Технология прокладки морских трубопроводов



Методы укладки морских трубопроводов

Первые суда для прокладки морских трубопроводов появились в конце 40-х годов прошлого века [8]. С небольших барж в мелководных районах трубы, собранные на муфтах, погружались на дно. Практика показала, что укладка подводных трубопроводов способом свободного погружения даже с созданием в трубопроводе растягивающего усилия не дает возможности выполнить укладку трубопровода на глубину более 10-15 м и при волнении моря более двух баллов [9].

Необходимость увеличения диаметров укладываемого трубопровода, глубины укладки, производительности укладки и возможности укладки при более сильном волнении вызвало необходимость создания специальных судов.

Около 70% специализированных судов и все многоцелевые трубоукладочные суда применяют способ наращивания трубопровода на горизонтальной монтажной линии с последующим спуском его под натяжением по стингеру. Изогнутый участок трубопровода, находящийся между точкой касания морского дна и натяжным устройством ТУС, принимает форму S-образной кривой (рисунок 2.1), поэтому данный способ получил название S-метода укладки трубопровода.

Рисунок 2.1 S-метод укладки трубопровода

Наибольшие напряжения могут возникнуть на выпуклом или вогнутом участках S-образной кривой изогнутого трубопровода (рисунок 2.5-б).

Напряжения на вогнутом участке регулируются с помощью натяжного устройства, размещенного на ТУС, а напряжения на выпуклом участке трубопровода уменьшаются использованием стингера. С увеличением диаметра трубопровода или глубины моря необходимо применять более мощные системы натяжения и увеличивать габариты стингера (радиус кривизны и длину). Конструкции стингеров различных радиусов и расстояние от свободной поверхности воды до нижнего конца стингера (h) для трубоукладочного судна «Solitaire» показаны на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 Схема стингера трубоукладочного судна Solitaire

Применение S-метода укладки ограничивается максимальными напряжениями (относительными деформациями), зависящими от параметров укладываемого трубопровода (изгибной жёсткости, отрицательной плавучести), глубины моря (гидростатического давления воды), величины натяжения трубы, радиуса кривизны и длины стингера, а также от воздействия волн и течений.

Наиболее совершенные трубоукладочные суда со стингером осуществляют укладку S-методом трубопроводов диаметром до 1220 мм на глубину моря до 300 м и диаметром до 800 мм на глубину до 700 м со скоростью укладки 3…5 км/сут.

Перспективным способом укладки на большие глубины является укладка с трубоукладочной баржи с изгибом трубопровода по J-образной кривой (так называемый J-метод укладки). В верхней части упругая линия трубопровода принимает форму, приблизительно прямой линии с углом наклона к горизонтали от 40 до 90°, что значительно больше по сравнению с S-образной формой укладки. На барже трубопровод опирается на спусковую наклонную рампу и не имеет изогнутого (с выпуклостью, обращенной вверх) участка (рисунок 2.3). Кривизна в провисающей части трубопровода контролируется созданием натяжения. Основное отличие J-метода укладки от S-метода заключается в отсутствии стингера и в вертикальном расположении верхнего конца трубопровода в процессе укладки при больших глубинах моря, что обусловливает отсутствие напряжений от изгиба на верхнем конце трубопровода. С уменьшением глубины моря угол наклона верхнего конца трубопровода относительно горизонтали уменьшается, и поскольку угол наклона рампы ограничен минимальным значением, то минимальная глубина моря, при которой возможно применение J-метода, значительно больше, чем при S-методе.

Рисунок 2.4 — J-метод укладки трубопровода

Наращивание трубопровода происходит в вертикальном положении. При использовании этого метода на транспортировочную рампу подается одна трубная секция или предварительно сваренная из нескольких секций плеть, которая затем передается на наклонную рампу и приваривается к основному трубопроводу в специальной сварочной камере. Все операции по формированию сварного шва на главной технологической линии: сварка, контроль шва, изоляция выполняются в сварочной камере, предварительная сварка плети осуществляется либо на самом судне на вспомогательной технологической линии или на берегу. Этот метод особенно эффективен при глубоководной укладке труб большого диаметра.

Одной из особенностей сварочного процесса при укладке трубопроводов J-методом является то, что полный цикл операции приварки трубной секции к спускаемой плети, контроль и изоляция сварного шва выполняются на одном посту.

При укладке J-методом напряженно-деформированное состояние глубоководных трубопроводов зависит от параметров укладываемого трубопровода (изгибной жёсткости, отрицательной плавучести), глубины моря (гидростатического давления воды), величины натяжения трубы и воздействия волн и течений. Эпюра изгибающего момента по длине укладываемого глубоководного трубопровода показана на рисунке 2.5-а.

а) J-метод укладки б) S-метод укладки

Рисунок 2.5 — Эпюры изгибающих моментов, возникающих при укладке трубопровода

Совместное воздействие изгибающего момента, наружного гидростатического давления и продольного усилия создаёт опасность потери устойчивости поперечного сечения трубы в виде локального смятия и последующего за ним лавинного смятия. Лавинное смятие заключается в распространении возникшего дефекта вдоль всего глубоководного участка трубопровода. Скорость распространения волны смятия может достигать 100 – 150 м/с. Лавиноопасный процесс смятия может самопроизвольно остановиться только при существенном снижении внешнего гидростатического давления воды. Для защиты глубоководных трубопроводов от лавинного смятия необходимо увеличивать толщину стенки трубы или устанавливать ограничители лавинного смятия (вставки трубы с увеличенной толщиной стенки) с определённым шагом вдоль всего глубоководного участка трубопровода. Однако, как показывают расчёты, по мере увеличения глубины моря рост толщины стенки для глубоководных трубопроводов может быть весьма значителен, что создаст непреодолимые трудности при их изготовлении на заводе, сварке и укладке на дно моря. Ограничители лавинного смятия не позволяют полностью исключить явление лавинного смятия, но локализуют его в пределах участка между двумя соседними ограничителями.

Проблема исследования напряженно-деформированного состояния и потери устойчивости поперечного сечения трубопроводов больших диаметров (D>1219 мм) при укладке на глубины моря более 500 м является недостаточно изученной.

Источник

СПОСОБЫ УКЛАДКИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Способы укладки подводных трубопроводов можно классифици­ровать следующим образом: 1) протаскивание по дну моря; 2) погру­жение с поверхности моря; 3) спуск на морское дно с трубоукладоч­ных судов (рис. 16.1.1).

Способ укладки протаскиванием по дну(рис. 16.1.1а). Перед про­таскиванием прямолинейная секция трубопровода (1) располагается на роликовых дорожках (2), установленных вдоль трассы. К передне­му концу секции приваривают оголовок (3) с устройством для креп­ления троса. Оголовок имеет коническую или сферическую форму, что предотвращает возможность зарывания головного участка трубо­провода в грунт при протаскивании. От оголовка трос идет к тяговой лебедке, установленной на судне (4). Для уменьшения силы трения трубопровод оснащают разгружающими понтонами (5).

Способ укладки по дну погружением с поверхности моря(рис. 16.1.16). Трубопровод (1), поверхность которого, как правило, защищена бе­тонным покрытием для обеспечения отрицательной плавучести, осна­щен понтонами (2) для придания ему положительной плавучести. По­сле установки трубопровода над местом укладки понтоны поочеред­но отсоединяют, и трубопровод с одной стороны постепенно опускается

Глава 16. Монтаж морских трубопроводов 431

на дно моря. Наибольший изгиб при таком методе укладки бывает в сечениях, расположенных у дна и поверхности воды. Для ускорения погружения трубопровода в него с одной стороны можно закачивать воду. В некоторых случаях для снижения изгибающих напряжений и уменьшения кривизны опускаемого на дно трубопровода к концу плавающей плети прикладывают растягивающее усилие.

Способы укладки МТ с трубоукладочного судна(рис. 16.1.1ви г). Различают три основных метода монтажа трубопровода на борту дви­жущегося судна: 1) монтаж в горизонтальном или слабонаклонном положении; 2) монтаж в вертикальном положении; 3) разматывание с барабана.

При укладке трубопровода первым — так называемым S-методом — судно (1) при помощи якорных или буксирных устройств перемеща­ется по трассе, а трубопровод (2), уложенный на рольганги, сходит с палубы (рис. 16.1.1в). К кормовой части корпуса судна обычно кре­пят стингер 3 прямолинейной или криволинейной конфигурации, являющийся продолжением рольганга и предназначенный для уменьшения изгибающих напряжений в сечениях укладываемого трубопровода. Наклон стингера может изменяться в зависимости от глубины воды в месте укладки трубопровода. По мере продвижения трубоукладочного судна вдоль трассы трубопровод наращивается при помощи сварочно-монтажного оборудования, установленного на борту судна.

С увеличением глубины воды и диаметра трубопроводов требуют­ся все более мощные стингеры и возрастают продольные усилия, ко­торые нужно прикладывать к плети строящегося трубопровода для поддержания его безопасного напряженно-деформированного со­стояния. Поэтому при строительстве глубоководных трубопроводов в настоящее время все более широкое применение находит второй метод монтажа трубопроводов в вертикальном состоянии (рис. 16.1.1г). Для этого на трубоукладочном судне (1) устанавливают монтажную вышку (2), внутри которой производят наращивание плети. Данный метод обладает меньшей производительностью, которая, однако, мо­жет быть увеличена путем предварительной сварки отдельных труб в плети по 2, 3 или даже 4 штуки.

При третьем способе с баржи (1) опускают трубопровод (2), пред­варительно намотанный на барабан (3), через специальное выпрям­ляющее устройство, а затем по стингеру (4) на дно.

При укладке подводных трубопроводов на больших глубинах боль­шое значение приобретает необходимость точного регулирования плавучести трубопровода, что достигается применением утяжеляю-

Часть III. Сооружение морских трубопроводов

Рис. 16.1.1. Схемы укладки морских трубопроводов: а — про­таскивание трубопровода по дну; б — укладка трубопровода с поверхности; в — укладка трубопровода с судна, имеющего стингер; г — укладка трубопровода с судна, имеющего монтажную вышку; д — укладка трубопровода, намотанного на барабан

Глава 16. Монтаж морских трубопроводов 433

щих покрытий и различных пригрузов или понтонов. Другим возмож­ным вариантом увеличения веса трубопровода является подсоедине­ние к укладываемому трубопроводу другого трубопровода, заполняе­мого водой в процессе укладки.

При этом второй трубопровод можно вводить непосредственно в полость основного и в процессе укладки наполнять водой, выпол­нять роль пригруза или оставлять пустым в качестве разгрузочного понтона.

Понтоны, используемые для укладки трубопроводов, могут быть мягкими или жесткими. Мягкие понтоны изготавливаются из рези­ны или пластика, армированного на заводах. Жесткие понтоны, изго­товленные из металла или пластмассы, обычно имеют сферическую или цилиндрическую форму и заполняются газом или жидкостью.

Источник

Морской трубопровод

Морской трубопровод — трубопровод, проложенный на морском дне либо в траншее под морским дном. Является разновидностью подводного трубопровода.

Содержание

Общие сведения

Морские подводные трубопроводы используются в основном для транспортировки нефти или газа, но могут использоваться и для транспортировки других продуктов, например — пресной воды.

Различают промысловые морские трубопроводы и магистральные морские трубопроводы.

Промысловые трубопроводы служат для передачи флюида (нефти или газа) внутри промысла (выкидные линии, отводные линии) или между промыслами.(межпромысловый трубопровод). Кроме того, существуют экспортные трубопроводы (export pipeline — англ.) для передачи добытого сырья в магистральный трубопровод или на накопительно-отгрузочный терминал на морской платформе, где происходит перегрузка сырья на танкеры, и импортные трубопроводы — (import pipeline — англ.) для подачи к скважинам пресной воды, которая затем закачивается в пласт для поддержания в нём необходимого давления. [1] [2]

Маршрут трубопровода

Выбор маршрута является самым первым этапом в организации строительства морского трубопровода (МТ). Прокладывая маршрут, по которому затем будут уложены трубы, надо учесть множество факторов: от политических до геологических и экологических. Определение маршрута будущего трубопровода начинается с исследования геологических карт, воздушной и спутниковой фотосъёмки, батиметрии, данных по наличию участков ведения рыбного промысла, а также информации о судоходстве в районе предполагаемого строительства.

Природные факторы

Взаимодействие подводного трубопровода и морского дна, на которую он опирается (четыре возможных сценария) (рисунок).

Основной физический фактор , который следует учитывать при строительстве МТ — рельеф морского дна. Если участок дна, по которому прокладывается трубопровод, имеет значительные неровности, то над впадинами образуются безопорные пролёты, которые могут прогибаться под своим весом вплоть до деформации или разрушения. Также в длинных безопорных пролетах могут возникать сильные вибрации под воздействием донных течений. Для предотвращения подобных явлений, там, где это возможно, перед укладкой трубопровода проводят выравнивание дна. Другими вариантами является применение донных настилов, отсыпка каменных берм, установка подпорок. [3]

Вторым важным параметром является механические свойства грунта. Если несущая способность грунта слабая, трубопровод может заглубиться в него так, что осуществление инспекций, технического обслуживания и предполагаемых врезок будет затруднено или невозможно. С другой стороны, в скалистом морском дне тяжело прокладывать траншею для укладки трубопровода, а так же оно может повредить внешнее покрытие трубы. (Необходимость укладки трубопровода в траншею может быть вызвана рядом причин, например, экзарцией дна морскими льдами).

Другие физические факторы , которые должны быть приняты во внимание до строительства трубопровода:

• Динамика рельефа дна : песчаные волны и мегарифели. [4] со временем перемещаются, так что, например, трубопровод, проложенный на гребне песчаной волны, через некоторое время может оказаться во впадине. Эволюцию этих объектов трудно предсказать, так что лучше избегать области, в которых они существуют.
• Подводные оползни : происходят на крутых склонах. Могут являться результатом высоких скоростей седиментации, либо быть вызваны землетрясениями. Вызванный оползнем сдвиг грунта вокруг локального участка трубы может привести к её разрушению.
• Течения : Сильные течения препятствуют прокладке трубопровода. Например, в мелководном проливе между двумя островами могут быть достаточно сильные приливные течения. В таком случае предпочтительнее проложить трубопровод в другом месте, даже если этот альтернативный маршрут длиннее.
• Волны : Волны на мелководье также могут создавать проблемы для укладки трубопровода. Кроме того, угрозу его стабильности создаёт приливная эрозия дна. По этим причинам определение зоны выхода трубопровода на берег является особо важным моментом в процессе планирования.
• Ледовая обстановка : В замерзающих водах на мелководье часто наблюдаются дрейфующие льды. Они при перемещении царапают (выпахивают) дно, и могут повредить уложенный на дно или заглублённый неглубоко под дно трубопровод. Так же опасным для трубопровода может быть такое явление, как штрудель — хлынувшая в него вода может вымыть почву из-под трубы, создавая тем самым безопорный пролёт. На участках, где имеются описанные риски, трубопровод необходимо укладывать в достаточно глубокие закрытые траншеи.

Техногенные факторы

При планировании маршрута учитывается текущее и прогнозируемое использование морского дна вдоль предполагаемого маршрута. В том числе:

• Другие трубопроводы : В месте пересечения проектируемого трубопровода с существующим требуется применение специальных конструкций для предотвращения их непосредственного контакта, либо неблагоприятных гидродинамических эффектов. Пересечение должно происходить под прямым углом.
• Рыболовецкие суда : В промышленном рыболовстве используются тяжелые рыболовные тралы, тянущиеся за траулером на несколько километров. Эти тралы могут цепляться за трубопровод.
• Судовые якоря : судовые якоря представляют собой потенциальную угрозу для трубопроводов, особенно вблизи гаваней.
• Военные аспекты : В некоторых районах морского дна находятся морские мины и прочие боеприпасы, в том числе химическое оружие, оставшиеся там после произошедших ранее боевых действий либо учений. Кроме того, на дне может находиться действующее военное оборудование (например, приборы для обнаружения подводных лодок). В первом случае проводятся работы по разминированию трассы, во втором — участки, используемые военными, обходятся.
• Затонувшие объекты. Затонувшие суда либо другие крупные техногенные объекты обнаруживаются в ходе исследований предполагаемого маршрута.

Характеристики морского трубопровода

Диаметр трубы морского трубопровода, как правило, находится в пределах от 3 дюймов (76 мм) до 72 дюймов (1800 мм). Толщина стенок — в диапазоне от 10 мм (0,39 дюйма) до 75 мм (3,0 дюйма). Материал — сталь, один из основных критериев отбора — хорошая свариваемость. От внешней коррозии трубы обычно защищают специальными покрытиями, такими как битумная мастика либо эпоксидная смола. Дополнительно используется катодная защита. Бетонное или стекловолонное покрытие обеспечивает дополнительную защиту от абразивного износа. Бетонное покрытие служит также для обеспечения отрицательной плавучести трубопровода в случае транспортировки по нему веществ с низкой плотностью, таких, как природный газ. Трубы, предназначенные для транспортировки нефти, не имеют внутреннего антикоррозионного покрытия, в случае транспортировки веществ, вызывающих коррозию, труба может быть покрыта изнутри эпоксидной смолой, полиуретаном, либо полиэтиленом.

Для чистки и дефектоскопии трубопровода в процессе эксплуатации используются » свинки [en] » — специальные очистные поршни-скребки и диагностические зонды.

Технология изготовления труб

Для морских трубопроводов обычно изготавливаются трубы с антикоррозийными и антифрикционными покрытиями и в бетонной рубашке для стабилизации положения на дне. Так для проекта «Северный Поток — 2» изготовлено более 200 000 труб диаметром 1143 мм и толщиной 41 мм, которые перед укладкой проходят обработку [5] :

1. Изнутри труба покрыта антифрикционным и антикоррозийным эпоксидным покрытием. Основное назначение слоя в снижении сопротивления движению газа, защита от коррозии является вторичной, так как газ проходит подготовку через специальные установки очистки и осушения.
2. Нанесение снаружи трубы антикоррозийного покрытия толщиной 4,2 мм из 3х слоёв полиэтилена [6] .
3. Покрытие трубы бетонной рубашкой толщиной 60-110 мм из гидротехнического бетона с оцинкованной арматурой в целях дополнительной защиты основной трубы от коррозии, защиты от механических повреждений, а также утяжеления для погружения трубы в воду под собственным весом и предотвращения перемещений трубы на дне под действием течений [7] .

Способы укладки трубопроводов

Существует четыре основные системы укладки трубопровода: с буксировкой плетей, укладка по S-образной кривой, укладка по J-образной кривой, укладка с барабана.

Буксировка плетей

При применении этого способа трубы сваривают в длинные плети на суше, а потом буксируют к месту укладки морскими буксирами. Сборка плетей может осуществляться как параллельно, так и перпендикулярно береговой линии. Существенным преимуществом системы буксировки плетей является то , что предварительное тестирование и осмотр линии происходят на суше, а не в море. Существуют четыре различные технологии сооружения трубопровода с помощью буксировки: [8]

• Поверхностная буксировка : Во время буксировки плети, с прикреплёнными к ним специальными модулями плавучести, остаются на поверхности воды. При прибытию к месту погружения модули плавучести отсоединяют либо заполняют водой, и плети опускаются на морское дно. Данный способ неприменим при волнении на море и чувствителен к течениям.
• Приповерхностная буксировка : Плети буксируются ниже поверхности воды , но не глубоко — это ослабляет влияние волн. Но не намного — вехи, используемые для удержания плети на плаву, всё же подвергаются влиянию неспокойного моря.
• Буксировка на средней глубине : При этом способе требуется меньше модулей плавучести. Плети подвешиваются на цепях между двумя буксирами, один из которых тянет плеть, а второй — создаёт натяжение. Величина допустимого провисания ограничена глубиной.
• Придонная буксировка : используются дополнительные утяжелители в виде цепей. Когда цепи касаются дна, их вес уменьшается, и погружение плети прекращается. Обычно при придонной буксировке плети перемещаются на расстоянии 1-2 м от дна.
• Донная буксировка : Трубопровод затапливают, после чего волоком перемещают по дну. Такая технология используется только при мягком ровном дне, и только на мелководье.

Источник