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:
Рис. 1,2. ЯНАО
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 водонепроницаемость);
- 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).
Рис. 3. Безанкерный больверк свободной высотой 10,5 м (трубошпунт с замками FL-510)
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 Треста «Запсибгидрострой» успел многое сделать для развития транспортной сети Западной Сибири и Заполярья. За годы работы 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 Треста «Запсибгидрострой» 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.
Рис. 5. Шпунт трубчатый сварной производства завода в п. Курумоч, Самарской обл. ООО «Трест Запсибгидрострой»
Рис. 6. Автоматизированная линия для сварки под флюсом. Завод ООО «Трест Запсибгидрострой», г. Сургут
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 года в Самаре прошел I Всероссийский симпозиум «Отечественный трубошпунт как гарант нашей экономической безопасности», организованный ЦНИИС совместно с Трестом «ЗСГС», редакциями журналов «Гидротехника» и «Строительные материалы, оборудование и технологии XXIвека». 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».
Рис. 7 (а, б). Составные замки из горячекатаного профиля типа ЗСГ1
Учитываю актуальность и высокую практическую полезность данного мероприятия, участниками принято решение о проведении таких Симпозиумов на регулярной основе [14].
Перспективы производства и применения ШТС Треста «Запсибгидрострой» 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 УТРЕННЕГО) НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
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
Причальные сооружения
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 Трестом «Запсибгидрострой», 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.
Рис. 7. Схема устройства для замораживания грунта в полой трубе ШТС: 1 – труба ШТС; 2 – воздушная замораживающая система; 3 – проектируемая граница мерзлого грунта.
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 году порт принял более 1 млн т грузов, при том, что навигационный период составлял всего три месяца в году, а абсолютный минимум температуры достигал -56°С. [9]
Рекомендации ЦНИИС и Треста «Запсибгидрострой» по проектированию причальных сооружений с использованием ШТС включены в программу строительства новых, реконструкции и восстановления портов для обеспечения навигации на Северном морском пути РФ.
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 выпуску специальных 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 АО «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 ПАО «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 (Заказчик ПАО «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
Вес перегружаемого оборудования методом РО-РО: до 1 050 т
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 ПАО «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
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.
ЛИТЕРАТУРА:
- Овинникова К. Н./ Современное состояние нефтегазового комплекса России и его проблемы//Экономика. – 2012 стр. – с. 47–51.
- Соколов А. В./ Доклад: Конструктивно-технологические решения, как основа противодействия суровым природно-климатическим условиям Крайнего Севера, при строительстве гидротехнических сооружений/ 2014.
- Цернант А. А., Ефремов Н. А., Гончаров В. В. /Эффективные конструкции шпунтов трубчатых сварных – опыт и перспективы применения в строительстве// Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века – 2013. – № 2. – с. 29–32.
- Укрепляя Север// Эксперт – 2014 – № 43 (920). – стр.122–123.
- Стандарт организации. Возведение подпорных стен из шпунтов трубчатых сварных на скальных грунтах. СТО-01393674-013-2011. Москва. – 2011. Типография ОАО «ЦНИИС». – с. 32.
- Технические условия. Анкерные устройства для шпунта трубчатого сварного. ТУ 5264-012-1393674-2011. Москва. – 2011. Типография ОАО «ЦНИИС» - с. 21.
- Обустройство причальных сооружений Салмановского (Утреннего) нефтегазоконденсатного месторождения. // URL:http://www.morproekt.ru/projects/883-obustrojstvo-prichalnykh-sooruzhenijsalmanovskogo-utrennego-neftegazokondensatnogo-mestorozhdeniya.html#sthash.jvCvRXk7.dpuf
- Технические условия. Шпунт трубчатый сварной с составными замковыми соединениями из горячекатаных профилей. ТУ 5264-014-01393674-2012. Москва. – 2012. – Типография ОАО «ЦНИИС». – с. 32.
- Феномен «Треста Запсибгидрострой»// Гидротехника. – 2012. – № 4 (29). – с. 102–105.
- Гончаров В.В./ От программы «Мировой уровень» к мировому уровню. // Транспортное строительство. – 2009. – № 5. – с. 4–7.
- Дидевич А. / «Запсибгидрострой»: грани успеха. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2013. – № 7. – с. 22–25.
- Технические условия. Шпунт трубчатый сварной с замками из горячекатаной стали. ТУ 5264-002-13512256-2008. Москва. – 2008. – Типография ОАО «ЦНИИС». – с. 24.
- Технические условия. Шпунт трубчатый сварной. ТУ 5264-003-13512256-2009. Москва. – 2009. – Типография ОАО «ЦНИИС». – с. 38.
- Порошин А./ Отечественный трубошпунт как гарант экономической безопасности// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2014. – № 11. – с. 8–10.