивность вихрей и корреляция их по длине трубы. Полная кор-
реляция характеризуется синхронизацией колебаний вихревого
следа и трубопровода, возникающей при амплитудах, равных
примерно 0,15 диаметра трубы. При амплитудах колебаний ме-
нее 0,1 диаметра корреляция вихревого следа по длине трубы
оказывает значительное влияние на эквивалентную силу, прихо-
дящуюся на единицу длины трубы, уменьшая ее с увеличением
относительного удлинения 1/D.
Коэффициент переменной ПГС Суп достигает максимального
значения при амплитудах колебаний порядка 0,6 диаметра ци-
линдра [5], при дальнейшем увеличении амплитуды колебаний
коэффициент Су11 уменьшается и приближается к нулю. Умень-
шение коэффициента Суп ограничивает максимальную ампли-
туду колебаний трубопровода.
Учитывая результаты опытов, приведенные в работах [5, 13].
для практических расчетов при Re<ReKp. i примем коэффициент
Суп для колеблющегося трубопровода в зависимости от ампли-
туды колебаний по формуле
С,п=йс05Й+»-Е^+£;Х.(А)’, (5.4)
где постоянные а, b и с определяются аппроксимацией зависи-
86
мости СуТ1 от относительной амплитуды колебаний
Суп = а + Ь^ + с(^3 (5.5)
а = 0,2; 6=1,15; с= — 0,9.
При Re>ReKp.i
С„п = а± cos kt + b±— — + q —(—Y, (5.6)
yn 1 dt 1 (kD)3\ dt / V 7
где #1 = 0,1; &i = 0,9; Ci = —0,7.
Коэффициент Cyn в выражениях (5.4) и (5.5) характеризует
составляющую ПГС, действующую синфазно со скоростью ко-
лебаний трубопровода, что вполне очевидно, поскольку лишь
эта составляющая ПГС в основном увеличивает энергию дви-
жения трубопровода. Возможно, что коэффициент СуП зависит
от типа шероховатости поверхности трубопровода, а также от
расположения трубопровода относительно дна и свободной по-
верхности потока, имеет более сложную зависимость от чисел
Рейнольдса и Струхаля. Поскольку специальные эксперименты
по исследованию этих зависимостей для коэффициента Суп не
проводились, при ориентировочных практических расчетах сле-
дует пользоваться формулами (5.4) и (5.6).
§ 5.4. ИНЕРЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ОКРУЖАЮЩЕЙ ТРУБОПРОВОД ВОДЫ
ПРИ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЯХ
При обтекании трубопровода потоком жидкости возникают
не только гидродинамические силы, обусловливающие его ко-
лебания, окружающая трубопровод вода оказывает также инер-
ционное и демпфирующее воздействие.
Инерционное влияние воды заключается в следующем. Ок-
ружающая колеблющийся трубопровод вода вовлекается в ко-
лебательное движение и оказывает дополнительное воздействие
на колеблющуюся систему, т. е. к силам инерции колеблюще-
гося трубопровода добавляется инерционное воздействие так
называемой присоединенной массы жидкости. Обычно под при-
соединенной массой жидкости понимается отношение составляю-
щей гидродинамического давления, действующей в одной фазе
с силами инерции конструкции, к ускорению соответствующей
точки этой конструкции.
В настоящее время вопросам определения присоединенной
массы жидкости применительно к различным элементам гидро-
технических сооружений посвящено большое число теоретиче-
ских и экспериментальных исследований. Теоретические иссле-
дования поперечных колебаний стержней в жидкости развива-
ются по двум направлениям. В первом направлении при реше-
нии данной задачи граничные условия для потенциала скорости
87
принимаются на изогнутой поверхности стержня. Присоединен-
ная масса жидкости в этом случае может быть определена по
формулам гидродинамики.
Во втором направлении при исследовании гидроупругости ре-
шаются две независимые задачи — задача гидродинамики и за-
дача теории колебаний. При таком подходе сначала определя-
ется форма колебаний конструкции в пустоте, затем инерционное
и демпфирующее влияния жидкости, при этом форма колеба-
ний принимается такой же, как и в пустоте. В этом случае за-
дача о колебаниях конструкции в жидкости уже не является
в строгом смысле задачей гидроупругости, поскольку теряется
зависимость гидродинамического давления на конструкцию от
деформации последней. Сопоставление результатов расчетов,
выполненных по методам обоих направлений, с данными экспе-
риментов показывает хорошее совпадение.
Решение задач по методам первого направления весьма за-
труднительно, поэтому в настоящее время для практических
расчетов в основном используют методы второго направления
(упрощенная задача гидроупругости), применяя которые можно
получить решение для инерционного и демпфирующего воздей-
ствий водной среды на колебания некоторых элементов соору-
жений.
При решении задачи упругих колебаний стержней в безгра-
ничной жидкости получаются сложные выражения для опре-
деления присоединенной массы или частоты собственных коле-
баний стержней в жидкости. Поэтому некоторые исследователи
считают, что для упругоколеблющегося стержня присоединен-
ную массу жидкости можно принимать как и для абсолютной
жесткой балки, т. е. величина присоединенной массы не зависит
от формы колебаний.
Колеблющийся подводный трубопровод имеет длину, значи-
тельно превышающую его диаметр (при меньшей длине коле-
бания трубопроводов не происходят), максимальная амплитуда
колебаний также значительно меньше его длины. Поэтому
можно считать, что при колебаниях угол между осью трубы и
нормалью к ней практически мало отличается от 90° Очевидно,
в этом случае величины присоединенной массы для жесткого
цилиндра и упругоколеблющегося трубопровода такого же диа-
метра должны различаться незначительно, т. е. результаты ЭКС’
периментов, полученные в условиях плоской задачи, можно ис-
пользовать применительно к трубопроводам, представляющим
собой пространственную конструкцию. Это предположение под-
тверждается результатами экспериментов, выполненных авто-
рами с жесткими и упругими моделями цилиндров.
Следует отметить, что при определении собственных частот
высших тонов изгибных колебаний стержней и соответствующих
им значений присоединенной массы жидкости необходимо учи-
тывать деформацию сдвига и инерцию поворота сечения. При не-
88
учете этих факторов величина присоединенной массы жидкости
будет зависеть от номера гармоники колебаний, что и имело
место во многих ранее выполненных исследованиях.
Таким образом, присоединенная масса жидкости для колеб-
лющегося трубопровода в безграничной жидкости принимается
как и для жесткого тела по формуле
«пр = (5.7)
где р — плотность жидкости; D и I — внешний диаметр и длина
трубопровода.
При колебаниях подводных трубопроводов могут быть са-
мые разнообразные граничные условия (расположение трубо-
провода на дне, вблизи дна и свободной поверхности, в тран-
шее), затрудняющие теоретическое определение присоединенной
массы жидкости. Поэтому для установления инерционного влия-
ния окружающей воды на колебания подводного трубопровода
авторами были выполнены экспериментальные исследования
применительно к различным условиям практики.
Существуют различные экспериментальные методы опреде-
ления присоединенной массы. В приводимых исследованиях
присоединенную массу определяли сравнением частот верти-
кальных колебаний цилиндра в воздухе и в жидкости. Основное
достоинство этого метода — простота установки и получение до-
стоверных данных, так как опыты проводятся в реальной жид-
кости с учетом реальных граничных условий.
Опыты проводили в гидравлическом лотке прямоугольного
сечения размером 1X1, 5X12 м в условиях плоской и про-
странственной задач. Для случая плоской задачи применяли
жесткие цилиндры диаметрами jD = 28,5ч-108 мм, длиной /около
1000 мм. Для случая пространственной задачи использовали мо-
дели цилиндров размерами £> = 32/1 мм, /=4481 мм; £> = 33/2 мм,
/ = 2894 мм; £> = 51/1,4 мм и / = 5400 мм. Цилиндры по концам
закреплялись шарнирно и представляли собой систему с рас-
пределенными параметрами, собственные колебания их соот-
ветствовали первому тону. Частоту и амплитуду колебаний из-
меряли тензорезисторами с использованием усилителя ТА-5 и
осциллографа Н-700,
Опыты проводились для следующих безразмерных парамет-
ров: относительное расстояние от свободной поверхности до
верха образующей цилиндра h!D = Q\ 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0
и 4,0; относительное расстояние от дна лотка до нижней обра-
зующей цилиндра s/Z)=0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 и 4,0.
При колебаниях трубопроводов в траншеях исследовалось
влияние на присоединенную массу следующих параметров: от-
носительное удаление трубопровода от дна s/£> = 0,25; 0,5; 1,0;
1,5; 2,0; угол заложения откосов траншеи а = 0; 45; 60 и 90°;
относительная ширина траншеи по дну b!D = 2\ 3; 4 и 5.
89
РИС. 5.5.
Зависимость коэффициента присоеди-
ненной массы ц от h/D и s/D
Присоединенйую массу для
жестких моделей цилиндров и
для первой формы изгибных
колебаний определяли по фор-
муле
&0
"*np = m(——1),
w2
(5-8)
воде и в воз-
на графике
где т — масса модели цилин-
дра; со и (оо — собственная ча-
стота колебаний цилиндра со-
ответственно в
Духе.
Результаты экспериментов
представлены '
(рис. 5.5) зависимости коэф-
фициента присоединенной мас-
сы р (отношение присоединен-
ной массы тпр к массе жидко-
сти, заключенной в объеме ци-
линдра ту, т. е. ц = тПр/ту) от положения, занимаемого цилинд-
ром относительно дна s/D и свободной поверхности h/D. Как
видно из графика, коэффициент присоединенной массы повы-
шается с уменьшением s/D и снижается с уменьшением h/D.
При удалении цилиндра на расстояние около 3D и более от
дна и свободной поверхности коэффициент присоединенной
массы практически остается постоянным и не зависит от s/D
и h/D. Снижение р с уменьшением h/D<3D объясняется сни-
жением инерционного воздействия окружающей трубопровод
воды и появлением волновой составляющей гидродинамичес-
кого давления, которая сдвинута относительно перемещения
трубопровода по фазе на л/2 и играет роль «присоединенного
трения».
При частичном погружении цилиндра в воду (например,
в случае укладки трубопровода свободным погружением или
расположении трубопровода на плаву) расчетная схема его со-
ответствует балке на нелинейном упругом основании, и частоты
колебаний трубопровода значительно уменьшаются вследствие
влияния упругости основания.
Для расчетов колебаний подводных трубопроводов примени-
тельно к различным условиям практики величину присоединен-
ной массы следует определять по формуле
mnp = pmy. (5.9)
Значение коэффициента присоединенной массы р принима-
ется в зависимости от расположения трубопровода относительно
дна и свободной поверхности потока или траншеи по графикам
рис. 5.5.
90
§ 5.5. РАССЕЯНИЕ ЭНЕРГИИ
ПРИ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЯХ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Для оценки напряженного состояния колеблющегося
подводного трубопровода необходимо установить величину и
основные зависимости сил сопротивления (демпфирование, рас-
сеяние энергии) при колебаниях. Рассеяние энергии при колеба-
ниях подводных трубопроводов складывается из потерь на гид-
родинамические сопротивления, сопротивление в материале кон-
струкции трубопровода (труба, изоляция, футеровка, бетонное
покрытие, балластировка) и потерь в грунт через опоры. Гидро-
динамическое сопротивление, потери энергии в грунт через
опоры, потери за счет трения футеровки и балласта о поверх-
ность трубы будем относить, как это принято в теории коле-
баний, к внешним источникам рассеяния энергии в отличие от
внутренних источников, к которым относится рассеяние энергии
в материале трубы.
Внутреннее рассеяние является функцией напряжения и ско-
рости деформации в материале трубопровода. Сущёствуют раз-
личные гипотезы внутреннего трения при колебаниях упругих
систем, некоторые из них хорошо совпадают с результатами экс-
периментов, но с математической точки зрения сложны и зна-
чительно затрудняют динамический расчет.
Гидродинамическое сопротивление при колебаниях вклю-
чает рассеяние энергии на вихреобразование, сопротивление
трения и волновое сопротивление.
Рассеяние энергии в грунт через опоры и вследствие тре-
ния футеровки и пригрузки по аналогии с классификацией, при-
нятой в теории колебаний механических систем, можно отнести
к конструкционным потерям. Величина и расчетные зависимости
конструкционных потерь для подводных трубопроводов пока
еще не изучены.
Учитывая сложность аналитической оценки сил сопротивле-
ния со всеми их составляющими, авторами проведены специаль-
ные исследования в натурных условиях по определению основ-
ных факторов, влияющих на сопротивление при колебаниях тру-
бопроводов.
На основании результатов исследований колебаний надзем-
ных и подводных магистральных трубопроводов можно сде-
лать вывод, что при значительной длине подводного участка
трубопровода потери энергии в материале трубы, изоляции и
футеровки, а также рассеяние энергии через опоры в грунт
малы по сравнению с гидродинамическими потерями. Следо-
вательно, в некоторых случаях при колебаниях подводных тру-
бопроводов основными можно считать гидродинамические силы
сопротивления.
91
Значительная трудность теоретического определения сил со-
противления при колебаниях подводных трубопроводов обуслов-
ливает необходимость их экспериментального исследования. Од-
ним из проявлений рассеяния энергии является затухание коле-
баний, приводящее к изменению амплитуд. Закон погашения
амплитуд свободных колебаний характеризует функцию сил со-
противления и может быть определен по развертке собственных
затухающих колебаний.
Для определения сил сопротивления применительно к коле-
баниям подводных трубопроводов были выполнены экспери-
менты в условиях плоской и пространственной задач. Для слу-
чая плоской задачи использовали жесткие модели цилиндров
диаметром £) = 32; 51; 100 мм и длиной /=1000 мм. Эти модели
закреплялись на упругих подвесах и представляли собой коле-
бательную систему с одной степенью свободы. Для случая про-
странственной задачи применяли модели цилиндров: D = 32/l мм,
/ = 4481 мм; 0 = 33/2 мм, / = 2894 мм; 0 = 51/1,4 мм, /=3752 мм,
которые закреплялись шарнирно по концам и представляли со-
бой колебательную систему с распределенными параметрами.
Колебания цилиндров соответствовали первому тону. Силы со-
противления определяли по затуханию собственных колебаний.
С помощью специального устройства цилиндры выводили из
положения равновесия и они совершали собственные затухаю-
щие колебания. Частота и амплитуда колебаний измерялись
тензорезисторами, наклеенными на упругие подвесы, и через уси-
литель ТА-5 регистрировались осциллографом Н-700.
В опытах наряду с силами гидродинамического сопротивле-
ния учитывались и силы сопротивления в элементах закрепле-
ний и упругих подвесах моделей. Декремент колебаний, харак-
теризующий гидродинамические силы сопротивления бг, опреде-
ляли по формуле
6r=S-8v (5.10)
где б — декремент колебаний с учетом всех сил сопротивления
(гидродинамические, конструкционные, в материале цилиндра);
61 — декремент колебаний, соответствующий конструкционным
силам сопротивления и рассеянию энергии в материале ци-
линдра.
Значения 6 определяли по колебаниям цилиндров в воде,
61 — по колебаниям тех же цилиндров в воздухе.
В формуле (5.10) 6 и 61 соответствовали одинаковой ампли-
туде колебаний. В экспериментах имело место интенсивное за-
тухание свободных колебаний цилиндров, поэтому декременты
колебаний определяли по формуле
g__ 1 dai d (In ai)
at dn dn
где dat/dri — интенсивность убывания амплитуды колебаний
вдоль оси циклов п затухающих колебаний.
92
Результаты опытов пока-
зывают, что при отсутствии
влияния дна и свободной по-
верхности декремент колеба-
ний 6г несущественно зависит
от амплитуды колебаний, и
поэтому в практических расче-
тах гидродинамические силы
сопротивления при колебаниях
можно считать линейно зави-
РИС. 5.6.
Зависимость декремента колебаний 6
от hjD
сящими от скорости переме-
щения. Декремент колебаний
6г значительно зависит от рас-
положения трубопровода отно-
сительно свободной поверхно-
сти при й/£)< 1,5 (рис. 5.6).
При изменении h/D от 1,5 до
0,15 6Г возрастает от 0,1 до
0,624-0,82. Такое повышение 6Г
объясняется увеличением вол-
новой составляющей гидроди-
намического давления, которая сдвинута относительно пере-
мещения трубопровода по фазе на я/2 и действует в одной
фазе с силами гидродинамического сопротивления. Как показы-
вают результаты экспериментов, с уменьшением /г/В<1,5 воз-
растает влияние составляющих гидродинамического давления,
эквивалентных силам сопротивления (увеличивается «присо-
единенное трение»), и уменьшается влияние составляющих
гидродинамического давления, эквивалентных инерционному
воздействию (уменьшается коэффициент присоединенной
массы ц). С уменьшением относительного расстояния трубо-
провода от дна s/D до 0,5 отмечено незначительное уменьше-
ние декремента колебаний 6Г.
При расположении трубопровода в подводной траншее ве-
личина 6г зависит от крутизны откоса траншеи и относительной
ширины траншеи по дну b^/D.
Рассмотренные выше значения и зависимости для декремен-
тов колебаний можно использовать в динамических расчетах
подводных трубопроводов в случае, если гидродинамические
силы сопротивления значительно превышают конструкционные.
Величина декремента колебания 6, характеризующая суммар-
ные силы сопротивления, может быть установлена на основании
экспериментальных исследований в натурных условиях. Воз-
можно, величина 6 есть функция амплитуды колебаний.
От назначения величины суммарных сил сопротивления су-
щественно зависят амплитуда колебания и динамические на-
пряжения в трубопроводе. Кроме того, величина суммарных
сил сопротивления позволяет установить возможность возник-
93
(5.11)
новения колебаний или диапазон изменения приведенной ско-
рости, при котором будут происходить колебания трубопро-
вода.
Для ориентировочной оценки возникновения колебаний под-
водных трубопроводов можно использовать величину безраз-
мерного параметра демпфирования
g 2т&
где т — масса единицы длины трубопровода с учетом присое-
диненной массы жидкости тпр, массы изоляции, балластировки
и продукта, заполняющего трубу; р — плотность окружающей
трубопровод воды.
Критическое значение бкр, выше которого не наблюдается
колебаний в направлении потока, равно 1,2. Для колебаний
в поперечном к потоку направлении 6кр = 17.
С увеличением б уменьшается диапазон приведенной ско-
рости v = vlnD= 1/Sh, при котором происходят колебания под-
водного трубопровода. При значениях приведенной скорости
у>4 иногда происходят колебания с частотой срыва вихрей, от-
личающейся от частоты собственных колебаний трубопровода, а
v<1,2 колебания цилиндрических конструкций не наблюдаются.
§ 5.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТЫ
КОЛЕБАНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ
Определение собственной частоты колебаний подводных
трубопроводов необходимо для выполнения динамического рас-
чета и установления условий возникновения резонансных коле-
баний.
Рассматривая трубопровод как стержень с шарнирно или
жестко закрепленными концами, собственную частоту его коле-
баний можно определить по известным формулам. Например,
собственная частота колебаний стержня с шарнирными опо-
рами
= <6J2>
для стержня с жестко закрепленными концами
(5.13)
ж 2л /2 V т
где EI — изгибная жесткость стержня (трубы); I — длина
стержня; т — масса единицы длины стержня.
На практике реальными закреплениями концевых участков
труб часто является грунтовая засыпка. Такое закрепление ха-
94
растеризуется податливостью, допускающей перемещения се-
чений трубопровода у закреплений. Поэтому и собственные час-
тоты колебаний трубопроводов с реальными закреплениями
должны отличаться от частот, определяемых по формулам
(5.12) и (5.13). Для оценки влияний реальных закреплений на
собственную частоту колебаний трубопровода нами выполнены
экспериментальные исследования. Опыты проводились на маги-
стральном нефтепроводе диаметром £> = 529 мм с толщиной
стенки 8 мм. Всего было выполнено семь опытов с различными
участками засыпки трубопровода грунтом:
1-й опыт — засыпка плотным грунтом до оси трубы на при-
легающих участках;
2- и 3-й опыты — засыпка слоем рыхлого грунта высотой
0,9 м, считая от оси трубы;
4-, 5-, 6- и 7-й опыты — засыпка слоем уплотненного грунта
(грунт уплотнялся бульдозером) h = 2 м с длиной провисающих
участков /, соответветственно равных 43,1; 34,3; 28,8 и 22,4 м.
Из результатов опытов следует, что колебания трубопровода
происходят не только на провисающем участке, но и на приле-
гающих к нему подземных участках.
В табл. 5.1 приведены экспериментальные значения частот
свободных колебаний трубопровода пэ и значения частот пш и
иж, вычисленные по формулам (5.12) и (5.13). В опытах 1, 2,
3, 4 (см. табл. 5.1) частоты иэ значительно выше пш и близки
к /гж. Это объясняется тем, что основание трубопровода на
прилегающих участках представляло собой плотный высохший
грунт ненарушенной структуры, и дополнительная засыпка
(рыхлым в опытах 2 и 3 и уплотненным в опыте 4) грунтом не-
значительно повлияла на изменение собственной частоты коле-
баний.
В опытах 5, 6 и 7 среднее значение коэффициента постели
грунта на прилегающих участках составляло приблизительно
5 кгс/см3, в этих опытах частоты пэ значительно отличаются от
Пщ И Ида.
Т А Б Л И Ц А 5.1
Номер опыта Z, м k, кгс/см3 Частота колебаний, Гц
"у пш пж
1 43,1 16 0,960 0,969 0,480 1,088
2 43,1 16 0,972 0,969 0,480 1,088
3 43,1 16 0,990 0,969 0,480 1,088
4 43,1 16 1,090 0,969 0,480 1,088
5 34,3 5 1,455 1,36 0,761 1,720
6 28,8 5 1,950 1,83 1,082 2,370
7 22,4 5 2,660 2,83 1,785 4,040
95
///////////////z
7777777777777777
У
I_____
2
'/////////////7
//////////7/7Z -7
£
2
РИС. 5.7.
Расчетная схема трубопровода
Следовательно, эксперименты показывают, что собственные
частоты колебаний трубопровода зависят от вида и состояния
грунта, окружающего трубопровод на прилегающих подземных
участках. Собственные частоты колебаний значительно отлича-
ются от частот, вычисленных по формулам (5.12) и (5.13) для
случая шарнирного или жесткого закрепления концов стержня.
Представим расчетную схему трубопровода (рис. 5.7) как
балку, состоящую из двух подземных участков I и III (полу-
бесконечных балок на упругом основании) и среднего участка
II — балки длиной / с упруго закрепленными концами.
Считая схему симметричной, расположим начало коорди-
нат в середине участка II.
Дифференциальное уравнение собственных поперечных ко-
лебаний участка II имеет вид
+ = (514)
дх* dt2
где EI—изгибная жесткость трубы; т — масса единицы длины
трубы с продуктом для надземного участка; в случае подвод-
ного участка значение т следует увеличить на присоединенную
массу жидкости тпр.
Принимая в уравнении (5.14) r/2 = */2sin со£, получаем
₽Ч = 0, (5.15)
дх*
где
(5.16)
со — угловая частота свободных колебаний.
Общий интеграл уравнения (5.15)
r/2(x) = C1S + C2T+C3t/ + C4V. (5.17)
96
Производные функции у%(х) по х
У3 (X) = р (CXV + ОД + С3Т+ОД;
у” (х) = р2 (Сги + С2У + C3S + ОД; (5.18)
yin (х) = р3 (СХТ+C2U + C3V + ОД,
где Ci, С2, С3, Ct — произвольные постоянные.
Имея в виду, что при х=0 ^(х) = ° и S4nW = °. получаем
С2=С4=0.
При х=//2
y2=cLs(^+С3и(Кр yi=[cxv(К)+с3т(Ку|р,
уП = Гсх(/ (-Ш C3S ffllp2; уП^Гс^ШЪс^КЧрз.
(5.19)
Дифференциальное уравнение собственных колебаний под-
земных участков трубопровода I и III (см. рис. 5.7) как полу-
бесконечных балок на упругом основании имеет вид
EI^ + m^ + kDy^O, (5.20)
дх* д12
где k — коэффициент постели грунта; D — диаметр трубы.
Принимая z/x = f/sin со/, получаем
^-+4а*ух = 0; (5.21)
_ 4 Г kD — пип2
а~]/ 4Ё1 '
Общий интеграл уравнения (5.21) может быть представлен
в виде
у™ = Лх excos Х+Д2еХ sin Х+Л3е"х cos %+Л4е“х sin %, (5.23)
где Д1, А2, A3j Д4 — произвольные постоянные;
\ 2/ 2
При Х-+ОО f/i(X)->0, следовательно, Л1=Л2=0.
Производные функции у\ (X) равны
У1 (Л) = е-х [ (Л 4—Л8) cos'l—(Л 4+Л3) sin X]
у}1 (X) = 2е-х (Л3 sin 1+Л 4 cos %); (5.24)
у}11 (X) = 2е [ (Л4+Л8) cos Х+ (Л4—Лз) sin %] *,
97
при х=112
У1 = АЪ-, у\ = а(—Л3 + Л4);
гг/}1 = 2а2Л4; г/'” = 2аЗ(Л3 +Л4). (5.25)
Так как возмущающая сила, обусловливающая колебания
участка II, имеет низкую частоту, резонансные колебания будут
происходить в первом тоне. При низкой частоте параметр а
в уравнении (5.21) для трубопроводов всегда положителен. Ос-
новная частота собственных колебаний участков I и III значи-
тельно выше основной частоты колебаний участка II, поэтому
сдвигом фаз между силовыми и кинематическими параметрами
на границах участков можно пренебречь, что также подтверж-
дается. экспериментами.
С учетом сказанного выше, на границе участков I и II дол-
жны выполняться условия
Уг = У2, У\ = У^ у?=у^ у}п = ^п- (5-26)
Подставив выражения (5.19) и (5.25) в (5.26), получим
0,25у4 А + 0,5у3 Sx+у2 В —уС—А = 0, (5.27)
где
т-Ь A = chKsinK+sh£cosK;
а 2 2 2 2
о .₽/-₽/ . Р/ р/
В = ch — sin —-sh — cos—;
2 2 2 2
C = 2ch—cos—; S1 = 2sh-^-sin-^-.
2 2 1 2 2
Решение уравнения (5.27) выполнено на ЭВМ. На графике
рис. 5.8 показана зависимость у от pZ.
Принимая во внимание, что у = 0/а и учитывая выражения
(5.16) и (5.22), получаем
р/" — I = К2 — • (5.28)
На рис. 5.8 приведена зависимость 1/ — ~ mt°2.I от (3Z,
|/ EI
вычисленная по правой части (5.28). _
Используя графическую зависимость р/ kD ~~ т(?-- / от 0/
(см. рис. 5.8), можно определить собственную частоту колеба-
ний подводного трубопровода с учетом упругих концевых за-
креплений. Для этого сначала находим 0Z в первом приближе-
нии, принимая со —О, и определяем собственную частоту колеба-
ний пу по формуле_
п A(5.29)
у 2л/2 V т
98
Затем находим (о = 2лпу и определяем р/ и пу во втором при-
ближении. Учитывая, что на практике kD значительно больше
mw2, при вычислении иу достаточно ограничиться вторым при-
ближением.
Из графика (см. рис. 5.8) видно, что при у->0 или при ко-
эффициенте постели грунта k-^oo значение £/->4,73, т. е. собст-
венная частота колебаний приближается к случаю жесткого за-
крепления трубопровода.
В табл. 5.1 приведены значения собственных частот иу, вы-
численных по предлагаемой методике с учетом упругого защем-
ления концевых участков труб (исходные данные соответствуют
условиям экспериментов). Из табл. 5.1 видно, что эксперимен-
тальные значения частот пд значительно ниже определен-
ных по формуле (5.13), и выше пШ) определенных по формуле
(5.12). Значения частот иу, вычисленных по предлагаемой ме-
тодике, незначительно отличаются от экспериментальных пэ.
Следовательно, определение собственной частоты колебаний
трубопровода с учетом упру-
гих концевых закреплений
по предлагаемой методике
лучше соответствует дей-
ствительным условиям по
сравнению со значениями
частот, определяемыми по
формулам для шарнирного
и жесткого защемления кон-
цов трубопровода.
§ 5.7. ДИНАМИЧЕСКИЙ
РАСЧЕТ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕЧЕНИЯ
Сложный механизм ко-
лебаний подводных трубо-
проводов затрудняет выбор
точной математической мо-
дели для динамического
расчета.
В нерезонансной области
(при отсутствии явления
«захвата» колебаний) при
Re<ReKp колебания, как
было отмечено в § 5.1, при-
ближаются по типу к вы-
нужденным. Поскольку ам-
плитуды колебаний в этой
области меньшие по сравне-
РИС. 5.8.
График для определения собственной
частоты колебаний подводных трубопро-
водов с учетом реальных концевых за-
креплений
99
нию с резонансной, при назначении переменных гидродинамиче-
ских сил в уравнении (5.4) ограничимся двумя слагаемыми:
^n = 4"(aC0S^+47T ^~)pDv2' (5.30)
z \ ли at /
Принимая силы сопротивления пропорциональными скорости
колебаний и присоединенные массы жидкости равномерно рас-
пределенными по длине трубы, получаем дифференциальное
уравнение изгибных колебаний подводного трубопровода
Е1-^
(m + mnp)-^
N — -1 fe_________1 р6ц2
йха + V1 2 k ) dt
= -i- pDv2a cos kt.
(5.31)
Решение уравнения (5.31) будем искать_в виде разложения
в ряд по .фундаментальным функциям Хг (х) соответствующей
однородной задачи
f/Дх, /) = Хг(х)Тг(0- (5.32)
Подставляя выражение (5.32) в однородное уравнение
(5.31), получаем два уравнения относительно Хг (х) и Ti(t):
X? (х) - ₽2Х?1 (х)-atXi (х) = 0; (5.33)
Ъ (0 + рТг (0 + <о/2Тг (0 = 0, (5.34)
где
62 = J^.; а4= т±т^ ^2
V El EI
U, - -------- ,
т + типр
x=x/l; I — длина колеблющегося участка трубопровода.
Решение уравнения (5.33):
Xi (х) = Л£сЬХ£х+Вгз11^х + Сг cosXflx+Df sinXflx, (5.35)
где
(5.36)
Ai, Ci, Di — постоянные, определяемые из граничных условий.
Рассмотрим вынужденные колебания, для этого необходимо
проинтегрировать неоднородное уравнение (5.31). Решение пред-
ставим в виде
со
«/СТ=2хг(х)тг(0.
1=1
(5.37)
100
Подставляя выражение (5.37) в уравнение (5.31) и учитывая
свойство ортогональности для фундаментальных функций
f Xi (х) Xj (х) dx = 0, (i =^7),
О
получаем
Tt (0 + рТ\ (0+ (0 = fi cos kt, (5.38)
где
ft
apDv2
2 (m + mnp)
Частное решение уравнения (5.38)
Tt(t) = ft ^(fe<-q>)
(5.39)
(5.40)
1 K(®!-*2)2+^2’
Общее решение определяет свободные колебания трубопро-
вода, зависящие от начальных условий. Свободные колебания
со временем затухают (и, следовательно, не представляют прак-
тического интереса), а остаются лишь вынужденные колебания.
Для чисто вынужденных колебаний решение уравнения (5.31)
с учетом выражений (5.37) и (5.40) примет вид
со
1=1
COS (kt— ф)
(5-41)
Во многих случаях в практических расчетах колебаний под-
водных трубопроводов достаточно ограничиться первой собствен-
ной формой (4=1), тогда
У (х, t) (х) я cos(fe/-q>) (5.42)
§ 5.8. РАСЧЕТ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Резонансные колебания возникают при совпадении частоты
вынуждающей силы и собственной частоты колебаний подвод-
ного трубопровода. При резонансе амплитуды колебаний и дина-
мические напряжения достигают наибольшей величины и могут
явиться причиной аварии подводного трубопровода. Поскольку
амплитуды колебаний значительны, коэффициент €уП вынуж-
дающей силы принимается по формуле (5.3)'„и а- Величина вы-
нуждающей силы примет вид: •
101
для докритического режима обтекания
Р^п = pDv2 Га cos kt-[
b
kD
dy с / dy \3j
dt + k3D3 [ dt J J ’
для закритического режима
Руп = pDv* cos kt+-Л-
dt + k3D3 \ dt / J ’
(5.43)
(5.44)
Дифференциальное уравнение изгибных колебаний подвод-
ного трубопровода с учетом вынуждающей силы по формуле
(5.43) можно представить в виде
EI
Z4
^-+(m+mnp)
d2y
dt2
д*У , R ду
й? + P1 dt
X acosWH——
dy c / dy \3j
dt + k3D3 \ dt J J ’
(5.45)
N
I2
j-pDv2 X
где x=xjl— безразмерная координата; I — длина колеблюще-
гося участка трубопровода.
Поскольку уравнение (5.45) нелинейное, оно не может быть
проинтегрировано методом Фурье, как это было сделано в пре-
дыдущем параграфе.
Решение уравнения (5.45) примем в виде
у(х, /) = Х(х) 7(0»
(5.46)
где Х(х)— форма основного тона колебаний трубопровода, со-
ответствующая уравнению
xIV (х) - Л- х" (х) = (т + тпр) <о2Х (х). (5.47)
После подстановки выражения (5.46) в уравнение (5.45),
учета значения (5.47), умножения (5.45) на X(x)dx и интегри-
рования в пределах от 0 до 1, получаем
7 (0 + Н1Т (0—Н2 [Г (О]3 + о?7 = F cos kt,
где
1 /о 1 v2\
Hi = ——---- Pi—- Ьр — ;
m + тпр \ 2 со /
________сри2__________
2 (т + /ипр) со3/)2
f х* (»)й
f X (х) dx
apiW . о к 7
2 (m + /ппр) ' „ _ ‘
fX2(x) dx
О
(5.48)
(5.49)
(5.50)
(5.51)
902
Считая, что |ii и ц2 достаточно малы, решение уравнения
(5.48) будет близко к решению линейной консервативной си-
стемы
Т (t) = а0 cos т + bQ sin т. (5.52)
где x=kt— безразмерное время; а0 и — для стационарного
колебательного режима постоянные функции, а для периода ус-
тановления колебаний — медленно изменяющиеся функции вре-
мени по сравнению с периодом колебаний.
Для решения уравнения (5.48) используем метод Ван-дер-
Поля, для этого приведем его к виду
t (0 + k2T (0 = (ft2—О)2) Т (0—щТ (О + р2 [г (0]3 4+cost. (5.53)
Подставляя выражение (5.52) в уравнение (5.53) и учиты-
вая условие
— °- cos т + ^°- sin т = 0, (5.54)
dx dx
получаем
= —[(fe2—со2) (а0 cos т+ bQ sin т) + (а0 sin т— bQ cos т) +
dx
4- p2ft3 (—«о Sin т + &0 cos т)34-F cos т] sin т; (5.55)
-^2-= [(ft2—ш2) (а0 cos т4-й0 sin т) 4- pxft (aosin т—b0 cos т) 4*
dx
+ Н2&3 (—а0 sin т+ b0 cos т)3 + F cos т] cos т. (5.56)
Заменим правые части уравнений (5.55) и (5.56) интеграль-
ными средними за период колебаний, для этого умножим их на
dx и проинтегрируем в пределах от 0 до 2л:
da 1 2л
— =-------J [(Л2—со2) (а0 cos x+b0 sin т)+рЛ (^о sin т— b0 cos т)+
dx 2 л о
4- p2ft3 (—а0 sin т 4- b0 cos т)3 4- F cos т] sin т dr; (5.57)
db 1
—-р- =----j [(ft2—co2)(a0cosT+ft0sinT)4'Uift(«osin'r—&oCOST)4*
dx 2л о
4- f^ft3 (—flo sin т 4- b0 cos t)3 4- F cos r] cos r dx. (5.58)
Интегрируя уравнения (5.57) и (5.58) и учитывая, что для
стационарного режима da0/dx — Q и dbg/dx—O, получаем
-^- = (ft2-(Q2)fto4-p1ftao-Y^3«o(^4-&o) =0; (5.59)
^ = (k*-tf)a0-p1kb0+-^- p2ft3ftc (44-&о) 4-^ = 0. (5.60)
dx 4
103
Учитывая, что амплитуда колебаний А =У Ло + ^о, из со-
вместного решения уравнений (5.59) и (5.60) получаем
(3/4p2fe3)M6 —3/2 4+ [QW—(k2~<о2)21 Л2—Г2 = 0. (5.61)
В резонансной зоне при £=со (частота вынуждающей силы
принимается равной собственной частоте колебаний и в зоне за-
хвата колебаний (см. § 5.2) амплитуда Л определяется из урав-
нения
3/4р2/?3А3—i^kA ± F = 0. (5.62)
В приведенных расчетах значение вынуждающей силы было
принято по формуле (5.43), что соответствует колебаниям тру-
бопровода при докритическом режиме обтекания. Аналогичные
решения получаются и при закритическом режиме обтекания,
когда вынуждающая сила принимается по формуле (5.44).
В этом случае при определении параметров щ, р2 и F по фор-
мулам (5.49) — (5.51) следует принять а=а\\ b = bf, c = ci.
Амплитуду колебаний для различных сечений по длине тру-
бопровода можно найти по формуле (5.46)
у(х) = АХ{х), (5.63)
где X (х)-= А х ch Кх 4- sh Кх 4- Сх cos 4- sin (5.64)
определяется из решения уравнения (5.47), Ль Сь Di — по-
стоянные, определяемые из граничных условий;
<5-68>
*.=/-<+<М6)
Расчет резонансных колебаний выполняют в такой последо-
вательности: определяют круговую частоту собственных колеба-
ний подводного трубопровода со = 2лл; определяют число Рей-
нольдса Re и устанавливают режим обтекания трубопровода;
в зависимости от режима обтекания находят величину [по фор-
мулам (5.43) и (5.44)] и частоту (с учетом явления «захвата»
колебаний) вынуждающей силы; для заданных__граничных усло-
вий по уравнению (5.64) определяют форму- X (х) основного тона
колебаний трубопровода; по уравнениям (5.61) и (5.63) вычис-
ляют амплитуду колебаний;
определяют динамический изгибающий момент
М = EIyu(x) хп Й (5.67)
и результирующие .напряжения от действия статических- нагру-
зок и колебаний трубопровода.
104
ГЛАВА 6. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ СТВОРОВ
И ПРОФИЛЕЙ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
§ 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫБОРЕ
ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА
ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА
Выбор места (створа) и конструктивных решений подвод-
ного перехода существенно влияют на надежность всего ма-
гистрального нефте- и газопровода, поэтому к качеству проек-
тирования подводных трубопроводов следует предъявлять высо-
кие требования.
Оптимальный вариант подводного трубопровода, выбранный
при проектировании, должен обеспечивать:
наилучшие условия для безаварийной эксплуатации подвод-
ного перехода, т. е. его эксплуатационную надежность;
минимальные приведенные затраты на строительство и экс-
плуатацию;
наиболее рациональное использование материальных ресур-
сов строительных организаций и минимальные сроки строитель-
ства.
Одно из самых важных требований, предъявляемых к опти-
мальному варианту подводного трубопровода, — обеспечение
его эксплуатационной надежности. Анализы аварий и обследо-
ваний. подводных трубопроводов показывают, что основными
причинами, вызывающими их предаварийные и аварийные со-
стояния, являются:
переформирования русла и берегов реки в створах перехо-
дов, в результате чего размытые участки трубопроводов подвер-
гаются силовому воздействию потока;
механические повреждения якорями судов, плотами, льдом.
Следует отметить, что подводные трубопроводы, заглублен-
ные в грунт ниже предельной границы размыва, повреждений,
как правило, не имели. Поэтому можно считать, что заглубле-
ние трубопровода ниже предельной границы размыва обеспе-
чивает надежность перехода.
Определение предельной границы размыва русла и берегов
реки представляло известные трудности. Лишь с появлением
гидроморфологической теории руслового процесса стало воз-
можным достаточно обоснованно оценивать деформации русла
и берегов реки на длительный период. Применение гидроморфо-
логической теории руслового процесса обусловливает некоторое
увеличение общего объема изыскательных работ.
105
Однако следует отметить, что, не имея достаточно полного
объема изысканий, невозможно установить предельную границу
размыва в створах подводных переходов и обеспечить надеж-
ную (безаварийную) работу подводных трубопроводов.
Ниже приводятся общие рекомендации по выбору створов
подводных переходов для различных типов руслового процесса.
Для всех типов руслового процесса необходимо принимать за-
глубление подводного трубопровода ниже предельной границы
размыва в русловой части и на береговых участках реки.
Для ленточно-грядового и побочневого типов руслового про-
цесса (рис. 6.1, а и б) берега реки устойчивы, створы подвод-
ных переходов следует размещать на плесовых участках, так
как при этом объем земляных работ минимальный. Назначение
створа перехода на участке гребня гряды (рис. 6.1, а, створ II)
может вызвать увеличение объема земляных работ в несколько
раз по сравнению со створом перехода на участке подвалья
гряды (рис. 6.1, а, створ /).
Для осередкового типа руслового процесса подводные пере-
ходы следует назначать на плесовых участках с отметками ниже
максимальных глубин плесов (рис. 6.1, в, створ I и III) с уче-
том возможных продольных и поперечных перемещений остро-
вов и осередков.
Для ограниченного типа меандрирования руслового процесса
створы подводных переходов следует размещать на плесовых
участках, принимая глубину заложения труб в русловой части
и врезку трубопровода в берега с учетом скорости сползания
излучины и глубины плеса, расположенного выше створа пе-
рехода.
При свободном типе меандрирования руслового процесса,
который характеризуется интенсивными плановыми переформи-
рованиями русла реки, для сооружения подводных и надземных
переходов желательно выбирать участки с наименьшими пла-
новыми переформированиями. Эти участки соответствуют точ-
кам перегиба или разворота излучин (рис. 6.2, створы II, III).
Наиболее выгодны участки с относительно прямолинейным рус-
лом^ расположенные между перекатом и плесом; глубинные де-
формации реки здесь минимальны.
При незавершенном типе меандрирования руслового про-
цесса выбор створа перехода следует назначать так же, как
и при свободном типе меандрирования, т. е. с учетом стадии
развития излучины и степени развития спрямляющегося про-
тока.
Варианты подводных трубопроводов в различных створах
переходов отличаются в основном длиной перехода, заглубле-
ниями трубопровода в русловой части и на береговых участках
реки и, следовательно, объемами земляных работ при разра-
ботке и засыпке подводных и береговых траншей, количеством
балласта, обеспечивающим устойчивость трубопровода на сдвиг
106
РИС. 6.1.
Выбор створа перехода:
а — ленточно-грядовый тип руслового про-
цесса; б — побочневый тип руслового про-
цесса; в — осередковый тип руслового
процесса; АБ — общее направление трассы
магистрального трубопровода; I—IV —
створы переходов
РИС. 6.2.
Выбор створа перехода при свобод-
ном типе меандрирования:
I, II, III — створы переходов; АВ — об-
щее направление трассы магистрального
трубопровода
и всплытие. Кроме того, они могут иметь и разные конструк-
тивные решения, например, различные балласт, толщина стенки
и материал трубы, берегоукрепления, кривые вставки на бере-
говых участках.
Любой переход водной преграды может быть спроектирован
и построен таким образом, что эксплуатационная надежность
его будет обеспечена в период расчетного срока эксплуатации.
Затраты на сооружение и эксплуатацию переходов различных
вариантов будут существенно отличаться друг от друга. По-
этому из всего многообразия створов переходов и их конструк-
тивных схем нужно отобрать в каждом конкретном случае та-
кие, при которых затраты будут наименьшими. Тогда оптималь-
ный створ перехода будет определяться оптимальной трассой
всего трубопровода, которая учитывает минимальные стоимо-
сти различных вариантов перехода и возможные удлинения ос-
новной трассы трубопровода. Эта задача решается на ЭВМ ме-
тодами оптимального проектирования [6].
§ 6.2. РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНОЙ ГРАНИЦЫ ДЕФОРМАЦИИ
ДНА И БЕРЕГОВ РЕКИ
В СТВОРЕ ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА
Как уже отмечалось, основной фактор, обеспечивающий на-
дежную эксплуатацию подводных трубопроводов, — заглубле-
ние их ниже предельной границы деформаций дна и берегов
реки в строительный период. Устанавливать предельную гра-
ницу деформации (предельного профиля) наиболее целесооб-
разно с применением гидроморфологической теории руслового
процесса (см. § 2.3).
Использование гидроморфологической теории на практике
связано с обработкой значительного количества материалов
изысканий. Поэтому очевидна целесообразность применения ма-
тематических моделей русла реки и ЭВМ, которые значительно
облегчают обработку результатов изысканий и позволяют ре-
шать такие важные Практические задачи, как определение пре-
дельного профиля в створе подводного трубопровода, прогноз
русловых деформаций на участке подводных переходов и раз-
мывов трубопроводов в период эксплуатации.
Для’решения поставленных задач русло и береговые участки
реки задаются в виде профилей створов (рис. 6.3, а), которые
получают по результатам эхолотирования дна реки и геодези-
ческой съемки береговых участков. Профили створов представ-
ляются кусочно-линейными непрерывными функциями высот-
ных отметок. Число створов и их расположение на участке пе-
рехода зависят от типа и интенсивности развития руслового
процесса. Для прогнозирования русловых деформаций необхо-
димо знать скорость и направление перемещения гряд, побоч-
108
РИС. 6.3.
Схема модели русла
ней, осередков, излучин, а также изменение высотных харак-
теристик русла.
Развитие руслового процесса представляется смещением
русла вдоль заданного вектора со средней скоростью th метров
в год.
Для многих типов руслового процесса: ленточно-грядового,
побочневого, осередкового и ограниченного меандрирования ха-
рактерны в основном деформации дна реки в виде сползания
по течению крупных русловых форм (деформации берегов не-
значительны). В этих случаях вектор смещения русла направ-
ляется вдоль реки (по оси х), тогда Viy = 0 и thx = th.
Для свободного и незавершенного типов меандрирования
руслового процесса вектор смещения русла ориентирует по на-
правлению размыва берега или сползания излучины (оси коор-
динат х или у располагают вдоль вектора смещения русла),
и в этом случае одна из составляющих скорости смещения русла
Viy или ViX равна нулю.
В общем случае величина и направление вектора могут из-
меняться во времени по длине рассматриваемого участка пере-
хода, т. е. быть различными как для разных створов, так и для
одного и того же створа (рис. 6.3, б).
Предельная граница деформаций дна и берегов реки опре^-
деляется по вектору смещения русла, скорости развития русло-
вого процесса, заданному времени, на который осуществляется
прогнозирование, и продольным профилям створов.
Для этого все заданные профили створов проектируют на
координатную плоскость (с учетом величины и направления
109
вектора), расположенную в створе подводного трубопровода,
и находят огибающую всех профилей путем отбора точки с наи-
большими глубинами дна реки. Полученная таким образом ку-
сочно-линейная кривая является искомым профилем, характе-
ризующим предельную границу размыва дна и берегов реки
в створе трубопровода. Алгоритм решения этой задачи приве-
ден в работе [33].
Для оценки состояния ранее построенного трубопровода его
высотное положение представляется кусочно-линейной функ-
цией. Сопоставляя кусочно-линейные функции, характеризую-
щие трубопровод и предельный профиль размыва, можно опре-
делить длину размытых участков трубопроводов за любой про-
межуток времени.
Все вычисления легко выполняются на ЭВМ. Результаты вы-
числений могут выдаваться ЭВМ как в цифровом виде, так
и графически в виде продольных профилей с указанием пре-
дельного профиля дна и берегов реки за любой промежуток
времени.
Предложенная методика прогноза русловых деформаций мо-
жет быть рекомендована при выборе оптимального створа пе-
рехода трубопроводов, обследовании трубопроводов, находя-
щихся в эксплуатации, а также проектировании и эксплуатации
некоторых других гидротехнических сооружений.
§ 6.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Как уже отмечалось в § 6.1, заглубленные в дно водной
преграды подводные трубопроводы имеют более высокую экс-
плуатационную надежность, чем трубопроводы, укладываемые
на дно без заглубления.
Однако подводные земляные работы (разработка и засыпка
подводных траншей для укладки трубопровода) являются наи-
более трудоемкими и дорогостоящими среди остальных видов
работ при строительстве подводных переходов. Затраты на уст-
ройство подводных траншей могут достигать половины всей
стоимости перехода. Объем подводных земляных работ зави-
сит от предельной границы переформирования дна и берегов
водной преграды, конструктивных параметров трубопровода и
профиля створа перехода. Наличие в створе перехода участков
с резко пересеченным рельефом дна обусловливает производ-
ство большого объема земляных работ для обеспечения приле-
гания трубопровода ко дну траншеи.
Уменьшение объема земляных работ можно достичь допол-
нительной пригрузкой (балластировка, анкерное закрепление
трубопроводов) упругого искривления трубопровода в соответ-
ствии с профилем подводной траншеи, а также применением
кривых вставок труб на береговых участках.
ПО
Но так как дополнитель-
ная пригрузка и применение
кривых вставок труб увеличи-
вают стоимость перехода, оп-
тимальным может оказаться
вариант с увеличенным объе-
мом земляных работ.
Расчет оптимального
профиля подводного
трубопровода по мини-
мальной стоимости
земляных работ и бал-
ластировки.
За оптимальный профиль
подводного трубопровода
здесь принимается такой про-
филь, при котором общая сто-
имость земляных работ, до-
полнительной пригрузки труб
и кривых вставок будет мини-
мальной при выполнении ог-
раничений, обеспечивающих прочность трубопровода при из-
гибе, прилегание трубопровода ко дну траншеи, предельную
границу переформирований дна и берегов реки в створе пере-
хода, максимально возможную глубину разработки траншеи
имеющимися техническими средствами.
Для описания данной задачи рассмотрим следующую мате-
матическую модель [33].
Пусть в некоторой системе координат хоу на интервале [О,
I] задан профиль дна реки в виде функции фо (х), зависящей от
длины х (рис. 6.4):
РИС. 6.4.
Расположение оптимального профиля
в системе координат хоу;
<Ро(Х) — профиль дна реки; ф(х) — пре-
дельная граница размыва дна и берегов
реки; у(х) — оптимальный профиль оси
трубопровода; *ф1(х) — граница возможной
глубины разработки траншеи механиче-
скими средствами
Ф = Фо(х).
(6.1)
Искомый оптимальный профиль оси трубопровода является
функцией
z/=z/(x). (6.2)
Как показывает практика, основная часть стоимости подвод-
ного трубопровода So складывается из стоимости земляных ра-
бот S3. р, стоимости пригрузки Snp, стоимости труб ST и стоимо-
сти кривых вставок SB
So — *S3. р + Snp + ST + SB. (6.3)
На функцию профиля трубы накладываются следующие ог-
раничения:
1) глубина заложения трубы не должна выходить за опре-
деленные пределы
•Ф1 (х) < У (*Х (Д (6.4)
111
где
iM*)=%(*)+у;
*ф(Х) — предельная граница размыва дна и берегов реки; t —
минимально допустимое заглубление трубопровода от предель-
ного профиля до его верха; (х)— граница возможной глу-
бины разработки траншеи земснарядами; D — диаметр трубо-
провода;
2) условие, обеспечивающее прочность трубопровода при
изгибе,
(6.5)
где р(х)—допустимый радиус упругого изгиба трубопровода,
является функцией его длины, поскольку возможны конструк-
тивные решения, использующие кривые вставки;
3) условие, обеспечивающее прилегание трубопроводов ко
дну траншеи и учитывающее максимально возможный вес в воде
единицы длины трубопровода с балластом,
IAjIk-2^. (6.6)
D1
где в общем случае qmax (х) — функция длины, поскольку для
упругого искривления кривых вставок трубопровода балласт не
назначается.
Тогда в точном виде задача формулируется следующим об-
разом: найти у (х), реализующее минимум So при условии со-
блюдения ограничений (6.1) — (6.3).
Составляющие целевой функции So имеют следующий вид:
стоимость земляных работ
«э. р = П [С1 (*)+СГ(х)] {г(х) |ф0 (х)— /(*) + -у] + [фо (*) —
—У (X) + у у tg а (х)|-сГ (х)} dx, (6.7)
где Ci(x) и Ci*(x) —стоимость соответственно разработки
и засыпки единицы объема грунта; г (х) —ширина траншеи по
дну; tga(x)—величина заложения откосов траншеи (рис. 6.5);
стоимость дополнительной пригрузки
i
Snp = Cj5(x)dx, (6.8)
112
где С2 — стоимость единицы веса балласта;
Б(х) — интенсивность нагрузки от балласта
Б (х) = k qa+ qBepr (х) + у qr (х) + El \у™ (х) | +
+ Яуп(х)]- qT, (6.9)
где k — коэффициент запаса устойчивости;
qa — Архимедова сила единицы длины трубо-
провода; qBepr(x) и qr(x)— интенсивность вер-
тикальной и горизонтальной составляющих
гидродинамического воздействия потока; f —
коэффициент трения трубопровода о грунт;
qT — вес в воздухе единицы длины конструк-
ции трубопровода с учетом изоляции, футе-
ровки, продукта, заполняющего трубопровод;
Н — продольное усилие в трубопроводе;стои-
мость трубопровода
5Т = С3 (х)]Мх, (6.10)
о
РИС. 6.5.
Параметры под-
водной траншеи
где Сз — стоимость единицы длины трубопровода.
Если известна стоимость устройства кривой вставки С4 и их
число т на интервале [0, Z], то стоимость кривых вставок SB
будет
SB = C4m. (6.11)
Применяя упрощения, допускаемые практикой, формули-
ровку задачи можно представить в следующем виде:
найти
minSor(y)
У
(6.12)
при условии выполнения ограничений
(6.13)
Для решения поставленной задачи необходимо перейти
к дискретной форме. Интервал [0, /] разбивают с шагом h = l/N
на N равных частей. Все функции, рассматриваемые в задаче,
заменяют кусочно-линейными с известными в узловых точках
значениями. Неизвестную функцию у(х) определяют в виде таб-
лицы значений в узловых точках. Используя разностные ап-
проксимации вторых и четвертых производных, а также фор-
113
мулу трапеций для приближенного вычисления интеграла,
можно записать задачу в следующей форме:
найти
N
min 2 (ptyt+stt/i) (6.14)
i=0
при условии выполнения ограничений
i=0, N-
Iyi-i-fyi+yi+11 i = 1, N—1; (6.15)
I Уг—2 tyi—1 6t/j “1“ Уг+2 | ^2i N 2,
где pi, Si — коэффициенты, учитывающие соответственно линей-
ную и нелинейную части целевой функции; ku, k2i — величины,
определяемые по формулам
1 _ и
Чтах *
(6.16)
Расчет оптимального профиля
подводного трубопровода по мини-
мальному объему земляных работ
За оптимальный профиль подводного трубопровода здесь
принимается такой профиль, при котором объем земляных ра-
бот по разработке траншей будет минимальным при выполне-
нии ограничений, обеспечивающих: прочность трубопровода при
изгибе, прилегание трубопровода ко дну траншеи, предельную
границу переформирований дна и берегов реки в створе пере-
хода, максимально возможную глубину разработки траншеи
имеющимися техническими средствами.
Согласно принятым обозначениям площадь поперечного се-
чения траншеи F(x) в точке х определяется по формуле
F(x) = pp(x)—у(х) + -^-
(6.17)
где г(х) — ширина траншеи по дну; tga(x) — величина зало-
жения откосов траншеи; D — диаметр трубопровода.
Общий объем земляных работ для разработки траншеи на
интервале [О, L] вычисляется по формуле
L
V=$F(x)dx. (6.18)
О
Тогда задача определения профиля подводного трубопровода,
оптимизирующего объем земляных работ, формулируется в сле-
дующем виде:
114
найти
L
min^Flx, y(x)\dx
о
y(x) €= [0, L].
(6.19)
Целевую функцию (6.18) можно несколько упростить, если
принять во внимание вид подынтегральной функции (6.7).
Обозначим через
Т (х) = г (х) ф (х) + tg а (х) ф2 (х) + tg а (х)
—tga(x^(x)D,
р (х) = — [г (х) + 2ф (х)—-у] tg а (*)
S(x)=tga(x).
l^-d-
2
(6.20)
(6.21)
(6.22)
В этом случае функция цели (6.18) имеет вид
L
V = (*) + Р (х) y(x) + S (х) у2 (X)] dx. (6.23)
о
Учитывая, что Т(х) не зависит от искомого профиля, усло-
вие (6.19) можно сформулировать в следующем виде:
найти
L
min f [Р (х) у (х) + S (х)у2 (х)] dx
о
y(x)e=G[0, L]. (6.24)
Постановка задачи в дискретном виде
Решение поставленной задачи в точном виде не представля-
ется возможным, поскольку все исходные данные задаются
в виде дискретных функций.
Для решения задачи (6.24) в дискретном виде разобъем ин-
тервал [0, L] на N равных частей. Тогда целевую функцию (6.24)
можно представить в виде
L N
J [Р (х) у (х) 4- S (х) у* (х)] dx = h 2 (Pz/i 4- Styi), (6.25)
0 i=0
, L
где h =----шаг таблицы;
N
Xi = hi Z = 0, N
(6.26)
115
Pi = P(.Xi) i = 1, AT—1;
Pn = P (xn)‘,
(6.27)
Si = S(Xi) i=l, N— 1;
g __ S (xjy)
N a
(6.28)
Искомая функция оптимального профиля подводного трубо-
провода определяется в виде таблицы значений функции у(х)
вдоль узлов сетки.
Поскольку /г>0, в дискретном случае в качестве функции
цели можно рассматривать
С(у)=2№у1 + $1У1}> (6.29)
где у=[у0, ylt . , yN].
Учитывая (6.29), можно получить приближенное выражение
объема земляных работ по формуле (6.18)
N—1
"ST
(6.30)
где Rn — погрешность приближенной формулы (6.30).
Для записи ограничений (6.4) — (6.7) воспользуемся раз-
ностными аппроксимациями второй и четвертой производных.
Тогда ограничение (6.4) примет вид
(xt) < Уг < Ф (Xi) 1 = О, N.
(6.31)
Ограничение, обеспечивающее прочность трубопровода при
изгибе
1 4" —^i(-*7)-
P w)
(6.32)
г n _
Ограничение, обеспечивающее прилегание трубопровода ко
дну траншеи, будет иметь вид
| yi-i-^yi-1 + 6у—4г/г+1 + yw I < /г2 . (6.33)
116
Выражения (6.31) — (6.33) описывают множество допусти-
мых значений искомого вектора у.
Таким образом, дискретную форму задачи выбора оптималь-
ного профиля подводного трубопровода с учетом представления
целевой функции (6.29) и множества допустимых значений
G [О, L] можно представить в следующем виде:
найти
min С (у)
y^G[Q, L]. (6.34)
Реализация задач оптимального про-
фил иров ания
Анализ показал, что для решения задачи оптимального про-
филирования, как задачи квадратичного программирования,
возможно использование метода Хилдерта и Д. Эзопо, двой-
ственного метода для строго выпуклых задач, метода локаль-
ных вариаций и линейного программирования.
Итерационный метод Хилдерта и Д. Эзопо основан на реше-
нии двойственной задачи (прямая задача заменяется двойствен-
ной) . Решение двойственной задачи осуществляется с помощью
модификации метода наискорейшего спуска. Отдельные итера-
ции выполняются очень легко. Случайные сбои устраняются ав-
томатически. Как показали расчеты, метод дает хорошую схо-
димость для М = 20, что обусловливает его применение для рас-
чета небольших переходов.
Двойственный метод для строго выпуклых задач основан на
решении двойственной задачи. При решении максимизируется
функция Лагранжа с учетом накладываемых на двойственные
переменные ограничений. Хотя метод приспособлен для реше-
ния строго выпуклых задач, с помощью возмущений е его
можно применить для решения выпуклых задач. Сепарабель-
ность целевой функции, а также возможность минимизации
в замкнутом множестве позволяют значительно сократить число
двойственных переменных и упростить процесс вычисления, что
обусловливает более лучшую сходимость по сравнению с мето-
дом Хилдерта и Д. Эзопо. Для решения двойственной задачи
применялась модификация метода наискорейшего спуска с од-
новременным нахождением решения прямой и двойственной
задач. Этот метод был реализован в виде алгоритма и про-
граммы для ЭВМ.
При незначительных откосах или при оптимизации стоимо-
сти балласта возможно применение метода линейного програм-
мирования.
Для решений основной задачи возможно применение метода
локальных вариаций. Метод основан на улучшении допусти -
117
мого решения с помощью последовательных итераций. На каж-
дом шаге итерации происходит последовательное варьирование
оптимизируемых переменных в пределах допустимых значений
и выбирается то значение, которое оптимизирует целевую функ-
цию по рассматриваемой переменной. Процесс заканчивается,
если допустимое решение в результате последующих итераций
улучшить нельзя. Метод отличается большой простотой расчета
и экономичностью памяти.
По методу локальных вариаций все вычисления выполня-
ются на ЭВМ. Разработанный алгоритм позволяет учитывать
различные условия практики.
Как показывают расчеты, применение предлагаемой мето-
дики на практике дает значительные преимущества по сравне-
нию с существующими способами проектирования подводных
трубопроводов:
1) учитывается большое число факторов, влияющих на за-
глубление подводных трубопроводов;
РИС. 6.6.
Пример расчета оптимального профиля подводного нефтепровода на ЭВМ:
1 — п.рофиль дна реки <рр 2 — предельный профиль дна и берегов реки фр 3 — опти-
мальный профиль трубопровода при радиусе упругого изгиба трубы р> 1800 м; 4 —
проектный профиль; полученный без применения ЭВМ
118
2) устраняется субъективный подход при выборе оптималь-
ного профиля трубопровода;
3) значительно сокращается трудоемкость и время проекти-
рования переходов;
4) результаты расчетов могут быть выданы ЭВМ как в циф-
ровом виде, так и графически, в виде готовых профилей с ука-
занием оптимального положения трубы, линии высотных отме-
ток дна водной преграды.
Исследования, выполненные нами, показали, что определе-
ние оптимального профиля подводного трубопровода можно
свести к решению задачи оптимального управления, в которой
управляющими функциями являются интенсивность нагрузки
и кривизна трубопровода или одна из них.
Пример расчета оптимального профиля
Определить профиль подводного нефтепровода с учетом ми-
нимальной стоимости земляных работ. Исходные данные: диа-
метр трубы £ = 102 см; толщина стенки 6 = 1,6 см; £7=1,334Х
X1012 кгс/см2; шаг h = 30 м. Значения высотных отметок дна реки
ср* предельного профиля ф-ь ширины траншеи по дну Ьг, зало-
жения откосов траншеи tgai, стоимости разработки грунта С\
и засыпки грунтом траншеи Ci , а также вычисленный на
ЭВМ оптимальный профиль, соответствующий ограничению по
радиусу упругого изгиба трубопровода р= 1800 м, представ-
лены на рис. 6.6.
Как видно из рисунка, профиль трубопровода 3, рассчитан-
ный на ЭВМ, значительно отличается от проектного профиля 4.
Оптимальный профиль 3 располагается ниже предельного про-
филя 2 и в то же время приближается к нему. Такое положение
оптимальных профилей соответствует минимальной стоимости
земляных работ и ограничениям по предельному профилю 2.
Предельный профиль размыва дна и берегов реки установлен
нами на основании периодических комплексных обследований
ранее построенных подводных переходов на этом участке
реки.
Трубопровод может быть уложен по оптимальному профилю
с р = 1800 м без дополнительной пригрузки на упругое искрив-
ление трубы, т. е. только под действием собственного веса и про-
дукта.
§ 6.4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БАЛЛАСТА ПО ДЛИНЕ
ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА
Общая дополнительная пригрузка определяется по формуле
P06ni=b(x)dx, (6.35)
о
119
расстояние между одиночными грузами — из условия
ХП2
J хБ (х) dx
* Xtii
Хп=~Г------------• (6.36)
*П2
J S(x)dx
xni
Знаменатель в формуле (6.36) равен массе отдельного груза,
масса грузов может быть различной.
Для решения поставленной задачи составлен алгоритм [33].
В результате расчетов получают распределение балласта по
длине трубопровода в соответствии с действительными усло-
виями работы подводных трубопроводов на сдвиг и всплытие.
На практике применение предлагаемой методики расчета поз-
воляет сэкономить значительное количество балласта, а также
достаточно обоснованно разместить его по длине трубопровода.
ГЛАВА 7. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Земляные работы при строительстве подводных переходов
являются наиболее трудоемкими, дорогостоящими и длитель-
ными по времени по сравнению с другими видами работ. Стои-
мость подводных земляных работ достигает более половины
стоимости строительства подводного трубопровода, а затраты
на разработку подводной траншеи могут быть почти в сто раз
выше затрат на разработку траншеи на сухопутных участках.
Время, затрачиваемое на подводные земляные работы, в не-
сколько раз больше времени выполнения других видов работ
по строительству перехода.
Значительные снижения стоимости и трудоемкости, сокра-
щение сроков строительства при сооружении подводных пе-
реходов могут быть достигнуты в результате применения
наиболее эффективных способов производства подводных зем-
ляных работ и дальнейшего увеличения степени их механи-
зации.
Строительство подводных трубопроводов выполняется в раз-
личных районах страны, в том числе в отдаленных и труднодо-
ступных. Производство земляных работ характеризуется раз-
личными гидрогеологическими и климатическими условиями,
протяженностью водных преград и объемами подводных земля-
ных работ (от нескольких сотен до сотен тысяч кубометров).
Технология устройства подводных траншей для трубопроводов
отличается от технологии подводных земляных работ при строи-
тельстве других гидротехнических сооружений и дноуглубитель-
ных работ. Подводные траншеи представляют собой узкопро-
фильную выемку, направленную поперек течения.
Специфические особенности производства земляных работ
при строительстве подводных трубопроводов обусловливают це-
лесообразность применения машин и оборудования, наиболее
эффективных для различных условий практики.
Выбор технических средств для устройства подводных тран-
шей зависит в основном от объемов и сроков выполнения работ,
вида, состояния и свойств грунтов, глубины водоема, скорости
течения, размеров траншеи, условий доставки техники в район
строительства и времени года.
Заглубление подводных трубопроводов может осущест-
вляться двумя способами:
1) разработка подводной траншеи, последующая укладка
трубопровода и засыпка траншеи с уложенным трубопроводом;
121
2) укладка трубопровода на дно водоема, заглубление тру-
бопровода трубозаглубительным снарядом и засыпка уложен-
ного трубопровода.
§ 7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗЕМСНАРЯДОВ
Подводные земляные работы выполняются как дноуглуби-
тельной техникой общего назначения (земснарядами), так
и различными машинами, созданными специально для трубо-
проводного строительства.
Земснаряды классифицируются по следующим основным
признакам:
1) по способу отделения грунта от дна и его подъема над
уровнем воды;
2) по способу транспортирования извлекаемого грунта от
снаряда к месту отвала;
3) по средствам перемещения снаряда при грунтозаборе;
4) по способу передвижения снаряда с одного участка ра-
бот на другой;
5) по производительности;
6) по роду энергетической установки;
7) по району выполнения дноуглубительных работ.
По способу отделения грунта от дна и его подъема над
уровнем воды дноуглубительные снаряды подразделяются на
снаряды с гидравлическим способом отделения и подъема
грунта, называемые землесосами, снаряды с механическо-гид-
равлическим способом отделения и подъема грунта (землесосы
с механическим или механическо-гидравлическим способом раз-
рыхления грунта), снаряды с механическим способом отделения
и подъема грунта (многоковшовые и одноковшовые).
По способу транспортирования извлекаемого грунта от сна-
ряда к месту отвала дноуглубительные снаряды подразделя-
ются на рефулерные, трюмные, шаландовые, рефулерно-шалан-
довые, длиннолотковые и транспортерные.
Рефулерные снаряды транспортируют грунт по грунтопро-
воду к месту подводного или берегового отвала.
Трюмные снаряды транспортируют грунт к месту отвала
в грунтовом трюме, который разгружается на месте свалки или
через разгрузочные отверстия в днище трюма собственной грун-
тонасосной установкой.
Шаландовые снаряды погружают грунт в трюм шаланд, ко-
торые своим ходом или на буксире транспортируют грунт к ме-
сту отвала.
Рефулерно-шаландовые снаряды могут транспортировать
грунт от снаряда рефулерным и шаландовым способом.
Длиннолотковые снаряды транспортируют грунт к месту от-
вала по длинному наклонному лотку, куда для улучшения пе-
ремещения грунта подается вода.
122
По средствам перемещения снаряда при грунтозаборе разли-
чают якорные, свайно-якорные снаряды, перемещаемые собст-
венной гребной установкой.
Для перемещения якорные снаряды оборудуются рабочими
якорями, якорными канатами и оперативными лебедками.
Якорь завозят на определенное расстояние и при помощи кана-
тов и лебедок снаряд перемещается в нужном направлении.
Свайно-якорные снаряды кроме рабочих якорей имеют так-
же свайные аппараты.
По способу передвижения с одного участка работ на другой
снаряды подразделяют на самоходные и перемещаемые бук-
сирами.
По производительности различают снаряды малой, средней
и большой производительности; по роду энергетической уста-
новки (приводящей в движение снаряд) — паровые, дизельные,
дизель-электрические, дизель-гидравлические, газотурбинные
и электрические дноуглубительные снаряды; по району выпол-
нения дноуглубительных работ — снаряды морского и речного
типов. Морские земснаряды отличаются от речных конструк-
цией корпуса и лучшей остойчивостью, позволяющей выпол-
нять работы в условиях волнения.
§ 7.2 РАЗРАБОТКА ТРАНШЕЙ
ЗЕМЛЕСОСНЫМИ СНАРЯДАМИ
Землесосные снаряды целесообразно применять на несвяз-
ных грунтах небольшой крупности (песках и мелком гравии).
Принцип работы землесосов по извлечению грунта со дна аква-
тории заключается в отсасывании со дна акватории смеси ча-
стиц грунта с водой, называемой пульпой. Схема землесосного
снаряда показана на рис. 7.1.
Основной рабочий орган землесоса — центробежный насос,
создающий вакуум и всасывающий пульпу через грунтозаборное
устройство (сосун) 1. Сосун может изменять свое положение
(опускаться или подниматься) при помощи подъемного уст-
ройства. По сосуну пульпа поступает в грунтовый насос 3,
который подает ее в напорный грунтопровод 4. Глубина
всасывания современных землесосных установок изменяется от
2—3 до 40—50 м, а производительность — 80—3000 м3/ч.
Сосуды закрываются решеткой для предотвращения попа-
дания больших камней либо длинных предметов, которые могут
повредить рабочее колесо центробежного насоса.
Современные землесосные снаряды имеют специальные гид-
равлические, механические и комбинированные устройства для
разрыхления грунта.
Для разработки плотных несвязных и связных грунтов кон-
струкции всасывающих устройств оснащаются механическими
разрыхлителями грунта —- фрезерными и роторно-ковшовыми.
123
РИС. 7.1.
Принципиальная схема землесосного снаряда:
1 — грунтозаборное устройство; 2 — всасывающий трубопровод; 3 — грунтовый насос;
4 — напорный грунтопровод; 5 — устройство для рабочих перемещений; 6 — корпус
Для легкоразмываемых грунтов целесообразно использовать
гидравлические разрыхлители, которые обеспечивают подачу
в сосун пульпы с более высоким содержанием грунта.
Гидравлические разрыхлители делятся на три типа: размы-
вающие грунт, размывающие и подгоняющие грунт к сосуну
и гидродиффузионные.
Наиболее эффективны разрыхлители гидродиффузион-
ного действия, они обеспечивают консистенцию пульпы до
30—40%.
К комбинированным рыхлителям относятся фрезерно-гид-
равлические. Эти рыхлители значительно повышают произво-
дительность землесосов и расширяют область их применения.
Фрезерно-гидравлический рыхлитель состоит из фрезы и си-
стемы гидравлических насадок, одна из которых (лобовая на-
садка) предназначена для разрыхления грунта в передней ча-
сти забоя, а остальные насадки находятся на ножах фрезы и
предназначены для смыва грунта с ножей фрезы, разрыхления
и подгонки его к сосуну.
С увеличением глубины разработки подводного грунта про-
изводительность землесосных снарядов значительно сокраща-
ется. Повышение производительности землесосных снарядов
достигается применением эжектирующих устройств на всасы-
вающей линии землесоса.
В настоящее время при строительстве подводных трубопро-
водов наиболее широко применяются гидроэжекторные снаряды
различных типов: УПГМ-360, УПГЭУ, ТЗР-12, ДГС-150,. основ-
ные данные которых приведены в табл. 7.1.
124г
Т А Б л И Ц A 7.1
Параметры Тип земснаряда
УПГМ-360 УПГЭУ T3P-12 Д ГС-150
Производительность по воде, м3 360 540—720 800 150
Максимальная глубина водоема, м 10 22 12 12
Ширина траншеи по дну, м 3—10 5—20 5—20 1,5—10
Осадка, м 0,9 0,8 0,8 0,55
Габаритные размеры (длина и ширина корпуса), м 15,3X6 25,6X6 22X6,5 12X5,4
Для разработки подводных траншей можно использовать
землесосы-эрлифты.
Принцип действия эрлифта основан на том, что сжатый воз-
дух, поступая через форсунку в нижний конец трубы, опущен-
ной в воду, смешивается с водой и образует водно-воздушную
смесь, плотность которой ниже плотности окружающей воды.
Вследствие разности плотностей и давления воды водно-воз-
душная смесь поднимается вверх. Если нижний конец трубы
соединить с грунтоприемником и приблизить к грунту, то вме-
сте с водой начинает поступать в трубу и грунт. У эрлифт-
ного землесоса с увеличением диаметра грунтопровода и глу-
бины извлечения грунта повышается производительность. Ос-
новное преимущество эрлифта — возможность извлечения
грунта с больших глубин.
В последние годы для разработки и засыпки траншей на
дне водоемов и у береговых урезов при строительстве маги-
стральных трубопроводов применяются усовершенствованные
конструкции земснарядов: ТЗР-12М, УПГЭУ-ЗА, ТЗР-151,
ТЗР-251.
ТЗР-12М — траншейный земснаряд разборный, корпус его
состоит из трех понтонов, соединенных между собой сваркой.
Для перевозки земснаряда автомобильным и железнодорожным
транспортом его корпус разделяют газорезкой на отдельные
понтоны. Всасывание и эвакуация разрабатываемого грунта
осуществляются насосом 80МП 500-19. Земснаряд оборудован
рыхлителем РЭМ-1 в водонепроницаемой капсуле с электропри-
водом мощностью 55 кВт, установленным на конце грунтоза-
борной рамы. Питание электроэнергией осуществляется от ди-
зель-генератора ДГР 100/750. Для перемещения земснаряда
во время работы установлены четыре папильонажныё и .двё"
становые лебедки. Земснаряд обслуживает экипаж' .из,_тр^%'
человек. '.
Траншейный земснаряд УПГЭУ-ЗА представляет собой; мДгД
дернизированный эжекторный земснаряд УПГЭУ-3. Кроме гид-
125
равлического рыхлителя земснаряд УПГЭУ-ЗА оснащен меха-
ническим рыхлителем, новыми лебедками и другим оборудова-
нием, позволившим повысить его производительность.
Траншейный земснаряд ТЗР-151 предназначен для разра-
ботки траншей в грунтах I—IV категорий. Представляет собой
стальное, несамоходное, однопалубное полукатамаранного типа
судно. Всасывание и эвакуация разрабатываемого грунта осу-
ществляется грунтовым насосом 80МП 500-19. Разрыхляется
грунт гидравлическим или погружным электроприводным ме-
ханическим рыхлителем с фрезой, которые в зависимости от
вида грунта могут монтироваться на конце грунтозаборной
рамы. Мощность привода каждого рыхлителя 55 кВт. Подни-
мается и опускается грунтозаборная рама при помощи рамо-
подъемного устройства с лебедкой, имеющей тяговое усилие
7 тс и две скорости. Конструкция земснаряда предусматривает
возможность его разделения на транспортабельные блоки и ча-
сти для перевозки по железной дороге.
Траншейный земснаряд ТЗР-251 предназначен для разра-
ботки траншей в грунтах I—IV категорий. Представляет со-
бой стальное, несамоходное, однопалубное полукатамаранного
типа судно. Всасывание и эвакуация разрабатываемого грунта
осуществляется грунтовым насосом 100МП-350. Разрыхляется
грунт погружным электроприводным механическим рыхлите-
лем с приводом мощностью 75 кВт. Рыхлитель смонтирован
на конце грунтозаборной рамы, которая поднимается и опу-
скается при помощи подъемного устройства с лебедкой, имею-
щей тяговое усилие 10 тс и две скорости. Для перемещений зем-
снаряда установлены четыре папильонажные и две становые
лебедки с плавным регулированием скорости выбирания ка-
ната. Питание электроэнергией всех потребителей в рабочих
режимах земснаряда осуществляется от двух дизель-генерато-
ров ДГР 150/750 мощностью по 150 кВт каждый.
Техническая характеристика этих земснарядов приведена
в табл. 7.2.
ТА Б Л И Ц А 7.2
Параметры Тип земснаряда
ТЗР-12М УПГЭУ-ЗА ТЗР-151 ТЗР-251
Производительность по грунту, м3/ч до 180 80 130—140 200 Максимальная глубина разработ- ки, м 12 До 20 18 25 Осадка, м 1,05 0,8 1,5 1,5 Водоизмещение, т 89 57 195 275 Габаритные размеры (длина и ши- рина корпуса), м 22,3X6,3 32,25X6,5 32,5X8,5 43X9,3
126
§ 73. РАЗРАБОТКА ТРАНШЕЙ ГИДРОМОНИТОРАМИ
И ГИДРОМОНИТОРНЫМИ СНАРЯДАМИ
Разработка (размыв) грунта гидромониторами осуществля-
ется струей воды, выходящей из сопел со скоростью до 100 м/с
и под давлением от 5 до 35 кгс/см2. Под действием водяных
струй грунт разрушается, насыщается водой и превращается
в пульпу, которая удаляется течением.
Вода к гидромонитору подается по трубопроводам от. ста-
ционарных, передвижных или плавучих насосных станций, обо-
рудованных центробежными насосами.
Применение гидромониторов наиболее эффективно при
разработке траншей глубиной до 2 м в песчаных и малосвяз-
ных грунтах и наличии поперечного к оси траншеи течения.
Производительность гидромониторов снижается с увеличением
глубины разрабатываемой траншеи и уменьшением скорости
течения реки, так как разрабатываемый и взвешиваемый стру-
ями грунт оседает обратно в траншею и для его удаления тре-
буются многократная разработка одних и тех же масс грунта.
Разработка траншей гидромониторами с ручным управле-
нием (с использованием труда водолазов) малопроизводи-
тельна, поэтому наиболее рационально применение гидромони-
торных струй в конструкциях гидромониторных снарядов, имею-
щих значительно большую производительность. Гидромониторы
в конструкциях земснарядов могут применяться как основное
рабочее оборудование самостоятельно и как вспомогательное
оборудование к землесосам.
Универсальный плавучий гидромониторный агрегат
УПГМ-360 имеет сменные рабочие органы, состоящие из ком-
плекта гидромониторных насадок и гидроэжектора. Агрегат мо-
жет работать на размыв, когда весь расход воды от насоса по-
дается на гидромониторные насадки, и на отсос, когда большая
ее часть подается от насоса на гидроэжектор для отсасывания
грунта из траншеи и значительно меньшая — на гидравлический
разрыхлитель для увеличения консистенции всасываемой
пульпы.
§ 7.4. РАЗРАБОТКА ТРАНШЕЙ
КОВШОВЫМИ СНАРЯДАМИ
Ковшовые снаряды основаны на механическом способе от-
деления и подъема грунта. По конструкции они разделяются
на одноковшовые, разрабатывающие грунт одним ковшом, и
многоковшовые, разрабатывающие грунт ковшами,; насажен-
ными на бесконечную ковшовую цепь.
Многоковшовые снаряды целесообразно применять в основ-
ном на тяжелых грунтах V—VII категорий или на засоренных
грунтах [34J.
127
Для разработки подводных траншей в тяжелых грунтах
применяются одноковшовые грейферные и штанговые снаряды.
Грейферным называется дноуглубительный снаряд, извле-
кающий грунт со дна водоема грейферным краном. Грейфер-
ный снаряд при разработке грунта перемещается при помощи
рабочих якорей, канатов и лебедок. Грейферный кран отде-
ляет грунт от дна водоема, поднимает из воды и грузит его
в свой грунтовый трюм или в шаланду, отвозящую груз, или
укладывает грунт в отвал. В отличие от других земснарядов
грейферные могут использоваться для разработки грунтов: лег-
ких, средних, тяжелых, с включениями валунов, камней, топля-
ков. Для этого грейферные краны комплектуют грейферами
(ковшами) различного типа. Легкие и средние грунты разра-
батывают двухчелюстными грейферами, подорванный скальный
грунт — многочелюстными, валуны и другие одиночные предме-
ты — решетчатыми грейферами.
Наибольшее распространение получили грейферы объемом
1—2,5 м3, имеются грейферы объемом до 13 м3. Глубина раз-
работки грунта изменяется в широких пределах. Большинство
грейферных кранов имеет глубину черпания до 15—21 м.
Штанговые снаряды применяются в случаях, когда для из-
влечения грунта требуются большие режущие усилия. Штан-
говый снаряд для извлечения грунта имеет одноковшовый экс-
каватор, оборудованный прямой лопатой. Экскаватор режет
грунт ковшом, поднимает его со дна и разгружает в шаланду
или в отвал. Во время забора грунта горизонтальная состав-
ляющая реакции грунта через экскаватор передается корпусу
судна и стремится сместить его в сторону, противоположную
движению ковша. Это усилие достигает большой величины, по-
этому, чтобы снаряд не смещался, его закрепляют при помощи
трех-четырех свай. При трех сваях две — закольные устанав-
ливают в носовой части снаряда (у экскаватора), а одну —
упорную — в кормовой. При четырех сваях по две устанавли-
вают в носовой и кормовой частях. Носовые сваи погружа-
ют в грунт вертикально, а кормовые — с некоторым наклоном
для лучшего восприятия горизонтального усилия. После разра-
ботки грунта у места стоянки снаряд перемещается на новый
участок. Для этого ковш заносят вперед и опускают на дно,
затем поднимают сваи лебедками и корпус снаряда подтяги-
вают или разворачивают. Штанговые снаряды различаются по
производительности, глубине черпания, объему ковша, вылету
стрелы и высоте подъема ковша над водой. Производитель-
ность штанговых снарядов в основном составляет 100—200 м3/ч,
а у мощных снарядов может достигать 600 м3/ч.
Максимальная глубина черпания обычно не превышает
20 м. Объем ковша штанговых снарядов изменяется в преде-
лах 0,3—15 м3. Штанговые снаряды имеют сменные ковши для
разработки тяжелых и относительно легких грунтов.
128
Для разработки скального грунта на штанговый снаряд
можно установить скалодробильное устройство. Скалодробиль-
ное устройство позволяет дробить грунт на глубине 6—17 м.
Частота ударов долота о грунт составляет 50—180 в час, про-
изводительность снарядов в зависимости от вида скального
грунта колеблется в пределах 5—20 м3/ч.
Для дробления большого объема скального грунта приме-
няют специальные скалодробильные снаряды.
Скалодробильные снаряды, как правило, работают совме-
стно со штанговым или грейферным снарядом. Для удаления
из траншеи разрыхленного грунта могут применяться ковшо-
вые снаряды, канатно-скреперные установки и высоконапор-
ные гидромониторы.
§ 7.5. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЗЕМСНАРЯДОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
ТРАНШЕЙ. ОРИЕНТИРОВАНИЕ ЗЕМСНАРЯДОВ
Способы перемещения земснарядов в процессе разработки
подводной траншеи зависят от конструктивных особенностей
земснарядов, размеров траншеи, свойств грунта, скорости те-
чения и глубин на участках производства работ.
Применяются два способа перемещения земснарядов по про-
рези — траншейный (продольный) и папильонажный (попереч-
ный) .
Как уже отмечалось в § 7.1, по средствам перемещения при
грунтозаборе земснаряды делятся на якорные, свайно-якорные
и перемещаемые собственной гребной установкой.
Перемещение якорных земснарядов осуществляется с помо-
щью якорей, якорных канатов и оперативных лебедок. Приме-
няют различные схемы расположения оперативных лебедок на
палубе земснаряда.
Земснаряд обычно имеет шесть рабочих якорей с однобара-
банными лебедками. Передняя и задняя оперативные лебедки,
расположенные соответственно на носовой части и корме зем-
снаряда, называются авантовой и задней становой, с их по-
мощью земснаряд перемещается по оси. Лебедки, расположен-
ные у бортов, выполняют боковые перемещения земснаряда
и называются папильонажными. Применением многобарабан-
ных лебедок можно сократить их общее число.
Перед разработкой траншей рабочие якоря с прикреплен-
ными к ним канатами завозят в разные стороны от земснаряда
и сбрасывают на грунт.
Якорь, завозимый вперед по направлению движения зем-
снаряда при заборе грунта, называют авантовым, якорь, укла-
дываемый с противоположной стороны,— задним становым.
Якоря, завозимые в сторону от земснаряда, называют папиль-
онажными. Папильонажные якоря завозят за бровки траншеи
и несколько вперед по ходу работы земснаряда.
129
У свайно-якорных земснарядов взамен авантового, заднего
станового и папильонажных якорей и лебедок в кормовой ча-
сти судна размещены две сваи круглого сечения, которые мо-
гут поочередно подниматься и опускаться в направляющих
обоймах при помощи специальных свайных лебедок. Свайно-
якорный земснаряд при работе перемещается только поперек
траншеи передними папильонажными лебедками, осуществляю-
щими поворот земснаряда вокруг сваи, погружаемой в грунт.
Управление свайно-якорным земснарядом проще, чем якор-
ным, и может быть полностью автоматизировано. Конструкция
свайных аппаратов проста и надежна. Однако свайно-якорные
земснаряды нельзя применять при волнении из-за опасности
повреждения свай. Свайно-якорные земснаряды создают опре-
деленные препятствия при работе в районе с интенсивным судо-
ходством, так как для пропуска судов необходимо дополнитель-
ное время на подъем свай. Кроме того, возникают трудности
и при повторной установке земснаряда на место разработки
траншеи.
Траншейный способ перемещения земснаряда применяется
при разработке несвязных песчаных легко осыпающихся грун-
тов землесосными и гидроэжекторными снарядами и при раз-
работке траншеи небольшой ширины в тяжелых грунтах грей-
ферными и штанговыми одноковшовыми снарядами.
При траншейном способе земснаряд перемещается прямо-
линейно вдоль траншеи (7.2, а).
При папильонажном способе земснаряд перемещается по-
перек траншеи с постепенной подачей вперед по авантовому
тросу. Продольная ось снаряда может быть параллельна оси
траншеи или наклонена к ней под углом. По этому признаку
различают четыре способа папильонирования: параллельный,
багермейстерский, веерный и крестовый.
Разработку подводных траншей для трубопроводов наибо-
лее часто выполняют траншейным способом и способом па-
раллельного папильонажа, реже крестового и веерного, а ба-
гермейстерского почти не применяют.
При параллельном папильонировании снаряд перемещается
поперек траншеи от одной ее бровки к другой параллельно
оси траншеи (рис. 7.2, б). Параллельный папильонаж приме-
няется в случаях, когда глубина на бровках траншеи больше
осадки земснаряда, и земснаряд может заходить за бровку
траншеи на половину ширины своего корпуса.
Багермейстерский способ папильонирования заключается
в том, что продольная ось снаряда во время перемещения его
поперек траншеи наклонена к оси траншеи под одним и тем
же острым углом (рис. 7.2, в).
При веерном способе папильонирования корма снаряда
остается на месте, а нос перемещается от одной бровки тран-
шеи к другой (рис. 7.2, г).
130
При крестовом папильонировании нос и корма земснаряда
перемещаются к разным бровкам траншеи: когда нос снаряда
подходит к правой бровке, то корма его смещается к левой, и
наоборот (рис. 7.2, д). Этот способ рекомендуется применять
при разработке траншеи, если глубина над ее бровкой меньше
осадки корпуса земснаряда.
Перемещения земснаряда по траншее осуществляется при
помощи лебедок (выбиранием и травлением — спусканием тро-
сов, закрепленных на якоря).
При разработке грунта траншейным способом авантовый и
задний становой тросы и якоря служат для продвижения сна-
ряда вдоль траншеи вперед (рабочий ход) и назад (холостой
ход), а папильонажные (боковые) тросы и якоря — для удер-
жания снаряда на оси траншеи и для перемещения с одной
траншеи на другую.
При разработке грунта папильонажным способом аванто-
вый трос и якорь используются для поддержания снаряда при
РИС. 7.2.
Способы рабочих перемещений землесосных снарядов:
а — траншейный; б — параллельный; в — багермейстерский; г — веерный; д — крестовый;
е — отдельными воронками: /—-бровки прорези траншей; 2 — оси траншей
131
его движении поперек траншеи, а папильонажные тросы и
якоря — для рабочего перемещения снаряда от одной бровки
траншеи к другой.
Ориентирование земснарядов
Ориентирование земснарядов при разработке подводных
траншей обычно осуществляется по створным знакам, установ-
ленным на берегах. Однако при строительстве подводных пе-
реходов значительной протяженности через крупные реки, во-
дохранилища, морские акватории обеспечение прямолинейного
движения земснаряда по створным знакам становится затруд-
нительным. В этих случаях повышение точности ориентирова-
ния земснаряда в створе перехода осуществляется с помощью
радиоаппаратуры, лазерных, акустических и других устройств.
Применение лазера — ясно видимого оптического луча позво-
ляет вести постоянный визуальный контроль за перемещением
земснаряда. Лазерный излучатель устанавливают на берегу
и луч направляют по створу разрабатываемой траншеи. Че-
тыре фотоприемника, установленных на земснаряде, улавли-
вают лазерное излучение. Направляя сигнал от фотоприемника
на пульт управления земснарядом или на магнитный пуска-
тель папильонажной лебедки, можно осуществить автомати-
ческое управление перемещением земснаряда по заданному
створу.
Внедрение автоматических систем ориентирования и управ-
ления земснарядами обеспечивает разработку проектного про-
филя траншеи с сокращением разработки излишнего объема
грунта за счет прямолинейности траншеи в плане, снижает
стоимость и трудоемкость подводных земляных работ.
§ 7.6. РАЗРАБОТКА ТРАНШЕЙ
КАНАТНО-СКРЕПЕРНЫМИ УСТАНОВКАМИ
Канатно-скреперные установки состоят из двухбарабанной
лебедки с приводом, скреперного ковша, якорных приспособ-
лений, блоков и тросов.
Разработка грунта канатно-скреперной установкой осущест-
вляется перемещением грунта ковшом. Попеременно включая
барабаны лебедки на наматывание и сматывание каната, пе-
ремещают ковш к лебедке (рабочий ход, скреперование) или
к якорю (холостой ход).
В процессе рабочего хода ковш врезается в грунт, переме-
щаясь вперед, наполняется грунтом, который затем транспор-
тирует к берегу, где по мере накопления грунт сдвигается
в сторону бульдозером. Увеличение производительности канат-
но-скреперной установки значительно возрастает при примене-
нии двух скрепленных друг с другом ковшей, позволяющих
использовать холостой ход в качестве рабочего. В этом случае
132
ковши работают попеременно, когда у одного из них рабочий
ход, у другого — холостой, и наоборот.
Первые канатно-скреперные установки имели двухбарабан-
ную трехтонную лебедку и скреперные ковши объемом 0,5 и
0,75 м3. Такие установки имели малую производительность и
применялись при строительстве подводных трубопроводов че-
рез несудоходные реки и при малом объеме земляных работ.
Канатно-скреперные установки, оснащенные мощными ле-
бедками и ковшами большого объема, обеспечивают более
эффективную разработку грунта. В последнее время для разра-
ботки подводных траншей применяется скреперное оборудова-
ние КСО-232 и КСО-1221 в комплекте с двухбарабанной скре-
перной лебедкой ЛС-301, имеющей тяговое усилие 40 тс. Это
оборудование позволяет разрабатывать подводные траншеи
в грунтах I — IV категорий при ширине водной преграды до
450 м.
Техническая характеристика скреперного оборудования
КСО-232 и КСО-1221 приведена в табл. 7.3.
Якорное устройство КСО-232 и КСО-1221 состоит из двух
труб-якорей диаметром 325 мм, длиной 5 м и двух горизон-
тальных неподвижных блоков диаметром 525 мм.
Канатно-скреперные установки просты по конструкции, де-
шевы и удобны при транспортировке.
Увеличение производительности канатно-скреперных уста-
новок можно достичь применением специальных гидравличе-
ских устройств, позволяющих в процессе перемещения ковша
вдоль траншеи удалять из него грунт смывом напорными стру-
ями на бровку траншеи или отсасывать землесосом и гидро-
эжектором.
Канатно-скреперные установки с гидравлическим устрой-
ством в виде напорных струй называются гидромеханическими
снарядами или скрепер-пульпометами (рис. 7.3). Режущая часть
скрепер-пульпомета в процессе протаскивания срезает слой
T А Б Л И ц А 7.3
Параметры Тип скреперного оборудования
КСО-232 КСО-1221
Производительность при длине скреперо- вания 200 м и 100%-ном опорожнении ковша, м3/ч 18 23
Объем ковша с откидывающимся дни- щем, м3 3,0 3,5
Ширина разрабатываемой траншеи по дну, м 1,6 2,0
Тип направляющей А-образная Стационарная
133
5 1
8.
13
5
РИС. 7.3.
Разработка траншей гидромеханическим снарядом:
/ — автомобиль с оборудованием; 2 — двухбарабанная лебедка; 5 —кабельный барабан:
4 — автомобильный прицеп; 5 — винтовой якорь; 6 — трап; 7 — электрокабель; 8 — про-
жектор; 9 — трос; 10 — зажим; 11 — скрепер-пульпомет; 12 — тяговый трос; 13 — блок;
14 — трос для определения положения скрепер-пульпомета
грунта толщиной 5—30 см, который под действием напорных
струй разрыхляется и выбрасывается на бровку траншеи. Пи-
тание гидромониторных насадок осуществляется от центробеж-
ного насоса с электродвигателем. Двигатель и насос распола-
гается под водой в герметичной камере в рабочем органе
между режущими гранями. У скрепера-пульпомета обеспечива-
ется двустороннее действие, т. е. прямой и обратные ходы яв-
ляются рабочими.
Совр еменные скр епер -пульпометы могут р азр аб атыв ать
траншеи глубиной 3—4 м и шириной по дну 3 м. Производи-
тельность снаряда в песчаных грунтах достигает 100 м3/ч.
Производительность скрепер-пульпомета зависит от глубины
разработки траншеи: повышается с увеличением глубины раз-
работки траншеи до 0,75—1,0 м, а затем снижается вследствие
недостаточной мощности напорной струи для выброса грунта
на бровку траншеи. Грунт оседает в траншее, уменьшая про-
изводительность скрепер-пульпомета.
Этот недостаток устранен в канатно-скреперной землесос-
ной установке.
Канатно-скреперная землесосная установка состоит из на-
сосной станции, располагаемой на плавучем основании, скре-
перного ковша двустороннего действия с приспособлением для
гидравлического рыхления грунта, лебедки и тягового каната.
Насосная станция при помощи канатов перемещается по
поверхности водоема вслед за ковшом. Гидравлические рыхли-
тели размывают поступающий в ковш грунт, и образующаяся
пульпа удаляется из ковша при помощи землесоса. Канатно-
134
скреперная землесосная установка проста по конструкции, спо-
собна разрабатывать траншеи большой глубины и с высокой
производительностью.
§ 7.7. ТРУБОЗАГЛУБИТЕЛЬНЫЕ СНАРЯДЫ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
РЕЧНЫХ И МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
При устройстве траншей с предварительной разработкой
грунта и последующей укладкой трубопровода требуется раз-
работка излишнего объема грунта, превышающего иногда в не-
сколько раз его полезный объем, необходимый для заглубления
трубопровода.
Увеличение объема земляных работ обусловливается: кон-
структивными особенностями земснарядов, разрабатывающими
траншеи с минимальной шириной, значительно превышающей
оптимальную (в 5—10 раз больше диаметра трубопровода);
необходимостью выполнения запасов по глубне и ширине
траншеи на заносимость (особенно на переходах через широ-
кие водные преграды со значительными расходами донных
наносов); неровностью разработки дна; непрямолинейностью
в плане и технологическими особенностями укладки трубопро-
вода.
Укладка трубопровода на дно водоема с последующим за-
глублением трубозаглубителями не требует разработки допол-
нительного (бесполезного) объема грунта. Применение трубо-
заглубительных снарядов увеличивает производительность
заглубления трубопроводов, значительно сокращает сроки и
стоимость выполнения земляных работ. Поэтому этот способ
более эффективен по сравнению со способом устройства тран-
шей с последующей укладкой трубопровода.
Наилучшие условия для использования трубозаглубите-
лей — использование их при сооружении морских трубопро-
водов и переходов через водоемы значительной протяжен-
ности.
Применение трубозаглубительных снарядов становится за-
труднительным, если дно водоема сложено скальными грун-
тами, крупными камнями и валунами и если имеются кривые
вставки и повороты трассы в плане.
Трубозаглубительный снаряд (рис. 7.4) состоит из плавучей
базы и трубозаглубителя — рабочего органа. На плавучей базе
размещаются насосы, компрессоры, энергетические установки,
крановое оборудование или лебедки для установки трубоза-
глубителя на трубопровод и подъема его на палубу, якорные
лебедки, лебедки для перемещения снаряда, приборы контроля
и управления и вспомогательные помещения.
Основное назначение рабочего органа — заглубление трубо-
провода путем разработки и удаления грунта из-под трубопро-
135
вода. Трубозаглубитель состоит из несущей конструкции, опор-
ных и фиксирующих катков, рабочих элементов (гидромонитор-
ные насадки, фрезы, грунтососы) и стабилизаторов устойчиво-
сти положения.
Несущая конструкция гидравлических трубозаглубителей
выполняется трубчатой, внутренняя полость ее используется
для подачи воды к рабочим элементам. Несущая конструкция
воспринимает вес трубозаглубителя и передает его на трубо-
провод или на опорные полозья. Размеры и вес несущей кон-
струкции зависят от диаметра трубопровода, типа и располо-
жения рабочих органов.
Для уменьшения нагрузок на трубопровод от трубозаглу-
бителя используют разгружающие понтоны. Фиксирующие
катки удерживают трубозаглубитель от смещений и перекосов
в горизонтальной плоскости, расстояния между катками зависят
от диаметра и могут регулироваться.
Для обеспечения устойчивости положения трубозаглубителя
от гидродинамического воздействия потока, реактивных сил при
разработке грунта применяются стабилизаторы. В качестве
РИС. 7.4.
Схема разработки грунта трубозаглубительным снарядом:
1 — якорный трос; 2 — корпус баржи; 3 — якорные лебедки; 4 — насосно-компрессорное
оборудование; 5 — буксирная лебедка; 6 — шланги для воздуха и воды; 7 — буксирный
трос; 8 — понтоны; 9 — трубопровод, заглубляемый в траншею; 10 — разрабатываемая
траншея; 11 — трубозаглубитель; 12 — опорные и фиксирующие катки; 13 — морское дно
136
стабилизаторов используют опорные полозья или загружающие
понтоны.
Рабочие органы трубозаглубительных снарядов подразде-
ляются на четыре типа: струйные, гидроэжекторные и пневма-
тические, фрезерно-гидравлические, бестраншейные (гидродиф-
фузионные).
Струйные трубозаглубители представляют собой систему
гидравлических струй. Высоконапорные струи, формирующиеся
в насадках, размывают грунт и удаляют за пределы траншеи.
Эффективность заглубления трубопровода повышается с уве-
личением числа насадок и подачи сжатого воздуха. Подача
сжатого воздуха в виде струй способствует увеличению выноса
грунта из траншеи. Струйные трубозаглубители могут разра-
батывать связные и несвязные грунты.
Гидроэжекторные и пневматические трубозаглубители при-
меняются для разработки песчано-гравийных грунтов, суглин-
ков и неплотных глин и наиболее эффективны на размываемых
грунтах. Разрабатываемый водяными и воздушными струями
грунт отсасывается гидроэжекторами или пневматическими
грунтососами и подается по подводному рефулерному трубо-
проводу. Трубозаглубители этого типа имеют в несколько раз
меньшие мощности и производительность по сравнению со
струйными трубозаглубителями.
Фрезерно-гидравлические трубозаглубители рыхлят грунт
с помощью фрез, расположенных с двух сторон от трубопро-
вода. Вращение фрез осуществляется с помощью гидро- или
электропривода. Наличие фрезерного рыхлителя способствует
образованию насыщенной пульпы, которая подается на отсос
в трубу-сосун и транспортируется по пульпопроводу на по-
верхность воды или выбрасывается за бровку траншеи по от-
водной трубе. Фрезерно-гидравлические трубозаглубители по
сравнению с гидроэжекторными могут разрабатывать более тя-
желые связные грунты.
В трубозаглубительных снарядах для механического рыхле-
ния грунта могут использоваться не только фрезы, но и раз-
личные рыхлители плужного типа.
Бестраншейные трубозаглубители при помощи гидравличе-
ских струй или вибрационного воздействия специальными виб-
раторами приводят грунт в разжиженное состояние, и трубо-
провод погружается в грунт под действием собственного веса.
В бестраншейных заглубителях используются гидравлические
струи низкого давления (5—12 кгс/см2). Совместное гидравли-
ческое и вибрационное воздействие весьма эффективно и по-
зволяет разрабатывать трудно размываемые грунты.
Бестраншейные трубозаглубители наиболее экономичны по
затрачиваемой мощности на заглубление трубопровода в пес-
чаные грунты. Однако в настоящее время в основном приме-
няются траншейные трубозаглубители, имеющие наиболее про-
137
стое конструктивное решение. Значительное сокращение сроков
строительства подводных трубопроводов и затрат на земляные
работы достигается применением трубозаглубительных снаря-
дов, осуществляющих одновременно операции заглубления тру-
бопровода и засыпку его грунтом.
При таком способе засыпки используется грунт, получае-
мый при заглублении трубопровода, и отпадает необходимость
в транспортировке грунта из другого места.
Схема заглубления трубопровода с одновременной засып-
кой, примененная в Японии, показана на рис. 7.5. В случае раз-
работки грунта на большую глубину в трубопроводе могут воз-
никнуть напряжения от его изгиба, превышающие допускаемые.
Уменьшение напряжений в трубопроводе достигается двухсту-
пенчатым или трехступенчатым способом разработки грунта
(рис. 7.6), а также креплением к трубопроводу с помощью на-
правляющих роликов специальных поплавков.
РИС. 7.5.
Схема заглубления трубопро-
вода с одновременной засып-
кой:
1 — землесос; 2 — струйные насад-
ки; 3 — заглубляемый трубопро-
вод; 4 — понтон; 5 — трубопровод
подачи воды к насадкам; 6 —
энергетическое судно; 7 — вспомо-
гательное судно; 8 — пульпопро-
вод; 9 — поплавки; 10 — патрубок
для засыпки трубопровода песком;
11 — морское дно; 12 — дно тран-
шеи
РИС. 7.6.
Двухступенчатый способ раз-
работки грунта с одновремен-
ной засыпкой трубопровода.
2 — землесос со струйными на-
садками; 3 — морское дно; 4 — за-
глубляемый трубопровод; 5 — энер-
гетическое судно; 6 — вспомога-
тельное судно; 7 — трубопровод
для подачи воды к насадкам; 8—
кабель; 9 — пульпопровод; 10 —
поплавки; И — патрубок для за-
138
Трубопровод, уложенный на морское дно, выполняет роль
направляющего устройства. Траншея установленной глубины
разрабатывается струйными насадками, в которые подается
вода от насоса, расположенного на судне, и землесосом, за-
крепленным под водой на раме непосредственно у погружае-
мого трубопровода. Разрабатываемый грунт транспортируется
по специальным трубам к участку засыпки уложенного на
заданную глубину трубопровода. Трубы, по которым транспор-
тируется грунт, поддерживаются кранами, установленными на
основном и вспомогательном судах. Основные и вспомогатель-
ные суда соединены канатами и перемещаются одновременно
с помощью якорных лебедок.
§ 7.8. ЗАГЛУБЛЕНИЕ В ГРУНТ
ПОДВОДНЫХ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Интенсивное освоение морских месторождений нефти и газа
в некоторых индустриально развитых странах требует внедре-
ния специальной техники для подводных земляных работ.
Заглубление подводных трубопроводов в морское дно на
небольших глубинах осуществляется трубозаглубительными
снарядами, а подводные земляные работы на больших глуби-
нах и в сложных гидрометеорологических условиях выполня-
ются специальной техникой.
Характеристики некоторых современных зарубежных трубо-
заглубительных снарядов приведены в табл. 7.4.
В Италии создан глубоководный земснаряд S-23, который
может работать на глубине до 60 м. Разработка траншеи осу-
ществляется фрезерным рыхлителем, обеспечивающим разра-
ботку траншеи глубиной от 0 до 2,4 м и шириной от 1,8 до
4,5 м, рабочая скорость движения снаряда —128 м/ч, произ-
водительность по грунту в зависимости от его вида — до
250 м3/ч. Земснаряд S-23 перемещается по дну при помощи двух
лебедок и тяговых тросов, прикрепленных к якорям или сваям.
В корпусе земснаряда расположены три электродвигателя для
привода рыхлителя, грунтового насоса и лебедок. По обе сто-
роны земснаряда расположены трубы длиной 10 м для транс-
портировки разрабатываемого грунта. Контроль и управление
разработкой грунта осуществляется оператором, находящимся
на земснаряде. Воздух и электропитание на земснаряд пода-
ются с обслуживающего судна.
Той же фирмой разработан подводный земснаряд В-70, ко-
торый устанавливается на предварительно уложенный на дно
моря трубопровод. Грунт разрабатывается фрезерными рыхли-
телями с последующим удалением гидроэжекцией.
Земснаряд перемещается по трубопроводу при помощи ле-
бедки с гидравлическим приводом, опираясь на салазки. За
139
ТАБЛ HUA 7.4
Параметры Струйные трубозаглубители Эжекторные трубозаглубители
М-279 (США) М-228 (США) «Кол- линз» (США «Курбо» (Фран- ция) «Япон- ское море» (Япония)
Производительность, м3/ч: в песчаных грунтах 4000 2500 340 380 135
в глинистых » 340 100 12 — —
Скорость проходки, м/ч: в песчаных грунтах 385 300 100 5—75 20—25
в глинистых » 75 30 10 — —
Диаметр заглубляемого трубопровода, мм До 1200 600—1000 200—650 300—800 350—800
Максимальная глубина воды, м 60 38 40 50 50
Вид разрабатываемых грунтов Все Пески, Пески, Пески, Песча-
Высота заглубления за один проход, м (кроме скаль- ных) До 2 илы, глины До 1,8 илы, глины 0,6—1,2 гравий 1,5 но-гли- нистые До 3
Суммарная мощность обо- рудования, л. с. 10 870 4750 940 725 380
Размеры плавучей базы, м длина 91,4 76 27 40 22
ширина 27,4 18,3 9 12 10,5
осадка 3,5 4,9 1 2,5 1,2
один проход земснаряд разрабатывает грунт на глубину до
0,9 м. Максимальная глубина погружения земснаряда — 30 м,
скорость перемещения—15—30 м/ч. Управление и энергообес-
печение земснаряда осуществляется с надводного вспомога-
тельного судна.
В Японии фирмой «Комацу» разработан подводный бульдо-
зер, предназначенный для работы на глубинах от 2 до 60 м.
Бульдозер имеет дистанционное управление, размещаемое на
судне или на берегу. Масса гусеничного трактора (на воз-
духе) — 34 т, давление на грунт (в воде) — 0,6 кгс/см2, объем
отвала — 7 м3, мощность электродвигателя—125 кВт, скорость
передвижения — 2 и 3,5 км/ч. Высокая мощность и большая
масса бульдозера обеспечивают перемещение большого коли-
чества грунта и позволяют разрабатывать твердые грунты, для
разработки которых непригодны землесосы и ковшовые зем-
лечерпалки.
Там же, в Японии, сконструирован и прошел испытания под-
водный траншейный экскаватор, предназначенный для разра-
140
ботки траншей при сооружении подводных трубопроводов, кот-
лованов под фундаменты различных морских сооружений и
дноуглубительных работ. Экскаватор перемещается по дну со
скоростью 3 км/ч и может разрабатывать грунт на глубинах
до 70 м. Масса экскаватора на суше — около 60 т, в воде —
около 50 т. Управление осуществляется двумя операторами
с надводного судна. Экскаватор может работать при скорости
течения до 3 узлов, продольном уклоне дна до 20° и попереч-
ном— до 15° Экскавация грунта ведется в полосе шириной
8,5 м по направлению его движения, толщина разрабатывае-
мого за один проход слоя грунта 3 м, в том числе 1 м вниз
и 2 м вверх от опорной поверхности гусениц ходовой части экс-
каватора. Производительность по грунту из песка с галькой и
камнями диаметром 75—90 мм около 45 м3/ч. Разработанный
грунт транспортируется по пульпопроводу к месту отвала на
дне моря или на грунтовозную баржу.
В ФРГ создана установка, предназначенная для выполне-
ния земляных работ на глубинах до 4800 м, которая может
быть использована и для разработки подводных траншей на
больших глубинах. Установка состоит из подводного экскава-
тора 4, промежуточной подводной станции 2 и надводного судна
1 (рис. 7.7). На стреле 5 длиной 15 м укреплено всасывающее
устройство 6 с механическим рыхлителем фрезерного типа.
Подъем и опускание стрелы осуществляется гидроприводом.
Экскаватор связан с промежуточной подводной станцией сило-
выми кабелями, проводами системы управления и пульпопро-
водом 3. Глубина опускания промежуточной станции принима-
ется такой, чтобы разрабатываемый экскаватором грунт в виде
пульпы поступал в нее за счет перепада гидростатического
давления. В промежуточной станции происходит разделение
грунта и воды. С надводным судном промежуточная станция
связана трубопроводом для подачи разработанного грунта на
поверхность и трубопроводами большого диаметра, служащими
для перемещения обслуживающего персонала в подводную
станцию, а также подачи необходимых материалов и прокладки
кабелей. Внутри станции поддерживается атмосферное давле-
ние, поэтому обслуживание и ремонт ее механизмов проводятся
без глубоководных скафандров.
В США создано устройство для заглубления предварительно
уложенных на дно подводных трубопроводов и кабелей. Это
устройство (рис. 7.8) состоит из рамы 4 П-образной формы.
Рама опирается на гусеницы 10, с помощью которых устрой-
ство перемещается вдоль заглубляемого трубопровода 8. Обес-
печение требуемой плавучести устройства осуществляется двумя
цилиндрическими понтонами 3. Для предотвращения погруже-
ния устройства в слабые грунты и улучшения перемещения
предусмотрены лыжи 9. Грунт разрабатывается с помощью вра-
щающихся рыхлителей 7, устанавливаемых на конце шарнир-
141
РИС. 7.7.
Установка для разработки подводных
траншей на больших глубинах
РИС. 7.9.
Схема дноуглубительного снаряда
с вращающейся штангой
РИС. 7.8.
Устройство для заглубления подводных трубопроводов и кабелей
142
ных рычагов 5 и располагаемых по обеим сторонам трубопро-
вода 8. Центробежные насосы обеспечивают всасывание пульпы
по трубам 6 и засыпку заглубляемого трубопровода из труб 2.
Управление устройством и обеспечение его энергией осуществ-
ляется с надводного судна 1.
В США сконструирован также новый тип дноуглубительного
снаряда (рис. 7.9), состоящего из судна 3 с шахтой 15, через
которую пропускается полая трубчатая штанга 13, снабженная
режущей головкой 10, станка 5 для вращения штанги и приве-
дения в действие режущей головки, системы направляющих
тросов 7 для перемещения штанги 13 с режущей головкой по
дну и эрлифтной установки для подъема на поверхность раз-
рабатываемого грунта. Для дноуглубительного снаряда реко-
мендуется использовать обычные буровые судна. Штанга 13
изготовляется из обсадных труб, применяемых при бурении
скважин, и должна иметь достаточную гибкость для обеспече-
ния максимального размера рабочей зоны 11 при фиксирован-
ном положении судна.
Направляющие тросы проходят через заанкеренные блоки 8
к втулке 12, в которой вращается штанга. Натяжение тросов
регулируется лебедками 6, установленными на судне. Блоки 8
анкеруются трубчатыми стальными сваями 9. После уста-
новки анкерных свай и блоков штанга 13 поднимается в верх-
нее положение, на ее нижнем конце устанавливаются режущая
головка 10 и втулка 12, к которой крепятся четыре конца на-
правляющих тросов 7. Вторые концы тросов закрепляются на
барабанах судовых лебедок 6 и штанга опускается в рабочее
положение. В средней части штанги устанавливается воздушный
коллектор 14, обеспечивающий работу штанги по подъему
грунта по методу эрлифта. Сверху на штангу устанавливаются
шарнирное устройство 4 и неподвижная секция трубы с раз-
грузочным желобом 2, по которому разработанный и поднятый
эрлифтом на поверхность донный материал в виде пульпы по-
ступает на баржу L Дноуглубительный снаряд удерживается
в заданном положении системой якорей или с помощью под-
руливающих устройств. Этот тип дноуглубительного снаряда
по сравнению с другими имеет некоторые преимущества, одно
из которых — возможность разработки грунта на больших глу-
бинах, достигающих нескольких тысяч футов, без заметного
снижения устойчивости судна.
Применение плавучего земснаряда при сильном волнении
представляет известные трудности (низкая концентрация
пульпы, потеря рабочего времени из-за непогоды). В Нидерлан-
дах ведутся работы над созданием шагающей платформы, с по-
мощью которой можно достичь высокой производительности
разработки твердых грунтов в условиях морских волн.
Несколько попыток проектирования дноуглубительных плат-
форм не дали желаемых результатов из-за высокой себестоимо-
143
7К J М Я Я Т А Д
РИС. 7.10.
Струйное приспособление для за-
глубления трубопровода
можно применять различные
12 3 4
сти. Основные трудности про-
екта заключались в создании
механизма перемещения плат-
формы и снижения массы уста-
новки. Первая проблема была
решена с помощью системы
роторных свай, а уменьшение
массы было достигнуто созда-
нием специального понтона.
Платформа предназначена для
разработки грунта на макси-
мальной глубине 25 м, высо-
кая производительность разра-
ботки грунта обеспечивается
установкой грунтового насоса
глубоко под водой (консистен-
ция пульпы в этом случае бу-
дет достигать 50—60% с мак-
симальным значением 80 %).
Для эффективной разработки
разных по свойствам грунтов
типы рыхлителей. Платформа
перемещается при помощи трех двойных роторных свай, макси-
мальная скорость передвижения 8,8 м/ч. При глубине всасыва-
ния грунта 25 м платформу можно поднять на 4 м выше уровня
воды.
В Англии предложена конструкция устройства для заглуб-
ления трубопроводов в грунт. К нижней части заглубляемого
трубопровода 1 (рис. 7.10) с помощью перемычек 2 жестко
крепятся две вспомогательные трубки 3 для подачи размывоч-
ной жидкости. В трубках имеются по два ряда отверстий или
насадок 4, через которые под давлением вытекают струи раз-
мывочной жидкости или водно-воздушной смеси. Струи размы-
вают грунт, и трубопровод заглубляется.
В нашей стране и за рубежом исследуются принципиально
новые методы разрушения грунта и заглубления трубопровода.
Например, использование звуковых колебаний с большой час-
тотой для псевдоразжижения грунта и погружения трубопро-
вода.
§ 7.9. РАЗРАБОТКА ТРАНШЕЙ ЭКСКАВАТОРОМ
И УСТРОЙСТВО БЕРЕГОВЫХ ТРАНШЕЙ
При глубине водоемов не более 4 м и незначительной их
ширине (до 150 м) для устройства траншей можно использо-
вать экскаватор, установленный на барже или понтоне соот-
ветствующей грузоподъемности. Экскаватор надежно закреп-
ляют на понтоне, который перемещается в створе с помощью
144
якорей. Работу ведут от одно-
го берега к другому, причем
тросы крепят непосредственно
на берегах, что позволяет раз-
рабатывать траншеи без пере-
кладки якорей. Глубину тран-
шеи контролируют промерами
с помощью наметки, а в плане
прямолинейность ее выдержи-
вают по створным знакам.
На понтоне устанавливают
четыре-пять лебедок, к кото-
рым крепят тросы от якорей
для перемещения понтона в
РИС. 7.11.
Схема разработки траншей различной
техникой:
1 — бульдозером; 2 — экскаватором; 3 —
земснарядом
нужном направлении.
При глубине водоемов 1—
1,5 м и ширине их до 100 м
возможна разработка подвод-
ных траншей экскаватором со
специальных земляных дамб.
Дамбы устраивают бульдозе-
ром с берега или отсыпкой грунта самосвалами. Делают их
шириной (по верху) 4—5 м. Лучшие материалы для дамбы —
гравелистые грунты. Верхняя площадка дамбы при гравели-
стых грунтах должна быть выше уровня воды минимум на
0,5 м, а при суглинках — на 1—1,5 м, что предохраняет дамбу
от размокания за счет капиллярного поднятия воды.
Дамбу устраивают бульдозером сначала с одного берега,
а затем с другого. Экскаватор же перемещается от одного бе-
рега к другому, убирая одновременно за собой и дамбу.
Можно рыть траншею экскаватором, продвигающимся по
дамбе, устраиваемой из грунта, выбираемого из траншеи. Грунт
из траншеи укладывается по ходу экскаватора, образуя уча-
сток насыпи, перемещающийся вместе с экскаватором.
Разработку подводных траншей на переходах с шириной по
зеркалу воды до 90 м можно выполнять двумя экскаваторами,
оборудованными драглайнами и расположенными на противо-
положных берегах. Сначала разрабатывают грунт на приурез-
ных участках, затем ковши экскаваторов соединяют между со-
бой тросом и разрабатывают русловую часть траншеи. После
разработки руслового участка ковши экскаваторов разъеди-
няют и дорабатывают траншею на береговых участках.
Устройство береговых траншей
Береговые и приурезные траншеи разрабатывают бульдо-
зерами, экскаваторами и земснарядами. Схема применения раз-
личной техники для разработки подводных и береговых тран-
шей показана на рис. 7.11.
145
Глубина траншеи на приурезном и береговом участках зави-
сит от типа руслового процесса и определяется предельной гра-
ницей размыва берегового участка. Кроме того, продольный
профиль береговой и приурезной траншей не должен обуслов-
ливать чрезмерные напряжения в трубопроводе при его из-
гибе под действием собственной массы.
§ 7.10. ОРГАНИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ПОДВОДНЫХ ТРАНШЕЙ
Перед началом разработки подводных траншей выполняют
подготовительные работы.
1. Проводят промеры глубин по проектным створам. Если
отметки дна выше указанных в проекте, глубину траншей уве-
личивают до отметок, указанных в проекте. Если фактические
отметки профиля дна ниже проектных, то трубопровод заглуб-
ляется согласно проекту, с пересчетом прежних проектных от-
меток заложения трубопровода. При значительных расхожде-
ниях проектных и фактических профилей дна все необходимые
в проекте изменения оформляются актом с участием представи-
телей заказчика и проектной организации.
2. Выполняют обследование участка дна реки или водоема
в створе перехода в полосе шириной, равной ширине траншеи по
верху, с целью выявления засоренности его посторонними пред
метами (топляки, пни, металлический лом, камни, затонувшие
суда, остатки гидротехнических сооружений и др.), а также очи-
стку зоны обследования от предметов, которые могут помешать
нормальной работе земснарядов.
3. Производят разбивку трассы перехода и установку створ-
ных знаков и водомерного поста. Обозначают места отвала
грунта установкой вех и светящихся буев. Разрабатываемый
грунт не должен мешать судоходству и нарушать установив-
шийся режим речного потока в районе перехода.
Разработка подводных траншей должна выполняться высо-
копроизводительными земснарядами, гидромониторными и гид-
роэжекционными установками. Применение малопроизводитель-
ных ручных гидромониторов и грунтососов, скреперных устано-
вок и гидромониторных установок, работающих на размыв,
допускается лишь как исключение в случае нецелесообразности
использования более производительных земснарядов.
Разработка подводных траншей земснарядами выполняется
по типовым технологическим картам производства работ.
Трубопроводы должны быть уложены в траншею сразу же
после окончания земляных работ, так как возможно занесение
траншеи наносами.
Земляные работы и укладка трубопровода должны быть за-
кончены до начала паводка.
Разработка траншеи обычно начинается на нижней по тече-
нию реки нитке перехода. При разработке траншеи верхней
146
нитки возможно использование разрабатываемого грунта для
засыпки расположенной ниже траншеи. Если два или более
трубопроводов укладывают после окончания разработки всех
траншей, то сначала разрабатывают верхнюю по течению тран-
шею, а затем в порядке очередности расположенные ниже тран-
шеи. В этом случае разрабатываемый грунт не будет сноситься
по течению и засыпать ранее разработанные траншеи.
Габариты траншеи зависят от вида, состояния и размывае-
мости грунтов, типа руслового процесса и способа разработки
траншеи.
Крутизна откосов траншей определяется по материалам
изысканий. Для предварительных расчетов крутизна откосов со-
гласно рекомендациям СНиП Ш-Д.10—72 принимается для бе-
реговых траншей по табл. 7.5, для подводных траншей — по
табл. 7.6.
Ширина траншеи по дну зависит от типов применяемых зем-
снарядов или другой техники, а также от заносимости наносами.
Во всех случаях ширина траншеи по дну должна превышать
диаметр трубопровода с балластировкой не менее чем на 1 м.
При разработке грунта канатно-скреперными установками
ширина траншеи по дну определяется конструкцией и габари-
тами ковша. Минимальная ширина траншеи при разработке
грунта установками УПГЭУ, УПГМ-360, земснарядами ТЗР-12
и 8ПЗУ составляет 3—5 м. Минимальная ширина подводных
траншей, разрабатываемых земснарядами на приурезных и бе-
реговых участках, где глубина воды на бровке траншеи меньше
осадки земснарядов, зависит от габаритов земснаряда и его
осадки.
Мощные земснаряды разрабатывают траншеи с минималь-
ной шириной 15—20 м, а на приурезных участках — 30—40 м.
Т А Б Л И Ц А 7.5
Крутизна откосов при глубине
Наименование и характеристика грунтов траншеи, м до 2 | более 2
Пески мелкозернистые 1 1,5 1 : 2
Пески средние и крупнозернистые 1 1,25 1 1,5
Суглинки 1 : 0,67 1 1,25
Гравелистые и галечниковые (гравия и гальки свыше 40%) 1 : 0,75 1 1
Глины 1 : 0,5 1 : 0,75
Разрыхленный скальный грунт 1 : 0,25 1 : 0,25
Примечания. 1. Крутизна откосов определяется с учетом грунтовых вод. 2. Для
грунтов, не указанных в табл. 7.5, крутизна откосов определяется по материалам инже-
нерных изысканий.
147
ТАБЛИЦА 7.6
Крутизна откосов при глубине
Наименование и характеристика грунтов траншеи, м до 2,5 | более 2,5
Пески пылеватые и мелкие 1 : 2,5 1 : 3
Пески среднезернистые 1 : 2 1 2,5
Пески разнозернистые 1 1,8 1 2,3
Пески крупнозернистые Гравелистые и галечниковые (гравия и 1 1,5 1 1,8
гальки свыше 40%) 1 1 1 1,5
Супеси 1 1,5 1 2
Суглинки 1 1 1 1,5
Глины 1 : 0,5 1 1
Разрыхленный скальный грунт 1 0,5 1 1
Примечание. Для грунтов, не указанных в табл. 7.6, крутизна откосов опре-
деляется по материалам инженерных изысканий.
Поэтому, несмотря на высокую производительность земсна-
рядов, используемых на дноуглубительных работах, применение
их для разработки подводных траншей не всегда экономически
целесообразно.
Глубину подводной траншеи следует принимать из условия
заглубления трубопровода ниже предельной границы размыва
дна реки на 0,5 м, считая до верха трубы.
При разработке траншей землесосными снарядами недоборы
грунта по глубине не допускаются, величина допускаемых пере-
боров зависит от производительности снарядов и определяется
по СНиП Ш-8—76.
При разработке грунта ковшовыми снарядами принимается
запас по глубине траншеи на неровность дна 15—30 см в зави-
симости от типа земснаряда и вида грунта.
При назначении габаритов траншеи на переходах через
реки с интенсивными донными наносами и легкоразмываемыми
грунтами следует учитывать изменение поперечного профиля
траншеи (уполаживание откосов и повышение отметок дна
траншеи). Деформация поперечного профиля траншеи происхо-
дит в результате оползания откосов и воздействия руслового
потока.
Оползание откосов происходит в основном в течение несколь-
ких суток после образования траншеи: откосы уполаживаются
и глубина траншеи уменьшается при неизменном поперечном
сечении траншеи. При большой скорости разработки траншеи
(применении высокопроизводительных снарядов) угол заложе-
ния мгновенного откоса (сразу же после окончания разработки)
может быть в несколько раз меньше угла заложения установив-
шегося откоса (после оползания откосов).
148
Воздействие руслового по-
тока на деформацию подвод-
ных траншей зависит от ско-
рости течения, глубины пото-
ка, крупности песчаных частиц
и проявляется в виде размыва
низового откоса и занесения
траншеи наносами.
Если скорости течения реки
меньше неразмывающих ско-
ростей, траншея остается срав-
нительно устойчивой и дефор-
мации ее незначительны. При
скоростях течения выше не-
размывающих профиль попе-
речного сечения траншеи из-
меняется во времени и тран-
шея заносится наносами. На-
РИС. 7.12.
Схема деформации откосов подвод-
ной траншеи:
I, II, III, IV — последовательные положе-
ния откосов траншеи в процессе ее пере-
формирования
носы откладываются на вер-
ховом откосе с одновремен-
ным размывом и уполажива-
нием низового откоса траншеи (рис. 7.12).
Заносимость траншеи учитывается при ее разработке путем
увеличения глубины и ширины по дну, рациональной после-
довательностью разработки отдельных участков траншеи
(участок, подвергающийся интенсивному заносу, разраба-
тывается в последнюю очередь) или повторной проходкой зем-
снаряда по траншее непосредственно перед укладкой трубо-
провода.
Подводные траншеи засыпают песком, гравием или теми же
грунтами, из которых сложено русло. Перед засыпкой траншеи
проверяют высотные отметки уложенного трубопровода. Факти-
ческие отметки верха трубы не должны превышать 10 см про-
ектных отметок. Засыпку траншей можно выполнять земснаря-
дами, предназначенными для разработки траншей. Вид грунта,
а также способ засыпки траншеи определяются проектом.
§ 7.11. ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
ПОДВОДНЫХ ТРАНШЕЙ
Взрывные работы применяются для разрушения скальных
грунтов, крупных камней, валунов и других подводных предме-
тов, которые невозможно удалить обычными способами. Взрыв-
ные работы используются также и для разработки траншей на
заболоченных пойменных и мелководных участках перехода,
когда применение земснарядов или другой специальной тех-
ники экономически нецелесообразно или не представляется воз-
можным.
149
С помощью взрывов производят предварительное рыхление
скальных грунтов с последующей уборкой разрушенного грунта
или разработку траншеи взрывами на выброс.
Преимуществом взрывного способа является незначительная
продолжительность разработки подводной траншеи, а недостат-
ками— сложность транспортировки и хранения взрывчатых ве-
ществ, нанесение ущерба рыбному хозяйству.
Следует отметить, что в настоящее время применение взрыв-
ных работ при строительстве подводных трубопроводов допус-
кается только в исключительных случаях и в небольших объ-
емах.
Взрывной способ целесообразно использовать на заболочен-
ных пойменных участках и болотах в случае невозможности
применения других способов.
Разработка траншеи выполняется в два этапа. Сначала по
оси перехода разрабатывают зарядные воронки или траншеи
с помощью удлиненных горизонтальных зарядов малого диа-
метра или сосредоточенных зарядов небольшой массы. Если
верхний покров болота не позволяет втапливать удлиненные за-
ряды на 20—30 см, то для образования зарядных траншей при-
меняются скважинные или шпуровые заряды.
Затем в зарядные воронки (траншеи) укладывают согласно
расчету основные удлиненные горизонтальные или сосредоточен-
ные заряды, взрыванием которых образуется траншея заданного
профиля.
Метод сосредоточенных зарядов применяется для разработки
траншей на поросших лесом или открытых болотистых участках
с торфянистыми, суглинистыми, песчаными и гравелистыми
грунтами.
Метод удлиненных горизонтальных зарядов применяется для
разработки траншеи с основанием из минеральных грунтов или
с ровными дном и откосами.
Разработка траншей на болотистых участках с допускаемым
удельным давлением на поверхности 0,1—0,3 кгс/см2 (болота I
и II типов) может проводиться скважинными зарядами.
В качестве взрывчатых материалов для разработки подвод-
ных и обводненных траншей целесообразно применять водо-
устойчивые гранулированные, шнековые, натренированные или
россыпные ВВ (гранулированный тротил, алюмотол, водоустой-
чивые аммониты и др.).
При использовании неводоустойчивых ВВ заряды следует
гидроизолировать целлюлозной битуминизированной бумагой
или металлическими, полиэтиленовыми и пергаментными обо-
лочками.
Производство взрывных работ связано с возможностью по-
ражения находящихся в опасной зоне людей, механизмов и ин-
женерных сооружений ударными, воздушными и сейсмическими
волнами, гидравлическим ударом, осколками и обломками раз-
150
рушаемого взрывом материала. Минимальное значение безопас-
ных расстояний г в зависимости от условий взрывания согласно
«Единым правилам безопасности при взрывных работах» при-
нимается следующим: дноуглубительные работы без ледяного
покрова на поверхности водного бассейна при взрывании не-
скальных грунтов г:>100 м, при взрывании скальных грунтов
шпуровыми зарядами г^50 м и накладными зарядами массой
до 100 кг г^200 м.
При производстве взрывных работ под водой пребывание
в ней водолазов и других лиц не допускается в радиусе 1000 и
2000 м при массе зарядов соответственно до 50 и свыше 50 кг.
Для предупреждения судов о проведении взрывных работ необ-
ходимо выставлять сигналы на расстоянии не менее 200 м от
границы опасной зоны. Суда, идущие против течения реки, оста-
навливаются не менее чем за 1800 м от места взрыва, а суда,
идущие по течению,— за 1000—1500 м.
ГЛАВА 8. УКРЕПЛЕНИЕ БЕРЕГОВ В СТВОРАХ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Укрепление берегов — заключительный этап строительства
подводных трубопроводов. Основное значение берегоукрепле-
ния— защита береговых и приурезных участков от значитель-
ных деформаций в период эксплуатации трубопроводов.
Берегоукрепление, связанное с восстановлением нарушенных
естественных склонов берегов разработкой траншей, выполня-
ется на всех переходах.
В зависимости от типа руслового процесса, воздействия
льда, волн и течений, наличия местных строительных материа-
лов могут применяться различные конструкции берегоукреп-
лений.
По конструкции берегоукрепительные сооружения подразде-
ляются на набросные, плитные, тюфячные, с применением ка-
менного мощения, отсыпки гравия и щебня, хвороста, посева
трав и посадки кустарников.
§ 8.1. НАБРОСНЫЕ, ПЛИТНЫЕ
И ТЮФЯЧНЫЕ КРЕПЛЕНИЯ
Набросные крепления
Набросные крепления выполняют из рваного камня и раз-
личных бетонных блоков.
Каменная наброска — один из наиболее распространенных
способов крепления береговых откосов рек, водохранилищ и
каналов. Особенно широко каменная наброска применяется
в районах, где камень является местным строительным мате-
риалом.
Крупность камня и толщина слоев наброски принимаются
в зависимости от высоты волны, ледовых условий и производ-
ства работ.
Применение мелкого камня (размерами 10—15 см) не обес-
печивает устойчивости откоса — такие камни легко перемеща-
ются от волнового воздействия. Камни крупных размеров
(свыше 70 см) образуют большие щели, обусловливающие раз-
рушение откоса. Для получения большей плотности наброски
принимаются камни разного размера.
Крепление каменной наброской состоит из слоя камня и об-
ратного фильтра или дренирующего слоя (подготовки) из песка,
щебня и гравия. Обратный фильтр предотвращает вымывание
152
грунта из-под камней и выполняется однослойным или много-
слойным.
Каменная наброска применима для крепления подводных и
надводных откосов и способна выдерживать неравномерную
осадку откосов. При больших объемах работ каменную на-
броску по откосу опирают на упорную призму, предохраняющую
крепление от подмыва и оползания.
Институтом Гипроречтранс МРФ РСФСР разработан типо-
вой проект конструкции берегоукрепления в виде наброски из
камня (рис. 8.1) для следующих условий: высота подводного
откоса от 2 до 6 м, расчетная высота судовой волны до 1 м, вет-
ровой волны от 0,7 до 2 м, заложение откоса от 1 :2,5 до 1 :4,
слагающие укрепляемый откос грунты — песчаные и глинистые,
ледовые условия — толщина льда до 1 м. На рис. 8.1, а показана
конструкция берегоукрепления в виде каменной призмы с зало-
жением откоса 1 1,25 на двухслойной или однослойной (в зави-
симости от грунтов основания) гравийной или щебеночной под-
готовке, а на рис. 8.1, б — конструкция берегоукрепления в виде
РИС. 8.1.
Конструкция крепления откосов каменной наброской:
а — в виде каменной призмы; б — в виде слоя камня; 1 — крепление дна щебнем или
гравием; 2 — наброска камня; 3 — упор; 4 — покрытие надводного откоса; 5 — подсыпка
откоса песчаным грунтом; 6 — двухслойная подготовка из гравия или щебня и крупно-
зернистого песка; 7 — подготовка под каменную наброску из разнозернистого гравия
или щебня и крупнозернистого песка; 8 — наброска камня слоем в зависимости от вы-
соты волны; 9 — граница основного крепления; 10 — облегченное крепление дна и от-
коса камнем на слое разнозернистого гравия или щебня
153
слоя камня, уложенного с уклоном, равным проектному уклону
основания, на однослойную или двухслойную подготовку.
В некоторых случаях для защиты откосов может приме-
няться каменная наброска, укладываемая в ящики или клетки
из различных материалов или мешки из проволочной сетки.
Ящики или мешки, заполненные камнем, называются габио-
нами.
Габионы длиной 1,5—2,0 м, шириной 7з длины, высотой
7в—7ю длины укладывают длинной стороной параллельно урезу
воды. Габионы обладают гибкостью, не разрушаются при нерав-
номерных осадках грунта, свободно пропускают воду и удержи-
вают грунт. Разрушительное воздействие на габионы оказывает
коррозия и истирание проволочной сетки наносами. Крепление
откосов габионами отличается большой прочностью и устойчи-
востью по сравнению с каменной наброской.
Для защиты берегов от волновых воздействий может приме-
няться наброска из фасонных блоков: тетраподов и диподов. Фа-
сонные блоки обладают высокими волногасящей способностью
и устойчивостью, имеют меньшую массу (обычно 1,5; 3,5; 5,0 т и
более в зависимости от высоты волны) по сравнению с обыч-
ными блоками и рекомендуются для крепления берегов при вы-
соте волн более 2 м.
Плитные крепления
Плитные крепления применяют для защиты откосов каналов,
берегов рек и водохранилищ, их выполняют из железобетонных
и асфальтовых плит.
Крепление из монолитных железобетонных плит состоит из
слоя армированного бетона, разделенного швами на плиты, и
обратного фильтра или подготовки из щебня и гравия.
Швы выполняются из антисептированных досок, являющихся
опалубкой при укладке бетона. Перед укладкой бетона верхнюю
и нижнюю арматурные сетки устанавливают на подкладки. Уло-
женный бетон уплотняют вибраторами. Толщина плит зависит
от расчетных нагрузок и крутизны откосов. Чтобы исключить
перемещение плит по откосу в нижней его части устраивают
упорную призму из камня или специального железобетонного
бруса или заборки из деревянного шпунта.
Монолитные плиты рассчитаны на воздействие волны высо-
той до 3 м и льда толщиной до 1 м.
Крепления из сборных железобетонных плит по сравнению
с монолитными имеют ряд преимуществ: плиты изготавливаются
на специализированных заводах железобетонных конструкций
и имеют высокое качество, а на участке закрепления берега вы-
полняется только монтаж.
В креплениях из сборных разрезных железобетонных плит
применяются плиты различных размеров и форм: прямоуголь-
ные, шестиугольные, ребристые, сплошные и с отверстиями.
154
РИС. 8.2.
Укрепление откосов сборными
разрезными железобетонными
плитами:
а — разрез; б — план; 1 — сборные
плиты; 2 — крупный щебень или
гравий толщиной слоя 15 см; 3 —
мелкий щебень или гравий толщи-
ной слоя 10 см; 4 — крупный пе-
сок толщиной слоя 10 см; 5 — ка-
менная призма с бетонным упором;
6 — соединение плит
На рис. 8.2 представлена схема крепления откосов сборными
разрезными железобетонными плитами по типовому проекту ин-
ститута Гипроречтранс. Плиты размером 2,5x3,0 и 3,0X3,0 м,
толщиной стенки соответственно 15 и 20 см, массой 2,75—4,5 т
укладывают на откосы с трехслойным обратным фильтром.
Между собой плиты скрепляют хомутами, создающими шарнир-
ное соединение, или сваркой выпусков арматуры. Плиты упи-
раются в каменную призму или упорную железобетонную
плиту. Плиты рассчитаны на воздействие волн высотой до 1,5 м
льда толщиной до 0,6 м.
Асфальтобетонные покрытия отличаются пластичностью, во-
донепроницаемостью, быстрым твердением, отсутствием обрат-
ных фильтров, невысокой стоимостью, простотой ремонта в пе-
риод эксплуатации, а кроме того, они не разрушаются при бы-
стрых изменениях уровней воды.
Изготовление асфальтобетонных покрытий полностью меха-
низировано.
Наряду с перечисленными достоинствами асфальтобетон
имеет и недостатки. Он растворяется нефтепродуктами, моно-
литность его нарушается прорастающими растениями, он недо-
статочно морозостоек в суровых климатических районах.
Асфальтобетонные покрытия могут быть монолитными или
сборными. При монолитном покрытии асфальтобетон наносят на
спланированный и уплотненный откос. Перед нанесением по-
крытия на откосах, сложенных глинистыми и пылеватыми грун-
тами, устраивают песчано-гравийную подготовку толщиной не
менее 10 см. Монолитные асфальтовые покрытия, укладываемые
155
на откосы с крутизной более 1 :3, выполняются армирован-
ными.
Сборные асфальтовые покрытия изготовляются в виде арми-
рованных плит в специальных формах, кассетах или на стендах.
После укладки на откос плиты соединяют сваркой арматур-
ных выпусков с последующим заполнением швов горячей битум-
ной мастикой или асфальтовой смесью. На подводном откосе
плиты укладывают внахлестку.
Тюфячные крепления
Для берегоукреплений в створах подводных трубопроводов
могут применяться гибкие тюфячные покрытия из бетонных и
железобетонных плит и блоков, асфальтовых матов, хворостя-
ных и камышитовых тюфяков и синтетических материалов.
Благодаря гибкости тюфячные крепления при размывах, про-
садках или выпучивании грунта следуют профилю своего осно-
вания и продолжают оставаться надежной защитой. Тюфячные
покрытия предназначаются в основном для защиты дна и бере-
гов рек от размывающего гидродинамического воздействия те-
чений, а некоторые из них— и от волнового воздействия.
Бетонные и железобетонные тюфяки состоят из шарнирно
связанных плит и блоков. Шарниры представляют собой петле-
вые или кольцевые соединения, выполненные из арматурных
стержней и позволяющие отдельным элементам крепления (бло-
кам и плитам) вращаться в одном или нескольких направ-
лениях.
Для укладки гибкие бетонные тюфяки длиной, равной ши-
рине укрепляемого откоса, наматывают на барабаны. Барабаны
с помощью крана, установленного на барже, размещают на
верхний край укрепляемого откоса. Конец тюфячной ленты за-
крепляют за верхний береговой упор или сваю, барабан скаты-
вается в воду, и лента расстилается по откосу.
§ 8.2. КРЕПЛЕНИЕ ИЗ ХВОРОСТА
И КАМЕННОЕ МОЩЕНИЕ ОТКОСОВ
Крепление из хвороста обладает гибкостью, продолжитель-
ным сроком службы при постоянном пребывании под водой,
сохранностью конструкции при деформациях основания.
К недостаткам креплений из хвороста относятся большая
трудоемкость и невозможность полной механизации их изготов-
ления, незначительный срок службы в условиях попеременного
затопления и высыхания, а также недостаточная устойчивость
при воздействии ледохода. Поэтому хворостяные покрытия при-
меняются в основном как временные.
Простейший вид хворостяных покрытий — хворостяная вы-
стилка, состоящая из двух-трех слоев хвороста, поверх которого
протягиваются прутяные канаты, прикрепляемые к грунту иво-
156
выми кольями. Для обеспечения устойчивости на всплытие хво-
ростяную выстилку пригружают через одну или две клетки кам-
нями. Прорастание хвороста и кольев увеличивает защитные
свойства крепления.
Для крепления откосов могут быть использованы хворостя-
ные тюфяки и камышитовые ковры. Хворостяной тюфяк толщи-
ной 30—50 см изготовляют из слоев хвороста, зажатых между
двумя сетками с ячейками 1X1 м из проволоки диаметром 6 мм.
Узлы сетки стягиваются между собой проволокой диаметром
2—3 мм.
Камышитовый ковер состоит из несущего каркаса — сварной
арматурной сетки 1X1 м и камышитовых полотен толщиной
10 см и шириной 2 м, на которые укладывают фашины диамет-
ром 30 см с ячейками 141X141 см. Узлы пересечения фашин
прикрепляют к арматурной сетке скрутками из оцинкованной
проволоки. Хворостяные тюфяки и камышитовые ковры пригру-
жают камнем.
В некоторых случаях для берегоукрепления применяют фа-
шинную и плетневую клетки. Плетневые клетки загружают кам-
нем, гравием, грунтом или закрепляют кольями из ивы свежей
рубки.
Мощение откосов камнем выполняют в один или два слоя,
в верхний слой укладывают более крупный камень. Для моще-
ния используется рваный, колотый или плиточный камень с тща-
тельной подгонкой и укладкой камня вприжим.
Камни подбирают по высоте и форме такими, чтобы поверх-
ность кладки не имела значительных неровностей и зазоры в уг-
лах между камнями были наименьшими.
Крепление мощением состоит из слоя камня толщиной 25—
35 см и обратного фильтра (слоя щебня толщиной 15 см, камен-
ной крошки— 10 см и песка— 10 см).
Мощение откосов камнем выполняется вручную (не подда-
ется механизации), весьма трудоемко и поэтому в настоящее
время применяется редко.
§ 8.3. УКРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ БЕРЕГОВ РЕК
И ВОДОХРАНИЛИЩ ОТСЫПКОЙ ГРАВИЯ И ЩЕБНЯ,
ПОСАДКОЙ КУСТАРНИКОВ И ТРАВ
Береговые и приурезные откосы в створах подводных трубо-
проводов могут быть укреплены гравийной, гравийно-галечнико-
вой или щебеночной отсыпкой слоем 0,3—1 м. Укрепляемый от-
кос для обеспечения устойчивости материала отсыпки должен
быть более пологим по сравнению с откосами, укрепляемыми
другими способами, поэтому площадь крепления увеличивается.
Перед нанесением отсыпки тщательной планировки грунта от-
коса не требуется.
157
Берегоукрепление гравийной и гравийно-галечниковой от-
сыпкой отличается незначительной стоимостью и простотой ре-
монта, добыча и укладка материала засыпки могут быть пол-
ностью механизированы.
Однако следует отметить, что крепления из гравия и других
мелкообломочных материалов более подвержены разрушению
от воздействия волн, течения и ледохода по сравнению с камен-
ными и бетонными.
Гравийная, гравийно-галечниковая и щебеночная отсыпки
используются при срочной защите береговых и приурезных уча-
стков от размывов в период эксплуатации подводных трубопро-
водов, а также в качестве временной защиты (в течение
5—10 лет с последующими ремонтами крепления) трубопро-
водов.
Например, эффективным оказалось берегоукрепление гра-
вийной отсыпкой на многониточном переходе газопровода через
р. Оку. В течение пяти лет оно не подверглось значительному
разрушению, а применение других способов защиты трубопро-
водов от размыва на данном участке реки было затрудни-
тельным.
Посадка растительности (биологическая защита) в некото-
рых случаях может быть эффективной и заменить более дорого-
стоящие типы берегоукрепления. При прорастании кустарника
корневая система, ветви и листья защищают береговые откосы
от воздействия течения и волн, кустарник увеличивает шерохо-
ватость русла, снижает скорость потока и смягчает удары льдин.
Для затапливаемых откосов в основном применяются ивовые
посадки. Окрепшие посадки выдерживают скорости течения до
1—1,5 м/с.
Надводные откосы, затапливаемые только в паводок, могут
укрепляться посевом трав и одерновкой. Посевы трав и одер-
новка защищают откосы от размыва дождевыми водами и вет-
ровой эрозии. Песчаные и глинистые грунты откосов перед по-
севом трав покрывают слоем растительной земли толщиной
10—20 см.
§ 8.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕРЕГОУКРЕПЛЕНИИ.
НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА БЕРЕГОУКРЕПЛЕНИЯ
Проектирование берегоукреплений включает: определение
границ крепления, расчет на возможные эксплуатационные на-
грузки, проверку общей устойчивости укрепляемого откоса и
расчет отдельных элементов покрытий на монтажные и транс-
портные нагрузки.
Расчеты конструкций берегоукреплений и их элементов вы-
полняют по методу предельного состояния в соответствии с тре-
бованиями Строительных норм и правил, расчеты креплений от-
158
косов производят в условиях плоской задачи (ширина полосы
крепления принимается равной 1 м).
На берегоукрепления могут воздействовать в различных со-
четаниях постоянные, временные и кратковременные нагрузки.
К постоянным нагрузкам относятся: собственный вес элемен-
тов крепления и вес грунта, входящего в конструкцию крепле-
ния, активное давление грунта.
К временным нагрузкам (длительным и кратковременным),
определяющим основные размеры элементов крепления, отно-
сятся: волновое давление, напорное давление, возникающее при
понижении уровня воды от движения судов, ледовые и снеговые
нагрузки, напорное гидростатическое давление, обусловленное
колебаниями уровней воды и подпором грунтовых вод.
К особым нагрузкам относятся: навал судов, ледовые на-
грузки, вызванные катастрофическим повышением или пониже-
нием уровня воды в зимнее время, напорное гидростатическое
давление при катастрофическом понижении уровня воды на во-
дохранилище или судоходном канале.
Нагрузки от навала судов необходимо учитывать только на
участках, где имеется наибольшая вероятность их появления
(на поворотах рек со значительными скоростями течения и ин-
тенсивным судоходством). Кроме того, на берегоукрепление ока-
зывает влияние размывающее гидродинамическое воздействие
течений, коррозийное действие воды и окружающей среды, тем-
пературные воздействия.
Воздействие ветровых и судовых волн, параметры волн (вы-
сота и длина волны), расчетные эпюры волнового давления при-
нимаются по рекомендациям, приведенным в СНиП П-57—75.
От воздействия льда могут возникать следующие нагрузки:
динамическая от удара отдельно плавающих льдин (ледяного
поля), статическая от сплошного ледяного покрова при его тер-
мическом расширении, статическая от начала ледяного поля или
заторных масс льда под влиянием ветра или течения, статиче-
ская от примерзшего к креплению откоса ледяного покрова при
колебании уровней воды в зимний период, истирающее воздей-
ствие льда вследствие трения движущихся льдин о поверхность
берегоукрепления.
Нагрузки от воздействия льда при проектировании берего-
укреплений откосов водохранилищ, рек и озер определяются
в соответствии с рекомендациями СНиП П-57—75.
Расчет креплений в виде каменной наброски включает: опре-
деление массы отдельных камней и их крупности в верхнем слое
наброски [1], определение общей толщины слоя наброски, числа
слоев и толщины каждого слоя, выбор размера и состава об-
ратного фильтра или подготовки под каменную наброску, опре-
деление размеров упора (упорной каменной призмы).
Расчет креплений из плит и гибких тюфяков приведен в ра-
боте [1]. Предварительная толщина креплений из плит в зависи-
159
ТАБЛИЦА 8.1
Вид плиты ЦТолщина плиты, см Высота волны, м, не более Толщина льда, м, не более
Монолитные 15 1,5 0,4
20 2,0 0,6
30 2,5—3,0 1,0
Омоноличенные по контуру, ненапря- 10 1,0 0,4
женные 15 2,0 0,6
20 2,5 0,8
Омоноличенные по контуру, предвари- 10 1,5 0,6
тельно напряженные 15 2,0 0,8
20 3,0 1,0
Т А Б Л И Ц А 8.2
Скорость течения, м/с Толщина плит (в см) при высоте волны, м до 1 | 1,0*1,3 | 1,3*1,75
До 1 1—2 2-3 10 12 15 12 12 15 15 15 15
мости от высоты волны и толщины льда принимается по
табл. 8.1, а предварительная толщина плит тюфяка в зависимо-
сти от скорости течения воды и высоты волны в водоеме — по
табл. 8.2.
§ 8.5. РАЗРУШЕНИЕ БЕРЕГОУКРЕПЛЕНИИ В ПЕРИОД
ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Разрушение укрепленных откосов может произойти вслед-
ствие потери устойчивости грунтового массива, слагающего
откос, и потери устойчивости конструкции берегоукрепления
при сдвиге его по поверхности контакта с грунтом откоса.
Нарушение устойчивости массивов грунта обусловливается
увеличением внешних воздействий (увеличение массы грунта
вследствие насыщения водой во время продолжительных дож-
дей и наводнения, появление фильтрационных сил и др.) и
уменьшением сопротивления грунта сдвигу. Расчет устойчиво-
сти откосов приводится в литературе по механике грунтов.
Правильно спроектированное и качественно выполненное бе-
регоукрепление обеспечивает надежную защиту береговых уча-
стков трубопровода от размыва в течение 5—15 лет в зависи-
мости от типа крепления. По истечении проектного срока
160
эксплуатации в результате накопления повреждений берего-
укрепление может интенсивно разрушаться. В некоторых слу-
чаях могут происходить преждевременные нарушения крепле-
ний в результате изменения условий эксплуатации (увеличение
нагрузок).
Разрушение берегоукреплений происходит в такой последо-
вательности: вынос основания и фильтра из-под крепления, про-
садка крепления, размыв и обрушение берега.
Повреждение каменных набросных креплений начинается
с выноса мелких частиц основания или фильтра на участке не-
сколько выше уреза воды от воздействия волн. С течением вре-
мени вынос из-под крепления частиц грунта и фильтра увеличи-
вается, каменное покрытие оползает (камни концентрируются
вдоль уреза воды), земляной откос подвергается воздействию
волн и течений, а затем разрушается.
Откосы, сложенные из супесей и песков, размываются более
интенсивно по сравнению с откосами из суглинистых грунтов.
Срок службы каменных набросных креплений существенно за-
висит от качества выполнения берегоукрепительных работ. Не-
качественная отсыпка камня с большими промежутками (ще-
лями) между камнями ускоряет вымыв фильтра и последующую
деформацию покрытия.
Основная причина разрушения креплений из плит — наличие
открытых швов между плитами (вследствие некачественной их
заделки), недостаточное уплотнение грунта откоса и значитель-
ная жесткость покрытия. Разрушение берегоукреплений из же-
лезобетонных плит начинается с выноса мелких частиц обрат-
ного фильтра через открытые швы между плитами в приурезной
зоне от волнового воздействия. Пустоты под плитами постепенно
увеличиваются и заходящая в них вода вызывает перемещение
вниз по откосу более крупных частиц фильтра и размыв грунта
откоса. С увеличением области размыва под покрытием плиты
обваливаются.
Разрушение каменных и железобетонных креплений харак-
теризуется следующими четырьмя стадиями [1]: растройство
крепления, разрушение крепления, размыв тела откоса и опол-
зень крепления.
§ 8.6. РЕМОНТ БЕРЕГОУКРЕПЛЕНИЙ
Поскольку срок эксплуатации подводных трубопроводов мо-
жет значительно превышать проектный срок эксплуатации бе-
регоукреплений, для защиты трубопроводов от размыва необхо-
димо проводить ремонт крепления. Сохранность берегоукрепле-
ния и увеличение срока его эксплуатации достигаются выпол-
нением текущих и капитальных ремонтов.
Текущий ремонт включает устранение мелких повреждений
для предотвращения дальнейшего разрушения берегоукрепле-
161
ния. Капитальный ремонт заключается в замене поврежденных
или изношенных конструкций креплений новыми или более со-
вершенными и экономичными.
Аварийный ремонт проводится при повреждении крепления
паводковыми или ливневыми водами, ледоходом и др. Если по-
вреждение крепления вызывает предаварийное состояние под-
водного трубопровода, то аварийный ремонт выполняется не-
медленно после обнаружения повреждения крепления.
На основании результатов периодических обследований бе-
регоукреплений, входящих в состав общего обследования со-
стояния подводного трубопровода, устанавливаются причины,
обусловливающие повреждение креплений (некачественное вы-
полнение работ, отступление от проектных решений производ-
ства работ, пригодность принятого типа крепления для данных
местных условий, недостаточно полный учет силовых воздей-
ствий на крепления и др.). Решается вопрос о целесообразности
большей врезки трубопровода в размываемый берег и конструк-
тивном изменении крепления.
В акте на ремонт берегоукрепления указываются: характе-
ристика крепления, причины повреждений, объемы и площади
повреждений крепления, объем необходимых для ремонта ма-
териалов, грунта, гравия, камня или железобетонных плит, кон-
структивные изменения крепления, сроки и способы производ-
ства работ.
При капитальном ремонте креплений из плит обвалившиеся
плиты снимают с помощью крана, выравнивают откос и отсы-
пают на него песок. После уплотнения песка на откос отсыпают
гравийный фильтр, по которому укладывают плиты, сваривают
закладные детали и заполняют швы между плитами цементным
раствором. В случае необходимости восстанавливаются и упоры
крепления.
При ремонте крепления из каменной наброски восстанавли-
вают нарушенный обратный фильтр, от которого в значитель-
ной степени зависит устойчивость крепления, а затем выпол-
няют каменную отсыпку.
Состав и толщину обратного фильтра креплений принимают
в соответствии с «Инструкцией по проектированию обратных
фильтров гидротехнических сооружений».
При ремонте каменного мощения очаги разрушения в виде
промоин засыпают гравием или каменной мелочью, по которой
затем выполняют каменную выкладку.
Ремонт одернованных и залуженных откосов заключается
в восстановлении поврежденных участков крепления. Ремонт
одерновки обычно проводится осенью или ранней весной. На
взрыхленную поверхность откоса наносят слой растительного
грунта толщиной не менее 4 см. При одерновке в клетку сво-
бодное пространство засыпается семенами многолетних трав.
ГЛАВА 9. ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖНЫХ РАБОТ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
§ 9.1. ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ
До начала сооружения подводного перехода выполняются
определенные организационные мероприятия и подготовитель-
ные работы. Строительство переходов ведется по планам и гра-
фикам, увязанным во времени с сооружением трубопровода на
сухопутной трассе, для исключения возможных задержек при
продувке и испытании магистрального трубопровода. Обычно
сооружение подводного перехода опережает работы по укладке
трубопровода на линейных участках трассы.
Основные положения организации строительства переходов
разрабатываются проектной организацией и формулируются
в проекте организации строительства (ПОС) подводных пере-
ходов магистрального трубопровода. ПОС включает: календар-
ный план строительства перехода с указанием очередности и
сроков выполнения основных и подготовительных работ, а также
распределения капитальных вложений и объемов работ по эта-
пам строительства и по времени; строительный генеральный
план с условными обозначениями основной ситуации, располо-
жением постоянных и временных сооружений; сводную ведо-
мость объемов строительно-монтажных работ; графики потреб-
ности в строительных конструкциях, изделиях, материалах и
оборудовании, основных машинах и механизмах и рабочих кад-
рах; пояснительную записку, содержащую описание характери-
стики перехода, обоснование методов производства работ, обос-
нование потребности в необходимых материально-технических
ресурсах и источниках их покрытия.
Строительная организация до начала работ по сооружению
перехода выполняет в соответствии с утвержденным техниче-
ским проектом следующие организационно-технические меро-
приятия: уточняет сроки и способы производства работ, заклю-
чает подрядные и субподрядные договора и оформляет финан-
сирование работ, составляет проект производства работ (ППР)
на строительство перехода. Исходными данными для разработки
ППР являются сводная смета, ПОС, рабочие чертежи; данные
о сроках поставки труб, сварочных, изоляционных и других ма-
териалов и оборудования, о наличии материально-технических
ресурсов.
163
В состав ППР на строительство подводного перехода входят:
календарный график производства работ, график поступления
на объект труб, балластных грузов и основных материалов, гра-
фик потребности в строительных машинах, механизмах и пла-
вучих средствах, типовые проекты временных технологических
сооружений (причалов, складов, линий энергоснабжения и
связи, водоснабжения), технологические схемы и карты произ-
водственных операций (сварки и изоляции труб, разработки
траншеи и укладки трубопроводов), график движения рабочей
силы, перечень мероприятий по технике безопасности, поясни-
тельная записка с необходимыми расчетами и обоснованиями
принятой технологии строительства перехода.
Для несложных подводных переходов ППР составляют уп-
рощенно с привязкой к участку сооружения перехода типовых
технологических схем и решений. В этих случаях ППР может
включать строительный генеральный план, календарный график
работ, технологические схемы по основным видам работ и крат-
кую пояснительную записку.
Календарный график производства работ является основным
документом, по которому координируется во времени выполне-
ние всех работ по сооружению перехода, ведется оперативное
планирование и учет выполненных работ. При составлении ка-
лендарного графика окончание основных работ по монтажу тру-
бопровода должно быть приурочено к окончанию устройства
подводной траншеи во избежание ее заносимости.
Для строительства подводного перехода предусматриваются
следующие временные и вспомогательные сооружения: трубо-
сварочный стенд, склад ГСМ, склад материалов открытого хра-
нения (трубы, битум, металл, балластные грузы), склад мате-
риалов закрытого хранения (метизы, изоляционный материал,
электроматериалы), временные дороги, причалы для плав-
средств и паромная переправа, водомерный пост, площадка для
стоянки техники, временное хранилище для ампул, механиче-
ская мастерская, электростанция, контора, магазин, столовая,
жилые помещения, санузел и культурно-бытовые помещения.
Состав временных сооружений определяется ПОС и уточняется
ППР.
Для сокращения сроков строительства под бытовые, хозяй-
ственные и вспомогательные помещения следует использовать
инвентарное оборудование. Все сооружения на строительной
площадке размещаются с соблюдением требований санитарного
надзора и пожарной безопасности. Размещение и обустройство
складов горючего и хранение радиоактивных изотопов осуще-
ствляются в соответствии со специальной инструкцией.
На строительной площадке обычно выполняют почти все
виды работ по сооружению перехода: подготовительные работы,
транспортировку, разгрузку и складирование труб, изоляцион-
ных материалов, балластных грузов и т. д.; сварку труб в звенья
164
и секции; очистку поверхности труб и нанесение усиленной
изоляции; балластировку труб; земляные работы по устрой-
ству береговых и подводных траншей; испытание и укладку
трубопровода; засыпку траншеи и берегоукрепительные ра-
боты.
При выборе строительной площадки следует учитывать на-
личие удобных подъездных путей к ней и к урезу воды, доста-
точную незатопляемую территорию для размещения основных
вспомогательных сооружений и выполнения сварочно-монтаж-
ных, изоляционно-укладочных и других работ. Если нет необхо-
димой территории для строительной площадки на берегу
у створа перехода, ее размещают на некотором расстоянии от
него. В этом случае возможен метод укладки с буксировкой сек-
ций или плетей труб в створ перехода.
Повышение уровня индустриализации строительства подвод-
ных переходов можно достичь методом монтажа подводных тру-
бопроводов из готовых элементов, выполненных в стационарных
условиях. На централизованных строительных площадках или
базах производится сварка, очистка, изоляция и балластировка
сплошным бетонным покрытием секций (плетей) труб, которые
затем транспортируются в створ перехода. В стационарных ус-
ловиях в большей мере механизирован технологический процесс,
легче осуществляется технический контроль, благодаря чему
обеспечивается высокое качество работ и повышается надеж-
ность подводного перехода, снижаются трудовые затраты и со-
кращаются сроки строительства.
Перед началом строительно-монтажных работ строительная
организация производит приемку створа перехода, закреплен-
ного створными знаками и реперами, устанавливает временный
водомерный пост с привязкой его к реперу; осуществляет про-
верку и разбивку углов поворота, закрепление на местности всех
характерных точек проектного профиля с выноской разбивочных
знаков за пределы зоны работы землеройных механизмов и от-
валов грунта.
До начала разработки траншей выполняют контрольные
промеры глубин в проектных створах. При значительных рас-
хождениях данных контрольных промеров с проектными состав-
ляют акт с участием представителей заказчика и проектной ор-
ганизации и в рабочие чертежи вносят соответствующие кор-
рективы.
Организация строительства подводных трубопроводов зави-
сит от характеристики водной преграды, условий строитель-
ства, технологии укладки и может отличаться от приведенной
выше.
165
§ 9.2. СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ.
ПОДВОДНАЯ СВАРКА
И РЕЗКА ТРУБОПРОВОДОВ
При сооружении подводных трубопроводов обычно приме-
няются те же методы сварки, что и при сооружении линейных
сухопутных участков трассы. Сварочно-монтажные работы на
подводных переходах включают несколько этапов:
поворотную сварку труб на стенде (трубосварочной базе)
в звенья из трех труб;
сварку звеньев труб в плеть на монтажной площадке;
сварку плетей труб в нитку.
При небольшой протяженности подводных переходов сва-
рочно-монтажные работы (сварку поворотных и неповоротных
стыков) можно выполнять с применением ручной электродуго-
вой сварки.
При больших объемах сварочно-монтажных работ на пере-
ходе целесообразно использовать стационарные и передвижные
трубосварочные базы, которые могут быть укомплектованы раз-
личными установками и оборудованием.
Подводная сварка и резка трубопро-
водов
В настоящее время подводная сварка приобретает все боль-
шее значение при строительстве и монтаже, текущем и аварий-
ном ремонте различных подводных металлоконструкций, вклю-
чая подводные трубопроводы.
Очевиден экономический эффект от внедрения подводной
сварки в практику строительства и ремонта морских трубопро-
водов и переходов магистральных трубопроводов через различ-
ные водные преграды. Например, для ликвидации аварии под-
водного трубопровода с использованием обычной сварки необ-
ходимо размыть грунт вокруг трубопровода на сотни метров по
его длине, затем поднять его над водой, осуществить ремонт,
погрузить вновь на дно с обратной засыпкой или замывом грун-
том. Такой ремонт требует применения специальной техники,
а также значительные затраты труда и времени.
Как показывает практика, подводную сварку и резку целесо-
образно применять в строительный период при стыковке и со-
единении плетей трубопроводов, уложенных на большие глу-
бины, монтаже стояков трубопровода, установке протекторов
для защиты конструкций от коррозии, ремонте трубопроводов,
буровых установок, нефтяных вышек, плавсредств, свай, при
проведении судоподъемных и спасательных работ и др.
В последнее время проводятся исследования различных тех-
нологических способов соединения металлов под водой, включая
дуговую сварку штучными электродами с защитными покры-
тиями, полуавтоматическую сварку плавящимся электродом
166
с непрерывной подачей электродной проволоки, плазменную
сварку, а также соединения с помощью пайки твердым припоем,
энергией взрыва и различными клеями.
Сварка под водой по сравнению с обычной характеризуется
специфическими особенностями: значительным влиянием воды
на процесс сварки, невозможностью длительного пребывания'
водолаза-сварщика на большой глубине, малой видимостью под
водой и наличием гидростатического давления.
Подводную сварку можно разделить на два способа: «мок-
рый» и «сухой». Сварка «мокрым» способом выполняется непо-
средственно в воде. При «сухом» способе место сварки огражда-
ется от окружающей воды.
Мокрая дуговая сварка — наиболее простой и универсаль-
ный способ сварки.
При подводной сварке вследствие выделения тепла от дуго-
вого разряда происходит интенсивное испарение и диссоциация
воды. Пары воды и газа, образующие вокруг дуги из основ-
ного и электродного металлов, создают парогазовый пузырь
полусферической формы. Увеличиваясь, парогазовый пузырь де-
формируется и разрушается с частотой 12—15 пузырей в се-
кунду. Парогазовый пузырь имеет объем 30—100 см3 и состоит
из 62—82% Н2 от общего объема газа, 11—24% СО, 4—6%
СО2, паров металла, кислорода и других компонентов до 2%.
Составляющие парогазового пузыря оказывают существенное
влияние на характеристику сварочной дуги и процесс сварки.
С увеличением глубины места сварки сварочная дуга сжима-
ется, ее характеристики изменяются и для поддержания дуги
необходимо повышать силу сварочного тока и напряжение.
Подводная дуговая сварка по сравнению с дуговой сваркой
в воздухе имеет следующие недостатки:
повышенное количество водорода в парогазовом пузыре и
воде, окружающих сварное соединение, увеличивает хрупкость
шва и околошовной зоны;
быстрое охлаждение жидкого металла сварочной ванны вслед-
ствие охлаждающего эффекта воды (теплоотдача металла при
сварке в открытой воде в несколько раз выше, чем на воздухе)
приводит к повышенной твердости и хрупкости сварного шва;
вследствие высокой температуры подводной сварочной дуги
появляются газовые пузырьки, которые приводят к образова-
нию большого числа пор в сварных швах.
Различают следующие методы подводной дуговой сварки:
штучными электродами с защитным покрытием, полуавтомати-
ческую — плавящимся электродом и полуавтоматическую сварку
порошковой проволокой.
Назначение защитного покрытия электродов при подвод-
ной сварке штучными электродами — обеспечение водонепрони-
цаемости их обмазки. Обмазка электрода повышает устойчи-
вость дугового разряда. Увлажнение обмазки разрушает ее и
167
снижает устойчивость последнего. При дуговой сварке штуч-
ными электродами объем сварки в потолочном направлении
целесообразно уменьшить. Для этого сварку стыков трубопро-
водов при ликвидации разрывов и свищей выполняют с исполь-
зованием так называемых бугелей, представляющих собой от-
резок трубы со скошенными торцами, имеющими продольный
разрез в узкой части [19].
Недостатком этого способа сварки по сравнению с другими
является нарушение непрерывности процесса сварки в связи
с необходимостью смены электродов.
Получение сварных соединений без пор и шлаковых вклю-
чений могут обеспечить только водолазы-сварщики высокой
квалификации. Однако даже самые опытные водолазы-свар-
щики выполняют эту работу в несколько раз медленнее, чем на
воздухе.
Полуавтоматическая подводная сварка плавящимся элект-
родом в несколько раз производительнее ручной подводной
сварки. Для полуавтоматической подводной сварки использу-
ется та же аппаратура, что и для сварки на воздухе. Механизм
подачи электродной проволоки выполняется водонепроницае-
мым и защищенным от коррозии. В качестве электрода приме-
няется тонкая проволока диаметром 1,2—1,6 мм марки
Св-08Г2С. Сварка ведется током обратной полярности (плот-
ность тока — 180—220 А/мм2). Защиту расплавленного металла
сварочной ванны от воздействия составляющих парогазового
пузыря осуществляют подачей в зону горения дуги углекислого
газа или аргона. Защитный газ изменяет состав парогазового
пузыря и уменьшает растворимость водорода в металле шва.
Применение электродной проволоки с медным покрытием
увеличивает содержание меди в сварном шве. Содержание меди
в сварном шве до 0,1—0,3% приводит к повышению пластич-
ности и коррозионной стойкости сварного соединения.
Полуавтоматической подводной сваркой плавящимся элек-
тродом в среде защитного газа можно получить более высокое
качество сварных соединений по сравнению со сваркой штуч-
ными электродами с защитным покрытием.
Полуавтоматическая подводная сварка порошковой прово-
локой отличается от предыдущей в основном конструкцией
электрода. Порошковая проволока представляет собой непре-
рывный электрод трубчатой конструкции, полость которой за-
полнена порошкообразным наполнителем. Назначение напол-
нителя, как и электродного покрытия,— защита расплавленного
металла от вредного влияния парогазового пузыря, стабилиза-
ция дугового разряда, раскисление и легирование металла, свя-
зывание азота в стойкие нитриды. Для сварки порошковой про-
волокой применяют полуавтоматы типа «Нептун», которыми
можно сваривать различные конструкции и трубопроводы в раз-
ных пространственных положениях.
168
Полуавтоматы «Нептун» состоят из пульта управления, по-
гружаемого в воду контейнера с механизмом подачи электрод-
ной проволоки, блока уравнения давления, кассеты для элек-
тродной проволоки и из держателя со шлангом. Электродная
проволока подается по специальному шлангу, скорость подачи
ее изменяется с помощью электродвигателя постоянного тока.
Блок уравнения давления уравнивает давление в полости элек-
тродвигателя с давлением окружающей воды при изменении глу-
бины погружения.
Аналогичен по устройству и полуавтомат А 1660, разрабо-
танный Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР
и предназначенный для подводной сварки различных изделий
из малоуглеродистых и низколегированных сталей во всех про-
странственных положениях. Им можно пользоваться в морской
и пресной воде на глубинах, доступных водолазу-сварщику.
Сварка ведется от специального источника питания АСУМ-400,
имеющего жесткую внешнюю характеристику, или от других
источников с аналогичной характеристикой. На небольшой глу-
бине допускается использование в качестве источника питания
сварочного генератора ПСГ-500.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОЛУАВТОМАТА А 1660
Подводимое напряжение, В 220 (380)
(частота 50 Гц)
Потребляемая мощность, кВт . 0,6
Диаметр электродной проволоки, мм 1,6—2,0
Скорость подачи проволоки, м/ч 100—1000
Сварочный ток, А Постоянный,
450
Полярность Прямая
или обратная
Длина гибкого шланга держателя, м 3,5
Количество электродной проволоки на катушке, м . 400
Габаритные размеры контейнера (длина, ширина, высота), мм 500X330X350
Масса контейнера без электродной проволоки, кг . 30
Габаритные размеры шкафа управления (длина, ширина, высота),
мм ........................................................ 400X320X425
Масса шкафа управления, кг 35
Известны способы подводной сварки, сочетающие в себе
преимущества «мокрого» и «сухого» способов. Так, в работе [38]
предлагается способ подводной сварки с местным осушением,
представляющей собой полуавтоматическую дуговую сварку
в среде защитного газа с подачей в зону сварки водяной струи
для создания стабильного газового объема вокруг сварочной
дуги. При этом способе используется двухсопловая горелка, по
наружному соплу которой подается водяная струя или так на-
зываемая водяная завеса, а по внутреннему (в зону дуги) —
углекислый газ.
К смешанным способам сварки можно отнести подводную
сварку с использованием защитного кожуха, с помощью кото-
169
рого удается обеспечить создание сухой газовой атмосферы
в месте наложения сварного шва. Сварку выполняют вручную
штучными электродами с защитным покрытием. На сваривае-
мую поверхность под водой устанавливают защитный кожух,
имеющий форму полусферы диаметром 38 мм. Через кожух про-
пускают электрод. Вода из кожуха через вентиляционное отвер-
ствие вытесняется газами, которые образуются при сварке. Для
полного вытеснения воды и исключения положительной плаву-
чести кожуха его объем рассчитывают в соответствии с количе-
ством образующихся газов. Кожух передвигается вместе с элек-
тродом вдоль сварного шва. Качество сварных швов с исполь-
зованием защитного кожуха выше по сравнению со сваркой
штучными электродами в открытой воде и значительно ниже
по сравнению со сваркой на поверхности или в сухих стацио-
нарных камерах с полным ограждением зоны сварки от окру-
жающей воды.
К способам «сухой» подводной сварки относятся дуговая
сварка в сухих камерах-кессонах, передвигаемых вдоль шва, и
в сухих стационарных сварочных камерах с полным огражде-
нием зоны сварки от окружающей воды.
Передвижные камеры-кессоны представляют собой камеры
небольших размеров, состоящие из жесткого корпуса. Для
сварки конструкций различных форм и очертаний на нижней
части корпуса устанавливаются съемные резиновые уплотнения,
имеющие форму, соответствующую свариваемой поверхности.
Уплотнение препятствует проникновению в камеру окружающей
воды. Сварочный пистолет крепится к боковой поверхности ка-
меры с помощью диафрагмы, которая позволяет свободно ма-
нипулировать им в пределах камеры. Внутри камеры преду-
смотрен источник света для освещения перед зажиганием дуги
и в перерывах между сваркой.
Водолаз-сварщик подводит камеру к свариваемой поверхно-
сти, удерживая ее одной рукой за держатель сварочного писто-
лета. С поверхности воды по шлангу подается под давлением
инертный газ, который вытесняет из камеры воду и создаёт
в ней сухую атмосферу. Около сварщика располагается герме-
тизированный блок со сварочной проволокой и устройством для
ее подачи. Для регулирования и поддержания соответствую-
щего давления газа внутри сварочной камеры предусмотрено
специальное устройство, которое увеличивает расход газа в ка-
меру при повышении окружающего ее гидростатического дав-
ления и уменьшает расход газа при снижении гидростатического
давления. Пульт управления процессом сварки находится над
поверхностью воды.
К недостаткам дуговой сварки в камерах-кессонах следует
отнести сложность сохранения водонепроницаемости, а также
необходимость использования подкладных колец для предотвра-
щения выдувания расплавленного металла из зазора между
170
торцами свариваемых труб. В передвижных камерах-кессонах
можно получить сварные швы более лучшего качества по срав-
нению со швами, выполненными в открытой воде.
Применение специальных сухих стационарных сварочных
камер с полным ограждением зоны сварки от окружающей
воды позволяет получить сварные швы высокого качества. Од-
нако этот метод отличается очень высокой стоимостью, слож-
ностью устройства камеры и сварочного оборудования, значитель-
ными затратами времени для выполнения сварочных операций.
Для сварки трубопроводов в стационарных подводных каме-
рах в основном используются два метода: дуговая сварка ме-
таллическим плавящим электродом в среде защитного газа и
дуговая сварка вольфрамовым электродом также в среде за-
щитного газа. Эти способы требуют более сложного оборудо*
вания по сравнению с дуговой сваркой штучными электродами.
Но поскольку при сварке штучными электродами выделяется
много дыма и газов, что в условиях замкнутого объема свароч-
ной камеры является нежелательным, этот способ не приме-
няется.
При дуговой сварке металлическим плавящим электродом
в среде защитного газа электродная проволока подается в зону
сварки с определенной скоростью. Конец электрода и расплав-
ленный металл сварного шва защищены от воздействия окру-
жающего воздуха потоком инертного газа, подаваемого по
газоподводящим шлангам к соплу, расположенному вокруг
электрода. В состав сварочного оборудования входят источник
электроэнергии, сварочный пистолет, механизм подачи и ка-
тушка для электродной проволоки и пускорегулировочная аппа-
ратура. Все указанное оборудование за исключением источника
электроэнергии размещается в подводной сварочной камере.
Источник электроэнергии находится на обслуживающем судне
на поверхности и соединяется с подводной сварочной камерой
специальным электрокабелем.
С увеличением глубины погружения камеры процесс сварки
в среде защитного газа несколько усложняется: повышается
давление газовой среды в камере и температура дуги возрас^
тает. Вследствие этого сварочная проволока плавится быстрее,
количество расплавленного металла увеличивается, избыточный
металл может явиться причиной образования дефектов в сва-
рочном шве (наплывы, непровар). Защитный газ в условиях
повышенного давления становится более плотным и прихо-
дится в несколько раз увеличивать его расход по сравнению
со сваркой на поверхности. Снижение скорости плавления сва-
рочной проволоки и тем самым устранение образования избы-
точного количества расплавленного металла возможно добав-
лением в металл сварочной проволоки или в газовую среду
в зоне дуги соответствующих присадок, а также применением
методов дуговой сварки с пониженным выделением тепла.
171
При дуговой сварке вольфрамовым электродом в среде
инертного газа применяется вольфрамовый неплавящийся элек-
трод. Инертный газ подается к сварочной головке до начала
процесса сварки для исключения образования соединений азота
воздуха с металлом, значительно ухудшающих качество свар-
ных соединений. Электрическая дуга плавит соединяемые
кромки деталей, в зону расплавленного металла подается при-
садочный материал в виде голой сварочной проволоки. Процесс
сварки вольфрамовым электродом протекает медленнее из-за
менее интенсивного плавления присадочного металла по срав-
нению с плавлением сварочной проволоки при сварке плавя-
щимся электродом. Сварка вольфрамовым электродом обеспечи-
вает получение высококачественных сварных соединений.
В настоящее время исследуется и совершенствуется плаз-
менный метод сварки. При плазменной сварке тепло, необхо-
димое для сварки, обеспечивается сжатой плазмой, создаваемой
электрической дугой в потоке ионизированных газов. При плаз-
менной сварке дуга концентрируется на участке гораздо мень-
шего размера по сравнению с другими методами дуговой сварки.
Плазменная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению со
сваркой вольфрамовым электродом: за счет сжатия дуги нагрев
свариваемых поверхностей происходит более концентрированно,
режимы плазменной сварки менее чувствительны к изменению
длины дуги, горение дуги более стабильно, вследствие чего глу-
бина провара повышается.
Стационарная гипербарическая камера для подводной сварки,
описанная в работе [28], изготовлена из стальных листов, имеет
размеры ЗХ3X3,6 м и массу в воздухе 50 т. В боковых стенах
камеры размещаются окна, оснащенные эластичными полукруг-
лыми уплотнениями, обеспечивающими герметичный ввод в ка-
меру трубопроводов различных диаметров. В камере распола-
гается оборудование, необходимое для резки труб, обработки
свариваемых кромок, очистки поверхности труб, сварки и радио-
графического контроля сварных швов, а также отрезок трубы
для сварки концов соединяемых подводных секций трубопро-
вода. Такую систему для подводной сварки обслуживают 40 че-
ловек, включая пять водолазов-сварщиков.
Фирма «Тейлор Дайвинг энд Сэлвидж» [25] проводит иссле-
дования проблемы сварки морских трубопроводов на больших
глубинах. Для этого используются специальные подводные сва-
рочные камеры.
Исследования качества сварных соединений для различных
методов сварки и сварочных материалов выполнялись с исполь-
зованием имитаторов глубины, обеспечивающих проведение
испытаний с человеком при давлениях, соответствующих глу-
бине погружения до 300 м.
Главная камера имитатора глубины имеет внутренний диа-
метр 3,6 м и разделена на две части: верхнюю часть, где про-
172
водится сварка, и нижнюю,, заполняемую водой, как в реальной
камере. Труба диаметром 2,1 м соединяет верхнюю часть ка-
меры с входным шлюзом и используется в качестве жилого
помещения для водолазов. Сварочный отсек и труба обслужи-
ваются отдельными системами жизнеобеспечения, поддержи-
вающими в помещениях заданную температуру воздуха, влаж-
ность, парциальное давление кислорода и удаляющими двуокись
углерода и запахи. Атмосфера в сварочном отсеке представ-
ляет собой гелиево-кислородную смесь. Высокое содержание
гелия в атмосфере камеры приводит к значительно большей,
чем в воздухе, потере тепла (теплопроводность гелия в шесть
раз выше теплопроводности воздуха). Установлено, что стали,
не требующие подогрева при сварке в воздухе, при сварке
в гипербарической камере необходимо предварительно нагре-
вать до 100—150° С. С повышением давления изменяются хи-
мический состав металла и твердость сварных швов. На проч-
ность сварных швов существенно влияют параметры и способы
сварки и почти не влияет изменение давления.
Использование глубоководной стационарной сварочной ка-
меры позволяет получать высокое качество сварных соединений,
обеспечивает защиту водолазов-сварщиков от морских живот-
ных и воздействия течений. Наблюдение за стыковкой и про-
цессом сварки ведется с поверхности воды с обеспечивающего
судна. В подводной камере можно выполнять предварительный
подогрев соединяемых стыков труб и послесварочную термиче-
скую обработку швов для снижения твердости шва и устране-
ния возможных трещин, а также контроль сварных соединений.
Перспективным является сварка подводных трубопроводов
методом взрыва. Сравнительно небольшие заряды взрывчатого
вещества, необходимые для сварки, могут доставляться на дно
подводными лодками, а взрыв производится с поверхности
воды. Глубина морского дна несущественно влияет на качество
сварного соединения, полученного методом взрыва. В настоя-
щее время вполне реально проведение сварки взрывом на глу-
бинах до 1000 м. Кроме высокой производительности при этом
способе сварки можно достичь относительно высокой прочности
сварного шва, не уступающего по прочности металлу труб.
Для подводной резки трубопроводов может применяться
кислородная резка (бензокислородная, кислородно-водородная,
ацетилено-кислородная) и дуговая (электродуговая, кислород-
но-дуговая, плазменно-дуговая).
Бензокислородная резка применяется при большой тол-
щине металла. Основное горючее для нагрева металла —
бензин.
Ацетилено-кислородную резку, широко применяемую на суше,
можно использовать под водой на сравнительно небольших глу-
бинах (до 7 м), поскольку ацетилен при давлении свыше
1 кгс/см2 становится взрывоопасным. Поэтому при подводной
173
резке металлов более широко используется кислородно-водо-
родная резка.
Электродуговая резка применяется при малом объеме работ
и заключается в выплавлении металла электрической дугой.
Кислородно-дуговая резка основана на одновременном дей-
ствии электрической дуги и сжигании металла струей кисло-
рода. Производительность кислородно-дуговой резки более чем
в 3 раза выше дуговой резки без применения кислорода.
При плазменно-дуговой резке за счет значительной тепловой
энергии обеспечивается высокая скорость резки металла. Од-
нако для эффективной резки плазменным методом необходима
большая сила тока и напряжение более 80 В, что обусловли-
вает опасность поражения электротоком под водой.
§ 9.3. ЗАЩИТА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ОТ КОРРОЗИИ
Под воздействием окружающей среды происходит коррозия
металлических сооружений. Различают коррозию химическую
и электрохимическую.
Химическая коррозия — самопроизвольное окисление металла
под воздействием токонепроводящей среды (сухой воздух или
газ).
Электрохимическая коррозия — самопроизвольное разруше-
ние металла при взаимодействии с жидкой токопроводящей
средой (электролитом). Например, ржавление металла во влаж-
ном воздухе, влажной грунтовой среде, морской воде и т. д.
Электрохимическая коррозия является определяющей при кор-
розийном разрушении трубопроводов. На характер коррозии
сталей влияет разность потенциалов, возникающая между изо-
лированным трубопроводом (катод) и дефектом покрытия
(анод). Такие же пары могут образоваться между основным
металлом трубы и сварным швом, а также в других местах, где
имеется неоднородное состояние контакта металла со средой.
Эти неоднородности возникают и на больших участках поверх-
ности, образуя макропары, например, между подводными и под-
земными участками трубопроводов.
Интенсивное коррозионное разрушение подводного трубо-
провода может произойти и от воздействия блуждающих элек-
трических токов в районах крупных населенных пунктов или
электрофицированных железных дорог.
Защита подводных стальных трубопроводов от коррозии осу-
ществляется изоляционными покрытиями и средствами электро-
химической защиты.
При равномерной коррозии трубопровод может эксплуатиро-
ваться длительное время, поскольку скорость ее относительно
невелика. Наибольшую опасность представляет местная элек-
трохимическая коррозия, возникающая при повреждении изо-
174
ляции в период укладки или эксплуатации трубопровода, ско-
рость ее достигает 0,8—1,5 мм/год. В результате воздействия
местной коррозии в стенке трубы могут образоваться сквозные
отверстия. Для предотвращения местной коррозии применяется
катодная или протекторная защита подводных трубопроводов.
Сочетание активных (электрохимическая защита) и пассивных
(изоляционное покрытие) способов противокоррозийной защиты
обеспечивает безаварийную работу подводных трубопроводов.
Чем лучше качество изоляционного покрытия, тем большую
длину участка трубопровода можно защитить одной катодной
станцией или тем меньше требуется протекторов и меньший
защитный потенциал. Материал антикоррозионного покрытия
должен обладать хорошей адгезией (прилипаемостью к ме-
таллу), пластичностью и механической прочностью, достаточной
для восприятия нагрузок в процессе укладки и эксплуатации,
устойчивостью к температурным изменениям перекачиваемого
продукта, хорошей сопротивляемостью воздействиям окружаю-
щей среды, малой водопоглощаемостью и проницаемостью для
водяных паров, высоким электрическим сопротивлением и сов-
местимостью с катодной защитой. Кроме того, изоляция должна
отвечать требованиям технологии нанесения ее на трубопровод
и иметь сравнительно невысокую стоимость.
В настоящее время для магистральных трубопроводов в на-
шей стране применяют в основном изоляционные покрытия из
полимерных и битумных материалов (табл. 9.1).
На подводных переходах, включая поймы рек, применяется
изоляция усиленного типа. Битумные покрытия разрешается
применять для изоляции трубопроводов диаметром не более
820 мм и температуре транспортируемых продуктов не выше
40° С. Изоляционные покрытия из битума и полимерных лент
должны быть защищены двухслойной полимерной оберткой ОП
и жесткой футеровкой (при балластировке отдельными гру-
зами). Сплошное бетонное балластное покрытие является наи-
более надежной защитой изоляции от повреждения. При ис-
пользовании сплошного бетонного покрытия футеровка не тре-
буется. Изоляционные покрытия на трубы выполняют непосред-
ственно на трассе, или на заводах, или стационарных базах..
Перед нанесением изоляции трубы очищают от ржавчины, пыли,
влаги и окалины. Очищенная поверхность должна иметь серый
цвет с проблесками металла. Налет ржавой пыли, оседающей
на поверхности труб, удаляют. Очищенную поверхность трубо-
провода сразу же загрунтовывают. Грунтовку наносят на сухую
поверхность ровным слоем, без пропусков, сгустков, подтеков и
пузырей. В зависимости от применяемого изоляционного мате-
риала используют битумные или клеевые грунтовки. Для по-
крытий из липких лент применяют битумные или битумно-
клеевые грунтовки. Требования, предъявляемые к материалам
для противокоррозийных покрытий трубопроводов, состав и
175
ТАБЛИЦА 9.1
Тип изоляционного покрытия Условия нанесения изоляционного покрытия Конструкция изоляцион- ного покрытия Толщина изоля- ционного покрытия без защитной обертки, мм, не менее
Нормальное из полимер- ных лент В полевых условиях Грунтовка, полимерная изоляционная лента (один слой), защитная обертка 0,35
Нормальное битумное То же Битумная грунтовка, слой битумно-резиновой мастики 4 мм, стекло- холст (один слой), защит- ная обертка 4
Усиленное из полимер- ных лент То же Грунтовка, полимер- ная изоляционная лен- та (два слоя), защитная обертка 0,65
Усиленное из поли- этилена В заводских или базовых условиях Бесшовное из опла- вленного полиэтилена Для труб диа- метром до 1000 мм — Г; от 1000 до 1200 мм — 1,5; от 1200 до 1400 мм — 2
Усиленное битумное В базовых условиях Битумная грунтовка, слой битумно-резиновой мастики 3 мм, стекло- холст (один слой), слой битумно-резиновой ма- стики 3 мм, стеклохолст (один слой), защитная обертка 5,5
То же В полевых условиях Битумная грунтовка, слой битумно-резино- вой мастики 6 мм, стек- лохолст (один слой), за- щитная обертка 5,5
Примечание. Допускается примененение других изоляционных покрытий
(например, эпоксидных, каменноугольных, кремнеорганических, из силикатных эмалей),
обладающих сплошностью, адгезией, механической прочностью и удовлетворяющих тре-
бованиям СНиП П-45—75.
некоторые физико-механические свойства грунтовок, изоляции
и оберточных материалов изоляционных покрытий приведены
в СНиП П-45—75. Очистку, грунтовку и изоляцию наружной
поверхности трубопровода выполняют механизированно с при-
менением очистных и изоляционных машин.
Футеровку изолированных трубопроводов деревянными рей-
ками целесообразно выполнять из секций, заготовленных на
176
длину развертки трубы. Футеровочные секции закрепляют на
трубе хомутами из проволоки-катанки диаметром 6 мм. Расход
деревянных реек и проволоки для сплошной футеровки трубо-
провода длиной 100 м приведен в табл. 9.2.
В настоящее время для футеровки широко применяют дере-
вянные футеровочные рейки размером 2,5X (5-4-7) X (300-4-
4-400) см. Процесс футерования включает в себя следующие
операции: рассортировку по длине и обрезку реек; подготовку
реечного ковра; обертывание ковром трубы; предварительное,
а затем и окончательное крепление футеровки проволокой-ка-
танкой.
Подготовка реечного ковра заключается в соединении не-
обходимого для полного или частичного обертывания трубы
количества реек отожженной проволокой диаметром 1,5—2 мм
или прочным шпагатом. Эту операцию выполняют двое ра-
бочих.
Для изготовления реечного ковра можно использовать обер-
точную бумагу. На нее наносят расплавленный битум, с по-
мощью которого рейки приклеиваются к бумаге. По трудоем-
кости выполнения оба способа приблизительно одинаковы. При-
подняв трубоукладчиком трубопровод на 0,4—0,5 м, оберты-
вают его реечным ковром. Проверив качество обертки, скреп-
ляют ее двумя скрутками из отожженной проволоки-катанки
диаметром 5—6 мм. Окончательно футеровку крепят скрутками
из отожженной проволоки-катанки через каждые 60 см. Футе-
ровочная рейка должна плотно прилегать к поверхности
трубы.
В местах крепления тросов (например, оттяжек при опуске
трубопровода с поверхности воды) выполняют двухслойную фу-
ТАБЛИЦА 9.2
Материал Диаметр трубопровода, мм
219 | 273 | 325 | 377 | 426
Рейка футеровочная, м3
Катанка диаметром 6 мм, т
1,89 2,36 2,81 3,12 3,43
0,055 0,069 0,082 0,091 0,099
ПРОДОЛЖЕНИЕ ТАБЛ. 9.2
Материал Диаметр трубопровода, мм
529 | 720 | 820 | 1020 | 1220
Рейка футеровочная, м3 4,21 5,62 6,4 8,42 10,14
Катанка диаметром 6 мм, т 0,118 0,157 0,170 0,204 0,272
Примечание. Для реек применяют лес хвойной породы, объемный вес
7 =0,76 т/м3.
177
теровку: нижний слой — из обычных реек длиной 2—2,5 м,
а верхний — из досок толщиной 4—5 см и длиной 0,7—1,0 м.
Это делается для предохранения изоляции от повреждения
тросом, так как опыт работы показал, что однослойная футе-
ровка не обеспечивает сохранность изоляции.
Как отмечалось выше, применение электрохимической за-
щиты является обязательным дополнением к защите трубопро-
вода изоляционными покрытиями. Катодная защита применя-
ется в основном для защиты относительно коротких участков
подводных трубопроводов. На морских подводных трубопрово-
дах большой протяженности использовать катодную защиту
нецелесообразно из-за сложности ее ремонта и необходимости
установки станции катодной защиты в открытом море. В таких
случаях целесообразно применять катодную защиту для подвод-
ных участков трубопровода со стороны берега и морских плат-
форм, а протекторную защиту — для средней части трубопро-
вода.
При катодной защите создается искусственная поляризация
трубопровода от источника постоянного тока (станции катод-
ной защиты) с наложением на защищаемые участки трубы
отрицательного потенциала, равного (или большего) по абсо-
лютной величине потенциалу анода коррозийной пары. В ре-
зультате такой поляризации при наличии специально установ-
ленного дополнительного анода анодные участки коррозийных
пар превращаются в катодные, и коррозия трубопровода пре-
кращается. Каждая станция катодной защиты в зависимости от
коррозийных свойств грунта и окружающей трубопровод воды,
качества изоляции, мощности самой станции может защитить
трубопровод на участке определенной длины. В пределах этой
длины защитный потенциал, создаваемый станцией, обеспечи-
вает защиту катода (трубопровода) от электрохимической кор-
розии. В то же время дополнительный анод (заземление) ин-
тенсивно разрушается.
В основу протекторной защиты положен принцип работы
гальванического элемента. Создавая условия, при которых
трубопровод является катодом, а другой электрод анодом,
можно добиться прекращения коррозионного разрушения трубо-
провода при интенсивном разрушении анода-протектора. Анод-
протектор изготовляется из материала, обладающего большим
отрицательным потенциалом по сравнению с потенциалом за-
щищаемого металла трубопровода. Такой потенциал имеют
магний, цинк, алюминий. Срок службы протектора зависит от
его массы и вида материала, из которого он изготовлен. Одно
из значительных преимуществ протекторов при защите подвод-
ных трубопроводов — автономность их действия, достаточно
равномерное распределение токов и потенциалов вдоль трубо-
провода, а также незначительные затраты труда на их обслу-
живание.
178
Известна конструкция протектора браслетного типа. Такой
протектор состоит из двух полуколец, что позволяет надевать
его на изолированный трубопровод. В каждое полукольцо вмон-
тирована стальная полоса, присоединенная одним концом
к трубе термитной сваркой и обеспечивающая электрический
контакт протектора с трубой. Оба полукольца протектора стя-
гиваются на трубе специальными зажимами так, чтобы наруж-
ный диаметр протектора был равен наружному диаметру бетон-
ного покрытия трубопровода.
Расстояние между протекторами зависит от заданной плот-
ности тока, качества изоляции, диаметра трубопровода, расчет-
ного времени их эксплуатации и принимается равным 150—300 м.
Например, для защиты от наружной коррозии морского газо-
провода Экофикс — Эмден в Северном море диаметром 914 мм
установлены цинковые протекторы с интервалом 150 м вдоль
трубы и массой каждого полукольца 500 кг. Такими протекто-
рами предполагается защитить газопровод от электрохимиче-
ской коррозии в течение примерно 20 лет.
§ 9.4. БАЛЛАСТИРОВКА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ЧУГУННЫМИ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ГРУЗАМИ
Для обеспечения устойчивого положения подводных трубо-
проводов на дне водной преграды применяют различные спо-
собы их балластировки и закрепления. С увеличением диаметра
трубопровода значительно возрастают затраты на балласти-
ровку и закрепление. От способов балластировки и закрепле-
ния трубопроводов существенно зависит качество и темпы
сооружения переходов. Поэтому выбор рациональных способов
и разработка новых более совершенных конструктивных уст-
ройств по балластировке и закреплению подводных трубопро-
водов имеют важное значение.
Балластировка чугунными грузами
В начальный период строительства трубопроводов, когда
диаметр подводных переходов был относительно невелик и они
предназначались для перекачки жидких продуктов, трубопро-
воды прокладывались в основном без пригрузки. Подводные га-
зопроводы и нефтепродуктопроводы диаметром более 529 мм
балластировались чугунными грузами в соответствии с расче-
том устойчивости на сдвиг и всплытие.
Чугунные кольцевые грузы и в настоящее время еще широко
применяются при строительстве подводных трубопроводов.
Грузы изготовляются на заводах из серого чугуна в соответ-
ствии с нормалью НГ-1125 Гипрогаза и состоят из двух полу-
колец. Конструкция чугунного груза показана на рис. 9.1,
а основные конструктивные размеры и масса грузов для трубо-
проводов различных диаметров приведены в табл. 9.3.
179
РИС. 9.1.
Конструкция чугунного груза
I
Перед установкой на трубопровод краном или трубоуклад-
чиком производится раскладка половинок грузов вдоль за-
футерованной плети. Расстояния между грузами определяют
расчетом. Затем на выложенные половинки грузов укладывают
зафутерованную трубу и навешивают на нее верхние половинки
грузов, после чего половинки грузов соединяют болтами. Бол-
товые соединения грузов заливают битумной или резино-битум-
ной мастикой. Как показывает практика, чугунные грузы имеют
следующие недостатки:
ТАБЛИЦА 9.3
Наружным диаметр трубопро- вода, мм Масса груза, кг Размеры, мм
Я2 Кз А м d 1
159 100 184 128 120 174 300 16 90
219 150 217 159 95 207 360 16 90
273 200 249 183 120 234 375 16 ПО
325 250 275 210 150 260 400 20 120
377 300 305 245 175 285 450 20 130
426 350 330 264 200 310 500 20 130
478 400 355 294 230 335 500 20 140
529 450 385 320 255 360 500 20 170
630 500 435 373 280 410 500 20 170
720 1100 480 415 310 455 960 24 180
820 1100 530 465 360 505 870 24 180
1020 1100 635 570 405 610 725 24 180
180
возможны смещения грузов по трубопроводу при укладке
протаскиванием:
повреждение изоляционного покрытия при стягивании поло-
винок грузов болтами;
увеличение тягового усилия при протаскивании трубопро-
вода вследствие пассивного отпора грунта, создаваемого гру-
зами;
грузы препятствуют перемещению трубопровода по ролико-
вой спусковой дорожке.
С увеличением диаметра газопровода количество балласта,
необходимого для компенсации выталкивающей силы, возра-
стает пропорционально квадрату диаметра, что приводит к зна-
чительным затратам и расходу металла.
Балластировка железобетонными
грузами
В настоящее время железобетонные грузы широко применя-
ются при строительстве подводных трубопроводов. Использова-
ние железобетонных грузов взамен чугунных позволяет эконо-
мить значительное количество металла и уменьшает затраты
на балластировку трубопровода. По конструкции различают
седловые, шарнирные и кольцевые железобетонные грузы. Же-
лезобетонные грузы изготовляют в заводских условиях, в от-
дельных случаях при строительстве крупных подводных пере-
ходов их производство может быть организовано на полигонах
вблизи строительной площадки перехода.
Для изготовления грузов применяют шлакопортландцемент
марки 300—400, гравий или щебень изверженных пород. Мень-
шая объемная масса бетона по сравнению с чугуном вызывает
увеличение размеров железобетонных грузов или более частое
их расположение, усложняет работы по навеске грузов и про-
таскиванию трубопровода. В целях уменьшения размеров же-
лезобетонных грузов для их изготовления целесообразно при-
менять тяжелые и особо тяжелые бетоны с рудосодержащими
заполнителями.
Седловидные железобетонные грузы используют для балла-
стировки пойменных и заболоченных участков подводных тру-
бопроводов. Их устанавливают на уложенный в траншею тру-
бопровод с помощью автокрана или крана-трубоукладчика.
Для предохранения изоляции трубопровода от повреждений на
участок установки груза приклеивают предохранительный ков-
рик, состоящий из трех слоев бризола или рубероида с прослой-
ками битума. Если траншея заполнена водой, перед балласти-
ровкой трубопровод погружают на проектные отметки путем
водоотлива из траншеи или заполнения трубы водой и др. По-
гружение трубопровода под действием грузов нежелательно,
так как они могут опрокинуться.
181
Балластировку трубопровода седловидными железобетон-
ными грузами может выполнять звено в составе четырех чело-
век: машинист 6-го разряда и машинисты трубоукладчиков:
один 4-го разряда и два 3-го разряда. Звено выполняет под-
носку и резку бризола для прокладки под балласт, обслужи-
вание битумоплавильного котла, наложение битумной мастики
и полотен бризола на поверхность трубопровода, перемещение
и установку грузов на трубопровод.
До начала работ по балластировке уложенного в траншею
трубопровода грузы развозят вдоль траншеи и подготовляют
битумную мастику в битумоплавильном котле. Схема органи-
зации работ по балластировке трубопровода показана на
рис. 9.2. Машинист М подводит кран-трубоукладчик к грузу,
машинист 7\ стропует груз стропом за монтажные петли и по-
дает машинисту команду приподнять груз. После осмотра
машинистом надежности строповки машинист М транспор-
тирует груз к месту его навешивания на трубопровод. Маши-
нисты Т2 и Тз устанавливают перекидной мостик и наклеивают
на поверхность трубопровода послойно битумной мастикой ли-
сты бризола. Машинисты и Т2 придерживают и направляют
висящий груз в заданное положение, а машинист М краном-
трубоукладчиком медленно опускает груз. При правильной
установке груз отстропливают, и машинист перегоняет кран-
трубоукладчик за следующим грузом. Во время навешивания
и отстропки груза машинист Т3 подготавливает бризол, подно-
сит его и битумную мастику к месту наклейки, предохранитель-
ного коврика.
Основной недостаток седловидного железобетонного груза —
расположение его центра тяжести выше оси трубопровода, что
в некоторых случаях приводит к опрокидыванию груза. Кроме
того, из-за недостаточной несущей способности груза в вершине
седла возможна его поломка в процессе транспортных и погру-
зочно-разгрузочных работ.
С целью устранения перечисленных недостатков были пред-
ложены конструкции поясных и шарнирных грузов. Поясной
груз представляет собой два бетонных блока, соединенных
стальными поясами. Блоки имеют общий центр тяжести, распо-
ложенный ниже оси трубы, что обеспечивает устойчивость про-
тив опрокидывания.
Параметры утяжелителей с гибкими стальными поясами
типа УБП для трубопроводов диаметрами от 720 до 1420 мм
приведены в табл. 9.4.
Железобетонный шарнирный груз состоит из двух шарнирно
соединенных половинок седловидного груза (рис. 9.3,а), имеет
пониженный центр тяжести, плотно прилегает к трубе и устой-
чив против опрокидывания. Навеску выполняют при раскрытом
грузе с помощью траверсы, что уменьшает повреждение изо-
ляции трубопровода (рис. 9.3, б).
182
A
РИС. 9.2.
Схема организации работ по балластировке трубопровода диаметром 1420 мм
седловидными железобетонными грузами:
/ — трубопровод; 2 — грузы, разложенные вдоль трубопровода; 3 — бризольная про-
кладка; 4 — груз, установленный на трубопровод; 5 — котел битумоплавильный ИСТ-ЗБ;
6 — маршрут движения крана-трубоукладчика; 7 — перекидной мостик; 8 — место подго-
товки прокладок из бризола;
Машинисты трубоукладчиков: М — 6-го разряда, Т\ — 4-го разряда, Т2 и Т3 — 3-го раз-
ряда
Железобетонные кольцевые грузы аналогично чугунным со-
стоят из двух полуколец, соединяемых болтами, и обеспечивают
достаточно прочное соединение с трубопроводом. Кольцевые
железобетонные грузы могут применяться для балластировки
183
РИС. 9.3.
Шарнирный железобетонный груз:
а — конструкция груза; б — установка на трубопровод; 1 — половина шарнирного груза;
2 — шарнир; 3 — трубопровод; 4 — предохранительный коврик (три слоя бризола, склеен-
ные между собой битумом); 5 —траверса;
подводных русловых и морских участков трубопроводов. По-
скольку кольцевые железобетонные грузы даже будучи плотно
прижатыми к трубопроводу, врезаясь в грунт при протаскива-
нии, могут сдвигаться с места, то их целесообразно приме-
нять при укладке трубопровода погружением с поверхности
воды.
Навеска грузов осуществляется с помощью кранов-трубо-
укладчиков. Нижние половинки грузов раскладываются с за-
данным интервалом вдоль зафутерованного трубопровода, кра-
нами-трубоукладчиками поднимают участок трубопровода и
укладывают на нижние половинки грузов, затем краны-трубо-
укладчики переходят на следующие участки трубопровода и
повторяют операцию. После укладки на нижние половинки всей
Т А Б Л И ЦА 9.4
Марка утяжелителя Расход бетона, м3 Расход стали, кг Масса элемента, т Масса в воде при объемном весе бетона 2,3 т/м3 и удельном весе воды 1 т/м3, т
УБП-1,4 0,90 16,8 2,10 1,20
УБП-1,2 0,74 13,5 1,70 0,96
УБП-1,0 0,53 12,4 1,20 0,70
УБП-0,8 0,33 11,9 0,76 0,43
УБП-0,7 0,25 9,9 0,58 0,33
184
РИС. 9.4.
Плети трубопровода с железобетонными кольцевыми грузами
плети трубопровода раскладывают верхние половинки грузов и
соединяют их с нижними. Плети трубопровода, оснащенные же-
лезобетонными кольцевыми грузами, показаны на рис. 9.4.
§ 9.5. БАЛЛАСТИРОВКА МОНОЛИТНЫМ
БЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ
Балластировка подводных трубопроводов сплошным бетон-
ным покрытием имеет ряд преимуществ по сравнению с балла-
стировкой отдельными грузами. Монолитное армированное бе-
тонное покрытие защищает антикоррозийную изоляцию и тру-
бопровод от механических повреждений в период его строитель-
ства и эксплуатации, позволяет протаскивать трубопровод по
любым типам спусковых дорожек и грунтам с полной гаран-
тией сохранения изоляции, значительно уменьшает тяговое
усилие при протаскивании, позволяет применять трубозаглуби-
тельные установки для заглубления трубопровода в грунт.
Существует несколько способов нанесения монолитного бе-
тонного покрытия на трубопровод: торкретирование, бетониро-
вание в опалубке, вибропрокат и набрасывание.
Нанесение монолитного бетонного
покрытия торкретированием
Бетонирование торкретированием может выполняться двумя
методами: цемент-пушкой с подачей под давлением сухой смеси
с последующим увлажнением и с подачей готового цементно-
песчаного раствора установкой «Пневмобетон».
Установка для бетонирования торкретированием с подачей
сухой смеси состоит из цемент-пушки непрерывного действия
серии С-320 производительностью сухой смеси 1,5 м3/ч или се-
рии С-702 и С-630А производительностью 3 и 4 м3/ч с соплом
и системой шлангов, компрессора ДК-9 или ЗИФ-55, растворо-
мешалки серии С-220 со скиповым подъемником объемом.
80—150 л, передвижной электростанции АСМД-7 мощностью
30 кВт. Для бетонирования установкой «Пневмобетон» исполь-
зуется то же оборудование, что й при подаче сухой смеси, за
исключением цемент-пушки, вместо которой применяются рас-
творонасосы С-263 подачей 3 м3/ч или С-317А подачей 6 м3/ч.
При бетонировании цемент-пушкой смешение сухой смеси
цемента (марка не ниже 500) и песка осуществляется в рас-
творомешалке в течение 3—4 мин, затем смесь подается в бун-
кер цемент-пушки, откуда под давлением воздуха по шлангу
подается в сопло, где смешивается с водой. Количество воды
регулирует торкретчик по внешнему виду наносимого раствора.
Образовавшийся раствор с большой скоростью вылетает из
сопла и покрывает поверхность трубопровода. При торкретиро-
вании сопло направляется перпендикулярно к поверхности
с удалением от нее на 0,8—1,2 м. Для получения наибольшей
плотности бетона и наименьшего отскока смеси давление в ком-
прессоре поддерживается постоянным и равным 3,5—4 кгс/см2.
Для повышения прочности бетонное покрытие армируют
сварными рулонными сетками из стальной проволоки диамет-
ром 3—4 мм с размером ячеек 50x50 или 100X100 мм или ме-
таллическими плетеными сетками заводского изготовления из
проволоки диаметром 2,5 мм с ячейками 25x25 мм.
Плетеную сетку наматывают спиралью на поверхность трубы
с рулонов. Места соприкосновения смежных витков спирали,
а также последующего рулона с предыдущим соединяют вя-
зальной проволокой.
Арматурную сетку наматывают на изолированный трубопро-
вод на специальные подкладки высотой 20—25 мм. После мон-
тажа арматуры поверхность трубопровода очищают струей сжа-
того воздуха и увлажняют для лучшего сцепления с бетоном.
Бетонное покрытие наносят слоями толщиной 15—20 мм
в несколько этапов: сначала первый слой на боковые поверх-
ности трубопровода, затем на верхнюю часть трубы. После
схватывания первого слоя наносят последующие боковые и
верхние слои толщиной 20—30 мм до получения проектной тол-
щины. После отвердения верхней половины покрытия плеть
переворачивают для нанесения слоя раствора на нижнюю часть
трубы. При расчетной толщине бетонного покрытия более 70 мм
на затвердевший бетон устанавливают второй ряд арматурной
сетки. Бетонирование выполняют до получения проектной тол-
щины аналогично монтажу первого ряда сетки. Через 2 ч после
окончания бетонирования поверхность трубы накрывают обер-
186
точной бумагой, рогожей или мешковиной. В сухую погоду по-
крытие поливают водой в течение 7 дней не реже 2 раз при
температуре до 15° С и 3—4 раза — при температуре 20—30° С.
В течение 5—7 суток бетон набирает необходимую прочность,
после чего плеть трубопровода готова к укладке.
Нанесениежелезобетонногопокрытия
с использованием навесной опалубки
Навесная опалубка разработана ЭКБ по железобетону Мин-
нефтегазстроя и предназначена для бетонирования трубопро-
водов диаметром 377—1220 мм. Она состоит из двух разъемных
стальных форм-оболочек, шарнирно соединенных в верхней ча-
сти на продольном несущем опорном элементе (рис. 9.5). Опа-
лубка опирается через опорные обрезиненные башмаки непо-;
средственно на изоляцию трубопровода или специальные упоры
(опоры) для установки на ранее бетонированные участки. Для
установки на трубу опалубку поднимают .краном за крюки,
разъемные формы на шарнирах раскрываются, затем формы
плавно опускают на трубопровод, нижние края -полуформ стя-
гиваются болтами. Бетон укладывают через загрузочный люк,
расположенный в верхней части опалубки и уплотняют глубин-
ными дисковыми вибраторами. С увеличением толщины бетон-
ного покрытия повышается жесткость трубопровода, что значи-
тельно увеличивает объем земляных работ при профилирова-
нии подводного перехода. Поэтому для уменьшения жесткости
бетонированных трубопроводов в бетонном покрытии преду-
сматриваются кольцевые разрезы (рис. 9.6).
Для бетонирования трубопровод укладывают на опоры
(лежки), на участках, свободных от опор, устанавливают опа-
лубку, опирающуюся на изоляцию трубопровода через обрези-
ненные башмаки. Затем переставляют лежки под бетонированные
участки трубопровода и устанавливают опалубку в промежут-
ках между бетонированными участками, для этого обрезинен-
ные башмаки откатывают й опалубка опирается специальными
упорами на бетон соседних участков. Бетонирование трубо-
провода выполняется бригадой, состоящей из двух звеньев.
Первое звено устанавливает арматурную сетку, выполняет чи-
стку, смазку, монтаж и разборку опалубки и перестановку опор,
второе звено укладывает бетон в опалубку и осуществляет
уход за ним.
Вибропрокатный способ нанесения
бетонного покрытия
Это способ разработан во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.
С помощью вибропрокатной машины можно наносить покры-
тие толщиной 6—8 см на секцию вращающихся труб любого
диаметра на длину 30—40 м по всей окружности. Покрытие по-
лучается плотным и устойчивым. Схема установки вибропро-
187
РИС. 9.5.
Конструкция навесной опалубки:
/ — строповочные скобы; 2 — труба;
форма; 6 — болты
РИС. 9.6.
Конструкция монолитного покрытия,
изготовленного в навесной опалубке
для трубопровода диаметром 1020 мм:
/ — железобетонное покрытие; 2 — рабо-
чий шов бетонирования; 3 — изоляция;
4 — трубопровод; 5 — арматурная сетка;
6 — упор для фиксации сетки; 7 — про-
дольная арматура; 8 — подкладка под
упоры
1
РИС. 9.7.
Схема установки вибропроката для
нанесения бетонного покрытия на
трубы
ката показана на рис. 9.7. Секцию изолированных труб длиной
30—40 м устанавливают на ролики, благодаря которым она
может вращаться вокруг своей оси обычным вращателем, при-
меняемым при стендовой сварке секций. На трубы наматывают
арматуру 5. К поверхности трубы подводят формующий ка-
ток 8 с вибратором, перемещающийся вдоль трубы по узкоко-
лейной дорожке. Формующий каток имеет длину 1 м и диаметр
10—15 см.
Для нанесения защитного слоя применяют жесткий раствор
водоцементным отношением 0,30—0,32 (осадка конуса равна
нулю). Раствор 1 подается из специального вибробункера 2 и
равномерно распределяется по длине трубы при помощи
шнека 3. Трубе 6 и катку (каждому в отдельности) сообщается
принудительное вращение. Необходимая толщина слоя раствора,
поступающего при этом под каток, обеспечивается калибрую-
щим вибробрусом 4, срезающим излишки рыхлого раствора.
Уплотнение раствора осуществляется массой вибрирующего
катка. Вибрация вызывается высокочастотным вибратором 7
Необходимым условием является устранение касательных уси-
лий во время вибрации в месте контакта с трубой, что дости-
гается принудительной синхронизацией окружных скоростей
поверхностей катка и формуемого слоя 9, обеспечиваемой с по-
мощью специальной передачи.
Бетонирование труб методом
набрасывания бетона
Наиболее эффективно заводское изготовление бетонного по-
крытия, что позволяет в стационарных заводских условиях на-
носить не только бетонное, но и изоляционное покрытие. При
заводском изготовлении покрытия повышается производитель-
ность труда, снижаются сроки и стоимость работы, улучшается
качество покрытия, повышается степень индустриализации
строительства и увеличиваются сроки эксплуатации подводного
трубопровода. Самый технологичный из всех перечисленных спо-
собов изготовления бетонного покрытия — способ бетонирования
труб методом набрасывания бетона. Специальные метатели на-
брасывают бетон с большим коэффициентом плотности, что по-
зволяет выполнять такелажные операции с трубой без наруше-
ния покрытия.
Для строительства подводных трубопроводов в Каспийском
море построен завод с цехами по изоляции и балластировке
труб. Операции по очистке и нанесению изоляции полностью
механизированы.
В цехе балластировки (рис. 9.8) используется установка для
бетонирования труб методом набрасывания бетона. Установка
предназначена для нанесения бетонного покрытия на трубы
диаметром 200—800 мм и длиной 7—12 м, толщина бетонного
покрытия — 25—125 мм, производительность — 6—12 труб в ч.
189
Для приготовления бетонной смеси применяются портланд-
цемент марки 400, кварцевый песок и утяжелитель, в качестве
которого могут использоваться молотая железная руда, суль-
фат бария или гранитная крошка. Составляющие бетонные
смеси из бункеров 7 подаются в бетономешалку 5 по ленточ-
ному транспортеру (см. рис. 9.8). Количество воды, поступаю-
щей из резервуаров 6 в бетономешалку по водопроводу, и дру-
гих компонентов смеси автоматически регулируется.
Изолированные трубы 1 грузят на тележки 2 и по рельсо-
вому пути доставляют к установке для обмотки арматурной
сеткой 4. Пластмассовые прокладки толщиной 20—25 мм соз-
дают зазор между арматурной сеткой и изоляционным анти-
коррозийным покрытием. В процессе армирования трубы сеткой
тележки 2 перемещаются к устройству 3, наносящему бетонную
смесь. Это устройство состоит из двух высокоскоростных бара-
банов, расположенных на расстоянии 61 см от поверхности бе-
тонируемой трубы. Бетонная смесь подается к барабанам лен-
точным конвейером, а затем из зазора между барабанами —
РИС. 9.8.
Цех балластировки трубопровода методом набрасывания бетона
190
на поверхность трубы, образуя покрытие высокой плотности.
Зазор регулируется в зависимости от состава бетона.
После бетонирования трубы сетка отрезается и закрепляется
на трубе. Покрытие толщиной 76,2 мм наносится в один прием,
а большей толщины — в два приема.
Для уменьшения изгибной жесткости и повышения трещино-
стойкости в покрытии трубопровода через каждые 90 см делают
сквозные кольцевые разрезы шириной 3—4 мм, не доходящие
на 6 мм до поверхности антикоррозийной изоляции.
Поверхность бетона для сохранения необходимой влажности
и защиты от повреждений покрывают специальным составом,
образующим тонкую пленку. Затем концы труб очищают и про-
мывают, трубы взвешивают, маркируют и переносят на участок
выдержки бетона и после семидневного хранения транспор-
тируют к трубоукладочной барже.
§ 9 6. БАЛЛАСТИРОВКА СПЛОШНЫМ ПОКРЫТИЕМ
ИЗ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Сплошное покрытие из сборных железобетонных утяжели-
телей типа УКС (утяжелитель консольно-сварной) разработан
ЭКБ по железобетону Миннефтегазстроя для труб диаметром
от 529 до 1220 мм. Утяжелители УКС изготовляют в заводских
условиях, они представляют собой цилиндрические тонкостен-
ные оболочки открытого профиля с консольными клинообраз-
ными выступами. При монтаже покрытия консольные выступы
входят один в другой, закладные детали их сваривают. В хво-
стовой части плети приваривают упор для предотвращения сме-
щений грузов при протаскивании трубопровода.
Утяжелители УКС защищают трубу от механических воз-
действий, их устанавливают на антикоррозийную изоляцию, что
позволяет отказаться от устройства футеровки на трубопро-
воде. Ровная поверхность, создаваемая УКС на трубопроводе,
дает возможность использовать трубозаглубительные установки,
перемещающиеся по трубе.
Основные параметры утяжелителей УКС приведены
в табл. 9.5. Марка утяжелителей УКС обозначается двумя чис-
лами, где первое число обозначает условный диаметр трубо-
провода, а второе — номер в зависимости от массы. Различные
марки утяжелителей различаются размерами, армированием и
массой. При монтаже утяжелителей должны выполняться сле-
дующие условия: смещение утяжелителей вдоль трубы относи-
тельно друг друга не должно превышать 5 мм, зазор продоль-
ных швов между утяжелителями одной пары должен быть
одинаковым и не превышать 25 мм. Зазор между ранее смонти-
рованной парой утяжелителей и консолями примыкающей
к ней пары не должен превышать 40 мм. Плоскости консолей
с закладными деталями должны соприкасаться.
191
ТАБЛИЦА 9.5
Марка утяжелителя Диаметр трубы, мм Масса пригруза на 1 м трубы в воде, кг Масса 1 м бетонного покрытия в воздухе, кг Габаритные размеры утяжелителя, мм Длина утяжелителя, мм Масса одного утяже- лителя в воздухе, кг Объем одного утяже- лителя, м3 Толщина одного утя- желителя, мм
УКС-500-1 520 147,5 305 2400X640X345 2200 340 0,4 65
УКС-700-1 720 296 612 3400X950X468 2140 650 0,27 100
УКС-700-2 720 260 538 3400X930X468 2140 572 0,24 90
УКС-800-1 820 426 871 3100X1072X333 2770 1180 0,50 120
УКС-800-2 820 381 788 3100X1072X583 2770 1060 0,42 НО
УКС-100-1 1020 700 1445 3100X1332X673 2680 1940 0,87 160
УКС-1000-2 1020 640 1320 3100X1332X663 2680 1780 0,74 150
УКС-1200-1 1220 1163 2063 2400X1654X809 1900 1960 0,85 200
УКС-1200-2 1220 1368 2420 2400X1714X839 1900 2300 1,00 230
Применение утяжелителей УКС по сравнению с чугунными
грузами снижает расход металла в 9—10 раз, сметная стои-
мость уменьшается в 2—3 раза.
В Англии для балластировки подводных трубопроводов пред-
ложен материал, состоящий из смеси 92,2% магнетита и 7,5%
битума по массе и упрочненный сеткой из полипропилена. Тех-
нология приготовления балластных грузов из такого материала
следующая: в форму заданного размера укладывают грубое
полотно и поверх него сетку, затем заливают три слоя смеси
магнетита с горячим битумом толщиной 154-23 см, на каждый
слой последовательно укладывают сетку, а третий слой поверх
сетки покрывают грубым полотном. Концы верхнего и нижнего
полотен, охватывающих утяжеляющий груз, сшивают. Сразу
же после приготовления балласт погружают в воду и уклады-
вают на лежащий на дне трубопровод. После застывания в воде
битума материал балласта становится твердым. Материалом
для утяжеляющих грузов может служить также смесь магне-
тита с цементом в отношении 4: 1 по массе. В этом случае груз
должен быть наложен на подводный трубопровод до схватыва-
ния цемента.
В США предложен метод закрепления подводного трубопро-
вода с применением гибкой оболочки (рис. 9.9). На трубопро-
вод 2 укладывают пустую гибкую оболочку из прочного ма-
териала, закрепляемую по концам временными грузами. Сред-
нюю часть оболочки 3 располагают на трубопроводе, а два бо-
ковых отсека 1 — на определенном расстоянии по обеим сторо-
192
нам от трубопровода. Отсеки заполняют балластным раство-
ром по гибкому шлангу, перемещаемому вдоль балластируе-
мого трубопровода. В качестве заполняющего балластного ма-
териала можно использовать местный песок или песок с добав-
ками железной руды. Для жидкого утяжеляющего раствора
оболочка изготавливается из водопроницаемого материала,
в этом случае в оболочке предусматривается отверстие для вы-
пуска воды. Предлагаемый метод балластировки значительно
уменьшает размыв грунта в основании трубопровода и прови-
сание его.
Закрепление подводных трубопроводов может осущест-
вляться с помощью балласта, засыпаемого в пластмассовую
оболочку. Оболочка сваривается на трубоукладочном судне из
пластмассовой полосы, сматываемой с барабана, и опускается
на дно одновременно с трубопроводом. Балластный материал
(песок с добавками железной руды) непрерывно подается в обо-
лочку с судна по гибкому шлангу и располагается в оболочке
двумя валиками по обе стороны от трубопровода.
РИС. 9.9.
Схема закрепления подводного трубопровода с использованием гибкой обо-
лочки:
а — трубопровод под гибкой оболочкой; б — схема заполнения гибкой оболочки балласт-
ным раствором. 1 — боковые отсеки оболочки; 2 — трубопровод; 3 — средняя часть обо-
лочки; 4 — насос для забора воды; 5 — резервуар; 6 — насос для нагнетания смеси;
7 — загрузочный трубопровод для подачи смеси; 8 — блок; 9 — тросы; 10— гибкий
шланг, 11 водолаз
193
§ 9.7. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
АНКЕРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Закрепление винтовыми анкерными устройствами целесооб-
разно применять при сооружении трубопроводов через обвод-
ненные и заболоченные участки, глубокие болота, заливаемые
поймы рек и на переходах через малые водные преграды. Ан-
керные устройства имеют незначительную собственную массу,
их можно быстро доставить на удаленные участки переходов,
применение анкерных устройств позволяет значительно снизить
затраты на балластировку трубопроводов. Схема закрепления
трубопровода винтовым анкерным устройством представлена
на рис. 9.10.
Винтовое анкерное устройство состоит из двух или несколь-
ких винтовых анкеров /, соединительного хомута 3, футеровоч-
ного мата 5 и прокладки из нескольких слоев бризола 4, на-
кладываемой на трубопровод 2.
Винтовые анкерные устройства применяются в случае, если
дно траншеи сложено устойчивыми минеральными грунтами
I—III категорий (табл. 9.6). Завинчивание анкеров в торф не
допускается. Глубина завинчивания анкеров принимается рав-
ной пяти-восьми диаметрам его лопасти. Минимальная глубина
заложения лопастей анкеров в минеральный грунт должна быть
не менее пяти диаметров лопасти в глинистых грунтах и шести
диаметров лопасти — в песчаных.
Расчетное усилие (допустимая нагрузка) на анкерное
устройство £>а определяется по формуле
^а = ^гр^
где г — число анкеров в одном анкерном устройстве; &гр — ко-
ТАБЛИЦА 9.6
Категория грунта Грунты Коэффициент несущей способности грунта /ггр
I Мягко пластичные глины и суглинки, пластич-
ные супеси 1
II Пески мелкие, плотные и средней плотности,
маловлажные, влажные и водонасыщенные;
полутвердые тугопластичные глины и суглинки 2
III Пески гравелистые, крупные и средней зерни-
стости, маловлажные, влажные и водонасыщен-
ные; твердые супеси, глины и суглинки 3
194
РИС. 9.10.
Схема закрепления трубопровода
винтовым анкерным устройством
эффициент несущей способно-
сти грунта, в котором нахо-
дятся лопасти анкеров, прини-
мается по табл. 9.6; Na —
максимальная (критическая)
нагрузка на один винтовой
анкер, завинченный в грунт I
категории на глубину не ме-
нее шести диаметров лопасти,
определяется по табл. 9.7;
та — коэффициент условий
работы анкерного устройства,
принимаемый равным 0,5 при
г=С2 и 0,4 при z>2.
Расстояния между анкер-
ными устройствами зависят
от несущей способности анке-
ра, допускаемых напряжений
и деформаций трубопровода.
При строительстве трубо-
провода несущую способность
анкеров уточняют по данным
контрольных выдергиваний
или по величине крутящего
момента, возникающего при
завинчивании сваи. По крутящему моменту определяют несу-
щую способность анкера на различной глубине завинчивания.
При закреплении трубопроводов винтовыми анкерными
устройствами выполняются следующие работы: доставка анке-
ров на трассу, изоляция стержней, подготовка футеровочных
матов и хомутов, выполнение контрольных выдергиваний, за-
винчивание анкеров в грунт, погружение трубопровода на про-
ектные отметки, наложение прокладки из нескольких слоев
бризола и футеровочного мата и соединение хомута со стерж-
нями анкеров.
Винтовые части анкеров изготовляют централизованно на
заводах или в мастерских, а приварку к ним стержней чаще
ТАБЛИЦА 9.7
Диаметр анкера, мм Максимальная (крити- ческая) нагрузка на один винтовой анкер Na, кгс Диаметр анкера, мм Максимальная (крити- ческая) нагрузка на один винтовой анкер Na, кгс
100 650 300 3 000
150 750 400 5 300
200 1350 500 8 300
250 2100 600 12 000
195
всего осуществляют на строительной площадке трубопровода.
Футеровочные маты изготовляют из деревянных реек толщиной
не более 30—40 мм, длина мата принимается равной 70—250 см
в зависимости от диаметра трубопровода и давления, переда-
ваемого хомутами анкеров на изоляционное покрытие. Футеро-
вочные маты могут не устанавливаться, если ширина хомута
достаточна и обеспечивает сохранность изоляционного покры-
тия трубопровода. Хомуты изготавливаются из полосовой стали
шириной 60—100 мм и толщиной не менее 4 мм.
Для выполнения контрольных выдергиваний на грузовой
крюк крана-трубоукладчика навешивают динамометр и захват-
ное приспособление. Максимальная нагрузка на анкер (предель-
ное сопротивление основания анкера) определяется по макси-
мальному показанию динамометра, которое возникает при рез-
ком возрастании перемещений вверх до 0,1 диаметра лопасти
анкера и незначительном увеличении нагрузки.
Завинчивание анкеров в грунт может выполняться с по-
мощью рычажных устройств вручную или специальными ма-
шинами. Ручной способ завинчивания анкеров отличается боль-
шой трудоемкостью и может быть рекомендован только в осо-
бых случаях.
Пневматические заглубители анкеров ПЗА-1 и ПЗА-2 позво-
ляют завинчивать анкеры с диаметром лопасти 100—250 мм.
Они состоят из рамы, пневматических вращателей, работающих
от компрессора, и инвентарной штанги; создаваемый ими кру-
тящий момент — соответственно 100 и 250 кгс-м, а масса — 30
и 50 кг. Техническая характеристика машин для завинчивания
анкеров с лопастью больших диаметров приведена в табл. 9.8.
После завинчивания пары анкеров на трубопровод уклады-
вают прокладки, футеровочный мат и хомут и приваривают
стержни анкеров к хомуту. Для снижения нагрузки на анкер-
ные устройства целесообразно трубопровод засыпать грунтом.
Закрепление трубопровода в траншее, заполненной водой,
значительно затрудняется. В этом случае футеровочный мат и
ТАБЛИЦА 9.8
Марка машины Макси- мальный диаметр лопасти анкера, мм- Крутя- щий момент, кгс-м Скорость враще- ния, об/мин Вылет стрелы, м Масса оборудо- вания, кг Базовые машины, тракторы
ВАГ-101 300 1000 4—8 5,5 1527 Т-100
ВАГ-201 500 2000 7,5 5—7 3100 Т-304Б
ВАГ-202 500 2000 7,5 4,5—7,5 3100 Т-153ОВ, или Т-1224
ВАГ-203 500 2000 10 6 — Т-130Г
196
Вид Б
Б
коврики из бризола закрепляют на хомуте и устанавливают
вместе с ним на трубопровод. Соединение хомута со стрежнями
анкеров осуществляется водолазами при помощи болтов или
самозаклинивающих устройств.
На переходах через глубокие болота при слое торфа тол-
щиной до 5 м можно использовать винтовые анкеры, конструк-
ция штанги которых позволяет наращивать стержни анкера до
необходимой длины.
Значительно большей несущей способностью по сравнению
с винтовыми анкерами обладают анкеры раскрывающегося
типа (рис. 9.11).
Конструкция анкера раскрывающегося типа с двухъярусным
расположением лопастей позволяет выдерживать выдергиваю-
щее усилие до 40 тс (до 80 тс на одну опору). Анкер погружают
в грунт с помощью виброударной установки и затем частично
извлекают (до 80 см) статическим усилием до момента рас-
крытия лопастей.
Частичное извлечение анкера осуществляется одновременно
с погружением трубопровода специальным приспособлением.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
АНКЕРА АР401
Заглубляемая длина анкера, м . 5
Максимальная площадь лопастей, м2 1
Число лопастей, шт. 4
Угол раскрытия лопастей, град 75
Несущая способность анкера, тс 40
197
§ 9.8. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЛАВУЧЕСТИ ТРУБОПРОВОДОВ.
КОНСТРУКЦИЯ ПОНТОНОВ
Регулирование плавучести и установление определенной
массы трубопроводов под водой имеют большое значение при
их укладке различными методами. При протаскивании трубо-
провода применение разгружающих понтонов позволяет умень-
шить тяговое усилие и увеличить длину протаскиваемых пле-
тей. Оснащение трубопроводов понтонами необходимо при
транспортировке их на плаву к месту укладки. Особенно точное
регулирование массы трубопровода под водой необходимо при
укладке на большие глубины для ограничения чрезмерных
напряжений, возникающих от изгиба трубы, установления оп-
тимальных значений усилия натяжения трубопровода и длины
стрингера при укладке с трубоукладочных барж.
Изменение массы подводных трубопроводов может быть до-
стигнуто дополнительной пригрузкой (балластировкой) или
оснащением трубопровода понтонами. Конструкция балласти-
ровки рассмотрена в § 9.4—9.6.
Основные свойства, которые необходимо учитывать при вы-
боре материалов для изготовления понтонов, следующие: проч-
ность, сжимаемость, долговечность, химическая стойкость, гиб-
кость и др. Плотность материала должна быть значительно
меньше плотности морской воды. Конструкция понтона должна
отличаться достаточной прочностью и долговечностью. Кроме
того, материалы понтонов должны быть химически стойки и не
взаимодействовать с материалом трубопровода и морской
водой.
Гибкость понтонов означает, что методы их закрепления
должны учитывать изгиб трубопровода и обеспечивать сохран-
ность понтонов при укладке.
Размеры понтонов должны обеспечивать транспортировку,
монтаж и хранение их без значительных затрат труда и приме-
нения сложного оборудования.
Оснащение трубопровода понтонами не должно задерживать
процесс его укладки с трубоукладочных барж. С этой целью
понтоны прикрепляются после натяжного устройства. Способ их
закрепления должен обеспечивать свободное прохождение через
ролики или другие приспособления спусковой дорожки и стрин-
гера. Понтоны увеличивают конструктивные размеры трубо-
провода, что, в свою очередь, приводит к возрастанию нагру-
зок от волн и течений на погружаемый трубопровод, которое
должно быть в допустимых пределах. Кроме того, сосредоточен-
ные нагрузки, возникающие в местах крепления понтонов к тру-
бопроводу, не должны превышать допустимого предела.
Особые требования надежности предъявляются к конструк-
ции понтонов, способам их закрепления и отстропки. При ук-
ладке трубопровода понтоны не должны смещаться или прежде-
198
временно отсоединяться. Работоспособность понтонов должна
обеспечиваться при любом наклоне продольной оси трубопро-
вода и особенно при укладке на большие глубины, когда ось
трубы близка к вертикали. Конструкция понтонов, способы за-
крепления и отстропки должны исключать при укладке любое
повреждение как трубопровода, так и понтонов.
Требование экономичности означает минимальную общую
стоимость укладки системы трубопровод—понтоны с учетом вы-
полнения других приведенных выше требований и самым глав-
ным из них — обеспечение надежности.
Конструкции устройств для регулирования плавучести тру-
бопроводов можно разделить на две системы: внутренние и
внешние. Отличительная особенность внутренних систем — раз-
мещение внутри укладываемого трубопровода второго трубо-
провода, имеющего положительную плавучесть, или других спе-
циальных устройств, регулирующих плавучесть (см. § 12.13).
Устройства внешней системы прикрепляются к наружной по-
верхности укладываемого трубопровода, и конструкции их
весьма разнообразны.
По конструкции понтоны можно разделить на жесткие, твер-
дые пластмассовые, мягкие и смешанной конструкции.
На рис. 9.12 показаны схемы различных типов конструкций
понтонов и креплений их к трубопроводу.
Жесткие понтоны в виде металлических или пластиковых
сфер и цилиндров могут быть заполнены газом, жидкостью либо
пенопластом. При использовании газа возможно предваритель-
ное увеличение давления в понтоне для компенсации наружного
гидростатического давления при погружении понтона в воду.
Наиболее широко в практике строительства подводных тру-
бопроводов применяются стальные понтоны. Основные техни-
ческие характеристики инвентарных стальных понтонов приве-
дены в табл. 9.9.
Корпус стальных понтонов сварной, цилиндрической формы,
для увеличения жесткости внутри по длине корпуса установ-
лены кольцевые шпангоуты. Торцы понтонов грузоподъемно-
стью 3—10 т выполнены в виде усеченного конуса с горлови-
нами для очистки и осмотра.
Другим примером жестких понтонов является параллельный
трубопровод положительной плавучести, представляющий собой
непрерывный понтон, разделенный на отсеки жесткими диаф-
рагмами.
Перспективный материал для изготовления понтонов — пе-
нопласты — газонаполненные пластические массы ячеистой
структуры, имеющие строение отвердевших пен. Пенопласты,
приготовленные на основе полистирола, полиуретана и некото-
рых других синтетических или природных полимеров, обладают
чрезвычайно низкой плотностью — 0,02—0,5 г/см3. Некоторые
пенопласты, кроме того, нейтральны к воздействию морской
199
ТАБЛИЦА 9.9
Показатели Грузоподъемность понтонов, т
1.5 | 3 1 5 1 10
Глубина погружения, м: без поддува 25 20 30 30
с поддувом — 40 50
Грузоподъемность при заполнении во- дой, кг — — 50 50
Длина корпуса, м 2,5 4,4 3,6 6,62
Диаметр корпуса, м 1,0 1,1 1,6 1,56
Масса, кг 420 685 1250 1900
воды, нефти, различных растворов солей, кислот и других хими-
ческих веществ. Превосходная плавучесть пенопластов, возмож-
ность изготовления понтонных блоков непосредственно на
строительной площадке или базе делают их незаменимыми в от-
дельных случаях при укладке трубопроводов. Небольшая масса
пенопластовых понтонов позволяет выполнять такелажные ра-
боты, установку и закрепления к трубопроводу вручную без
применения специальных машин и механизмов.
Мягкие (гибкие) понтоны изготавливаются из резины или
из пластика и усиливаются армированием из прочного мате-
риала. Мягкие понтоны наполняются воздухом или жидко-
стью небольшой плотности и могут быть снизу открыты или за-
крыты.
Понтоны смешанной конструкции состоят из наружной жест-
кой и внутренней мягкой оболочек (пузыря). Жесткая наруж-
ная оболочка обеспечивает возможность создания внутреннего
давления в пузыре, значительно превышающего давление, кото-
рое может выдержать его мягкая оболочка. В жесткой наруж-
ной оболочке в нижней части имеются отверстие или клапаны,
поэтому она не испытывает избыточного гидростатического дав-
ления, а мягкая оболочка находится под внешним гидростата-
ческим давлением. При погружении трубопровода, когда дав*
ление окружающей воды превысит давление газа в мягкой
оболочке понтона, газ начинает сжиматься, и клапан откры-
вается, некоторый объем воды заполняет понтон, и плаву-
честь его уменьшается. Если понтон поднимается, вода по-
степенно вытесняется из него, клапан вновь садится на седло,
закрывая выход сжатому газу, и плавучесть понтона увеличи-
вается.
Для обеспечения надежной работы понтонов необходимо,
чтобы они всегда находились в вертикальном положении и не
переворачивались. На большой глубине газ сжимается на-
столько, что понтоны теряют плавучесть. В этом случае для
компенсации массы оболочек понтона в нем необходимо разме-
200
щать несжимаемый облегчающий продукт (бензин или другой
продукт) или изготовлять понтоны из легких синтетических ма-
териалов. Одна из конструкций такого понтона с переменной
плавучестью, работающего по схеме «дышащего» буя, показана
на рис. 9.13.
Регулируемую плавучесть трубопровода можно создать и
с помощью конструкции понтона, работающей по схеме пор-
шень в цилиндре. Поршень отделяет сжимаемый газ от гидро-
статического давления окружающей воды. С увеличением глу-
бины погружения поршень сжимает газ и плавучесть понтона
уменьшается, при подъеме понтона плавучесть его увеличи-
вается.
Регулирование плавучести трубопровода вблизи дна можно
осуществить с помощью понтонов с присоединенными цепями
(рис. 9.14). Понтоны с присоединенными цепями позволяют
удерживать трубопровод на определенном расстоянии от дна.
Для этого трубопровод оснащают понтонами таким образом,
чтобы он имел небольшую положительную плавучесть, затем
РИС. 9.12.
Схемы понтонов:
1 — обычный жесткий; 2 — пенопластовые стержни; 3 — пенопластовый твердый; 4 —
«дышащий» буй; 5 —понтон с поршнем; 6 — закрытые пузыри; 7 — надувной открытый;
8 — надувной закрытый; 9 — надувной в веревочной сетке; 10 — внутренний трубопровод;
// — внешний трубопровод (непрерывный понтон); 12 — плавучая оболочка
201
2
РИС. 9.13.
Конструкция шарового понтона пере-
менной плавучести:
/ — стенка понтона; 2 — люк; 3 — сваркый
шов; 4 — внутренняя оболочка; 5 — воздух;
6 — вода; 7 — отверстия для воды
РИС. 9.14.
Схема расположения понтона с це-
пями на трубопроводе:
/ — понтон; 2 — трубопровод; 3 — тяжелые
цепи; 4 — дно водоема
РИС. 9.15.
Понтон с механической отстропкой:
а — схема крепления понтона к трубопроводу; б — отстропочное устройство; в — схема
присоединения кронштейна для отстропки; 1 — натяжной канат; 2 — гибкая тяга (трос);
3 — рычаг; 4 — отстропочное устройство; 5 — понтон; 6 — трубопровод; 7 — внутренняя
втулка; 8 — наружная втулка; 9 — кронштейн
202
К понтонам присоединяют металлические цепи. Если трубопро-
вод находится на значительном расстоянии от дна, то цепи сви-
сают, не касаясь дна, и придают всей системе отрицательную
плавучесть, и трубопровод погружается. Когда цепи частично
лежат на дне, масса их свисающих частей уравновешивает
плавучесть трубопровода с понтонами, удерживая трубопро-
вод на определенном расстоянии от дна. В таком положе-
нии можно протаскивать или транспортировать трубопровод,
не рискуя повредить его на участках с пересеченным релье-
фом дна.
После отстропки понтоны вместе с цепями всплывают на по-
верхность воды. Цепи могут быть присоединены и непосред-
ственно к трубопроводу, в этом случае после отстропки понто-
нов они остаются на дне. Вместо цепей можно использовать
трос или другие гибкие тяжелые элементы.
Отстропку понтонов можно выполнять механической или ав-
томатической системой отстропки, а также с помощью водола-
зов. Применение водолазного труда требует больших затрат,
а в некоторых случаях при больших глубинах или скоростях
течения воды весьма затруднительно. Упрощение и ускорение
отстропки понтонов достигается автоматическими или механи-
ческими устройствами. Система отстропки понтонов может быть
приспособлена на срабатывание от различных сигналов, напри-
мер, таких как заданное гидростатическое давление, электриче-
ский сигнал или радиосигнал, подаваемые с трубоукладочной
баржи или с берега. При воздействии сигнала срабатывает
механизм отстропки и происходит отсоединение хомутов или
тросов, разрез строповочных связей или разрыв их взрыв-
ными элементами. В настоящее время в основном пользуются
относительно простыми механическими системами отстропки.
Существуют различные конструкции механических устройств
отстропки. Конструкция одного из них показана на рис.
9.15 [15].
Устройство представляет собой две втулки с продольными
прорезями. Прорезь наружной втулки расположена внизу и не
совпадает с прорезью внутренней втулки. Поворотом рычага
вверх прорези обеих втулок совмещаются, и трос крепления со-
скальзывает, освобождая от трубопровода переднюю часть пон-
тона, которая, поднимаясь вверх, приводит к соскальзыванию
с открытой скобы троса задней части крепления понтона, осво-
бождая его полностью от трубопровода.
Понтоны соединены между собой гибким тросом. Первый
понтон, всплывая, поворачивает соединительным тросом рычаг
следующего понтона, который освобождается аналогичным спо-
собом. Если расстояние между понтонами больше глубины во-
доема, отстропка понтонов осуществляется натяжением соеди-
нительного троса катером, перемещающимся вдоль трубопро-
вода. Присоединение к рычагу поворотной втулки кронштейна 9
203
(рис. 9.15, в) позволяет отстропливать понтоны по мере опира-
ния башмака кронштейна о дно водоема. Таким образом, в обоих
случаях последовательная отстропка всех понтонов произво-
дится без участия водолазов.
Другое устройство для механической отстропки понтонов
показано на рис. 9.16. При повороте рычага механической от-
стропки вверх огон строповочного троса, огибая фасонный ко-
нец валика, соскальзывает, и понтон, освобождаясь от трубо-
провода, всплывает на поверхность.
Устройство для отстропки понтона, показанное на рис. 9.17,
представляет собой механический запор, состоящий из двух де-
талей 1 и 2, расположенных на разных концах строповочного
хомута 3, охватывающего трубопровод 4. Деталь 2 имеет высту-
пающий фланец 5 с отверстием, деталь 1 закреплена шарнирно
на оси 7 и имеет палец 6. При закрытом положении запорного
устройства палец 6 входит в отверстие фланца 5, и нижние
концы деталей 1 и 2 образуют замкнутую проушину 8. При про-
РИС. 9.16.
Устройство механической отстропов-
ки понтона:
1 — валик; 2 — огон строповочного троса;
3 — корпус; 4 — рычаг поворота валика
РИС. 9.17.
Устройство механической отстроповки
с помощью разжимного клина
204
хождении через проушину разжимного клина 9, протаскивае-
мого тросом 10, происходит поворот детали по часовой стрелке
вокруг оси 7, палец 6 выходит из отверстия фланца 5, и про-
ушина раскрывается. Хомут освобождает трубопровод и всплы-
вает вместе с понтоном. Чередуя по длине троса малого и боль-
шого размеров разжимаемые клинья 9 и меняя размеры про-
ушин 8, можно производить отстропку в заранее установленном
порядке, например через один понтон. Разжимной клин неболь-
шого размера свободно проходит через большие проушины, не
вызывая срабатывания запорного устройства, а при прохожде-
нии через проушины меньшего размера запорное устройство
раскрывается.
ГЛАВА 10. ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ПРОТАСКИВАНИЕМ
И РАСЧЕТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ
Укладка подводных трубопроводов на дно подводной тран-
шеи или дно водной преграды является наиболее ответственной
операцией, завершающей большой объем подготовительных ра-
бот. Поэтому к проведению укладки трубопровода необходимо
готовиться весьма тщательно. Существуют различные приемы
и схемы укладки трубопроводов, которые по ряду характерных
признаков могут быть отнесены к следующим способам:
протаскивание трубопровода по дну;
укладка погружением с поверхности водоема заливом в тру-
бопровод (понтоны) воды, отстропкой понтонов или пригрузкой
различными методами;
опуск трубопровода с опор, оборудованных подъемными ус-
тройствами, установленными на льду или с использованием
плавучих кранов;
укладка трубопроводов с трубоукладочных барж различных
типов.
Каждый из перечисленных способов рационально использо-
вать только в определенных условиях в зависимости от кон-
струкции и параметров перехода, гидрогеологических, топогра-
фических и климатических условий, а также наличия специаль-
ной техники для монтажа и укладки трубопровода.
§ 10.1. УКЛАДКА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
СПОСОБОМ ПРОТАСКИВАНИЯ
Суть способа заключается в протаскивании трубопровода по
дну подводной траншеи с одного берега к другому с помощью
троса, заранее проложенного в траншее. Технологическая по-
следовательность основных операций, связанных с укладкой
протаскиванием, следующая:
трубопровод сваривают на берегу в нитку, опрессовывают,
изолируют, футеруют, а в необходимых случаях балластируют
и оснащают понтонами;
устраивают спусковую дорожку, на которую помещают под-
готовленный к укладке трубопровод;
по дну траншеи укладывают тяговый трос;
протаскивают трубопровод через водную преграду с по-
мощью тракторов, лебедок или специальных устройств;
206
после окончания протаскивания осуществляют контроль
фактического положения трубопровода, проводят испытание
уложенного трубопровода и затем засыпают его.
К моменту укладки должны быть подготовлены как трубо-
провод, так и береговые и подводные траншеи. Подготовитель-
ные и монтажные работы необходимо завершать к моменту
окончания подводных земляных работ, и во избежание заноси-
мости траншеи перерыв между укладкой трубопровода и готов-
ностью траншеи должен быть минимальным. Рассмотрим ос-
новные схемы укладки трубопровода протаскиванием.
Схема 1
Оба берега водоема имеют равнинный характер, что создает
благоприятные предпосылки для протаскивания полностью под-
готовленного к укладке трубопровода с одного берега к дру-
гому тракторами без изменения направления их движения (рис.
10.1, а). На одном из берегов устраивают спусковую дорожку,
РИС. 10.1.
Схема протаскивания трубопровода:
а — без изменения направления движения; б — с поддержкой трубоукладчиками; 1 —
трубопровод; 2 — траншея; 3 — трос; 4 — тракторы; 5 — трубоукладчики
б
207
достаточную для размещения всего трубопровода, а на другом
берегу — тяговые средства.
Длина протаскиваемого по схеме 1 трубопровода ограничи-
вается размером площадок на обоих берегах водоема, а также
тяговым усилием и наличием для его создания тяговых средств.
Как показывает опыт, при большом числе тракторов или других
самоходных тягачей трудно добиться синхронности их работы.
Например, использование одновременно более пяти машин на
одном тяговом тросе из-за сложности синхронизации их работы
не приводит к существенному увеличению тягового усилия. При
всей кажущейся простоте схемы именно это вызывает задержки
и остановки протаскивания. Поэтому накануне протаскивания
необходимо провести проверку согласованности в действиях ма-
шинистов и одновременно достаточности тяговых средств. Для
этой цели укладываемый трубопровод один-два раза сдвигают
с места, при этом расстановка тяговых механизмов должна
быть такой же, как и во время протаскивания. Наибольшее уси-
лие протаскивания возникает в момент трогания, поэтому при
пробном трогании проверяется надежность тягового троса, кре-
плений и достаточность тяговых средств.
Операция по протаскиванию облегчается применением тяго-
вых лебедок большой грузоподъемности, например лебедок се-
рии ЛП, предназначенных специально для протаскивания под-
водных трубопроводов.
Для уменьшения тягового усилия протаскиваемый по берегу
трубопровод часто «разгружают» с помощью трубоукладчиков
(рис. 10. 1, б), устанавливаемых вдоль трубопровода. Это по-
зволяет в ряде случаев отказаться от устройства специальных
спусковых дорожек.
Обычно при протаскивании используют один тяговый трос.
Однако с увеличением диаметра и длины трубопровода усилие
достигает таких значений, что для передачи его от лебедки или
тягачей на трубопровод требуется трос, расчетный диаметр ко-
торого 50 мм и более. Выполнять такелажные работы с таким
тросом сложно, поэтому применяют два, а при необходимости
и большее число тросов. В этом случае необходимо развести
тросы в разные направления, например, как показано на
рис. 10.2. Каждый тягач или лебедка создает свое усилие, од-
нако суммарное усилие, приложенное к оголовку трубы, должно
быть равно усилию, необходимому для протаскивания.
Схема 2
Протаскивание трубопровода осуществляется с изменением
направления тягового троса на необходимый угол с помощью
блока. Эта схема применяется, когда на одном берегу реки,
обычно пологом, можно разместить подготовленный к укладке
трубопровод, а на другом движение тягачей возможно только
по узкой береговой полосе (рис. 10.3, а). Особое внимание уде-
208
РИС. 10.2.
Схема расстановки тяговых средств:
1 и 9 — тягачи; 2 и 8 — тросы; 3 — понтоны; 4 — трубопровод; 5 — трубоукладчики; 6 —
блок; 7 — оголовок
ляют закреплению поворотного блока, расчету и устройству
анкерной опоры.
При пересечении водных преград, на одном из берегов ко-
торых невозможна работа тракторов или лебедок, например,
при большой крутизне берега или сильной заболоченности его,
протаскивание осуществляется с исходного берега (рис. 10.3,6).
На противоположном исходному берегу устанавливают блок,
с помощью которого изменяют направление движения тягового
троса на 170—180° Тяговый трос прокладывают по дну тран-
шеи, пропускают через блок и перекидывают на исходный бе-
рег, где закрепляют его на тяговой лебедке или тракторе. Как и
в предыдущей схеме, особое внимание уделяют закреплению по-
воротного блока, расчету анкера и испытанию его несущей спо-
собности.
Для уменьшения тягового усилия можно устраивать спуско-
вую дорожку или разгружать трубопровод, поднимая его тру-
боукладчиками.
Схема 3
При незначительных размерах площадок в створе перехода,
пригодных для строительно-монтажных работ на обоих берегах,
протаскивание осуществляется с последовательным наращива-
нием укладываемого трубопровода (рис. 10.4). Спусковую до-
рожку устраивают по длине отдельных плетей или вместо нее
применяют поддержку плетей трубоукладчиками.
Схема 4
Трубопровод укладывают протаскиванием с одновременной
заливкой внутрь его воды. Этот способ часто применяют при
укладке нефтепроводов, если по условиям судоходства или
209
РИС. 10.3.
Схема протаскивания:
а — с изменением направления движения тяговых тракторов; б — с изменением направ-
ления движения тягового троса на 180°;
/ — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3 — поворотный блок; 4 — анкер
РИС. 10.4.
Схема протаскивания
с последовательным на-
ращиванием трубопро-
] ““г вода:
Ф 1 — секции труб; 2 — гаран-
| тийный стык; 3 — трос
иным причинам укладка их с поверхности воды не допу-
скается.
Вода заливается в процессе протаскивания в специально
сделанное отверстие в головной части трубопровода. На берегу
трубопровод перемещают по спусковой дорожке или трубоук-
ладчиками. При заполнении трубопровода водой тяговое усилие
достигает наибольшей величины в конце протаскивания, когда
весь трубопровод уходит под воду. Для уменьшения тягового
усилия применяют разгружающие понтоны, которыми заранее
оснащают трубопровод. Число понтонов определяют из расчета,
чтобы общая отрицательная плавучесть (вес трубопровода
в воде) создавала достаточную устойчивость на сдвиг от воз-
действия течения реки. Скорость протаскивания нефтепроводов
с самозаливом определяется расчетом и зависит от диаметров
трубопровода и отверстия, через которое вода поступает
в трубу.
Схема 5
При ширине водной преграды, превышающей канатоемкость
барабана тяговой лебедки, укладку трубопровода можно выпол-
нить с перестановкой тяговой лебедки на берегу, что исключает
перепасовку троса и обеспечивает лучшие условия его эксплуа-
тации. Эта схема возможна при пологом спланированном ре-
льефе берега, но для ее осуществления необходимо устройство
дополнительных анкерных опор при установке лебедки на но-
вые позиции.
210
Аналогична схема с установкой тяговых лебедок на барже.
Тяговое усилие лебедки при протаскивании трубопровода вос-
принимается якорной системой баржи, включающей несколько
якорей, масса которых зависит от тягового усилия. При слабых
грунтах на участке перехода и значительном тяговом усилии
вместо якорей используют якорные сваи, забиваемые в дно
водной преграды. Верхние концы свай оборудуются захватами
для якорных тросов баржи. Число якорных опор вдоль трассы
трубопровода возрастает с увеличением протяженности пере-
хода. При значительном тяговом усилии, достигающем несколько
сотен тонн, может применяться поддерживающая баржа. Про-
таскивание трубопровода по этой схеме показано на рис. 10.5.
Схема 6
Применяется при ширине водной преграды, превышающей
канатоемкость тяговой лебедки. По этой схеме (рис. 10.6, а)
с помощью дополнительной лебедки (дополнительного барабана
с механическим или электрическим приводом) сматывают лиш-
ний трос с барабана тяговой лебедки. Эта схема используется
при стесненных для установки лебедки условиях берегового
рельефа.
Схема 7
Применяется как и схемы 5 и 6 при ширине водной пре-
грады, превышающей канатоемкость тяговой лебедки. Вместо
замены и перепасовки троса на барабане тяговой лебедки про-
изводится перепускание тягового троса через блок на оголовке
и подтягивание второй линии троса (см. рис. 10. 6, б). Дополни-
тельная лебедка должна обладать достаточной мощностью для
подтягивания троса после заполнения барабана основной тяго-
вой лебедки.
Схема 8
Укладка трубопровода выполняется протаскиванием с пере-
пасовкой троса над поверхностью воды. Эта схема была исполь-
зована при протаскивании подводного перехода через р. Енисей
в зимних условиях подо льдом [27]. После протаскивания пер-
вых трех плетей общей длиной 1110 м возникла необходимость
в перепасовке троса через блок для увеличения тягового усилия
лебедки вдвое. Обычно вторичное закрепление троса к оголовку
и перепасовка его через блок выполняется водолазами и на
больших глубинах представляет собой сложную, связанную со
значительными затратами времени, операцию.
С помощью специального приспособления оголовок с блоком
был поднят с глубины 36 м на поверхность льда и все работы
с перепасовкой троса выполнены на льду. Приспособление пред-
ставляет собой штангу, изготовленную из трубы диаметром
219 мм и длиной 48 м, шарнирно соединенную с передним
211
РИС. 10.5.
Схема протаскивания трубопровода с применением поддерживающей баржи:
1 — понтоны; 2 — протаскиваемый трубопровод; 3 — соединительный трос; 4 — поддержи-
вающая баржа; 5 — тяговый трос; 6 — баржа с тяговой лебедкой; 7 — якорный трос;
8 — якорные сваи
РИС. 10.6.
Схема протаскивания трубопровода:
а —с периодическим сматыванием троса с барабана тяговой лебедки; б —с подтягива-
нием второй линии троса; 1 — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3 и 4 — соединительные
звенья тросов; 5 — тяговая лебедка; 6 — анкерная опора; 7 — вспомогательная лебедка;
8 — блок на оголовке трубопровода
РИС. 10.7.
Схема протаскивания с перепасовкой троса над поверхностью воды:
/ — трубопровод; 2, 3 — шарниры; 4 — штанга; 5 — блок; 6 — тяговый трос
РИС. 10.8.
Схема протаскивания двумя лебедками, установленными на барже:
/ — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3 и 4—тяговые лебедки; 5 —баржа; 6 — анкерны
трос; 7 — анкерная опора
концом протаскиваемого трубопровода. К другому концу
штанги приварен оголовок из трубы диаметром 426 мм. Через
отверстие в оголовке пропущен трос в виде петли для поднятия
штанги.
Схема подъема штанги показана на рис. 10.7. После пере-
пасовки троса штангу опустили на дно и продолжили протаски-
вание трубопровода.
Схема 9
Протаскивание трубопровода осуществляется с помощью
двух лебедок, установленных на барже (рис. 10.8). Использо-
вание этой схемы позволяет уменьшить число перестроповок на
анкерной линии и увеличить длину протаскиваемой плети. Про-
таскивание производится в следующем порядке: вначале рабо-
тает лебедка 3 (см. рис. 10.8), которая подтягивает трубопро-
вод к неподвижной барже, затем в работу включается лебедка
4, подтягивая одновременно трубопровод и баржу к берегу.
Схема 10
Применяется при укладке протаскиванием морских трубо-
проводов на глубинах от нескольких сотен метров до 1000 м и
более, когда использование самых современных трубоукладоч-
ных барж становится экономически неэффективным. При ук-
ладке протаскиванием в этих условиях трубопровод почти не
подвергается воздействию волн и течений и не испытывает на-
пряжений от изгиба трубы по сравнению с укладкой трубопро-
вода с трубоукладочных барж.
Профили континентальных шельфов характеризуются не-
большими уклонами в среднем до 0,2% и простираются от бе-
рега до глубин ПО—150 м. Начиная от границы шельфа и до
глубины порядка 3000 м располагается континентальный склон
с уклонами, в 20—30 раз большими по сравнению с уклонами
шельфа. В связи со значительной крутизной континентального
склона расстояние от границы шельфа до глубин 1000 м состав-
ляет 14—25 км.
Укладку трубопровода от берега до глубины 1000 м целе-
сообразно выполнять комбинированным способом: на континен-
тальном шельфе и до глубин 200 м укладка ведется с трубоук-
ладочной баржи, на глубинах от 200 до 1000 м трубопровод
протаскивается. Поскольку соединение отдельных протаскивае-
мых плетей на больших глубинах весьма сложно и требует зна-
чительных затрат, длина плетей должна быть не менее протя-
женности глубоководного участка в пределах континентального
склона, т. е. примерно 14—25 км. Очевидно, что протаскивание
плети такой длины возможно только при минимальной отрица-
тельной плавучести трубопровода 10—20 кг/м.
Протаскивание трубопровода в условиях небольших и сред-
них глубин осуществляется лебедками, установленными на
213
РИС. 10.9.
Схема протаскивания трубопровода с подъемом донного груза:
а ~ донный груз опущен, гидравлический зажим закрыт; б — цикл подъема донного
груза, гидравлический зажим закрыт; в — цикл опускания донного груза, гидравличе-
ский зажим открыт;
1 — трубопровод; 2 — шарнирно соединенные секции труб для образования углубления
в грунте; 3 — подъемный трос; 4 — крановое судно; 5 — анкерный трос; 6 — донньГ
блок; 7 — гидравлический зажим
РИС. 10.10.
Конструкция донного блока:
1 — тяговый трос; 2 — донный блок; 3 —
контрольный кабель зажима; 4 — подъ-
емный трос; 5 — гидравлический зажим:
6 — шкив; 7 — анкерный трос
214
палубе баржи (см. схемы 5 и 9), тяговый трос проходит непо-
средственно от оголовка трубопровода к лебедке.
При укладке протаскиванием трубопроводов на больших
глубинах от таких схем приходится отказываться ввиду их не-
эффективности и невозможности регулировать горизонтальную
составляющую усилия с баржи. На больших глубинах эффек-
тивно использование тяговых устройств с вертикальным прило-
жением усилий, создаваемых с поверхности крановым судном.
Протаскивание трубопровода на больших глубинах по пред-
лагаемой схеме показано на рис. 10.9. Протаскивание осуще-
ствляется циклически с использованием операций подъема и
опускания тяжелых грузов — донных блоков плавучими кра-
нами. Сначала прокладывают анкерный трос на всю длину
участка протаскивания с одним концевым анкером для исклю-
чения необходимости установки дополнительных анкеров в про-
цессе протаскивания трубопровода.
Трубопровод начинает перемещаться после подъема блока
примерно на 200 м от дна, скорость протаскивания возрастает
РИС. 10.11.
Схема протаскивания трубопровода с использованием перемещения донного
груза:
/ — протаскиваемый трубопровод; 2 — тяговый трос; 3 — гидравлическое тяговое уст-
ройство; 4 — буровая вышка; 5 — лебедки; 6 — буровая колонна; 7 — массивный блок
(донный груз); 8 — анкерная линия
215
с увеличением высоты подъема блока. Оптимальная высота
подъема блока зависит от условий прохождения трассы и уси-
лия протаскивания трубопровода. Перед оголовком могут быть
установлены шарнирно соединенные секции из труб для обра-
зования углубления, по которому затем будет перемещаться
протаскиваемый трубопровод. После каждого цикла протаски-
вания трос анкерной линии выбирается с помощью гидравличе-
ского зажима, установленного на донном блоке (рис. 10.10).
Схема 11
В отличие от предыдущей схемы для протаскивания глубоко-
водного трубопровода используется не подъем массивного дон-
ного блока, а его перемещение по дну (рис. 10.11). Усилие про-
таскивания создается гидравлическими тяговыми устройствами,
прикрепленными к массивному блоку, который перемещается
по дну моря между отдельными циклами протаскивания. Анке-
ром при перемещении массивного блока служит второй якорный
блок, который создает дополнительное (помимо массивного дон-
ного блока) сопротивление при протаскивании трубопровода.
Массивный блок в неподвижном состоянии используется для
протаскивания трубопровода, а при перемещении по дну служит
бульдозером, выравнивающим дно. Уменьшение сопротивления
при продольном перемещении массивного блока можно достичь
приложением к нему подъемного усилия с кранового судна или
использованием понтонов с регулируемой плавучестью.
§ 10.2. КОНСТРУКЦИИ СПУСКОВЫХ ДОРОЖЕК
Трубопроводы, подготовляемые для подводной прокладки,
размещают на берегу на специальных спусковых дорожках, ко-
торые служат для спуска трубопровода с берега в подводную
траншею или на поверхность воды. На практике используются
спусковые дорожки различных типов.
Грунтовые дорожки представляют собой спланиро-
ванную полосу грунта в створе перехода на одном из берегов
водоема. Дорожку делают прямолинейной в плане. Профиль
дорожки планируют так, чтобы он имел уклон в сторону во-
доема или был горизонтальным. Даже незначительный обрат-
ный уклон создает большое дополнительное усилие протаскива-
ния. По грунтовым дорожкам можно протаскивать только бето-
нированные или футерованные трубопроводы. Следует иметь
в виду, что при песчаных грунтах протаскивание осуществляется
легче по сухому основанию, а при глинистых — по сильно ув-
лажненному.
При протаскивании трубопроводов по грунтовой дорожке
значительная часть сопротивления протаскиванию приходится
на береговые участки. Это объясняется тем, что для перемеще-
ния трубопровода по грунтовой дорожке требуются значительно
216
большие усилия на единицу длины трубы, чем для протаскива-
ния трубопровода по подводной траншее. Кроме того, сопротив-
ление протаскиванию подводного участка можно уменьшить,
применив разгружающие понтоны. С увеличением диаметров
трубопроводов возрастает сопротивление протаскиванию, при-
ходящееся на береговые участки.
В этом случае целесообразно применять спусковые дорожки
других типов.
Ледовые дорожки применяются в зимних условиях
для протаскивания плетей трубопровода длиной до 200 м. Ледо-
вую дорожку устраивают на сравнительно ровном или с неболь-
шим уклоном берегу заливкой водой неглубокой траншеи. Во
избежание сползания трубопровода с ледовой дорожки вдоль
нее можно отсыпать ограничительные земляные валики.
При использовании как грунтовых, так и ледовых дорожек
необходимо принимать меры по защите изоляционного покры-
тия от возможного повреждения при протаскивании.
Водная спусковая дорожка представляет собой
траншею, разработанную на берегу водоема в створе перехода
и заполненную водой. Длина водной спусковой дорожки прини-
мается равной длине протаскиваемого трубопровода, глубина
воды в траншее — на 0,2—0,5 м больше осадки трубопровода
или диаметра газопровода, ширина дорожки по дну на 0,3—
0,5 м больше диаметра трубопровода. Наилучшее условие для
устройства такой дорожки — низкий и ровный берег.
Чем меньше возвышается поверхность берега над уровнем
водоема, тем меньшей глубины разрабатывают траншею.
В практике имеются примеры укладки трубопроводов по вод-
ным спусковым дорожкам, когда поверхность берега на 2—3 м
выше горизонта воды в реке. В этом случае береговую траншею
отрывают на глубину 2—3 м, а у уреза воды оставляют грунто-
вую перемычку. Траншею заполняют водой, и в нее опускают
трубопровод. Возле перемычки создается резерв грунта. При
протаскивании трубопровод прорезает перемычку, и бульдозер
для уменьшения потери воды из береговой траншеи периоди-
чески засыпает образующуюся в перемычке прорезь из резерва
грунта. Одновременно насосом или наполнительным агрегатом
закачивают в траншею воду из водоема.
Кроме перечисленных типов спусковых дорожек широко при-
меняются специальные дорожки — роликовые и рельсовые.
Использование специальных спусковых дорожек позволяет
значительно уменьшить сопротивление перемещению берегового
участка трубопровода, применять тяговые средства меньшей
мощности и увеличивать длину протаскиваемых плетей, сокра-
щая время протаскивания за счет уменьшения числа стыковых
соединений отдельных плетей.
Роликовая спусковая дорожка представляет собой
ряд опор с роликами, расстояния между которыми определяют
217
в зависимости от размеров и массы единицы длины уклады-
ваемого трубопровода. По роликовой спусковой дорожке про-
таскивают трубопроводы с бетонным покрытием; применение
роликов с пневматическими шинами позволяет протаскивать
трубопроводы с обычной деревянной футеровкой без нарушения
сплошности изоляционного покрытия.
Комплект роликовой спусковой дорожки для укладки тру-
бопроводов с бетонным покрытием диаметрами 1220 и 1420 мм
включает: роликовые опоры грузоподъемностью 33—35 т, при-
урезное спусковое устройство, стапель, устройство для перека-
тывания плети трубопровода со стапеля на спусковую дорожку
и тормозную лебедку.
Схема роликовой спусковой дорожки для трубопроводов
больших диаметров показана на рис. 10.12.
На стапеле осуществляется монтаж и сварка бетонирован-
ных труб в плети. Плеть со стапеля перекатывается на балки-
перегружатели, которые одним концом шарнирно закреплены
на стапеле, а вторым подвешены с помощью отстропливающего
устройства. Балки-перегружатели расположены несколько выше
роликовых опор. После отстроповки устройства балка-перегру-
жатель поворачивается и плеть трубопровода опускается на ро-
ликовые опоры (рис. 10.13).
Приурезное спусковое устройство предназначено для умень-
шения давления и соответственно уменьшения сопротивления
грунта перемещению трубопровода при сходе его с ближайшей
к урезу роликовой опоры. Кроме того, это устройство уменьшает
нагрузку на ближайшую к урезу роликовую опору, протяжен-
ность провисающего участка трубопровода и напряжения от из-
гиба трубы при входе в воду. Приурезное спусковое устройство
может быть выполнено в виде понтонов или рамной конструк-
ции с дополнительными роликоопорами.
Протаскивание трубопровода по роликовой спусковой до-
рожке проводится в следующем порядке: первую плеть со ста-
пеля перегружают на роликоопоры и протаскивают. Спусковая
дорожка освобождается для перегрузки на роликоопоры второй
плети. После пристыковки второй плети к первой, изоляции и
бетонирования сварного стыка протаскивание возобновляется,
затем аналогично пристыковывают и протаскивают остальные
плети.
Назначение тормозной лебедки, расположенной в конце спу-
сковой дорожки,— препятствовать самопроизвольному движе-
нию плети трубопровода на уклонах, гасить силы инерции при
трогании трубопровода и обеспечивать плавное равномерное
движение трубопровода.
Рельсовые спусковые.дорожки так же, как и ро-
ликовые, значительно уменьшают тяговые усилия при протаски-
вании берегового участка трубопровода. В отличие от ролико-
вых рельсовые дорожки позволяют протаскивать не только
218
РИС. 10.12.
Схема роликовой спусковой дорожки:
1 — тормозная лебедка; 2 — плеть трубопровода; 3 — роликовые опоры; 4 — приурезное
спусковое устройство; 5 — балки-перегружатели; 6 — лебедка для перекатывания труб;
7 — стапель
РИС. 10.13.
Схема установки плети трубопровода на роликовую дорожку:
а, б, в, г — последовательные положения плети трубопровода; / —траншея; 2—выдвиж-
ная балочная опора; 3 — плеть трубопровода; 4 — опора под плети трубопровода; 5 —
стопорные башмаки; 6 — трубоукладчик
трубопроводы, имеющие гладкую поверхность, например, бето-
нированную, но и трубопроводы, оснащенные отдельными гру-
зами и понтонами.
Существуют различные конструкции рельсовых дорожек:
узкоколейные с двухосными и одноосными вагонетками, сбор-
ные рельсовые пути со специальным оборудованием для спуска
трубопроводов ОСД2 и ОСДЗ.
Узкоколейную дорожку устраивают обычно прямолинейной
в плане и горизонтальной или с незначительным уклоном в сто-
рону водоема по профилю. Перед сборкой рельсовой дорожки
проводят бульдозером планировку полосы грунта в створе пе-
рехода: срезают выступы, бугры, засыпают ямы и т. д.
Один из важных элементов спуска — вывод вагонеток из-под
трубопровода. Рекомендуется следующий способ. В конце пути
устраивают приямок глубиной 2—2,5 м, в который сваливаются
вагонетки. На другом конце приямка трубопровод уже опи-
рается на грунт. Из приямка вагонетка сразу же вытаскивается
автокраном. Для быстрого выполнения этой операции на подхо-
дящую к приямку вагонетку за специальную скобу крепится
трос длиной 4—5 м с огонами на концах. Как только вагонетка
подходит к приямку, второй огон набрасывают на крюк крана,
и свалившаяся в приямок вагонетка немедленно вытаскивается
из него. С помощью второго троса в этот момент готовится
к аналогичной операции следующая вагонетка. Опыт показы-
вает, что описанным способом вагонетки удаляются из-под тру-
бопровода без каких-либо осложнений. Вагонетки, не доходя до
уреза воды, могут отводиться по отводному рельсовому пути,
а трубопровод продолжает двигаться прямолинейно, опираясь
на остальном участке до уреза на катки или ролики.
Рельсовая спусковая дорожка с седловидными одноосными
тележками, разработанная в СУПТР-1 треста Союзподводгаз-
строй, применялась при строительстве подводных переходов диа-
метром 1020 мм через реки Волгу и Медведицу. Рельсовый путь
такой спусковой дорожки собирают на спланированном основа-
нии из отдельных звеньев длиной до 16 м с шириной колеи
900 мм. В качестве шпал используют швеллер № 20, шпалы рас-
ставляют на 1—1,5 м одна от другой. Рельсовый путь достав-
ляют к месту монтажа плетевозами; за один рейс плетевоз до-
ставляет 80 м спусковой дорожки.
Тележка грузоподъемностью 30 т изготовлена из массивной
оси, к которой приварено седловидное ложе для укладки трубо-
провода. Применение одноосных тележек снижает влияние не-
ровностей рельсового пути на их движение при протаскивании
трубопровода. При протаскивании у уреза тележки могут выта-
скиваться из-под трубопровода автокраном, аналогично описан-
ной выше операции с вагонетками.
В последнее время при укладке трубопроводов протаскива-
нием применяются тележки новой конструкции, входящие в ком-
220
РИС. 10.14.
Конструкция тележки из комплекта ОСД2:
/ — корпус; 2 — поперечина; 3 — трубопровод; 4 — подвеска; 5 — рычаг для автоматиче-
ской отстропки тележки; 6 — рельсовый путь; 7 — колесо
плект оборудования для спуска трубопроводов ОСД2 и ОСДЗ,
разработанные СКВ «Газстроймашина». В состав комплекта
оборудования входят: 500 м сборного рельсового пути, 25 теле-
жек, понтонное устройство для ОСД2 и опорное устройство для
ОСДЗ. Техническая характеристика оборудования ОСД2 и
ОСДЗ приведена в табл. 10.1.
Конструкция тележки из комплекта ОСД2 показана на
рис. 10.14.
Трубопровод крепится к тележке с помощью подвески 4, ко-
торая позволяет автоматически отстропливать трубопровод при
входе в воду. Тележка имеет положительную плавучесть и
в конце спусковой дорожки, освободившись от трубопровода,
всплывает и доставляется на берег. Использование оборудова-
ния для спуска трубопроводов ОСД2 и ОСДЗ значительно
ТАБЛИЦА 10.1
Показатели ОСД2. ОСДЗ
Диаметр протаскиваемого трубопровода, мм До 1020
Грузоподъемность тележки, т 15
Тип тележки Плавающая
Масса комплекта оборудования, т 67,5
До 1020
(бетонированный)
25
Неплавающая
92
221
уменьшает тяговые усилия при протаскивании берегового
участка трубопровода, ускоряет и упрощает процесс стыковки
плетей.
§ 10.3. МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ПРОТАСКИВАНИЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Для протаскивания подводных трубопроводов применяется
различное оборудование, а также различные машины и меха-
низмы: тяговые лебедки, тракторы, бульдозеры, трубоукладчики
и специальные механизмы.
При строительстве подводных переходов значительной про-
тяженности, когда тяговые усилия достигают большой вели-
чины, применяются специальные лебедки серии ЛП, предназна-
ченные для протаскивания трубопроводов (рис. 10.15). Основ-
ные характеристики тяговых лебедок из этой серии приведены
в табл. 10.2.
Лебедки серии ЛП для удобства доставки монтируются на
тяжеловесном прицепе ЧМ.ЗАП-5208. Все оборудование, вклю-
чающее тяговый барабан с укладчиком троса, трансмиссию,
двигатель и якорную лебедку, размещается на раме этого
прицепа.
Якорная система предназначена для удержания лебедки от
перемещений во время протаскивания и состоит из анкера 1 или
якоря, полиспаста 2, якорного каната 5, лебедки 4 и прижимов.
Якорь представляет собой стальную форму, заглубляемую
в грунт в специальную траншею на расстоянии 20—25 м от пе-
редней оси прицепа. Якорь крепится к лебедке с помощью якор-
ного каната, пропущенного через полиспаст.
На одном конце якорного каната установлен динамометр,
прикрепляемый к раме прицепа, а другой конец каната идет на
барабан якорной лебедки. Якорная лебедка предназначена
только для сматывания якорного каната и не воспринимает
тяговое усилие при протаскивании трубопровода. Ветвь якор-
ного каната, сходящая с якорной лебедки, закрепляется при-
жимами к раме прицепа. По динамометру контролируется
тяговое усилие, возникающее при протаскивании трубопро-
вода.
Один из основных элементов лебедки — тяговый барабан,
который насажен на вал и вращается вместе с ним в подшипни-
ках качения, воспринимающих как радиальные, так и осевые
нагрузки. Тяговый трос наматывается на барабан в несколько
слоев, правильная намотка его обеспечивается тросоукладчи-
ком. С увеличением числа витков растет диаметр навивки и
уменьшается максимальное тяговое усилие при одной и той же
скорости вращения барабана.- Изменение тягового усилия и ско-
рости протаскивания достигается с помощью коробки передач.
Лебедка ЛП-151 обеспечивает автоматическое изменение ско-
222
РИС. 10.15.
Схема установки лебедки серии ЛП для протаскивания трубопровода:
1 — анкер; 2 — полиспаст анкера; .3 — якорный канат; 4 — лебедка
роста протаскивания трубопровода в зависимости от создавае-
мого трубопроводом сопротивления протаскиванию.
При строительстве переходов незначительной протяжен-
ности применение мощных лебедок серии ЛП нерационально,
из-за их большой массы и сложности доставки. В этих случаях
целесообразно использовать тяговые средства меньшей мощ-
ности: скреперные лебедки, тракторы, тягачи и трубоуклад-
чики.
Скреперная лебедка ЛС-301 кроме производства скреперных
работ может успешно использоваться и при протаскивании тру-
бопроводов. Максимальное тяговое усилие, создаваемое этой
лебедкой, 40 тс, длина тягового троса 500 м, диаметр его
32,5 мм, масса лебедки с тросом 13,8 т и без троса— 10 т, га-
баритные размеры: длина — 3,9 м, ширина — 2,2 м и высота —
2,6 м. Лебедка ЛС-301 оснащена труботрансформатором, с по-
мощью которого автоматически изменяется скорость выбирания
троса в зависимости от тягового усилия и ограничивается тяго-
вое усилие без отключения двигателя, предохраняя трос и
трансмиссию лебедки от перегрузок.
Для протаскивания подводных трубопроводов может исполь-
зоваться и тягач АТТ на гусеничном ходу с максимальным тя-
говым усилием без подвижного блока 20 тс, рабочая длина
тягового троса 100 м и диаметр 28 мм. Тягач имеет пять скоро-
стей передвижения: 5,4; 11,5; 16,2; 22,6 й 35,5 км/ч. Присоеди-
нение тягового троса к оголовку трубопровода через подвижной
блок позволяет увеличивать тяговое усилие протаскивания
до 40 тс.
223
ТАБЛИЦА 10 2
Показатели ЛП-1 ЛП-1А ЛП-151 Л П-301
Масса, т 43 45,5 40 39,5
Габаритные размеры, м: длина ширина высота Длина тягового троса, м 9,5 3,2 3,5 1500 9,5 3,2 3,5 1600 9,27 3,2 3,5 800 9,27 3,2 3,5 1000
Диаметр троса, мм 39 39 62,5 60,5
Тяговое усилие, тс: 1-я передача 50 70 150 150
100 140 300 300
2-я 31,6 47 80
63 94 160
3-я 26,4 39 57,5
53 78 115
4-я 18 27
36 54
Скорость протаскивания, м/мин: — 6,3
1-я передача 6,3 4,56
3,15 2,28 3,15
2-я 10 7,24 11,8
5 3,62 5,9
3-я 12 8,7 16,4
6 4,35 8,2
4-я 17,6 12,45
8,8 6,22
Примечание. В числителе указано значение без подвижного блока, в знаме-
нателе— с подвижным блоком.
При протаскивании подводных трубопроводов трубоуклад-
чики используются не только для создания тягового усилия, но
и для уменьшения сопротивления протаскиванию берегового
участка при отсутствии спусковой дорожки, удерживая трубо-
провод на весу и перемещаясь с ним в направлении протаски-
вания до уреза.
Максимальная грузоподъемность и тяговые усилия, создавае-
мые трубоукладчиками некоторых типов, приведены в табл. 10.3.
При отсутствии достаточно мощных тяговых средств для
протаскивания трубопровода можно использовать подвижный
224
ТАБЛИЦА 10.3
Тип трубоуклад- чика Максималь- ное тяговое усилие на форкопе, тс Максималь- ная грузо- подъемность на стреле, т
Т-15-30 12,5 15
ТГ-201 22 20
Т-35-60 22,8 35
Тип трубоуклад- чика Максималь- ное тяговое усилие на форкопе, тс Максималь- ная грузо- подъемность на стреле, т
ТГ-634 55 63
ТГ-502 74 50
САТ-594 58 90,7
блок, закрепленный на оголовке трубопровода, или полиспаст,
включающий систему неподвижных и подвижных блоков, раз-
мещаемых на берегу или на барже.
Усилие S, создаваемое трактором или лебедкой на ходовом
конце троса, определяется по формуле
(10.1)
где Тр — расчетное тяговое усилие протаскивания трубопро-
вода; п — суммарное число шкивов в блоках; k — коэффициент,
равный 10 для стального троса и 6 — для пенькового каната.
Если ходовой конец троса сбегает с неподвижного блока, то
__ k+ п т
” kn
(10.2)
Использование блоков и полиспастов уменьшает скорость
протаскивания, а применение полиспастов, кроме того, вызы-
вает остановки, необходимые для перестропки тросов.
Схема тягового устройства на 100 тс, примененная при про-
таскивании газопровода через р. Медведицу, показана на
рис. 10.16 [24]. Тяговое устройство включает полиспаст 2, анкер
1 на усилие 100 тс, два анкера 7 на усилие 15 тс, две трубчатые
штанги 6, направляющий блок 5 и тяговую лебедку 9. Тяговый
трос 8 диаметром 39 мм, состоящий из отдельных отрезков дли-
ной по 50 м, соединенных между собой скобами, присоединяли
к подвижному блоку 3 полиспаста 2. Во избежание засорения
грунтом при перемещении подвижный блок полиспаста целе-
сообразно размещать на специальной тележке. Трубопровод
протаскивают по 50 м. С помощью отдельного троса-возврата 4
подвижный блок полиспаста перемещался в исходное положе-
ние. Затем одно звено основного тягового троса 8 убирали,
к подвижному блоку 3 прикрепляли скобу следующего отрезка
троса и протаскивание трубопровода возобновлялось. Время на
перестропку тягового троса 8 не превышало 10 мин. Таким об-
разом была уложена плеть трубопровода длиной 200 м.
225
1
2
3
4 5 6
РИС. 10.16.
Схема тягового устройства
Следует отметить, что использование специальных гидравли-
ческих зажимов-захватов вместо скоб при присоединении тяго-
вого троса к полиспасту позволит протаскивать по этой схеме
трубопроводы большой протяженности без сращивания троса из
отдельных отрезков.
Развитие техники для укладки подводных трубопроводов
протаскиванием идет по двум направлениям: создание более
мощных тяговых лебедок барабанного типа и разработка меха-
низмов принципиально нового типа значительно меньших габа-
ритов и массы, обеспечивающих укладку трубопроводов боль-
шой протяженности. В обычных барабанных лебедках одновре-
менно с созданием тягового усилия производится намотка троса
на барабан. По мере намотки троса диаметр и масса барабана
увеличиваются, а тяговое усилие при одном и том же крутящем
моменте уменьшается. Это является нежелательным, поскольку
во многих случаях максимальное тяговое усилие возникает
в конце протаскивания трубопровода, а лебедка, полностью за-
полненная тросом, создает минимальное усилие.
Определенный интерес в этом отношении представляют ус-
тройства, в которых барабан для намотки троса отделен от
блока, создающего тяговое усилие. Конструкция такого устрой-
ства, разработанного в США, и общая схема протаскивания
трубопровода с помощью этого устройства показаны на
рис. 10.17. Предварительно на дно подводной траншеи или не-
посредственно на морское дно укладывают трос 5, передний по
направлению протаскивания конец которого закрепляют на дне
моря или противоположном берегу водоема в створе перехода
226
с помощью анкера (якоря) 2 (рис. 10.17, а). Положение анкера
на поверхности воды обозначается поплавком 1. Тяговый меха-
низм 5 специального устройства, передвигаясь по тросу 3, про-
таскивает трубопровод 6. Тяговый механизм смонтирован на
раме, установленной на салазках 15 с загнутыми концами 9 для
облегчения перемещения по морскому дну (рис. 10.17, б). На
передней поперечине 7 имеется отверстие и расположены два
блока 8 для направления троса 3. На раме установлены два
поршневых устройства 10, штоки поршней которых закреплены
одним концом с передней поперечиной 7, а другим — с задней
поперечиной 16. По оси тягового механизма к поперечинам 7 и
16 жестко подсоединены два захвата-зажима 11 и 14. Задний
захват 14 вместе с поперечиной 16 может перемещаться по на-
правляющим вдоль салазок 15 в соответствии с ходом штоков
поршней. Перемещение салазок и протаскиваемого трубопро-
вода 6 осуществляется в такой последовательности. Задний за-
хват 14 зажимает трос, а передний 11 в этот момент освобож-
дает его, и салазки вместе с передним захватом с помощью
РИС. 10.17.
Конструкция специального устройства и общая схема протаскивания трубо-
провода с помощью этого устройства:
а — схема протаскивания трубопровода; б — конструкция тягового механизма
8*
т
поршневого устройства 10 перемещаются по направляющему
тросу. Затем передний захват зажимает трос, а задний осво-
бождает его, и происходит подтягивание штоками 13 поршне-
вого устройства заднего захвата с поперечиной 16 и трубопро-
вода 6. Поршневое устройство с попеременной работой задних
и передних захватов может создавать при тросе диаметром
50 мм непрерывное тяговое усилие до 90 тс со скоростью про-
таскивания трубопровода до 20 м/мин.
Энергетический блок, насос и топливные баки, питающие
жидкостью поршневое устройство и захваты, расположены на
сопровождающем судне 4 (см. рис. 10.17, а). Сопровождающее
судно соединяется с тяговым механизмом 5 с помощью гибких
шлангов. Трубопротаскивающее устройство оснащено понто-
нами 12 (см. рис. 10.17, б), которые уменьшают сопротивление
его при движении по морскому дну и исключают вращение про-
таскиваемого трубопровода.
Поперечина 16 тягового механизма соединена планкой 17
с оголовком 19 протаскиваемого трубопровода. Оголовок за-
креплен с трубопроводом с помощью фланцев 20. Для предот-
вращения зарывания в грунт оголовок установлен на салазках
21 и оснащен понтоном 18. Понтон, кроме того, уменьшает воз-
можность вращения трубопровода, поскольку при растяжении
тяговый трос может раскрутиться и вызвать вращение всей
системы.
При достижении трубопроводом заданной точки процесс
протаскивания прекращается, и тяговый механизм отсоеди-
няется от трубопровода. Оголовок может быть снят водолазом,
а протаскиваемый трубопровод подсоединен к морской плат-
форме или ранее проложенному трубопроводу.
Если длина троса, по которому перемещается тяговый меха-
низм, недостаточна, то при достижении анкерной точки 2 за-
хваты освобождают трос, который затем протягивается и за-
крепляется в следующей анкерной точке. Таким образом можно
переместить трубопровод на любую длину. Длина трубопровода,
протаскиваемого без повторного заякоривания троса, ограни-
чена только диаметром и длиной применяемого троса. Тяговый
механизм такого типа может быть применен и для разработки
траншеи.
§ 10.4. РАСЧЕТ ПРОТАСКИВАНИЯ
ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА
При укладке трубопроводов протаскиванием необходимо
достоверное определение тягового усилия для всех приведен-
ных выше схем укладки. От правильного определения тягового
усилия зависит успех операции протаскивания. По величине тя-
гового усилия назначаются тяговые машины и механизмы, диа-
метр тягового троса и технологическая схема протаскивания.
228
Чрезмерное завышение тягового усилия потребует дополнитель-
ных тяговых средств, занижение может привести к задержке и
даже к аварийной ситуации.
Расчетная величина тягового усилия Гр определяется по пре-
дельному сопротивлению на сдвиг протаскиваемого трубопро-
вода из условия
Тр>/пТпр, (10.3)
где т — коэффициент условий работы тяговых средств, прини-
маемый 1,1 при протаскивании лебедками и 1,2 — тягачами;
7’пр — предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.
Рассмотрим основные расчетные случаи.
1. Протаскивание по поверхности грунта, движение устано-
вившееся, равномерное, величина Тпр определяется по формуле
T„p = QA (Ю.4)
где Q — расчетный вес трубопровода; f — коэффициент трения
поверхности трубы о грунт, наибольшее значение
f=tg<pp-
Здесь фр = ф/&г— расчетное значение угла внутреннего трения
грунта; ср — нормативное значение угла внутреннего трения
грунта; kr — коэффициент безопасности по грунту, устанавли-
вается в зависимости от ф (см. СНиП П-15—74).
2. Усилие протаскивания при трогании трубопровода с места.
Из опыта протаскивания подводных трубопроводов известно,
что сопротивление протаскиванию в момент трогания значи-
тельно больше, чем при равномерном движении, определяемом
по формуле (10.4).
Увеличение тягового усилия в момент трогания обусловли-
вается несколькими факторами: сцеплением грунта с, пассив-
ным отпором грунта за счет различных выступов на поверхности
трубы (футеровка, балластировка отдельными грузами), явле-
нием присоса трубопровода к грунту и упругим взаимодей-
ствием трубопровода с грунтом.
В общем случае усилие протаскивания трубопровода по
грунту в момент трогания Тп определяется из условия
Ти = (Я tg фр + ас') I + Епас + Ту, (10.5)
где а — длина части окружности трубы, врезающейся в грунт;
q — вес единицы длины снаряженного трубопровода; с' — вос-
станавливающаяся часть сцепления при скольжении трубопро-
вода по грунту; определяется экспериментально, при отсутствии
экспериментальных данных с' можно принять равным 0,1 струк-
турного сцепления грунта с; I — длина трубопровода; £Пас —
пассивный отпор грунта вследствие шероховатости поверхности
трубы; Ту — дополнительное сопротивление, обусловленное уп-
ругим взаимодействием трубопровода с грунтом в момент тро-
гания.
229
При протаскивании трубопровода с гладкой поверхностью,
например с бетонным покрытием, ЕПас = 0.
Величина Епас определяется по формуле
£Пас = aN tg2 (45 + -^-) + 2ct tg (45 + , (10.6)
где N— число выступающих элементов на поверхности трубы;
/ — толщина выступающих элементов; уест — объемный вес
грунта в естественном состоянии.
Если выступающими элементами являются одиночные утя-
желяющие грузы, то N — число грузов, t — толщина стенки
груза, a — длина хорды погруженной в грунт части груза. Если
выступающие элементы — футеровочные рейки, то N прини-
мается равным их числу на всей длине трубопровода и t — рав-
ным толщине футеровки. При наличии грузов футеровка не учи-
тывается.
В табл. 10.4 приведены значения а кля грузов; для футеро-
ванного трубопровода без грузов а принимается равным 0,3 Z)H,
где £>н — наружный диаметр снаряженной трубы.
Значение дополнительного сопротивления Гу можно полу-
чить, рассматривая процесс взаимодействия трубопровода
с грунтом при продольных перемещениях в момент трогания.
В начальный момент приложения тягового усилия Т вслед-
ствие растяжимости трубы на некотором участке длиной /1
отсутствует предельное напряженное состояние и имеет место
упругое взаимодействие трубы и грунта (рис. 10.18, а). Касатель-
ные напряжения по контакту с трубой хх зависят от перемеще-
ний их сечений трубопровода. Как показывают эксперименты,
с увеличением их возрастает хх. При значении их, равном пре-
ТАБЛИЦА 10.4
Условный диаметр трубопро- вода, мм Толщина стенки груза см Длина хорды а, см Условный диаметр трубопро- вода, мм Толщина стенки груза t, см Длина хорды а, см
400 10 50 10 70
15 60 700 15 80
20 70 20 90
500 10 60 15 85
15 70 800 20 95
20 80 20 95
600 10 65 15 90
15 75 1000 20 100
20 85
230.
РИС. 10.18.
Расчетная схема подводного
трубопровода при протаскива-
нии
РИС. 10.19
Расчетная схема элемента
трубы
дельным упругим перемещениям Ui, тх достигает предельных
значений тпр i
тпр 1= ° tg фр + с, (10.7)
где c=q— нормальное напряжение в грунте по поверхности
контакта с трубой.
Ориентировочные значения фр и с приведены в СНиП
П-15—74.
При на участке длиной /2 происходит проскальзыва-
ние трубопровода по грунту. Касательные напряжения в грунте
тх равны предельным значениям тпР2 и распределение их по
длине /2 равномерное (рис. 10.18, б):
Тпр 2 = о tg фр + с'. (10.8)
где с'<с— восстанавливающаяся часть сцепления при сколь-
жении трубопровода по грунту.
Для подводных трубопроводов давление на грунт от массы
трубы под водой незначительно, кроме того, часто применяются
разгружающие понтоны, которые еще более уменьшают это дав-
ление. Поэтому сцепление с для связных грунтов может быть
в несколько раз больше значения crtgcp, и изменение с в момент
трогания трубопровода будет существенно влиять на величину
тягового усилия.
Рассмотрим тяговое усилие Ту в момент трогания с учетом
упругого взаимодействия трубы и грунта на участке Л протаски-
ваемого трубопровода. Из условия равновесия элемента трубы
dx (рис. 10.19) получим
dTx—aTxdx = 0t (10.9)
где Тх — продольное усилие в сечении х.
231
Зависимость между тх и продольными перемещениями трубы
и в сечении х для участка 1\ примем в виде
= тпр х sin сх У и, (10.10)
гдесх]/^ =Сл/2; а — коэффициент, характеризующий продольные
перемещения трубы в грунте.
Значения а могут быть получены на основании эксперимен-
тов или при известных предельных упругих перемещениях
грунта щ из условия
а]/й1 = 2Ь. (10.11)
Подставляя зависимость (10.10) в уравнение (10.9) и учиты-
/т~’ е? г? c/w dTv j-» тч d2u
вая, что TX = EF —; —^- = EF——, получаем
dx dx dx2
—-----p2 sin a Vu = 0, (10.12)
dx2
где p2=arnpi/£’F; E и F — модуль упругости и площадь попереч-
ного сечения трубы.
Нелинейное дифференциальное уравнение (10.12) приво-
дится к уравнению первого порядка методом интегрирующего
множителя
. fsjnауи — ctj/bcosаУи) + Сг (10.13)
\ dx J а2
Из условий х = 0, и —0 и du/dx = 0 произвольная постоянная
С1 = 0.
Решение уравнения (10.13):
х = — f = . (10.14)
2₽ J у sin а У и — а Уи cos а У и
о
Точное значение х или h может быть получено непосред-
ственно из уравнения (10.14). Для практических расчетов более
удобно использовать приближенную формулу
х = — У > (10.15)
pF а
которая получена из решения уравнения (10.14) и имеет по-
грешность в определении х менее 1%.
При x = li упругие перемещения и достигают предельных зна-
чений
= (10.16)
Подставляя выражение (10.16) в формулу (10.15), находим
длину участка
z /бя (Ю.17)
аР
232
Продольное усилие, воспринимаемое грунтом на участке
с учетом выражений (10.13) и (10.14) равно
Тх = EF — = EF 1 / sin (схр*)2 - (аР-)2- cos .
х dx а |/ 12 12 12
(10.18)
Принимая в формуле (10.18) х=/ь получаем предельное
значение продольного усилия, воспринимаемого участком /1,
T^-^-EF. (10.19)
а
При и>щ на участке трубопровода длиной Z2 (см. рис.
10.18, б) имеется предельное напряженное состояние в грунте.
Максимальное тяговое усилие Т в момент трогания при про-
таскивании всего трубопровода длиной I возникает, когда на
концах участка /1 касательные напряжения будут равны тпР1 и
тПр 2 (рис. 10.20) или
Т = атПр 2 (^2 + ^1) + —Тх19 (10.20)
где Тх 1 — продольное усилие в трубопроводе в сечении лч
участка h.
Значение Xi находим из выражения (10.10), приравнивая
Тх=тПр2 и учитывая зависимость (10.15)
х, = А- ]/" 12arc sin . (10.21)
После подстановки выражений (10.18), (10.19), (10.21)
в формулу (10.20) получаем
/р. // । \ I ^EF
Т — ОГпр 2 (Z2 “1“ -^i) Ч
Тпр 2
ТПр 1
У1 — (Jnp®-')2 arcsin
\ Тпр 1 / ТПр ! _
(10.22)
Если в сечении трубопровода х=0 перемещение достигает
значения т. е. трубопровод тронулся с места, то на всей
его длине /т(х) =тПр2.
Приравнивая в (10.22) тПр1=тПр2 и /2+^1==/, получаем
Т — #тПр 2/,
(10.23)
что соответствует формуле (10.4), а также (10.5) без учета Ту
И £пас-
Дополнительное усилие, обусловленное упругим взаимодей-
ствием трубопровода с грунтом в момент трогания Ту, будет
Ту — 7\ ТЯТПр 2 (Z1 -^1) = ЯТ'пр 2 G1 -^1) Ч~
-F—EF 1 —
а
| arcsin^-2
tnpi _
(10.24)
233
РИС. 10.20.
Распределение касательных напря-
жений в грунте при максимальном
тяговом усилии
Формула (10.22) может
быть использована для опре-
деления тягового усилия в мо-
мент трогания при протаски-
вании футерованного или бе-
тонированного трубопровода,
а также для определения мак-
симального тягового усилия,
необходимого для вытаскива-
ния подводного трубопровода
при проведении капитального
ремонта.
При вынужденных останов-
ках протаскивания на глини-
стых грунтах усилие трогания
иногда оказывается больше
начального. Это объясняется
присосом трубопровода к грун-
ту. Сила присоса зависит от
площади опирания трубопро-
вода на грунт, времени, в те-
чение которого он находится в покое, и вида грунта. На песча-
ном грунте присос практически отсутствует. На глинистых
грунтах присос следует учитывать при остановках протаскива-
ния не менее 1 ч. Сила присоса характеризуется удельной си-
лой qn на 1 м2 площади опирания. В плотных глинах и суглин-
ках <7п=0,03 тс/м2, в вязких дп=0,06 тс/м2.
Таким образом, при повторном трогании
ттв = (q tg Фр + ac')'l + Enzc + qnF0, (10.25)
где Fq — площадь опирания трубопровода на водонасыщенный
глинистый грунт.
Подставляя наибольшее из усилий, найденное по формулам
(10.4), (10.5)/(10.25), в условие (10.3) вместо ТПр определяют
расчетное тяговое усилие Тр, на которое рассчитывают диаметр
тягового троса и подбирают тяговые средства.
Если профиль дна, по которому протаскивается трубопро-
вод, имеет различные уклоны, то тяговое усилие при равномер-
ном движении трубопровода определяется по формуле
тр = q у, It (tg фр i cos аг ± sin аг)>
i=l
(10.26)
где — уклон профиля дна на участке длиной Ц. Знак «плюс»
перед вторым слагаемым (10.26) принимается при уклонах дна,
соответствующих подъему, а «минус» — спуску.
При протаскивании трубопровода с одновременным запол-
нением его водой через отверстие, оставляемое в головной
части, необходимо уравнять скорость протаскивания со ско-
234
(10.27)
ростью заполнения водой. Если скорость протаскивания будет
больше скорости заполнения трубы водой, возможно всплытие
незаполненной водой части трубопровода. Для обеспечения ус-
тойчивости трубопровода необходимо, чтобы уровень воды
в нем не опускался ниже уровня воды в водоеме в среднем на
1 м. Считая отверстие для залива воды круглым и определив
секундный расход (поступление) воды в отверстие при напоре
1 м (разность уровней воды в реке и трубопроводе), получим
выражение для скорости движения трубопровода
и = 2,7 —,
О2ВН
Пусть d=0,2 м, £)вн=0,7 м. По формуле (10.27) t> = 0,22 м/с;
при d=0,3 м v = 0,5 м/с; при d=0,4 м и £вн=1 м v = 0,43 м/с.
Следует отметить, что на сопротивление протаскивания су-
щественно влияет режим движения системы: тяговый меха-
низм — трос — протаскиваемый трубопровод. При неустановив-
шемся или переходном режиме этой системы сопротивление
протаскиванию изменяется на величину ее силы инерции.
Неустановившийся режим движения имеет место при трога-
нии трубопровода с места, изменении силы тяги вследствие не-
согласованности в работе тяговых механизмов при протаскива-
нии несколькими тракторами или тягачами, неоднородных грун-
тах по длине трубы, изменении сопротивления протаскиванию
при перемещении трубопровода со спусковой дорожки на дно
водной преграды, различных уклонах дна в створе протаски-
ваемой трубы. Силы инерции возникают и вследствие динами-
ческого приложения тягового усилия при трогании трубопро-
вода «рывком» тракторами. При неустановившемся режиме дви-
жения подводного трубопровода сопротивление протаскиванию
возрастает по сравнению с установившимся движением трубы
на величину силы инерции, обусловленной массой трубопровода
и присоединенной массой воды, окружающей трубопровод. Наи-
меньшее сопротивление протаскиванию в момент трогания тру-
бопровода возникает при монотонном увеличении силы тяги
с незначительной скоростью ее нарастания. Поэтому очевидно,
что на увеличение тягового усилия инерционное воздействие
при протаскивании трубопровода лебедками влияет значительно
меньше, чем при протаскивании тракторной тягой.
Таким образом, можно сделать вывод, что упругое взаимо-
действие трубы и грунта, пассивный отпор грунта, создаваемый
утяжеляющими грузами, явление присоса и инерционные воз-
действия могут значительно увеличить тяговое усилие в момент
трогания трубопровода.
При укладке протаскиванием через широкие водные пре-
грады и морские акватории длина протаскиваемого трубопро-
вода ограничивается продольными напряжениями, возникаю-
щими от тягового усилия, которые могут превысить предел
235
текучести металла трубы. Максимальные растягивающие усилия
возникают у оголовка трубопровода. После снятия тягового
усилия в трубопроводе будут остаточные растягивающие усилия.
В глубоководных трубопроводах, укладываемых на глубину
несколько сотен метров, от гидростатического давления возни-
кают значительные продольные сжимающие усилия. При ук-
ладке эти сжимающие усилия уменьшаются на величину растя-
гивающих усилий от протаскивания. Поэтому для глубоковод-
ных трубопроводов длина протаскиваемого трубопровода не
будет лимитироваться продольными напряжениями от тягового
усилия и остаточные напряжения будут сжимающими.
Расчет тягового троса
Диаметр основного троса (свободного от различных закреп-
лений и приспособлений) определяют по табл. 10.5 в зависи-
мости от /?н, получаемого по формуле
₽В = -^ТР, (10.28)
Kt
где Гр — расчетное тяговое усилие;/! — коэффициент перегрузки,
принимаемый для случая протаскивания по грунту равным 2 и
по специальным дорожкам (кроме грунтовых) — 1,3; т — коэф-
фициент условия работы, принимаемый равным 1,1; k — коэф-
фициент однородности для троса, принимаемый для новых тро-
ТАБЛИЦА 10.5
Диаметр троса, мм Площадь сечения всех прово- лок, мм2 Расчетная масса 1000 м смазанного троса, кг Разрывное усилие троса /?н (в кгс) в зависимости от временного сопротивления разрыву проволок при растяжении, кгс/мм2
160 170 180 200
5,8 15,13 136,5 1 940 2 060 2 180 2330
7,6 26,41 237,0 3 380 3 590 3 655 3 960
9,2 37,94 340,5 4 855 5 160 5 255 5 685
10,5 51,80 465,0 6 625 7 040 7 175 7 760
12,0 67,31 604,0 8 600 9 120 9 315 10 050
15,0 105,02 942,0 13 400 14 250 14 550 15 750
16,5 127,01 1 140,0 16 200 17 200 17 550 19 050
18,5 151,80 1 365,0 19 400 20 600 21 000 22 750
21,5 206,33 1 850,0 26 400 28 000 28 550 30 900
23,0 236,74 2 125,0 30 250 32 150 32 800 35 450
26,0 303,81 2 725,0 38 850 41 250 42 050 45 550
30,5 420,07 3 770,0 53 750 57 100 58 200 63 000
33,5 508,05 4 560,0 65 000 69 050 70 350 76 100
36,5 604,37 5 425,0 77 300 82 000 83 500 90 350
39,5 712,06 6 390,0 90 800 96 500 98 550 106 500
42,5 825,32 7 405,0 105 500 112 000 114 000 123 500
45,5 946,94 8 495,0 121 000 128 000 130 500 141 500
48,5 1076,91 9 660,0 137 500 140 500 145 000 —
54,5 1361,94 12 250,0 174 000 178 000 183 50Q —
236
сов равным 1, а для тросов, имеющих обрывы проволок,— 0,8;
t — коэффициент тросового соединения. Значения приводятся
ниже.
Значения коэффициента тросового соединения t
При изгибе троса:
вокруг подвижного блока 0,43
* вокруг коуша 0,67
продетого в отверстие в планке 0,35
через крюк простой петлей 0,20
через крюк закидной петлей 0,70
При наличии на тросе расправленных узлов . 0,50
При наличии оплетки 0,75
При сжатии троса специальными сжимами 0,70
При наличии простого и двойного, а также задвижного штыков 0,50
При штыковых и полуштыковых узлах при установке менее Двух сжимов 0,70
При наличии на тросе прямого узла:
для восьмерки на металле . 0,40
для двойной_восьмерки на металле 0,70
При определении в формуле (10.28) нужно принимать
наименьшее из возможных значений коэффициента t при рас-
смотрении фактических условий закрепления и изгибов троса.
Расчет анкеров
Анкеры устраивают для крепления береговых и русловых
оттяжек, удерживающих трубопровод в период укладки, а также
для закрепления лебедок и других тяговых средств. Простей-
шим анкером, рассчитанным на сравнительно небольшие на-
грузки, может быть одна или две сваи, забитые в грунт на глу-
бину 3—4 м (стальные трубы) и 2—2,5 м (деревянные сваи).
В табл. 10.6 приведены данные по несущей способности свай-
ных анкеров на горизонтальную нагрузку.
Для получения больших удерживающих усилий применяется
анкерный фундамент.
ТАБЛИЦА 10.6
Вида грунта Сваи деревянные Сваи из стальных труб
глубина за- бивки, м допустимая горизонтальная нагрузка (в тс) при диаметре свай, см глубина забивки, м допустимая горизонтальная нагрузка (в тс) при диаметре свай, см
28 1 30 1 32 300 | 350 | 400
Пески средней плотно- сти, суглинки и глины тугопластичные выше уровня грунтовых вод 2,0 10 12 15
То же, ниже уровня грунтовых вод 2,0 2,6 2,8 3 2,5 5 6 7
Пески пылеватые, мяг- кие глины, илы ниже уровня грунтовых вод 2,0 1,4 1,5 1,6 3—3,5 2,0 3,0 3,5
237
ТАБЛИЦА 10.7
Вид грунта Глубина заложения анкера в грунт, м
1,5 | 1,75 | 2,0
Длина анкера, > м
21 2,5 | 3 1 21 2,5 | 31 1 21 2,5
Песок средней плотности 10 12 14 15 18 20 17 21
Суглинок и глина тугопластичная выше уровня грунтовых вод 13 15 18 17 20 24 19 23
Суглинок и глина пластичная ниже уровня грунтовых вод 7 8 10 8 10 12 10 13
Пески пылеватые и илы ниже уровня грунтовых вод 3 4 5 5 7 8 6 7,5
ПРОДОЛЖЕНИЕ ТАБЛ. 10.7
Вид грунта Глубина заложения анкера в грунт, м
2,0 | 2,25 | 2,5
Длина анкера, м
3 1 21 2.5 | 1 3 2 1 1 2-5! 1 3
Песок средней плотности 24 20 23 30 22 28 33
Суглинок и глина тугопластичная выше уровня грунтовых вод 26 22 26 34 26 35 40
Суглинок и глина пластичная ниже уровня грунтовых вод 15 12 15 17 15 17 22
Пески пылеватые и илы ниже уровня грунтовых вод 9 7 8,5 10 — — —
Анкер можно устраивать из бревен диаметром не менее
20 см или из труб диаметром 25 см и более. Длину анкера
в траншее принимают обычно в пределах 2—3 м. Грунт, кото-
рым засыпают анкер, утрамбовывают послойной трамбовкой.
Ориентировочные данные по предельной (коэффициент запаса
1,2) несущей способности анкеров из труб d=30-=-40 см приве-
дены в табл. 10.7.
§ 10.5. ПРИМЕРЫ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ
СПОСОБОМ ПРОТАСКИВАНИЯ
В настоящее время способом протаскивания сооружено боль-
шое число подводных трубопроводов через реки, в том числе
через такие крупные реки, как Волга, Обь, Енисей и другие, че-
238
рез крупные водохранилища, и имеется зарубежный опыт про-
кладки протаскиванием морских трубопроводов на глубинах
несколько сотен метров. В качестве примеров рассмотрим тех-
нологию строительства подводных трубопроводов с использова-
нием различных схем укладки способом протаскивания.
1. Сооружение подводного перехода газопровода СССР—
Болгария через р. Дунай [3]. Река Дунай на участке строитель-
ства газопровода характеризуется интенсивным судоходством,
быстрым течением (0,8—1,5 м/с) и большим расходом наносов,
обусловливающих сильную заносимость подводных траншей.
Ширина реки в створе перехода 870 м. В связи с планируемым
дноуглублением на участке фарватера реки для обеспечения
прохода океанских судов заглубление трубопровода в дно русла
было принято очень большим: 6 м на наиболее глубоких участ-
ках реки, а максимальная глубина траншеи достигала 14 м.
Учитывая большой объем земляных работ (около 1,2 млн. м3
на одну нитку газопровода), а также наличие плотных грунтов,
слагающих дно, для разработки подводных траншей были ис-
пользованы морские многоковшовые земснаряды «Очаков» и
«Дунай». Основные технические характеристики этих земсна-
рядов примерно одинаковы: производительность по грунту
750 м3/ч, глубина разработки 5—25 м, водоизмещение 1700 т,
длина 73 м, ширина 13 м, осадка 4,5 м, привод рабочих меха-
низмов дизель-электрический, перемещаются при разработке
грунта шестью лебедками.
Диаметр подводного газопровода 1020 мм с толщиной стенки
16 мм, длина перехода 1160 м. Укладка трубопровода осуще-
ствлялась протаскиванием с последующим наращиванием пле-
тей длиной по 230 м, поскольку из-за условий рельефа поймы
реки невозможно было применить спусковую дорожку большой
длины. После сварки, испытания и очистки плети были изоли-
рованы битумной мастикой и двумя слоями стеклохолста, а за-
тем футерованы деревянными рейками и балластированы чу-
гунными грузами. Общая масса подводного газопровода состав-
ляла 1392 т. Протаскивание осуществлялось тяговой лебедкой
ЛП-1А с тяговым усилием при использовании блока на ого-
ловке до 150 тс. На переходе была применена спусковая до-
рожка типа ОСД-2, которая позволила значительно уменьшить
тяговое усилие при протаскивании берегового участка и уско-
рить стыковку отдельных плетей. Для уменьшения сопротивле-
ния протаскиванию подводного участка плети трубопроводов
оснащались понтонами, всего было установлено 11 понтонов
грузоподъемностью по 5 тс и три понтона — по 10 тс.
Перед началом протаскивания каждую из пяти плетей вы-
кладывали на полотно спусковой дорожки ОСД-2, устанавли-
вали тележки, трубопровод поднимали трубоукладчиками и
подвешивали на строповочных тросах тележек, а затем осна-
щали его понтонами.
239
Высокая связность глинистых грунтов, слагающих дно тран-
шеи, и явление присоса значительно увеличивали тяговое уси-
лие в момент трогания трубопровода. Поэтому в период оста-
новок протаскивания, необходимых для сварки последующих
плетей, предыдущую плеть протаскивали не до конца, и через
каждые 2—3 ч трубопровод продергивался на 5—10 м для
уменьшения влияния усилий присоса и восстанавливающегося
сцепления. Это позволило значительно уменьшить тяговое уси-
лие при повторных троганиях трубопровода.
После протаскивания последней плети понтоны отсоединяли
от трубопровода. Для этого водолаз закреплял карабин троса
за механизм устройства для отстропки понтона, а второй конец
троса присоединяли к катеру, который, двигаясь параллельно
оси уложенного трубопровода, производил отстропку понтонов.
2. Одновременная укладка протаскиванием 14 подводных
трубопроводов. Для обслуживания нефтеперерабатывающего
завода в районе североморского порта Вильгельмсхафен (ФРГ)
[23] был уложен пакет из 14 трубопроводов, соединивший завод
с плавучим причалом. По этим трубопроводам нефть с танкеров
грузоподъемностью 267 тыс. т в количестве 7,8 млн. т должна
подаваться на завод, а готовые продукты с завода перекачи-
ваться в танкеры для доставки потребителям.
Подводный участок длиной 1 км был выполнен в виде одной
конструкции, объединяющей 14 ниток. Конструкция перехода
включала (рис. 10.21): нефтепровод диаметром 1120 мм для
перекачки нефти на завод; трубопровод диаметром 762 мм для
транспортирования с завода высоковязкого топлива, снабжен-
ный теплоизолирующим покрытием толщиной 50 мм, системой
электроподогрева и заключенный в защитный кожух диамет-
ром 965 мм; два водопровода, один из них диаметром 406 мм
для системы пожаротушения 2 и второй диаметром 508 мм для
балластной воды S; бензопровод 12 диаметром 305 мм, трубо-
проводы: диаметром 508 мм для легкого дистиллятного топ-
лива 7, диаметром 305 мм для нефтезаводских сточных вод 3
и диаметром 254 мм для котельного топлива 4, резервный тру-
бопровод 11 диаметром 610 мм и четыре трубопровода 6 и 10
небольшого диаметра, служащих защитными оболочками для
электрического кабеля. Для придания конструкции отрицатель-
ной плавучести и защиты противокоррозийной изоляции от по-
вреждения при протаскивании трубопроводы 2, 5, 9 и 12 имели
бетонное покрытие. Все трубопроводы были соединены сталь-
ными траверсами 1 длиной 7,13 м, представляющими собой
сдвоенные швеллерные профили с шагом 7,5 м по длине пере-
хода. С обеих сторон все трубопроводы заканчивались верти-
кальными стояками высотой 35 м с одной стороны и 26 м —
с другой. Стояки поддерживались вертикальными опорами из
ферм. Трубопроводы 5 и 9 размещались в пакете симметрично
и, как наиболее крупные и имеющие бетонное покрытие, слу-
240
РИС. 10.21.
Конструкция пакета протаскиваемых трубопроводов
жили полозьями при протаскивании всей конструкции. Монти-
ровать всю конструкцию в непосредственной близости от уреза
не представлялось возможным, поэтому монтажную площадку
оборудовали на расстоянии от него несколько более 1 км.
Для протаскивания пакета трубопроводов были сооружены:
рельсовый путь длиной 1200 м, роликовые опоры на длине 27 м
для перехода пакета труб с рельсового пути на спусковую до-
рожку, спусковая дорожка длиной 92,5 м, подводная траншея
длиной 960 м для протаскивания трубопровода и подводная
траншея длиной 1000 м для его укладки.
Рельсовый путь выполнен двухколейным с шириной каждой
колеи 1,435 м. Вагонетки грузоподъемностью до 60 т устанавли-
вались с интервалом 20 м. Последние 150 м рельсового пути
выполнены четырехколейными из-за большой массы головного
участка конструкции. Головной участок перехода длиной 20 м
и массой 372 т со стояками для соединения с причальными
сооружениями размещался на 16 вагонетках, а хвостовой уча-
сток длиной 12 м со стояком для соединения с береговой эста-
кадой — на 8 вагонетках.
На пути движения всей конструкции стояла плотина, для ее
преодоления был сделан проход. Рельсовый путь оканчивался
в 30 м от плотины со стороны моря, где были устроены четыре
откатные дорожки для вагонеток. При протаскивании пакета
трубопроводов освобождающиеся вагонетки скатывались по
этим дорожкам, где их подхватывали два крана. За рельсовым
путем пакет трубопроводов перекатывался на роликоопоры и
после них на спусковую дорожку. Основанием спусковой
241
дорожки являлся слой щебня, поверх которого были уложены
стальные полосы с синтетическим покрытием для опирания тру-
бопроводов 5 и 9 (см. рис. 10.21). После спусковой дорожки
трубопроводы перемещались по траншее для протаскивания
с минимальной глубиной 1,6 м, а затем по траншее для укладки
перехода с глубиной более 5 м.
Протаскивание осуществлялось с помощью трех лебедок
с тяговым усилием каждой до 100 тс и диаметром троса 51 мм.
Лебедки устанавливались на барже, которая удерживалась во-
семью якорями. На передней раме конструкции пакета трубо-
проводов были закреплены три блока диаметром по 115 см, ко-
торые позволяли создавать общее тяговое усилие до 600 тс.
Вертикальные опорные конструкции пакета трубопроводов
при протаскивании опирались на стальные салазки, для облег-
чения перемещения по дну залива они поддерживались двумя
плавучими кранами грузоподъемностью по 400 тс. Оба крана,
поддерживающие передние и задние салазки, перемещались
вместе с протаскиваемыми трубопроводами. В начальный мо-
мент протаскивания баржа с лебедками располагалась на рас-
стоянии 2,4 км от головной части пакета трубопроводов, и об-
щая длина проложенных по дну тросов была более 14,4 км. Ско-
рость протаскивания всей конструкции достигала 7 м/мин.
3. При укладке трубопроводов на больших глубинах и в су-
ровых условиях с частыми штормами использование обычных
трубоукладочных барж неэффективно. В этих условиях воз-
можно применение трубоукладочных барж третьего поколения.
Однако, если на трассе трубопровода протяженность глубоко-
водных участков незначительна (до 25 км), то использование
этих барж, имеющих высокую стоимость и производительность,
на таких сравнительно коротких участках также невыгодно. По-
этому в последнее время изучаются возможности укладки тру-
бопроводов на больших глубинах без применения трубоукладоч-
ных барж. Среди них перспективным считается метод протаски-
вания. В § 10.1 были рассмотрены возможные схемы укладки
трубопроводов протаскиванием на глубоководных участках.
В настоящее время уже проведены первые экспериментальные
исследования в этом направлении. Например, в работе [86] при-
водятся результаты исследований укладки трубопроводов про
таскиванием на больших глубинах в условиях Северного моря.
Для проведения экспериментов были подготовлены четыре
плети трубопроводов длиной по 152 м, три из них диаметром
762 мм и одна — 410 мм. Применялась изоляция различных ти-
пов и различные утяжеляющие защитные покрытия труб. Пер-
вая плеть имела бетонное покрытие двух типов (с одной и
с двумя армирующими сетками), вторая — защитный слой, со-
стоящий из смеси бетона со стекловолокном и усиленной арми-
рующей сеткой, третья — изоляцию пяти различных типов на
основе эпоксидных смол, изоляция каждого типа состояла из
242
двух слоев изоляции и обертки, четвертая плеть не изолирова-
лась. Протаскивали плети на расстояние 383 км через Норвеж-
скую впадину в Северном море. Эксперименты проводились
с целью исследования возможности протаскивания трубопро-
вода точно по заданным направлениям без механических по-
вреждений.
Протаскиваемые плети были оборудованы герметичными ка-
мерами с комплектом контрольно-измерительного оборудова-
ния для графической и цифровой регистрации положения трубы,
глубины погружения, нагрузок и напряжений. В середине пле-
тей были установлены датчики для непрерывного измерения
напряжений, возникающих от изгиба трубопровода в процессе
протаскивания. На буксирном судне была установлена аппара-
тура для непрерывного измерения тягового усилия.
Исследования показали, что укладка трубопроводов с бук-
сировкой плетей по дну на большие расстояния вполне техноло-
гична. Протаскивание по дну гарантирует точность укладки
плетей по проектному створу, в меньшей степени по сравнению
с другими способами укладки зависит от погодных условий,
а напряжения, возникающие в трубопроводе при буксировке, не
опасны. Буксиры мощностью 22 тыс. л. с*. могут транспортиро-
вать по морскому дну плети длиной 11 км. Укладку протаски-
ванием можно совместить с разработкой траншеи путем уста-
новки на оголовке плети устройства типа плуга. Стоимость ук-
ладки протаскиванием уменьшается примерно на 50% по
сравнению с затратами на укладку с трубоукладочных барж.
Однако сложным является решение вопросов соединения от-
дельных плетей в сплошную нитку.
§ 10.6. УКЛАДКА ПРОТАСКИВАНИЕМ
С РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ
ПО ДЛИНЕ ТРУБОПРОВОДА
Укладка протаскиванием морских трубопроводов большой
протяженности или их транспортировка по дну требует прило-
жения значительного тягового усилия, приводящего иногда
к возникновению в материале трубы растягивающих напряже-
ний, превышающих допустимые. В США предложено устройство
для распределения тягового усилия по длине протаскиваемого
трубопровода (рис. 10.22). Протаскиваемый трубопровод имеет
положительную плавучесть, которую можно достичь, используя
различные типы понтонов.
Устройство состоит из тягового распределительного троса 3,
расположенного под трубопроводом 1 и прикрепленного к нему
подвесками 2. Один из возможных вариантов присоединения
подвесок к трубопроводу и тяговому распределительному тросу
показан на рис. 10.22, б. На каждом конце подвески имеются
243
петли, которые вдеваются в отверстия муфт 8 и 9, прикреплен-
ных к трубопроводу 1 и тросу 3. Тяговое усилие, создаваемое
каждой подвеской, равно общей силе протаскивания, деленной
на число подвесок. Поэтому растягивающее напряжение в тру-
бопроводе значительно снижается. Расстояние между под-
весками зависит от величины положительной плавучести тру-
бопровода, скорости поперечного течения воды, напряжений,
возникающих от изгиба трубопровода, и принимается равным
нескольким десяткам метров. При большой плавучести трубо-
провода можно использовать дополнительные подвески, как по-
казано на рис. 10.23, б.
Вся система трубопровод—трос—подвески сама по себе или
вместе с утяжеляющими элементами имеет небольшую отрица-
тельную плавучесть. Утяжеляющими элементами могут быть
грузы или тяжелые цепи, прикрепленные к распределительному
тяговому тросу подвескам или непосредственно к трубопроводу.
В варианте рис. 10.22 утяжеление трубопровода обеспечивается
массой троса и подвесками. Распределительный трос и под-
РИС. 10.22.
Схема распределения тягового усилия по длине трубопровода при протаски-
вании:
а — распределительный тяговый трос натянут; б — соединение подвески с трубопрово-
дом и распределительным тросом; в — положение распределительного троса при пере-
сеченном профиле дна; 1 — протаскиваемый трубопровод; 2 — подвеска; 3 — распредели-
тельный трос; 4 — тяговая лебедка; 5 — буксирное судно; 6 — морское дно; 7 — якорь
судна; 8, 9 — втулки
244
вески в состоянии натяжения показаны на рис. 10.22, а, а без
приложения тягового усилия — на рис. 10.22, в. При одинако-
вой длине подвесок и неровном профиле дна трубопровод будет
занимать среднее положение относительно высотных отметок
дна (рис. 10.22, в).
При необходимости создания дополнительной отрицатель-
ной плавучести, например, для обеспечения устойчивости трубо-
провода на сдвиг от воздействия течения, балластные грузы
могут прикрепляться к тяговому распределительному тросу
между подвесками (рис. 10.23, а) или непосредственно под ними
(рис. 10.23, б).
На рис. 10.24 и 10.25 показаны дополнительные утяжеляю-
щие элементы в виде цепей, расположенных вдоль трубопро-
вода. Эти цепи могут прикрепляться к подвескам (рис. 10.24, а),
к трубопроводу (рис. 10.24,6 и в; 10.25, а), а также применяться
вместо подвесок (рис. 10.24, б). Обычно цепи частично свисают
и волочатся по дну. Цепи, кроме утяжеления всей системы, со-
здают силу трения, удерживающую трубопровод от смещения
под действием поперечного течения (рис. 10.25, б).
На рис. 10.24 длина подвесок выбрана такой, что распреде-
лительный трос находится на некотором расстоянии от дна
моря. При наличии поперечного течения расстояние между тру-
бопроводом и дном уменьшается и распределительный трос
перемещается по грунту (рис. 10.25). Применение утяжеляющих
цепей позволяет регулировать равновесное состояние трубопро-
вода при изменении его расстояния от дна. Например, воздей-
ствие течения обусловливает поперечное смещение трубопро-
вода, которое приводит к изменению длины провисающих
участков цепей и созданию вертикальной силы, стремящейся
вернуть трубопровод в исходное положение (рис. 10.25, б). Воз-
можен также вариант комбинированного приложения тягового
усилия непосредственно к трубопроводу и через подвески рас-
пределительного троса. В этом случае тяговое усилие разде-
ляется на две силы 7\ и Т2, воспринимаемые соответственно тро-
сом 4, соединенным непосредственно к трубопроводу, и распре-
делительным тяговым тросом (рис. 10.26). Тяговое усилие и
Т2 можно создать раздельно двумя лебедками (рис. 10.26, б),
расположенными на буксирном судне (специальной площадке),
или одной лебедкой. В последнем случае оба тяговых троса 4 и
5 присоединяются к достаточно тяжелому грузу 6, который сое-
динен с тяговым тросом 7, воспринимающим суммарную тяго-
вую силу (рис. 10.26, а). При скольжении по дну груз расчи-
щает дорожку для распределительного троса и трубопровода.
Монтаж трубопровода выполняют на береговой строитель-
ной площадке. Отдельные трубы или двух-трехтрубные секции
сваривают в плети длиной 1 км и более. К плетям присоединяют
подвески, распределительный трос и в случае необходимости
утяжеляющие элементы (грузы, цепи). Укладка трубопровода
245
РИС. 10.23.
Схема протаскива-
ния с грузами, при-
крепленными к рас-
пределится ь н о м у
тросу:
а ~ груз закреплен
между подвесками; б —
груз закреплен у под-
вески;
1 — трубопровод; 2 —
подвеска; 3— распреде-
лительный трос; 4 — до-
полнительные подвески;
5 — груз
РИС. 10.24.
Схема присоедине-
ния утяжелителей из
цепей при протаски-
вании трубопровода:
а — к подвеске; б —
к распределительному
тросу; в — к трубопро-
воду;
1 — трубопровод; 2 —
подвеска; 3 — распре-
делительный трос; 4 —
цепь (стрелкой показа-
но направление протас-
кивания)
РИС. 10.25.
Схема протаскивания
при воздействии те-
чения на трубопро-
вод:
а — распределительн ы й
тяговый трос располо-
жен на дне; б — схема
поперечного смещения
трубопровода относи-
тельно распределитель-
ного троса;
1 — трубопровод; 2 —
подвеска; 3 — распреде-
лительный трос; 4 —
цепь; v — скорость те-
чения
246
РИС. 10.26.
Схема комбинированного приложения тягового усилия:
а — одной лебедкой; б — двумя лебедками;
1 — трубопровод; 2 — подвеска; 3 — распределительный трос; 4 — тяговый трос, закреп-
ленный к оголовку трубопровода; 5 — тяговый трос (продолжение распределительного
троса); 6 — груз; 7 —тяговый трос, воспринимающий суммарное усилие протаскивания
осуществляется протаскиванием плетей с последовательным на-
ращиванием трубопровода. На береговом участке плеть пере-
мещают по роликовой или рельсовой спусковой дорожке. Когда
задний конец протаскиваемой плети достигает уреза воды, про-
таскивание приостанавливается, пристыковывают последующую
плеть, и протаскивание возобновляется. Укладка заканчивается
при достижении протаскиваемым трубопроводом заданного
пункта. После окончания укладки понтоны отсоединяются или
заливаются водой, необходимая отрицательная плавучесть мо-
жет быть обеспечена также и заполнением трубопровода транс-
портируемым продуктом.
§ 10.7. СООРУЖЕНИЕ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ
МЕТОДОМ НАКЛОННОГО БУРЕНИЯ
Метод наклонного бурения обеспечивает в строительный пе-
риод сохранность дна и берегов реки. Вместо производства
большого объема земляных работ по разработке и засыпке под-
водных траншей при строительстве перехода этим методом
с одного берега реки или водоема на другой пробуривается
скважина, при этом целостность дна и приурезных береговых
участков не нарушается.
Для бурения наклонных скважин используется специальное
усовершенствованное применительно к подводному переходу
оборудование, аналогичное оборудованию для бурения нефтя-
ных и газовых скважин, а также для устройства переходов под
автомобильными и железными дорогами.
247
Специальная буровая установка крепится к опорной конст-
рукции из двух сваренных двутавровых балок и поднятых на
коротких опорах для обеспечения необходимого угла наклона
долота при бурении входной скважины. Опорная конструкция
вместе с направляющим башмаком используется для регулиро-
вания направления движения долота. Бурение осуществляется
с помощью долота, вращающегося под давлением бурового рас-
твора, нагнетаемого через бурильную трубу.
После окончания строительства перехода буровую установку
можно транспортировать на другой переход. Для этого на од-
ном конце конструкции бурильной установки могут быть преду-
смотрены обычные автомобильные колеса, а на другом — узел
присоединения к трактору или автотягачу. Для удобства транс-
портировки буровая установка складывается вдвое. Дополни-
тельное оборудование, необходимое для бурения, перевозится
вместе с буровой установкой автомашиной.
Перед началом бурения у места входа скважины отрывается
траншея. По мере погружения в скважину каждой секции бу-
рильной трубы с помощью специального прибора регистри-
руется наклон скважины. Если показания прибора фиксируют
отклонение долота от проектного положения скважины, то про-
изводится соответствующая корректировка оборудования. Не-
большое вращение наклонной опорной конструкции и направ-
ляющего башмака дает возможность изменять направление
движения долота, обеспечивая возможность точной регулировки
глубины и направления скважины.
После окончания бурения через скважину протаскивается
трубопровод малого диаметра с расширительной головкой, а за-
тем протаскивается также с расширительной головкой покры-
тый изоляцией основной трубопровод подводного перехода.
В настоящее время имеется опыт прокладки способом на-
клонного бурения трубопроводов диаметром 219 мм и длиной
400 м. По мере накопления опыта и совершенствования обору-
дования метод наклонного бурения планируется применять для
строительства подводных трубопроводов больших диаметров и
большей протяженности.
Следует отметить перспективность этого метода при пересе-
чении различных водных преград вследствие ряда преимуществ
по сравнению с укладкой трубопроводов в подводные траншеи:
обеспечение полной сохранности экологии рек и водоемов, воз-
можность заглубления трубопровода на любую глубину ниже
предельной границы переформирования дна и берегов реки,
сооружение перехода не влияет на прохождение судов.
ГЛАВА 11. УКЛАДКА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ
Укладка подводных трубопроводов с поверхности воды вы-
полняется двумя способами: свободным погружением и с опор-
ных устройств. Эти способы укладки применяются при пересе-
чении несудоходных водных преград, а также, если возможна
остановка судоходства в створе перехода на период укладки
или применение технологии укладки с обеспечением пропуска
судов. Укладка с поверхности воды в большинстве случаев яв-
ляется экономически более эффективной и менее трудоемкой по
сравнению с укладкой протаскиванием, а в некоторых слу-
чаях — единственно возможным способом укладки.
Суть способа укладки с поверхности воды заключается
в следующем: полностью подготовленный к укладке трубопро-
вод устанавливают в створе перехода, а затем погружают на
дно подводной траншеи или водной преграды перемещением
дополнительной распределенной нагрузки (залив воды и др.),
отстропкой специальных устройств, удерживающих трубопро-
вод на поверхности воды, или перемещением плавучих опор.
§ 11.1. ПОДГОТОВКА К УКЛАДКЕ И УСТАНОВКА
В СТВОР ТРУБОПРОВОДА
На строительной площадке производится монтаж трубопро-
вода в плети, испытание на прочность и плотность, изоляция
(при использовании труб с бетонным покрытием изолируются
и бетонируются стыковые соединения), футеровка труб без бе-
тонного покрытия, оснащение в необходимых случаях понто-
нами и крепление тросов, с помощью которых трубопровод бу-
дет удерживаться в створе перехода.
Трубопроводы диаметром более 1220 мм монтируются на
специальных стапельных площадках. Стапельные площадки
могут устраиваться перпендикулярно урезу воды вдоль берего-
вой спусковой дорожки, если береговой участок равнинный и
имеется достаточное место для ее размещения, и параллельно
урезу воды при неблагоприятном рельефе берегового участка.
Стапельные площадки могут быть временные и стационарные.
Временные площадки устраивают для строительства одного
небольшой протяженности перехода. Они представляют собой
спланированную бульдозером поверхность грунта, на которую
уложены бревна или трубы.
249
Стационарная стапельная площадка устраивается для строи-
тельства перехода значительной протяженности или нескольких
переходов, расположенных в радиусе до ста и более километров
при условии возможной буксировки смонтированных плетей
к месту укладки.
Конструкция стапельной площадки, расположенной перпен-
дикулярно урезу воды, аналогична той, которая применяется
при укладке трубопровода протаскиванием (см. рис. 10.12).
Схема стационарной стапельной площадки, расположенной
параллельно урезу воды, показана на рис. 11.1. Такая площадка
имеет горизонтальный и наклонный участки. Ширина горизон-
тального участка .зависит от числа монтируемых плетей труб
и принимается равной 10—20 м; ширина наклонного участка
зависит от рельефа местности и заданного угла наклона 25—
30° Длина стапельной площадки определяется длиной монти-
руемой плети и принимается около 150—200 м.
В состав стационарной стапельной площадки входят сва-
рочное оборудование для сварки труб в плети, лебедки и дру-
РИС. 11.1.
Схема спуска трубопровода на воду со стапельной площадки:
1 — тормозные лебедки; 2 — трубоукладчик; 3 — плеть трубопровода на стапеле; 4, 5 —
положение плети с приваренными криволинейными отводами при спуске на воду; 6 —
горизонтальная часть стапеля; 7 — наклонная часть стапеля
250
гие механизмы для передвижения труб и спуска плетей на
воду, помещения для хранения материалов и бытовые помеще-
ния. Для разгрузки труб с автомашин и плавучих средств, а
также выполнения других погрузочно-разгрузочных работ ис-
пользуются трубоукладчики и краны (портальный, башенный
или гусеничный). Спуск плетей со стапеля на воду осуществля-
ется плавучими кранами, лебедками, установленными на плав-
средствах, или буксирами. Равномерность спуска плетей обес-
печивается тормозными лебедками, установленными вблизи
стапеля.
В некоторых случаях при строительстве переходов значи-
тельной протяженности и морских трубопроводов более удобно
устройство специальной траншеи или технологического канала,
соединенного с морем. Плеть трубопровода монтируется вдоль
канала и затем укладывается в него по береговой спусковой
дорожке или с помощью трубоукладчиков. Преимущество тех-
нологического канала — возможность визуального контроля
плавучести оснащенной плети. В технологическом канале од-
новременно могут располагаться несколько плетей. Готовые
плети из технологического канала буксируют к месту ук-
ладки.
Установка трубопровода в створ — наиболее ответственная
операция при укладке с поверхности воды, так как при недо-
статочно тщательном ее выполнении трубопровод может изог-
нуться и быть поврежден от гидродинамического воздействия.
В зависимости от ширины водной преграды, расположения
удерживающих средств применяются различные схемы уста-
новки трубопровода в створ.
Схема 1
Применяется при ширине водоемов до 250 м. Полностью
подготовленный к укладке трубопровод протаскивается со спу-
сковой береговой дорожки на воду в створ перехода (рис. 11.2).
До начала протаскивания трубопровод 1 закрепляют тросами-
оттяжками 3 от лебедок, установленных на обоих берегах (по-
ложение /), и тяговым тросом 2, с помощью которого осущест-
вляется протаскивание. В местах строповки трубопровода
(точки а, б) устраивают сплошную футеровку из деревянных
реек. На расстоянии 150—200 м выше створа на обоих берегах
устанавливают лебедки для удержания трубопровода при вы-
воде его в створ от сноса потоком. Лебедки устанавливают
вблизи уреза воды. По мере продвижения трубопровода в русло
реки в работу включается лебедка Л2, с помощью которой
трубопровод ориентировочно удерживается в створе (положение
//). Затем начинает работать и лебедка Л1 (положение ///).
Регулируя длину оттяжек лебедками Л1 и Л2, трубопровод
устанавливают точно в створ. Грузоподъемность тяговых
средств и лебедок, а также диаметры тягового троса и оттяжек
251
определяют в зависимости от размеров трубопровода и интен-
сивности гидродинамического давления потока.
Схема 2
Применяется при ширине реки более 250 м. Установка
в створ может быть выполнена по схеме, показанной на
рис. 11.3. В положении I конец трубы удерживается одной от-
тяжкой от лебедки ЛЗ, установленной на понтоне; затем трубу
в заранее намеченной точке б стропят второй оттяжкой от ле-
бедки Л2, также установленной на понтоне (положение II).
Сам понтон удерживается якорем, замытым в русло реки. При
дальнейшем продвижении вперед трубопровод стропят в точке
а оттяжкой от лебедки Л4, оттяжки от лебедок Л2 и ЛЗ пере-
носят в точки б и в. Затем в работу вводят и лебедку Л1. Трос
от нее удерживает трубопровод в точке г (положение III). Сле-
дует иметь в виду, что откреплять оттяжку можно только
РИС. 11.2.
Схема установки трубопровода
в створ при ширине реки до 250 м
РИС. 11.3.
Схема установки трубопровода
в створ при ширине реки более 250 м
252
тогда, когда трубопровод закреплен новой оттяжкой и нагрузка
от гидродинамического воздействия воды уже воспринята ею.
Широкому применению рассмотренной схемы в летний пе-
риод препятствует необходимость перекрывать на некоторое
время судоходство.
При четкой организации работ, ширине реки до 500 м
можно вывести в створ и уложить трубопровод в траншею
за 3—4 ч.
Схема 3
Трубопровод выводят в створ разворотом его на плаву от
одного берега к другому. Этот способ очень удобен при строи-
тельстве переходов через водоемы, имеющие крутые берега,
когда для устройства спусковых дорожек требуется разработка
глубоких береговых выемок. Схема выведения трубопровода
в створ показана на рис. 11.4.
На одном из берегов выше или ниже створа перехода
(лучше выше) подыскивают площадку, длина которой равна
или больше длины перехода. На этой площадке собирают тру-
бопровод проектной длины с кривыми вставками (если они
предусмотрены), покрывают его изоляцией, а в некоторых ме-
стах футеруют.
На площадке трубопровод можно собирать из готовых сек-
ций длиной 80—120 м, доставляемых сплавом.
Подготовленный к укладке трубопровод спускают с пло-
щадки на воду. Затем нитку устанавливают вдоль одного из
берегов (см. рис. 11.4, положение /). Трубопровод выводят
в створ по простой, но требующей четкой организации работ
схеме.
Один конец трубопровода шарнирно закрепляют в точке О,
а другой отталкивают от берега. Под действием движущейся
воды трубопровод на плаву свободно поворачивается около
точки 0 до упора незакрепленного конца в противоположный
берег (положения II и III). Для удержания трубопровода
в створе его закрепляют оттяжками.
Понтоны /, 2, 3, на которых установлено по три лебедки,
прикрепляют к трубопроводу в положении /. Двумя тросами
с каждого понтона трубопровод стропят до начала разворота
в точках а, б, в, г, д, е. В точках 4, 5, 6 (по числу понтонов
с лебедками) на 80—100 м выше створа замывают в грунт
якоря, способные удерживать весь трубопровод на поверхности
реки от сноса течением. К неподвижным якорям прикрепляют
отрезки тросов, концы которых удерживаются на поплавках
на поверхности воды.
При переходе трубопровода вместе с понтонами над соот-
ветствующим якорем (положение III) трос последнего прикреп-
ляют к тросу, идущему от одной из лебедок, предназначенной
для удержания понтона в нужном положении. Одновремёйно
25&
понтон открепляют от трубо-
провода; оттяжки, закреплен-
ные на двух других лебедках,
разматываются и понтон от-
стает от трубопровода, он
продвигается вниз по течению
медленнее, чем разворачива-
ется трубопровод. При этом
последовательно вступают
в работу неподвижные якоря
4, 5 и 6. Постепенно скорость
разматывания оттяжек умень-
шается, а смещение понтонов
по течению прекращается; они
занимают положение 7, S, Р,
удерживаясь на неподвижных
РИС. 11.4. якорях. Скорость разворота
Схема выведения трубопровода трубопровода замедляется, и
вствор разворотом на плаву после вступления в работу
всех удерживающих якорей он
останавливается и удержи-
вается в точках а', б', в', г', д', е'
Так как длина трубопровода больше, чем расстояние между
берегами, то в какой-то момент незакрепленный конец трубо-
провода упрется в берег (положение III). Конец трубопровода
в точке 0 вводят в береговую траншею. Если этого недостаточно
для введения противоположного конца в траншею, то, регулируя
длину русловых оттяжек, дают возможность трубопроводу прог-
нуться (положение IV) так, чтобы второй конец вошел в тран-
шею. Натяжением тросов-оттяжек трубопровод устанавливают
точно в створ (положение V). При наличии береговых кривых
вставок их поднимают в вертикальное положение с помощью
трубоукладчиков.
После установки в створ трубопровод погружают на дно.
Как отмечалось, при установке трубопроводов в створ
должно быть обеспечено надлежащее геодезическое обслужи-
вание работ. При схеме 3 эти работы должны выполняться
особенно тщательно. Расстановка якорей для удержания пон-
тонов должна быть выполнена с высокой точностью. Так,
ошибка в определении положения точки замывки одного из
якорей на 4—6 м может привести к тому, что понтон при раз-
вороте трубопровода пройдет мимо этого якоря.
С х е м а 4
Применяется при прокладке трубопроводов большой протя-
женности и морских трубопроводов. Полностью оснащенные на
монтажной площадке плети трубопроводов длиной 1—2 км
буксируются к месту укладки. На прибрежных мелководных
№4
Море
плети трубопровода
Направление
ветра и волн
РИС. 11.5.
Схема вывода
из канала.
/ — трубоукладчик; 2 — вторая километ-
ровая плеть; 3 — первая километровая
плеть; 4 — катер; 5 — место соединения
плетей; 6 — двухкилометровая плеть
участках вывод плетей трубо-
провода в море выполняют ка-
терами типа БМК мощностью
100—130 л. с. с осадкой до
0,6 м. После достижения боль-
ших глубин тяговый трос
передается более мощному
буксиру
Вывод плетей из техноло-
гического канала сопровожда-
ется поддержкой трубопровода
трубоукладчиками. Трубоук-
ладчики и буксир удерживают
плеть в натянутом состоянии
для устранения изгиба и воз-
можности зацепления понто-
нов за сваи подпорной стенки
и другие плети, расположен-
ные в канале на плаву. Схема
вывода из канала и последо-
вательность соединения двух
плетей показана на рис. 11.5. Сначала выводится первая плеть
до тех пор, пока ее хвостовой конец не достигнет сварочного
мостика, на котором производятся присоединение второй плети,
контроль и изоляция стыка. Дальнейшая транспортировка сое-
диненных плетей к месту укладки осуществляется головным и
хвостовым буксирными судами. Назначение хвостового букси-
ровщика— удерживать плеть в натянутом состоянии от воз-
можного искривления под действием волн и течений и обеспе-
чивать заданный курс ее буксировки.
Пробуксированная к месту укладки плеть устанавливается
прямолинейно в створ трассы трубопровода и пристыковыва-
ется к ранее уложенной плети, конёц которой может удержи-
ваться либо с помощью понтонов, либо крановым судном.
Вывод плетей в море, транспортировка их к месту укладки,
присоединение к ранее уложенной плети проводится после
получения благоприятных гидрометеорологических прогнозов.
При внезапном изменении ‘погоды с возникновением шторма,
транспортируемую плеть, а также конец ранее уложенной плети
погружают на дно заполнением воды в понтоны или трубопро-
вод.
После установления благоприятной погоды из труб (пон-
тонов) удаляют (продувкой воздухом) воду, плеть поднимают
на поверхность и продолжают транспортировать к месту
укладки. В это время конец ранее уложенной плети приподни-
мается крановым судном над поверхностью, затем плеть про-
дувается компрессором, и участок ее, получивший положитель-
ную плавучесть, всплывает. Приподнятая ранее уложенная
255
плеть и прибуксированная соединяются на крановом судне
(рис. 11.6, а) с помощью специальной подвесной люльки
(рис. 11.6, б), которая шарнирно крепится к борту кранового
судна на 1—1,5 м от зеркала воды. В люльке производится
центровка и сварка стыка, контролируется качество сварки и
наносится противокоррозийная изоляция.
С х е м а 5
Применяется при укладке трубопровода в подводную тран-
шею зимой со льда. Трубопровод устанавливается в створ
в специально устраиваемый во льду узкой прорези (майне).
При достаточной толщине льда все подготовительные и строи-
тельно-монтажные работы не отличаются от линейных и выпол-
няются непосредственно на льду. Параллельно смонтирован-
ному трубопроводу во льду устраивается майна, и трубопровод
спускают в нее. Если прочность льда недостаточна для прохож-
дения монтажно-строительных машин, то монтаж плетей трубо-
провода ведется на берегу; устраивается майна на всю ширину
РИС. 11.6.
Соединение плетей в море.
а — расположение кранового судна при стыковке плетей относительно направления
ветра и волн;
1 — плеть газопровода, уложенная на дно; 2 — крановое судно; 3 — подвесная люлька;
4 — плеть газопровода на плаву; 5—буксирное судно;
б — конструкция подвесной люльки;
1 — люлька; 2 — хомут; 3 — кронштейн; 4 — корпус кранового судна; 5 — желоб
256
водной преграды, и трубопровод выводится с берега в майну
с последовательной стыковкой отдельных плетей на бе-
регу.
§ 11.2. УКЛАДКА ТРУБОПРОВОДА СПОСОБОМ
СВОБОДНОГО ПОГРУЖЕНИЯ
Укладка трубопровода способом свободного погружения —
это погружение трубопровода, находящегося на плаву, под
действием перемещающейся распределенной нагрузки.
Перемещение распределенной нагрузки по длине трубопро-
вода может осуществляться заполнением трубопровода или
понтонов водой, последовательным отсоединением понтонов,
удерживающих трубопровод на плаву, или перемещением их
по длине трубы, протаскиванием внутри трубопровода специ-
альных грузов или трубопровода меньшего диаметра.
Укладка трубопроводов способом свободного погружения
с заливом в них воды чаще всего применяется для трубопрово-
дов, имеющих положительную плавучесть: нефтепродуктопро-
водов, водоводов, водозаборов и других, которые в период экс-
плуатации всегда будут заполнены водой или нефтепродуктом
и иметь отрицательную плавучесть.
Трубопровод заводят в створ перехода по одной из схем,
приведенных в § 11.1, и удерживают над траншеей при
помощи тросовых оттяжек. Трубопровод погружается на дно
траншеи или водной преграды заполнением в него воды через
патрубок. Воздух, находящийся в трубопроводе, вытесняется
через воздушные вентили (вантузы), устроенные на концах по-
гружаемой плети. Вода в трубопровод может закачиваться
насосами ГМ-4 и ГИМ-100 подачей 50—150 м3/ч; насосом ПВА-
200 подачей 200 м3/ч; заполнительными агрегатами АН-261 и
АН-501 подачей соответственно 260 м3/ч и 540 м3/ч, а также
насосами землесосных снарядов. В начальный период погруже-
ния вода закачивается с меньшей подачей во избежание пере-
лива воды в трубе и образования воздушных пробок, которые
могут значительно затруднить укладку и явиться причиной из-
лома трубы. При переливе воды в трубе участки, заполненные
воздухом всплывают, а заполненные водой погружаются. Для
устранения перелива и образования начальной кривизны уча-
сток плети можно пригрузить. Закачивать воду с максималь-
ной подачей насоса можно после образования трубопроводом
участка переходной кривой или укладки части его на дно.
Скорость укладки трубопровода, от которой зависит время
погружения всей плети, определяется по формуле
4Q
v= —
nd?
где Q — подача насосов, закачивающих воду в трубопровод;
d — внутренний диаметр трубопровода.
257
В период укладки способом свободного погружения трубо-
провод может занимать ряд последовательных положений
(рис. 11.7), каждому из которых соответствует своя расчетная
схема. В начальной стадии погружения трубопровод испытывает
консольный изгиб (позиция /), в промежуточной стадии трубо-
провод принимает форму S-образной кривой (позиция 2),
затем плавающий участок трубопровода открывается от поверх-
ности воды (позиция 3), и, наконец, в завершающей стадии по-
гружения он принимает форму параболы с выпуклостью, об-
ращенной вниз (позиция 4).
Рассмотрим расчетную схему, соответствующую промежу-
точной стадии укладки трубопровода с S-образной кривой. При
заливе водой (отстропке понтонов) на участке а трубопровод,
изгибаясь в вертикальной плоскости, погружается на дно
(рис. 11.8). При этом участок трубопровода а получает отри-
цательную плавучесть (направленную вниз равномерно рас-
пределенную нагрузку интенсивностью р), участок Ь, не зали-
тый водой или оснащенный понтонами, имеет положительную
плавучесть (направленную вверх распределенную нагрузку
интенсивностью q). Максимальная глубина погружения трубо-
провода h ограничивается допускаемыми напряжениями от его
изгиба.
1. Расчет укладки трубопровода с учетом нулевых гранич-
ных условий в точке его выхода на поверхность воды.
Во многих литературных источниках приводится расчетная
схема укладки трубопровода как для однопролетной балки
с нулевыми граничными условиями на обоих концах для угла
поворота и изгибающего момента (рис. 11.8,6), т. е. при х = 0
#о = ^о1 = О и ПРИ х==с У1 = У™ = Подробные расчеты напряжен-
ного состояния трубопровода в такой постановке приводятся,
например, в работе [18], а основные расчетные параметры
имеют следующие зависимости.
Наибольшие значения изгибающих моментов для участков а
и b определяются по формулам
ма=|/3-^Ч; (и.1)
Л46=(И-П
где EI — изгибная жесткость трубы; со=р + 9; фа и фь— без-
размерные функции, зависящие от p/q, определяются по гра-
фику рис. 11.9.
Длина участка а, имеющего отрицательную плавучесть,
а='\/-----—------, (11.2)
V ®(n —0,5)2 —0,25п4<7
258
РИС. 11.7.
Стадии погружения трубопровода
РИС. 11.8.
Расчетная схема погружаемого трубопровода:
а — схема погружения; б — нулевые граничные условия на обоих концах трубопровода;
в — ненулевые граничные условия для конца трубопровода, находящегося на поверх-
ности воды
(11-3)
где n — cla, c — a + b — полная длина погруженного в воду уча-
стка трубопровода.
Зависимость п от отношения p/q представлена на графике
рис. 11.10.
Глубина погружения трубопровода h (в см) вычисляется
по формуле
h =--------,
3150ф2гср
где Од — допустимое напряжение, равное расчетному сопротив-
лению материала труб (в кгс/см2); б — толщина стенки труб
(в см); гСр — средний радиус трубы (в см); ф— коэффициент,
принимаемый равным фа при p!q>\ и фь при plq<\.
Порядок расчета по приведенным формулам следующий:
1) для заданных h и plq определяют значение максималь-
ного изгибающего момента при p!q>\ по формуле (11.1) и при
р/<7<1 по формуле (11.1');
РИС. 11.9.
График зависимости коэффициентов фо и ф& от отношения plq
РИС. 11.10.
График зависимости п от plq:
а — о<~ <5; б - 0< — <50
I <7 Q
260
2) находят величину максимального напряжения в трубо-
проводе
°тах = — , (И.4)
шах > \ /
где W—осевой момент сопротивления сечения трубы;
3) сравнивают o'max с величиной допустимого напряжения
Од. Если o’maxод, то погружение трубопровода возможно. Да-
лее определяют значения остальных параметров: п— по гра-
фику рис. 11.10; а — по формуле (11.2); с=ап\ h — по формуле
(11.3). Если Отах>Од, ТО ПрИНИМЗЮТ меры К уменьшению Отах
изменением отношения p/q.
2. Расчет укладки трубопровода с учетом ненулевых гранич-
ных условий в точке его выхода на поверхность воды.
Как показывают эксперименты, а также натурные наблюде-
ния за укладкой трубопроводов, нулевые граничные условия для
конца трубопровода, находящегося на поверхности воды (х=0,
см. рис. 11.8,6), не выполняются. Неучет этого фактора в неко-
торых случаях приводит к значительным неточностям при опре-
делении допустимой глубины укладки трубопровода, макси-
мальных напряжений и длины погруженных в воду участков
трубы а и с.
Для определения действительного напряженного состояния и
параметров укладки представим трубопровод как балку с тремя
участками (рис. 11.8,в): на первый участок а действует на-
грузка интенсивностью р, на второй участок Ъ — нагрузка интен-
сивностью q и третий, частично погруженный, находящийся на
поверхности воды, рассматривается как балка на упругом осно-
вании.
Дифференциальное уравнение изгиба трубопровода для
третьего участка (см. рис. 11.8, в) имеет вид
EIyw + ky = 0, (11.5)
где k — коэффициент, характеризующий упругость основания.
Поскольку поперечное сечение трубопровода не прямоуголь-
ное, то коэффициент упругости k является функцией переме-
щения
Л = 2т ]/’(«/+До) (D—у—а0), (11.6)
где у — удельный вес воды; а0 — начальная осадка трубопро-
вода, находящегося на плаву (рис. 11.11).
Подставляя выражение (11.6) в уравнение (11.5), получаем
2
Ely™ + 2у ^]/‘(y+ao)(D—y—ao)dy=O. (11.7)
О
Решения такого нелинейного дифференциального уравнения
в замкнутом виде не имеется. Поэтому вместо точного значения
261
РИС. 11.12.
График зависимости —— от
РИС. ,11.11.
Схема расположения прямолинейного
трубопровода на плаву
коэффициента k примем его усредненное значение равным kcp
Лср = -^-, (11.8)
Уо
где^о—расстояние от верха трубы до уровня воды при располо-
жении прямолинейного трубопровода на плаву (см. рис. 11.11).
Значение у0 можно определить по графику (рис. 11.12) в за-
висимости от величины безразмерного отношения веса единицы
длины трубы в воздухе qt и интенсивности нагрузки q.
Расположим начало координат в точке выхода трубопровода
на свободную поверхность воды и направим оси, как показано
на рис. 11.8, в. Тогда для полубесконечной балки на линейном
упругом основании, загруженной на конце сосредоточенной си-
лой Qo и изгибающим моментом Мо, значения прогиба и его про-
изводных будут
= Mo)cos0x—Afosinpx];
L\ Р /
^(*) = |рИо—cos рх------sin рх ;
t/11 (х) = —L е-₽* Г(—Мо 4- sin рх—Мо cos Pxl;
£7 L\ Р / J
yUl(х) = е-₽* [(2рмо—Qo) sin Px-f- Qo cos 0X],
262
(11.10)
Учитывая, что при х=0 у=—уо и kcvye==q, получаем значе-
ния начальных параметров в виде
Е1у10
2р2 2р
м0=-^-+-^-
° Р 2₽2
Рассмотрим полностью погруженный участок трубопровода
длиной с. Принимая во внимание направление координатных
осей для этого участка (см. рис. 11.8, в) и учитывая граничные
условия у[ = 0 и у^ = 0, получаем методом начальных парамет-
ров следующие выражения для угла поворота и изгибающего
момента:
—Е1уо— Мйс— ^- = 0; (11.11)
-Mo-Qoc+^—^ = O. (11.12)
Решая совместно уравнения (11.10) — (11.12) и переходя
к безразмерным параметрам, получаем
2<?—3(с+ 1)а2+т [(с+1)3+2] =0, (11.13)
где а=ра; m=ql®.
Используя условие равенства нулю третьей производной уп-
ругой оси для первого, второго и третьего участков трубопро-
вода, получаем значения координат с максимальными изгибаю-
щими моментами на каждом участке. После подстановки этих
координат в уравнения изгибающих моментов, получим значе-
ния безразмерных максимальных напряжений на первом уча-
стке Па, на втором участке о& и на третьем частично погружен-
ном участке трубопровода ап:
5a = 264£ = ^(-0_mc-+g)!.
co 1 — т
= =_/_!_Q2o + 2Qo4-mV (11.14)
со \т /
____________ —arctg Qq_
on = -^^ = ]An2+2mQ0 + 2Q|e m+Qo,
co
где (ja, Gb, On — максимальные напряжения на первом, втором и
третьем участках трубопровода; Qo = QoP/® —безразмерная
поперечная сила.
Величина Qo определяется из выражений (11.10) и (11.12)
(11.15)
& £ (С 1 )
263
Безразмерная глубина укладки трубопровода h=h/y0, полу-
ченная по методу начальных параметров, имеет вид
h = ~ Н (Qo+а) <?-(!+Зт) &+(с—а)4], (11.16)
от
где h — глубина укладки трубопровода (глубина водоема Лв
равна h+D).
Расчет напряженного состояния и допустимой глубины ук-
ладки трубопровода можно выполнить по формулам (11.13) —
(11.16).
Для облегчения расчетов и выбора наиболее рациональных
параметров укладки трубопровода применительно к различным
условиям практики составлены графики зависимостей o=f(m, с)
и h=f{m, с), которые представлены на рис. 11.13 и 11.14. На
этих же графиках указаны области, соответствующие макси-
мальным напряжениям ад, и ап-__ Пользуясь графиком
h=f(m, с), для заданных параметров hum легко установить,
на каком из трех участков (см. рис. 11.8) погружаемого трубо-
провода возникают максимальные напряжения.
Расчет допустимой глубины укладки трубопровода выпол-
няют в такой последовательности;
1) вычисляют значения or = 2p2oW7co и m = ql&\ __
2) определяют с по графику зависимости o=f(m, с) для за-
данных а и т (см._рис. 11.13); __ _
3) определяют h по графику зависимости h=f(m, с) для вы-
численных значений тис (см. рис. 11.14);
4) определяют глубину водоема, на которой возможна ук-
ладка трубопровода,
hB = hyQ + D,
здесь D — внешний диаметр трубопровода.
Порядок расчета напряжений при заданной глубине водоема
hB следующий:
1) вычисляют значения
7 hB — D q
h=—----- и т = —;
Уо _ ® _
2) определяют о по графику зависимости h=f(m, о) для вы-
численных значений h и т;
3) определяют напряжения от изгиба трубопровода
о со
которые не должны превышать допустимых напряжений од.
В случае, если вычисленная глубина водоема меньше задан-
ной или вычисленное значение напряжения больше допустимого,
то для обеспечения безаварийной укладки трубопровода на за-
264
РИС. 11.13.
Графики зависимости о от т для различных с (слева от пунктирной линии
максимальные напряжения на участке а (см. рис. 11.8)
РИС. 11.14.
Графики зависимости h от т при различных значениях с:
АБВГ — область, соответствующая максимальному напряжению на участке а, о так=оа;
БВД — область, соответствующая максимальному напряжению на участке Ь, агпах=ов,
В ДЕК — область, соответствующая максимальному напряжению на участке трубо-
провода, расположенном над поверхностью воды, amov==an.
Hid Л 11»
данную глубину необходимо изменить параметр т применением
дополнительной пригрузки (балласта) или разгружающих пон-
тонов и повторить расчет.
Пример. Определить допустимую глубину погружения трубопровода при
следующих параметрах: /)=102 см, £/=8,4987 • 1011 кгс/см2, №=7936 см3,
<7=5,79 кгс/см, о =7,841 кгс/см, #0=67,1 см, 0=3,991 • 10-41/см, допустимое
напряжение од=3050 кгс/см2.
Определяем значение параметров сг и т\
-_2^2aW 2-3.9912.10—8-3050-7936
о —--------== -------------------------= и.Уо1;
© 7,841
т= — = -5’79 = 0,739.
<о 7,841
По графику рис. 11.13 для о=0,981 и т=0,739 находим с=4,91;
с= 123,03 м.
По графику рис. 11.14 для с=4,91 и т=0,739 находим Л=14,1.
Максимальная глубина водоема, на которую возможна укладка трубо-
провода составит
hB = hy0 + D= 14,1*0,671 + 1,02= 10,48 м.
3. Влияние граничных условий в точке выхода трубопровода
на поверхность на основные параметры его укладки.
Для сравнения способов расчета укладки подводных трубо-
проводов с нулевыми граничными условиями в точке выхода
трубопровода на поверхность воды (первая расчетная схема,
см. рис. 11.8,6) и с учетом упругой податливости плавающего
участка трубопровода (вторая расчетная схема, см. рис. 11.8, в)
основные расчетные формулы приведены к одним и тем же без-
размерным параметрам.
__ Результаты вычислений безразмерной глубины погружения
h = hly^ в зависимости от m=ql& для первой и второй расчет-
ных схем приведены на рис. 11.15. Из сопоставления результа-
тов расчета можно сделать вывод:
при m^~0,5 и одинаковых отах глубина погружения тру-
бопровода, вычисленная по первой расчетной схеме, превышает
глубину погружения трубопровода, полученную по второй рас-
четной схеме, на 2—25% в зависимости от crmax;
при одинаковой глубине погружения трубопровода и
т=С~0,5 величина <утах по первой расчетной схеме имеет
меньшее значение по сравнению со второй расчетной схемой.
при 1>т>~0,6 глубина погружения по второй расчетной
схеме может значительно превышать глубину погружения, вы-
численную по первой расчетной схеме;
длина погруженного участка трубопровода с, вычисленная по
первой расчетной схеме для всех значений 1>т>0, превышает
длину, вычисленную по второй схеме.
Учитывая значительные отличия результатов расчета по при-
веденным схемам, в практических расчетах для определения
266
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ' 0,6 0,7 0,8 0,9 m
РИС. 11.15. _
Графики зависимости безразмерной глубины погружения h от т для различ-
ных о:
штриховые линии соответствуют первой расчетной схеме; сплошные линии — второй рас-
четной схеме
РИС. 11.16.
Схема начальной стадии погружения трубопровода:
а — схема погружения; б — расчетная схема консольного изгиба трубопровода
напряженного состояния глубины укладки и длины погружае-
мого участка подводного трубопровода необходимо использо-
вать вторую расчетную схему, поскольку она лучше соответ-
ствует действительным условиям по сравнению с первой.
§ 11.3. РАСЧЕТ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА
СПОСОБОМ СВОБОДНОГО ПОГРУЖЕНИЯ
В НАЧАЛЬНЫЙ И КОНЕЧНЫЙ ЭТАПЫ ПОГРУЖЕНИЯ
1. Начальный этап погружения.
При строительстве подводных переходов значительной про-
тяженности и морских трубопроводов иногда возникает необхо-
димость погрузить на дно водоема плеть трубопровода, находя-
щуюся на плаву.
В начальной стадии погружения заливом воды или отстроп-
кой понтонов трубопровод испытывает консольный изгиб
(рис. 11.16,а). В этом случае наибольшие напряжения возни-
кают, когда погружаемый конец трубопровода приближается ко
дну водоема. Расчетная схема консольного изгиба трубопровода
представлена на рис. 11.16, б, отличие ее от ранее рассмотрен-
ной в § 11.2 расчетной схемы по форме S-образной кривой за-
ключается лишь в граничных условиях для конца трубопровода,
находящегося вблизи дна водоема.
Располагая оси координат, как показано на рис. 11.16,6, и
принимая граничные условия для конца трубопровода, располо-
женного вблизи дна, х=с уп=0 и уП1 = 0, получаем по методу
начальных параметров следующие зависимости для прогиба,
изгибающего момента и поперечной силы:
EIh=—EIyx—^-—^-+-^- — —\ (11.17)
= (11.18)
—Qo + <7c—соа = О. (11.19)
Значения начальных параметров уо и Мо с учетом упругой
податливости плавающего участка трубопровода определяют по
формулам (11.10).
Выражения (11.18) и (11.19) представим в безразмерных па-
раметрах
а2—2а(ё+1) + т(с+1)2 = 0; (11.20)
Q0 = mc—а. (11.21)
Максимальные напряжения в трубопроводе на участке b
равны _
- (11.22)
= ——hA!o+m- v '
268
Подставляя выражение (11.21) в (11.22), получаем
а2—2та (с+ 1) + m2 (с+ 1)2 + та6 = 0. (11.23)
Решая совместно уравнения (11.20) и (11.23), получаем без-
размерные длины погружённого участка трубопровода с и уча-
стка а с отрицательной плавучестью в виде
7=1/4™ь 1. (11.24)
а=(1— УТ^т) 1/--------—-------------. (11.25)
|/ (1 — т) [2(1 — У Г—т —/п]
Подставив в уравнение (11.17) значения начальных парамет-
ров по формуле (11.10), приведя его к безразмерному виду
с учетом выражения (11.21), получим безразмерную глубину
укладки трубопровода
Безразмерное максимальное напряжение на участке трубо-
провода, расположенного на плаву, наводят подстановкой выра-
жения (11.21) в формулу (11.14) для Оп‘.
. arc tg и
an=l/~т2-\-2т(тс—а)+ 2 (тс—а)2е m(c-i)-a (11.27)
Если значение безразмерной поперечной силы Qo,, вычислен-
ное по формуле (11.21), положительное, то о&>оп. При(?о<
<0 максимальное напряжение на участке трубопровода, распо-
ложенного на ^тлаву, превышает максимальное напряжение на
участке 6, т. е. сгп > a^.fnpH Qo = 0 вь = оп.
Расчет допустимой глубины погружения выполняется в сле-
дующем порядке:
1) задаются допустимым значением напряжения <гд, опре-
деляют а£,=202ад17/со, р2= 1/ —?— и m =
2) по формулам (11.24) и (11.25) находят значения с и а\
_ 3) вычисляют Qo по формуле (11.21). Если Qd/>0, то
Gb^an и_ по выражению (11.26) подстановкой вычисленных
значений с и а определяют безразмерную допустимую глубину
укладки трубопровода;
4) если Qo<0, то о6<оп, и расчет выполняют заново
269
методом последовательных приближений при меньшем значении
о6, равном оЬ1. Определяют и а± по формулам (11.24) и
(11.25); вычисляют оп1 по формуле (11.27), подставляя а = а1
и с = с1. Расчет заканчивается, если ап1 незначительно отли-
чается от аь.
Пример 1. Определить допустимую глубину укладки трубопровода по
схеме консольного изгиба для параметров трубопровода, приведенных в при-
мере на стр. 266.
Для Оь=0,981 и_/и=0,739 по формулам (11.24) и (11.25) определяем
значения _с=2,407 и_а=1,667. По формуле (11.21) находим Qo=O,1118; по-
скольку Оо>>0> то ив>>Оп- __
_ Определяем по формуле (11.26) для с=2,407 и а =1,667 значение
/1=10,642.
Значения допустимой глубины погружения hB и длины участков а и с
составляют: /гв=^о^+^=8,16 м; а=а/р=41,76 м; с=с/р=60,31 м.
Следует отметить, что допустимая глубина погружения по схеме консоль-
ного изгиба получается меньшей по сравнению с изгибом по схеме S-образ-
ной кривой. Для данного примера эта разница равна 2,32 м.
2. Конечный этап погружения.
В процессе погружения трубопровода за консольным изги-
бом или изгибом по S-образной кривой следует конечный этап
погружения. На конечном этапе погружения длина участка тру-
бопровода, находящегося на плаву, уменьшается, и трубопровод
несколько приподнимается. В зависимости от параметров тру-
бопровода и глубины водоема в некоторых случаях дальнейшая
укладка может сопровождаться отрывом плавающего участка
трубопровода (см. рис. 11.7). Затем длина приподнятого
участка трубопровода по мере залива воды (перемещения на-
грузки с отрицательной плавучестью) уменьшается, и в завер-
шающей стадии погружения становится равной нулю (рис. 11.7).
При этом в трубопроводе происходит перераспределение напря-
жения. Аналогичный процесс, но в обратном порядке, происхо-
дит при подъеме трубопровода.
1. Рассмотрим сначала случай, при котором возникает от-
рыв конца трубопровода от поверхности воды. Расчетную схему
участка трубопровода, находящегося на плаву, можно предста-
вить как балку на упругом основании конечной длины /. Распо-
ложим начало координат на конце плавающего участка
(рис. 11.17). Принимая во внимание, что при х=0 перемещение
у, изгибающий момент и поперечная сила равны нулю, а при
х=1 у=—D, получим по методу начальных параметров следую-
щие выражения:
(11.28)
270
РИС. 11.17.
Расчетная схема плава-
ющего участка трубо-
провода при отрыве его
конца от поверхности
воды
Ely?=^(пЛ-*2);
Р2
Е1у}" = -^(п&-1^,
(11.29)
(11.30)
где пг = —(&о+ —); k0, ki, k2 и k3 — функции А. Н. Крылова при
«1 \ <71 /
х=1, значения которых равны:
k0 = ch PZ cos PZ; (11.31)
ki = -i- (ch р/ sin pZ + sh р/ cos PZ); (11.32)
^2 = sh р/ sin pi; (11.33)
k3 = — (ch PZ sin pZ—sh PZ cos PZ). 4 (11.34)
Эти функции табулированы и их значения приводятся в спра-
вочниках.
Максимальный изгибающий момент на участке трубопровода
Ь, погруженном в воду и имеющем положительную плавучесть q,
равен
О2
(11.35)
2<7
271
Подставляя в формулу (11.35) вместо — Mi и — Qi значения
выражения (11.29) и (11.30), получим значения безразмерных
максимальных напряжений на участке Ь в зависимости от функ-
ций А. Н. Крылова
~ь = = ni [2rta +(11.36)
° «2
где
т = —; п2 = —.
co qt
Подставляя зависимости (11.28) — (11.30) в формулы (11.11)
и (11.12), получаем два уравнения для определения длины уча-
стков а и с, которые можно представить в безразмерном виде:
?=2Д + (11.37)
а3 = 6 —
СО
-HMi-Mc—^--6з
4
(11.38)
Глубина укладки трубопровода определяется подстановкой вы-
ражений (11.28) — (11.30) в уравнение (11.17)
h="й- [ +S'+4+
V 2 1 17 6 J 24 ^24 J
Максимальные напряжения на участке а равны
a R2
а 2pW ’
(11.39)
(11.40)
где R = pc — tob + Qi — реакция в точке касания трубопровода
и дна.
Эти напряжения после подстановки выражения (11.30)
в (11.40) можно представить в безразмерном виде:
—- • =—!—-\а—mc——{n1k2—fej] (И.41)
со 1 — т L со J
Пример 2. Определить допустимую глубину укладки трубопровода в мо-
мент отрыва его плавающего конца от поверхности воды. Параметры тру-
бопровода соответствуют приведенным в примере на стр. 266.
Из трансцендентного уравнения (11.36) для Оь=0,981; т=0,739, =
=0,1397 и «2=2,227 находим аргумент функций А. Н. Крылова 0/=2,105,
а значения функций по таблице или по формулам (11.31) — (11.34): kG=
= —2,12036; 61 = 0,76296; 62=1,73969; 63=1,41064.
272
Из совместного решения уравнений (11.37) и (11.38) для вычисленных
kof ki, ~k2 и k3 находим с=5,167 и а=4,112. По формуле (11.39) определяем
11,14 м. _ _ _
Размерная длина участков: а=а/0= 103,03 м; с=с/$= 129,47 м; 1=1)$=
=52,74 м. Допустимая глубина водоема hB=h+D= 12,16 м^ Проверяется
максимальное напряжение на участке а по формуле (11.41): ва = 0,832,что
составляет 84,8% от максимального напряжения на участке Ь.
Вычисленная допустимая глубина водоема по данной расчетной схеме
Лв = 12,16 м на 1,68 м превышает глубину h3 = 10,48 м, вычисленную с учетом
полубесконечной длины плавающего участка трубопровода (см. пример на
стр. 266). Это означает, что максимальные напряжения в трубопроводе на
участке b при одинаковой глубине укладки уменьшаются по сравнению
с расчетной схемой на рис. 11.8,6.
Рассмотрим завершающую стадию погружения трубопровода
(позиция 4, рис. 11.7), когда длина участка трубопровода, нахо-
дящегося на плаву, равна нулю (/=0). В этом случае на уча-
стке трубопровода Ь напряжения уменьшаются, а на участке а
возрастают. Расчетная схема завершающей стадии погружения
трубопровода приведена на рис. 11.18. Для этой расчетной
схемы уравнения прогиба и его производных по методу началь-
ных параметров примут вид:
+ (11.42)
6 24 24
= + (11.43)
EIy“ = Mc=Rc—^-+-^- = 0; (11.44)
EIycU = Qc=R—pc+&b = O. (11.45)
Реакция грунта в точке касания трубопровода и дна водоема
R через максимальные напряжения оа на участке а будет
R = ]^2po^W. (11.46)
Решая совместно уравнения (11.44) и (11.45), получаем
длины участков с и Ь:
(П.47)
(11.48)
Пример 3. Определить допустимую глубину при завершающей стадии
погружения трубопровода для параметров, приведенных в примере на
стр. 266.
По формуле (11.46) для оа=3050 кгс/см2 находим /?=9964,3 кгс. По фор-
мулам (11.47) и (11.48) определяем длины участков: с= 105,097 м и
Ь = 14,783 м.
273
РИС. 11.18.
Расчетная схема завершающей стадии по-
гружения
Глубина погружения
трубопровода определяется
по формуле (11.42)—h=
= 10,43 м; максимальная
глубина водоема, на кото-
рую возможна укладка тру-
бопровода, hB=h+D=
= 11,45 м.
В данном примере
допустимая глубина
погружения получи-
лась несколько мень-
шей по сравнению с
глубиной, вычисленной
по расчетной схеме (см.
пример 2). Однако сле-
дует отметить, что в ка-
честве допустимых на-
пряжений здесь при-
няты максимальные
напряжения ва на
участке а. При мень-
ших значениях m = когда максимальные напряжения и для
других расчетных схем будут на участке а, допустимая глубина
для завершающей стадии погружения трубопровода может по-
лучиться значительно меньшей по сравнению с другими расчет-
ными схемами.
Следовательно, в этих случаях необходимо выполнять рас-
четы допустимой глубины укладки и для завершающей стадии
погружения трубопровода.
§ 11.4. УКЛАДКА СВОБОДНЫМ ПОГРУЖЕНИЕМ
КОРОТКИХ ПЛЕТЕЙ ТРУБОПРОВОДА
Короткими будем считать трубопроводы длиной, меньшей
расчетной длины, получаемой по схеме консольного упругого
изгиба (см. начальный этап погружения, § 11.3). Короткие тру-
бопроводы при погружении, не касаясь дна, отрываются от по-
верхности воды (рис. 11.19). Наибольшая их длина зависит от
глубины погружения, жесткости трубопровода и интенсивности
распределенных нагрузок.
1. Рассмотрим начальный этап погружения короткой плети,
когда конец трубопровода, находящийся на плаву, начинает от-
рываться от поверхности воды (позиция 1, рис. 11.19). Расчет-
ная схема погружения трубы представляется балкой с тремя
участками а, b и d\ (рис. 11.20, б). Участок а имеет отрицатель-
ную плавучесть р, участок b — положительную плавучесть q
и участок d\ рассматривается как балка конечной длины I на
упругом основании.
274
Для балки на упругом основании в этом случае справедливы
зависимости (11.28) — (11.36). Поскольку погружаемый трубо-
провод не касается дна, то прогиб, изгибающий момент и попе-
речная сила описываются выражениями (11.17) — (11.19). Под-
ставляя в уравнения (11.18) и (11.19) вместо начальных пара-
метров — 7И0 и. — Qo значения Ely}1 и Ely}1 из выражений
(11.29) и (11.30), получаем
(пЛ-^2) + («Л-Л) с + = 0; (11.49)
—(nfa—kj+qc— aa = 0. (11.50)
Решаясовместно уравнения (11.49) и (11.50), находим длины
участков а= ра и с= ре:
а = -r^-Kni^-V+Zna^-nx^)]; (11.51)
со V 1 — т
с = (11.52)
РИС. 11.19.
Схема погружения короткой
плети: 1, 2, 3 — последователь-
ные этапы погружения
РИС. 11.20.
Расчетные схемы погружения
_ короткой плети с полным от-
* рывом плавающего участка
трубопровода от поверхности
воды:
а — начальный этап погружения;
б — промежуточная стадия погру-
жения; в — завершающая стадия
погружения
275
Глубина погружения короткой плети в момент отрыва пла-
вающего ее конца от поверхности воды определяется по фор-
муле (11.39), в которой значения а и с принимаются по фор-
мулам (11.51) и (11.52).
Пример 1. Определить максимальную длину и глубину укладки короткой
плети трубопровода в начальный момент его погружения для исходных дан-
ных, приведенных в примере на стр. 266.
По формуле (11.36) для ав = 0,981 находим 0/=2,1О5. Функции А. Н. Кры-
лова для аргумента 07=2,105 равны k0=—2,12036; Л1=0,76296; k2= 1,73969;
£3= 1,41064. Определяем по формуле (11.51) а= 1,7345; по формуле (11.52)
с=2,5806 и безразмерную длину короткой плети L=0L =£4-0/=4,6856; раз-
мерные величины этих длин равны а=43,46 м; с=64,66 м; L=L/0= 117,403 м.
Максимальная глубина погружения трубопровода по формуле (11.39)
h=8,56 м, глубина водоема ЛВ=Л4-Г)=9,58 м.
2. При большей глубине водоема дальнейшее погружение
плети будет сопровождаться ее поворотом вокруг некоторого
мгновенного центра вращения с полным отрывом участка трубо-
провода, находящегося на плаву, от поверхности воды, и плеть
займет новое положение (позиция 2, рис. 11.19).
Соответствующая расчетная схема показана на рис. 11.20,6.
Из условия равновесия для данной расчетной схемы имеем
—pa + qb—= 0; (11.53)
_^+^fl+A)_^a+&+A)=0, (11.54)
где qi — распределенная сила тяжести трубы на участке di.
Решая совместно уравнения (11.53) и (11.54), получаем
а = -2L <4 /(l-mja+n^; (11.55)
р
fc=^[1+^(1-/n)(1+”2)l' (1L56)
Максимальный изгибающий момент будет в сечении трубо-
провода, где поперечная сила равна нулю. Из этого условия сле-
дует
А=й,=А. (11.57)
41 °1
Подставляя зависимость (11.57) в выражение для макси-
мального изгибающего момента
= +А) , (11.58)
получаем
d *ww' (ц.59)
г + q
276
L=a + b+d=]/
V <71 + «
Длина погружаемой короткой плети трубопровода будет
1+— + • (11.60)
п2 \ V 1 — mJl
Как видно из выражения (11.60), максимальная длина по-
гружаемой короткой плети трубопровода ограничивается вели-
чиной допустимого напряжения о = Од.
Пример 2. Определить напряжение при погружении короткой плети в мо-
мент полного отрыва от поверхности воды участка трубопровода, находя-
щегося на плаву. Исходные данные: #1 = 2,6 кгс/см; n2=2,227; L= 117,403 м.
Остальные данные см. пример на стр. 266.
Из формулы (11.60) находим
= 3568 кгс/см2.
Эта величина о превышает напряжения о=3050 кгс/см2 для начального
этапа погружения короткой плети.
Следует отметить, что после отрыва участка трубопровода,
находящегося на плаву, от поверхности воды дальнейший по-
ворот и погружение короткой плети происходит при меньшем
максимальном моменте. После касания нижним концом погру-
жаемой плети дна водоема расчетная схема трубопровода изме-
няется и переходит в расчетную схему для завершающей ста-
дии погружения (позиция 3, рис. 11.19 и 11.20, в).
3. Условие равновесия короткой плети трубопровода для за-
вершающей стадии погружения имеет вид
R—pa + q(L—а) = 0; (11.61)
7(А-а)[^ + а] = 0. (11.62)
Из уравнения (11.62)
a=Ll/ —q— = LVm. (11.63)
V p + q
Подставляя выражение (11.63) в уравнение (11.61), полу-
чаем ___
R = -1). (11.64)
Для завершающей стадии погружения в отличие от преды-
дущих расчетных схем, рассмотренных в п. 1 и 2, максимальный
277
изгибающий момент возникает на участке а. Реакция R в зави-
симости от максимального изгибающего момента Л41Пах на уча-
стке а составляет
₽ = /2рЛ1тах =1/2ра117
(11.65)
Приравнивая выражение (11.64)
к (11.65), получаем
(11.66)
(11.67)
Пример 3. Определить напряжения для завершающей стадии погружения
короткой плети трубопровода. Исходные данные: р=2,051 кгс/см, т=0,739,
L= 117,403 м. Остальные данные см. в примере на стр. 266.
Из формулы (11.66) находим
2,051
2-7936
11740,3
кгс
см2
Эта величина превышает напряжения о=3050 кгс/см2, принятое в примере
на стр. 266, и о=3568 кгс/см2, полученные в предыдущем примере.
Следовательно, в рассматриваемом случае, при одинаковой
длине короткой плети трубопровода L напряжения для завер-
шающей стадии погружения превышают напряжения, возникаю-
щие при начальной и промежуточной стадиях погружения. По-
этому необходимо определять напряжения для всех стадий по-
гружения трубопровода и в качестве расчетных принимать наи-
большие из них.
§ 11.5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УКЛАДКИ
ТРУБОПРОВОДОВ СВОБОДНЫМ ПОГРУЖЕНИЕМ
Максимальная глубина укладки трубопровода свободным
погружением ограничивается величиной допустимого напряже-
ния. Как показывают расчеты, максимальную глубину укладки
трубопровода можно увеличить изменением параметра т=
= q/(i) при со = const. На графиках зависимости безразмерных
максимальных напряжений от параметра о для случая изгиба
трубопровода по S-образной кривой (см. рис. 11.13) видно, что
максимальные напряжения в трубопроводе уменьшаются с уве-
личением т при т> 0,6-4-0,7 в зависимости от длины погружен-
ного в воду участка трубопровода с. Уменьшение максимальных
напряжений происходит и при уменьшении параметра т при
278
m<0,4-?0,35. Следовательно, уменьшить максимальные напря-
жения в трубопроводе или увеличить глубину его укладки
можно уменьшением и увеличением интенсивности нагрузок
р и q, применяя для этого дополнительную пригрузку или раз-
гружающие понтоны. Возможны различные технологические
способы регулирования параметра т и различные соответствую-
щие им схемы укладки трубопровода свободным погружением.
1. Укладка трубопроводов без пон-
тонов.
Оснащенный трубопровод имеет положительную плавучесть
и укладка его осуществляется заливом воды в трубопровод. Эта
схема применима для нефтепродуктопроводов, водоводов и дру-
гих трубопроводов, которые в период эксплуатации будут за-
полнены водой, нефтью и другими продуктами и иметь отрица-
тельную плавучесть, достаточную для обеспечения устойчиво-
сти на сдвиг и всплытие. Если требуемая глубина укладки
больше допустимой из условия прочности трубы, то уменьшают
положительную плавучесть q применением дополнительного бал-
ласта. При этом уменьшается параметр т, и при т<0,4ч-0,35
происходит уменьшение максимальных напряжений в трубопро-
воде.
При значительной положительной плавучести т>0,7 увели-
чение глубины погружения можно получить заливом в трубу
вместо воды жидкости меньшей плотности, что приводит к уве-
личению параметра т и снижению напряжения в трубопроводе.
Изменение параметра т и тем самым регулирование глу-
бины укладки подводного перехода конструкции труба в трубе,
имеющего положительную плавучесть, можно осуществить за-
полнением водой или специальной жидкостью внутреннего тру-
бопровода или межтрубного пространства. Таким же вариантом
регулирования параметра т является укладка с использованием
монтажного трубопровода, размещаемого внутри уклады-
ваемого.
2. Укладка трубопроводов
с применением понтонов.
Оснащенный трубопровод имеет положительную плавучесть
только при наличии понтонов, укладка его осуществляется от-
стропкой понтонов или заливом в них воды. Укладка трубопро-
водов с использованием понтонов может иметь различные
схемы и применяется как для погружения газопроводов, так
и нефтепродуктопроводов и водоводов.
Подводные газопроводы по сравнению с нефтепроводами
и водоводами имеют значительное количество балласта, необхо-
димого для обеспечения их устойчивости на сдвиг и всплытие,
поскольку газопроводы водой не заполняют. Для обеспечения
положительной плавучести при установке в створ газопроводы
279
РИС. 11.21.
Погружение трубопровода ступенчатой отстропкой понтонов:
/ — понтоны второй группы; 2 — понтоны первой группы; 3 — трубопровод
всегда оснащаются понтонами. Погружение газопровода осу-
ществляется отстропкой понтонов или заливом в них воды.
Увеличение глубины погружения трубопроводов, имеющих
значительную отрицательную плавучесть (без понтонов), можно
достичь ступенчатой отстропкой понтонов. Сначала плеть тру-
бопровода оснащается понтонами первой группы или разгру-
жающими понтонами, основное назначение которых — умень-
шение отрицательной плавучести трубопровода до необходимой
расчетной величины р. Затем плеть оснащается понтонами вто-
рой группы или погружающими понтонами для обеспечения ми-
нимальной расчетной положительной плавучести q> достаточной
для транспортировки и установки плети в створ. Понтоны каж-
дой группы соединяются между собой. Трубопровод погружа-
ется отстропкой понтонов второй группы или заполнением их
водой (рис. 11.21). После укладки трубопровода на дно отсое-
диняются и понтоны первой группы. Регулируя плавучесть пон-
тонов первой и второй групп (изменяя расстояния между пон-
тонами), можно получить соответствующее значение пара-
метра т, необходимое для укладки трубопровода на заданную
глубину.
Понтоны второй группы могут использоваться и при подъеме
плети трубопровода, погруженной из-за внезапной перемены по-
годы и возникновения волн. В этом случае погружение плети
осуществляется заливом воды в понтоны второй группы, а
подъем плети — продувкой их воздухом с удалением воды.
Укладку нефтепродуктопроводов, водоводов и других трубо-
проводов можно осуществить по следующей схеме.
280
Трубопровод оснащают понтонами с таким расчетом, чтобы
при заполнении его водой он имел минимальную положитель-
ную плавучесть. Укладку осуществляют отстропкой понтонов
или заливом их водой. Для увеличения глубины укладки в этой
расчетной схеме можно использовать ступенчатую отстропку
понтонов.
Применение понтонов в некоторых случаях целесообразно
и при укладке трубопроводов, имеющих положительную плаву-
честь до навески понтонов. Погружение таких трубопроводов
осуществляется заливом воды в трубопровод. Назначение пон-
тонов на всей длине плети или на участке с наибольшей глу-
биной погружения позволяет изменить параметр т с уменьше-
нием напряжений в трубопроводе.
Свободным погружением могут одновременно укладываться
несколько соединенных между собой трубопроводов. Соединение
трубопроводов выполняется жесткой связью обычно из прокат-
ных профилей или гибкой связью — системой тросовых подве-
сок. Погружение осуществляется заполнением водой одного из
трубопроводов, а другой выполняет роль- понтонов. Увеличение
глубины укладки можно достичь регулированием параметра т,
назначая соответствующую дополнительную балластировку или
оснащая понтонами один или два трубопровода. Одновремен-
ное погружение нескольких трубопроводов применяется при со-
оружении водоводов.
§ 11.6. РАСЧЕТ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ
И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, УКЛАДЫВАЕМЫХ
ПО СХЕМЕ СВОБОДНОГО ПОГРУЖЕНИЯ
С ПРИМЕНЕНИЕМ НАТЯЖЕНИЯ
Увеличение глубины укладки подводных трубопроводов по
схеме свободного погружения можно достичь не только регули-
рованием положительной и отрицательной плавучести, но и соз-
данием в трубопроводе продольного усилия. Продольные усилия
уменьшают кривизну погружаемого трубопровода без значи-
тельного увеличения суммарного напряжения, поскольку напря-
жения от продольных сил в десятки раз меньше напряжений
от поперечной нагрузки q и р. Создание натяжения позволяет
отказаться от оснащения трубопровода понтонами или до-
полнительной балластировкой, применяемых с целью увеличе-
ния глубины погружения, что значительно может снизить
затраты труда, стоимость и сократить сроки укладки трубо-
провода.
Работы по укладке трубопровода с натяжением проводятся
в следующем порядке: трубопровод заводят на плаву в створ,
закрепляют на одном из берегов реки, на другом берегу уста-
навливают лебедку или другие механизмы для натяжения тру-
бопровода, создают необходимое тяговое усилие в соответствии
281
Рис. 11.22.
Расчетная схема погружаемого тру-
бопровода
сматривается как стержень на упругом основании.
Рассмотрим случай, когда трубопровод укладывается на го-
ризонтальное дно, что соответствует равенству нулю изгибаю-
щего момента и угла поворота в точке касания трубы и дна во-
доема. Тогда для полностью погруженного участка трубопровода
(рис. 11.22) уравнение упругой линии по методу начальных па-
раметров примет вид
D р
У1 = ~- (sh пх1 — пх1) + -77
пп п
с требуемой глубиной укладки
трубопровода и погружают
его заливом воды или от-
стропкой понтонов.
Ниже приводится способ
расчета максимально допу-
стимой глубины укладки под-
водных трубопроводов с по-
верхности воды с примене-
нием натяжения.
Расчетная схема погру-
жаемого трубопровода пред-
ставляется в виде упругого
стержня, испытывающего про-
дольно-поперечный изгиб и
состоящего из трех участков
(рис. 11.22). Первый участок
а имеет отрицательную пла-
вучесть р, второй участок b —
положительную q и третий,
частично погруженный, рас-
1 — ch пхг | со Г fa — а)1 2
П2 /Я L 2 +
1 — ch Л (%! — fl)
(11.68)
где Ri — реакция в точке касания трубопровода и дна водоема;
Н — продольная растягивающая сила в трубопроводе; п? = Н!ЕЦ
M=p + q\ EI — жесткость трубы при изгибе.
Для третьего участка трубопровода (см. рис. 11.22) уравне-
ние упругой линии (общее решение дифференциального уравне-
ния растянуто-изогнутого стержня на упругом основании) пред-
ставляется в виде
г/3= (С^’+Сге-^3) cos ₽ & -Ь (С3е“Хз + С4е~“Хз) sin^Xg, (11.69)
где Сх, С2, С3 и С4 — произвольные постоянные;
<1L70>
282
kcp — усредненный коэффициент упругости основания [см. фор-
мулу (11.8)].
Используя граничные условия при Хз=0; у3=— у0 и при
х8-> <х>уз~+6, получаем значения производных уравнения (11.69)
на границе второго и третьего участков в виде
^ = ai/o+₽iCi;
1/У=-(а2-Р?) Уо-гаРА? (И-71)
у™ = а (а2+Зр?) у0+ pj (За2-₽?) Сг
Приравнивая значения первой, второй и третьей производ-
ных выражения (11.68) при х = с к соответствующим значениям
производных из формулы (11.71), получаем трансцендентные
уравнения для определения безразмерной длины полностью по-
груженного участка трубопровода пс и безразмерной длины вто-
рого участка nb:
nb = —arth—4- г — -arch [f— А —ch пс+
А' VА2 — 1 |Д ® со }
+ f_P__nR^A\shnc-]-^-fA----—YI; (11.72)
\ co co / со \ 2а/]
пРг ch пс—pshnc+ ® sh nb + A^pnc—®п6) +Л2 = 0,
где
_ За2—р2 . _ За2- р2 .
XI — ------ X11 —--------,
2ап а2— р2
А 2 = А4- 2апНу0.
В зависимости от величин р, q, Н, EI и глубины погружения
трубопровода h максимальный изгибающий момент возможен
на любом из трех участков.
Определение участка, на котором возникает максимальный
изгибающий момент, осуществляется построением эпюры изги-
бающих моментов.
Как показывают расчеты, ориентировочно можно принимать
максимальным изгибающий момент на первом участке трубо-
провода при а на втором и третьем участках — при
plq<\.
Координата максимального изгибающего момента на первом
участке определяется по формуле
их = аг th
Р
(11.73)
полученной из условия равенства нулю третьей производной уп-
ругой оси трубы. Подставляя выражение (11.73) в уравнение
283
изгибающих моментов, получаем, что максимальному моменту
на первом участке соответствует значение реакции
7?! = VgW (2p—n*<yW). (11.74)
При максимальном изгибающем моменте на втором участке
для упрощения расчетов начало координат следует поместить
на конце второго участка и направить ось х влево, как показано
на рис. 11.22. Уравнение упругой линии трубопровода в этом
случае по методу начальных параметров примет вид
Уъ = — У о — УХс -shn-2— (I _ ch пх2) 4- (nx2—sh пх^ —
п Н пН
д ( . 1 — ch пх2 \ со Г (х2 — b)2 1 — ch п (х2 — 6) 1
_ 7Г\2 г 2 + и2 ]’
(11.75)
Выполняя аналогичные преобразования, как и в случае мак-
симального изгибающего момента на первом участке, получим
два трансцендентных уравнения для определения пс и па\
- 1
па = аг сп —
R, + (За2- ₽?) у0Н] ch пс-
а2+₽?
— [2апу0Н—nA 1Т?2] sh пс+р ];
<л\па—sh па) + q + ——— ₽2 + (За2—Pi) уйН sh пс—
а2+ ₽2
—(2апу0Н+nA jRt) ch пс—qnc+nZ?2 = О,
(11.76)
где реакция на границе второго и третьего участков
[" (“2+ ₽?)y0El}4^Wq-(pWrif-
-2(3a2-p?)WoE/. (11.77)
Из двух значений /?2, вычисленных по формуле (11.77), при-
нимают положительное, удовлетворяющее условиям (11.76)
и с>а. При отрицательном значении R2 максимальный момент
возникает на третьем участке, и R2 находят по максимальному
изгибающему моменту на третьем участке по формуле, полу-
ченной из второй производной выражения (11.69),
23,Р + р;)£' х (з^_ й) у, т +
п2 sin Pi% — 4aP cos p^x L
+ -^(3p?-a2)f/0sinpix], (11.78)
Pi
284
где х определяется из условия равенства нулю третьей произ-
водной выражения (11.69).
Расчет допустимой глубины укладки подводных трубопрово-
дов выполняется в следующем порядке:
1) по величине p/q предварительно определяют участок, на
котором возникает максимальный изгибающий момент. Ориен-
тировочно можно считать, что при plqZ^A максимальный изги-
бающий момент возникает на первом участке, при p!q<A— на
втором или третьем участке;
2) при максимальном изгибающем моменте на первом уча-
стке значения пс и nb определяют по (11.72) с учетом выраже-
ния (11.74); при максимальном изгибающем моменте на втором
участке значения пс и па определяются по (11.76) с учетом R2
по выражению (11.77) и при максимальном изгибающем мо-
менте на третьем участке эти значения определяются по (11.76)
с учетом по выражению (11.78);
3) строят эпюру изгибающих моментов и окончательно уточ-
няют, какому участку соответствует максимальный изгибающий
момент. Если подтверждается предварительно принятое поло-
жение максимального изгибающего момента, то допустимая глу-
бина укладки трубопровода определяется с учетом вычисленных
значений a, b, с, Ri и R2 по формуле (11.68) или (11.75) при
х=с.
Если максимальный изгибающий момент не соответствует
предварительно выбранному участку, то выполняется повторный
расчет с учетом действительного положения максимального из-
гибающего момента;
4) глубину водоема hB, на которую возможна укладка тру-
бопровода, определяют из выражений
Лв = Л1 + £>,
hB = h2 + D— yQ, (11.79)
где hi и h2 — глубина погружения трубопровода, определяемая
соответственно по формулам (11.68) и (11.75); D — внешний
диаметр трубопровода.
Пример. Определить максимальную глубину водоема, на которую воз-
можна укладка трубопровода. Исходные данные: D=50,8 см; р= 1,144 кгс/см;
<7=0,766 кгс/см; г/о=2О см; <1=2440 кгс/см2; №=1823 см8; EI—
=9,723-1010 кгс-см2; /7=10 000 кгс.
Поскольку р/<7= 1,144/0,766= 1,493>1, считаем максимальным изгибающий
момент на первом участке.
По формуле (11.74) находим /?1 =2833,5 кгс.
Из решения трансцендентных уравнений (11.72) получаем пс=4,16 и
и/>=2,118.
Проверка показывает, что максимальный изгибающий момент соответ-
ствует первому участку, тогда по формуле (11.68) при х=с и х— а=Ь по-
лучаем /ii = 15,26 м.
По формуле (11.79) вычисляем максимальную глубину водоема, на ко-
торую возможна укладка трубопровода /гв = 15,26+0,508 =15,768 м.
Следует отметить, что при отсутствии натяжения Я=0, Ав = 10 м.
285
Для ориентировочных расчетов глубины погружения и на-
пряжений, возникающих при укладке трубопроводов с натяже-
нием, можно использовать графики зависимостей безразмерной
глубины укладки h трубопровода и безразмерного напряжения
оотпси m = ql®, представленных на рис. 11.23 и 11.24. Эти гра-
фики соответствуют нулевым граничным условиям для изгибаю-
щего момента и угла поворота в точке выхода трубопровода на
поверхность воды.
Безразмерные зависимости для угла поворота и изгибаю-
щего момента с учетом их нулевых значений в точке выхода
трубопровода из воды имеют вид
shnc---— (ch пс—l) + chn&—1 = 0; (11.80)
со (0
(ch пс— 1)--— (sh пс—пс) + (sh nb—nb) = 0.
(О СО
Используя условие равновесия для погруженного участка
трубопровода, получаем безразмерную глубину укладки
й = J^L= — Гис (—пс—2 (11.81)
и 2 [ \ ® ® / J
Безразмерные значения максимальных напряжений с учетом
выражения (11.74) представляются в следующем виде:
~= «^тах»7 __I /”/_£.?_/ У (11.82)
(0 со V \ со / \ со /
где Отах—максимальное напряжение от изгиба трубопровода за
вычетом напряжения от растяжения (продольной силы Н);
Ri — реакция в точке касания трубопровода и дна реки. Из ре-
шений уравнений (11.81) — (11.82) получены графики зависи-
мостей a=f(nc, т) и h=f(nc, т).
По графику зависимости в=}(пс, т) для заданного о при
т>0,5 (см. рис. 11.24) получаются значения пс и nb, а при
т<0,5 — значения пс и па.
Расчет напряженного состояния подводного трубопровода
при заданной глубине укладки h проводится в следующем по-
рядке:
1) определяют безразмерную глубину укладки трубопровода
по известным п, Н, h и со
т nPhH
п =-----;
со
2) по графику зависимости h=f(nc, т) (см. рис. 11.23) и вы-
численным значениям Пит находят пс (при необходимости оп-
ределяют па или nb); __
3) по графику зависимости cr=f(nc, т)_ (см. рис. 11.24)
и полученным значениям пс и т определяют а;
286
4) определяют максимальное напряжение при укладке тру-
бопровода
__ асо
°тах~~^н •
Расчет допустимой глубины укладки трубопровода прово-
дится в обратном порядке:
1) вычисляют безразмерное напряжение
“ .
(О ’
2) по графику зависимости c=f(nc, т) (см. рис. 11.24)
и вычисленным значениям о и т находят пс\
3) по графику зависимости Ji, = f(nc, т) (см. рис. 11.23)
и значениям пс и т определяют h\
РИС. 11.23.
— Я
График зависимости безразмерной глубины h от т =—:
287
1,0 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50
РИС. 11.24.
График зависимости безразмерного напряжения о от/и=—(значения nb при-
(0
нимаются при т>0,5; значения па — при msg:0,5)
288
4) определяют допустимую глубину укладки трубопровода
h = ^-.
п2Н
Глубина водоема hB, на которую возможна укладка трубо-
провода,
Лв = Л+Т± Уо'
где уо — расстояние от оси трубы до свободной поверхности
воды при расположении трубопровода на плаву.
Знак плюс перед у0 принимается, когда ось трубы располо-
жена ниже свободной поверхности водоема, знак минус — когда
ось трубы выше свободной поверхности.
§ 11.7. РАСЧЕТ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ,
ИМЕЮЩИХ ОТРИЦАТЕЛЬНУЮ ПЛАВУЧЕСТЬ,
С ОПОРНЫХ УСТРОЙСТВ
Укладку трубопроводов с опорных или поддерживающих
устройств можно выполнить различными способами, каждому
из которых соответствуют определенная расчетная схема и гра-
ничные условия.
1. Укладка трубопровода с баржи, оборудованной прямоли-
нейным наклонным поддерживающим устройством (стринге-
ром). Расчетная схема показана на рис. 11.25, трубопровод рас-
сматривается как однопролетная балка на двух опорах. Считая
изгибающий момент в точке касания трубопровода и дна во-
доема равным нулю, уравнения для прогиба угла поворота и из-
гибающего момента примут вид
Ely = Elybc+^—P^-, (11.83)
Ely1 = E/z/o + —у--(11.84)
M = EIyu=Rx----(11.85)
Q = EIy™ = R—px. (11.86)
Максимальный изгибающий момент соответствует сечению,
где Q = 0 или x=Rfp, Подставляя это значение х в уравнении
(11.85), получаем
(11.87)
289
РИС. 11.25.
Расчетная схема укладки трубопро-
вода с баржи, оборудованной прямо-
линейным стрингером
стрингером
Л=^+_^_
24Е/
В точке касания трубопро-
вода и прямолинейного стрин-
гера изгибающий момент ра-
вен нулю, т. е. при х=1 уп=0,
и из уравнения (11.85) полу-
чим значение опорной реакции
7?=-^-. (11.88)
Длина пролета провисаю-
щего участка трубопровода
в зависимости от максималь-
ного напряжения составляет
Подставляя зависимости
(11.87) и (11.88) в уравнения
(11.83) и (11.84), получаем
глубину от дна водоема до
точки касания трубопровода со
и угол наклона стрингера
” " 12Е/
Максимальная глубина водоема, при которой возможна ук-
ладка трубопровода, будет
hB = yl(H-L) + ^(L + -L-\,
где L — длина стрингера.
2. Укладка трубопровода с баржи, оборудованной криволи-
нейным стрингером. По сравнению с прямолинейным стрингером
расчетная схема с криволинейным стрингером (рис. 11.26) от-
личается лишь граничным условием. Для криволинейного стрин-
гера, постоянного радиуса р выпуклостью, обращенной вверх,
при х = 1 уи =—l/p=Mi/EI. Учитывая это условие, из уравнения
(11.85) получаем длину провисающего участка трубопровода
, = /-Т(1+/1+7г)- <IL89>
Угол наклона трубопровода в точке касания трубопровода
со стрингером равен
у' = у1+Ы-—,Р?_. (11.90)
2Е1 6Е1
290
РИС. 11.27.
Расчетная схема укладки с баржи
(опоры) без стрингера
РИС. 11.26.
Расчетная схема укладки трубопро-
вода с баржи, оборудованной криво-
линейным стрингером
Глубина от точки касания трубы и стрингера до дна водоема
h=yy+-W-------(11.91)
0 6£7 24Е/ 4
В формулах (11.90) и (11.91) значение реакции R принима-
ется по (11.87) и I по (11.89).
3. Укладка без стрингера, трубопровод на барже или пла-
вающей опоре горизонтален (рис. 11.27). Для определения дли-
ны провисающего участка трубопровода используется условие
х=1, r/J = O, на основании которого из формулы (11.84) полу-
чаем
(11.92)
/3-----------. = 0
Р Р
Если дно водоема горизонтально г/то=0, то
/=-3*.
р
Учитывая, что максимальный момент соответствует сечению
х=1, получаем из уравнения (11.85) для рассматриваемого слу-
чая
poW
(11.93)
Глубина укладки трубопровода определяется по выражению
(11.91) с учетом значений I и R по формулам (11.92) и (11.93),
а также у* = 0.
10*
_291
4. Укладка с применением поддерживающих устройств
в виде лебедок или кранов. При строительстве и ремонте под-
водных трубопроводов через крупные водные преграды (реки,
водохранилища, морские акватории и т. д.) в некоторых слу-
чаях целесообразно выполнять укладку и подъем трубопровода
с применением поддерживающих устройств в виде лебедок или
кранов, установленных на плавучих опорах, специальных судах
или непосредственно на льду водной преграды.
Число и грузоподъемность поддерживающих устройств за-
висят от параметров конструкции трубопровода и глубины вод-
ной преграды. С увеличением глубины укладки или высоты
подъема трубопровода возрастают напряжения от его изгиба.
Поэтому подъем или погружение трубопровода необходимо осу-
ществлять таким образом, чтобы максимальные напряжения не
превышали расчетное сопротивление материала трубы и число
подъемных механизмов должно быть возможно минимальным.
Расчетная схема такого трубопровода представляется как
многопролетная неразрезная равнопрочная балка (рис. 11.28),
т. е. максимальные напряжения в опасных сечениях равны и не
превышают расчетное сопротивление материала трубы.
Уравнение упругой оси трубопровода по методу начальных
параметров примет вид:
Ely ----------Pir + Q (*7~)3'+ Q+
+<? + +
+ (11.94)
О
где El — изгибная жесткость трубы; R— реакция в точке каса-
ния трубы с грунтом; р — интенсивность нагрузки от массы тру-
бы в воде; q\ — интенсивность нагрузки от массы трубы в воз-
духе; Q, Qc — усилия в тросах поддерживающих устройств (рис.
11.28, а); пъ — число пролетов длиной Ь.
Уравнение (11.94) представим в безразмерном виде
у = — .-^-(Ь)3------ -5-(Ь)4 + — Йа)3 +
У 6 24 (Bi 7 6 <0i
4- — Ю_(кх—ka—kb)3+. -^-(kx—ka—nbkb)—
6 (14 6 ©i
—— ji2-P.(fex_A:L)4 + _L ^(kx—kL)3, (11.95)
24 ©i 6 ©t
где y=№yEII®\ — безразмерная ордината; <Di=p + 7i; k — ко-
эффициент, имеющий размерность 1/см и определяемый из ус-
ловия
292
РИС. 11.28.
Расчетная схема подъема (погружения) подводного трубопровода с примене-
нием поддерживающих устройств (а) и эпюра изгибающих моментов (б)
-^-=1. (11.96)
Приравняв нулю третью производную уравнения (11.95) для
пролета а, найдем расстояние до сечения с максимальным из-
гибающим моментом:
kR
kx = -^-. (11.97)
р
со
Учитывая зависимость (11.96), получаем kx = a)1/p.
Тогда, используя выражение (11.97) и вторую производную
уравнения (11.95) для участка а, получаем
значение безразмерного максимального напряжения
kR
©1 / ©1
Р 2Р
©1
где o'max — максимальное допустимое напряжение в трубопро-
воде, при отсутствии других силовых воздействий, например от
волн и течений, Отах принимается равным расчетному сопротив-
лению материала трубы ор; W — осевой момент сопротивления
сечения трубы,
и значение реакции R
^ = Г2агоахрГ. (11.98)
293
- _ ЛЧпахГ _ 1
тах~ “ 2
Безразмерная величина пролета а определяется из условия
равнопрочности сечения 0 и сечения с максимальным изгибаю-
щим моментом в пролете а (см. рис. 11.28)
— 0+/2)
а = ka = --------= 0 + ^2)^ 1.99)
р р
Безразмерная величина пролета b определяется из условия
равнопрочности последующих опорных сечений:
-^5- 2 У 2
b~kb = -^±------=_2£?^l. (ii.ioo)
р р
Из условия прочности i-ro сечения, находим
Усилия Q и Qc определяются из условия равновесия с уче-
том зависимостей (11.96), (11.100) и (11.101)
Q =-^-А>6=2]/2-^- = 21/2. (11.103)
©1 ©i
Безразмерная глубина погружения или подъема трубопро-
вода определяется из выражения (11.95) с учетом зависимостей
(11.96) и (11.103)
й = -^^- = —n6&)+2/2S (п6б)3 —
©1 6 ©! L 1
—(11.104)
Безразмерная длина погруженного в воду участка трубо-
провода
L — kL~a-rnbb.
294
На рис. 11.29 и 11.30 представлены графики зависимостей
безразмерных параметров a, b, с, Qc и h от полученные
по выражениям (11.99), (11.100), (11.101), (11.102) и
(11.103).
Используя приведенные выше формулы и графические зави-
симости (рис. 11.29 и 11.30), можно определить необходимое
число и грузоподъемность поддерживающих устройств для подъ-
ема и погружения трубопровода при заданной глубине водоема,
а также решить обратную задачу: определить допустимую глу-
бину водоема, для которой возможно погружение (или подъем)
трубопровода при заданном числе поддерживающих устройств.
Приведенный метод может быть использован также и для рас-
чета балластировки или усилий в анкерах при укладке трубо-
провода, имеющего положительную плавучесть, например на
болотах (в этом случае усилия Q и Qc на расчетной схеме
рис. 11.28 будут направлены вниз).
РИС. 11.29.
Графики зависимости безразмерных
расстояний а, Ь, с и безразмерного
тт Р
усилия Qc ОТ-----
СО!
РИС. 11.30.
Графики зависимости безразмерной
. т Р
глубины h от т=— и числа под-
(01
держивающих устройств п
Я95
Пример. Определить число, грузоподъемность и расстановку поддержи-
вающих устройств для подъема трубопровода со дна водоема глубиной
й=20 м при следующих данных: £>=529X10 мм, 71 = 1,756 кгс/см, р=
= 1,202 кгс/см, Е1= 10,9318-1010 кгс-см2, №=2066 см3, <jmax=2440 кгс/см2.
Определяем значения со=р+^1=2,958 кгс/см, р/со1 = 0,4064 и по формуле
(11.98) Я=3,4812-103 кгс.
__ Вычисляем значение k по формуле (11.96), h по формуле (11.104) и
Q по формуле (11.103).
k = 8,4971 • 10-4 —, ft = Д) fe4£/ =37,5,
CM toj
Q= 2/2 = 2,828.
По графику рис. 11.29 при р/со 1=0,4064 находим а=6, А=7, с=2,1,
<Эс=2,7.
Определяем размерные значения расстояний и усилий в поддерживающих
устройствах
а = — = 7060 см, b = — = 8230 см,
k k
с = — = 2470 см, Q = ^С°1 = 9850 кгс,
k k
= 9400 кгс.
Определяем число поддерживающих устройств
як = пь + 1.
По графику (рис. 11.30) при p/coi = 0,4064 и А = 37,5 находим пь>0, при-
нимаем пь = 1, тогда /Л1=2.
Длина поднимаемого участка трубопровода будет
с=а+Ьпъ-\-с= 177,6 м
§ 11.8. РАСЧЕТ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
С ОПОРНЫХ УСТРОЙСТВ
С ПРИМЕНЕНИЕМ НАТЯЖЕНИЯ
Как уже отмечалось в § 11.6, применение натяжения позво-
ляет значительно увеличить глубину укладки погружаемых
с поверхности воды трубопроводов. Значительное увеличение
допустимой глубины укладки подводных трубопроводов, погру-
жаемых с опорных устройств, можно также достичь с примене-
нием натяжения. Ниже приводятся расчеты допустимой глубины
погружения трубопроводов, укладываемых с натяжением для
некоторых технологических схем.
1. Укладка трубопровода с баржи, оборудованной прямоли-
нейным наклонным стрингером.
Расчетная схема соответствует схеме, представленной на
рис. 11.25 с добавлением растягивающего усилия Н.
296
Считая дно водоема в точке касания с трубопроводом гори-
зонтальным и изгибающий момент равным нулю, уравнения
для прогиба трубопровода и его производных примут вид:
пН V 7 Н 2 п2 )
р
у1 — — (ch пх
н
У" Rn
(11.105)
(11.106)
(11.107)
(11.108)
' % sh пх
П
sh пх + — (1—ch их);
н н
ут ,= ch пх—sh пх,
H н
где п2 = Н[Е1.
Учитывая, что в точке касания трубопровода и прямолиней-
ного стрингера х^=1,у^ =0, из уравнения (11.107) получаем зна-
чение опорной реакции
th —,
п 2
(11.109)
где l=nl.
Подставляя зависимость (11.109) в выражение (11.105)
и приравнивая х=1, находим безразмерную глубину h укладки
трубопровода (расстояние от дна водоема до точки касания
трубопровода и стрингера):
/Р---th — Y
I 2 2 /
г ьн*
п =---
рЕ1
Приравнивая г/П1=0, получаем из уравнения (11.108), что
максимальный изгибающий момент будет в сечении х, опреде-
ляемый из условия
.. Rn
th пх =-----
Р
Подставляя зависимости (11.111) и (11.109) в уравнение
(11.107), получаем максимальное безразмерное напряжение
в трубопроводе
р 2 4
(11.110)
(11.111)
(11.112)
Объединяя зависимости (11.110) и (11.112), получаем
h___hpEI _ с.
о2 — 7‘
(11.113)
Графики зависимостей h и f(l) от I показаны на рис. 11.31.
297
Угол наклона стрингера к горизонту в этом случае должен
составлять
^(7-2th4)- (11Л14)
Расчеты выполняются в следующем порядке: по заданным
h, р, Е, I, W и о определяем по формуле (11.113) f(Z) и по
графику рис.. 11.31 соответствующее значение I и й, а затем Н
или h при заданном Н:
Н='\/Г hpEI . hpEI
V h 1 Я2
Длина пролета определяется из выражения 1=1!п, а угол
наклона стрингера по формуле (11.114).
2. Укладка трубопровода с баржи, оборудованной криволи-
нейным стрингером.
Используя условие х = I, уи= — 1 /р = —МЦЕЦ получаем
R = ——Mtti—U. (11.115)
п 2 sh I V 7
Подставляя пх из условия
(11.111) в уравнение (11.107), по-
лучаем максимальное безразмерное
напряжение в трубопроводе
и значение реакции
п г
(11.116)
РИС. 11.31.
Графики^ зависимости h и
f(l) от I (на поверхности
воды 1/^—0);
/ — зависимость f(l); 2 — зави-
симость h
Глубина укладки трубопровода
составляет
—-^-[1--------О. (11.117)
Н sh/ )
Порядок расчета: по формуле
(11.116) определяют R, затем I по
(11.115), значения h при заданном
Н или Н при заданном h находят
по формуле (11.117).
3. Трубопровод на барже или
плавающей опоре горизонтален.
298
Используя условие х=/, z/=0 из выражений (11.106) и
(11.105), получаем
sh 7 — z
п ch 7 — 1
и
hH2
рЕ1
1—ch/ + —1
2
sh / — /
. 'l
sh —
2
Выполняя преобразования, аналогичные преобразованиям
при выводе формул (11.111) —(11.113), получаем
- оГп2
СГ = ----- :
Р
h hpEI
Ъ2 (а Г)2
/(/).
РИС. 11.32. _
Графики зависимости h и f(l) от I
(трубопровод на поверхности воды
РИС. 11.33.
Схема укладки трубопровода с под-
держкой по концам и растяжением:
1 дно водоема; 2 — трубопровод; 3 —
трос; 4 — плавучие опоры
299
РИС. 11.34.
Схема укладки трубопровода,
концы которого расположены
на разных уровнях
На рис. 11.32 приведены графики
зависимостей h и f(l) от /. После-
довательность расчета такая же,
как и в п. 1.
4. Укладка трубопровода, концы
которого поддерживаются плавучи-
ми опорами (рис. 11.33).
Укладка трубопровода по этому
способу выполняется в такой после-
довательности: трубопровод заво-
дят в створ, один конец его при-
крепляется тросом к анкеру, к дру-
гому его концу прикладывают
расчетное тяговое усилие с по-
мощью лебедки, установленной на
берегу или барже; погружение тру-
бопровода на дно осуществляется
заливом водой, отстропкой понто-
нов, уменьшением числа промежу-
точных опор или увеличением дли-
ны тросовых подвесок у плавучих
опор. Вместо плавучих опор концы трубопровода могут опи-
раться на грунт береговых участков.
За расчетную схему укладки трубопровода принимают стер-
жень, испытывающий продольно-поперечный изгиб. Уравнение
упругой линии такого трубопровода имеет вид
а El EI
(11.118)
Общее решение уравнения (11.118)
у = С1 chnx-|-C2shnx4--2^- + C3x+ С4.
277
(11.119)
Располагая оси координат в середине пролета, для гранич-
ных условий х=0, у=0 и г/1==0; х=±112, г/п=0, получаем
Р
Нп2 ch-^—
2
у' =------------sh пх + ;
Нп ch — К
2
M = EI JL( 1 chnx х
н1
(1—ch nx) + -^—
(11.120)
[(11.121)
(11.122)
. nl
ch —
2
При x—H2 из уравнений (11.120) и (11.121) получаем мак-
симальную глубину погружения и угол наклона конца трубо-
зоо
провода:
h=^-
Нп?
/2 7 7
------th — th —
8 2 4
7/\ =
2
---th —
Нп\ 2 2
Максимальный изгибающий момент и соответствующее на-
пряжение о в трубопроводе определяется по формуле (11.122)
при х=0
о=—^—th —th—. (11.123)
n2W 2 4
5. Укладка трубопровода, концы которого расположены на
разных уровнях (рис. 11.34).
При опирании трубопровода на береговые участки с различ-
ными высотными отметками или опускании трубопровода с пла-
вучих опор тросовыми подвесками различной длины основные
расчетные формулы для определения напряжений и глубины
укладки могут быть получены из общего решения уравнения
(11.118) при следующих граничных условиях:
при х = 0, у = § и #п = 0 (11.124)
при x = y = h1 и уи = 0.
Упругая линия трубы с учетом условий (11.124)
у =—— [1—chnx+th— shnx + -^-^-l +
Нп* 2 1 2 I
(11.125)
Абсциссу наиболее низко расположенной точки трубопро-
вода можно получить, приравняв нулю первую производную
выражения (11.125), или построением кривой непосредственно
по выражению (11.125).
Максимальные напряжения о в трубопроводе вычисляются
по формуле (11.123).
ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ
ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
И РАСЧЕТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ
В последние годы наблюдается интенсивный рост добычи
нефти и газа со дна морей.
Освоение морских месторождений нефти и газа требует ре-
шения проблемы доставки их на материк. Как показывает тех-
нико-экономический анализ, морской трубопроводный транс-
порт является в большинстве случаев самым эффективным по
сравнению с другими видами транспорта.
В нашей стране построены и сооружаются морские трубо-
проводы в Каспийском море, через морские проливы, а также
накоплен значительный опыт строительства подводных трубо-
проводов через крупные водохранилища и реки.
Строительство морских трубопроводов осуществляется мето-
дами, применяемыми при строительстве переходов через круп-
ные реки и водохранилища (протаскиванием, свободным погру-
жением, с опорных устройств), а также специальными мето-
дами, характерными для укладки глубоководных и значитель-
ной протяженности (до нескольких сотен километров) подвод-
ных трубопроводов. К специальным относятся методы укладки
трубопроводов с барж различных конструкций, оборудованных
стрингерами, наклонными рампами, барабанами большого диа-
метра для намотки трубы; укладка трубопровода, оснащенного
понтонами переменной и регулируемой плавучестями или с по-
мощью различных типов поддерживающих устройств. Возможны
также и комбинированные методы укладки морских трубопро-
водов, учитывающие преимущества того или иного метода.
Каждый из перечисленных методов или их комбинация исполь-
зуются в зависимости от конкретных условий.
§ 12.1. УКЛАДКА ТРУБОПРОВОДОВ
С ТРУБОУКЛАДОЧНЫХ БАРЖ
Укладка трубопроводов- с барж впервые применена в конце
сороковых годов в связи с началом добычи нефти в Мексикан-
ском заливе. Это были плоские баржи длиной 30—45 м с от-
крытой палубой для временного размещения оборудования,
применяемого при строительстве обычных подземных трубопро-
водов в спокойных водах (отсутствие течения и волнения) при
глубинах 4—5 м. Несколько таких барж соединяли между со-
бой, образуя рабочую платформу для сварки труб и контроля
сварных соединений. Баржи оборудовались с боковых етппон
302
заостренными сваями для фиксации их положения в процессе
укладки трубопровода. При больших глубинах фиксация барж
осуществлялась с помощью восьми якорей, поскольку примене-
ние свай здесь было невозможным. С увеличением глубины
укладки и диаметра трубопровода возникла необходимость
в устройстве дополнительной опоры в виде понтона и поддержке
трубопровода краном, установленным на барже. С дальнейшим
увеличением глубины укладки до 60 м стали применять пря-
молинейный стрингер, обеспечивающий опирание трубопровода
под водой на значительно большем по протяженности участке.
На глубинах моря более 60 м применяли метод укладки тру-
бопровода с натяжением и вместо прямолинейного стрингера
криволинейный. В течение 50—60-х годов трубоукладочные
баржи непрерывно совершенствовались и превратились в мор-
ское судно, оснащенное специальным стационарным оборудо-
ванием для соединения труб и их секций в плети и укладки
трубопровода на дно.
Трубоукладочная баржа представляет собой морское судно
длиной до 120—180 м и шириной до 30—60 м. На палубе баржи
размещаются: участок для создания необходимого на период
работы запаса труб, водолазное оборудование, сварочные агре-
гаты, установка для просвечивания стыков, краны для погрузки
труб, различных материалов и выполнения монтажных работ,
подъема трубопровода и стрингера, якорные лебедки, силовое
оборудование, устройство для создания натяжения трубопро-
вода, опреснительные установки, балластные танки, пост управ-
ления и площадка для посадки вертолета. На судне преду-
смотрены жилые и бытовые помещения. Доставка труб и дру-
гих материалов осуществляется вспомогательными баржами.
Трубоукладочная баржа перемещается с помощью якорной си-
стемы, надежная ее работа должна обеспечивать устойчивое
положение при производстве сварочно-монтажных работ. Якор-
ная система состоит из 8—12 якорей, масса якорей зависит от
вида и состояния грунтов морского дна, якоря перекладываются
вспомогательными буксирами. Стальные тросы от якорей идут
к электрическим лебедкам, расположенным на барже.
Обычная технология укладки трубопроводов с баржи заклю-
чается в наращивании трубопровода с последовательной свар-
кой труб. Сварка труб в нитку и все работы по сооружению
трубопровода выполняют на наклонном участке палубы (пан-
дусе), оборудованном роликовыми опорами, который одновре-
менно является спусковым устройством. Укладка на неболь-
ших глубинах осуществляется непосредственно с криволиней-
ного спускового устройства без применения стрингеров.
При укладке трубопровода наибольшие напряжения возни-
кают на участке трубы, находящейся между кормой баржи и
дном моря. Для ограничения этих напряжений трубоукладоч-
ные баржи оборудуются стрингерами, поддерживающими
зоз
опускаемый трубопровод при сходе его с кормы баржи, и устрой-
ствами для создания натяжения в опускаемом трубопроводе.
Опускаемый в воду трубопровод принимает форму S-образной
кривой. Наибольшие напряжения могут возникнуть на выпук-
лом или вогнутом участках S-образной кривой.
Напряжения, на вогнутом участке регулируются с помощью
натяжных устройств, размещенных между рабочими постами
на барже, а напряжения на выпуклом участке ограничиваются
стрингером, который по конструкции может быть различных
типов.
С увеличением глубины укладки и диаметра трубопровода
значительно возрастает сложность инженерных задач, которые
необходимо решать пр л строительстве. Значительно повыша-
ются требования к организации и технологии укладки трубо-
провода. Неудовлетворительная организация работ может при-
вести к повреждению трубопровода и к простою трубоукладоч-
ной баржи.
Эволюция укладки морских трубопроводов включает три по-
коления трубоукладочных барж. Первое поколение судов было
создано для укладки трубопроводов на сравнительно неболь-
шие глубины. Трубопровод укладывали без натяжения с по-
мощью длинного стрингера, который поддерживал трубопровод
почти до самого дна.
Второе поколение трубоукладочных барж было создано для
укладки трубопроводов на большие глубины и при значитель-
ном волнении. Методы сооружения трубопровода остались без
изменения, но увеличились размеры барж и усовершенствова-
лось оборудование для ускорения процесса укладки. Новым яви-
лось укладка с натяжением и использование различных типов
стрингеров.
Возможность использования трубоукладочных барж в зна-
чительной степени зависит от погодных условий. Например,
если критические высоты волн, при которых трубоукладочная
баржа вынуждена прекращать работы, составляет 25% месяч-
ного времени с частотой повторяемости 10, 12 и 3%, то это озна-
чает, что для каждого случая будет потерян день на прекраще-
ние работ и три дня на возобновление их. Таким образом,
к восьми дням, в которые судно не может работать по погод-
ным условиям, следует прибавить еще 12 дней, теряемых на
прекращение и возобновление работ, т. е. в 30-дневный период
трубоукладочное судно не работает около 20 дней.
Так как стоимость эксплуатации баржи велика, простои ее,
обусловленные погодными условиями, значительно удорожают
стоимость строительства трубопровода.
Суда второго поколения более совершенны и эффективны по
сравнению с судами первого поколения, однако и они имеют
ограничения при больших глубинах и значительном волнении
моря. С увеличением глубин укладки трубопроводов первен-
304
ство в этом отношении должно перейти к судам третьего поко-
ления.
По размерам корпуса баржи третьего поколения мало отлича-
ются от барж второго поколения, но на них установлено гораздо
более мощное оборудование для привода лебедок и натя-
жения. В конструкции корпусов барж внесены изменения, улуч-
шающие мореходные качества, увеличивающие производитель-
ность укладки и безопасность проведения работ при значитель-
ном волнении моря и обеспечивающие возможность длительного
пребывания на них персонала. Некоторые баржи третьего поко-
ления оснащаются комплексом навигационного и контрольно-
измерительного оборудования, помогающим обслуживающему
персоналу выбирать и выдерживать необходимое направление
движения и контролировать все операции по строительству тру-
бопроводов. Перед началом работы оператор вводит в запоми-
нающее устройство географические координаты трассы трубо-
провода, предельные отклонения от нее, допустимые радиусы
поворотов. Система управления непрерывно вычисляет положе-
ние судна, учитывает длину уложенного трубопровода и кор-
ректирует перемещение баржи. Радиолокационная аппаратура
позволяет следить за обстановкой вокруг баржи и положением
трубопровода относительно дна.
Для повышения надежности работы трубоукладочной тех-
ники используется измерительная аппаратура, позволяющая
контролировать упругую линию и напряжения на участке тру-
бопровода от борта баржи до морского дна. Непрерывная ре-
гистрация параметров позволяет выполнить анализ работы
баржи и обслуживающего персонала, определить место и при-
чину неисправностей, без дополнительных навигационных рас-
четов повторно пройти трассу трубопровода, выполнить конт-
роль ее технического состояния и профилактический ремонт.
На рис. 12.1 показана трубоукладочная баржа третьего по-
коления «Касторо 6» (Италия), которая представляет собой
судно катамаранного типа полупогружной конструкции с плат-
формой размером 137X46,5 м, двумя корпусами размерами
143X18X6,5 м, соединенными с платформой несущими трубча-
тыми колоннами диаметром 11 м. Высота от киля до поверх-
ности платформы 24 м, осадка 15,5 м, водоизмещение 40,5 тыст.
В кормовой и носовой частях каждого корпуса расположены
гребные винты с приводом от электродвигателей мощностью
2800 л. с. для увеличения скорости буксировки и динамической
стабилизации в период укладки трубы. В нижних корпусах
имеются отделения для балласта, дизельного топлива, насосов
и якорных лебедок. Судно оборудовано 12 якорями массой по
18 т с якорными тросами длиной 2200 м, привод якорных лебе-
док— от электродвигателей. На верхней палубе судна может
быть создан запас труб массой до 7000 т. Трубы выгружаются
на палубу судна двумя поворотными кранами, перемещающи-
305
РИС. 12.1. Схема трубоукладочной баржи «Касторо 6»
мися по рельсам вдоль обоих бортов судна. Краны имеют стрелу
длиной 60 м и грузоподъемность 100 т при вылете 17 м. Укладка
трубопроводов может осуществляться на глубине до 610 м, при
высоте волны до 5,2 м, максимальной скорости ветра 25 м/с и
скорости течения до 2 узлов.
§ 12.2. ТРУБОУКЛАДОЧНАЯ БАРЖА
«СУЛЕЙМАН ВЕЗИРОВ»
Трубоукладочная баржа «Сулейман Везиров» (длина 107 м,
ширина 24 м) позволяет укладывать трубы диаметром 160—
820 мм на глубину до 195 м.
Процесс монтажа начинается с подачи труб со стеллажей
на поперечный конвейер. Затем каждая труба последовательно
проходит пост центровки, сварочные посты, натяжные устрой-
ства, посты рентгеноскопии, изоляции и бетонирования стыков и,
опираясь на стрингер, укладывается на дно моря.
На барже установлены два крана грузоподъемностью 30 т
и шесть кран-Ьалок грузоподъемностью 50 т, центраторы для
каждого типоразмера труб, четыре сварочных поста, аппаратура
для рентгеноскопии, битумоварочные котлы, битумомеша.лки
и др. Обслуживает баржу персонал из 100 человек. Перемеще-
ние трубоукладочной баржи осуществляется циклически при по-
мощи восьми якорных лебедок по мере прохождения очеред-
ной трубы всех технологических постов, т. е. полного заверше-
ния ее монтажа.
Перекладка якорей массой 15 т трубоукладочной баржи осу-
ществляется буксировщиком мощностью не менее 3000 л. с. При
306
ТАБЛИЦА 12.1
Вид операции Направление волн 1 Высота волн, м
Укладка трубопровода А До 2,4
В До 1,5
Прекращение укладки и удержание трубо- А Не более 2,7
провода на борту судна В Не более 1,8
Опуск конца трубопровода на дно моря А Более 2,7
В Более 1,8
1 А — направление волн вдоль баржи, В —другие направления волн.
ТАБЛИЦА 12.2
Длина стрингера, м (номера секций) Направление волн 1 Высота волн, м
50, (1) А 6,5
В 6,2
50 + 30, (1 + 2) А 4,2
В 3,7
50 + 30 + 20, (1 + 2 + 3) А 3,2
В 2,5
1 Обозначения см в табл. 12.1.
высоте волны 2,4 м для обслуживания баржи требуется бук-
сировщик мощностью 4000 л. с. с буксирной лебедкой и натя-
жением не менее 50 тс. Конструкция и параметры стрингера
приводятся, в § 12.4.
При появлении в момент укладки волн в трубопроводе воз-
никают значительные динамические напряжения, и укладка
должна быть прекращена во избежание разрушения трубопро-
вода и стрингера.
Высота и направление волн, при которых необходимо опу-
стить трубопровод на дно и отсоединить стрингер от трубоукла-
дочной баржи приведены соответственно в табл. 12.1 и
рис. 12.2.
307
§ 12.3. УКЛАДКА ТРУБОПРОВОДА С СУДНА,
ОБОРУДОВАННОГО БАРАБАНОМ
Баржи с барабаном впервые были использованы при про-
кладке трубопровода диаметром 75 мм для перекачки горючего
в 1944 г. во время высадки десанта в Нормандии. Позднее этот
метод укладки трубопровода применялся в Мексиканском за-
ливе.
В 1969 г. в Северном море со специально созданной баржи
этим методом укладывались трубы диаметром 152—305 мм на
глубину 150 м. В настоящее время конструкция судна с бара-
баном значительно усовершенствована и предназначена для
укладки глубоководных трубопроводов. Технологический про-
цесс монтажа и укладки трубопровода с судна, оборудованного
барабаном, существенно отличается от укладки с обычных тру-
боукладочных барж. Операции по монтажу и укладке трубо-
провода выполняются в следующем порядке: трубы с нанесен-
ным изоляционно-защитным покрытием доставляют на берего-
вую строительную площадку, где их сваривают в плети длиной
около 1,5 км и проводят контроль сварных стыков и их изоля-
ции, затем плети, труб наматывают на катушки большого диа-
метра, длина наматываемой на катушку плети соответствует
длине трубопровода на барабане судна. После подхода трубо-
укладочной баржи к строительной площадке трубопровод сма-
тывают с катушки на барабан судна. Трубоукладочное судно
направляется к месту укладки. Конец трубопровода на барабане
соединяют сваркой с ранее уложенным участком трубопровода,
а в начальной стадии укладки прикрепляют к заранее подготов-
ленной анкерной системе. Трубопровод укладывают с барабана
на морское дно при движении судна вдоль проектной трассы.
Барабан на судне закрепляется в горизонтальном положении
(см. рис. 12.2) или в вертикальном. Конструкция трубоукладоч-
ной баржи с барабаном, расположенным в вертикальном поло-
жении, показана на рис. 12.3. Барабан 2, установленный на
трубоукладочной барже 5, приводится во вращение электродви-
гателями 1. При вращении барабана по часовой стрелке разма-
тываемый трубопровод 4 проходит через направляющее уст-
ройство 7, в верхней части которого расположен шаблон 5,
изменяющий угол наклона погружаемого трубопровода. Регули-
рование угла наклона осуществляется поворотом направляю-
щего устройства 7 с помощью тяги 6. Витки трубопровода, на-
мотанные на барабан, имеют различный радиус, что обусловли-
вает неодинаковую остаточную кривизну трубопровода при
сходе с шаблона 5 в точке 8. Для устранения остаточной кри-
визны трубопровод пропускается через правильные башмаки
9, 10 и 11. Напряжение на вогнутом участке укладываемого
трубопровода регулируется с помощью натяжного устрой-
ства 12.
308
РИС. 12.2.
Трубоукладочное судно с горизонтально расположенным барабаном:
1 — барабан; 2 — выпрямляющее устройство; 3—натяжное устройство; 4—роликовые
опоры
Компания «Санта Фе Интернейшенел» разработала кон-
струкцию судна с барабаном, которое имеет следующие основ-
ные характеристики: длина 173,6 м, ширина 31,7 м, высота
13,7 м, осадка 8,5 м, водоизмещение 26,8 тыс. т, крейсерская
скорость 31,4 км/ч.
Баржа предназначена для укладки трубопроводов диаметром
150—610 мм при высоте волны до 4,6 м и скорости ветра до
90 км/ч. С увеличением диаметра трубопровода от 150 до
610 мм максимальная допустимая глубина укладки уменьша-
ется с 900 до 370 м. Максимальная скорость укладки — до
3 км/ч. На судне имеется специальное оборудование для натя-
жения и выпрямления, подъема и опускания трубопровода.
Длина намотанных на барабан труб диаметром 150, 305, 457 и
610 мм составляет соответственно 90, 52, 20 и 11 км. Наруж-
ный диаметр барабана 30,5 м, ширина 12 м. Сматывание и на-
матывание трубопровода производится лебедкой мощностью
226,8 т с канатоемкостью 2130 м и диаметром троса 89 мм. Ле-
бедка установлена на корме. Для обеспечения большой крей-
серской скорости, достаточного тягового усилия и удержания
судна в створе укладки оно оборудовано двумя главными греб-
ными винтами и четырьмя кормовыми и носовыми подруливаю-
щими устройствами, а также якорной системой из восьми яко-
рей. На судне установлены поворотный кран грузоподъемностью
800 т и два неповоротных грузоподъемностью по 100 т.
Значительный угол наклона трубопровода, сматываемого
с барабана, к горизонту воды (может достигать 50°) в сочета-
нии со значительным натяжением (до 225 тс) позволяет вести
309
РИС. 12.3.
Конструкция трубоукладочной баржи с вертикально расположенным бара-
баном
укладку трубопровода на больших глубинах без стрингеров.
Несмотря на очевидные преимущества барабанных трубоукла-
дочных барж (высокая производительность укладочных работ
и большие глубины укладки), этот метод имеет и серьезные не-
достатки: диаметр укладываемых труб ограничен, допускается
только полиэтиленовое или эпоксидное покрытие труб; для
обеспечения необходимой массы трубы должны иметь боль-
шую толщину стенки (19,5 мм при диаметре трубы 457 мм и
31,7 мм при диаметре 610 мм), что увеличивает ее стоимость;
значительна трудоемкость подготовки трубы на береговой строи-
тельной площадке; остаточная спиральность труб не позволяет
укладывать их в траншеи и затрудняет перекачку нефти и газа.
Барабаны с намотанными трубопроводами можно устанав-
ливать на буровых судах, что позволяет выполнять прокладку
трубопроводов между скважинами и платформами непосредст-
венно с буровых судов.
§ 12.4. КОНСТРУКЦИИ СТРИНГЕРОВ
ТРУБОУКЛАДОЧНЫХ БАРЖ
При небольших глубинах укладки в трубопроводе не возни-
кали чрезмерные напряжения, и погружение трубопровода осу-
ществлялось с баржи по криволинейному спусковому устрой-
ству, оборудованному роликовыми опорами. С увеличением глу-
бины укладки напряжения в трубопроводе возрастают и для
их снижения потребовались дополнительные поддерживающие
устройства в виде понтонов или различных типов стрингеров.
310
На трубоукладочных баржах первого поколения применялись
в основном прямолинейные стрингеры. Прямолинейный стрин-
гер представляет собой жесткую конструкцию, состоящую из
двух длинных трубчатых понтонов, соединенных поперечными
балками, на которых размещены роликоопоры. Схема типич-
ного прямолинейного жесткого стрингера показана на рис. 12.4.
Ролико-опора состоит из двух роликов, расположенных перпен-
дикулярно понтонам с некоторым наклоном, внутрь (рис. 12.5) и
образующих как бы ложе или желоб для трубопровода. При
погружении трубопровод перемещается по вращающимся роли-
кам, служащим для него опорой. Стрингер крепится в кормовой
части укладочной баржи и является продолжением ее спуско-
вого устройства. Угол наклона прямолинейного стрингера не-
большой, он примерно равен наклону спускового устройства
у кормы баржи, а длина его равна 4—5 глубинам моря в месте
укладки. Для ограничения напряжений на провисающем уча-
стке трубопровода стрингер должен сопровождать его почти до
самого дна. Большие глубины укладки требуют применения
стрингеров большой длины — до 150—210 м. Однако такие
стрингеры превышают длину баржи, менее управляемы, под-
вержены значительным гидродинамическим воздействиям во
время штормов и при транспортировке, имеют большую массу
и для их подъема на баржу требуются специальные плавучие
краны большой грузоподъемности; при их использовании услож-
няется балластировка (увеличивается число балластных танков
и возможность выхода из строя установленных в них регулиро-
вочных клапанов). Диапазон глубин для укладки трубопровода
с прямолинейным стрингером ограничен: для различных глубин
требуются стрингеры различной длины. Место закрепления
стрингера к трубоукладочной барже называется «шарниром
стрингера». Шарнир стрингера — наиболее уязвимое место кон-
струкции, опасность его разрушения, а также трубопровода воз-
растает с увеличением длины стрингера.
Применение прямолинейных стрингеров эффективно при от-
носительно небольших глубинах моря и отсутствии значитель-
ного волнения. Прямолинейный стрингер позволяет осуществить
быстрое погружение его вместе с трубопроводом на морское дно
при возникновении шторма. Длинный прямой жесткий стрингер
все еще широко применяется, хотя с точки зрения технологии
строительства он устарел.
Были попытки использовать жесткий стрингер для укладки
трубопроводов на больших глубинах, с этой целью его изгибали
с заданной кривизной. Криволинейный жесткий стрингер позво-
ляет увеличить угол наклона трубопровода на конце стрингера.
Практический эффект от применения жесткого криволиней-
ного стрингера невелик. Жесткость стрингера в 4—10 раз
больше, чем трубы, и упругий изгиб его возможен только при
больших нагрузках. Эти нагрузки вызывают лишь незначитель-
311
4
? РИС. 12.4.
= Схема трубоукладочной баржи
с прямолинейным стрингером.
1 — точка перегиба трубы; 2 — трубопро-
вод; 3 — прямолинейный стрингер; 4 —
баржа
РИС. 12.5.
Поперечное сечение стрингера:
/ — трубчатый понтон; 2 — роликовая
опора; 3 — трубопровод
ные увеличения упругой деформации стрингера, и соответствую-
щие изменения его кривизны и угла наклона недостаточны.
Профиль жесткого криволинейного стрингера зафиксирован и
не может быть изменен при укладке трубопровода. Кроме того,
большие нагрузки, создаваемые массой трубы и стрингера,
ухудшают маневренность при укладке и увеличивают опасность
разрушения стрингера.
Погружение криволинейного жесткого стрингера вместе
с трубопроводом при возникновении шторма более сложно, чем
прямолинейного.
Более совершенным в этом отношении является шарнирный
криволинейный стрингер, который состоит из нескольких сек-
ций-сегментов, соединенных между собой специальными шар-
нирами. Форма шарнирного стрингера не является постоянной
и может быть изменена в зависимости от условий укладки тру-
бопровода путем регулирования в определенных ограниченных
пределах вертикальных смещений секций вокруг шарнира. Сек-
ции стрингера имеют понтоны или специальные отсеки с регу-
лируемой плавучестью, которые можно заполнять балластом
(водой) для обеспечения необходимого положения трубопро-
вода.
При укладке трубопровода на небольшой глубине шарнир-
ный стрингер принимает форму близкую к прямой, т. е. ведет
себя как обычный прямолинейный стрингер. С увеличением глу-
бины укладки увеличивается длина провисающего участка тру-
бопровода между концом стрингера и дном, и для уменьшения
напряжений на вогнутом провисающем участке необходимо соз-
312
РИС. 12.6.
Положения шарнирного стрингера при укладке трубопровода на различных
глубинах:
I — трубопровод; 2 — стрингер; 3 — баржа
давать в трубопроводе продольное усилие с помощью натяжных
устройств. Гибкость стрингера в вертикальной плоскости и воз-
можность эффективного использования натяжения трубопровода
позволяет укладывать его на больших глубинах при сравни-
тельно небольшой длине стрингера. На рис. 12.6 показаны раз-
личные формы, принимаемые шарнирным стрингером при ук-
ладке трубопровода на малые, средние и большие глубины.
Трубопровод, опирающийся на свободно вращающийся стрин-
гер, подвержен усталостному разрушению от волнового воздей-
ствия. Под воздействием волн и килевой качки укладочной
баржи стрингер периодически поднимается и опускается, для
защиты трубопровода от повреждения в таких ситуациях шар-
ниры стрингера оборудованы стопорами, ограничивающими ми-
нимальный радиус его кривизны в вертикальной плоскости.
Гибкость и предельная жесткость стрингера зависят от кон-
струкции упругого шарнира и геометрии сегментных секций.
При предельном радиусе кривизны стрингер становится жест-
ким, и дальнейшее увеличение нагрузки может вызвать его по-
вреждение.
Шарнирный стрингер обладает некоторой гибкостью, и в го-
ризонтальном направлении допускается поворот в 2—3° между
сегментами. Возможность регулировать искривление стрингера
в горизонтальной плоскости позволяет при сильном попереч-
ном течении ориентировать баржу во время укладки против
течения, что значительно уменьшает напряжения в провисаю-
щем участке трубопровода. При сильных волнениях и течении
кривизна трубопровода может быть уменьшена созданием
313
значительно больших продольных усилий в трубопроводе по
сравнению с теми, которые требуются в нормальных условиях.
Гибкость шарниров в вертикальной и горизонтальной плоско-
стях значительно снижает динамические нагрузки на стрингер
при волнении, что обеспечивает лучшие условия для укладки
трубопровода.
Основные преимущества шарнирного стрингера по сравне-
нию с жестким прямым стрингером следующие: диапазон глу-
бин в несколько раз больше, чем у жесткого стрингера той же
длины; обладает лучшей маневренностью в морских условиях,
поскольку имеет меньшую длину; реакция между трубой и
стрингером распределяется равномерно по длине стрингера, что
позволяет поддерживать трубопровод без концентраций напря-
жений в отличие от прямого стрингера, у которого реакция от
массы трубы концентрируется на концах; меньшая стоимость
вследствие возможности регулирования длины стрингера путем
монтажа большого или меньшего числа секций применительно
к различным глубинам укладки по сравнению с использованием
нескольких жестких стрингеров; возможность управления пове-
дением конструкции с компенсацией воздействия течения пере-
мещением баржи против течения, изменением осевого натяже-
ния трубопровода и регулированием плавучести стрингера.
При укладке трубопровода с помощью шарнирного стрингера
необходимо обеспечить достаточный запас его плавучести и соз-
дать натяжение трубопровода.
Установим зависимость натяжения Т от глубины укладки
трубопровода у. При укладке на большие глубины натяжение
трубопровода достигает больших значений. Предполагается, что
поперечные усилия малы по сравнению с усилиями натяжения.
Тогда, проектируя все силы на ось элемента (рис. 12.7), полу-
чаем дифференциальное уравнение
-^- = psine, (12.1)
где s — длина дуги упругой линии трубопровода; р — отрица-
тельная плавучесть трубы; 6 — угол наклона оси трубы к гори-
зонтали.
Учитывая, что
sin© = -g- (12.2)
и интегрируя уравнение (12.1), получаем
Т = 70+ f psin©ds= То + ру, (12.3)
где То — натяжение в точке касания трубопровода, и дна.
Как видно из выражения (12.3), натяжение в трубопроводе
линейно зависит от глубины укладки.
314
Для определения необходимой плавучести стрингера примем
следующие допущения: стрингер имеет кривизну постоянного
радиуса рс, плавучесть стрингера интенсивностью q равномерно
распределена по его длине, изгибающие моменты на обоих кон-
цах стрингера равны нулю. На стрингер действуют отрицатель-
ная плавучесть трубопровода, растянутого силой Т, и попереч-
ная сила Q на нижнем конце (рис. 12.8).
Проектируя все силы, действующие на трубопровод, на гори-
зонтальную ось, имеем
Т0 = Т cos р — Q sin р, (12.4)
где р — угол наклона нижнего конца стрингера к горизонту.
При горизонтальном закреплении верхнего конца стрингера
к трубоукладочной барже из второго условия равновесия имеем
Р
Т рс(1— Cos₽) + Qpcsin₽— jp2(<7—p)sin<pd<p = O
О
или
T(l — cosp) + Qsinp = pc(^—р) (1—cos Р). (12.5)
РИС. 12.7.
Расчетная схема элемента гибкого
трубопровода
РИС. 12.8.
Расчетная схема стрингера:
1 — баржа; 2 — стрингер; 3 — трубопровод
315
Решая совместно уравнения (12.3) — (12.5) и учитывая., что
глубина погружения нижнего конца стрингера равна
Лс = Рс(1—cos₽)> (12.6)
получаем плавучесть единицы длины стрингера в виде
q=^-, (12.7)
“с
где h — глубина от верхнего конца стрингера до морского дна.
Одна из конструкций рамного шарнирного стрингера пока-
зана на рис. 12.9. Укладываемый трубопровод 1 с кормы тру-
боукладочного судна 7 погружается на дно по стрингеру. Стрин-
гер состоит из трех секций Л, В и С, соединенных между собой
шарнирами. Эти секции могут поворачиваться относительно друг
друга и судна, обеспечивая необходимую S-образную форму
изогнутого участка трубопровода. Секции представляют собой
ферму, состоящую из продольных поясов 9 и раскосов И. Вы-
сота фермы изменяется по длине стрингера. Изменение угла
наклона секции А осуществляется лебедкой 5 наматыванием
(сматыванием) на большой барабан 6 троса 4. Изгиб S-образ-
ного стрингера регулируется натяжением или ослаблением
троса 3, наматываемого на меньший барабан 10 лебедки 5 и
закрепленного за кронштейн 2 нижней секции С стрингера. Та-
ким образом, с помощью тросов 4 и 3 лебедки 5 можно подни-
мать, опускать стрингер и придавать ему необходимую конфи-
гурацию в зависимости от условий укладки трубопровода. Для
облегчения управления и уменьшения нагрузки от собственной
массы стрингер оснащен понтонами 8,
Конструкция стрингера трубоукладочной баржи «Сулейман
Везиров» 1 представляет собой пространственную ферму, со-
стоящую из трех секций АБ, БВ и ВГ длиной соответственно 20,
30 и 50 м (рис. 12.10), соединенных между собой шарнирами.
Стрингер 2 имеет криволинейное очертание с радиусом кри-
визны 396 м на корме судна 1 и 283 м на конце третьей секции
стрингера 2.
При укладке трубопровода на малых глубинах для восприя-
тия стрингером нагрузки от массы трубы его плавучесть регули-
руется заполнением отсеков водой. Стрингер оборудован конт-
рольной системой для определения координаты точки схода
с него трубопровода. При глубине укладки h до 60 м достаточно
одной секции стрингера, при Л = 60-4-120 м — двух секций и при
/г= 1204-195 м необходимы все три секции с суммарной дли-
ной 100 м.
У полупогружных трубоукладочных барж третьего поколе-
ния рабочая палуба расположена высоко (около 15 м) над по-
верхностью воды, и крепление стрингера к палубе баржи только
в одной точке’ (шарнире стрингера) недостаточно. Кроме того,
<316
РИС. 12.9.
Конструкция рамного шарнирного
стрингера:
а —общий вид; б — узел соединения
с баржей; в — вид по I—I
РИС. 12.10.
Схема стрингера трубоукладоч-
ной баржи «Сулейман Везиров»
317
недостаточно эффективна и поддержка стрингера с помощью
понтонов. Поэтому для барж третьего поколения применяется
пространственная конструкция крепления стрингера к трем точ-
кам кормы, расположенным на значительном удалении друг от
друга: две точки находятся под водой (по одной на каждом
нижнем корпусе судна), а третья — над водой на уровне рабо-
чей палубы (рис. 12.11). Однако и при таком креплении в усло-
виях сильных штормов стрингер подвержен опасности разруше-
ния. Во избежание потерь времени на отсоединение стрингера
от баржи, погружение на дно и повторное присоединение в кон-
струкции крепления предусмотрена возможность подъема стрин-
гера выше уровня воздействия волн.
При укладке трубопроводов на большие глубины перспек-
тивным является применение вместо стрингеров наклонных спу-
сковых рамп (рис. 12.12), позволяющих изменять угол схода
трубопровода с баржи в значительных пределах.
При укладке трубопроводов на большие глубины возможно
применение конструкции стрингера с вогнутостью, обращенной
вверх (так называемого «обратного стрингера»). Вертикальное
погружение труб, например, с буровых судов или специально
оборудованных барж возможно без применения стрингеров. Тру-
бопровод, находясь под натяжением, погружается вертикально
вниз через центр судна подобно опусканию обсадной трубы
с вертикальной вышки бурового судна.
На рис. 12.13 приводится конструкция стрингера в виде
шарнирной складной фермы. Складная ферма-стрингер 6 кре-
пится с помощью шарнира 5 к рампе 3, представляющей собой
наклонное устройство из трубчатой фермы для опирания трубо-
провода. Трос 2, проходящий через ролик 1 и серьги 4 и 7, поз-
воляет поворачивать стрингер 6 вокруг шарнира 5. На рисунке
цифрами Л II, III, IV обозначена последовательность положе-
ний стрингера. В нерабочем положении (при возникновении
волнения или после окончания укладочных работ) стрингер
складывается (позиция IV) и закрепляется замком.
Конструкция внутреннего стрингера, предложенная в США,
показана на рис. 12.14. Стрингер представляет собой длинную
толстостенную трубу 1, которая размещается внутри опускае-
мого трубопровода 2. Вдоль стрингера на определенном расстоя-
нии установлены каретки 3 на колесах или роликах 9, которые
опираются на внутреннюю поверхность погружаемого трубопро-
вода и позволяют ему свободно перемещаться по стрингеру.
Вместо роликов 9 можно использовать элементы, имеющие не-
большой коэффициент трения, что обеспечивает сохранность
внутреннего покрытия трубопровода, если оно имеется. Корпус
каретки состоит из продольных и поперечных стержней. Ка-
ретка крепится к стрингеру с помощью втулок, расположенных
на концах или по всей длине каретки. Для придания трубопро-
воду желаемой кривизны жесткость стрингера может изме-
318
РИС. 12.11.
Пространственная конструкция крепления стрингера к барже:
1 — стрингер; 2 — трубоукладочная баржа; 3 — роликоопоры; АБ; БВ; ВГ — секции
стрингера
РИС. 12.12.
Схема трубоукладочного
судна, оборудованного спу-
сковой рампой:
1 — трубопровод; 2 — наклон-
ная спусковая рампа
РИС. 12.13.
Стрингер в виде шарнирной
складной фермы
няться по его длине введением в центральную трубу дополни-
тельных трубчатых элементов 10.
Стрингер может удерживаться тросом 6, закрепляемым на
опоре 7, или укладываемым трубопроводом 2. Для присоедине-
ния очередной секции к погружаемому трубопроводу на цент-
ральную трубу 1 между приваренным к ней фланцем 8 и тор-
цом опускаемого трубопровода устанавливают разрезное
кольцо. При опирании этого кольца в торец трубопровода и
фланец 8 стрингер закрепляется неподвижно относительно тру-
бопровода 2, удерживаемого роликами 4. Затем трос 6 отсое-
диняют от опоры 7, пропускают через пристыковываемую трубу
5 и вновь закрепляют на опоре 7. Разрезное кольцо снимают и
очередную секцию трубы приваривают к погружаемому трубо-
проводу.
После окончания сварки и изоляции стыка механизм натя-
жения ослабляет прижатие роликов- 4 и трубопровод спускается
в воду, одновременно баржа перемещается вперед на длину при-
стыкованной секции трубы.
РИС. 12.14.
Конструкция внутреннего стрингера:
а —схема укладки трубопровода; б —
конструкция стрингера
320
Стрингер имеет постоянную длину только для одной глубины
укладки трубопровода. С увеличением глубины погружения для
обеспечения необходимой кривизны трубопровода длину стрин-
гера следует увеличивать. Регулирование длины и жесткости
стрингера осуществляется с помощью дополнительных трубча-
тых элементов 10.
Преимуществом внутреннего стрингера по сравнению с обыч-
ным является уменьшение дополнительных напряжений, возни-
кающих вследствие отставания трубопровода от стрингера при
волновом воздействии.
§ 12.5. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
И ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ
ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
При укладке на большие глубины значительно возрастают
кривизна 1/р и прогибы у трубопровода. В этих случаях рас-
четы напряженного состояния и глубины погружения трубопро-
вода обычными методами (см. § 11.3—11.8) с использованием
приближенного выражения кривизны
выполнять не представляется возможным, необходимо учиты-
вать точное значение
Рассмотрим участок трубопровода длиной s (рис. 12.15). Из
условия равновесия 27И = 0 получим
М (x) = RQx+Hy—ps(x—xs) = 0, (12.9)
где Ro — вертикальная проекция реакции в точке касания тру-
бопровода и морского дна (х=0); xs — расстояние от начала
координат до центра тяжести провисающего участка трубо-
провода
J **[1 + (y')Z]1,2dx
xs = ^----------------. (12.10)
о
Длина участка трубопровода s
х
s(x)= J[l + (f/')2]’/2^. (12.11)
о
321
РИС. 12.15.
Расчетная схема трубопровода
Подставляя зависимости
(12.10) и (12.11) в уравнение
(12.9), получаем
X
М (х) = 7?ох+ Ну—рх J I) +
о
X
+ (y')2]l,2dx+p J х [1 +
о
+ {y')2]XI2dx-,
^L = Ro+Hy'-pl [1 +
ах о
+ Q/')2]1/2dx; (12.12)
^^L = Hy^-p[l+(y')2]l/2
(12.13)
Изгибающий момент и кривизна связаны зависимостью
Дифференцируя выражение (12.14), получаем
1 dM _ i/HI 3(t/n)2t/i (12.15)
~ЁТ dx [1+(/)2]372 [1 +(i/')2]5/2
1 £м = У™ 9у Wn
EI dx2 [1+(г/')213/2 [1 + (г/')215/2
3 (г/п)3 , 15({/11)3 (ура fl 9 161
[1 + (г/1)2! и 1 п+(«.л7,! ' 1 1^.
Приравнивания выражение (12.16) к (12.13), получаем сле-
дующее уравнение:
IV _ З(у11)3 9 ylyllylll 15(t/H)3(j/')2 _
У 9 “Г
i + (y')2 [1 + (г/')а1
—[1 + q/)2]3/2+ [1 + (/)f=0. (12.17)
Решение нелинейного дифференциального уравнения четвер-
того порядка (12.17) при заданных граничных условиях может
быть выполнено численными методами с применением ЭВМ.
322
Дифференциальное уравнение
упругой линии трубопровода
можно представить в более удоб-
ном виде, если в качестве неза-
висимой переменной принять
длину дуги s. Для этого рассмот-
рим условие равновесия элемен-
мента трубопровода длиной ds
(рис. 12.16):
2У= — V + V + dV—pds = o-
y-dv
РИС. 12.16.
Расчетная схема элемента трубы
(12.18)
= Я = 0; (12.19)
2 м = м + dM—М—Hds sin 0 + Vds cos 0 +
+ -i-pds-dscos0 = O. (12.20)
Интегрируя уравнение (12.18) при постоянной интенсивности
нагрузки р, получаем
+ V=—Ro+ps.
Здесь Ro— вертикальная проекция реакции дна при s = 0.
Из уравнения (12.19) следует, что горизонтальная составляю-
щая усилия напряжения
Н=const.
Пренебрегая в уравнении (12.20) последним членом как бес-
конечно малой величиной второго порядка получаем
— = //sin0 + (7?o—ps) cos 0, (12.21)
ds
Так как
M = EI-----у—---= E7—,
[l + («/')2]3/2 ds
уравнение (12.21) примет вид
EI — = H sin 0 + (Ro— ps) cos 0.
ds2
(12.22)
Для определения основных расчетных параметров при ук-
ладке глубоководного трубопровода необходимо решить нели-
нейное дифференциальное уравнение (12.22). Точное решение
этого уравнения неизвестно. Предпринимались попытки полу-
чить приближенное решение. В некоторых работах пренебре-
гали изгибной жесткостью трубопровода EI, и уравнение (12.22)
превращалось в уравнение цепной линии (гибкой нити). Изгиб-
323
ную жесткость можно не учитывать только в том случае, когда
ее влияние на прогиб трубопровода незначительно по сравне-
нию с влиянием осевой силы. Практически уравнение цепной
линии можно использовать при расчетах укладки глубоковод-
ных трубопроводов относительно небольших диаметров. По-
скольку кривизна цепной линии ни в одной ее точке не равна
нулю, условия равенства нулю изгибающего момента на концах
трубопровода у баржи и дна моря не удовлетворяются моделью
цепной линии. Кроме /того, при использовании уравнений цеп-
ной линии угол наклона трубопровода может несколько отли-
чаться от действительного его значения.
Приближенное решение для цепной линии с малой изгибной
жесткостью, полученное Планкеттом [20] с использованием асим-
птотического разложения в ряд угла наклона трубопровода 0,
дает лучшую аппроксимацию упругой линии глубоководных тру-
бопроводов. Уравнения цепной линии с малой изгибной жест-
костью удовлетворяют граничным условиям на конце трубо-
провода, находящегося на барже, и изгибающему моменту, рав-
ному нулю в точке касания трубопровода морского дна. Однако
для определения основных расчетных параметров необходимо ре-
шать сложную систему трансцендентных уравнений. Математи-
ческие ограничения, налагаемые на уравнения цепной линии
с малой изгибной жесткостью, не позволяют использовать полу-
ченные решения для расчета укладки трубопроводов на мень-
шие глубины (20—40 м).
В обоих приведенных методах принимается допущение, что
морское дно в точке касания с трубопроводом горизонтально.
Кроме того, в обоих методах не учитываются динамические на-
пряжения, возникающие из-за движения баржи и воздействия
на трубопровод волн и течений.
Анализ показывает, что уравнение (12.22) целесообразно ре-
шать численными методами с применением ЭВМ. Обычно за-
даются граничными условиями для угла поворота и кривизны
трубопровода при s = 0, считая известными параметры EI, Нир.
Величиной реакции 7?0 варьируют до тех пор, пока не получат
заданную глубину погружения трубопровода и угол ее наклона
на трубоукладочной барже.
При укладке с применением стрингера учитывают прогиб
трубопровода от трубоукладочной баржи до нижнего конца
стрингера. Кривизну и положение стрингера, а также параметр
Н подбирают такими, чтобы напряжения в любой точке трубо-
провода не превосходили максимально допустимые.
В случае укладки с трубоукладочных барж, оборудованных
стрингерами, трубопровод принимает S-образную форму, имею-
щую выпуклую часть на стрингере и вогнутый провисающий уча-
сток от точки схода трубопровода со стрингера до дна. Стрин-
гер поддерживает трубопровод, создавая в нем распределенные
по длине и направленные вверх усилия. Задача стрингера — ог-
324
раничить напряжения на выпуклом участке трубопровода.
Обычно кривизна стрингера соответствует допустимому радиусу
упругого изгиба трубы. С увеличением глубины укладки удлиня-
ется провисающий участок и возрастают напряжения от изгиба
трубопровода. Эти напряжения снижаются приложением к тру-
бопроводу растягивающих усилий. С увеличением растягиваю-
щих усилий кривизна трубопровода уменьшается и возрастают
осевые напряжения. Поскольку напряжения от изгиба на поря-
док выше осевых, создание натяжения уменьшает суммарные
напряжения в трубопроводе, которые начинают возрастать
только при приложении растягивающих усилий очень большой
величины (несколько сотен тонн).
Максимальные напряжения создаются на выпуклом участке
трубопровода, поскольку они с достаточной точностью ограничи-
ваются заданной кривизной стрингера. Затем напряжения
уменьшаются и вновь возрастают на вогнутом участке. Макси-
мальные напряжения на вогнутом участке составляют при-
мерно 75—80% от максимальных напряжений на выпуклом
участке трубопровода. При укладке трубопроводов с барж, обо-
рудованных наклонными рампами (трубоукладочные баржи тре-
тьего поколения), максимальные напряжения возникают на вог-
нутом провисающем участке.
§ 12.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СТРИНГЕРА
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАТЯЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА
С увеличением длины стрингера или натяжения напряжения
в провисающем участке трубопровода уменьшаются. Однако,
как отмечалось в § 12.4, чрезмерное увеличение длины стрингера
нежелательно. Создание и поддержание неизменными значи-
тельных по величине продольных усилий в трубопроводе пред-
ставляет определенные трудности. Поэтому при укладке глу-
боководных трубопроводов необходимо установить оптимальное
соотношение между длиной стрингера и натяжением трубопро-
вода. При составлении проекта организации строительства
обычно задается максимальная допустимая кривизна упругого
изгиба трубопровода. Она является определяющей при назна-
чении конструкции стрингера, влияет на его длину, форму и
положение, а также на необходимое усилие натяжения, прикла-
дываемое к трубопроводу. Ниже приводятся два способа реше-
ния рассматриваемой задачи.
1. Установление зависимости между длиной стрингера и на-
тяжением трубопровода начинается с решения уравнения
(12.22). Это уравнение решают одним из численных методов,
например, Рунге — Кутта или Адамса — Мултона. Задаются зна-
чениями изгибающего момента и угла поворота при s=0, соот-
ветствующими условиям укладки трубопровода. Неизвестную
величину /?0 определяют итерационным путем, принимают ее та-
325
РИС. 12.17.
Зависимость угла наклона трубопро-
вода 0 от глубины погружения h
РИС. 12.18.
Схема к определению параметров
стрингера
кое значение, при котором максимальный изгибающий момент
достигает предельно допустимой величины. Для различных зна-
чений усилий натяжения Н и постоянных значений £, /, р строят
графики зависимости угла наклона трубопровода в точке схода
его со стрингера 6 от глубины погружения h (рис. 12.17). Верх-
ние концы кривых зависимостей 0 — f(h) соответствуют точкам,
в которых отрицательный изгибающий момент равен допусти-
мому значению. Соединяя эти точки, получим кривую, опреде-
ляющую положение нижнего конца стрингера для различных
значений натяжения Н (при этом 9 = 0С и ft=/ic).
Длина стрингера с постоянным радиусом кривизны рс равна
/ = Рс(ес-ос), (12.23)
где 9С и а — соответственно углы схода трубопровода с ниж-
него конца стрингера и с трубоукладочной баржи (рис. 12.18).
Как видно из рис. 12.18, расстояние от дна моря до нижнего
конца стрингера
hc=b—c, (12.24)
где b = pccos0c; (12.25)
с = рс--й—а; (12.26)
а — рс (1 —cos а); (12.27)
h — расстояние от верхнего конца стрингера до дна моря (глу-
бина укладки трубопровода).
Подставляя зависимости (12.25) — (12.27) в формулу (12.24),
получаем
hG = h—pQ (cos a—cos 0C)
326
(12.28)
или с учетом значения 0С по формуле (12.23)
Лс = /г—рс
cos а—cos
Z
Рс
(12.29)
По формулам (12.28), (12.29) строится зависимость hc от
0с для постоянных значений h, а и различных значений I и рс
(рис. 12.19). Изменение глубины укладки трубопровода h при-
водит лишь к смещению семейства кривых в горизонтальном
направлении, при увеличении h кривые смещаются на соответ-
ствующее значение вправо.
Решение поставленной задачи можно найти наложением
кривой, полученной на рис. 12.17, на семейство кривых, пред-
ставленных на рис. 12.19. Результат такого наложения приве-
ден на рис. 12.20. Возможные решения соответствуют любым
точкам пересечения кривых на рис. 12.20.
Решение, удовлетворяющее оптимальному соотношению
между длиной стрингера Z и натяжением Н, определяется точ-
кой пересечения линии, соответствующей допустимому радиусу
РИС. 12.19.
Зависимость hc от 0С для различ-
ных I и рс
РИС. 12.20.
Графическое определение параметра
стрингера:
1 — кривая, определяющая максимальный
допустимый изгибающий момент в трубо-
проводе; 2 — кривая, соответствующая
различным значениям I (при рс mjn. задан-
ных a, /г); 3 — кривая, соответствующая
различным значениям рс при задан-
ных/ min- “• Л
327
упругого изгиба трубы рСтт с линией, соединяющей различные
значения Н. Эта точка определяет минимальную длину стрин-
гера /min для заданного допустимого значения изгибающего
момента в трубопроводе и усилие натяжения Н, которое необхо-
димо приложить к трубопроводу.
Зная минимально допустимую длину стрингера /min, можно
определить максимально возможный радиус его кривизны при
уменьшении глубины укладки й, например, по мере приближе-
ния трубоукладочной баржи к берегу. Для этого кривая, соот-
ветствующая Zmin и различным значениям рс, перемещается
вдоль горизонтальной оси влево на расстояние, соответствую-
щее новому значению й. Точка пересечения этой кривой с ли-
нией, соединяющей различные значения Н, будет определять
максимально допустимый радиус кривизны рСШах и соответст-
вующее значение Н (см. рис. 12.20).
2. Второй способ решения задачи основан на анализе без-
размерных параметров, характеризующих стрингер и погружае-
мый трубопровод [42]. Считается, что в точке касания дна (s =
= 0) угол наклона и кривизна трубопровода равны нулю.
В верхней части стрингера при шарнирном соединении с кор-
мой баржи изгибающий момент равен нулю. Принимается, что
изгибающий момент в трубопроводе в точке шарнира стрин-
гера также равен нулю. При укладке на больших глубинах тру-
бопровод сходит со стрингера почти в вертикальном положении,
и точка перегиба трубы находится вблизи нижнего конца стрин-
гера. Поэтому предполагается, что изгибающий момент в тру-
бопроводе на обоих концах стрингера равен нулю.
Процесс укладки трубопровода зависит от большого числа
параметров, из которых можно образовать безразмерные груп-
пы— критерии подобия с соблюдением следующих условий: кри-
терии должны включать независимые параметры, каждый па-
раметр должен быть включен хотя бы в один из критериев.
Такими критериями являются
Н HQ q I D D El h
— > —-» а, —, —, —, —, ---------, —.
ph ph Р Pc Pc P pp3 P
Число критериев можно сократить, если учесть, что угол а=
= 10° постоянен; допустимая кривизна трубопровода на вогну-
том и выпуклом участках, определяемая критериями D/pc и D/p,
постоянна; критерии H^ph и Hjph, характеризующие натяжение
трубопровода у дна моря и на трубоукладочной барже, отлича-
ются друг от друга на постоянную величину.
Кроме того, критерий, определяющий положительную пла-
вучесть стрингера, можно исключить, используя условие равно-
весия выпуклого участка трубопровода. Это условие равновесия
приближенно записывается в виде
? = -?-. (12.30)
328
l/pc
1,2
1,0
0,8
0,6
0/
0,2
0
РИС. 12.21.
Графики зависимости безразмер-
ной длины стрингера от без-
размерной глубины укладки тру-
h
бопровода — для различных
Рс
EI Рс
значений г при =0,75
РР3 Р
РИС. 12.22.
Графики зависимости безразмер-
но
ного натяжения от безразмер-
I
нои длины стрингера — для раз-
Рс
Е/ рс
личных значений-----при—=0,75
РР3 г р
РИС. 12.23.
Графики зависимости безразмер-
q
нои плавучести стрингера — от
/ "
длины — для различных значе-
Рс
. EI рс
нии —— при — =0,75
РР3 Р
где ус — глубина погружения нижнего конца стрингера, считая
от поверхности воды (см. рис. 12.18),
Ус = (cos а—cos 0С) рс. (12.31)
Из формулы (12.23) видно, что критерий, характеризующий
длину стрингера, зависит от углов а и 0С
у- = 0о-а. (12.32)
Учитывая сказанное, для решения задачи необходимо уста-
новить зависимости между следующими критериями:
/ = f / Я El
Pc \ ph ’ pp3 P /
Условие плоского равновесия элемента трубопровода длиной
ds можно представить в виде
-^=psine+-^; (12.34)
ds El
^-=_pcose—— (12.35)
ds El
dO _ M _ 1
ds ~ El P ’
(12.36)
(12.37)
где T — осевое усилие в трубопроводе; Q — поперечная перере-
зывающая сила; М — изгибающий момент; 0 — угол наклона
трубопровода.
Уравнения (12.34) — (12.37) являются математической мо-
делью укладки трубопровода. На выпуклом участке трубопровод
опирается на стрингер, и деформации их одинаковы. Поэтому
максимальный изгибающий момент в трубопроводе здесь из-
вестен, поскольку кривизной стрингера задаются.
Решение уравнений (12.34) — (12.37) при заданных гранич-
ных условиях в точке касания трубопровода с грунтом (s = 0)
позволяет определить параметры точки перегиба трубопровода,
а затем и искомые параметры стрингера по формулам (12.30)
и (12.31).
При укладке глубоководных трубопроводов поперечные пе-
ререзывающие силы Q малы по сравнению с силами натяже-
ния трубопровода Г, поэтому в точке перегиба (у нижнего
конца стрингера) продольную силу можно принять равной
7"с = ^о+Мс>
а у верхнего конца стрингера
T=HQ + ph.
(12.38)
330
РИС. 12.24.
Графики зависимости без-
размерных параметров для
расчета длины стрингера
Рс
при —=0,75
0 ----1---1--1---1---J---1---и---1---i—_4,
0 0,02 004 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 ЕЗ/р/
Уравнения (12.34) — (12.37) для различных значений кри-
териев, входящих в (12.33), были решены с помощью ЭВМ.
Результаты расчетов представлены на рис. 12.21—12.24.
Пример. Определить необходимую длину стрингера и натяжение трубо-
провода £> = 529 мм с толщиной стенки 20 мм, укладываемого на глубину h =
=420 м. Отрицательная плавучесть трубопровода р=60 кгс/м, £7=2,1798 X
Х1011 кгс/см2. Допустимый радиус кривизны трубопровода на вогнутом уча-
стке р = 210 м, на стрингере рс = 157,5 м, что соответствует напряжениям сг=
=2640 кгс/см2 на вогнутом участке и сгс=3520 кгс/см2 на стрингере.
Критерий, учитывающий глубину морского дна и жесткость трубопро-
вода, определяются по формуле
-±=^==9. EI 2,1798.10И 9
р 210 ’ рр3 0,6-21 0003
По графикам рис. 12.21 для /г/р=2 находим 2/рс = 1, т. е. минимальная
длина стрингера /=рс = 157,5 м.
По графикам рис. 12.22 для //рс = 1 определяем Holph = Qfi\ отсюда ми-
нимальное натяжение трубопровода на морском дне
Но = 0,41ph = 0,41-60.420 = 10 332 кгс.
Необходимое минимальное натяжение трубопровода на трубоукладочной
барже определяется по (12.38)
Т = 10 332 + 60-420 = 35 532 кгс.
По графикам рис. 12.23 для //рс = 1 находим критерий стрингера q/p=
= 3,8. Необходимая положительная плавучесть стрингера равна <7=3,8-60 =
= 228 кгс/м.
331
§ 12.7. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
ПРИ УКЛАДКЕ ГЛУБОКОВОДНЫХ
МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
Регулирование напряженного состояния подводных трубо-
проводов, укладываемых погружением, можно осуществить из-
менением натяжения или отрицательной плавучести трубопро-
вода. При строительстве глубоководных трубопроводов больших
диаметров существующие методы их укладки могут оказаться
неприемлемыми из-за необходимости создания значительного
усилия натяжения. На больших глубинах, достигающих не-
скольких сотен метров, якорная система трубоукладочных барж
не всегда может обеспечить безопасный уровень напряжений
в трубопроводе. Следовательно, уменьшение напряжений в про-
висающем участке трубопровода путем регулирования натяже-
ния с трубоукладочной баржи может оказаться практически
трудно выполнимым или даже невозможным. Уменьшение на-
пряжений в процессе укладки трубопровода, а также снижение
тягового усилия до приемлемых значений целесообразно осу-
ществлять регулированием плавучести на провисающем участке
трубопровода.
Отрицательная плавучесть уложенного на морское дно тру-
бопровода должна обеспечивать его устойчивость на сдвиг и
всплытие. Поэтому очевидно, что регулирование плавучести про-
висающего участка трубопровода следует осуществлять с по-
мощью временных понтонов. Изменением отрицательной пла-
вучести по длине трубопровода можно достичь желаемого рас-
пределения изгибающих моментов или напряжений в трубопро-
воде. Регулирование плавучести трубопровода можно обеспечить
подбором размеров понтонов, изменением расстояний между
ними, специальными методами, а также автоматическим управ-
лением по заданной программе.
Приведем расчет распределения плавучести понтонов по
длине провисающего участка трубопровода (32].
Дифференцируя уравнение (12.21) по s, получаем
—= [Н cos 0 (s)—(R0—p (s) -s) sin 0 (s)] p cos 0 (s). (12.39)
ds2 “ ds
В уравнении (12.39) выражение, стоящее в квадратных скоб-
ках, представляет собой продольное усилие в трубопроводе T(s)
Т (s) = Я cos 0 (s)—(Яо—р (s) s) sin 0 (s). (12.40)
Подставляя зависимость (12.40) в уравнение (12.39), полу-
чаем
[dW(s)T(£ м ф = _р @ cos е ф. (12,41)
ds2 EI
332
Зависимость между изгибающим моментом и углом наклона
трубопровода имеет вид
d6(s) M(s)
ds — El
(12.42)
При укладке глубоководных трубопроводов их продольное
усилие незначительно отличается от продольного усилия, соот-
ветствующего гибкой нити, т. е. можно принять
“2ЛЗ>
Обычно для обеспечения безопасной укладки задаются ми-
нимальным тяговым усилием Н баржи.
После подстановки выражения (12.43) в уравнение (12.41)
получим зависимость для отрицательной плавучести трубопро-
вода
P(S>_ -------1----"*». (12.44)
4 Bl cos2 е (s) cos е (s) 4s2 4
Задаваясь приемлемым распределением изгибающего мо-
мента Af(s) и интегрируя уравнение (12.42), можно найти со-
ответствующее значение угла поворота 0(s). Вместо М (s)
можно задавать желаемую форму упругой линии трубопровода,
определяемую углом наклона 0(s) или прогибами y(s). Ис-
пользуя заданные функции для изгибающего момента М (s) и
найденные выражения угла поворота 0(s), по формуле (12.41)
можно найти расчетные зависимости для отрицательной плаву-
чести трубопровода, а затем вычислить интенсивность усилий,
создаваемых временными понтонами.
Эпюра изгибающих моментов при укладке глубоководных
трубопроводов с постоянной по длине трубы отрицательной пла-
вучестью р обычно имеет вид, показанный на рис. 12.25. На
рисунке изображена эпюра для провисающего участка трубо-
провода от морского дна до нижнего конца стрингера. Следует
отметить, что вид этой эпюры существенно зависит от натяже-
ния Н, глубины укладки h, жесткости трубы EI и отрицатель-
ной плавучести р.
При решении рассматриваемой задачи эпюрой изгибающих
моментов можно варьировать в широком диапазоне, но практи-
чески ее удобней задавать в виде трех участков:
первый соответствует увеличению изгибающего момента;
второй — постоянному значению момента; третий — уменьше-
нию его.
Первый участок длиной Si соответствует небольшой глубине
погружения, изгибающий момент на этом участке возрастает
от нуля до наибольшего допустимого значения Afmax. Изгибаю-
333
s
РИС- 12.25.
Эпюра распределения изгибаю-
щего момента по длине трубо-
провода:
1 — эпюра без регулирования пла-
вучести трубопровода; 2 — задавае-
мая эпюра с регулированием пла-
вучести трубопровода
щий момент на первом участке мож-
но аппроксимировать полиномом
третьей степени
7И1 (s) Л1тах
ао + -h ^2 (—+
S1 \ Si /
Используя условия при s = 0,
Л4(0)=0 и при s = Si Al(si) =Мтах,
Щ1 = 0,«=0, получаем
L Si \ sx / \ Si / J
(12.45)
Интегрируя уравнение (12.42)
после подстановки выражения
(12.45), получаем зависимость для
угла поворота
0i(s) = 0o4
МmaxSj Г 3 / S \2_/ s \3 ._1 / s \41
Б/ L 2 \ \ sx / 4 \ sx / ] ’
где 0о — угол наклона в точке касания.
Распределение отрицательной плавучести по длине трубо-
провода для первого участка определяем по формуле (12.44)
с учетом зависимости (12.45)
El cos2 ©i (s)
। 0^4 max /1 S \
sf COS 0JL (s) \ S1 )
Длина участка может быть принята равной координате
s, в которой изгибающий момент для трубопровода с равно-
мерно распределенной нагрузкой достигает максимального зна-
чения (см. рис. 12.25).
Для второго участка s2^s^Si изгибающий момент постоя-
нен и равен
(s) = М тах,
выражение для угла поворота имеет вид
O2(s) = -^(s-si) + 0(s1).
£1
(12.46)
где 0(si)—угол поворота на границе первого и второго участ-
ков, а распределенная нагрузка определяется по формуле
НМтах
El cos202 (s)
p2(s) =
(12.47)
334
Как видно из (12.47), с увеличением 0, а следовательно, и
s отрицательная плавучесть p2(s) трубопровода вместе с. пон-
тонами возрастает. Поэтому длину второго участка s2 можно
найти из условия, при котором p2(s) становится равной отрица-
тельной плавучести трубопровода без понтонов p2(s) =£2-Тогда,
принимая в (12.46) s = s2 и 02(s)=0(s2), получаем длину вто-
рого участка
р Т
sa=s1+[e(s2)-e(s1)]-^-,
max
где 0(s2) находим из (12.47) при Рг(5)=р:
0 (s2) = arccos -^у?ах-.
Для третьего участка sn^s^s2 отрицательную плавучесть
трубопровода принимаем постоянной, т. е. p3(s)=p. Поскольку
третий участок характеризуется большими глубинами укладки,
прогибы, углы поворота и изгибающий момент погружаемого
трубопровода можно принять соответствующими параметрам
гибкой нити со смещенным началом координат.
Изгибающий момент и угол поворота для гибкой нити описы-
ваются следующими уравнениями:
= ; (12.48)
И1 + М
L \ н) J
6(s) = arctg-^-.
Однако уравнение (12.48) при s = s2 не удовлетворяет значению
M(s2) =Л4тах. Для выполнения этого условия необходимо сме-
стить начало координат гибкой нити на величину sc = $2 — As.
После такого смещения соответствующие уравнения гибкой
нити будут описывать изгибающий момент и углы поворота для
третьего участка погружаемого трубопровода
Л4з(8) = —---; (12.49)
I L я J J
63 (s) = О (%) + arctg [^=^-1-arctg (12.50)
L п J п
Общую длину провисающего участка трубопровода $л=$1 +
+s2 + s3 определяем интегрированием уравнения
sh
h = j sin0(s)ds
о
до заданной глубины h с учетом полученных функциональных
зависимостей для трех участков 5i, s2 и s3.
335
РИС. 12.26.
Расчетная схема трубопровода
Вертикальную реакцию 7?0 в точ-
ке касания трубопровода и морско-
го дна определяем из условия рав-
новесия (рис. 12.26) по формуле
— Hh 4~ Q (xh — xq)
° xh
(12.51)
\ J
гдеф = J p(s)as — нагрузка от
о
провисающего участка трубопрово-
да, оснащенного понтонами;
sh
Xh= $ cos 0 (s)ds\
о
Xq — координата центра тяжести
провисающего участка трубопро-
вода.
Следует отметить, что при реше-
нии рассматриваемой задачи про-
дольное усилие принимается как для гибкой нити по формуле
(12.43); при необходимости на втором этапе расчета после опре-
деления Ro по (12.51) величину T(s) можно учесть по точному
выражению (12.40).
После определения требуемой отрицательной плавучести тру-
бопровода p(s) вычисляют соответствующее распределение по-
ложительной плавучести q(s), создаваемое понтонами,
q(s) = p—p(s).
Расстояние между понтонами определяют по формуле,
аналогичной применяемой при распределении балласта подлине
трубы (6.36):
J sq(s)ds
«* _ snl__________
п s
sna
f g(s)ds
sni
где знаменатель равен плавучести отдельного понтона.
Возможно использование понтонов, плавучесть которых ре-
гулируется с изменением глубины укладки по заданной про-
грамме.
Реализацию поставленной задачи удобнее выполнять с при-
менением ЭВМ.
336
§ 12.8. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ БАРЖИ,
ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛН И ТЕЧЕНИЙ
НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ
При укладке морских подводных трубопроводов, кроме ста-
тических напряжений, возникающих от массы трубопровода и
продольных усилий, создаваемых трубоукладочной баржой, тру-
бопровод, подвергается динамическому воздействию от переме-
щений баржи, воздействию волн и течений.
Как показывают эксперименты [12], почти при полном от-
сутствии волнения при укладке трубопровода на глубинах до
89 м динамические напряжения от изгиба трубы достигали
±10% максимальных напряжений. Динамические напряжения,
возникающие при воздействии волн, значительно повышают сум-
марные напряжения в погружаемом трубопроводе и могут быть
причиной повреждения как трубопровода, так и стрингера. От
воздействия волн и других внешних сил возможны различные
колебательные перемещения трубоукладочных барж. Наиболь-
шие напряжения в трубопроводе возникают при следующих ви-
дах качки баржи: вертикальной, килевой и продольно-горизон-
тальной. Остальные виды перемещений баржи: бортовая качка,
колебания вокруг вертикальной оси и в поперечно-горизонталь-
ном направлении оказывают меньшее влияние на напряженное
состояние трубопровода.
Амплитуда перемещений трубоукладочной баржи зависит от
ее конструкции. Наибольшим перемещениям от воздействия
волн и течений подвержены обычные трубоукладочные баржи,
несколько меньшим — трубоукладочные баржи, имеющие форму
судов, и наименьшим перемещениям — трубоукладочные баржи
полупогружного типа.
Для установления динамических воздействий на погружае-
мый трубопровод необходимо определить скорости и ускорения
перемещений каждой точки трубы.
Пренебрегая силами трения трубопровода о стрингер и спус-
ковую дорожку трубоукладочной баржи, можно считать, что пе-
ремещение верхнего конца трубопровода и баржи совпадают,
а поэтому ускорение и скорость каждой точки трубы зависят от
перемещения баржи. При определении динамических нагрузок
на трубопровод можно принять допущение, что провисающий
участок трубопровода колеблется, как маятник, относительно
точки его касания дна моря. Такое допущение позволяет найти
скорость и ускорение каждой точки трубопровода, по значениям
которых вычисляют динамические нагрузки. Зная распределе-
ние как статических, так и динамических нагрузок по длине
трубопровода, можно численным методом, рассмотренным
в § 12.5, рассчитать напряженное состояние и глубину погру-
жения трубопровода.
337
Наибольшее воздействие оказывают волны и течения, имею-
щие перпендикулярное направление к продольной оси уклады-
ваемого трубопровода. Наименьшее воздействие испытывает
трубопровод от волн и течений, имеющих направление, парал-
лельное продольной оси трубопровода. При воздействии на тру-
боукладочное судно ветра и течений в трубопроводе возникают
дополнительные динамические напряжения.
Поскольку направление волн и течений может быть различ-
ным относительно продольной оси трубопровода, при подсчете
суммарных напряжений необходимо учитывать векторную сумму
напряжений от всех воздействий.
§ 12.9. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
НА ПОДВОДНЫЙ ТРУБОПРОВОД
При укладке на большие глубины значительное влияние на
напряженное состояние подводного трубопровода оказывает
внешнее гидростатическое давление. Под действием этого дав-
ления в трубопроводе возникают кольцевые сжимающие напря-
жения. Если поперечное сечение трубопровода имеет началь-
ную овальность, обусловленную допусками при изготовлении
труб или появившуюся при транспортировке и монтаже, то под
действием внешнего гидростатического давления возникают до-
полнительные изгибающие моменты, увеличивающие кольцевые
напряжения в трубопроводе.
Сжимающие кольцевые напряжения в трубопроводе от воз-
действия гидростатического давления определяются по формуле
pD Зр / D \2 А 1
26 Г(”б~/ D р
Ркр
(12.52)
где р — внешнее гидростатическое давление; D — наружный диа-
метр трубопровода; б — толщина стенки трубы; А — начальная
овальность трубопровода, определяемая как разность между
наибольшим и наименьшим наружными диаметрами в одном
сечении трубы
А = -^max ^min’
Ркр — критическое давление, при котором происходит потеря ус-
тойчивости круговой цилиндрической оболочки
— 2Е (JL V
Ркр~ 1 — ц2 V D ) ’
(12.53)
где Е и ц— модуль упругости и коэффициента Пуассона мате-
риала трубы.
Кроме напряжений от внешнего гидростатического давления
в процессе укладки в трубопроводе возникают значительные
338
продольные напряжения от изгиба трубы. Максимальные напря-
жения имеют место на нижнем вогнутом участке вблизи мор-
ского дна. Совместное воздействие изгибающего момента, уси-
лий натяжения трубы и внешнего гидростатического давления
значительно увеличивает опасность сплющивания поперечного
сечения трубопровода, и потеря его устойчивости происходит при
значительно меньших глубинах укладки по сравнению с воз-
действием только одного гидростатического давления.
Принимая условие прочности трубопровода в виде
2 . 2 п2
^кц "т" ^пр ^кц^пр *'1 >
где (Упр — продольные напряжения, определяются как сумма на-
пряжений от изгиба трубопровода и продольных усилий от его
натяжения при укладке баржи или протаскиванием; Ri — рас-
четное сопротивление материала трубы, получаем следующее
выражение для кольцевых напряжений:
(12.54)
Допустимое давление, действующее на подводный трубопро-
вод, можно получить, приравнивая выражение (12.52) к (12.54)
P = £sp
2
(12.55)
(12.56)
Пример. Определить максимально допустимое наружное гидростатическое
давление р на подводный трубопровод для следующих параметров: D =
= 1020 мм; 6 = 14 мм; Д = 14,91 мм; /?1=2808 кгс/см2; опр=2000 кгс/см2; Е=
= 2,1-106 кгс/см2; ц=0,3.
Значения критического давления по формуле (12.53) и коэффициента С
по (12.56) составят:
ркр = 13,8 кгс/см2, С = 5,244-10-3.
Допустимое наружное гидростатическое давление по формуле (12.55)
р=8,006 кгс/см2, что соответствует расположению трубопровода на глубине
h = -£- = 80,06 м при ув = 0,001 кгс/см3.
Тв
Если продольное напряжение в трубопроводе опр=2500 кгс/см2, то С—
= 2,332-10-4, р=4,913 кгс/см2 и Л=49,13 м.
Для трубопровода £>=1020 мм, 6=9 мм, ппр=2500 кгс/см2 при тех же
значениях остальных параметров р= 1,598 кгс/см2 и h= 15,98 м.
339
Для трубопроводов, прокладываемых на больших глубинах
и рассчитываемых по схеме балки, испытывающей продольно-
поперечный изгиб, допускаемые продольные напряжения следует
назначать с учетом внешнего гидростатического давления. Это
необходимо учитывать в случае расположения трубопровода на
пересеченном морском дне, а также в случае наличия прови-
сающих участков трубопровода вследствие переформирования
дна, а также проведения капитального ремонта трубо-
провода.
Потеря устойчивости (сплющивание поперечного сечения
трубы) от чрезмерного изгиба или внешнего гидростатического
давления может распространяться по длине трубопровода при
внешнем давлении, значительно меньшем критического ркр, вы-
зывая повреждения участка трубопровода большой протяжен-
ности.
Учитывая опасность разрушения глубоководных трубопрово-
дов вследствие потери устойчивости их поперечного сечения,
необходимо принимать специальные меры как в строительный
период, так и в период эксплуатации, исключающие возмож-
ность появления и распространения вдоль трубопровода значи-
тельных деформаций.
К числу мероприятий, повышающих устойчивость попереч-
ного сечения трубопровода, относится увеличение толщины
стенки трубы. Однако увеличение толщины стенки не всегда
возможно из-за экономических или технических ограничений.
С повышением толщины стенки трубопровода увеличиваются
стоимость труб, затраты на сварочные работы, необходимы на-
тяжные устройства для укладки трубопровода значительно боль-
шей мощности.
Уменьшить опасность смятия трубопровода в период укладки
от внешнего гидростатического давления можно заполнением
его водой или другой жидкостью. Однако с увеличением диа-
метра заполненной водой трубы значительно возрастает масса
трубопровода, что усложняет укладку и приводит к увеличению
напряжений в погружаемом трубопроводе. Поэтому указанные
выше ограничения не всегда позволяют использовать данный
метод повышения устойчивости трубопровода.
Другим мероприятием, повышающим устойчивость глубоко-
водного трубопровода от внешнего гидростатического давления
и препятствующим распространению деформаций смятия по
его длине, является усиление трубопровода кольцами жесткости,
стальными втулками или патрубками с увеличенной толщиной
стенки, ввариваемыми между трубами на определенном рас-
стоянии по длине трубопровода.
В работе [30] для предотвращения смятия трубы в процессе
укладки на большие глубины предлагается создавать внутри
трубопровода регулируемое внутреннее давление, которое ком-
пенсирует внешнее гидростатическое давление. Внутреннее дав-
340
РИС. 12.27.
Схема регулирования внутреннего
давления при укладке трубопровода
ление целесообразно создавать
с помощью газа, так как при
этом почти не увеличивается
масса трубопровода.
Для создания давления в
трубопровод 1 вводят два раз-
делителя 2 и 5, которые могут
перемещаться вдоль трубопро-
вода с помощью лебедок 4 и 7
и тросов 3 и 6 (рис. 12.27).
К нижнему, опускаемому с бар-
жи концу трубопровода при-
варивается заглушка 13. Раз-
делитель 2 размещают на не-
большом расстоянии от заглу-
шенного конца трубопровода.
Разделители снабжены специ-
альными прижимными устрой-
ствами, позволяющими по сиг-
налу с поста управления соз-
давать герметичные камеры 10
и 12 соответственно между разделителями и заглушенным кон-
цом трубопровода и разделителем 2. В камеры 10 и 12 закачи-
вают газ до создания заданного давления. Затем открывают
клапан 9 для снижения давления в камере 10 и отжимают раз-
делитель 5 от стенок трубопровода, заглушенный конец трубо-
провода опускают на дно водоема. После сварки следующих
нескольких труб разделитель 5 перемещают к верхнему концу
трубопровода с помощью лебедки 7 и троса 6, при этом разматы-
вается трос 3. Разделитель 5 вновь прижимают к стенкам тру-
бопровода и в удлинившуюся камеру 10 закачивают газ, под-
нимая давление до заданного значения. Погружение трубопро-
вода происходит при перемещении трубоукладочной баржи
вдоль трассы на расстоянии, равном длине пристыкованного
участка труб. Если трос между разделителями выбран пол-
ностью, то выравнивают давление в камерах 10 и /2; раздели-
тель 2 отжимают от стенок трубопровода и с помощью лебедки
4 и троса 3 перемещают вперед к разделителю 5. При этом газ
из камеры 10 через клапан 11 попадает в удлинившуюся ка-
меру 12. После этого разделитель 2 прижимают к стенкам тру-
бопровода, создавая герметизацию в камере 12, из камеры 10
через клапан 9 выпускают газ и разделитель 5 перемещают
вперед.
Описанные выше операции повторяются по мере наращи-
вания трубопровода. Управление процессом укладки осущест-
вляется с поста 8.
341
§ 12.10. РАСЧЕТ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА ПО СХЕМЕ
ГИБКОЙ НИТИ
При укладке трубопроводов небольших диаметров (7)<
<300 мм) на большие глубины (несколько сотен метров), когда
влияние изгибной жесткости трубы мало по сравнению с влия-
нием осевой силы, для получения основных зависимостей можно
использовать расчетную схему гибкой нити. Кроме того, пред-
ставляется возможным использовать основные расчетные зави-
симости гибкой нити и для глубоководных трубопроводов диа-
метром более 300 мм на участках, где угол наклона достигает
значительной величины.
Выбор для указанных выше целей уравнения гибкой нити
обусловливается прежде всего тем, что основные ее параметры,
в том числе и производные, выражаются простыми зависимо-
стями в явном виде.
Если в качестве независимой переменной принять длину гиб-
кой нити s, то основные ее параметры описываются следующими
уравнениями:
0 = arctg ;
(12.57)
(12.58)
(12.59)
(12.60)
(12.61)
где х и у — соответственно абсцисса и ордината гибкой нити;
Н — горизонтальная составляющая осевой силы; Т — осевая
сила; р — распределенная сила тяжести гибкой нити; 0 — угол
наклона гибкой нити к оси х.
Уравнения (12.57) — (12.61) могут быть использованы в ка-
честве исходных для решения численными методами нелиней-
ного уравнения (12.22) и при решении задачи, приведенной
в§ 12.7.
Рассмотрим основные расчетные зависимости по схеме гиб-
кой нити применительно к укладке глубоководных трубопрово-
дов небольшого диаметра.
342
Уравнение гибкой нити в декартовых координатах
у= — [ch — х—1). У Р \ Н ) Производные уравнения (12.62) (12.62)
A = tee = Shix=l/(i!,r + 2Xi,; dX /л у \ J лл (12.63)
*L=_Lch-₽-x. dx* H H (12.64)
В точке касания трубопровода и морского дна (х=0) d2y _ р (12.65)
dx2 р0 Н
зависимость (12.65) можно представить в виде
Ро , h ph ’ (12.66)
где h — глубина погружения трубопровода. Радиус кривизны связан с напряжениями от изгиба Ни зависимостью трубы
о - £Р- р"“ 20. ’ (12.67)
где Dr — наружный диаметр трубы. Объединяя выражения (12.67) и (12.65), получаем
_ и 2Н (12.68)
По формуле (12.68) определяем минимальное значение Н,
ограничивающее в трубопроводе допустимые напряжения. На-
пряжение в погружаемом трубопроводе можно регулировать из-
менением натяжения, создаваемого трубоукладочной баржей.
Поскольку T=ff/cos0 и tgQ = dyldx, осевое натяжение тру-
бопровода будет
Т = Н 1 + (-J-)2. (12.69)
После подстановки значений dyldx из (12.63) и chpxlH из
(12.62) формула (12.69) примет вид
Т = Н+ру. (12.70)
На поверхности воды y=h и из формулы (12.70) следует,
что
ph ph
343
РИС. 12.28.
Графики безразмерных пара-
метров для расчета трубопро-
вода по схеме гибкой нити
или, учитывая зависимость (12.66),
имеем
Л=14-Р®., (12.71)
ph h v ’
Принимая в уравнении (12.63)
y=hu учитывая выражение (12.66),
получаем тангенс угла наклона
трубопровода на поверхности воды
tge=sh-^=A-i/i+2-^,
Ро "о г А
(12.72)
где L — проекция длины провисаю-
щего участка трубопровода на
ось х.
Из формулы (12.72) следует, что
L и
— = arc sh
Ро
U/1+2t)’(12'73’
или, выполняя преобразования, получаем
i=^ln
h h
(12.74)
Основные расчетные параметры укладки глубоководного
трубопровода по схеме гибкой нити определяются по приведен-
ным выше формулам или по графикам зависимостей безразмер-
ных параметров T/ph, H/ph, L/h, tgв от р0/А (рис. 12.28).
Следует отметить, что максимальная кривизна гибкой нити
соответствует точке ее касания с морским дном [формулы
(12.65) или (12.61)], в действительности же вследствие жест-
кости трубопровода максимальная кривизна соответствует точке
трубопровода, расположенной на некотором расстоянии от дна.
Такое несоответствие может быть устранено смещением начала
координат гибкой нити аналогично, как это было сделано
в формулах (12.49) и (12.50).
Пример. Определить параметры укладки трубопровода по схеме гибкой
нити для следующих исходных данных: глубина А=300 м; диаметр трубопро-
вода 273X11 мм; р=0,2 кгс/см2 ро = 150 м.
Для р0/А= 150/300=0,5 находим по графикам рис. 12.28 или по формулам
(12.66), (12.71), (12.72) и (12.74) значения безразмерных параметров Hfph=
=0,5; Т/рА=1,5; tg 0=2,828; L/A=0,881.
Соответствующие размерные величины равны
Я=0,5рА=0,5 • 0,2 • 30 000=3000 кгс; Т= 1,5 • 0,2 • 30 000=9000 кгс; L =
=0,881-300=264,3 м; 0=70°32'.
344
Максимальные напряжения (без учета внешнего гидростатического дав-
ления) от изгиба трубопровода и растяжения Н составляют
EDn . Н 2,1-106-27,3 , 3000 1П,, . 2
о =-----— ч-----= —-----------------------= 1944 кгс/см2.
2р0 F 2-15000 90,5
§ 12.11. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
ПРИ УКЛАДКЕ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОНТОНАМИ
ПЕРЕМЕННОЙ ПЛАВУЧЕСТИ
Этот метод целесообразно использовать при укладке трубо-
проводов на большие глубины, когда применение трубоукладоч-
ных барж становится затруднительным вследствие невозможно-
сти их заякоривания для удержания трубопровода. Основные
работы при укладке трубопровода по методу S-образной кри-
вой выполняются в следующем порядке:
на береговой сварочной базе трубы сваривают в секции, ко-
торые затем опускают на воду и соединяют в плети длиной до
3 км;
плети буксируют к месту укладки и присоединяют к поддер-
живаемому на поверхности воды верхнему концу ранее уложен-
ного трубопровода;
плети соединяют на судне, оборудованном специальной си-
стемой стабилизации, обеспечивающей неизменное заданное по-
ложение его при воздействии ветра и течения;
в погружаемом трубопроводе для регулирования радиуса его
кривизны в заданных пределах создается натяжение с помощью
буксира.
Схема процесса укладки трубопровода показана на
рис. 12.29.
Придание трубопроводу в процессе укладки формы S-образ-
ной кривой обеспечивает плавное сопряжение его с морским
дном и с присоединяемой плетью на поверхности воды. Для
создания S-образной кривой необходимо, чтобы нижний участок
трубопровода, обращенный вогнутостью вверх, имел отрица-
тельную плавучесть, а верхний, обращенный вогнутостью вниз,—
положительную плавучесть. Это достигается оснащением трубо-
провода специальными понтонами с переменной плавучестью
(см. § 9.8).
Если обозначить давление газа (в метрах водяного столба)
в понтоне через й0, нагрузку от массы 1 м трубопровода через
р и объем воздуха в расчете на 1 м трубопровода через К, то
плавучесть единицы длины трубопровода р(у) примет следую-
щие значения:
для глубин
h—h0<y<h p(y) = p—V1
и 0<у</г-Ло p(y) = p_V1./0 + l° ,
345
I
Стыковочное 1
РИС. 12.29.
Схема укладки трубопровода по методу S-образной кривой
здесь h — глубина моря; Л+10 — абсолютное давление газа
в понтоне; h—Г/+10 — абсолютное давление на глубине погру-
жения понтона h—у\ ось у направлена вверх (начало координат
расположено на дне моря).
Как уже отмечалось в § 12.10, при укладке глубоководных
трубопроводов можно пренебречь изгибной жесткостью трубы.
Располагая начало координат на дне моря, дифференциальное
уравнение упругой линии трубопровода как гибкой нити с пон-
тонами переменной плавучести для 0<у<Л—hQ примет вид
Ну" у /*о+Ю
/1 + ({/')2 ХЛ—4^+10 '
Первый интеграл этого уравнения
Н/1 +(у')2 = ру+ 10) 1п(й-у+ 10) + сг. (12.75)
Для определения значения произвольной постоянной Ci
можно использовать граничное условие: при х=0 г/'=0, т. е.
в точке касания с морским дном трубопровод горизонтален. Из
этого условия
Сх = H—V± (Ло + Ю) In (h+10). (12.76)
Подставляя зависимость (12.76) в уравнение (12.75), полу-
чаем
н [К1 + (у')2-1 ] = РУ + V, (Ао+ Ю) In • (12.77)
346
При y=h—hQ уравнение (12.77) примет вид
Н [/1 + (у')2-1 ] = р (h-h0) + V, (Йо +10) In . (12.78)
Для верхнего участка S-образной кривой h—ho^y^h диф-
ференциальное уравнение упругой линии трубопровода будет
- - = Vj—р. (12.79)
V 1 + ({/')2
После интегрирования уравнения (12.79) и использования
граничного условия при x=L y=h и у'=0 получаем
н [/1 + (у')2- 1 ] = (Ух-Р) (h-y). (12.80)
При y=h—hG уравнение (12.80) примет вид
н [/1 + (/)2-1] = (Vi-P) й0. (12.81)
Приравнивая правые части уравнений (12.78) и (12.81), по-
лучаем для равновесного состояния погружаемого трубоцровода
у1=-----------PL-
h0+(h0+ 10) in
hQ+ Ю
Изменение натяжения гибкой нити на поверхности воды Hh
и на дне HQ равно сумме проекций распределенных нагрузок на
вертикальную ось:
#ojp(p)dp= J (р—Vi
о о
(12.82)
h+ 10
h
+ f (р-У1)^ = р(й-йо) + У1(йо+10)1п4±22-4
J П + ю
h-h0
~V(P—Vi) — ph—ро + (Ло+10) In
io 1
fto+lOJ
(12.83)
При равновесном состоянии правая часть выражения (12.83)
равна нулю и, следовательно, получаем значение Vif соответ-
ствующее зависимости (12.82).
Если вместимость понтонов Еп (объем воздуха в понтонах,
отнесенный к единице длины трубопровода) меньше то тру-
бопровод погружается; если — трубопровод плавает.
К концу укладки очередной плети трубопровода для прекра-
щения ее погружения и соединения со следующей плетью необ-
ходимо выполнить условие Vn^ Vi. Это достигается оснащением
трубопровода дополнительными «тормозными» понтонами.
347
Обозначая объем тормозных понтонов, приходящийся на еди-
ницу длины трубопровода, через Ут и глубину погружения конца
участка трубопровода с тормозными понтонами через /zT, можно
получить подъемную силу тормозных понтонов QT для участка
hQ:
QT = Hh-H0 = VT[fto+(/ro+10)ln-^±^-l. (12.84)
L "о । Au J
При /Zt^^/Zq Qt—
Как следует из формулы (12.84), подъемная сила тормозных
понтонов зависит от натяжения трубопровода. С увеличением
натяжения уменьшаются кривизна трубопровода и глубина по-
гружения понтонов, соответственно возрастает плавучесть понто-
нов, и трубопровод поднимается. Наоборот, с уменьшением на-
тяжения подъемная сила понтонов уменьшается, при определен-
ном натяжении подъемная сила тормозных понтонов становится
недостаточной, и трубопровод погружается.
Координаты и длину упругой линии для нижнего участка
S-образной кривой можно определить из решения нелинейного
дифференциального уравнения первого порядка (12.77). Это
уравнение может быть проинтегрировано численными методами.
Для верхнего участка S-образной кривой, если начало координат
разместить на поверхности воды и направить ось х влево, а ось
у вниз, основные расчетные параметры можно получить из урав-
нения гибкой нити с распределенной нагрузкой интенсивностью
P-Vi
у = ——— fch р-~~ х—1) .
р-УД Н )
Минимальные радиусы кривизны трубопровода, укладывае-
мого по принятой расчетной схеме, будут в точке касания тру-
бопровода дна ро и поверхности воды рп, радиусы кривизны оп-
ределяются по формулам
Я,
Ро
О .
р ’
Hh
(12.85)
(12.86)
p
Vi+Vt-P
Из выражения (12.85) следует, что при постоянном натяже-
нии для уменьшения напряжений (увеличения р0) необходимо
уменьшать массу трубопровода в воде р, а для увеличения ра-
диуса кривизны рп — ограничивать подъемную силу основных и
тормозных понтонов.
Радиусы кривизны р0 и рп должны быть больше допустимого
радиуса кривизны, определяемого по формуле
я 2 Rt
где /?1 — расчетное сопротивление материала трубы.
348
Увеличение глубины укладки трубопровода обусловливает
увеличение массы трубы в воде р, так как для обеспечения ус-
тойчивости от внешнего гидростатического давления приходится
увеличивать толщину стенки трубопровода. Значительная масса
трубопровода при укладке на больших глубинах требует созда-
ния значительных натяжений, что осложняет укладку трубопро-
вода, и поэтому необходимо массу трубопровода снижать пу-
тем использования большого числа понтонов.
Преимущество метода S-образной кривой — возможность ук-
ладки трубопроводов на большую глубину (до нескольких ки-
лометров). Поскольку плети трубопровода монтируются на бе-
регу, облегчается его монтаж и испытание, уменьшается объем
монтажных работ, выполняемых в море, а вместе с ним умень-
шается опасность повреждения трубопровода во время шторма.
Перед возникновением шторма трубопровод может быть погру-
жен на неопасную глубину, а после улучшения погоды вновь
поднят на поверхность. Эти операции значительно облегчаются
в результате применения понтонов с переменной плавучестью.
По мере подъема понтоны восстанавливают свою плавучесть,
и трубопровод принимает первоначальную форму, что позво-
ляет продолжать работы по соединению очередной плети. Для
соединения плетей требуется стыковочное судно небольшого во-
доизмещения. Уменьшение напряжений в трубопроводе, возни-
кающих при подъеме концов стыкуемых плетей над поверх-
ностью воды, и уменьшение размеров стыковочного судна можно
достичь соединением плетей на поверхности воды или под водой
с применением специальных герметичных камер. Соединение
концов стыкуемых плетей может быть выполнено сваркой или
с помощью механического резьбового крепления. Резьбовое сое-
динение может оказаться предпочтительным для трубопроводов
небольших диаметров.
§ 12.12. УКЛАДКА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОДДЕРЖИВАЮЩЕГО ТРОСА
Как уже отмечалось, для снижения напряжений, возникаю-
щих от изгиба подводных трубопроводов при укладке их с по-
верхности воды на большие глубины, могут применяться раз-
личного типа стрингеры, устройства для создания натяжения
трубопровода и понтоны, регулирующие массу трубопровода
под водой. Однако не всегда перечисленные способы эффек-
тивны. В начальный момент укладки создание натяжения в тру-
бопроводе становится затруднительным из-за необходимости за-
якоривания в дно его нижнего конца. В некоторых случаях, на-
пример при соединении погружаемого трубопровода с ранее
уложенным, необходимо снижать натяжения до минимального
значения. Увеличение радиуса кривизны погружаемого трубо-
провода в этих условиях можно получить с помощью метода,
349
предложенного в США. По этому методу (рис. 12.30) один ко-
нец гибкого троса 8 заякоривают вблизи ранее уложенного тру-
бопровода 9, а другой конец присоединяют через вращающийся
блок опоры 4 к натяжной лебедке 3, установленной на барже 1.
На палубе баржи имеются наклонный участок с роликоопорами
5 для спуска в воду трубопровода 7, натяжное устройство 2 для
поддержки трубопровода и создания в нем растягивающего уси-
лия, а также оборудование для подъема и монтажа трубопро-
вода. Трос натягивают лебедкой 3 до заданного усилия натя-
жения. Натяжение троса можно создать и без лебедки переме-
щением баржи. Для поддержки погружаемого трубопровода
используется специальное подвесное устройство, с помощью ко-
торого трубопровод свободно перемещается по тросу.
Подвесное устройство представляет собой большое число бло-
ков 6 (см. рис. 12.30), поддерживающих трубопровод на опре-
деленном расстоянии. Каждый блок (рис. 12.31) состоит из
стержня /, который прикрепляется к трубопроводу 7 с помощью
хомутов 6, строп 5, охватывающих стержень 1 и закрепленных
РИС. 12.30.
Схема начала укладки трубопровода
РИС. 12.31.
Конструкция поддерживающего блока
350
к оси 2 ролика 3. Для подвешивания трубопровода к тросу 4
ролик может быть отсоединен от строп перемещением оси 2,
а затем вновь присоединен к ним.
После создания в тросе необходимого натяжения трубопро-
вод перемещают подъемными механизмами к наклонному спус-
ковому участку баржи. К трубопроводу с помощью хомутов
присоединяют поддерживающие блоки, которые затем подвеши-
вают к тросу 8 (см. рис. 12.30). Затем по мере монтажа трубо-
провод опускают вниз к натянутому тросу, пока он не достигнет
нижним концом заданной точки на дне, и присоединяют к ранее
уложенному трубопроводу. Дальнейшая укладка трубопровода
может осуществляться как с помощью поддерживающего троса
стравливанием его под определенным натяжением лебедкой 3
(см. рис. 12.30), так и обычными способами с применением
стрингеров и натяжных устройств. Возможен также и комби-
нированный способ укладки с применением поддерживающего
троса 8 и натяжного устройства 2, создающего растягивающее
усилие в трубопроводе. В этом случае может использоваться
натяжное устройство небольшой мощности. Очевидно, создать
большее натяжение значительно легче в тросе, чем в трубопро-
воде. Кроме того, усилие натяжения в тросе прикладывается
к якорю, расположенному на дне, а усилие натяжения в трубо-
проводе создается натяжными устройствами с помощью роли-
ков или захватов, которые могут повредить защитные покрытия
трубопровода.
После окончания укладки поддерживающий трос может быть
отсоединен от якоря и намотан на лебедку или отсоединен от
судна и уложен рядом с трубопроводом.
Следует отметить, что поддерживающий трос можно исполь-
зовать для уменьшения напряжений и при укладке подводных
трубопроводов с поверхности воды через реки и другие водоемы.
В этом случае поддерживающий трос заякоривается на одном
из берегов водной преграды, перекидывается через блоки бере-
говых опор. На другом берегу устанавливается тяговая лебедка
для натяжения троса. Трубопровод подвешивается к натянутому
тросу и устанавливается в створе перехода. Погружение тру-
бопровода может осуществляться изменением высоты берего-
вых опор, уменьшением натяжения троса или увеличением
массы трубопровода (заливом водой).
§ 12.13. УКЛАДКА ТРУБОПРОВОДА С РАЗМЕЩЕНИЕМ
ВНУТРИ НЕГО СПЕЦИАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ,
РЕГУЛИРУЮЩИХ ПЛАВУЧЕСТЬ
Для увеличения глубины укладки подводного трубопровода
кроме внешних понтонов, прикрепляемых к его наружной по-
верхности, можно использовать специальные устройства, раз-
мещаемые внутри него и позволяющие регулировать плавучесть
351
и напряженное состояние трубопровода. Этот способ применен
в США.
По этому способу в процессе погружения трубопроводу при-
дают плавную S-образную форму, как показано на рис. 12.32,
с кривизной, зависящей от изменения регулируемой вертикально
распределенной по длине трубы нагрузки. Эта нагрузка создает
на верхнем выпуклом участке S-образной кривой положитель-
ную плавучесть, постепенно уменьшающуюся к точке перегиба
трубопровода, и на нижнем вогнутом участке S-образной кри-
вой— отрицательную плавучесть, увеличивающуюся с прибли-
жением трубопровода ко дну водной преграды.
Перед укладкой трубопровод имеет положительную плаву-
честь вследствие наличия воздуха внутри трубы или оснащения
внешними понтонами. Для погружения трубопровода 1
(см. рис. 12.32) внутри него располагают большое число грузов
2, соединенных между собой тросом 3. Изменение плавучести
трубопровода при одинаковой массе грузов достигается измене-
нием расстояния между ними. На верхнем участке трубопро-
вода с положительной плавучестью расстояние между грузами
наибольшее, затем по мере удаления от трубоукладочной баржи
это расстояние уменьшается до минимального значения вблизи
дна, где трубопровод имеет наибольшую отрицательную плаву-
честь.
Верхний конец троса, удерживающего грузы, закрепляют на
барже, и трубопровод при перемещении баржи в процессе ук-
ладки перемещается относительно грузов. Нижний участок тру-
бопровода может быть заполнен водой, уровень залива которой
контролируют с помощью датчиков. Для устранения воздушных
пробок залив воды необходимо проводить с баржи в верхний
конец трубопровода.
Такое же изменение плавучести по длине трубопровода
можно достичь и следующим методом. Весь погружаемый тру-
бопровод заполняется водой, а внутри трубопровода располага-
ются элементы, имеющие положительную плавучесть (поплавки)
на верхнем участке и отрицательную плавучесть (грузы) на
нижнем участке. Поплавки, вытесняя воду, придают верхнему
участку трубопровода положительную плавучесть. Расстояния
между поплавками и грузами принимают в зависимости от тре-
буемой распределенной нагрузки по длине трубопровода. Подоб-
ное изменение нагрузки можно получить протаскиванием внутри
трубопровода гибкого элемента, например, цепи с увеличиваю-
щейся массой звеньев. Интенсивность нагрузки может быть из-
менена по длине трубопровода для получения заданной глубины
укладки в пределах радиуса упругого изгиба трубопровода.
На рис. 12.33 показана последовательность наращивания тру-
бопровода с размещенным внутри него тросом, удерживающим
элементы, регулирующие плавучесть. Конец троса прикрепляют
к опоре 7, установленной на барже (рис. 12.33, а). Когда верх-
352
ний конец укладываемого трубопровода 3 достигает положения
вблизи опоры 4, трос прикрепляют к ней, а затем разъединяют
с помощью специального разъединителя в точке 5, расположен-
ной вблизи опоры 4 или 7 (рис. 12.33, б). Отсоединенный учас-
ток троса 6 продевают через очередную секцию трубопровода 8,
вновь соединяют с участком троса 2, поддерживающим эле-
менты 1 внутри трубопровода, и освобождают от опоры 4
(рис. 12.33, б—г). Очередную секцию 8 продвигают к концу ук-
ладываемого трубопровода 3 и приваривают (рис. 12.33, д).
После контроля качества сварки и нанесения защитных покры-
тий на стык укладка трубопровода возобновляется.
Приведенный метод регулирования плавучести может быть
использован и при укладке трубопровода через реки и водохра-
нилища.
§ 12.14. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО
ПОДДЕРЖИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
ПРИ УКЛАДКЕ ТРУБОПРОВОДА
С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ НАРАЩИВАНИЕМ ПЛЕТЕЙ
Для уменьшения напряжений в процессе укладки подводного
трубопровода в США предложен метод, который отличается от
ранее рассмотренных. По этому методу вместо стрингера при-
меняется поддерживающее устройство в виде трубы диаметром,
равным диаметру укладываемого трубопровода. Плавучесть под-
держивающего устройства может изменяться путем заполнения
его отсеков водой и сжатым воздухом. На поддерживающее ус-
тройство 5 (рис. 12.34) устанавливают через определенные рас-
стояния балластные грузы 6, соединенные между собой тросом 4.
Один конец поддерживающего устройства присоединяют
к барже 2, а другой конец — к укладываемой плети трубопро-
вода 7 Плети трубопровода монтируются на берегу и имеют
положительную плавучесть, значение которой регулируется тол-
щиной слоя бетонного покрытия. В исходное положение баржу
доставляют буксиром 1. В процессе укладки баржа вместе с под-
держивающим устройством 5 и трубопроводом 7 перемещается
от берега, трос 4 при этом разматывается с барабана 3. По мере
перемещения баржи балластные грузы 6, опирающиеся на под-
держивающее устройство, роликами надвигаются на трубопро-
вод и создают для него необходимую отрицательную плавучесть.
В отсеки поддерживающего устройства закачивается определен-
ное количество воды, и оно приобретает заданную форму. Весь
процесс укладки трубопровода осуществляется с баржи. Опера-
тор, находящийся на барже, имеет возможность определить точ-
ное положение глубины погружения каждого отсека поддержи-
вающего устройства и принимать соответствующие меры по из-
менению его кривизны с целью ограничения напряжения в тру-
бопроводе. Поддерживающее устройство воспринимает большую
354
часть всех нагрузок, и в укладываемом трубопроводе возникают
лишь незначительные напряжения от изгиба. С увеличением
глубины укладки длину поддерживающих устройств увеличи-
вают. Последовательность укладки трубопровода показана на
рис. 12.34, а, б.
Балластные грузы могут иметь различную конструкцию, со-
стоящую из роликов, поддерживающих элементов и грузовых
блоков. Трос 4, закрепленный одним концом на берегу 8
(см. рис. 12.34, а), а другим на барабане лебедки 3, располо-
женной на барже, в натянутом состоянии удерживает грузы 1
на заданном расстоянии от берега.
Рассмотренные поддерживающие устройства могут быть ис-
пользованы не только для укладки трубопровода по описан-
ному выше способу, но и для выполнения других операций, на-
пример, для подъема трубопровода на поверхность воды и
РИС. 12.34.
Схема укладки трубопровода:
а — начальная стадия укладки; б — последующая стадия укладки; в — схема подъема
трубопровода на поверхность
355
опускания на морское дно после присоединения к морским кон-
струкциям (стоякам, обвязочным узлам).
Когда конец укладываемого трубопровода со стороны баржи
достигнет заданного положения, вода откачивается из отсеков
поддерживающего устройства и оно получает большую плаву-
честь. При этом трубопровод может быть поднят на поверх-
ность, как показано на схеме рис. 12.34, в.
§ 12.15. ПОДЪЕМ, СОЕДИНЕНИЕ И УКЛАДКА ПЛЕТЕЙ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Для предотвращения аварий от волновых воздействий при
укладке морских трубопроводов перед возникновением шторма
трубопровод погружают на дно. После окончания шторма тру-
бопровод поднимают на поверхность. Подъем трубопровода на
поверхность воды необходим
РИС. 12.35.
Опуск трубопровода с баржи,
оборудованной стрингером:
/ — трубоукладочная баржа; 2 — стрин-
гер; 3 — трубопровод; 4 — тяговой
трос; 5 — буй
а .1 । , 2 Г, В: 3
У/77777/7777777777777777777777//7///^7//.
также и для выполнения других
операций: проведения ремонта
поврежденного участка трубы,
присоединения патрубка, трой-
ника, задвижки или соединения
двух плетей, уложенных ранее на
дно моря.
Подъем и последующий опуск
. трубопровода можно выполнить
различными способами: с по-
мощью трубоукладочных барж,
плавучих кранов, понтонов и др.
На рис. 12.35 показана схема
опуска плети трубопровода с по-
мощью трубоукладочной баржи,
оборудованной стрингером. К кон-
цу трубопровода, расположенного
на барже, присоединяется трос,
который создает натяжение в по-
гружаемом трубопроводе. При
движении баржи трубопровод,
поддерживаемый тросом, переме-
щается по стрингеру, а затем
опускается на дно. Стрингер вы-
прямляется по мере схода с него
трубопровода. Последовательные
этапы погружения трубопровода
приведены на рис. 12.35, а—д.
Подъем плети трубопровода осу-
ществляется в обратной последо-
вательности.
Подъем трубопровода со дна
водоемов" глубиной 30—40 м
356
можно осуществлять с помощью плавучих кранов или в зимнее
время с помощью лебедок, расположенных на льду. Для подъ-
ема с больших глубин (100 м и более) или при большой отри-
цательной плавучести трубопровода необходимо приклады-
вать не только вертикальные подъемные силы, но и растяги-
вающую.
В США предложен один из вариантов такого подъема трубо-
провода для удаления поврежденного участка трубы (рис. 12.36).
Для подъема плети трубопровода рекомендуется применять ле-
бедку 6 с регулируемым усилием натяжения в сочетании со ста-
ционарными 1 и самоходными 5 кранами. Задача стационарных
кранов — восприятие большей части нагрузки от массы плети,
а самоходных кранов — удаление дефектных участков плети и
пристыковка новых секций трубопровода. Перед подъемом тру-
бопровода тросы натяжной лебедки и стационарного крана при-
соединяет водолаз к буксировочному оголовку плети. Последо-
вательность операций по подъему трубопровода показана на
РИС. 12.36.
Схема подъема трубопровода с растяжением
357
РИС. 12.37.
Схема подъема двух плетей трубопровода и погружения их после соединения:
а, б, в — последовательные этапы подъема плетей; г — погружение соединенных пле-
тей;
1 — плети трубопровода; 2 — понтоны; 3 — якорный трос; 4 — крановое судно; 5 —
шлюпбалки ’
РИС. 12.38.
Схема соединения плетей на крановом судне:
/ — крановое судно; 2 — плети трубопровода; 3 — кронштейн; 4 — рама для центровки
плетей; 5 — шлюпбалки; 6 — подъемный кран
РИС. 12.39.
Схема погружения трубопровода с
поперечным смещением:
а — сечения, перпендикулярные про-
дольной оси трубопровода; б — вид
сверху;
1 — крановое судно; 2 — положение
трубопровода при погружении (стрел-
кой показано направление перемеще-
ния судна)
рис. 12.36. На рис. 12.36, а пока-
зано положение плети трубопро-
вода 9 с присоединенным тяговым
тросом 7 к оголовку 8 перед на-
чалом подъема; на рис. 12.36, б —
положение поднятой плети до по-
верхности воды, усилия воспри-
нимают тросы 2 и 3 стационар-
ного крана и трос 4 самоходного
крана; на рис. 12.36, в — схема
отделения поврежденного участка
трубы АВ, тяговый трос отсоеди-
нен, нагрузка в основном вос-
принимается тросом 2; на
рис. 12.36, г — схема удаления са-
моходным краном 5 поврежден-
ного участка трубы АВ.
Подъем соединенных двух
плетей трубопровода на поверх-
ность моря и последующий их
опуск на дно можно осуществить
с помощью кранового судна. Последовательность операций подъ-
ема и погружения плетей трубопровода показана на рис. 12.37.
Для облегчения подъема плетей из них удаляется вода, напри-
мер, с помощью разделителей. После удаления воды концы труб
заглушают. Плети оснащают понтонами таким образом, чтобы
на участках размещения понтонов они имели небольшую отри-
цательную плавучесть, а вблизи поднимаемых концов — боль-
шую отрицательную плавучесть. Такое расположение понтонов
потребует сравнительно небольшого усилия для подъема плетей
без возникновения значительных напряжений от изгиба трубы.
Концы плетей трубопровода, расположенные на дне моря, дол-
жны перекрываться на такую длину, чтобы при подъеме их на
поверхность это перекрытие или зазор между ними были не бо-
лее 15 м. После поднятия над поверхностью плети поддержива-
ются дополнительными кранами небольшой грузоподъемности
(шлюпбалками), расположенными с боковой стороны судна.
Расположение кранового оборудования должно обеспечивать
центровку концов плетей над водой. Поднятые над поверх-
ностью концы плетей подводят к специальным кронштейнам,
положение которых по высоте можно регулировать, чтобы обе-
спечить горизонтальную соосность концов плетей в центровоч-
ной раме (рис. 12.38). Заглушки с концов плетей удаляются,
производится разделка кромок концов труб под сварку и соеди-
нение их сваркой. Если центровку концов осуществить сложно,
возможны сварное соединение плетей без их центровки, напри-
мер с помощью криволинейных вставок (С, U или V-образной
катушки), или фланцевые соединения.
359
После соединения концов плетей производится погружение
трубопровода на дно. Поскольку длина поднятого- участка тру-
бопровода больше длины его горизонтальной проекции, то про-
стое опускание трубопровода вертикально вниз может привести
к возникновению значительных напряжений и повреждению
трубы. Поэтому погружение трубопровода должно сопровож-
даться смещением его в поперечном направлении. Поперечное
смещение трубопровода можно осуществить движением крано-
вого судна перпендикулярно к оси трубопровода. Погружение
и поперечное смещение трубопровода лучше всего производить
поочередно, как показано на рис. 12.39.
Натяжение тросов шлюпбалок снимается, когда середина
опускаемого участка трубопровода достигает дна. Участки тру-
бопровода, поддерживаемые понтонами, не касаются дна и опус-
каются на дно лишь после затопления или отстропки понтонов.
Следует отметить, что методы соединения плетей подводных
трубопроводов над поверхностью воды можно применять при
отсутствии волнения. Кроме того, возникают определенные труд-
РИС. 12.40.
Схема соединения плетей трубопровода с помощью камеры:
1 — плеть, доставляемая к месту укладки; 2 — понтоны; 3 — камера; 4 — буксирное
судно; 5 — судно, обеспечивающее соединение плетей в камере; 6 — буй; 7 — трос; 8 —
ранее уложенная плеть
360
ности в связи с увеличивающейся длиной поднимаемых участ-
ков труб. В США предложен метод соединения плетей трубопро-
вода непосредственно на дне с использованием специальных ка-
мер и капсул. Последовательность и схема соединения плетей
с помощью камер показаны на рис. 12.40. Плеть трубопровода
оснащается понтонами, к одному ее концу прикрепляется спе-
циальная камера, а к другому — трос и в погруженном состоя-
нии буксируется к месту укладки (рис. 12.40, а). После доставки
к месту укладки трос прибуксированной плети закрепляется
к поршневому устройству камеры ранее уложенной плети. Под
действием гидростатического давления поршень перемещается,
подтягивает трос вместе с прибуксированной плетью к камере
(рис. 12.40, б). Конец плети заводится в раструб камеры, в ко-
торой производится соединение плетей. Затем понтоны отстроп-
ливаются и присоединенная плеть погружается на дно
(рис. 12.40, в). Аналогично осуществляется соединение после-
дующих плетей.
§ 12.16. УКЛАДКА МОРСКОГО ПОДВОДНОГО
ТРУБОПРОВОДА ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ ПЛЕТЕЙ,
ПОГРУЖАЕМЫХ НА ДНО
Плети труб длиной 1000—1500 м полностью подготавливают
на берегу и транспортируют буксиром к месту укладки. Букси-
ровка осуществляется на плаву или в погруженном на некото-
рую глубину положении. Погружение плетей производят сле-
дующим образом. На вертикалях, проходящих через концы
плети, устанавливают на дне анкерные опоры с блоками, через
которые проходит трос, прикрепленный к концам плети и ле-
бедкам, установленным на двух баржах (по концам плети). От-
крепляя понтоны, начиная от концов плети, тросами постепенно
притягивают ко дну плеть. Упругое искривление притягиваемой
плети регулируют числом неоткрепленных понтонов и продоль-
ным натяжением концов плети с барж. После раскладки на
дне по намеченной заранее трассе нескольких плетей произво-
дят стыковку и сварку отдельных плетей в общую нить. Сое-
динение осуществляется под водой с помощью специальных
камер.
Описанный метод позволяет обойтись без сложных трубоук-
ладочных судов.
ГЛАВА 13. ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
§ 13.1. ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И ПРИЕМКА
В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Учитывая опасность загрязнения водоемов при авариях,
сложность и длительность ремонта, при строительстве подвод-
ных переходов, как наиболее ответственных и дорогостоящих
сооружений магистрального трубопровода, предъявляют повы-
шенные требования к качеству выполнения всех строительно-
монтажных работ.
Технический надзор за строительством подводных трубопро-
водов осуществляют представители заказчика, генподрядчика
и организаций, выполняющих сооружение перехода. Основные
задачи представителей технического надзора за строительством
перехода — контроль качества выполняемых работ и установ-
ление соответствия их утвержденному проекту, рабочим черте-
жам, требованиям Строительных норм и правил и Технических
условий, приемка промежуточных скрытых работ, контроль ко-
торых становится недоступным при выполнении последующих
видов работ.
При строительстве подводных трубопроводов контролю ка-
чества и промежуточной приемке подлежат трубы, сварочные
и изоляционные материалы (должны соответствовать требова-
ниям государственных стандартов и Технических условий; за-
прещается применение материалов, труб и оборудования, не
имеющих паспорта или сертификата, а также товарного знака
на изделии), сварочные работы, испытания трубопроводов, очи-
стка, грунтовка, изоляция, футеровка и балластировка подвод-
ных трубопроводов, земляные работы, укладка трубопроводов,
засыпка траншей, берегоукрепительные работы.
Первичный контроль сооружения подводного перехода, за-
ключающийся в пооперационном контроле выполняемых работ,
является обязанностью строительной организации, в первую
очередь прорабов и мастеров.
Недостаточный контроль со стороны заказчика при приеме
скрытых подводно-технических работ приводит в отдельных
случаях к укладке трубопровода со значительными отклоне-
ниями от проекта по его заглублению. При обследовании под-
водных переходов установлено, что некоторые трубопроводы
«всплывают» на 0,5—1,2 м выше проектных отметок, хотя в ис-
полнительных чертежах положение их соответствует проекту.
362
Это свидетельствует о том, что строители нарушили требова-
ния проекта по глубине заложения трубопровода, а заказчик,
принимая скрытые работы, не обнаружил ошибки.
За состоянием подводного трубопровода начиная с момента
его строительства должен быть установлен тщательный конт-
роль, осуществляемый с применением современной аппаратуры.
На основании этого контроля составляются акты с оценкой ка-
чества выполнения основных видов работ.
Особое внимание необходимо уделять контролю качества
выполнения таких скрытых работ, как устройство подводной
траншеи, укладка и засыпка трубопровода, от которых во мно-
гом зависит надежная эксплуатация перехода.
Перед укладкой трубопровода проводится контроль подвод-
ной траншеи, на основании которого устанавливают основные
параметры: ширину по дну, глубину и откосы. Результаты про-
меров сопоставляют с проектными данными и оформляют в виде
акта приемки готовой траншеи для укладки трубопровода и ис-
полнительного профиля траншеи. Фактические высотные от-
метки дна траншеи не должны превышать проектные.
Контроль высотного положения трубопровода после укладки
его на дно водоема или подводной траншеи осуществляется
с помощью эхолота и специального устройства; применение
футштока для определения положения трубопровода допуска-
ется при глубинах водоема менее 6 м и скорости течения до
0,5 м/с. Высотное положение подводного газопровода, уложен-
ного с заливом водой, определяется только после удаления из
него воды. Расстояние между точками промеров принимается
в пределах 5—30 м в зависимости от изгибной жесткости тру-
бопровода. С увеличением диаметра (изгибной жесткости) тру-
бопровода расстояние между точками промеров увеличивается.
На основании результатов промеров составляют ведомость фак-
тического положения подводного трубопровода и исполнитель-
ный профиль трубопровода в сопоставлении с проектными от-
метками трубы. Фактические высотные отметки трубопровода
не должны превышать проектные более чем на 10 см.
Засыпка трубопровода грунтом производится после испыта-
ния его на прочность. Контроль засыпки подводных траншей
осуществляется эхолотом при движении судна перпендикулярно
продольной оси траншеи. Створы трубопроводов на обоих бе-
реговых участках закрепляют створными знаками с указанием
пикетажа. На участке подводных переходов устанавливают сиг-
нальные (оградительные) знаки согласно нормам и правилам
речного пароходства.
Подводные переходы представляются к сдаче после выпол-
нения полного объема всех работ, предусмотренных проектом.
Рабочая комиссия по приемке перехода должна проверить фак-
тически выполненные работы и их соответствие утвержденному
проекту и исполнительной документации. Приемка подводных
363
переходов оформляется актом, содержащим следующие мате-
риалы: данные и акты о соответствии выполненных работ тре-
бованиям СНиП и утвержденному проекту; перечень допущен-
ных отступлений от проекта с указанием причин и документов,
разрешающих эти отступления; оценку качества выполненных
работ; фактическую стоимость строительства и сравнение ее
со сметной стоимостью. Приложением к акту приемки подвод-
ного перехода являются исполнительные продольные профили
по каждой нитке перехода, подписанные представителями тех-
нического надзора, строительной организации и исполнителем,
выполнявшим контроль.
§ 13.2. ОБСЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Для обеспечения надежной и безаварийной эксплуатации
подводных трубопроводов, своевременного принятия решения
о времени и виде ремонта необходимо иметь достоверную ин-
формацию об их техническом состоянии. Эту информацию
можно получить, выполняя периодические обследования пере-
ходов. В одних организациях, занимающихся эксплуатацией
подводных трубопроводов, эти обследования выполняются соб-
ственными водолазными службами, в других — водолазными
станциями специализированных управлений подводно-техниче-
ских работ.
Основная цель обследований заключается в определении
фактического положения подводного трубопровода, отметок дна
реки в его створе и обнаружении оголенных или размытых уча-
стков труб и оценке состояния защитного и изоляционного по-
крытий труб.
Ниже приводится методика обследования состояния подвод-
ных трубопроводов, разработанная авторами на основании
опыта, накопленного при обследованиях состояния подводных
переходов с применением гидроморфологической теории русло-
вого процесса прогнозирования переформирования русла и бе-
регов реки в створах трубопроводов, а также современных при-
боров по определению планового и высотного положения труб.
Объем работ при проведении обследований и время между
обследованиями определяются по 1-, 2- или 3-му классам об-
следований в зависимости от категории участка подводного
перехода.
Участки подводных речных переходов магистральных тру-
бопроводов в зависимости от деформации дна и берегов под-
разделяются на четыре категории:
I категория — участки подводных переходов, на которых
глубинные переформирования русла не превышают 1 м, плано-
вые переформирования незначительны. К этой категории отно-
сятся переходы через малые реки (шириной до 50 м) ленточно-
364
грядового, осередкового и побочневого типов, а также через
средние и крупные реки с устойчивыми берегами и руслами.
Опасность размывов трубопроводов на участках I категории
обычно исключается, если глубина залегания труб превышает
1 м, а врезы в берег более 5 м.
II категория — участки подводных переходов с наибольшими
глубинными деформациями до 2 м, плановыми — до 10 м.
Ко II категории относятся участки переходов через средние и
крупные реки ленточно-грядового и побочневого типов.
III категория — участки подводных переходов с максималь-
ными глубинными переформированиями русла до 2 м и плано-
выми переформированиями до 100 м. К этой категории отно-
сятся участки подводных переходов через малые, средние и
крупные реки с русловым процессом ограниченного, незавер-
шенного и свободного типа меандрирования.
IV категория — участки рек с особыми формами руслового
процесса: горные реки, селевые потоки, реки с ярко выражен-
ными неустойчивыми руслами (значительные плановые и глу^
бинные переформирования могут происходить в течение не-
скольких дней или месяцев); участки подводных переходов
с максимальными глубинными переформированиями русла
более 2 м.
Отнесение участка подводного перехода к той или иной ка-
тегории производится на основании обследований 1-го класса
комплексного обследования состояния всего перехода, вклю-
чающее определение планового и высотного положения трубо-
провода, состояние изоляционного покрытия, русловую съемку
участков протяженностью более пяти значений ширины русла
реки с применением эхолотов, геодезическую съемку береговых
участков перехода и состояние берегоукреплений. На реках
с интенсивными деформациями дна и берегов русловую съемку
выполняют в характерные фазы гидрологического режима: на
реках с весенним половодьем — в начале половодья, на пике и
спаде половодья, в летнюю межень, в ледовый период; на ре-
ках с ледниковым питанием — в весеннюю межень, на подъеме
летнего половодья, на пике и спаде половодья, в ледовый пе-
риод; на реках с дождевым питанием — перед началом сезона
дождей, на максимуме и спаде паводка, в осеннюю межень и
в ледовый период.
По результатам обследований составляют планы участка
реки в горизонталях и продольные профили подводных трубо-
проводов, устанавливают тип руслового процесса и максимально
возможные деформации русла реки.
Обследования 1-го класса проводят однократно на всех
подводных трубопроводах для установления категории участ-
ков подводных переходов; один раз в каждые два года на
участках переходов III категории; ежегодно на участках рек
IV категории с ярко выраженным неустойчивым руслом.
365
Обследования 2-го класса заключаются в определении поло-
жения трубопровода, высотных отметок дна и берегов реки
в створе трубопровода, а также в контрольных створах, рас-
положенных по обе стороны от оси трубопровода на расстоя-
нии 0,25; 0,5 и 1,0 ширины реки в межень. По результатам об-
следований 2-го класса определяют размытые участки труб и
уточняют количественные измерители руслового процесса. Об-
следования 2-го класса выполняют один раз в каждые четыре
года для участков рек I категории, один раз в каждые два
года для участков рек II категории.
Обследования 3-го класса заключаются в определении вы-
сотных отметок дна и берегов реки в створах трубопроводов.
Проводятся для участков рек I категории один раз в проме-
жутках между обследованиями 2-го класса и два раза в год
для участков рек IV категории в промежутках между обследо-
ваниями 1-го класса. При достаточном заглублении трубопро-
вода обследования переходов могут выполняться реже (через
три-четыре года).
Перед проведением обследований выполняют подготовитель-
ные работы, которые включают сбор и анализ ранее выполнен-
ных материалов по проектированию и обследованиям перехо-
дов, аэрофотоснимков, крупномасштабных и лоцманских карт,
составленных по съемке разных лет. По этим материалам пред-
варительно определяют тип руслового процесса (используется
гидроморфологическая теория). В полевых условиях проводят
осмотр участка перехода и выявляют характерные признаки
руслового процесса: излучины, плесы, перекаты, гребни и под-
валья гряд и другие, которым при проведении русловых съе-
мок уделяют особое внимание.
Выполняют разбивку и закрепление на местности планово-
высотной магистрали и контрольных створов на участке пере-
хода (рис. 13.1). Характерные точки планово-высотной ма-
гистрали и контрольных створов закрепляют на местности де-
ревянными или бетонными столбами, металлическими трубками
или штырями. Высотные отметки дна определяют эхолотом.
В зависимости от ширины водной преграды и местных условий
промеры могут осуществляться по поперечным, продольным
или косым галсам (рис. 13.2). Точечным способом при помощи
футштока или лота глубины измеряют только в случаях, когда
применение эхолота невозможно или нецелесообразно, напри-
мер, при небольшой глубине водоема, недостаточной для про-
хождения промерного судна.
Определение высотных отметок дна реки при обследованиях
1-го класса выполняют в створах трубопроводов, между тру-
бопроводами, а также в поперечных (расположенных перпен-
дикулярно берегам) и продольных (расположенных вдоль бе-
регов, перпендикулярно продольной оси трубопровода) ство-
рах. Расстояния между поперечными а и продольными Ь
366
РИС. 13.1.
Схема разбивки и закрепления на местности планово-высотной магистрали.
Т'ХАБТ2ВГТ\\ Т'зТ3 — плановая магистраль; ЛЛ, T2T'lt Т'3Т3 — базисы; ТхТ2Т3 — на-
чальная стоянка теодолитов для координации промеров на участке расположения
трубопроводов; Т'ХТ'3 — новая стоянка теодолитов Л и Г3 Для координирования про-
меров на участке реки, расположенном выше створов трубопроводов; I, II, III, IV,
V — контрольные створы; Rnl, Rn2 — реперы; 1 — основная и резервная нитки трубо-
провода; 2 — бровка берега реки
РИС. 13.2.
Схема движения промерного судна:
а — по поперечным галсам; б — по косым галсам; в — по продольным галсам;
1 — берег реки; 2 — промерное судно
в /'
РИС. 13.3.
Координирование промеров одним теодолитом при движении судна по за-
данному створу:
а — по известному базису s и горизонтальным углам си, а2 и а3; б — по известному
расстоянию s от уровня воды до горизонта инструмента и вертикальным углам ft,
ftz и 03;
Т\ — теодолит; АБ — заданный створ; /, 2 и 3 — промерные точки
ТАБЛИЦА 13.1
Ширина реки В, м Расстояния между поперечными створами а, м Расстояния между продольными створами 6, м
Менее 100 (0,2 -- 0,5) В 0,1 В
Менее 500 (0,1 4- 0,2) В 0,05 В
Более 500 100 25
створами (см. рис. 13.2) определяют в зависимости от ширины
реки в межень В по табл. 13.1.
Съемка дна реки по продольным створам проводится только
с применением эхолота на участке реки, ограниченном расстоя-
нием 0,5 В по обе стороны от створов (крайних ниток) трубо-
проводов.
Число поперечных створов определяется протяженностью
участка съемки 4 В выше по течению и В ниже по течению
реки от створов трубопроводов.
•Плановое координирование промеров —установление-плано-
вого положения точек в момент эхолотирования и определения
глубины залегания трубопровода может осуществляться сле-
дующими методами: геодезическим, радиогеодезическим,
а также с помощью лазерных, акустических или других уст-
ройств. Для установления планового положения промерных то-
чек с помощью геодезических инструментов (теодолита, мен-
зулы, секстана) применяется способ засечек:
одним инструментом при условии движения промерного
судна по заданным створам (рис. 13.3); засечками двумя или
тремя инструментами (рис. 13.4) при движении судна по лю-
бым незакрепленным на местности створам (поперечным, про-
дольным или косым галсам). Места установки геодезических
инструментов для планового координирования промеров назна-
чаются в точках, обеспечивающих наилучшую видимость уча-
стка съемки и допустимые углы засечек (линии засечек дол-
жны пересекаться под углами в пределах 20—160°). На участке
перехода выполняется плановая съемка островов, побочней,
гряд, осередков, линий уреза воды- и бровки коренных берегов
(рис. 13.5).
Нивелирование берегов и пойм в створах трубопроводов и
контрольных створах выполняется на участках, подвергаю-
щихся деформациям от воздействия течения, волн, половодий
и ледохода. При интенсивных деформациях нивелирование
поймы выполняется до коренных берегов, включая отметки на
1—2 м выше уровня высоких вод. Геодезические и русловые
съемки должны привязываться к одним и тем же высотным
отметкам (реперам, водомерным постам).
368
Б
3
J
777777777777777^7^7777777777^7/7777
двумя
РИС. 13.4.
Координирование промеров
или тремя теодолитами:
/ — промерное судно; Т\, Т2, Т3 — теодо-
литы; s — базис; аь а2, аз — горизонталь-
ные углы; АБ — направление движения
судна
В период проведения про-
меров ведут постоянное на-
блюдение за уровнем воды по
временному водомерному по-
сту. Изменение уровня воды
учитывают при обработке ре-
зультатов геодезической и рус-
ловой съемки. Координирова-
ние промеров и геодезическую
съемку следует выполнять
с одних и тех же базисов, вхо-
дящих в состав планово-высот-
ной магистрали, что значи-
тельно уменьшает объем гео-
дезических работ при повтор-
ных обследованиях и повы-
шает точность результатов при
совмещении съемок разных
лет.
Скорости течения реки для
определения гидродинамиче-
ского воздействия речного потока на размытые участки подвод-
ных трубопроводов измеряют в разные фазы гидрологического
режима в створе перехода через 10 м и в пяти точках по глу-
бине потока h (поверхность, 0,2 h, 0,6 h, 0,8 h и h) гидромет-
рическими вертушками или измерителями течения. Поверхност-
ные скорости течения могут измеряться с помощью поплавков.
На участках рек с интенсивными деформациями предста-
вителем организации, занимающейся эксплуатацией трубопро-
вода, проводится визуальный осмотр состояния перехода после
паводков и ливней. Кроме того, на всех переходах выполняется
периодический контроль правил судоходства (подъем якорей,
волокуш) при прохождении участка перехода судами и пло-
тами.
Плановое и высотное положение подводных трубопроводов
(заглубленных и не заглубленных в грунт) устанавливают
с помощью специального устройства непосредственно с поверх-
ности воды или льда реки без вскрытия трубы. Положение
подводного трубопровода, не засыпанного грунтом, может быть
определено эхолотом. Для этого промерное судно с установ-
ленным эхолотом перемещается перпендикулярно или вдоль
оси трубопровода и на батиграмме записываются высотные по-
ложения трубы и грунта. Высотное положение размытых участ-
ков труб при глубинах водоема менее 6 м и скорости течения
реки менее 0,5 м/с (при отсутствии специального устройства
для определения глубины залегания трубопровода) можно оп-
ределить с помощью футштока или промерной рейки с поверх-
ности воды или льда реки. Обследование многониточных под-
369
водных переходов целесообразно осуществлять с помощью спе-
циальных устройств с пространственной (плановой и высотной)
регистрацией положения трубопровода и грунта.
Водолазное обследование (наличие футеровки, балластных
грузов, посторонних предметов под провисающими участками
труб, качество изоляционного покрытия) следует проводить
только после обнаружения размытых участков подводных тру-
бопроводов с эхолотами или специальными устройствами.
Основная цель обследований состояния береговых участков
трубопроводов — установить нагрузки и воздействия на трубо-
провод, береговые откосы и берегоукрепления, причины и ин-
тенсивность переформирования береговых откосов и разруше-
ния берегоукреплений. Интенсивность разрушения (скорость
перемещения) берегов определяется сопоставлением продоль-
ных профилей контрольных створов, полученных по разновре-
менным съемкам (рис. 13.6). Нивелирование береговых участ-
ков для составления продольных профилей выполняется с при-
вязкой к планово-высотной магистрали (рис. 13.7).
РИС. 13.5.
Схема плановой съемки на участке подводного перехода'.
1—13 — поперечные галсы; а, б, в, г — продольные галсы; д — линия уреза; а —линия
бровки берега, ж — основная и резервная нитки трубопровода; К., /G ~ колодцы (краны)
перехода; Тъ Т2, Т3 — теодолиты; точками обозначены засечки теодолитами положений
промерного судна, линий уреза воды и бровки берегов
370
Для установления ледовых нагрузок на береговые участки
ведут визуальные наблюдения за ледовыми явлениями, на ос-
новании которых получают сведения о местах образования и
размерах заторов и зажоров, характере и степени разрушения
берегов и берегоукреплений от воздействия льда. Обследования
состояния подводных переходов выполняют в меженные пери-
оды. Для установления сезонных деформаций на реках с ин-
тенсивными переформированиями дна и берегов русловую
съемку проводят в характерные фазы гидрологического режима.
Состав специализированной группы по обследованию со-
стояния подводных трубопроводов и оснащение ее оборудова-
нием и приборами зависят от класса обследований.
Составление технической
документации по подводным
трубопроводам
На каждый подводный переход составляется паспорт, в ко-
тором приводятся: протяженность перехода (пикетаж), мате-
РИС. 13.6.
Совмещенные продольные профили
берегового участка:
1, 2, 3, 4 — продольные профили в конт-
рольном створе по разновременным
съемкам; г, в — горизонт воды в межень;
г. в. в. — горизонт высоких вод
РИС. 13.7.
Схема разбивки плановой магистрали
для наблюдения за деформацией бе-
регов:
1 — бровка берега; 2 — урез воды; 3 — под-
водные трубопроводы; 4 — колодец (кран)
перехода; АБС — плановая магистраль;
и8 расстояния от плановой маги-
страли до бровки берега или уреза
371
риал, диаметр и толщина стенки трубы, испытательное давле-
ние, тип балластировки, даты сдачи трубопровода в эксплуа-
тацию, проведения обследования и ремонтов, вид ремонтов,
состояние изоляционного покрытия; наличие судоходства, гид-
рологические и геологические условия на участке перехода:
ширина и максимальная глубина реки в створе перехода в ме-
жень и в паводок, максимальные донные и поверхностные ско-
рости течения реки в паводок и в межень, даты начала и конца
паводка, вид и состояние грунта в створе перехода,- тип и ко-
личественные измерители руслового процесса, характерные
деформации в створе перехода.
Техническая документация на подводный переход должна
включать проектные и исполнительные продольные профили
трубопроводов, план участка в горизонталях, материалы об-
следований, крупномасштабные карты, аэрофотоснимки и
лоцманские карты. Плановая магистраль участка перехода
с расположением базисов, контрольных створов и ука-
занием схем разбивки их, пикетажа трубопровода и располо-
жением реперов оформляется на отдельном чертеже (см.
рис. 13.1).
По результатам обследований 1-го класса составляют планы
участка реки в горизонталях протяженностью более пяти зна-
чений ширины русла реки и продольные профили трубопрово-
дов, а также определяют сезонные деформации дна и берегов
реки на основании сопоставления русловых съемок, выполнен-
ных в характерные фазы гидрологического режима. По резуль-
татам обследований 2-го класса составляют продольные про-
фили подводных трубопроводов и профили дна и берегов реки
в контрольных створах. По результатам обследования
3-го класса составляют профили дна и берегов реки в створах
трубопроводов. Продольные профили трубопроводов и профили
контрольных створов для одних и тех же переходов оформляют
в одном масштабе и сопоставляют с результатами обследова-
ний прежних лет. Для участков рек III категории, для которых
характерны значительные плановые деформации, строят поло-
жения (план и профиль) размываемого берега по съемкам раз-
ных лет (см. рис. 13.6 и 13.7). Устанавливают причины, обус-
ловливающие разрушение откосов и повреждение креплений
(некачественное выполнение работ, отступление от проектных
решений производства работ, непригодность принятого типа
крепления для данных местных условий, недостаточно полный
учет силовых воздействий на крепления и др.). Решают вопрос
о целесообразности большей врезки трубопровода в размывае-
мый берег или о конструктивном изменении крепления. По ре-
зультатам обследований составляют акт на ремонт берего-
укреплений, в котором указывают: характеристику крепления,
причины повреждений, объемы и площади повреждений креп-
ления, объем необходимых для ремонта материалов, грунта,
372
гравия, камня или железобетонных плит, конструктивные изме-
нения крепления, сроки и способы производства работ.
По результатам измерения скоростей устанавливают мак-
симальную скорость потока, действующего на трубопровод,
а также пределы изменения скоростей и возможность возник-
новения резонансных колебаний размытых участков трубопро-
вода.
На основании результатов обследований устанавливают
действительное состояние подводных трубопроводов, уточняют
количественные измерители руслового процесса и определяют
возможную предельную границу размыва дна и берегов реки
в створе трубопроводов. Если по результатам обследований
обнаружено предаварийное состояние (размыв грунта над тру-
бой или провисание труб), в результате которого возможно
повреждение трубопровода от воздействия льда, потока воды,
собственной массы трубы, а также проходящими судами (пло-
тами), то принимаются срочные меры по ликвидации предава-
рийного состояния. При выполнении капитального ремонта
с перезаглублением трубопровода глубина его заложения на-
значается с учетом предельной границы переформирований
дна и берегов реки на участке перехода.
§ 13.3. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Определение планового положения и глубины залегания
подводных трубопроводов — одно из основных мероприятий по
контролю качества работ при строительстве подводных перехо-
дов и установлению действительного состояния перехода в пе-
риод эксплуатации.
До недавнего времени определение положения подводного
трубопровода представляло большие трудности. Без отрывки
шурфов под водой и применения водолазного труда невоз-
можно было установить глубины заложения трубопровода в пе-
риод эксплуатации.
И в настоящее время самым распространенным способом
определения положения трубопровода пока еще остается визу-
альный — с помощью водолазов. Для определения высотного
положения трубопровода обычно водолазы разрабатывают
шурф (вскрывают трубу). Однако этот метод является тру-
доемким. Иногда положение трубопровода определяется при
помощи проволочных щупов (штырей). С помощью водолазов
и подводных средств освещения целесообразно выполнять
осмотр провисающих и оголенных участков трубопроводов, на
основании которых можно сделать заключение о состоянии
футеровки, изоляции и закреплении балластных грузов.
В последнее время предпринимались попытки внедрить для
обследования подводных трубопроводов установки подводного
373
телевидения. Опыт эксплуатации показал, что с помощью этих
установок можно получить данные о состоянии участков трубо-
проводов, не заглубленных в грунт, и о состоянии подводной
части берегоукреплений, однако такие же данные можно полу-
чить, используя водолазную станцию, и без подводного телеви-
дения. Необходимо также учитывать, что при наличии скорости
течения вследствие большого силового воздействия потока водо-
лазу приходится затрачивать значительные усилия на переме-
щения и удержание камеры подводного телевидения. Поэтому
установку подводного телевидения следует использовать при
демонстрации участка трубопровода специалистам, дающим
заключение о состоянии трубопровода и рекомендации по ре-
монтным работам.
Более совершенны по сравнению с визуальными методы
определения положения трубопроводов с помощью приборов.
Принцип работы одного такого устройства заключается в сле-
дующем.
По дну водоема катер буксирует локатор длиной около 2 м,
который работает по принципу металлоискателя. При попада-
нии металлического предмета или трубопровода в зону дейст-
вия локатора интенсивность электромагнитного поля, создавае-
мого генератором, изменяется, что и регистрируется локатором,
который позволяет определять места нахождения трубопровода
и измерять глубину залегания последнего с точностью до
±0,1 м.
Вторичный прибор, с помощью которого регистрируется глу-
бина залегания трубопровода, находится на катере. Местона-
хождение локатора определяют по бую.
Следующее устройство — высокочувствительный трассоиска-
тель типа ВТР-У.
К трубопроводу и заземлителю, заглубленному на 1 м
(в 10—20 м от трубопровода), подключается полупроводнико-
вый генератор низкой частоты, входящий в комплект трассо-
искателя. Выходная мощность генератора 40 Вт. Вокруг тру-
бопровода создается электромагнитное поле, улавливаемое маг-
нитной антенной приемного устройства. По стрелочному
прибору или при помощи головного телефона определяется по-
ложение оси трассы. Специальная насадка (треугольник) ВТР-У
позволяет определять глубину залегания трубопровода до 10 м.
Погрешность определения глубины залегания трубопровода
±10%.
Более совершенным является устройство, состоящее из
двух катушек, находящихся на определенном расстоянии одна
от другой. Одна катушка может поворачиваться вокруг своей
оси, а другая расположена горизонтально. Оператор добива-
ется такого положения, при котором э. д. с., индуцируемая
в каждой катушке, равна нулю. Угол наклона первой катушки
является функцией глубины залегания кабеля; шкала, связан-
374
ная с указателем катушки, может быть непосредственно програ-
дуирована в метрах. Максимальное значение э. д. с. горизон-
тальной катушки указывает местонахождение кабеля.
В работе [7] рассмотрен прибор для определения глубины
залегания подводных трубопроводов. В комплект этого при-
бора входят генератор переменного тока, измерительное устрой-
ство и две взаимно перпендикулярные рамки для ориентации
над трубопроводом. Измерительное устройство выполнено из
двух подвижных рамок с различным произведением площади
сечения на число витков. Рамки соединены встречно-последо-
вательно с фазочувствительным усилителем и реверсивным дви-
гателем, который перемещает одну из рамок, связанную с ука-
зателем глубины. Шкала указателя градуируется в метрах.
Прибор ТПК-1 [21] предназначен специально для определе-
ния планово-высотного положения инженерных подземных ком-
муникаций в процессе выполнения специальных топографиче-
ских съемок. Прибор может быть также использован для
определения мест повреждения кабелей или для других анало-
гичных целей.
Прибор ТПК-1 рассчитан на работу в диапазоне температур
окружающего воздуха от —20 до +40° С и относительной влаж-
ности 70%. Прибор позволяет определять место залегания тру-
бопровода под слоем грунта до 2—3 м с точностью до 5—10 см.
Следует отметить, что описанные выше устройства в прак-
тике строительства и эксплуатации подводных трубопроводов
не нашли широкого применения.
Сотрудниками Уфимского нефтяного института и Москов-
ского института нефтехимической и газовой промышленности
им. И. М. Губкина [7] разработано специальное устройство, по-
зволяющее определять непосредственно с поверхности воды
или льда реки плановое и высотное положение заглубленных
в грунт подводных трубопроводов без их вскрытия и примене-
ния водолазного труда.
Сущность метода определения положения и глубины зале-
гания подводных трубопроводов заключается в том, что уча-
сток трубопровода в районе подводного перехода представляет
собой короткозамкнутый виток, образованный основной и ре-
зервной нитками трубопровода. В указанном витке без разрыва
трубопровода индуцируется переменный ток, благодаря чему
трубопровод превращается в источник электромагнитного
поля, измерение параметров которого в некоторой точке про-
странства над трубопроводом позволяет определить положе-
ние и глубину залегания трубопровода. Измерение магнитной
индукции сводится к измерению электродвижущей силы, ин-
дуцируемой в измерительной рамке переменным магнитным по-
током, созданным током, протекающим по трубопроводу. При
измерении электродвижущей силы милливольтметром по мак-
симуму горизонтальной составляющей и минимуму вертикаль-
375
ной составляющей вектора магнитной индукции находят соот-
ветственно глубину залегания и плановое положение трубопро-
вода.
При измерении горизонтальной составляющей вектора маг-
нитной индукции двумя рамками, расположенными на некото-
ром расстоянии по вертикали друг от друга Ь, регистрация глу-
бины залегания значительно облегчается.
Электродвижущая сила нижней и верхней Е2 рамок со-
ответственно равна
E^ka (13.1)
1 2nh v 7
17 А 1
to = k(d------------------,
2 л (h 4- b)
(13.2)
где k — коэффициент, зависящий от конструкции рамки; со —
круговая частота магнитного поля; I — ток, проходящий по
трубопроводу при подключении генератора возбуждения низ-
кой частоты; h — расстояние от нижней рамки до трубопровода.
Из формул (13.1) и (13.2) следует, что
h =——Ь.
£1 — ^2
(13.3)
Если измерить величину Е2ЦЕ\—Е2) с помощью электрон-
ного или магнитоэлектрического логометра и принять расстоя-
ние между рамками Ь, равным 1 м, то можно сразу получить
глубину залегания трубопровода без последующих вычислений.
В качестве регистрирующих приборов могут использоваться
приборы с цифровым отсчетом глубины, стрелочные индика-
торы или самопишущие регистраторы.
Устройство для определения планового и высотного поло-
жений трубопровода состоит из генераторной и измерительной
групп. Генераторная группа, предназначенная для возбужде-
ния магнитного поля, устанавливается на берегу перехода.
В зависимости от конкретных условий (удаление колодцев от
берегов, удобство установки трансформатора, наличие катод-
ных выводов и т. п.) возможны различные способы подключе-
ния трансформатора генераторной группы к трубопроводу:
установкой на трубу разъемного трансформатора, подключе-
нием стандартного трансформатора с помощью кабельной пе-
ремычки между трубами, специальными заземлителями. Если
на участке перехода имеется достаточной силы ток катодной
защиты, то отпадает необходимость применения приборов
трансформаторной группы. В случае наличия на участке по-
сторонних источников магнитного поля (линии электропере-
дачи) следует применять генераторную группу с частотой
переменного тока отличной от посторонних источников, напри-
мер, с частотой 22,5 Гц. При однониточном переходе один вы-
376
ходной зажим генератора подключают к трубопроводу через
кабель, а другой — через кабель по специальному заземляю-
щему устройству, -в качестве которого используется штырь или
отрезок трубы длиной до 1,5 м, установленный на расстоянии
до 20 м от трубопровода.
В летних условиях приборы измерительной группы (измери-
тельные рамки и регистрирующие приборы) размещают в лодке
(катере), с которой производят замеры положения трубопро-
вода на подводном участке. Положение трубопровода в реке
устанавливается следующим образом: лодка перемещается
вдоль реки (поперек трубопровода), при входе в створ пере-
хода лодку заякоривают, с помощью небольшой лебедки типа
«Луга» с учетом показаний приборов измерительной группы
лодку устанавливают точно над трубой и затем определяют
глубину заложения трубопровода. Значительно быстрее и
с наименьшими затратами труда плановое и высотное поло-
жение подводного трубопровда можно определить в зимнее
время непосредственно со льда реки.
При обследованиях размытых участков подводных трубо-
проводов высотное положение их легко определяется эхолотом.
При перемещении судна с установленным эхолотом вдоль или
поперек оси трубопровода на батиграммной ленте одновре-
менно записываются отметки трубы и дна водоема.
Применение эхолотов позволяет получить непрерывную
запись глубин, точность которых не зависит от скорости тече-
ния, а промеры выполняются со скоростью движения промер-
ного судна.
Принцип действия эхолота основан на измерении времени
прохождения ультразвуковым импульсом пути от вибратора-
излучателя до дна реки или трубы и обратно до вибратора-
приемника. Результаты измерений автоматически и непрерывно
записываются в виде сплошной линии на электротермической
ТАБЛИЦА-13 2
Показатели Марки эхолотов
ПЭЛ-2 | ИРЭЛ | пэл-з
Диапазон измеряемых глубин, м 0—20 и 20- -40 0—20 0- -40 и 0—200
Масштаб записи глубин 1 100 1 100 1 200 и 1 1000
Скорость протяжки батиграммы, мм/мин 42,5 166,5 и 333 40 и 8
Питание от батарей постоянного тока, В 24 12 12
Максимальная скорость движения плавучих средств при проведении замеров, км/ч 15 15 15
Масса комплекта, кг 122 54 94,7
377
бумаге (батиграмме). Для обследований подводных переходов
с глубинами до 20 м наиболее удобен эхолот ИРЭЛ, если глу-
бины превышают 20 м, то можно использовать эхолоты ПЭЛ-2
и ПЭЛ-3. Основные технические данные указанных эхолотов
приведены в табл. 13.2.
§ 13.4. АНАЛИЗ ПРИЧИН АВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЙ
ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ
Обследование состояния многочисленных подводных пере-
ходов магистральных трубопроводов, построенных десять-двад-
цать лет назад, показывает, что большая часть из них на-
ходится в нормальных условиях эксплуатации. Однако на
некоторых подводных переходах в течение этого периода возни-
кали предаварийные состояния, и для предотвращения разру-
шения трубопровода выполнялся дорогостоящий капитальный
ремонт.
Анализ результатов обследований подводных трубопрово-
дов показывает, что основными причинами, вызывающими
предаварийные и аварийные состояния, являются:
переформирования русла и берегов реки в створах пере-
ходов, в результате чего размытые участки трубопроводов под-
вергаются силовому воздействию потока, льда, опасности ме-
ханического разрушения;
укладка трубопроводов со значительными отклонениями от
проекта по заглублению в дно реки и врезке в берега вслед-
ствие недостаточного контроля скрытых подводно-технических
работ;
механические повреждения трубы и изоляции при укладке
и в период эксплуатации;
неправильная организция службы эксплуатации.
Из указанных причин на практике наиболее часто встреча-
ются первая и вторая. Очевидно, они могут быть исключены
при обоснованных для каждого конкретного случая решениях
проекта строительства перехода и качественном выполнении
строительно-монтажных работ. Правильный учет переформиро-
вания русла и берегов реки еще на стадии проектирования
позволит обеспечить надежную и безаварийную работу подвод-
ных переходов в течение расчетного срока их эксплуатации.
С появлением гидроморфологической теории руслового про-
цесса стало возможным достаточно обоснованно оценить де-
формации реки в створах трубопроводов на длительный пе-
риод. Поэтому неудивительно, что проектные организации, не
имея обоснованных рекомендаций для определения макси-
мально возможных переформирований русла реки, принимали
неверные решения о заглублении подводных трубопроводов.
Механические повреждения трубы и изоляции подводных
трубопроводов в строительный период могут вызвать разруше-
378
ние их в период эксплуатации. Механические повреждения
обусловливаются отклонениями от нормативных требований
при проведении подготовительных и монтажных работ, а также
при укладке трубы (например, повреждение труб строительно-
монтажными машинами, применение некачественной изоляции
и футеровки, недостаточное закрепление футеровки и утяже-
ляющего балласта на трубе).
В период эксплуатации механическое повреждение труб и
изоляции происходит якорями и волокушами проходящих су-
дов и плотов. Несмотря на то что переходы оборудованы зна-
ками, запрещающими судам бросать якоря и протаскивать
волокуши плотов в охранной зоне, на поворотах реки при интен-
сивном судоходстве поднимать волокуши плотов становится
практически невозможно. Поэтому одного требования, указан-
ного в проекте о необходимости поднимать волокуши, недоста-
точно. Следует предусмотреть увеличение глубины заложения,
обеспечивающей защиту подводного трубопровода.
Повреждение трубопроводов может произойти и при рас-
положении их вблизи пристаней. В паводок при больших скоро-
стях течения реки или сильных ветрах держащая сила якорей
судов и барж может быть недостаточной и тогда возможно
повреждение якорями оголенных участков труб.
§ 13.5. ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Надежная работа подводных переходов в течение расчетного
срока их эксплуатации обеспечивается принятием обоснован-
ных решений о величине заглубления трубопровода в русловой
части, на береговых участках реки, а также соответствующих
конструктивных исполнений. Выше уже отмечалось, что в на-
стоящее время наиболее приемлемой для оценки максимально
возможных деформаций русла и берегов реки в створах трубо-
проводов является гидроморфологическая теория руслового
процесса. Эта теория применима для переходов через равнин-
ные реки с естественным режимом. Учет деформаций рек
в районах вечной мерзлоты и горных в настояще время нахо-
дится в стадии исследования.
Используя гидроморфологическую теорию руслового про-
цесса, можно оценить состояние ранее построенных подводных
трубопроводов, достаточно точно для целей практики прогнози-
ровать переформирование русла и берегов реки на длитель-
ный период и принимать обоснованные решения по перезаглуб-
лению размываемых участков труб. Ниже приводится опыт
применения гидроморфологической теории руслового процесса
в период эксплуатации переходов.
Результаты обследований большого числа нефте- и газо-
проводов показывают, что все многообразие размывов трубо-
379
проводов, встречающихся на практике, можно довольно четко
классифицировать.
Наиболее распространены основные типы размывов трубо-
проводов, показанные на рис. 13.8.
Максимально возможный размыв трубопровода на любом
участке перехода легко установить, если известны количествен-
ные измерители руслового процесса.
Размывы в средней части русла реки характерны для лен-
точно-грядового (рис. 13.9) и осередкового (рис. 13.10) типов
руслового процесса. При ленточно-грядовом типе, если трубо-
провод уложен на участке гребня гряды, размывы возможны
почти по всей ширине реки вследствие перемещения в створ
перехода подвалья гряды (см. рис. 13.9). При осередковом
типе руслового процесса размывы трубопроводов могут проис-
ходить на участках перемещения плесов и осередков (см.
рис. 13.10). Если трубопровод расположен в створе А, то раз-
мыв возможен на участке осередка в средней части русла
(рис. 13.10,6), если трубопровод расположен в створе В, то
размыв возможен по всей ширине русла (рис. 13.10, г).
Максимально возможные размывы трубопровода в русло-
вой части определяются совмещением поперечных профилей
створов на участке протяженностью не менее двух крупных
русловых форм (гряд, осередков, плесов), т. е. на участке дли-
ной, равной приблизительно 10—15 ширинам русла реки. Оги-
бающая всех профилей створов (I—XI) (см. рис. 13, 10, а) бу-
дет соответствовать предельной границе размыва трубопровода.
При проведении капитального ремонта с перезаглублением
размытого участка трубопровода необходимо, чтобы трубопро-
вод был уложен ниже предельной границы размыва.
Размывы приурезных участков подводных трубопроводов
происходят в основном при осередковом и побочневом
(рис. 13.11) типах руслового процесса. На участках рек осеред-
кового типа размывы возникают при перемещениях осередков,
островов и плесов, расположенных у берегов реки. Возможные
размывы приурезных участков трубопроводов, вызванных пере-
мещением осередков, показаны на рис. 13.10, а и в.
Особенностью деформаций дна реки на приурезных участ-
ках трубопроводов при побочневом типе руслового процесса
являются периодичность и последовательное чередование пони-
жений и повышений отметок дна у противоположных берегов
по мере прохождения побочней через створ перехода. В прак-
тике имелись случаи, когда при проведении капитального ре-
монта учитывалась возможность размыва только со стороны
одного из берегов реки. При этом трубопровод дополнительно
заглублялся лишь на размываемом приурезном участке, а на
приурезном участке со стороны противоположного берега, где
-наблюдалось повышение отметок дна, глубина заложения тру-
бопровода уменьшалась. Такие решения, принятые в проектах
380
РИС. 13.8.
Участки возможных раз-
мывов трубопроводов:
а — береговой; b — приурез-
ный; с — средняя часть рус-
ла реки
РИС. 13.9.
Размыв трубопровода в средней части русла при ленточно-гря-
довом типе руслового процесса:
а — план участка реки; б — продольный профиль по 1—1; в — поперечный
профиль перехода;
1 — возможная зона размыва; 2 — трубопровод; Лг —длина гряды
б
1 2
3
РИС. 13.10.
Размыв трубопровода при осередковом типе руслового процесса:
а — план участка реки; Д, Б, В — створы трубопроводов; б — размыв
в средней части русла; в — размывы приурезных участков; г — размыв
по всей ширине русла;
1 — линия берега и дна реки; 2 — трубопровод; 3 — зона размыва; I —
XI — поперечные створы
РИС. 13.11.
Размыв трубопровода на приурез-
ных участках при побочневом типе
руслового процесса:
а — план участка реки; б — совмещенные
поперечные профили створов /, II, III и
1 — трубопровод, заглубленный без учета
русловых деформаций; 2 — трубопровод,
заглубленный ниже предельной границы
размыва; А п—длина побочня
капитального ремонта, очевидно, ошибочны. При перемещении
всего побочня размыв трубопровода произойдет на участке,
где уменьшена глубина заложения трубопровода, что потребует
выполнения повторного дорогостоящего капитального ремонта.
Правильным решением является заглубление трубопровода
ниже предельной границы размыва. Предельная граница раз-
мыва на приурезных участках определяется совмещением по
общей осевой линии реки поперечных профилей, расположен-
ных в пределах двух крупных русловых форм (рис. 13.11).
Размывы береговых участков — наиболее распространенные
случаи в практике эксплуатации трубопроводов. Размывы бе-
реговых участков возникают при ограниченном и свободном
типах меандрирования руслового процесса. При ограниченном
меандрировании размыв берега обусловливается сползанием
излучин без изменения их форм и размеров (рис. 13.12). Ско-
рость сползания излучин на средних и крупных реках 5—
15 м/год, а иногда и более [22]. Предельные границы размыва
берегов для участков рек ограниченного типа меандрирова-
ния определяются шири-
ной пояса меандрирова-
ния В (см. рис. 13.12).
Зная скорость сползания
излучины, можно опреде-
лить максимальный раз-
мыв берега за период
эксплуатации трубопро-
вода путем совмещения
по средней линии пояса
меандрирования попереч-
ных профилей (створов I,
II, III и т. д., рис. 13.12)
излучины, р аспол ожен-
ных выше створа пере-
хода. Если скорость
сползания излучины не-
известна, то максималь-
ный размыв берега за
период эксплуатации тру-
бопровода определяется
совмещением профилей,
расположенных на уча-
стке длиной, приблизи-
тельно равной половине
шага излучины.
Наибольшие размывы
берегов наблюдаются на
участках рек свободного
типа меандрирования.
382
Рис. 13.12.
Размыв трубопровода на бе-
реговом участке при ограни-
ченном типе меандрирования
руслового процесса:
а — план участка реки; 1 — началь-
ное положение излучины; 2 — раз-
мещение излучины в результате
ее сползания; А— А — створ трубо-
провода; I—V — поперечные ство-
ры; %и—длина излучины;
б — профиль поперечного сечения;
1 — зона размыва; 2 — зона на-
мыва; 3 — трубопровод
Свободно меандрирующий русловый процесс характеризуется
интенсивными плановыми переформированиями реки и создает
наибольшую опасность размыва береговых участков трубопро-
водов. Рассмотрим основные особенности этого типа руслового
процесса.
При свободном меандрировании русло реки извилистое и
расположено в широкой речной долине. Излучины проходят оп-
ределенные циклы развития (рис. 13.13, а). В начальной ста-
дии развития, при углах разворота аи (рис. 13,13,6), меньших
90°, излучины сползают вниз по течению и одновременно увели-
чивают угол разворота. По мере увеличения угла разворота
сползание излучины замедляется, но ускоряется ее разворот.
Развитие излучин завершается сближением подмываемых бе-
регов смежных излучин и прорывом образовавшегося между
ними перешейка (рис. 13.13, а).
В пределах излучины в зависимости от стадии ее развития
располагаются один, два или несколько разобщенных плюсов.
Наиболее глубокие плесы находятся на участках с наибольшей
кривизной русла. Берега на таких участках подвержены наи-
большим размывам (рис. 13.13 в) и, следовательно, распола-
гать здесь створы трубопроводов не рекомендуется. Устойчивы
в плане и практически мало размываются участки перегибов
русла. Поэтому участки излучины с относительно прямолиней-
ным руслом и расположенные между перекатом и плесом (на
таких участках минимальные плановые и минимальные сезон-
ные высотные переформирования) наиболее оптимальны для
створов переходов.
383
РИС. 13.13.
Размыв трубопровода на
береговом участке при сво-
бодном типе меандрирова-
ния руслового процесса:
а — последовательные стадии I,
II, III, IV развития излучины
в плане; А—А — створ пере-
хода; б — схема основных па-
раметров свободного меандри-
рования; в — профиль подвод-
ного перехода;
1 — положение трубопровода до
проведения капитального ре-
монта; 2 — зона наращивания
берега; 3 — зона размыва бе-
рега; 4 — направление размыва
берега при плановом развитии
излучины; 5 — недостаточная
врезка трубопровода в размы-
ваемый берег; 6 — врезка трубо-
провода с учетом максимальных
плановых деформаций излу-
чины
Направление, качественный характер плановых деформа-
ций, а также количественные измерители руслового процесса
(скорость размыва берега, скорость разворота излучины и др.)
можно определить графическим построением путем сопостав-
ления крупномасштабных и лоцманских карт и аэрофотосним-
ков, составленных по съемкам разных лет. Наиболее ценный
материал — аэрофотоснимки, дающие наиболее полные изобра-
жения местности, включая русло и пойму реки. На аэрофото-
снимках отчетливо видны веера перемещений русла. Дешифри-
рование рельефа поверхности поймы по аэрофотоснимкам поз-
воляет восстановить вековые плановые деформации реки и
прогнозировать дальнейшее направление их развития. Пре-
дельный профиль размыва берегового участка для свободно
меандрирующего руслового процесса можно получить также
и по расчетным формулам [22].
На рис. 13.14 показано расположение трубопроводов, обсле-
дованных Уфимским нефтяным институтом на участках рек сво-
бодного типа меандрирования. Как видно из рис. 13.14, створы
подводных трубопроводов расположены на участках с наиболь-
шей кривизной русла, т. е. там, где происходят наибольшие пла-
новые переформирования реки. Врезка трубопроводов в размы-
ваемый берег на всех этих переходах принята недостаточной,
вследствие чего и произошел размыв труб. Следует отметить,
что при проведении капитальных ремонтов с перезаглублением
размытых участков труб во многих случаях вторично допу-
скается та же ошибка — недостаточная врезка трубопроводов
в размываемый берег. В результате этого спустя несколько лет
384
после проведения капитального ремонта трубопровод вновь раз-
мывается. Размыв трубопровода не произошел бы, если бы
были учтены закономерные плановые переформирования русла.
Реки свободного типа меандрирования имеют среднюю ско-
рость размыва вогнутых берегов до нескольких десятков метров
в год [22]. Учитывая, что подводные трубопроводы могут экс-
плуатироваться более тридцати лет, то за весь период работы
перехода размывы берегов могут составлять 100—200 м. Эти
данные говорят о необходимости точного учета максимально
возможных плановых переформирований русла при строитель-
стве и ремонте подводных трубопроводов.
Если при пересечении участков рек свободного типа меанд-
рирования руслового процесса не удается назначить наиболее
оптимальные створы переходов, то во избежание размывов тру-
бопроводов необходимо выполнять следующие два основных
мероприятия: врезку трубопровода в размываемый берег с уче-
том максимально возможных плановых деформаций русла за
весь период эксплуатации перехода и глубину заложения трубо-
РИС. 13.14.
Расположение створов переходов трубопроводов на участках рек свободного
типа меандрирования:
а, г, д — через р. Белая; б, в — через р. Уфа; /—I — створы переходов
385
провода на размываемом береговом участке принимать ниже
отметок максимальных глубин плеса, примыкающего к створу
перехода. В этом случае отпадает необходимость берегоукрепи-
тельных работ на участке перехода.
Опыт, накопленный авторами при обследованиях более ста
подводных переходов за период с 1963 по 1978 г., показывает
реальную возможность внедрения гидроморфологической теории
на практике и необходимость применения ее для решения прак-
тических задач по прогнозированию размывов трубопроводов
в период их эксплуатации, назначению обоснованной глубины
заложения трубопровода в русловой части и врезки в берега
при выполнении капитального ремонта. Гидроморфологический
анализ дает хорошие результаты даже в тех случаях, когда ис-
пользование других методов для оценки переформирования
русла и берегов реки крайне затруднительно или невозможно.
ГЛАВА 14. РЕМОНТ РЕЧНЫХ
род ВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Применение новых конструктивных схем подводных перехо-
дов трубопроводов (типа «труба в трубе») и обоснованное на=-
значение глубины их 'заложения позволит практически устра-
нить необходимость ремонта переходов в течение расчетного
срока эксплуатации. Однако большинство действующих переход
дбв построены таким образом, что ремонтные работы становятся
необходимыми. Поэтому представляется целесообразным при-
вести основные технологические схемы и методы ремонта под-
водных трубопроводов: ‘
Эксплуатацию переходов' осуществляют нефтепроводные или
газопроводные управления, в ведений которых находится то или
иное количество переходов. Очевидно, что ремонт должен осу-
ществляться - не тогда, когда трубопровод вышел из строя;
а в предшествующий момент. Поэтому в каждом управлении
должен быть научно обоснованный план проведения ремонтных
работ, включающий сроки ремонта и вид ремонтных или профи-
лактических работ по каждому переходу.
Технологические схемы и сроки ремонта должны быть опти-
мальными, т. ё. обеспечивающими восстановление нормального
уровня надежности перехода при минимуме затрат. При этом
должны приниматься во внимание состояние трубопровода и
прогноз последующих переформирований русла.
§ 14.1. СОСТАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КАРТ
КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Главная цель разработки основной технологической карты
капитального ремонта, а также детализированных карт — уста-
новление оптимальных технологических схем и сроков выполне-
ния работ по капитальному ремонту отдельных переходов,
а также всего комплекса подводных переходов в одном из зо-
нальных трубопроводных управлений. Проектная органи-
зация выполняет обычно однократное обследование и на осно-
вании полученных данных составляет проект проведения ре-
монтных работ. Естественно, что в таком проекте не всегда
Содёржйтся наиболёе правильное решение как по конструктив-
ным разработкам, так и по технологии капитального ремонта.
Материалы однократных изысканий не могут служить доста-
точным основанием для составления качественного проекта
387
строительства и капитального ремонта подводных переходов.
Только систематизированные комплексные обследования могут
дать надежный и достаточно полный материал для составления
проекта. Эти материалы необходимо собирать и систематизиро-
вать в каждом управлении по всем переходам с момента ввода
их в эксплуатацию.
Существующая в настоящее время система организации ка-
питального ремонта подводных переходов в основном фиксирует
уже проявившиеся предаварийные или аварийные состояния
переходов.
Вопрос систематического обновления и капитального ре-
монта подводных переходов в настоящее время становится все
более актуальным. Перенесение схем организации капитального
ремонта линейной части трубопроводов на ремонт подводных
переходов невозможно в силу специфичности конструкции, экс-
плуатации и ремонта последних. Если план капитального ре-
монта линейных участков можно составлять на год или на
несколько лет, то при разработке плана проведения предупре-
дительных мероприятий и капитального ремонта подводных пе-
реходов ориентироваться на такие сроки нельзя. План должен
отражать действительную необходимость капитального ремонта
каждого конкретного перехода в обоснованное время не только
с точки зрения имеющихся в том или ином управлении матери-
альных и технических возможностей, но и физического состоя-
ния перехода.
В результате изучения существующего опыта и действитель-
ных условий работы нами разработаны рекомендации проведе-
ния капитального ремонта в соответствии с основной технологи-
ческой картой, составляемой и детализируемой на основании
данных систематических обследований.
Основная технологическая карта капитального ремонта под-
водных переходов зонального нефтепроводного управления —
это документ, определяющий оптимальные сроки ремонта от-
дельных переходов и устанавливающий принципиально возмож-
ные и наиболее приемлемые технологические схемы ремонта
для каждого конкретного перехода (в пределах срока капиталь-
ного ремонта всех находящихся в эксплуатации в момент со-
ставления карты переходов).
Основная технологическая карта предусматривает, таким
образом, срок капитального ремонта всех переходов, сроки ре-
монта отдельных переходов и определяет принципиально воз-
можные, а также наиболее подходящие, исходя из имеющихся
на момент составления карты объективных данных о состоянии
отдельных переходов, технологические схемы.
Составление основной карты требует тщательного анализа
материалов обследований, а также проведения ряда специаль-
ных исследований. При составлении карты необходимо учи-
тывать:
388
1) срок капитального ремонта. Это — время, в течение ко-
торого должен быть выполнен объем работ по капитальному
ремонту переходов с момента составления технологической
карты.
Следовательно, срок капитального ремонта определяется вре-
менем надежной и безаварийной работы подводных трубопро-
водов, т. е. оказывается в прямой зависимости от качества
проектирования, выполнения строительно-монтажных работ и
эксплуатации. Этот срок может быть определен в результате
статистической обработки имевших место нарушений эксплуа-
тационной надежности подводных трубопроводов.
Обработка материалов о различных повреждениях подвод-
ных переходов показывает, что около 90% всех нарушений экс-
плуатационной надежности и аварий происходит после 15—
20 лет эксплуатации;
2) число переходов (или отдельных «ниток» подводных тру-
бопроводов) , подлежащих капитальному или профилактиче-
скому ремонту.
При установлении числа переходов, включаемых в карту ка-
питального ремонта, должны быть выявлены прежде всего те,
прогноз состояния которых дает основание предполагать веро-
ятное нарушение эксплуатационной надежности. Эти переходы
в технологической карте составляют группу, для которой наме-
чаются возможные технологические схемы, даты и сроки ре-
монта, а также разрабатываются детализированные технологи-
ческие карты (первая группа переходов).
Вторую группу составляет некоторое число переходов, срок
и вид аварийного состояния которых с какой-либо достоверно-
стью прогнозировать невозможно (разрывы труб от скрытых
дефектов металла, сварных соединений, повреждение якорями
и другие, т. е. причины, которые можно считать случайными).
Закономерность их распределения, как известно, может быть
установлена лишь на основании статистической обработки
большого числа аварий.
Анализ аварий подводных трубопроводов, причины которых
освещались в зарубежных и отечественных литературных источ-
никах, показывает, что 13—14% всех аварий относится на долю
случайных причин. Поэтому в первом приближении можно при
составлении технологической карты включать во вторую группу
13—14% переходов от числа переходов первой группы;
3) исполнительные профили и планы переходов, составлен-
ные при окончании строительства;
4) планы и профили переходов при последующих обследова-
ниях. На основании материалов обследования с использованием
имеющихся данных составляется классификация участков под-
водных переходов;
5) основные характеристики потока в створах переходов
к моменту разработки технологической карты — распределение
389
скоростей потока в плане и по глубине, уровни воды в паводок
и межень;
6) действительное состояние переходов на момент состав-
ления технологической карты — профиль дна русла и берегов и
профиль трубопровода. Последнее особенно важно для оценки
состояния и эксплуатационной надежности перехода.
На основании результатов обследований делается долго-
срочный прогноз деформации русла и устанавливается момент
ожидаемого размыва трубопровода, а также размер участка
размыва; проводится оценка состояния всех подводных трубо-
проводов и устанавливаются ожидаемые сроки надежной экс-
плуатации их.
§ 14.2. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ
ОТДЕЛЬНЫХ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ.
ПРОГНОЗ ОЖИДАЕМЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
РУСЛОВОГО ПОТОКА
НА ПОДВОДНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Ёще сравнительно недавно по существу не имелось реко-
мендаций, которые позволили бы оценить степень опасности
того или иното размытого участка.
Существующее мнение о том, что любой размыв трубопро-
вода следует немедленно устранять, вряд ли можно считать до-
статочно обоснованным.
Опасен с точки зрения эксплуатации такой размыв, при ко-
тором становится возможным разрушение трубопровода под
воздействием его собственной массы, давления потока или ко-
лебаний, а также под воздействием льда, волокуш проходящих
судов и т. п.
Таким образом, вопрос о сроке капитального ремонта ре-
шается прежде всего с учетом степени приближения напряжен-
ного состояния размытого участка к разрушающему и некото-
рых других факторов, из которых наиболее важным следует
считать защиту от механических нОхВреждений.
Рассмотрим условия, при которых возможна реализация
разрушений размытого участка при статическом характере воз-
действий (собственная масса трубопровода и постоянное сило-
вое воздействие потока), а также при переменном силовом воз-
действии потока, обусловливающем возникновение колебаний
размытого участка.
Пусть размыт участок трубопровода длиной I (рис. 14.1).
Принимая силовое воздействие, например, от массы трубы
постоянным и равным q по длине участка Z, определим напря-
женное состояние и перемещение трубопровода в пределах
участка Z+%,
Участок Л' пер^^аясь под воздействием q, перемещает на
некоторую величину jM расположенные в несдвигающемся
390
РИС. 14.1.
Схема воздействий на раз-
мытый участок трубопро-
вода
1иииииииин1
РИС. 14.2.
Схема для расчета размы-
того участка
грунте участки Zo, которые можно рассматривать как полубеско-
нечные балки в упругой среде. При этом необходимо иметь
в виду, что для трубопровода, защемленного в грунте, возмож-
ность продольных перемещений при искривлении упругой оси
появляется только за счет растяжения материала труб. Это со-
провождается возникновением в трубопроводе растягивающего
усилия Р, которое, в свою очередь, оказывает влияние на вели-
чину поперечных смещений.
Таким образом, размытый участок необходимо рассматри-
вать как жесткую нить с нагрузкой q.
Составим в соответствии с обозначениями, показанными на
рис. 14.2, уравнение
EI^ = M0 + Py-Pw0+^-^- (14.1)
dx2 2 2
и запишем его в виде
k2y = — (m0—Pw0-[
dx2 ^Р\ 0
qx2
~2~
(14.2)
qlx \
~2 / ’
где Е — модуль упругости; 1 — момент инерции сечения труб;
Р — продольное усилие в трубопроводе; Mq — изгибающий
момент в сечениях I—I и II—II.
391
Общее решение неоднородного дифференциального уравне-
ния (14.2) и значения его производных имеют вид:
y^C^chkx + C^ shkx—
x2__lx \
1 Г/
Q
k2P
(14.3)
yx = Crk sh kx + C2k ch kx—
(14.4)
yll = C1k2chkx+C2k2shkx—. (14.5)
Произвольные постоянные Ci и C2 определяются из гранич-
ных условий
х = 0, /; у = 0. (14.6)
Значение стрелы прогиба f участка I определится из (14.3)
при x=l/2 y=f
chk —--1
+ ---------+о»0» (14.7)
' 8 Р \ Р ' k2P / ,. I г ° V ’
ch k —
2
где-
2&
^o = —т~
М>н
— прогиб конца полубесконечной балки при х = 0;
^4 .
VJV •
EI
ko — коэффициент постели грунта при сжатии; £)н — наружный
диаметр трубопровода.
Значение изгибающего момента в сечении х = //2 опреде-
лится из уравнения (14.5)
2
(14.8)
В уравнения (14.7) и (14.8) входят неизвестные Мо и Р; Мо
определяется из условий совместной работы участка /, рассмат-
риваемого как жесткая нить, и участка Zo, рассматриваемого
как полубесконечная балка в упругой среде, загруженная на
конце поперечной силой Qo и моментом Мо.
Учитывая, что
392
получаем
(14.9)
як &як 1 thfc_L
__ 2 Р__________ЬР_____2
° 4 а3 , k ,, , I
---- —I--tn R.
М>н Р 2
где у*б—угол поворота сечения I—I со стороны балки в упру-
гой среде; у\ — угол поворота того же сечения со стороны
участка Zo.
Таким образом, в формуле (14.9) 7И0 выражено через неиз-
вестное Р с учетом упругой заделки участка Zo в грунте. Опре-
делить Р можно, имея в виду, что искривление участка Z, не
имеющего возможности свободно перемещаться в продольном
направлении, происходит лишь за счет удлинения самого
участка I и примыкающих к нему участков Zo, находящихся вне
пределов размытого участка.
Выполнив вычисления, получим выражение для стрелы про-
гиба в виде
где Но — удлинение примыкающего к участку I упругозащем-
ленного участка Zo-
Объединяя зависимости (14.7) и (14.10), можно найти 7И0
и Р.
Динамический расчет труб на размытом участке приведен
в § 5.7 и 5.8 данной книги.
(14.10)
§ 14.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКОВ РЕМОНТА
Учет состояния трубопровода предполагает выполнение не-
обходимых расчетных обоснований прочности как для участков,
уже находящихся в опасном состоянии, так и для участков, на
которых такое состояние может возникнуть в какой-то период
эксплуатации. Учет выполнения предполагаемого ремонта по-
зволяет наиболее правильно использовать материальные ре-
сурсы и возможности. Смысл этого условия заключается в сле-
дующем.
Допустим, что в результате обследований было установлено
наличие размытых участков на переходах через реки А, Б, В
и Г Реки А и Б — судоходные, реки В и Г — несудоходные. На
реке А размыт участок длиной 20 м в русловой части на фарва-
тере, трубопровод не колеблется. На реке Б размыт береговой
участок длиной 30 м, трубопровод не колеблется. На реках В и
Г размывы: на реке В — русловый участок длиной 30 м, трубо-
провод колеблется; на реке Г — русловый участок длиной 45 м,
трубопровод не колеблется.
393
Состояние переходов таково, что следовало бы выполнить
ремонт сразу на всех реках. Однако по техническим возможно'
стям трубопроводного управления это невыполнимо, поэтому
должны быть определены участки, ремонт которых необходим
в первую очередь. Еще до расчетов прочности размытых участ-
ков очевидно, что в наиболее опасном состоянии из всех перехо-
дов находятся переходы через реки А и В. Независимо от того,
обеспечивается их прочность или нет, эти переходы должны
быть отремонтированы в первую очередь, так как имеется боль-
шая вероятность повреждения перехода через реки А якорями
и волокушами проходящих судов и плотов, а перехода через
реку В — от колебаний.
Что касается перехода через реку Б, то необходимо выяс-
нить, находится ли размытый участок в зоне судоходства, если
да — этот переход также должен ремонтироваться в первую
очередь, если нет — очередность ремонта устанавливается вместе
с остальными переходами. После подсчета объемов работ по
переходам через реки Б и Г оказывается возможным одновре-
менное ведение работ только на одном из них. Очевидно, в этом
случае необходимо определить наиболее опасный переход и
использовать имеющиеся возможности для выполнения его ре-
монта.
Рассмотрим далее комплекс вопросов, которые решаются
при определении оптимальных сроков ремонта.
Прежде всего все переходы трубопроводного управления
подразделяют на группы.
I. Переходы, не имеющие размытых участков, и при прояв-
лении всех ожидаемых переформирования русел таких участков
не будет.
II. Переходы, не имеющие на момент составления техноло-
гических карт ремонта размытых участков, но при проявлении
переформирований русел размывы вероятны.
III. Переходы, имеющие размытые, но непровисающие
участки труб.
IV. Переходы, имеющие размытые провисающие участки
труб.
Ясно, что отнесение того или иного перехода к группам I, II,
III или IV может быть сделано лишь после установления типа
руслового процесса, а также при наличии материалов обследо-
вания 1-го класса.
К группе I относятся все трубопроводы, которые располо-
жены вне предела зоны возможного размыва русла в течение
срока оборачиваемости цикла капитального ремонта, к группе
II — трубопроводы, полностью или частично расположенные
в зоне возможного размыва; к группе III — трубопроводы, ча-
стично оголенные, но находящиеся на грунте. При рассмотрении
переходов этой группы должны быть выделены отдельно пере-
ходы, на которых возможен дальнейший размыв и на которых
394
размыв прекратился, то же должно быть сделано и по перехо-
дам группы IV. Границы возможных размывов могут быть оп-
ределены после установления количественных показателей рус-
лового процесса.
После выполнения соответствующей работы по разделению
переходов на группы сразу видно, что необходимость капиталь-
ного ремонта для группы I определяется только состоянием ме-
талла труб, в частности, поврежденностью от коррозии. По-
этому, приняв необходимые меры по защите труб от коррозии,
все переходы группы I в течение 15—20 лет со времени ввода
в эксплуатацию в генеральной карте в план ремонта не вклю-
чаются.
Переходы группы IV подлежат ремонту в первую очередь.
Однако и из них выявляют те, которые находятся в наиболее
опасном состоянии. В первую очередь должны ремонтироваться
переходы на судоходных реках, а также те, на которых несущая
способность размытых участков использована практически до
предела.
Переходы групп II и III занимают промежуточное положе-
ние между I и IV, и срок капитального ремонта их зависит от
времени размыва того или иного перехода (долгосрочный прог-
ноз состояния русла), размера размытого участка (время, когда
длина размытого участка достигнет величины, при которой со-
здается угроза прочности трубопровода), материально-техниче-
ских ресурсов ремонтных групп трубопроводного управления..
В пределах времени, допускающего работу трубопровода без
нарушения его прочности, учитывая перечисленные факторы,
можно назначить наиболее подходящее (оптимальное) время
капитального ремонта каждого перехода. Однако при этом сле-
дует иметь в виду, что как только создается угроза прочности
трубопровода, ремонт должен выполняться немедленно.
§ 14.4. СОСТАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТЫ
КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА
При составлении типовой схемы технологической карты
предполагается, что действительное состояние всех переходов
определено, сделан прогноз об изменении их состояния в даль-
нейшем, выполнены необходимые расчеты как по действитель-
ному, так и по прогнозируемому состоянию переходов, установ-
лены оптимальные сроки ремонта I группы переходов. Все эти
материалы оформляются в виде пояснительной записки, содер-
жащей как общие положения, так и материалы по каждому пе-
реходу в отдельности с приложением исполнительной докумен-
тации, а также материалы последующих обследований.
Объем пояснительной записки, представляющей первую
часть технологической карты, зависит от числа переходов в тру-
бопроводном управлении.
395
Первая часть технологической карты подразделяется на
главы: первая — общая для всех переходов и последующие —
по каждому переходу. В первой главе содержатся перечисление
переходов, их конструктивные схемы, сроки ввода в эксплуата-
цию и т. п.; определяются ориентировочно переходы I группы,
из которых выявляются переходы, подлежащие ремонту в пер-
вую очередь; устанавливается срок оборачиваемости цикла ка-
питального ремонта. Во второй и последующих главах содер-
жатся подробные сведения о каждом переходе, собранные к мо-
менту составления технологической карты (паспортные данные,
исполнительные планы и профили, данные различных по вре-
мени обследований в отдельности и совмещенные на одном чер-
теже, выделяются переходы, состояние которых вызывает опа-
сение) .
Вторая часть карты включает: классификацию русел на
участках переходов, на основании которых определяются воз-
можные границы деформации русла в створах переходов; ана-
лиз дефектных участков всех переходов.
Особое внимание должно быть обращено на выяснение при-
чин, вызвавших дефекты. Если, например, размыв русла проис-
ходит в соответствии с общими закономерностями деформаций,
то процесс размыва будет продолжаться до стабилизации поло-
жения русла для соответствующего типа участка. Если же раз-
мывы имеют локальный характер, то необходимо выяснить при-
чину, вызывающую размыв, с целью проведения мероприятий
по закреплению русла на данном участке;
долгосрочный прогноз переформирований русла на участке
перехода (плановый и глубинный);
расчет напряженного состояния, устойчивости и колебаний
размытых участков, а также участков, пока не размытых, но
размыв которых ожидается;
сроки капитального ремонта всех дефектных переходов,
а также переходов, на которых ожидается размыв русла, уста-
навливаемые из условий прочности труб на размытых участках;
оптимальные сроки капитального ремонта.
Третья часть включает графическое оформление сроков, по-
следовательности, возможных и оптимальных технологических
схем капитального ремонта переходов, годовую детализацию и
типовые детализированные технологические схемы ремонта
Кроме графических материалов третья часть содержит расчет-
ное обоснование элементов технологических схем, принятых
в качестве рабочих, а также данные привязки типовых схем
к конкретным условиям. Графически схемы выполняются
в форме:
сводной технологической карты капитального ремонта
(рис. 14.3);
годовых технологических карт капитального ремонта
(рис. 14.4);
396
РИС. 14.3.
Сводная технологическая
карта капитального ремонта
РИС. 14.4.
Годовая технологическая карта капитального ремонта
РИС. 14.5.
График технологической последовательности ремонта
графиков технологической последовательности ремонта на
один или несколько переходов (рис. 14.5);
типовых технологических схем капитального ремонта с при-
вязкой к конкретным переходам.
Приведем некоторые пояснения к этих пунктам.
В сводной технологической карте капитального ремонта ука-
зываются основные работы, подлежащие выполнению по годам
в пределах срока оборачиваемости цикла капитального ре-
монта. В нижней части отмечаются сведения об обследованиях,
а в верхней — сведения о переходах, подлежащих ремонту
с указанием возможных и наиболее подходящих схем капиталь-
ного ремонта для переходов I группы. Что касается переходов
II группы, то в каждом году отмечается лишь возможность воз-
никновения аварийного состояния, характерного для них. На
приводимой схеме (см. рис. 14.3) сводная технологическая
карта показана в сокращенном виде (для нескольких лет).
Кроме того, отмечены не все возможные схемы ремонта для
переходов, а только принятые в качестве наиболее подходящих.
Так, в 1978 г. подлежат ремонту переходы через реки А, Б, В,
имеющие основную и резервную нитки. Всего намечается ис-
пользование шести технологических схем, хотя для каждого из
переходов возможно применение нескольких схем, но показано
лишь по одной схеме. Например, переход через реку Б — ре-
монт основной нитки по схеме /, резервной — по схеме 6.
При составлении сводной карты должны быть учтены и по-
казаны все возможные варианты, а оптимальный выделен цвет-
ной линией. Сводная карта позволяет видеть не только распре-
деление ремонта по годам, но и способ ремонта по каждому
переходу и даже по каждой отдельной нитке перехода. При
уточнении состояния переходов при последующих обследова-
ниях на карте может быть легко отражено изменение способа
ремонта, если такое изменение станет необходимым.
Годовые технологические карты составляются в развитие
сводной карты. Но в отличие от последней в годовых картах
указываются ориентировочные сроки проведения капитального
ремонта по всем переходам, ремонтируемым в данном году.
Нижняя часть карты отводится для планирования обследований
с указанием переходов, по которым производятся обследования
1 и 2-го классов (см. § 13.2).
Верхняя часть карты содержит указания по возможным схе-
мам капитального ремонта, а также детализацию наиболее под-
ходящей последовательности работ оптимальной схемы. При
этом используются типовые технологические схемы ведения
работ. В годовой технологической карте, приведенной в каче^
стве примера, детализация не сделана^ а указаны лишь номера
оптимальных схем, по которым проводится детализация.
Количество годовых технологических, карт принимается по
числу лет, определяющих срок цикла капитального ремонта.
398
В развитие годовых технологических карт составляются гра-
фики последовательности операций по ремонту отдельных пере-
ходов или группы переходов (для одинаковых технологических
схем). Эти графики составляются по типу сетевых графиков.
График определяет последовательность отдельных элемен-
тов схемы, время (в днях) на их выполнение, объемы работ по
всем элементам. К каждому графику прилагается краткое опи-
сание технологии выполнения отдельных элементов и указания
по производству работ.
§ 14.5. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И СПОСОБОВ
ПРОИЗВОДСТВА РЕМОНТНЫХ РАБОТ
Детализация намеченных схем капитального
ремонта.
Технологическая карта — основной руководящий документ
по организации капитального ремонта на весьма длительный
срок, определяющий основные принципиальные направления
ремонтных работ по всем переходам. Однако это не означает,
что отдельные ее положения не могут со временем подвергаться
тем или иным изменениям и дополнениям. Важнейшим усло-
вием является совершенствование и уточнение технологической
карты в соответствии с новыми данными обследований, выпол-
няемых в последующие годы. Каждое новое обследование дает
дополнительный материал, позволяющий уточнить прогноз ожи-
даемого состояния того или иного перехода, сделать его более
достоверным, систематизировать работу по организации капи-
тального ремонта, эффективно использовать постепенно накап-
ливаемые опытные материалы.
Детализация намеченных схем проводится в течение всего
срока оборачиваемости капитального ремонта и заключается
в следующем:
выделяется ряд переходов, капитальный ремонт которых
в соответствии с данными генеральной карты должен прово-
диться в течение ближайших трех-пяти лет.
Проводится анализ наиболее подходящих для каждого из
этих переходов вариантов технологических схем. По этим схе-
мам составляется каталог технологических карт ремонта. В ка-
честве вспомогательного материала используются типовые тех-
нологические карты, входящие в состав технологической карты
в виде приложений.
Разработка технологической карты предполагает самое ши-
рокое применение таких типизированных схем.
Установив два, максимум три наиболее подходящих вари-
анта капитального ремонта, производят высотную и плановую
привязку их для конкретного перехода, определяют фактиче-
ские объемы работ и проводят расчетное обоснование основных
элементов технологических схем.
399
Детализация технологических схем капитального ремонта
переходов второй и последующих очередей осуществляется
в дальнейшем с привлечением новых материалов обследования.
Покажем пример детализации намеченной схемы по переходу
одного из реальных трубопроводов.
К моменту составления технологической карты имелись
лишь планы линий урезов воды на 1965 и 1969 гг., а также ма-
териалы подробного обследования, выполненного в 1976 г.
На рис. 14.6 приведен совмещенный план участка реки на
переходе четырех трубопроводов (данные десяти лет).
Срок цикла капитального ремонта для переходов рекомен-
дуется установить в 20 лет.
Переход отнесен к первой группе. Анализ совмещенных пла-
нов позволил четко установить тип участка перехода.
Из плана видно, что переход расположен в излучине реки,
имеющей достаточно крутой правый и пологий левый берега,
сложенные иловатыми суглинками. Участок реки, представ-
ляющий излучину такого вида, относится к участкам свободного
РИС. 14.6.
Совмещенный план участка перехода через реку:
--------Урез 1976 г.; —урез 1969 г.;-------урез 1965 г.; 1, 2, 3, 4 — нитки трубо-
проводов
400
или незавершенного меандрирования. Наличие совмещенных
планов позволяет уточнить тип участка перехода и отнести его
к участкам с незавершенным меандрированием. Наиболее ха-
рактерным признаком участков этого типа является тенденция
к прорыву меандры до завершения полного цикла меандриро-
вания, чему в рассматриваемом случае способствует относи-
тельно легко размываемый грунт левого берега. Из плана
видно, что урез воды (при одинаковых уровнях) выше створов,
а также в створах ниток 3 и 4 переходов переместился по на-
правлению к колодцам левого берега, что одновременно при-
вело к изменению гидродинамической оси потока. Так, по
створу нитки 4 это смещение составляло около 50 м. Одновре-
менно происходит и размыв правого берега. Ниже створов и
в створах ниток 1 и 2 происходит намыв левого берега и раз-
мыв правого. На всем участке постепенно перемещается лево-
бережный побочень вниз по течению. Это приводит к размыву
левого берега на участке перехода, начиная от створов верхних
ниток вниз по течению. Плес, находящийся выше створов ни-
ток 3 и 4, постепенно смещается вниз и через несколько лет
достигнет створов ниток 3 и 4, а в дальнейшем — 1 и 2.
Поскольку тип участка перехода определен, можно далее
говорить об ожидаемой наибольшей деформации русла в створе
перехода. Ясно, что она будет продолжаться в направлении
смещения верхнего плеса и приведет к понижению дна реки
в створе до низшей отметки плеса, а в плане деформация русла
будет продолжаться до спрямления уреза воды. При этом в рус-
ловой части окажутся не только сами переходы, но и поймен-
ный трубопровод. Что касается ниток 1 и 2 перехода, то оголен-
ная в настоящее время у правого берега нитка 2 должна быть
со временем занесена грунтом, а у левого берега следует ожи-
дать размывы.
Таким образом, только установление типа перехода позво-
ляет произвести качественную оценку планового и количествен-
ного высотного положений дна реки в створе перехода. Отсут-
ствие плана на 1965 и 1969 гг. не позволило сделать количест-
венную оценку плановых деформаций дна русла. Если же за
основу взять только перемещения линий урезов, то среднегодо-
вое смещение уреза в створе нитки 4 составляет около 6,5 м.
При такой скорости урез воды подойдет к колодцу нитки 4 уже
к 1980—1982 гг. Исходя из изложенного, состояние рассматри-
ваемого перехода можно кратко охарактеризовать следующим
образом:
по ниткам 3 и 4 — нитка 4 находится в состоянии, требую-
щем срочного ремонта, так как длина размытого участка будет
увеличиваться, нитка 3 пока еще не размыта, но в течение
1977—1980 гг. будет размыта у левого берега;
по ниткам 1 и 2 — нитка 1 размыта у правого берега, однако
этот размыв имеет временный характер; следует ожидать его
401
занесения грунтом. Ожидается к 1980—1982 гг. размыв обеих
ниток у левого берега.
В соответствии с этими данными в технологической карте
намечаются несколько вариантов технологических схем. Прово-
дится отбор одного-двух вариантов, наиболее соответствующих
состоянию переходов ко времени составления карты.
В качестве таковых для ниток 3 и 4, учитывая, что в 1971 г.
подводные трубопроводы были заменены новыми, рекомен-
дуется: первый вариант — заглубление трубопроводов за пре-
делы зоны ожидаемого размыва на наибольшую глубину верх-
него плеса на левом берегу и перенесение или временное за-
крепление от размыва колодца на правом берегу;
второй вариант — подсадка и заглубление размытого участка
нитки 4 и выполнение комплекса берегоукрепительных работ
на участке около 100 м выше нитки 4.
Выполнение как первого, так и второго вариантов обеспечит
длительную эксплуатацию всех переходов. Однако осуществле-
ние второго варианта приведет к устойчивому воздействию по-
тока на правый берег на нитки 1 и 2, что вызовет длительный
интенсивный размыв берега и оголение трубопровода у правого
берега. Для предотвращения размыва правого берега потре-
буется его основательное закрепление.
Таким образом, в рассматриваемом случае вопрос, выбора
основного варианта решается достаточно просто: технически и
экономически более выгоден первый вариант, который и прини-
мается в качестве основного.
Далее производят привязку элементов типовой технологиче-
ской схемы ремонта, связанной с заглублением приурезного и
берегового участков, выполняют необходимые расчеты. Все эти
материалы входят составной частью в технологическую карту.
Для упрощения выбора технологической схемы капитального
ремонта приведены пять типовых технологических схем
(рис. 14.7—14.11).
Ремонт трубопровода с удалением его из во-
доема.
Вытаскивание трубопровода из водоема осуществляется
в тех случаях, когда требуется полностью заменить изоляцию
или отремонтировать прокорродировавшие участки труб, зава-
рить каверны, разбросанные по длине перехода.
В технологической карте данного способа ремонта (рис. 14.7)
показаны последовательность основных элементов схемы и воз-
можные варианты их выполнения. В такой последовательности
и рассмотрим технологию ремонта по данной схеме.
Земляные работы производятся для вскрытия трубопровода.
Часть грунта разрабатывается на береговых участках, а часть
в русле.
Береговые участки обычно разрабатывают экскаватором,
оборудованным драглайном. Это позволяет разработать не
402
Удаление
трубопровода
Ремонт
на берегу
Укладка
|Обследование
Берега
I
Земляные
работы
Водолазное |
Погружение с
поверхности
Сварка I—
Изоляция |
Вытаскивание
Всплытие
|Экскаватором |
['Гидромонитором
Пневмогрунтососом
| Землесосом
Землеснарядом |
Тракторами ]
Лебедками ~|
Продувка |
Понтонами|
Изоляция"
Без изменения направления
движения
| Засыпка |*
|Испытание
Присоединение
/врезка/
РИС. 14.8.
Схема ремонта трубо-
провода с подъемом от-
дельного участка на по-
верхность
Протаскивание С.
по дну
С .изменением направления '
движения
С последовательным
наращиванием
Подо льдом "]
Установка в створ
протаскиванием
Установка в створ
разворотом
Укладка со льда |
Отстропкой понтонов
Эхолотом,телевидением |
I Землесосом ]
-|С шаланд |
•j Гидромонитором
Гидравлическое *~[
Пневматическое | .
Ремонт
рубопровода
Подъем на
поверхность
Земляные
работы
Опуск отремонтиро-
ванного участка
или продвижение
вперед
РИС. 14.7.
Схема ремонта трубо-
провода с удалением
его из водоема
Земмашиной|
Землесосом или грунтососом|
Пневмогрунтососом |
Краном |
С понтонами [
Продувкой |
Сварка]------[ изоляция |
Замена участка
трубопровода
Изоляция |
Засыпка
С плавсредств |
Землесосом |
Гидромонитором |
Земляные
работы
Засыпка
трубопровода
Подсыпка под трубу
С плавсредств |
Углубление береговой
траншеи
-[Экскаватором
-[Гидромонитором
•[Грунтосбсом
Подъем на
поверхность
Краном______
С понтонами
Без понтонов
Ремонт
трубопровода
Сварочные работы [•
Изоляция
{Изоляция |
(Укладка"
[Засыпка'
С берега [
С плавсредств |
Наброской камня |
Берего-
укрепление
<[ Хворостяные тюдряки |
^Каменная наброска
-[Каменное мощение
'(Бетонные плиты I
РИС. 14.9.
Схема ремонта берегового уча-
стка с подъемом труб на по-
верхность
РИС. 14.10.
Схема заглубления провисающего участка трубопровода
РИС. 14.11.
Схема укрепления берега
Земляные
работы
Срезка"]
.Подсыпка
Планировка
Крепление
Подводной части
Сухопутной части~|------|Бульдозером|
Скрепером |
Гидромонитором!
Фашинное |
Каменная наброска|
Каменная отмостка|
Бетонные плиты |
только сухопутную часть берегов, но и некоторый объем грунта,
находящегося под водой. При вскрытии трубопровода толщина
грунтового валика должна обеспечивать защиту труб от воз-
можных ударов ковшом экскаватора.
Если берега сложены песчаными или супесчаными грунтами,
то вскрытие трубопровода может быть выполнено гидромони-
торной установкой. Размыв грунта ведется от уреза воды. Эф-
фект этого способа тем выше, чем больше глубина траншеи.
Практическая реализация приведенных схем осуществляется
теми же приемами, что и строительство новых подводных тру-
бопроводов.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Характеристика трубопроводов
Диаметр трубопро- вода, мм Вес единицы длины трубопровода, кгс/м Площадь сечения, см2 Момент инерции сечения J, см4 Момент сопротив- ления W, см3
пустого с водой оснащенного
в воз- духе в воде
пус- того заглу- шенного пустого с во- дой
219X10 219X11 51,5 56,4 82,6 30,8 71,2 76,1 10,4 15,3 41,5 45,7 65,6 71,8 3 590 3 890 327 355
325X8 62,5 137,4 91,7 —25,6 49,4 79,6 10 010 615
325X9 70,1 144,3 99,3 —18,0 56,0 89,3 11 150 686
325Х10 77,7 150,9 106,9 —10,4 62,6 98,9 12 270 755
325X11 85,2 157,3 114,4 —2,9 69,1 108,5 13 370 822
325Х 12 92,6 163,8 121,8 4,5 75,6 117,9 14 450 889
426X8 82,5 214,5 120,8 —66,8 65,2 105,3 22 942 1 077
426X9 92,6 223,6 130,9 —56,7 74,0 117,8 25 593 1 201
426X10 102,6 231,6 140,9 —46,7 82,7 130,6 28 243 1 325
426Х 12 122,5 249,0 160,8 —26,8 100,1 156,0 33 418 1 569
529X8 102,8 309,5 150,4 —125,4 81,2 131,0 46 878 1 680
529X9 115,4 319,9 163,0 —112,8 92,2 146,9 49 613 1 875
529X10 128,0 331,3 175,6 —100,2 120,2 163,0 54 659 2 066
529X11 140,5 342,3 188,1 —87,7 114,1 178,9 59 927 2 265
529Х 12 153,0 363,0 200,6 —75,2 125,0 194,8 64 915 2 454
720X8 140,5 529,7 205,2 —277,9 111,1 179,0 113 407 3 150
720X9 157,8 543,8 222,5 —260,6 126,2 200,9 126 812 3 523
720X10 175,1 559,9 239,8 —243,3 140,7 222,9 140 140 3 893
720X11 192,3 575,3 257,0 —226,1 156,4 244,9 153 420 4 262
720Х12 209,6 591,1 274,3 —208,8 171,4 266,8 166 649 4 629
820X9 180,0 684,0 253,7 —360,9 144,0 229,2 188 503 4 598
820X10 199,8 701,8 273,5 —341,1 161,3 254,3 208 446 5 084
820X11 219,5 719,5 293,2 —321,4 178,4 279,4 228 340 5 569
820Х12 239,1 736,1 312,8 —301,8 195,6 304,5 248 136 6 053
820Х14 278,3 770,3 352,0 —262,6 229,8 354,8 287 630 7 015
820X16 317,2 804,9 390,9 —223,7 264,0 404,0 326 700 7 968
406
Продолжение
Диаметр трубопро- вода, мм Вес единицы длины трубопровода, кгс/м Площадь сечения, см2 Момент инерции сечения J, см4 Момент сопротив- ления W, см3
о о о к с водой оснащенного
в воз- духе в воде
. пус- того заглУ" с во- щенного й пустого *
1020X11 273,7 1055,7 365,4 —559,3 222,6 348,5 441 490 8 657 1020X12 298,3 1077,3 390,0 —534,7 244,0 379,8 481 180 9 435 1020X14 347,3 1119,3 439,0 —485,7 286,7 442,2 557 620 10 933 1020X16 396,2 1162,9 487,9 —436,8 329,4 504,0 636 084 12 472 1020X 20 493,2 1247,5 584,9 —339,8 412,0 628,4 784 294 15 406 1220X12 357,5 1479,5 454,2 —830,4 282,5 455,2 830 550 13615 1220X14 416,4 1531,4 513,1 —771,5 343,9 530,2 964 320 15 809 1220X16 475,1 1584,1 571,8 —712,8 383,8 612,0 1 096 868 17 982 1220X 20 591,9 1685,5 688,6 —596,0 497 754,1 1 357 501 22 254 1420X14 485,4 2005,4 613,0 —1120,2 400,9 618,1 1 523 410 21 457 1420X17 588,2 2096,9 715,8 —1017,4 488,0' 748,0 1 843 977 25 972 1420X20 690,5 2186,2 818,1 —915,1 579,8 879,7 2 155 557 30 360
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алперин И. Е., Быкоа Л. С., Гуревич В. Б. Укрепление берегов судо-
ходных каналов, рек и водохранилищ. М., Транспорт, 1973.
2. Бабаков И. М. Теория колебаний. М., Наука, 1965.
3. Башаратьян П. П., Забродин Ю. Н., Ситов В. В. Сооружение под-
водного перехода через р. Дунай на газопроводе СССР—НРБ.— Проектиро-
вание и строительство трубопроводов и газонефтепромысловых сооружений.
М., изд. НИПИЭСУнефтегазстрой,^ вып. 2, 1976, с. 3—9.
4. Барштейц М. Ф. Динамический _ расчет высотных сооружений. М.,
Госстройиздат, 1957.
5. Блевинс Р. Д., Бертон Т. Е. Гидродинамические силы, обусловленные
срывом вихрей.— Теоретические основы инженерных расчетов. М., Мир, № 1,
1976, с. 125—134.
6. Бородавкин П. П., Березин В.. Л. Сооружение магистральных трубо-
проводов, М., Недра, 1977.
7. Бородавкин П. П., Еременко А. П. Методы и устройства, применяе-
мые при обследовании подводных трубопроводов. М., изд. ЦНТИ ВНИИСТ,
1974.
8. Бородавкин П. П., Кольцов А. А., Шадрин О. Б. Вопросы капиталь-
ного ремонта подводных переходов нефте- и продуктопроводов. М., изд.
ВНИИОЭНГ, 1967.
9. Бородавкин П. ГГ, Таран В. Д. Трубопроводы в сложных условиях.
М., Недра, 1968.
10. Бородавкин П. П., Шадрин О. Б. Вопросы проектирования и капи-
тального ремонта подводных переходов трубопроводов. М. изд. ВНИИОЭНГ,
1971.
11. Бородавкин П. П., Шадрин О. Б., Черняев Д. А. Вопросы проекти-
рования и эксплуатации подводных переходов нефте- и продуктопроводов.
М., изд. ВНИИОЭНГ, 1966.
12. Брюер, Диксон. Влияние перемещений баржи-трубоукладчика на
укладку глубоководного трубопровода с натяжением.— Конструирование и
технология машиностроения. М., Мир, 1970, № 3, с. 72—82.
13. Девнин С. И. Гидроупругость конструкций при отрывном обтекании.
Л., Судостроение, 1975.
14. Духин И. Е. Расчет обледенения подводного газопровода.— Газовая
промышленность, 1968, № 6, с. 12—14.
15. Искендеров И. А. Вопросы проектирования и строительства морских
трубопроводов. Баку, Азернешр, 1970.
16. Испытания способа укладки трубопроводов в глубоких водах про-
тягиванием по дну.— Экспресс-информация ВИНИТИ «Подводно-техниче-
ские, водолазные и судоподъемные работы», 1977, № 1, с. 17.
17. Кульмач П. П. Гидродинамика гидротехнических сооружений. М..
изд. АН СССР. 1963.
408
18. Левин С. И. Подводные трубопроводы. М., Недра, 1970.
19. Мадатов Н. М. Подводная сварка и резка металлов. Л., Судострое-
ние, 1967.
20. Планкетт Р. Статические напряжения изгиба в цепных линиях и ко-
лоннах буровых штанг.— Конструирование и технология машиностроения.
М., Мир, 1967, № 1, с. 39—44.
21. Плахтий А. К. Приборы и методы поиска подземных сооружений
при выполнении инженерно-геодезических работ. М., Недра, 1969.
22. Попов И. В. Деформации речных русел и гидротехническое строи-
тельство. Л., Гидрометеоиздат, 1969.
23. Прокладка подводного трубопровода в ФРГ.— Экспресс-информа-
ция ВИНИТИ «Транспорт и хранение нефти и газа». 1977, № 31, с. 13—17.
24. Сезин А,- И., Крупкин Б. Н. Опыт укладки подводных газопроводов
с использованием рельсовой спусковой дорожки.— В кн.: Механизация строи-
тельства. М., Изд. ВНИИЭгазпром, 1973, № 6, с. 3—8.
25. Сварка подводных трубопроводов с применением подводных ка-
мер.— Экспресс-информация ВИНИТИ «Транспорт и хранение нефти и
газа». 1977, № 35, с. 13—16.
26. Современные способы сварки магистральных трубопроводов плавле-
нием/А. Г. Мазель, Ж. А. Полузьян, А. С. Рахманов и др. М., Недра, 1979.
27. Сооружение подводного перехода через Енисей./В. Л. Вальковский,
А. И. Сезин, Ю. Ф. Моряков и др./—Строительство трубопроводов, 1969,
№ 9, с. 25—26.
28. Сооружение подводных трубопроводов.— Экспресс-информация
ВИНИТИ «Подводно-технические, водолазные и судоподъемные работы».
1977, № 36, с. 25—38.
29. Трещевский В. Н., Волков Л. Д., Короткий А. И. Аэродинамический
эксперимент в судостроении. Л., Судостроение, 1976.
30. Укладка подводных трубопроводов с регулированием внутреннего
давления.— Экспресс-информация ВИНИТИ «Транспорт и хранение нефти
и газа». 1977, № 34, с. 1—3.
31. Федяевский К. К., Блюмина Л. X. Силы вихревой природы, дейст-
вующие на вынужденно колеблющийся цилиндр.— Труды конференции по
аэродинамике и аэроупругости высоких строительных сооружений. М., Изд.
ЦАГИ, 1974, с. 110—126.
32. Холл, Хили. Теоретическое исследование регулируемой плавучести
при укладке глубоководных морских трубопроводов.— Конструирование и
технология машиностроения. М., Мир, 1975, № 1, с. 265—273.
33. Шадрин О. Б., Сулейманов И. Н. Вопросы проектирования подвод-
ных трубопроводов. М., изд. ВНИИСТ, 1974. 26 с.
34. Шкундин Б. М. Землесосные работы в гидротехническом строитель-
стве. М„ Высшая школа, 1977.
35. Jones G. W, Cinocotta J. J., Walker R. W. Aerodynamic forces on a
stationary and oscillating circular cylinder at high Reynolds numbers. NASA
TR R-300, 1969.
36. J. W. G. van Nunen. Steady and unsteady pressure and force measu-
rements on a circular cylinder in a cross flow at high Reynolds Humbers. Sym-
posium on flow-induced structural vibrations. Paper H6. Karlsruhe, 1972.
409
37. Loiseau H., Szechenui E. An experimental study of the dynamic lift
on a cylinder subjected to a high Reynolds Number flow perpendicular to its
axis. Symposium on flow-induced structural vibrations. Paper H6, Karlsruhe,
1972.
38. Masubuchi Koichi. Underwater welding and cutting. “Mar. Technol. Soc.
J.” 1975, 9, N 1, 32—37.
39. Mes M. J. Vortex shedding can cause pipe lines to break. “Pipeline
and Gas J.”, 1976, 203, Nil, 28—42.
40. Mikio Hino. Hydroelastic random vibration of circular cylinder at high
Reynolds numbers. JAHR Congress, Leningrad, 1965.
41. Naudascher E. On the role of eddies in flow-induced vibrations, JAHR
Congress, London, 1963, Rap. 9, p. 61—72.
42. Reifel Michael D. Laying stresses calculated for deepwater pipeline.—
“Oil and Gas J.” 1974, 72, N 49, 77—81.
43. Roshko A. Experiments on the flow past a circular cylinder at very
high Reynolds number.— “J. Fluids Mechanics”, 1961, vol. 10, N 3, p. 345—
356.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 3
ГЛАВА 1.
КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКЦИИ ПОДВОДНЫХ ТРУБО-
ПРОВОДОВ 5
§ 1.1. Классификация подводных трубопроводов 5
§ 1.2. Конструктивные схемы подводных трубопроводов 8
§ 1.3. Конструкции трубопроводов Ю
ГЛАВА 2.
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ *5
§ 2.1. Инженерные изыскания на участках подводных переходов 15
§ 2.2. Инженерные изыскания при строительстве морских трубопроводов 18
§ 2.3. Учет переформирования берегов и дна русла реки при проектиро-
вании трубопроводов 24
ГЛАВА з.
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОДВОДНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ 26
§3.1. Распределение скоростей в плане и по глубине потока 26
§ 3.2. Распределение скоростей потока в подводных траншеях 28
§ 3.3. Воздействие течений на подводные трубопроводы 32
§ 3.4. Определение силового воздействия потока на трубопроводы, рас-
положенные в подводных траншеях 41
§ 3.5. Основные элементы: волн 46
§ 3.6. Волновое воздействие на подводные трубопроводы 53
ГЛАВА 4.
РАСЧЕТ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ И
УСТОЙЧИВОСТЬ 57
§4.1. Расчет подводных трубопроводов на прочность 57
§ 4.2. Расчет устойчивости речных подводных трубопроводов 66
§ 4.3. Расчет устойчивости морских трубопроводов 69
ГЛАВА 5.
КОЛЕБАНИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 75
§5.1. Механизм колебаний подводных трубопроводов. 75
§_5.2. Частота переменной гидродинамической силы 79
§ 5.3. Величина переменной гидродинамической силы, вызывающая коле-
бания трубопровода 84
ЯП
§ 5.4. Инерционное воздействие окружающей трубопровод воды при по-
перечных колебаниях 87
§ 5.5. Рассеяние энергии при поперечных колебаниях подводных трубо-
проводов 91
§ 5.6. Определение собственной частоты колебаний трубопроводов 94
§ 5.7. Динамический расчет подводных трубопроводов от воздействия те-
чения 99
§ 5.8. Расчет резонансных колебаний подводных трубопроводов 101
ГЛАВА 6.
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ СТВОРОВ И ПРОФИЛЕЙ ПОДВОД-
НЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 105
§6.1. Общие сведения о выборе оптимального варианта подводного пе-
рехода 105
§ 6.2. Расчет предельной границы деформации дна и берегов реки
в створе подводного трубопровода 108
§ 6.3. Проектирование оптимального профиля подводных трубопроводов 110
§ 6.4. Распределение балласта по длине подводного трубопровода 119
ГЛАВА 7.
ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДВОДНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ 121
§7.1. Классификация земснарядов 122
§ 7.2. Разработка траншей землесосными снарядами 123
§ 7.3. Разработка траншей гидромониторами и гидромониторными снаря-
дами 127
§ 7.4. Разработка траншей ковшовыми снарядами 127
§ 7.5. Перемещение земснарядов при разработке траншей. Ориентирова-
ние земснарядов 129
§ 7.6. Разработка траншей канатно-скреперными установками 132
§ 7.7. Трубозаглубительные снаряды и их применение при строительстве
речных и морских трубопроводов 135
§ 7.8. Заглубление в грунт подводных морских трубопроводов с приме-
нением специальных устройств 139
§ 7.9. Разработка траншей экскаватором и устройство береговых траншей 144
§ 7.10. Организация разработки подводных траншей 146
§ 7.11. Взрывные работы при разработке подводных траншей 149
ГЛАВА 8.
УКРЕПЛЕНИЕ БЕРЕГОВ В СТВОРАХ ПОДВОДНЫХ ТРУБО-
ПРОВОДОВ 152
§ 8.1. Набросные, плитные и тюфячные крепления 152
§ 8.2. Крепление из хвороста и каменное мощение откосов. 156
412
§ 8.3. Укрепление откосов берегов рек и водохранилищ отсыпкой гравия
и щебня, посадкой кустарников и трав 157
§ 8.4. Проектирование берегоукреплений. Нагрузки и воздействия на бе-
регоукрепления 158
§ 8.5. Разрушение берегоукреплений в период эксплуатации подводных
трубопроводов 160
§ 8.6. Ремонт берегоукреплений- 161
ГЛАВА 9.
ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖНЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 163
§9.1. Организация строительства подводных переходов 163
§ 9.2. Сварочные работы. Подводная сварка и резка трубопроводов 166
§ 9.3. Защита подводных трубопроводов от коррозии 174
§ 9.4. Балластировка подводных трубопроводов чугунными и железобе-
тонными грузами 179
§ 9.5. Балластировка монолитным бетонным покрытием 185
§ 9.6. Балластировка сплошным покрытием из сборных железобетонных
элементов 191
§ 9.7. Закрепление трубопроводов анкерными устройствами 194
§ 9.8. Регулирование плавучести трубопроводов. Конструкции понтонов 198
ГЛАВА ю.
ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ПРОТАСКИВАНИЕМ И РАСЧЕТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ 206
§ 10.1. Укладка подводных трубопроводов способом протаскивания 206
§ 10.2. Конструкции спусковых дорожек 216
§ 10.3. Машины и механизмы для протаскивания подводных трубопрово-
дов 222
§ 10.4. Расчет протаскивания подводного трубопровода 228
§ 10.5. Примеры укладки трубопроводов способом протаскивания 238
§ 10.6. Укладка протаскиванием с распределением тягового усилия по
длине трубопровода 243
§ 10.7. Сооружение подводных переходов методом наклонного бурения 247
ГЛАВА 11.
УКЛАДКА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОВЕРХНОСТИ
ВОДЫ 249
§ 11.1. Подготовка к укладке и установка в створ трубопровода 249
§ 11.2. Укладка трубопровода способом свободного погружения 257
§ 11.3. Расчет укладки трубопровода способом свободного погружения
в начальный и конечный этапы погружения 268
§ 11.4. Укладка свободным погружением коротких плетей трубопровода 274
§ 11.5. Регулирование глубины погружения и технологические схемы ук-
ладки трубопроводов свободным погружением 278
413
§ 11.6. Расчет глубины погружения и напряженного состояния подводных
трубопроводов, укладываемых по схеме свободного погружения
с применением натяжения 281
§ 11.7. Расчет укладки подводных трубопроводов, имеющих отрицатель-
ную плавучесть, с опорных устройств 289
§ 11.8. Расчет укладки подводных трубопроводов с опорных устройств
с применением натяжения 296
ГЛАВА 12.
ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
И РАСЧЕТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ 302
§ 12.1. Укладка трубопроводов с трубоукладочных барж 302
§ 12.2. Трубоукладочная баржа «Сулейман Везиров» 306
§ 12.3. Укладка трубопровода с судна, оборудованного барабаном 308
§ 12.4. Конструкции стрингеров трубоукладочных барж .310
.§ 12.5. Расчет напряженного состояния и глубины погружения глубоко-
водных трубопроводов 321
§ 12.6. Определение длины стрингера в зависимости от натяжения тру-
бопровода 325
§ 12.7. Регулирование напряженного состояния при укладке глубоковод-
ных морских трубопроводов 332
§ 12.8. Влияние перемещений баржи, воздействия волн и течений на на-
пряженное состояние трубопроводов при погружении 337
§ 12.9. Воздействие гидростатического давления на подводный трубопро-
вод 338
§ 12.10. Расчет укладки трубопровода по схеме гибкой нити 342
§ 12.11. Расчет напряженного состояния при укладке трубопроводов с
понтонами переменной плавучести 345
§ 1212. Укладка подводных трубопроводов с применением поддержива-
ющего троса 349
§ 12.13. Укладка трубопровода с размещением внутри него специальных.
устройств, регулирующих плавучесть '351
§ 12.14’ Примёнение специального поддерживающего устройства при у к-.
ладкё трубопровода; с последовательным наращиванием плетей 354
.§ 12.15. Подъем, соединение й укладка плетей подводных трубопроводов 35.6
§ 12.16. Укладка морского подводного трубопровода из отдельных пле-
тей, погружаемых на дно 361
ГЛАВА. 13.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 362
'§13.1. Технический контроль и приемка в-эксплуатацию подводных тру-
бопроводов 362
§ 13-2. Обследование состояния подводных трубопроводов 364
43.3. Приборы и устройства для определения положения подводных
трубопроводов 373
§ 13.4. Анализ причин аварийных состояний подводных переходов 378
§ 13-.5. Прогноз состояния подводных трубопроводов 379
414
ГЛАВА 14.
РЕМОНТ РЕЧНЫХ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 387
§ 14.1. Составление технологических карт капитального ремонта. Основ-
ные положения 387
§ 14.2. Оценка состояния отдельных подводных переходов. Прогноз ожи-
даемых воздействий руслового потока на подводные трубопроводы 390
§ 14.3. Определение сроков ремонта 393
§ 14.4. Составление технологической карты капитального ремонта 395
§ 14.5. Выбор технологических схем и способов производства ремонтных
работ 399
приложение 406
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 408