Проектирование трубопроводов для арктических условий

Существующие методы проектирования различают мелководные участки и глубоководные участки, где дно вне досягаемости плавающего льда и свободно от вечной мерзлоты. В Арктике глубокими считаются воды от 50 м.

В мировой практике известны случае повреждения трубопроводов торосами. Дрейфующие торосы смещают, повреждают, разрушают подводные трубопроводы, а также порывают кабели дистанционной связи, что в свою очередь создают угрозу загрязнения экологии, серьезные экономические убытки [2].

Проектирование в глубоких водах, как правило, аналогично проектированию в умеренных широтах. Исключение составляет неровное морское дно с бороздами, проделанные айсбергами. Трубопровод может нуждаться в теплоизоляции для предотвращения образования гидратов и обеспечения свободной перекачки сырой нефти (парафины).

На мелководье основная проблема – «царапание» дна льдом. Интенсивность повреждения морского дна зависит от района, она наиболее значительна при глубинах воды между 20 и 30 м. Повреждения менее серьёзны в мелкой воде, потому что большие ледовые массы оседают на дно далеко от берега и глубина борозд может достигать нескольких (обычно не более 8) метров.

Возникающая при таком контакте нагрузка оценивается по крайней мере на два порядка выше, чем от донных рыболовных тралов, на сопротивление воздействия которых трубопроводы обычно рассчитываются. Кроме того, нагрузка распределяется по ширине ледовых борозд и углублений, имеющей порядка нескольких десятков метров.

Защита трубопровода, проложенного ниже глубины возможного повреждения, вряд ли осуществима, по крайней мере на значительную протяжённость, так как стоимость таких мероприятий бывает экономически невыгодной. Поэтому одним из вариантов защиты может быть создание над трубопроводом каменной бермы (каменного уступа), которая принимает на себя сдвиговые нагрузки. Этот вариант применим только на коротких мелководных участках близко от берега, и едва ли осуществим на большие расстояния. Имеются существенные возражения и с точки зрения защиты окружающей сред, поскольку в Арктике скальные породы не всегда легкодоступны, к тому же сброс камней (скалистой породы) может повлиять на морскую экосистему [2].

Даже если ледовое образование движется над заглубленным в грунт трубопроводом, последний не всегда защищён, поскольку воздействие от ледовых образований на трубопровод может быть передано через грунт. Здесь следует различать три зоны:

· поверхностная зона 1 – выше уровня основания льда (днища стамухи);

· зона 2 – где происходят большие пластические деформации грунта;

· более глубокая зона 3, в которой грунт испытывает относительно низкое давление, и деформация его относительно мала.

Протяжённость зоны 2 зависит от геотехнических характеристик грунта; она меньше в слабых грунтах и наибольшая в илах и песках, где может достигать нескольких метров.

Таким образом, трубопровод должен заглубляться в грунт по крайней мере на глубину возможного повреждения или на несколько метров глубже. В настоящее время разработано несколько методов расчёта системы «лёд – грунт – трубопровод» для оценки напряжённо-деформированного состояния трубы и оценки уровня его вероятности с учётом явления пропахивания дна ледовыми образованиями.

Рис. 8. Схема ледовых нагрузок (пропахивание)

По заданным распределениям вероятностей и ширин ледовых борозд и углублений, с помощью метода Монте-Карло с использованием расчётно-теоретических моделей воздействия ледового образования на донное основание определяется вероятность того, что деформация трубы превысит критический уровень для данного диапазона заглублений.

Это приводит к тому, что определяется зависимость вероятности повреждения трубы за каждое пересечение торосом трубопровода от величины его заглубления. На основании этой процедуры определяется глубина заглубления прокладки трубопровода для приемлемых нормативных уровней вероятности [3].