Современные методы реконструкции подземных газопроводов в условиях застройки г. Белгорода

Повышение надежности работы подземных газопроводов, предупреждение их старения и оперативная ликвидация последствий аварий на сетях газоснабжения и газопотребления является одними из главных задач служб эксплуатации газораспределительных организаций города. Данный вопрос в настоящее время приобретает особую актуальность в области, где старение подземных газопроводов и другого оборудования различного назначения достигли критических уровней.

Ключевые слова: бестраншейная прокладка газопроводов, замена изношенных газопроводов, бестраншейная технология.

По своим масштабам и социальной значимости газовое хозяйство РФ является одной из важнейших отраслей не только ТЭК, но и всей экономики страны. В кризисные годы для России газовая промышленность сыграла решающую роль в обеспечении устойчивого и надежного энергоснабжения страны, во многом способствовав предотвращению коллапса экономики [1].

С завершением строительства магистрального газопровода Шебелинка — Белгород — Москва в 1958 году природный газ пришел на Белгородчину. Началась газификация Белгорода и ряда других населенных пунктов западной части области. Ввод в эксплуатацию газовых магистралей Ставрополь — Москва и Острогожск — Шебелинка позволил газифицировать города Алексеевка, Валуйки, Старый Оскол, Новый Оскол и другие населенные пункты восточной части региона. В марте этого же года образован трест «Белгородгоргаз».

17 января 1964 года решением Белгородского облисполкома № 13 организован областной трест по эксплуатации газового хозяйства «Белгородоблгаз» областного отдела коммунального хозяйства. После первоначального становления, важной вехой стала разработка в 1966 году институтом «Ленгипроинжпроект» Генеральной схемы газоснабжения Белгородской области. Этот документ на многие годы дал основные направления в формировании региональной системы газоснабжения. Общая протяженность газораспределительной сети Белгородской области в настоящее время составляет более 22 тыс. км. газопроводов (табл. 1), из них в собственности ОАО «Белгородоблгаз» — 17,9 тыс. км., также эксплуатируется более 9000 шкафных газорегуляторных пунктов, 901 газорегуляторный пункт и 2800 катодных станций [2].

Таблица 1

Анализ протяженности и структуры газораспределительных сетей Белгородской области

Таблица 2

Анализ возрастной структуры подземных газопроводов Белгородской области

При проведении работ в городе необходимо обеспечить безопасные условия их проведения на достаточно длительный период, что влечет за собой согласование с различными дорожными службами. При работе в зоне железных дорог приходится проводить различные специальные мероприятия по укреплению железнодорожного полотна, ограничивать скорость движения составов. При прохождении газопроводов через водоемы требуется применение специального водолазного оборудования, специальной техники для рытья траншей по дну, специальных мероприятий по прокладке дюкера и специального контроля его состояния в процессе дальнейшей эксплуатации. Нельзя забывать про затраты на временные сооружения, необходимые во время проведения работ. Не поддается экономическому анализу ущерб, который наносится окружающей среде при проведении работ по прокладке коммуникаций открытым способом. Важно отметить, что никто до настоящего момента не учитывал в расчетах косвенные финансовые потери (т. е. убытки граждан, предприятий и организаций, вызванные ведением работ по прокладке трубопроводов открытым способом), например отмену или изменение маршрутов городского транспорта, в том числе пассажирского и т. п.

Таким образом, необходимость проведения оперативных и качественных ремонтно-восстановительных работ на поврежденных участках трубопроводов газораспределительных сетей в современном городе обусловлена не только техническими, но и экономическим и социальными факторами [3].

Под бестраншейными технологиями понимаются технологии восстановления и прокладки, замены, ремонта и обнаружения дефектов в подземных газопроводах, с минимальным вскрытием земной поверхности.

В мировой практике в настоящее время существует шесть основных технологий бестраншейного ремонта изношенных подземных трубопроводов с использованием различного оборудования [4]:

1. «Труба в трубу» — протаскивание во внутреннюю полость ремонтируемого трубопровода новой плети трубопровода из полиэтилена.

2. «Труба в трубу — с разрушением» с увеличением диаметра на один сортамент, но с разрушением ремонтируемого трубопровода, что позволяет протаскивать или проталкивать новую полиэтиленовую плеть или отрезки большего размера, чем внутренний диаметр ремонтируемого трубопровода.

3. Санация — нанесение на внутреннюю поверхность ремонтируемого трубопровода предварительно очищенного и промытого, цементно-песчанного слоя различной толщины.

4. «Чулочная технология» — протаскивание внутрь ремонтируемого трубопровода, предварительно очищенного высоким давлением, синтетического чулка.

5. Технология «U-лайнер» — при которой внутрь предварительно очищенного ремонтируемого трубопровода протаскивается U-образная полиэтиленовая плеть с последующим ее распрямлением с помощью теплоносителя определенной температуры с последующим образованием нового цельного полиэтиленового трубопровода.

6. Локальный ремонт трубопровода с использованием ремонтного робота и ремонтной вставки.

Основные способы бестраншейной прокладки трубопроводов, которые получили наибольшее распространение в России — это [5]:

а. Способ прокола. Прокол лучше применять для прокладки труб малых и средних диаметров (не более 400–500 мм) в глинистых и суглинистых (связных) грунтах, вследствие чего требуются значительные усилия. Длина прокола труб не превышает 60–80 м.

Прокладываемые в толще грунта способом прокола трубы для уменьшения сопротивлений, возникающих при деформации грунта, и снижения сил трения при вдавливании трубы в грунт снабжаются специальными конусными наконечниками. Разновидности конусных наконечников приведены на рис. 1, а–д. Иногда применяют расширительные пояса с заглушками (рис. 1, р–ф). При небольшой длине прокола трубы прокладывают открытым концом (рис. 1, к).

Рис. 1. Наконечники для бестраншейной прокладки труб способом прокола (рис.1.): а,6, в — конусные; г — конусный с эксцентриситетом; д — конусный со штырем; е, ж— конусный с щелевыми прорезями; з — конусный с усеченной вершиной; и — конусный с отверстиями для увлажнения грунта; к — открытый конец трубы; л — открытый конец трубы с кольцом; м — съемная заглушка; н — кольцевой нож с наружным скосом кромок; о — то же; п — с приварной заглушкой; р— кольцевой нож с внутренним скосом кромок; с — кольцевой нож клиновидной формы с внутренним скосом кромок; т— нож серпообразного сечения; у — то же, с приварной заглушкой; ф — кольцевой нож с направляющими пластинками.

Тип и количество вдавливающих устройств, способных развить требуемое усилие, выбирают в соответствии с необходимым расчетным усилием вдавливания, которое зависит от диаметра и длины прокладываемого трубопровода, а также вида грунта. Необходимое нажимное усилие для продвижения в грунте прокладываемой трубы определяются расчетом по формуле (1)

(1)

где R_с — радиус сечения отверстия (скважины) в грунте; - коэффициент сопротивления грунта; — пористость грунта до прокалывания; — масса 1 м трубы (футляра), кг; — длина проходки (прокола), м; — коэффициент трения стали о грунт.

Гидропроколом трубы прокладывают с использованием кинетической энергии струи воды, выходящей под давлением из расположенной впереди трубы специальной конической насадки. Струя воды, выходящая из насадки под давлением, размывает в грунте отверстие диаметром до 500 мм, в котором прокладывают трубы. Удельный расход воды при этом зависит от скорости струи, напора воды и категории проходимых грунтов.

Бестраншейную прокладку трубопровода в несвязных песчаных, супесчаных и плывучих грунтах ускоряют способом вибропрокола. В установках для вибропрокола применяются возбудители продольно направленных колебаний.

Способом вибропрокола можно не только прокладывать трубопроводы диаметром до 500 мм на длину 35–60 м при скорости проходки до 20–60 м/ч, но и извлечь их из грунта.

б. Прокладка труб способом продавливания. Способ продавливания с извлечением из трубы грунтовой пробки или керна можно применять практически в любых грунтах I—IV групп, он пригоден для труб диаметром 800–1720 мм при длине прокладки до 100 м.

Бестраншейная прокладка труб продавливанием отличается тем, что прокладываемую трубу открытым концом, снабженным ножом, вдавливают в массив грунта, а грунт, поступающий в трубу в виде плотного керна (пробки), разрабатывают и удаляют из забоя.

Для продавливания труб применяют нажимные насосно-домкратные установки из двух, четырех, восьми и более гидродомкратов усилием по 500–3000 кН каждый с ходом штока 1,1–2,1 м, работающие от насосов высокого давления. Количество домкратов в установке зависит от необходимости нажимного усилия Р:

(2)

где q_с — удельное сопротивление вдавливанию ножа в грунт, кН; l — периметр ножа, м;

— коэффициент бокового давления грунта; — масса 1 м трубы (футляра), кг; L — длина продавливания трубы, м; — коэффициент трения трубы о грунт; P₁ — вертикальное давление на 1 м длины трубы;

(3)

где — плотность грунта, т/м³; D_{к —} диаметр кожуха (футляра), м; t_кр — коэффициент крепости грунта по проф. М. М. Протодьякову.

Приближенное необходимое усилие для продавливания трубы.

(4)

где I — сила трения грунта по поверхности трубы, равная 20–25 кН на 1 м² поверхности трубы, м; D_тр — наружный диаметр трубы, м; L — общая длина продавливания трубы, м.

Способ продавливания бывает с ручной разработкой грунта (рис. 2) и механической.

Рис. 2 Установки для прокладки труб методом продавливания: с ручной разработкой грунта. 1 — насосная станция; 2 — трубопровод; 3 — рабочий котлован; 4 — водоотводный поток; 5 — трубопровод (футляр); 6 — лобовая обделка (нож); 7 — приемный котлован; 8 — приямок для сварки труб; 9 — направляющая рама; 10 — нажимной патрубок; 11 — нажимная заглушка; 12 — гидродомкрат; 13 — башмак; 14 — упорная стенка; 15, 18 — канаты; 16 — ролики.

в. Прокладка труб способом горизонтального-направленного бурения. Процесс бурения и прокладки звеньев трубопровода в скважину может быть раздельным и совмещенным. При раздельном вначале бурят скважину, а затем после извлечения из нее бурового инструмента, протаскивают трубопровод. При совмещенном методе одновременно с продвижением бурового инструмента прокладывают трубу. Горизонтальное бурение предусматривает опережающую разработку грунта в забое с устройством скважины в грунте большого диаметра, чем прокладываемая труба. Этим способом можно устраивать подземные переходы трубопроводов диаметром до 1720 мм на длину 70- 80 м. Однако способ этот недостаточно эффективен в обводненных и сыпучих грунтах.

Горизонтально-направленное бурение является одним из приоритетных способов прокладки газопроводов и представляет собой способ образования скважин с запроектированными характеристиками, непрерывным мониторингом процесса бурения и корректировкой трассы в процессе ее строительства и осуществляется по известной схеме в три этапа: бурение пилотной скважины, последовательное расширение скважины и протягивание трубопровода.

В настоящее время реконструкция газопроводов в Белгородской области ведется методом прокола и ГНБ, а ремонт — методом санации.

Выбор бестраншейного способа прокладки труб зависит от диаметра и длины трубопровода, физико-механических свойств и гидрогеологических условий разрабатываемых грунтов. Выбор способа также зависит от наличия в строительных организациях соответствующих трубопрокалывающих, продавливающих и бурильных агрегатов, установок и оборудования.

Бестраншейные технологии превосходного себя зарекомендовали, особенно в тех местах, где прокладка траншейным способом невозможна, особенно, когда это связано с разрушением природоохранных зон (парков, скверов, садов и т. п.). При закрытом способе разработки за счет точечного рытья котлованов, которые в последующем отделываются в виде колодцев или смотровых. Рытье траншей даже вблизи деревьев может нарушить их корневую структуру и зеленые насаждения погибнут, также это может произойти из-за понижения грунтовых вод, вызванных рытьем каналов, что вызовет засыхание окружающей флоры. Кроме того, в виду неравномерности засыпки траншеи, довольно часто на ее месте образуются провалы или бугры, особенно после годичных перепадов температуры и выпадения осадков. Засыпая траншею, часто невозможно использовать повторно тот же грунт и приходится использовать засыпку не соответствующую по своему составу окружающему грунту. Тем самым и нарушается равномерность.

Необходима научно-обоснованная программа реконструкции и модернизации инженерных коммункаций. Именно гибкая стратегия планово-профилактического ремонта и реконструкции сети, ориентированная на ее реальное состояние, является, по моему мнению, наиболее эффективным методом долгосрочного обеспечения требуемой надежности газоснабжения, поддержания должного технического уровня, состояния трубопроводов и оборудования сети.

Бестраншейный метод позволяет избежать большинства проблем с экологической безопасностью: окружающая среда никогда не подвергается техногенному воздействию, связанному с уничтожением зеленых насаждений и травяного покрова как при применении открытого способа.

Часто, когда сравнивают открытый и закрытый способ разработки, учитывают только прямые расходы, идущие на строительство, и совсем забывают о косвенных и социальных расходах. В основном, это дополнительные затраты на приведение в порядок участка, расходы за нанесение вреда транспортным движением (объезды, пробки, повышенная аварийность, остановка движения на загруженных участках), шум, грязь, загазованность. Любой траншейный метод, даже когда используется качественная засыпка, в конце концов «проявит» себя, если использовался для пересечения дорожного полотна. Но надо учесть и тот факт, если эти косвенные и социальные расходы не учитывать, то даже при прокладке трубопровода на глубине ниже 1,5 метров, бестраншейные технологии в большинстве случаев выигрывают и в прямых расходах.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы, что на ближайшую перспективу развития подземной инфраструктуры Белгородской области должен быть выработан новый подход, максимально ориентированный на использование бестраншейных технологий с научно-обоснованной стратегией восстановления и замены выходящих из строя трубопроводов, на базе выявленных и обоснованных приоритетов и однозначных критериев. Данный подход позволит значительно снизить обостряющуюся из года в год проблему последствий аварийных ситуаций, напрямую связанных с состоянием и содержанием подземных инженерных коммуникаций, сохранить существующую экологическую обстановку, значительно снизить техногенное воздействие подземных трубопроводов на геологическую среду и способствовать повышению уровня коммунального обслуживания населения.

Литература:

1. Мартыненко, Г. Н. Анализ роли газовой отрасли в энергетике и экономике страны/Г.Н Мартыненко, О. С. Поддубная, С. Н. Гнатюк//Инженерные системы и сооружения. — 2012. — № 1. — С. 46–47.

2. История развития ОАО «Белгородоблгаз»/Коллектив авторов//Основы газоснабжения Белгородской области: Методическое пособие. — Белгород: Изд-во КОНСТАНТА, 2012. — С.55–59.

3. Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика)/ А. П. Рыбаков//Технический учебник-справочник. — М.: ПрессБюро № 1, 2005. — С.6–10, 276–284.

4. Агапчев В.И Восстановление изношенных трубопроводов путем введения в них пластмассовых труб./Прикладная синергетика и проблемы безопасности//В. И. Агапчев, Н. Г. Премяков: Сб. научных трудов. — Уфа: ГУП «Уфимский полиграфкомбинат», 2003, — С. 43–47.

5. Белецкий Б. Ф. Технология и механизация строительного производства/ Б. Ф. Белецкий//Д: Феникс, 2004. — С. 575–602.