Меню

Инновации в развитии береговой инфраструктуры для нефтегазовой отрасли с применением шпунта трубчатого сварного

Нефтегазовый комплекс (НГК) играет ключевую роль в экономике России и формирует около 20% ВВП, 50% нефтегазовых доходов в структуре федерального бюджета, 67% валютных поступлений от экспорта нефти, газа и продуктов переработки в общем объеме экспорта, 25% объема инвестиций в основной капитал [1]. Поэтому в ситуации, сложившейся в 2014–2015 годах, импортозамещение и переход к инновационному пути развития НГК России является ключевым параметром устойчивого развития экономики страны, эффективного использования природных ресурсов и повышения качества жизни населения.

Таким образом, приоритетными направлениями развития НГК становятся стимулирование внедрения перспективных технологий добычи, формирование и развитие новых крупных центров добычи нефти и сопутствующей инфраструктуры, в том числе строительство новых и реконструкция старых морских портов. При этом стратегические проекты нефте- и газодобычи все более смещаются на восток и на север, в зону арктического шельфа и вечной мерзлоты. Климатические условия в этих регионах, с точки зрения строительных работ, технологий и материалов оказывают существенное влияние на выбор конструкции сооружения и его отдельных элементов.

Характерными усугубляющими факторами, при проектировании и строительстве в Арктике и на Дальнем Востоке являются большие по величине значения отрицательных температур в течении долгого периода времени (в среднем – 222 дня в году). Температурный режим, в свою очередь, влияет на физико-механические свойства льда, что приводит к

значительным по величине нагрузкам на сооружения от ледовых полей и торсистых образований. Например, на часть гидротехнических сооружений с вертикальными сплошными стенами в районе Обской губы могут воздействовать глобальные ледовые нагрузки с величинами 250 т/1 м.п. (от ровного льда) или 450 т/1 м.п. (от торсистых образований) [2].

Минимальная среднемесячная температура воздуха:

 

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Москва

3,7°С

-0,3°С

-5°С

-9°С

-10,2°С

-4,8°С

2,3°С

9,3°С

Новый порт (Обская губа)

-8,8°С

-22,4°С

-26,4°С

-30,3°С

-31,3°С

-23,8°С

-18,6°С

-7,3°С

  Москва Новый порт(обская губа)
Октябрь 3,7°С -8,8°С
Ноябрь -0,3°С -22,4°С
Декабрь -5°С -26,4°С
Январь -9°С -30,3°С
Февраль -10,2°С -31,3°С
Март -4,8°С -23,8°С
Апрель 2,3°С -18,6°С
Май 9,3°С -7,3°С

 

 

Безанкерный больверк свободной высотой 10,5 м (трубошпунт с замками FL-510)

Исходя из этого, к наиболее важным, с точки зрения работы конструкции при создании объектов береговой инфраструктуры, можно отнести следующие требования:

• максимально простая и надежная конструкция;

• применение материалов, надежно работающих при низких температурах (стали: ударная вязкость 3 кДж/м3 при температуре -40°С с гарантией свариваемости, морозостойкость и водонепрони-цаемость);

• создание противоледового пояса для тонкостенных конструкций (в связи с истирающим воздействием льда и высоким ледовым нагрузкам);

• учет свойств мерзлого грунта и нацеленность на их использование: смерзшийся грунт обладает в сотни раз более высоким сцеплением по сравнению с обыкновенным грунтом. Учет свойств ледогрунта приводит к существенной экономии строительных материалов и уменьшению стоимости объекта.

• тепло- и гидроизоляция ледогрунтового массива;

• отсутствие выступающих частей для уменьшения воздействия льда на сооружение;

• учет термического расширения льда в полости сооружения, а также полях конструктивных элементах (заполнение полостей бетоном, пескоцементом);

• применение дренажных устройств, способных работать в суровых ледовых условиях, в случае возможности гидростатического давления воды. Как показали исследования на физических и компьютерных моделях, расчеты и проектно-конструкторские проработки, при строительстве причальных гидротехнических сооружений инженерные сооружения из ШПУНТА ТРУБЧАТОГО СВАРНОГО (ШТС) в наибольшей степени удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. Трубошпунт или ШТС состоит из трубы и приваренных к ней пары замковых соединений и является несущим элементом конструкций стен капитальных сооружений и может применяться в гидротехническом, транспортном, промышленно-гражданском строительстве (ГОСТ Р 52664-2010).

Основными преимуществами ТРУБОШПУНТА перед стандартными видами шпунтовых соединений являются [10]:

• возможность использовать шнеки для бурения грунта (в том числе и мерзлого) внутри трубы;

• экономия в металлоемкости в сравнении со шпунтом;

• незначительное увеличение металлоемкости приводит к значительному росту W и I: напр., ШТС 720х10-ШК-1 при весе 1 м2 стены 200 кг имеет момент сопротивления W=3 456 см3, а при переходе на ШТС 1020х10-ШК-1 с весом 1 м2 стены 210 кг дает W=5 568 см3. Таким образом, масса металла увеличилась на 5%, а несущая способность – на 67% [12,13];

• наибольший момент сопротивления на единицу массы по сравнению с корытообразным и зетовым профилем;

• предельно допустимая нагрузка замковых соединений от 150 до 723 т на погонный метр;

• меньшая вероятность возникновения проблем и дефектов, при погружении стенки;

• трубная шпунтовая свая шире, чем свая шпунта, за счет чего технологический цикл погружения сокращается в 2–3 раза;

• количество сварных швов на 1 м2 ШТС в 9 раз меньше, чем у ПШС производства «Курганстальмост»;

• высокая степень автономности и заводской готовности строительства «под ключ» сооружений из ШТС, эффективное и безопасное ведение работ в условиях штормов, туманов и дрейфующих льдов;

• возможность комбинировать трубошпунт с различными видами заполнений с применением различных типов замковых соединений;

• значительная жесткость трубы по сравнению с жесткостью замка и его расположение в нейтральной оси стенки;

• возможность извлечения грунта из внутренней полости с заменой на железобетонное ядро практически неограниченно увеличивает несущую способность;

• подходит для любого типа грунта, есть возможность использовать шнеки для бурения внутри трубы;

• удобное помещение в трубу замораживающих устройств, исключающих оттаивание вечномерзлых грунтов.

Основоположником технологии с применением трубошпунта при строительстве объектов в сложных климатических условиях Сибири, Заполярья, Арктического побережья является компания «ТРЕСТ ЗАПСИБГИДРОСТРОЙ». Предприятие, созданное в 1977 году специально для строительства в криолитозоне в рамках правительственной программы развития нефтяной и газовой промышленности в Западной Сибири в 1977–1980 гг., уже на первом этапе работы реализовывало инновационные строительные технологии. В короткий срок коллектив «Запсибгидростроя» успел многое сделать для развития транспортной сети Западной Сибири и Заполярья. За более чем 35-летнюю историю Трестом в экстремальных климатических и геологических условиях были реализованы проекты обустройства нефтегазовых месторождений, строительства крупнейших портовых перегрузочных комплексов в Нижневартовске, Сергино, Уренгое, Надыме, Ямбурге. 

Трудно представить, что вначале пришлось применить немало усилий, чтобы технология строительства объектов с применением трубошпунта была «узаконена» и вошла в нормативную базу. В настоящее время получены 22 патента (16 – на конструкции и 6 – на полезные модели), совместно с институтом «Сибречпроект» создан Альбом унификаций для проектирования сооружений из сварного трубчатого шпунта, разработан свод правил «Проектирование и возведение подпорных стен и водопропускных сооружений автомобильных дорог из шпунтов трубчатых сварных»; совместно с ЦНИИС опубликованы «Правила производства и приемки работ при возведении причальных сооружений из трубчатого сварного шпунта», выпущены ТУ 5264-002-013512256-2008 «Шпунт трубчатый сварной с замками из горячекатаной стали», ТУ 5264-003-013512256-09 «Шпунт трубчатый сварной», ТУ 5264-014-01393674-2012 «Шпунт трубчатый сварной с составными замковыми соединениями из горячекатаных профилей»; в 2011 г. вступил в силу ГОСТ Р 52664-2010 «Шпунт трубчатый сварной. Технические условия» [9].

Рис. 4. Сортамент шпунта ШТС с замковыми соединениями типа ЗСГ1 (ТУ 5264-014-01393674-2012) [8]

 

Сейчас «Трест Запсибгидрострой» располагает двумя заводами по производству трубошпунта суммарной мощностью 50000 т/год: в г. Сургуте и п. Курумоч Самарской обл. На заводах компании изготавливают до полутысячи вариантов профилей стальных шпунтов, что позволяет обеспечить максимальную адаптацию к условиям конкретного проекта при возведении подпорных стен в различных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, в том числе и в криолитозоне (мерзлых грунтах), на нестабильных и скальных породах.

Процесс производства постоянно совершенствуется. Так, недавно на заводе компании в г. Сургуте установлена автоматизированная линия для сварки под флюсом (рис. 6), что позволило максимально автоматизировать производственный процесс, получить высокое качество сварного соединения, хорошее формирование шва, а также обеспечило высокую производительность, простоту и надежность процесса. При участии «Запсибгидростроя» разработан и запатентован отечественный горячекатаный коннектор, налажен его выпуск, тем самым обеспечено полное импортозамещение в этом сегменте. Замковые соединения продуманы до мельчайших деталей: по несущей способности, жесткости коэффициенту эффективности использования металла, геометрическим размерам, сопротивлению коррозии и удобству в применении на стройплощадке шпунты «ЗСГС» имеют явные преимущества перед шпунтами таких распространенных типов, как Larssen, SPSP, Hoesch, AZ.

Замок-обойма ЗСГ1о (слева)/Замок-гребеньЗ СГ1г (справа)
1 – труба;  3 – сварное соединение С1 по ГОСТ 14771 или ГОСТ 5264;
2 – сварное соединение Т1 по ГОСТ 14771 или ГОСТ 5264;  0-0 – ось шпунтовой стены

 

Немаловажно, что компания «Трест Запсибгидрострой» не только сама развивает инновационные технологии с применением ШТС в строительстве, но и активно делится ими с другими участниками строительной отрасли. В сентябре 2014 г. В Самаре прошел I Всероссийский симпозиум «Отечественный трубошпунт как гарант нашей экономической безопасности», организованный ОАО «ЦНИИС» совместно с «Трестом ЗСГС», редакциями журналов «Гидротехника» и «Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века». Программа Симпозиума состояла не только из Докладов участников, их обсуждения и обмена опытом, но и включала в себя посещение вновь открывшегося завода «Треста ЗСГС» в п. Курумоч, а также уже построенных объектов, в том числе комплекс причальных сооружений для крупнотоннажного негабаритного оборудования для Сызранского НПЗ. В рамках Симпозиума была проведена презентация нового технологического оборудования для горизонтального продавливания сотового коробчатого шпунта – установки «БОБР».

Учитываю актуальность и высокую практическую полезность данного мероприятия, участниками принято решение о проведении таких Симпозиумов на регулярной основе [14]. Перспективы производства и применения ШТС «Запсибгидростроя» связаны со строительством причальных сооружений для перемещения крупногабаритного оборудования с удельными нагрузками более 60 тс/м2; с проектами возведения подпорных стен по программе освоения Арктических районов страны; со строительством новых, реконструкцией и восстановлением подпорных стен причальных сооружений для обеспечения навигации на Северном морском пути России; с созданием транспортной инфраструктуры для освоения месторождений углеводородного сырья на морском шельфе и в зоне вечной мерзлоты [11]. Один из таких проектов реализуется «Трестом Запсибгидрострой» в настоящее время.

ОБУСТРОЙСТВО ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ САЛМАНОВСКОГО

Краткое описание проекта:

Салмановское (Утреннее) нефтегазоконденсатное месторождение (НГКМ) расположено на территории Тазовского района ЯНАО в северной части Гыданского полуострова и частично в акватории Обской губы в непосредственной близости от Южно-Тамбейского месторождения.

Назначение проектируемых причалов: прием и выгрузка строительных и генеральных грузов для освоения Салмановского нефтегазоконденсатного месторождения.

Протяженность трех причалов – 339 м, из них два причала – для приема генеральных и строительных грузов и материалов, один причал – для приема дизтоплива, керосина. Проектная отметка дна у причалов составляет 4,8 м.

Конструкция причалов разработана с учетом перспективного дноуглубления у причалов для приема более крупных судов.

Период эксплуатации – ежегодно в навигационный период, со второй половины июля по сентябрь, около 70 дней/год.

Режим работы причалов в навигационный период – круглосуточный, двухсменный.

Планируемый грузооборот составляет 140 тыс. т за навигацию, в том числе: 100 тыс. т – генеральные и навалочные грузы, 40 тыс. т – наливные грузы [7].

Этапы реализации проекта:

Состав экспедиции включал 10 вездеходов и 8 бульдозеров. В сложных метеорологических условиях и в связи с коротким периодом навигации доставка ШТС осуществлялась не только автомобильным транспортом, но и вертолетами

Первая забитая свая ШТС положила начало обустройству причальных сооружений Салмановского НГК.

Временной период от старта экспедиции до начала строительства – менее месяца.

(УТРЕННЕГО) НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Причальные сооружения. Моделирование. Окончательный вид

Еще одним направлением применения ШТС для возведения надежных сооружений на арктическом шельфе является создание островных конструкций. Исследования и совершенствование методов их создания позволят осуществить технологический прорыв в Арктических проектах.

ИСКУССТВЕННЫЕ ОСТРОВА С ОГРАЖДЕНИЕМ ИЗ ШПУНТА ТРУБЧАТОГО СВАРНОГО

Технико-экономические расчеты показывают, что больверки и искусственные острова из намытого грунта в виде подпорных стен из ШТС могут быть рекомендованы в качестве базовых вариантов проекта на шельфе.

В исследованиях ЦНИИС и «Треста Запсибгидрострой» определены параметры и условия безопасной эксплуатации искусственных сооружений при волновых воздействиях, наличии течений, воздействий льда. Для устройства больверков и ограждений намывных островов на шельфе рекомендуются шпунтовые сваи типа ШТС-820х14 с анкерным креплением в одном уровне, изготовленные «Запсибгидростроем», соответственно, по ТУ 5264-003-13512256-09 [5] и ТУ 5264-012-13512256-211 [6].

С целью повышения несущей способности и обеспечения условий длительной безопасной эксплуатации ограждений разработана технология заполнения полостей труб ШТС армированным бетоном и смесью песка с цементом. Исследования показали, что установка стального арматурного каркаса и укладка бетона в полость трубы ШТС многократно увеличивает жесткость и несущую способность конструкции.

Повышение несущей способности подпорных стен из шпунтовых свай традиционных профилей связано с радикальной переделкой конструкции сооружения. В подпорных стенах из ШТС требуется только удалить грунт из внутренней полости трубы (например, с помощью шнека или эрлифта с оборотным водообеспечением) и уложить внутрь трубы смесь песка с цементом или армированный бетон. Подпорные стены из ШТС с замораживающими устройствами воздушного или жидкостного типа рекомендуются для возведения сооружений на шельфе и в криолитозоне, в том числе для повышения несущей способности и формирования мерзлого состояния грунтов основания. Подобный опыт повышения несущей способности больверка, примененный Трестом «Запсибгидрострой» при строительстве порта Ямбург (1983–1986 гг., проект института «Гипроречтранс»), показал, что замораживание грунтов основания до твердомерзлого состояния с помощью охлаждающих сезонно действующих устройств с естественной конвекцией теплоносителя, размещенных в полостях труб (рис. 6) позволяет рекомендовать его применение и на других объектах. [3] Уже в 1984 г. Порт принял более 1 млн т грузов, при том, что навигационный период составлял всего три месяца в году, а абсо лютный минимум температуры достигал -56°С. [9] Рекомендации ЦНИИС и Треста «Запсибгидрострой» по проектированию причальных сооружений с использованием ШТС включены в программу с троительства новых, реконструкции и восстановления портов для обеспечения навигации на Северном морском пути РФ.

Рис. 8. Схема устройства для замораживания грунта
в полой трубе ШТС:
1 – труба ШТС;
2 – воздушная замораживающая система;
3 – проектируемая граница мерзлого грунта.

ПРИЧАЛЫ ДЛЯ ВЫГРУЗКИ КРУПНОТОННАЖНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И НЕГАБАРИТНЫХ ГРУЗОВ

В составе нефтеперерабатывающей промышленности сегодня действует: 27 заводов (НПЗ) с суммарной мощностью по первичной переработке нефти 253 млн т/год, 200 мини-НПЗ и 6 специализированных заводов по выпускуспециальных масел и смазок. И в тоже время Россия занимает одно из последних мест в мире по уровню нефтепереработки. Для сравнения, Китай добывает 180 млн т нефти в год, вдобавок закупает еще 130 млн т, далее производит переработку нефти собственными силами, т.к. на его территории действует 98 НПЗ, в странах Европейского Союза функционируют 140 НПЗ. Существующие в России мощности по нефтепереработке требуют капитальной реконструкции, степень износа основных фондов превышает 80%, некоторые из них построены в начале 1940-х гг., другие – после войны. [1]

В связи с этим возникает необходимость доставки оборудования и других крупногабаритных и тяжеловесных грузов (КТО). Для решения этой задачи предпочтительным является водный транспорт – с точки зрения объема перевозимого за рейс оборудования, скорости, минимизации затрат и экологического фактора. Но для успешной транспортировки необходимо построить причал. И в данном случае наиболее технически и экономически обоснована технология строительства причалов КТО с использование ШТС. Эта технология в настоящее время широко применяется и востребована у Заказчиков нефтегазовой отрасли.Ниже рассмотрены краткие характеристики объектов, построенных Трестом «Запсибгидрострой» в последнее время.

Причал КТО завода «Аммоний» в г. Елабуге, Республика Татарстан

Заказчик

ОАО «Дойгропроекты и Логистика»

Сроки выполнения работ:

Декабрь 2011 г. - сентябрь 2012 г.

Длина причального фронта

63,3 м. п.

Площадь ж/б монолитной эстакады

1 465 м2

Общий объем металлоконструкций

1 052 т

Площадь

перегрузочной площадки

2 520 м2

Объем сборного железобетона

600 м3

Причал КТО Куйбышевского НПЗ

Заказчик

ОАО «Роснефть»

Сроки выполнения работ:

Май - ноябрь 2010 г.

Объем грунта обратной засыпки

9 830 м3

Общий объем металлоконструкций

880 т

Длина причальной стенки по кордону

69,2 м

Площадь ж/б монолитной плиты эстакады

2 520 м2

Объем монолитного бетона

1 150 м3

Причал КТО Новокуйбышевского НПЗ (ОАО «Роснефть)

Заказчик

ОАО «Роснефть»

Сроки выполнения работ:

Январь - сентябрь 2013 г.

Объем грунта обратной засыпки

4 100 м3

Общий объем металлоконструкций

3 315 т

Длина причальной стенки крановой выгрузки

60,54 м

Длина причала для выгрузки РО-РО

80,6 м

Вес перегружаемого оборудования

Крановым способом

до 322 т

Методом РО-РО

до 1 050 т

 

Характеристики дороги от причала до завода

Протяженность

15 км

Ширина проезжей части на прямых участках

не менее 7 м

Габарит по высоте

не менее 8 м

Общая длина автопоезда

не менее 45 м

Максимальная общая масса автопоезда

1 055 т

Причал КТО в поселке Саранпауль

Заказчик

УКС ХМАО Югра

Сроки выполнения работ:

Декабрь 2003 г. - декабрь 2005 г.

Площадь ж/б монолитной плиты эстакады

2 520 м2

Длина причальной стенки по кордону

160 п. м

Объем грунта обратной засыпки

9 830 м3

Предельный вес КТО

235 т

Причал КТО и дорога Сызранского НПЗ

Заказчик

ОАО «Роснефть»

Сроки выполнения работ:

Октябрь 2012 г. - сентябрь 2013 г.

Длина причального фронта

60,54 м

Общий объем металлоконструкций

1 815,8 т

Объем грунта обратной засыпки

8850 м3

Характеристики дороги от причала до завода

Протяженность дороги

1,2 км

Ширина проезжей части на прямых участках

7 м

Габарит по высоте

8,3 м

Максимальная общая масса автопоезда

790 т

В качестве вывода следует указать, что:

• Экономический эффект от применения трубчатых стальных шпунтов «Треста Запсибгидрострой» уже превысил солидную сумму в 3 млрд руб. при снижении расхода стали не менее чем на 50 тысяч тонн в сравнении со шпунтами, сделанными по традиционным технологиям.

• Опыт строительства подобных сооружений показал, что возведение подпорных стен из ШТС «Треста ЗСГС» в среднем экономит 3–4 тыс. руб. и сокращает затраты труда не менее, чем на 6,6 человеко-часов на каждой шпунтовой свае [11]. Это доказывает перспективность применения, дальнейшего развития и поиска новых инженерных решений в области конструкций и технологий с использованием ШТС при реализации проектов в нефтегазовой отрасли, строительстве крупнейших портовых перегрузочных комплексов, как в условиях Северной климатической зоны в целом, так и в других регионах.

ИСТОЧНИК: Журнал 2/2015 (46) | СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ

Оригинал статьи в PDF скачать