image

Территория Нефтегаз № 6 2016

Эксплуатация и ремонт трубопроводов

01.06.2016 10:00 Исследование трения скольжения обетонированного трубопровода о грунт при протаскивании

Применение обетонированных труб при строительстве и ремонте переходов газопроводов через водные преграды обеспечивает технологичность этих работ, устойчивое проектное положение подводного трубопровода и повышает эксплуатационные характеристики подводного перехода.
Использование обетонированных труб позволяет исключить технологические операции по монтажу футеровочного покрытия и кольцевых утяжелителей, облегчить условия укладки методом протаскивания по дну (снизить трение, уменьшить необходимые тяговые усилия).
Однако следует отметить, что в технической и нормативной литературе отсутствуют данные по коэффициентам трения обетонированных трубопроводов с различными типами поверхностных покрытий, что создает трудности при разработке проектной документации с их применением.
В проектных работах коэффициент трения скольжения является важнейшим элементом в расчетах тягового усилия протаскивания трубопровода и устойчивости трубопровода на сдвиг от гидродинамического давления водного потока.
В рамках данной работы предложена методика определения коэффициентов трения скольжения обетонированных трубопроводов с различными типами поверхностных покрытий. Методика основана на использовании подвижной модели уменьшенной копии обетонированного трубопровода и неподвижного основания из грунта, расположенных в гидрометрическом лотке.
Разработанная методика определяет порядок выполнения следующих исследовательских работ: измерение силы трения скольжения обетонированного трубопровода; определение коэффициентов трения скольжения обетонированных трубопроводов.
В статье раскрывается технология определения коэффициентов трения скольжения для обетонированных труб, выпускаемых в ЗАО «МТЗК» и ООО «Трубопроводные покрытия и технологии» и используемых при ремонтных и строительных работах в ПАО «Газпром».
Исследование нацелено на повышение качества проектирования и проведения строительных и ремонтных работ на подводных переходах газопроводов с применением этой продукции.

Ключевые слова: обетонированный трубопровод, сила трения скольжения, подводный переход, проектная документация.
Ссылка для цитирования: Филатов А.А., Александров В.А., Велиюлин И.И. Исследование трения скольжения обетонированного трубопровода о грунт при протаскивании // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 102–106.
Открыть PDF


102-106-r1.jpg

При укладке обетонированного трубопровода на подводном переходе необходимо оперативно учитывать гидродинамическое давление потока воды на трубопровод. Проектная документация на капитальный ремонт подводного перехода резервной нитки газопровода «Уренгой – Новопсков» через Куйбышевское водохранилище предусматривает применение разгружающих понтонов. Подъемная сила понтонов регулируется накачиванием в них воздуха. В этом случае необходимо при укладке трубопровода учитывать гидродинамическое давление потока воды на трубопровод с учетом удерживающей трубопровод в створе силы трения скольжения.

Коэффициент скольжения обетонированного трубопровода рекомендуется определять экспериментальным путем не на подводном переходе, а в специально оборудованном гидрометрическом лотке.

Исследования трения скольжения трубопровода о грунт проводятся на гидрометрическом лотке, созданном в ОАО «Оргэнергогаз». Лоток состоит из следующих основных блоков [1]:

  • несущего металлического каркаса;
  • водонесущего рабочего блока (лотка) с расходным и приемным баками;
  • трубопроводной системы водоснабжения с насосом и эжектором;
  • электронного блока плавного пуска с дистанционным управлением мощностью насоса для изменения скорости водного потока.

Русловая часть гидрометрического лотка (рис. 1–2) представляет собой горизонтально расположенный параллелепипед с размерами 12820x562x562 мм.

Геометрические параметры русла лотка позволяют проводить исследования параметров лобового сопротивления макетов обетонированных трубопроводов в зависимости от просвета между дном русла и нижней образующей трубопровода и определять предельное сопротивление трубопровода на сдвиг с использованием поддона с грунтом.

Емкости баков: расходного – 1,6 м3, приемного – 2,25 м3.

Блок трубопроводной системы водоснабжения (рис. 3) включает:

  • центробежный консольный насос К200-150-250 с подачей 315 м3/ч;
  • разработанный струйный насос (гидроэжектор) с диффузором и камерой смешения с расчетным преобразованием подачи с 315 до 600–650 м3/ч;
  • всасывающий трубопровод центробежного насоса;
  • всасывающий трубопровод струйного насоса;
  • напорный трубопровод подачи воды в струйный насос;
  • напорный трубопровод подачи воды в расходный бак.

102-106-r2.jpg

Электронный блок плавного пуска системы циркуляции воды позволяет регулировать мощность насоса от 30 до 100% его номинальной мощности.

Блок системы водоснабжения построен таким образом, чтобы он обеспечивал циркуляцию водного потока по замкнутому циклу, не ограничивая время проведения экспериментальных измерений и испытаний.

Для создания натурных условий протаскивания трубопровода по грунту на дно лотка устанавливается поддон размером 560х560х30 мм, наполняемый грунтом разного типа.

Для исследования трения скольжения обетонированных трубопроводов в гидрометрическом лотке рассмотрены разрешенные в ПАО «Газпром» трубы [2] следующих конструкций:

  1. трубы с балластным покрытием, представляющие собой коаксиально расположенную стальную электросварную прямошовную трубу с антикоррозионным трехслойным полимерным покрытием и металлополимерную защитную оболочку, пространство между которыми заполнено армированным бетоном. Металлополимерная оболочка представляет собой трубу спирально замковой конструкции с наружным двухслойным полимерным покрытием. Общая толщина наружного полиэтиленового защитного покрытия металлополимерной оболочки должна быть не менее 3 мм. Трубы данной конструкции выпускает ЗАО «МТЗК»;
  2. трубы, обетонированные методом набрызга. Для увеличения прочности конструкции используется армированная плеть из стальной сетки. Использование метателей, набрасывающих с большой скоростью бетонный раствор на вращающуюся трубу, позволяет получить покрытие очень высокой плотности. Плотность бетона – 1900–3400 кг/м3.

Трубы, изготовленные методом набрызга, выпускает ООО «Трубопроводные покрытия и технологии».

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Исходя из этого, учитывая габаритные размеры русловой части гидрометрического лотка 12820x562x562 мм, размеры уменьшенных моделей обетонированных труб должны быть изготовлены в масштабе 1:10.

Длина уменьшенной модели принимается равной внешнему диаметру модели обетонированного трубопровода.

102-106-r3.jpg102-106-r4.jpgВнешняя поверхность уменьшенной модели обетонированного трубопровода должна быть изготовлена из оригинального заводского покрытия.

Для трубопроводов конструкции ЗАО «МТЗК» предусматривается покрытие из полимерной пленки, полимерной пленки с абразивным напылением или металлическое (металлическая оболочка).

Для трубопроводов, выпускаемых ООО «Трубопроводные покрытия и технологии», исследуемой наружной поверхностью является само бетонное балластное покрытие.

Исследование силы трения скольжения с помощью гидрометрического лотка сопряжено с большим объемом измерений, проводимых на моделях исследуемых образцов обетонированных трубопроводов в разных типах грунтов [3].

Значения коэффициентов трения скольжения рекомендуется определить для обетонированных трубопроводов в следующих грунтах:

  • разрушенная скала (скальные грунты);
  • пески крупные и гравелистые;
  • пески среднезернистые;
  • мелкие пески;
  • супеси;
  • суглинки;
  • глины.

Изучение патентных и литературных материалов [4, 5] показало, что не существует общепринятого способа экспериментального определения силы трения скольжения.

Методика определения силы трения скольжения в гидрометрическом лотке основана на прямом измерении предельного сопротивления трубопровода на сдвиг при его протаскивании в поддоне с грунтом (рис. 3).

Для контроля результатов, получаемых указанным методом, рекомендуется также использовать метод измерения предельного сопротивления трубопровода на сдвиг, но уже за счет перемещения модели от гидродинамического давления водного потока (рис. 4).

При основном методе исследований силовой стальной тросик крепится к центру модели (2) обетонированного трубопровода и через блок (5) выводится к динамометру (4). Измерения силы трения скольжения выполняются, когда к противоположной клемме динамометра через второй блок (5) прикладывается усилие, равное предельному сопротивлению трубопровода на сдвиг (Fn). Этот блок закреплен к поперечной навесной балке (6).

В контрольном варианте исследований ветви тонкого стального тросика
(рис. 4) крепятся симметрично к верхней и нижней граням торцов модели (2). В дальнейшем от ветвей через блок (5) стальной тросик выводится на динамометр (4). Динамометр закреплен к поперечной навесной балке (5).

Блок (5) должен быть достаточно удален (1,5–2 м) от модели, чтобы не влиять на распределение скоростей вблизи модели.

Необходимое оборудование: гидрометрический лоток, модели трубопроводов, поддон с грунтом, микровертушка, тонкие стальные нити, неподвижные блоки, набор чувствительных динамометров с шкалой с точностью градуировки до 0,01 Н, отрезки стальных профилей, крепежный материал.

Определение силы трения скольжения основано на прямом измерении предельного сопротивления трубопровода на сдвиг при его протаскивании в поддоне с грунтом.

Перемещение исследуемой модели осуществляется вручную или с помощью механизма перемещений.

Рекомендуемая скорость перемещения модели по поддону с грунтом должна ориентировочно составлять 200 ± 20 мм/мин.

При малых скоростях относительного перемещения модели обетонированного трубопровода коэффициент трения (ft) не зависит от скорости его протаскивания.

Нормальная сила, действующая на образец, может составлять 100 Н (10 кгс).

Для исключения влияния силы трения покоя в момент трогания модели показания динамометра снимают при установившемся трении не ранее чем через 20 секунд от начала движения исследуемой модели.

Определение силы трения скольжения для обетонированного трубопровода осуществляется серией измерений предельного сопротивления модели трубопровода с различным поверхностным покрытием на сдвиг при его протаскивании в поддоне с определенным типом грунта.

Следующая серия измерений предельного сопротивления модели трубопровода на сдвиг осуществляется для грунта другого типа после его замены в поддоне.

В процессе проведения экспериментальных работ при каждой серии измерений определяется масса (вес) модели трубопровода в воде и на суше.

В этом способе определения силы трения скольжения в гидрометрическом лотке также используется метод измерения предельного сопротивления трубопровода на сдвиг, отличие от предыдущего метода в том, что здесь движущей силой перемещения модели трубопровода является гидродинамическое давление водного потока.

Блок системы водоснабжения обеспечивает циркуляцию водного потока по замкнутому циклу.

При регулировании мощности центробежного водяного насоса с помощью электронного блока плавного пуска системы циркуляции воды достигается гидродинамическое давление потока воды, способное сдвигать модель трубопровода.

Рекомендуемая скорость перемещения модели по поддону с грунтом должна быть ориентировочно 200 ± 20 мм/мин. Данная скорость должна быть равномерной и достигается за счет регулировки скорости потока воды в русловой части лотка.

Для данного метода исследований в силе остаются следующие положения:

  • показания динамометра снимают при установившемся трении не ранее чем через 20 секунд от начала движения исследуемой модели;
  • определение силы трения скольжения для обетонированного трубопровода осуществляется серией измерений предельного сопротивления модели трубопровода с различным поверхностным покрытием на сдвиг при его протаскивании в поддоне с определенным типом грунта;
  • следующая серия измерений предельного сопротивления модели трубопровода на сдвиг осуществляется для грунта другого типа после его замены в поддоне.

В процессе проведения экспериментальных работ при каждой серии измерений определяются следующие параметры:

  • масса (вес) модели трубопровода в воде и на суше;
  • сила воздействия потока воды на трубопровод (лобовое сопротивление).

 

Обработка результатов

Коэффициент трения скольжения (ft) вычисляют по формуле

ft = Fn/N                                             (1)

или

ft = Fх/N,                                             (2)

где Fn, Fх – сила трения скольжения (предельное сопротивление трубопровода на сдвиг), согласно показаниям динамометра по шкале, Н; N – вес обетонированной трубы в воде.

Фактическое значение коэффициента трения скольжения fтр определяют следующим образом:

fтр = Fk/N,                              (3)

где Fk – среднее значение показания силы трения скольжения по шкале динамометра, соответствующее равномерному перемещению модели трубопровода.

Полученные результаты экспериментов могут лечь в основу нормативного документа по применению обетонированных труб [6, 7] при строительстве и ремонте подводных переходов с применением обетонированных труб.



← Назад к списку


im - научные статьи.