Direct Pipe®, tehnologia alternativă la HDD pentru solurile permeabile

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

În aplicațiile de instalare pe sub pământ a țevilor și conductelor, execuția unor căi de trecere sigure, prin străpungerea unor zone de sol sensibil, sunt lucrări normale, care rareori constituie provocări majore. Dar la execuția fiecărui proiect se pune întrebarea, care dintre metodele de construcție disponibile este cea mai economică și mai puțin riscantă din punct de vedere al tehnologiei folosite.

Tehnologia unică Direct Pipe deschide noi posibilități de execuție a acestor lucrări, prin combinarea avantajelor tehnologiilor de „microtunneling” și HDD (Horizontal Directional Drilling). Echipamentul inovator de bază în această tehnologie este instalația hidraulică de tragere a conductei, care prinde conducta pe circumferință și o împinge în pământ, o dată cu mașina de forare. Aceasta înseamnă că, într-o singură etapă și dintr-o singură parte, simultan cu execuția forajului, poate fi instalată în sol o conductă prefabricată, care astfel va susține în mod permanent gaura.

Metoda Direct Pipe, care a fost dezvoltată în cadrul unui proiect sponsorizat de Ministerul Educației și Cercetării din Germania Federală, a fost implementată cu succes, pentru prima oară în anul 2007, pentru subtraversarea fluviului Rin, în orașul Worms din Germania. De atunci, echipamentele individuale, parte ale procesului de execuție, au fost îmbunătăție continuu și adaptate la cerințe crescânde de lucru, iar 110 proiecte, însemnând mai mult de 53.000 de metri de conducte, au fost finalizate în Europa și SUA, până în prezent. Tehnologia «Direct Pipe» este adecvată pentru instalarea directă a conductelor de diametru mare, de până la 60. În condiții de sol permeabil, instalarea conductelor prin metoda «Direct Pipe» oferă beneficii majore în comparație cu metodele mai vechi de instalare și este, prin urmare, o alternativă utilă.

IMG_1393

Mașina de forat folosită în tehnologia Direct Pipe®

Mașina de forat Direct Pipe funcționează într-un mod aproximativ similar cu o mașină convențională AVN (pentru execuția de tunele), șlamul fiind utilizat pentru transportul la suprafață a materialului excavat. Diferența dintre cele două tipuri de mașini constă în lungimea lor. Pentru a permite deplasarea mașinii de forat și a conductei pe un traseu curb, ansamblul mașinii este format, în plus de componenta cu capul de forare, din încă două componente cilindrice suplimentare, toate articulate între ele și conectate prin tije de reacțiune, ceea ce îi asigură mașinii de forat o capacitate optimă direcțională, lungimea fiecărei componente fiind de circa 3 m. Un avantaj al metodei Direct Pipe este faptul că mașina de forare împreună cu conducta pot fi retrase, în cazul în care acest lucru este necesar, cu ajutorul instalației hidraulice de tras conducta.

Planificarea proiectului include și adaptarea capului frontal de tăiere a mașinii la structura geologică a solului, prin utilizarea de dinți de frezare și discuri de frezare. Acestea din urmă zdrobesc rocile dure în fața mașinii, până când fragmentele sunt suficient de mici pentru a trece prin deschiderile capului de tăiere și a intra în camera de concasare, numită și de excavare.

În camera de concasare orice structură geologică este sfărâmată, de la pietriș grosier și până la roci tari. Principiul de lucru este similar cu cel al unui concasor cu con, rocile fiind sfărâmate până la granulația admisă pentru funcționarea fără blocaje a liniei de șlam.

Pentru diametre de conducte de 40″ (DE = 1.016 m) și mai mari, mașinile Direct Pipe sunt echipate cu o unitate integrată de putere, care generează presiunea hidraulică pentru a roti capul de tăiere și a forța cilindrii hidraulici de direcție. Această unitate este situată componenta cilindrică suplimentară, situată în spatele capului de tăiere și a cilindrilor de direcție. Avantajul generării de energie chiar în interiorul echipamentului de forare este că se pot obține lungimi mai mari de antrenare. Mașinile de forare mai mici, pentru conducte mai mici de 38″ (DE = 965 mm), din lipsă de spațiu, nu pot fi echipate cu o unitate integrată de putere, ele fiind antrenate prin linii hidraulice de la o unitate de putere situată la suprafață. În această situație, pierderile hidraulice limitează lungimea de antrenare la 300 m.

Pentru împingerea mașinii independent de conducta împinsă de instalația de tragere, o componentă cilindrică telescopică poate fi asamblată între cele două componente cilindrice suplimentare, care adăpostesc unitatea de putere și pompa de șlam. Astfel, este posibilă împingerea mașinii după o perioadă mai mare de staționare, când forțele de frecare tind să fie mai mari. În plus, există mai mult control al excavării atunci când se întâlnesc obstacole de genul: bolovani sau formațiuni de roci dure. Spre deosebire de stația hidraulică telescopică cu cilindri de împingere, pe care o întâlnim la metoda alternativă Pipe Jacking/Microtunelling cu conducte de beton, cilindrii telescopici utilizați la metoda Direct Pipe pot acționa în ambele direcții. Dacă devine necesară retragerea mașinii de forare și a conductei, de exemplu când mașina se blochează, forțele de frecare dintre sol și mașină sunt învinse de cilindrii situați în componenta cilindrică telescopică, iar forțele de frecare dintre sol și conductă, de cilindrii instalației de tragere a conductei.

De corpul mașinii de forare este atașată o piesă de tranzicție de care este sudată conducta. Piesa de tranzicție are o forma unui trunchi de con, diametrul mai mic fiind spre conductă. Pe această piesă se găsește un inel de lubrefiere cu bentonită, orientat spre înapoi, prin care o cantitate controlată de bentonită este pompată în rostul circular, fără a se depăși limitele de presiune.

1 Bild_Pipe Thruster_Messe Hanover

Pipe Thruster (Instalația hidraulică de tragere a conductei)

Pipe Thruster a fost concepută ințial ca instrument auxiliar ajutător pentru tragerea conductei, atunci când era utilizată metoda HDD de instalare coinductelor. Pipe Thruster este utilizată astfel:

– Pentru împingerea ori tragerea conductelor în găurile forate prin metoda HDD sau în tuneluri existente. Proiecte de acest fel au fost deja implementate pe întreg mapamondul, lungimea maximă a condutei împinse fiind de 4.000 m;

– Pentru tragerea țevilor de oțel așezate în prealabil pe sol. Proiecte de acest gen au fost deja realizate în SUA și în Europa;

– Ca instalație auxiliară în cadrul metodei Direct Pipe, pentru instalarea conductelor de oțel în sol, concomitent cu operațiunea de forare. În această situație, țevile pot fi protejate dacă acest lucru se impune. Până în prezent, 36 de proiecte de acest fel au fost finalizate cu succes în America de Nord și în Europa.

Diametrul maxim al unei conducte ce poate fi apucată de dispozitivul de prindere al echipamentului Pipe Thruster este de 60 (DE = 1.524 mm). Prin schimbarea inserțiilor de fixare a conductei, dispozitivul de prindere este adaptabil pentru a se potrivi la mai multe diametre exterioare ale conductelor. Dispozitivul a fost proiectat astfele încât la strângerea conductei să se evite deteriorarea stratului de acoperire, așa cum este cazul conductelor pentru transportul gazelor sau a petrolului. În cadrul unor teste complete efectuate în atelierele Herrenknecht din Germania în colaborare cu diverși furnizori de conducte de gaz, s-a demonstrat că forțele de strângere și de tracțiune exercitate de dispozitivul de prindere asupra conductelor nu cauzează nici o deteriorare a stratului de acoperire, indiferent dacă acesta este din polietilenă, polipropilenă sau dacă conducta este din plastic armat cu fibră de sticlă. Suprafața de contact a inserțiilor de fixare a conductei este acoperită cu cauciuc vulcanizat la cald, suficient de larg pentru a asigura o presiune scăzută asupra conductei, dar și o aderență foarte bună.

Herrenknecht oferă pieței trei modele de instalații hidraulice de tragere a conductei, ce pot fi utilizate pentru instalarea de conducte cu diametrul maxim de până la 36” sau de până la 48″ ori de până la 60″, Forțele de împingere sau tragere sunt de, respectiv: 3.000 kN (modelul HK300PT), 5.000 kN (modelul HK500PT) și 7.500 kN (modelul HK750PT).

Amenajarea șantierului

Prin utilizarea metodei Direct Pipe, traseul de forare este, de obicei, o curbă ce pornește de la suprafața terenului, trece pe sub un obstacol (de ex. un râu) și iese la suprafață în partea opusă, la fel ca în cazul tehnologiei HDD. Însă, beneficiul folosirii metodei Direct Pipe constă în simplitatea lansării mașinii de forat și a conductei și, totodată, în dimensiunile reduse ale gropilor necesare. În plus, echipamentul Pipe Thruster poate fi instalat într-o groapă de lansare superficială sau chiar la suprafață.

Mașina de forare, conectată la conducte, este amplasată la unghiul de intrare necesar în fața unui inel etanș de lansare. Conducta este susținută la suprafață de brațe laterale, de suporturi cu role și piste de lansare. Echipamentul Pipe Thruster este bine ancorat pentru la sol pentru a fi preluate forțele de reacțiune orizontale și verticale rezultate la aplicarea forței de împingere/tragere și care depind de unghiul de intrare a mașinii de forare în sol, unghi care poate ajunge până la 150.

toate componentele implicate în procesul de forare și instalare, cum ar fi mașinile, pompele și sistemele conducere pe sub pământ a mașinii, sunt controlate de la distanță, dintr-un punct de lucru amenajat la suprafață, într-un container, instalat lângă groapa de lansare. Funcțiile importante și valorile măsurate, precum și imagini video preluate de la camerele instalate în interiorul mașinii, sunt vizualizate pentru operatorul mașinii pe mai multe monitoare. Alimentarea cu energie hidraulică a echipamentului Pipe Thruster este asigurată de o unitate de alimentare instalată integrată în container.

Mașina de forare Direct Pipe este foarte precisă, ea urmând un traseu de forare prestabilit pentru instalarea conductei, cu o precizie de doar câțiva centimetrii, uneori chiar și numai câțiva milimetri. Această precizie de lucru se datorează unui sistem de localizare bazat pe giroscoape electronice de ultimă generație și pe un sistem electronic simplu, îndelung dovedit, combinat cu o nivelă hidraulică.

Liniile de alimentare și evacuare a suspensiei sunt conectate de la mașină, prin conducta ce se instalează, cu unitatea de separare de la suprafață. Tot prin conducta ce se instalează trec cablurile electrice de alimentare și cele de comandă ale mașinii de forare.

Beneficiile metodei Direct Pipe® comparativ cu celelalte metode alternative

Comparativ cu HDD

Comparativ cu Pipe Jacking/Microtunelling

Montarea conductei se face într-o singură etapă

(nu este necesară o mărire suplimentară a diametrului tunelului)

Montajul conductei se face într-o singură etapă

(nu este necesară o căptușeală specială peste conducta instalată) viteză mare de instalare

Diametru mai mic al găurii de forare

(doar cu 10 cm mai mare decât diametrul conductei, față de HDD care necesita forarea la un diametru mai mare cu o treime față diametrul conductei)

Diametru mai mic al găurii de forare mai puțin pământ de excavat, transportat și aruncat

Se poate fora permanent structurile geologice dificile nu mai constituie un risc major

Există opțiunea de a retrage mașina de forat în caz de obstacole structurile geologice dificile nu mai constituie un risc major

Amenajare de șantier doar la un capăt al lucrării

costuri reduse, ideal pentru aplicații de tip loc de vărsare la malul mării

Forare de la o suprafață la alta construcție simplă a găurii de vizitare la ambele capete

Montarea secțiunilor de conductă la suprafață, înainte de instalarea sub pământ, este lipsită de riscuri

Presiunea și debitul de șlam utilizat sunt scăzute

se reduc riscurile de a afecta mediul înconjurător

Mai puțin strat de acoperire necesar avantaj pentru client pentru accesibilitate ulterioară

Este posibil să se lucreze și discontinuu în situații neprevăzute sau planificate de oprire a mașinii de forare, nu există riscul pierderii echipamentului

 Figure 1_River Crosssing_Direct Pipe-MethodOLYMPUS DIGITAL CAMERA