Трубопроводы на вечной мерзлоте: почему их ставят на опоры и как защищают грунт

В чём проблема

Вечная мерзлота — грунт, который круглый год остаётся мёрзлым. Пока он мёрзлый, он прочный. Но если его прогреть, лёд в порах тает, грунт превращается в кашу и проседает.

Горячий трубопровод, уложенный прямо в землю, работает как нагреватель: под ним образуется зона оттаивания, трубу ведёт, опоры проседают, сварные швы получают нагрузки, на которые не рассчитаны.

Два принципа строительства

Строительство на мёрзлых грунтах ведётся по одному из двух принципов, которые закреплены в своде правил СП 25.13330 «Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах»:

Принцип I — грунт основания сохраняют мёрзлым весь срок службы сооружения;
Принцип II — оттаивание грунта допускают, но заранее учитывают его осадку в расчётах.

Для горячих трубопроводов на мёрзлых грунтах чаще всего выбирают первый принцип — грунт не трогают.

Почему трубы ставят на опоры

Самый надёжный способ сохранить мерзлоту — поднять трубу над землёй. Между трубой и грунтом остаётся продуваемое пространство: тепло уходит в воздух, а не в землю.

Опоры ставят на сваи, которые заглубляют в мёрзлый грунт ниже слоя, оттаивающего летом. Глубина важна: в этом слое грунт зимой пучится и стремится вытолкнуть сваю вверх.

Термостабилизаторы грунта

Термостабилизатор — герметичная труба с хладагентом, нижняя часть которой уходит в грунт, а верхняя с рёбрами — в воздух. Зимой хладагент испаряется внизу, поднимается и отдаёт тепло холодному воздуху, а конденсат стекает обратно. Так устройство «откачивает» тепло из грунта всю зиму без электричества.

Летом, когда воздух теплее грунта, термостабилизатор сам выключается. На ответственных опорах их ставят прямо на сваи.

Опоры трубопровода на сваях с термостабилизаторами грунта в тундре — Термостабилизаторы на сваях зимой отводят тепло из грунта и сохраняют его мёрзлым.

Компенсация перепадов температур

Трубопровод на Севере монтируют летом, зимой он может остыть до −50 °C, а продукт внутри бывает горячим. Перепад в сотни градусов даёт огромные удлинения — их нужно погасить:

зигзагообразная трасса — трубу ведут ломаной линией, и удлинение уходит в изгибы;
П-образные и сильфонные компенсаторы — там, где трасса прямая;
скользящие опоры, по которым труба свободно перемещается.

Посчитать удлинение для северных температур можно в нашем калькуляторе.

Поставляем компенсаторы, опоры и арматуру для северных объектов — с учётом морозов до −60 °C.

Каталог компенсаторов

Изоляция и обогрев

Трубопроводы с водой и вязкими продуктами на морозе защищают толстой теплоизоляцией с защитным покрытием и обогревают — греющим кабелем или теплоспутником. Материалы и оборудование выбирают с расчётом на морозы до −60 °C: обычная сталь и уплотнения на таком морозе становятся хрупкими.

Мониторинг

Мерзлота меняется со временем, поэтому за ней следят: в термометрических скважинах измеряют температуру грунта, геодезисты проверяют положение опор. Если грунт под опорой начал оттаивать, это видно заранее — до того, как трубу повело.

Частые вопросы

Почему на Севере трубы не закапывают в землю?

Горячая труба в земле растапливает мерзлоту, грунт проседает, и трубопровод деформируется. Над землёй тепло уходит в воздух, и грунт остаётся мёрзлым.

Что такое термостабилизатор грунта?

Герметичная труба с хладагентом, которая зимой отводит тепло из грунта в воздух без электричества и сохраняет грунт мёрзлым. Летом она сама перестаёт работать.

Зачем трубопроводы прокладывают зигзагом?

Изгибы трассы принимают на себя температурные удлинения. На Севере перепад температур очень большой, и зигзаг помогает погасить удлинение без большого числа компенсаторов.

Какая сталь нужна для арктических трубопроводов?

Хладостойкая — сохраняющая вязкость при низких температурах. Её марку выбирают по минимальной температуре эксплуатации и расчёту, обычная углеродистая сталь на сильном морозе становится хрупкой.

Почему опасна ошибка в сваях?

Если сваи не дошли до прочного мёрзлого грунта или скалы, при оттаивании они проседают неравномерно, и опоры уходят из-под конструкции. Такие ошибки становились причиной крупных аварий на Севере.