Прокладка газопроводов в многолетнемерзлых грунтах

Большая часть территории России расположена в зоне вечной мерзлоты. Кстати, это явление глобальное. Единственный материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью, — Австралия. Даже в Африке она есть в высокогорных районах.

Многолетнемерзлые грунты располагаются в верхней части земной коры, температура которой три года и более не поднимается выше 0 °C. Во многих местностях подобное длится тысячелетиями.

Рис.1 Распространение мерзлоты в России

В России зона вечной мерзлоты занимает около 65% территории, общая площадь равна примерно 10,7 млн. км². Расположена она в основном в Сибири и на Дальнем Востоке (рис.1), но и в Европейской части присутствует. Полоса начинается с Кольского полуострова и далее идет на восток почти по Северному полярному кругу до Урала. Оттуда она тянется на восток и на юг. Самая глубокая вечная мерзлота находится в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекорд — 1370 метров ниже отметки поверхности грунта.

Большая часть газифицированных регионов расположена вне зоны вечной мерзлоты. Но основной газодобывающий район расположен в Ямало-Ненецком автономном округе. С Уренгойского месторождения началось освоение газовых богатств Западной Сибири. Оно расположено немного южнее Северного Полярного круга. Ямал дает в настоящее время 80% добычи природного газа России.

Рис.2 Схема газификации Дальнего Востока

Сегодня идет развитие систем газоснабжения в Сибири и на Дальнем Востоке. Газ пришел на Камчатку и в Хабаровский край, на Сахалин, в Амурскую область и Приморский край (рис.2). Планируется подача голубого топлива в Красноярск, Забайкальский край и Бурятию по газопроводу «Сила Сибири-2». В Европейской части принято решение о газификации Мурманской области. Отсюда вывод: объемы строительства газопроводов в зоне вечной мерзлоты с каждым годом будут увеличиваться. Только для Мурманска построят магистральный газопровод от Волхова протяженностью более 1300 км.

Мерзлые грунты

Основными компонентами мерзлых грунтов являются твердые минеральные частицы, лед и газообразные включения. Мерзлый грунт содержит лед в виде видимых включений (кристаллов, слоев, жилок, линз) и/или льда-цемента, он имеет отрицательную или нулевую температуру (рис.3)

Рис.3 Слой льда в мерзлом грунте

В замерзшем состоянии вечная мерзлота представляет надежную опору для строительных конструкций. Правда, есть проблема. Сверху находится деятельный слой – это поверхностный грунт, который ежегодно оттаивает летом и вновь замерзает зимой. Толщина оттаявшего слоя составляет в среднем в зависимости от региона от 0,5 до 2 м. Но главная опасность для объектов капитального строительства — тепло, выделяющееся при эксплуатации здания, сооружения или коммуникации, которое нагревает мерзлоту. При переходе грунтов из мерзлого состояния в талое их несущая способность понижается, причем чем больше льда (а при оттаивании — воды), тем хуже.

Принципы строительства на мерзлых грунтах

При строительстве в зоне вечной мерзлоты применяют два подхода:

• использование грунтов основания в мерзлом состоянии;

• использование грунтов в оттаивающем или оттаявшем состоянии.

Рис.4 Здание на вечной мерзлоте

Первый вариант предпочтительнее для грунтов, находящихся в твердомерзлом состоянии. Для его сохранения устраивают продуваемое холодное подполье с естественной вентиляцией. Здания возводят на железобетонных сваях (рис.4). Между верхней частью фундамента — ростверком — и поверхностью земли создают вентилируемое пространство высотой 1–1,5 метра, которое предотвращает оттаивание грунта вокруг свай.

Второй подход применяется при неглубоком залегании скальных грунтов, а также в зонах не сплошного распространения вечной мерзлоты. При этом в процессе эксплуатации зданий и сооружений необходимо предусматривать мероприятия по уменьшению неравномерности осадок путем равномерного распределения нагрузок на фундаменты и устройства теплоизолирующей искусственной грунтовой подушки под основанием зданий и сооружений.

Способы прокладки газопроводов

При строительстве трубопроводов в многолетнемерзлых грунтах применяются три способа прокладки: наземный, надземный и подземный. Наземный способ предполагает минимальное повреждение грунта основания. Не требуется балластировка трубопровода при переходе через обводненные или заболоченные участки.

Рис.5 Наземная прокладка газопровода

Наземная прокладка газопровода выполняется в обваловании с укладкой его на основание с подсыпкой из песчаного или глинистого грунта толщиной не менее 10 см над выступающими частями основания (рис5). Защиту от повреждений газопровода обеспечивают устройством присыпки из песчаного или глинистого грунтов на толщину не менее 20 см над верхней образующей трубы. Плюсовой допуск на толщину присыпки составляет 10 см, минусовой равен нулю.

Рис.6 Надземный газопровод в тундре

Надземную прокладку газопровода выполняют на земляных подушках при строительстве газопроводов на основании из многолетнемерзлых грунтов в оттаявшем состоянии и (или) на опорах и сваях при использовании оснований в мерзлом состоянии (рис.6). При надземной прокладке газопровода может происходить снижение несущей способности свайных опор, деформации морозного пучения опор и повышение температур грунтов вследствие снегозаносов. Все это приводит к потере устойчивости и, как следствие, к аварии газопровода.

Подземную прокладку газопроводов следует выполнять при отрицательной температуре газа, за исключением прокладки газопровода в многолетнемерзлых грунтах 1-го типа. При подземной прокладке основной задачей является обеспечение безаварийной работы трубопровода в условиях снижения прочности, а также изменения несущей способности грунта в основании газопровода из-за оттаивания по причине растопляющего действия транспортируемого газа. К неоднородному оттаиванию мерзлых грунтов приводят неоднородные изменения свойств грунта вдоль трассы газопровода, неравномерное распределение ледяных включений и изменение теплофизических свойств грунтов.

Рис.7 Строительство трубопровода зимой

Строительство газопроводов на многолетнемерзлых грунтах проводят зимой (рис.7), а в летний период выполняют сопутствующие работы.

Требования к трубам для газопроводов

В районах многолетнемерзлых грунтов для полиэтиленовых газопроводов должны применяться трубы и соединительные детали с SDR не более SDR 11 из ПЭ 100 или из ПЭ 100/ПЭ 100-RC с коэффициентом запаса прочности не менее 3,2 для газопроводов, прокладываемых на территориях поселений, и не менее 2,0 — для межпоселковых газопроводов.

При давлении газа до 0,3 МПа включительно и диаметрах 225 мм и менее следует применять полиэтиленовые трубы и соединительные детали из ПЭ 100 или ПЭ 100/ПЭ 100-RC с SDR не более 11, а при диаметрах свыше 225 мм — с SDR не более 17,6.

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь