Совершенствование методов строительства и ремонта трубопроводов в условиях Крайнего Севера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Мерданов, Шахбуба Магомедкеримович

• Мерданов, Шахбуба Магомедкеримович
• кандидат технических наук
• 1996

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мерданов, Шахбуба Магомедкеримович

Введение.

1. Анализ существующих методов строительства трубопроводов и подъездных путей к ним.

1.1. Анализ природно-климатических условий строительства трубопроводов на Крайнем Севере.

1.2. Анализ методов сооружения подъездных путей и вдольтрассовых проездов.

1.3. Методы возведения временных зимних дорог при строительстве трубопроводов.

1.4. Механизация строительства временных зимних дорог.

Выводы к 1 главе.

2. Анализ процессов увлажнения и уплотнения дорожного полотна.

2.1. Основные положения теории уплотнения снега.

2.2. Разработка математической модели дорожного полотна.

2.3. Теплотехнические характеристики снега.

Выводы ко 2 главе.

3. Экспериментальное исследование увлажнения и уплотнения снега.

3.1. Постановка задачи экспериментальных исследований.

3.2. Разработка приборов, машин и оборудования для экспериментальных исследований

3.3. Результаты экспериментальных исследований

3.4. Сооружение экспериментального участка снеголедовой дороги.

Выводы к 3 главе.

4. Разработка технологии и машин для строительства снеголедовых дорог.

4.1. Исследование рациональных технологических схем строительства снеголедовых дорог.

4.2. Внешние условия работы машин для строительства снеголедовых дорог

4.3. Определение требований к рабочему оборудованию снегоуплотняющих и снегоувлажняющих машин.

4.4. Определение технологических параметров работы уплотняющих и увлажняющих машин.

4.5. Разработка методики выбора машин для строительства снеголедовых дорог

Выводы к 4 главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов строительства и ремонта трубопроводов в условиях Крайнего Севера»

Развитие Западно-Сибирского региона, являющегося основной топливно-энергетической базой России, предопределяет интенсивное строительство, ремонт и реконструкцию магистральных и межпромысловых трубопроводов. По Тюменской области в год строится 3.5 тыс.км. магистральных и промысловых трубопроводов, а ремонтируется ежегодно от 7,5 до 10 тыс. км. трубопроводов. Строительство и ремонт трубопроводов производится в условиях почти полного отсутствия вдольтрас-совых проездов. Общий уровень расходов в связи с перемещением центра нефтегазовой добычи в новые, более удаленные необжитые районы с экстремальными природно-климатическими условиями, остается высоким. Суровый климат, заболоченность и высокая обводненность грунтов (в Западной Сибири 60 % трасс проложено в болотах) делают практически невозможным летнее строительство без применения специальной вездеходной техники, поэтому единственно приемлемым и экономически целесообразным в настоящее время остается зимний период времени года. В такой ситуации для упомянутых почвенно-грунтовых условий наиболее применимым вариантом вдольтрассовых и межпромысловых проездов является устройство снеголедовых дорог - зимников, позволяющих доставлять грузы и технику в любые районы строительства и эксплуатации месторождений. Создание временных дорог в зимнее время года также позволяет снизить затраты на сооружение их за счет использования холода как благоприятного фактора для получения дорожного полотна.

Существующие в настоящее время типы зимников, требуют периодического прохода техники для очистки от снега и восстановления несущей способности дорожного полотна, одновременно с этим, являются надежным средством в материально-техническом обеспечении для строительства и обслуживания трубопроводов. Продолжительность их работы в среднем составляет 1-2 сезона, что благоприятно для заказчика строительства магистральных и межпромысловых трубопроводов, так как создание дорог в капитальном исполнении получает отсрочку и является экономически выгодным для последующей многолетней эксплуатации. С целью обеспечения проектной интенсивности грузопотоков, протяженности и некоторых особенностей зимней трассы, следует выполнить основное требование - высокую несущую способность дорожного полотна.

В практике отечественного и зарубежного строительства известны многочисленные способы возведения зимников, однако технология их сооружения при относительно одинаковых строительных компонентах: лед, снег, вода и холод - имеет множество вариантов и выбрать оптимальный в условиях каждого конкретного случая достаточно сложно. Кажущаяся конструктивная простота устройства зимников не соответствует сложности расчетов и оценке несущей способности, а также состояния дорожного полотна, на которые дополнительно влияют свойства грунтов находящихся в основании проезжей части дороги. Одновременно с этим следует отметить, что многообразие и изменчивость природно-климатических факторов еще более затрудняет выбор вариантов для конкретного участка строительства.

Таким образом, для снижения затрат на подготовительный период, в частности, на доставку оборудования, специальной строительной и другой техники, а также для дальнейшего совершенствования конструкции вдольтрассовых проездов и, в целом, строящихся и ремонтируемых объектов транспортного обеспечения необходимо ускорить сроки создания дорожного полотна в осенне-зимний период, предусмотреть варианты восстановления проезжей части при резких оттепелях, обеспечить долговечность дорог при резких колебаниях температуры и других катаклизмов природы.

Для поиска рациональных вариантов в решении обозначенной проблемы необходимо рассматривать влияние воздействия на дорогу многочисленных факторов, таких как: конфигурация дорожного полотна; гидрогеологический характер района строительства; особенности грунта основания; структура по вертикали и величина снежного покрова и т.д.

Кроме того, должно быть определено необходимое соответствие конструкторско-технологической связи между высокими техническими требованиями предъявляемые к сооружению и сложными воздействиями грунта его основания. Одновременно с этим, необходимо помнить о том и принимать в расчет следующий фактор, что если учет полезной нагрузки на дорожное полотно поддается определенной классификации, то изменчивость природных условий практически индивидуальна.

Следовательно, решение специфических задач данной направленности, т.е. создание дорожного полотна с требуемой несущей способностью практически на всех типах грунтов и в различных природно-климатических зонах, является актуальной темой научных исследований.

В диссертационной работе рассматриваются следующие задачи:

- анализ основных методов сооружения подъездных путей и вдольтрассовых проездов при сооружении трубопроводов;

- разработка механизированных методов сооружения вдольтрассо-вой снеголедовой дороги на промороженном основании;

- разработка модели дорожного полотна зимника, возводимого с увлажнением и уплотнением снеголедового полотна с учетом нагрузок ходовых систем транспортных средств трубопроводостроительного комплекса;

- экспериментальное обоснование и подтверждение теоретических положений и научно-технических решений по созданию снеголедовых дорог;

- определение технологических параметров работы снегоуплот-няющих и снегоувлажняющих машин;

- разработка новых и совершенствование существующих типов машин и оборудования для сооружения дорожного полотна снеголедовой дороги.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложена рациональная технологическая схема возведения зимников с учетом климатических условий зоны строительства трубопроводов;

- определены нагрузки на снеголедовые дороги, характерные для транспортных средств, используемых при строительстве и ремонте трубопроводов на Севере Западной Сибири;

- выявлены закономерности увлажнения и уплотнения снега;

- определены технологические параметры работы снегоуплотняю-щих и снегоувлажняющих машин;

- изложены теоретические подходы к решению задач увлажнения уплотнения снега, защищенные авторскими свидетельствами;

- разработана модель прогнозирования параметров природно-климатических условий для конструирования дороги и выбора комплекса машин.

Практическая ценность работы. Разработана методика выбора машин для строительства вдольтрассовых снеголедовых дорог в насыпи в условиях Сибири и Крайнего Севера; создан банк данных по климатическим условиям зоны строительства нефтегазопроводов на Севере (программа «Климат»); разработана программа автоматизированного расчета параметров снеголедовой дороги и выбора комплекта машин (программа «Road» и программа «Road2»).

Созданы и успешно прошли испытания конструкции снегоувлажняющих и снегоуплотняющих машин, защищенные авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации.

Достоверность полученных результатов подтверждена хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Основные результаты исследований использованы при создании экспериментального участка снеголедовой дороги протяженностью 2 километра на участке Ныдинский Водозабор - Ямбург, 5 километров в районе компрессорной станции "Приозерная" вблизи г. Надыма и 28 километрового участка в районе г. Воркуты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: "Эксплуатация машин в суровых условиях", Тюмень, 1989; "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 1989; "Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации автомобилей и строительно-дорожных машин", Горький, 1988; "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири", Тюмень, 1987; "Совершенствование зимних дорог и ледяных переправ на севере Сибири", Тюмень, 1989; «Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей», Горький, ГПИ, 1990; «Региональные проблемы эксплуатации автомобильного транспорта», Тюмень, ТюмГНГУ, 1995; «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, ТюмГНГУ, 1996; «Развитие строительных машин. Механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ», Москва, МГСУ, 1996, а также обсуждались на научно-технических советах ГлавСибтрубопроводстроя, треста "Севертрубопроводстрой", техническом совете Тюменского управления магистральных газопроводов, на секции Миннефтегазстроя ВДНХ в Москве в 1988 г., на заседании объединенного совета кафедр «Сооружения и ремонта нефтегазодобывающих объектов», «Эксплуатации автомобильного транспорта» и «Подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин и оборудования» Тюменского государственного нефтегазового университета в 1996 г.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Мерданов, Шахбуба Магомедкеримович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что современный технический уровень нефтегазового строительства обеспечивается техническими решениями, базирующимися на адаптации строительного производства к климатическим особенностям Крайнего Севера.

2. Установлено, что для бесперебойного проезда техники и своевременной доставки грузов наиболее эффективным является сооружение зимников в насыпи из снеголедового материала, обеспечивающих прочность, долговечность и незаносимость снегом при сравнительно низких затратах на обслуживание трассы.

3. На основе лабораторных исследований установлено, что плотность снеголедового покрытия должна составлять не менее 450 кг/м3 в основании и 700 кг/м3 в полотне дороги. Результаты промышленного эксперимента подтвердили, что увеличение плотности снега достигается за счет использования пневмокатка, причем число проходов тем меньше, чем выше влажность снега, а увлажнение до 28% позволяет полунить плотность снега при минимальной нагрузке.

4. Определено, что оптимальной температурой для получения требуемой плотности основания и дорожного полотна при увлажнении, перемешивании и формировании снегового покрова является диапазон от минус одного до минус четырех градусов Цельсия.

5. Установлено, что уплотнение по слоям происходит неравномерно и определяется толщиной снега, температурой и нагрузкой, а размеры ядра уплотнения зависят от размеров штампа. При этом получена зависимость распределения плотности по глубине уплотнения и установлены оптимальные границы высоты набрасываемого слоя снега для получения однородного уплотнения по сечению дороги.

6. Влияние неустойчивости климатических зон в районах строительства трубопроводных систем (значительная амплитуда колебаний температуры, неравномерность высоты снежного покрова, различная интенсивность промерзания вследствие неодинаковой влажности и т.д.) может быть уменьшено за счет применения различных технологий уплотнения и увлажнения снегового покрова.

7. Разработаны, изготовлены и испытаны в промышленных условиях комплекс навесного оборудования и машины, позволяющие создавать дорожное полотно из снеголедового материала в различных климатических зонах строительства как при недостатке, так и при избытке снегового покрова.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мерданов, Шахбуба Магомедкеримович, 1996 год

1. Автомобильные дороги Севера//под ред. Золотаря И.А. М.: Транспорт, 1981. -247с.

2. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981.- 231 с.

3. Антипенко B.C., Кац Г.Б., Петрушков В.А. Модели и методы оптимизации параметрических рядов машин. М.Машиностроение, 1990. -176 с.

4. Барахтанов Л.В., Ершов В.И. Снегоходные машины. Горький: Волго-Вятское изд.; 1986. - 191 с.

5. Баулин В.В. и др. Геокриологические условия ЗападноСибирской низменности. -М.: Гидрометеоиздат, 1983. 56 с.

6. Бобков В.А. Производство и применение льда. -М.: Пищевая промышленность, 1984. 152 с.

7. Бородавкин П.П. Сооружение магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1987.-471 с.

8. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. -М.: Изд-во стандартов, 1981. 140 с.

9. Дроздов Е.А. и др. Климатология. -Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -568 с.

10. Ершов Э.Д. Общая геокриология. -М.: Недра, 1990 559 с.

11. ВСН №137-77. Инструкция по проектированию, строительству и содержанию зимних автомобильных дорог на снежном и ледяном покрове в условиях Сибири и Северовостока СССР. М.: Минтрансстрой, 1977. - 107с.

12. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации усовершенствованных ледяных переправ. Тюмень, Главтюменнефтегаз, 1988. - 134 с.

13. Вялов С.С., Докучаев В.В., Шейкман Д.Р. Подземные воды и сильнольдистые грунты как основания сооружений. -Л.: Стройиздат, 1976. 147 с.

14. Выбор параметров фрезерно-теплового оборудования машин для строительства снеголедовых дорог. Отчет НИР ГР 8.70.019467 Красноярск: 1987. 170 с.

15. Зимнее содержание автомобильных дорог. /Бялобежский Г.В., Дюнин А.К., и др. М.: Транспорт, 1983. - 197 с.

16. Иванов В.Н. Высокоэффективная теплоизоляция в основаниях. -М.: Транспорт, 1988. -134 с.

17. Использование тепловых устройств для разработки мерзлых грунтов и возведения снеголедовых дорог при строительстве трубопроводов. /Тюменский индустриальный институт ГР 0186.0053564. Тюмень, ТюмИИ, 1986. -100 с.

18. Карнаухов H.H. Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири. -М.: Недра, 1994.- 351 с.

19. Карнаухов H.H., Дорошенко И.Г., Вантик В.Н. и др. Устройство для уплотнения снега на дорогах. АС №1350234 СССР. Бюл.№41, опубл. 07.11.87.

20. Карнаухов H.H., Иванов A.A., Вантик В.Н. и др. Устройство для уплотнения снега. Описание изобр. к АС №1461815, Бюл. 8 , опубл. 28.2.89.

21. Карнаухов H.H., Иванов A.A., Козлов А.Д. и др. Прицепной агрегат для уплотнения снега . Описание изобр. к АС №1622497 Бюл.З, опубл. 23.1.91.

22. Карнаухов H.H., Иванов A.A., Мерданов Ш.М. Термовибрационная машина для уплотнения снега. Описание изобретения к АС №1452879, Бюл. 3, опубл. 23.01.89.

23. Карнаухов H.H., Иванов A.A., Куперман Б.С. Тепловое оборудование снегоуплотняющих машин. Описание изобретения к АС №1497328, Бюл. 28, опубл. 30.07.89.

24. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М. Каток для уплотнения снега при строительстве снеголедовых дорог. //Тез. докл. регион, научн.-техн.конф. "Эксплуатация машин в суровых условиях". -Тюмень, 1989. С.

25. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М. Разработка мерзлых грунтов при сооружении газонефтепроводов. //Тез.докл. П Всесоюзн.научн. конф. "Нефть и газ Западной Сибири". -Тюмень, ТюмИИ,1989.

26. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М. Региональные режимы уплотнения снега. Там же, С.

27. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М. Механизация строительства дорог из уплотненного снега . -Тюмень, 1989. 78 с.

28. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М. Строительство вдольтрассо-вых и подъездных дорог из снегольда. //Сб. "Строительство магистральных трубопроводов", №14, -М.: 1988.

29. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М., Иванов A.A., Устройство для изготовления строительного материала для зимних автодорог. Описание изобретения к АС №1723232, Бюл. 12, опубл. 30.03.93.

30. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М. Разработка мерзлых грунтов термомеханическим рабочим органом. / Тез.докл. обл.научн.-техн.конф. "Нефть и газ Западной Сибири". -Тюмень, ТюмИИ, 1987. С. 20-21.

31. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М., Иванов A.A. Возведение снеголедовых дорог при строительстве нефтегазопроводов в тундре. //Тез. докл. межвуз. сб.тр. "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири". -Тюмень: ТюмИИ, 1987. С.

32. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М., Иванов A.A. Роторный рабочий орган. Описание изобретения к АС №1731907. Бюл.№ 17, опубл. 7.5.92.

33. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М., Иванов A.A. Устройство для образования лунок в грунте. Описание изобретения к АС №1742416. Бюл. 23, опубл. 23.06,92.

34. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М., Иванов A.A. Устройство для уплотнения дорожных насыпей. АС №1810435. Бюл. 15, 1993.

35. Карнаухов H.H., Мерданов Ш.М., Шмелев Л.И. Технология механизированного возведения снеголедовых дорог в тундре. //Тез. докл. регион, научн.-техн. конф. "Совершенствование зимних дорог и ледяных переправ на севере Сибири". -Тюмень, 1989.

36. Климат территории нефтегазовых месторождений на полуостровах Тазовский и Ямал. -Л.: Гидрометеоиздат, 1991. -220 с.

37. Кох П.И. Климат и надежность машин. -М.: Машиностроение, 1981. -175 с.

38. Лабораторные и полевые исследования мерзлых грунтов и льдов. -М.: Стройиздат, 1986. 120 с.

39. Лефевр Л. Зимние дороги и переправы. Civil Engineering, 1979, №12. С. 15-18.

40. Мишин В.А. и др. Строительные и дорожные машины для Сибири и Крайнего Севера. -И.: ЦНИИТЭстроймаш. 1988. -44с.

41. Мерданов Ш.М. Лабораторные исследования уплотняемости снега при строительстве снеголедовых дорог.//Тез. докл. МНТК «Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ». М.: МГСУ, 1996.

42. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г. Выбор конструкции зимних дорог в зависимости от климатических условий местности. //Тез. докл. МНТК «Нефть и газ Западной Сибири». Тюмень: ТюмГНГУ, 1996.

43. Николаев С.Н. Оценка эффективности совершенствования эксплуатации парка строительных машин для сооружения магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1986. 48с.

44. Николаев С.Н. Характеристики эксплуатационных качеств строительных машин. -М.: Информнефтегазстрой, 1982. 57с.

45. Новиков И.П. Охрана северных экосистем и новые строительные технологии. // -М.: Строительство трубопроводов, 1985, №3, С. 2223.

46. Проблемы окружающей среды на нефтяных и газовых месторождениях Тюменского севера. Тез.докл. регион, научн.-техн. конф. Т.2. -Тюмень, 1983. С.13.

47. Проблемы адаптивности автомобилей к суровым климатическим условиям Севера и Сибири. //Межвуз.темат. сб. Тюмень,ТюмИИ, 1982. - 244 с.

48. Райфельд В.Ф. Инженерно-геодезические работы при изыскании линейных сооружений. -М.: Недра, 1983. 143 с.

49. Разработка технологии и проектирования комплекта навесных орудий на машины для строительства снеголедовых дорог в зоне строительства трубопроводов. Отчет о НИР.ГР 0184.0064751. -Тюмень, ТюмИИ, 1987. 141 с.

50. Рекомендации по технологии строительства зимних подъездных вдольтрассовых дорог. М.: Тюм.филиал ВНИИСТа.1979.

51. Резник Л.Г. Адаптация автомобилей к суровым климатическим условиям. -Тюмень, ТюмГУ, 1972.- 71 с.

52. Резник Л.Г., Ромалис Г.М., Парков С.Т. Эффективность использования автомобилей в различных условиях эксплуатации. -М.: Транспорт, 1989. -127 с.

53. Савенко В.А. Комплексная механизация сооружения магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1981. -295 С.

54. Саттаров Т.Х., Вислобицкий П.А. Строительство зимних дорог для освоения нефтегазодобывающих районов Западной Сибири. М.: ВНИИОЭНГ, 1987.-43 с.

55. Саттаров Т.Х. Ментюков В.П., Прохоренков В.Д. и др. Строительство временных дорог при сооружении нефтегазопромысловых трубопроводов. -М.: ВНИИОЭНГ,1981.-62 с.

56. Слободчиков Ю.В. Условия эксплуатации и надежности работы автомобильных дорог . -М.: Транспорт, 1987. 128 с.

57. Снег. Справочник. // Под ред. Грея Д.М., Мейла Д.Х. -Л.: Гид-рометеоиздат, 1986. -751 с.

58. Справочник по климату СССР. вып.17. Омская и Тюменская области. ч. 1 7. -Омск: 1976.

59. Строительство зимних дорог для освоения нефтегазодобывающих районов Западной Сибири. -М.: ВНИИОЭНГ, 1987.

60. Сырцова Е.Д. Математические методы в планировании и управлении строительным производством. -М.: Высшая школа, 1972. -336 с.

61. Суховский А.Б., Ронгонен В.Э. Машины для возведения снего-ледяных покрытий. Строительные и дорожные машины, №4 М.: 1978. -С. 12-14.

62. Уошборн А.Л. Мир холода. Геокриологические исследования. -М.: Прогресс, 1988. 384 с.

63. Харац Е.А., Карнаухов Н.Н., Первушин А.Н. Бульдозер с секционным отвалом. Описание изобретения к АС 1550044, Бюл. 10, опубл. 15.03.90.

64. Хархута Н.Я. Дорожные машины Л.: Машиностроение, 1976.

65. Хархута Н.Я. Машины для земляных работ Л.: Машиностроение, 1973. - 173 с.

66. Чирсков В.Г., Бородавкин П.П., Муленко В.Н. Транспортное обеспечение строительства магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1990. -222 с.

67. Шабанов П.П., Карнаухов Н.Н. и др. Строительство снеголедо-вых дорог в Заполярье. // Строительство трубопроводов, 1988, № 10. С. 35-37.

68. Шалман Д.А. Снегоочистители. -Л.Машиностроение, 1985. -182 с.

69. Adam К.М., Hernandos Н. 1977. Snow & ice roade: Ability to support traffic & effects on vegetation. Arctic 30(1).-P.13-27.

70. Badd T.A. 1977. High arctic disturbance studies associated wiht the Devon Island Project. In Truelove Lowland, Devon Island, Canada: A High Arctic Ecosystem (L.C.Bliss, Ed.). Universiti of Alberta Press, Edmonton, Alberta, P.647-654.

71. Gold L.W. Engineering properties of fresh water ice. -J.GIaciology,1977, v.19, No.81, p.197-211.

72. Sinha N.K. Rheology of columnar-grained ice. -Exper.Mech., 1978, v.18, No.12, p.464-470.

73. Sinha N.K. Short-term rheology of polycrystalline ice. -J.GIaciology,1978, v.21, No.85, p.457-474.