книги / Сооружение подводных трубопроводов

вые годы, сохранялись лишь на отдельных промыслах. Основная часть углеводородного сырья доставляется с морских место­ рождений потребителям по трубопроводам. Высокая эффектив­ ность и надежность трубопроводного транспорта обусловили быстрый и стабильный рост протяженности морских трубопро­

уменьшение суммарной протяженности прокладываемых морских нефтегазопроводов. Это происходит, во-первых, за счет высо­ кой освоенности и завершения формирования трубопроводной сети в отдельных регионах. Во-вторых, новые месторождения располагаются на больших глубинах, что сдерживает их быстрое и одновременное освоение. В-третьих, накопленный опыт и современные технические средства предопределяют целесооб­ разность сооружения трубопроводов больших диаметров вместо многониточных систем из труб малого диаметра.

5.1.УСЛОВИЯ СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Основные проблемы при сооружении и эксплуатации морских трубопроводов связаны со значительными глубинами моря, вол­ нением и течением воды, судоходством и рыболовством, а так­ же повреждениями трубопровода или его покрытия яхорями и тралами.

Вертикальные перемещения трубоукладочной баржи в резуль­ тате волнения моря обусловливают увеличение изгибающего мо­ мента и напряжений в трубопроводе на вогнутом участке (вбли­ зи дна) в процессе его укладки. Расчетами показано, что из­ гибающий момент при этом может увеличиться на 60-100% по сравнению с моментом при нулевой амплитуде вертикальных пе­ ремещений баржи.

Специфические метеоусловия ограничивают продолжительность строительного периода на море с апреля по сентябрь (макси­ мум - ноябрь), причем, часть этого времени может быть также неблагоприятной для прокладки трубопроводов. Наряду с прос­ тоями по погодным условиям заметную долю составляют техно­ логические простои-перемещения баржи, ремонт оборудования, трубопровода и т.п. На рис. 5.1 приведена диаграмма распре­ деления календарного времени в период с 1 апреля по 29 ок­ тября для трубоукладочной баржи Курошио II при строительст­ ве трубопроводов в Северном море.

Аналогичные наблюдения были проведены специалистами при строительстве газопровода Фршт-Сант Фергюс диаметром 813 мм трубоукладочной баржой ЛБ-27. За период с апреля по сентябрь рабочее время составило 48%, простои по условиям погоды - 35% и 17% - потери времени, связанные с отказом оборудования, повреждениями трубопровода и перемещениями

ные с непогодой; 3 простои по прочим причинам (перемещения

казом оборудования

баржи. Следует отметить, что баржа ЛБ-27 может осуществлять укладку труб при высоте волны до 1,8 м.

Соотношение составляющих календарного времени зависит в определенной мере от вида выполняемых работ. Так, для под­ водных земляных работ, которые на упомянутой системе газо­ проводов производились специальной баржой БАР-331, рабочее

щественное различие между средним и максимальным темпами укладки трубопровода. С учетом простоев средний темп уклад­ ки для ЛБ-27, например, составил 0,82 км/сут, что почти в 4 рада меньше максимального темпа.

При прохождении донного трала над незаглубленным трубо­ проводом наблюдаются трение канатов и трала о трубопровод, а также удары направляющими башмаками. Указанные воздейст­ вия приводят к частым разрушениям утяжеляющего покрытия, пггЯучиип на размытых участках трубопроводов. Исходя из этого бетонное покрытие испытывают на ударные нагрузки, а направ­ ляющие башмаки выполняют с отражателями.

Большую опасность для трубопроводов представляют по­ вреждения его якорями и размывы. Поэтому трубопроводы про­ ектируются с заглублением в дно моря. Глубина заложения оп­ ределяется конкретными условиями трассы трубопровода и дейстующими в Данном регионе нормами проектирования.

Так например, Нормами проектирования Нидерландов предпи­

сывалось укладывать трубопроводы в траншеи с толщиной за­ сыпки не менее 2 м. Эта величина была определена исходя из того, что почти 98% мирового грузового флота оснащена яко­ рями с заглублением до 2 м. Однако ввиду отсутствия спе­ циальной эффективной техники, высокой стоимости подводных земляных раоот и многочисленных повреждений трубопроводов при заглублении толщина засыпки была уменьшена до 1 м для трубопроводов диаметром до 300 мм. Позднее на основании обобщения опыта строительства и эксплуатации, начиная с 1980 г. трубопроводы в Голландском секторе Северного моря разрешено заглублять с толщиной засыпки не менее 0,2 м до нижней границы размыва дна, а некоторые категории трубопро­ водов - прокладывать по дну без заглубления в грунт.

В Датском секторе трубопроводы проектируются с заглубле­ нием в дно на всем протяжении. Так газопровод Тира-Эсоьерг (диаметр 762 мм, длина 214 км) и конденсатопровод Горм Эсбьерг (диаметр 508 мм, длина 220 км) на всем протяжении уложены в траншею. Причем, на участке газопровода, примыкаю­ щем к берегу, длиной 80 км толщина засыпки принята 1 м, а на остальной части - не менее 0,2 м. Толщина засыпки конденсатопровода не менее 1 м по всей трассе.

Сложные природно-климатические условия в ряде случаев предопределяют необходимость разработки и применения спе­ циальных конструктивных решений, таких, как, например, при строительстве берегового участка газопроводной системы Статфьюорд - Карсто (Статпайп) в Норвегии. Из-за неровностей дна, сложенного скальными грунтом, и незащищенности берего­ вой зоны от волн и течений было принято решение проложить трубопровод в туннеле.

Туннель прямоугольного сечения, в котором размещаются 2 нитки трубопровода, состоит из 5 секций общей длиной 590 м, устанавливаемых на опоры. Конструкция рассчитана на

14с, повторяемость - 0,01.

ВСША трубопроводы диаметром более 219 мм должны заглуб­ ляться в дно на 0,9 м от верхней образующей трубы.

Сложные грунтовые условия и большие глубины предопреде­ ляют высокую стоимость производства подводных земляных ра­ бот. Например, средняя стоимость разработки траншеи при про­

кладке газопровода Экофиск - Эмден составила 312 тыс. аме­ риканских долларов на 1 км и обратной засыпки привозным грунтом - 1,87 млн долл, на 1 км.

В тех случаях, когда заглубление оказывается неэкономич­ ным, трубопровод пригружают каменной наброской, различными типами защитных матрасов или мешками с песком. Стоимость защиты трубопровода указанными способами сопоставима со стоимостью земляных работ при прокладке в траншее. На упо­

сам повышения эксплуатационных характеристик покрытий уде­ ляют серьезное внимание.

В настоящее время для изоляции подводных трубопроводов применяются каменноугольные эмали, битумная мастика и поли­ мерная пленка, разработаны напыляемые эпоксидные покрытия.

Каменноугольные эмали отличаются высокой сопротивляе­ мостью к отслаиванию, водонепроницаемостью и устойчивостью к химическим реагентам. Однако эти покрытия плохо переносят ударные нагрузки, имеют низкую абразивную износостойкость

пудры, наполнителя и отвердителя. Эти покрытия являются термоусаживающимдся и наносятся на предварительно подогре­ тую (примерно 232 С) поверхность трубы.

По сравнению с вышеупомянутыми эпоксидные покрытия обла­ дают более высокими адгезионными свойствами, устойчивостью к абразивному износу и ударным нагрузкам, а также гибкостью и ремонтопригодностью. К недостаткам их следует отнести бо­ лее высокие требования к подготовке поверхности трубы, включая предварительный подогрев, а также специальную тех­ нологию нанесения утяжеляющего покрытия. В качестве утяже­ ляющего покрытия используется высокопрочный бетон с железо­ рудными добавками, повышающими его плотность до 3 т/м3 и более. Прочность кубического образца бетона на сжатие при­ нимается не менее 45 МПа, а водоцементное отношение - не более 0,45. Состав бетона зависит в определенной мере от способа его нанесения. При обетонировании трубопровода набрызгиванием весовое соотношение составляющих бетона сле­ дующее: гранитная крошка - 38,1%, песок - 31,6%, цемент - 23,3%, вода -7%. Прочность кубических образцов бетона при этом составляет рп - 74 МПа и * 84 МПа (соответственно через 7 суток и 28 суток).

Требования, предъявляемые к утяжеляющим и изоляционным покрытиям, в значительной мере предопределяются условиями их работы и действующими на них нагрузками.

В процессе укладки покрытия испытывают значительные сжи­ мающие и сдвигающие нагрузки в результате натяжения, ударные нагрузки со стороны стингера при волнении моря, а также де­ формации вследствие изгиба трубопровода на выпуклом и вог­ нутом участках, во время эксплуатации - ударные нагрузки тралами, абразивный износ и изгиб при перемещении трубо­ провода и провисании.

Особые условия нагружения подводных трубопроводов в про­

целом. Основным из них является высокое сопротивление сдвигу бетона относительно изоляционного покрытия, необходимое для передачи продольного натяжения на трубопровод. Значение сопротивления сдвигу (в МПа) определяется типом изоляцион­ ного материала и состоянием поверхности контакта с бетоном:

Эти данные целесообразно использовать только для сравне­ ния сопротивления сдвигу различных типов изоляционных мате­ риалов, поскольку условия нагружения трубопровода в экспе­ рименте отличались от реальных. Повышение сопротивления сдвигу между изоляционными и утяжеляющими покрытиями может осуществляться различными способами.

В рамках этой проблемы специалистами "Бритишгаз” был вы­ полнен комплекс экспериментов по оценке сопротивления сдвигу бетона при покрытии трубопровода эпоксидными смолами на тру­ бах диаметром 1066,8 мм. Изоляционное покрытие наносилосьона поверхность трубы, предварительно подогретую до Т - 232 С, с толщиной слоя 0,635 мм. Для утяжеляющего покрытия исполь­

тивления сдвигу бетона относительно покрытия - спиральный валик, промежуточный слой и обечайка с шероховатой поверх­ ностью.

Спиральный валик выполнялся из эпоксидной смолы высотой 0,508 мм, шириной 5,08 мм с шагом 203,2 мм.

Промежуточный слой из армированного стекловолокном поли­ мерного цемента наносился на антикоррозионное покрытие тол­ щиной 2,03-3,05 мм.

Обечайка шириной 1026 мм и толщиной 0,38 мм выполнялась также из эпоксидной смолы с добавлением кремниевой крошки, наносимой на трубу. До отвердения обечайка обрабатывалась металлической щеткой для увеличения шероховатости поверх­ ности. Бетонное покрытие образца трубопровода, один конец которого закреплялся неподвижно, подвергалось действию осе­ вого сдвигающего усилия, создаваемого подвижным упором с кольевым наконечником, имеющим внутренний диаметр, равный наружному диаметру заизолированного трубопровода. Результаты эксперимента представлены ниже в табл. 5.3.

Учитывая, что в процессе укладки трубопровод подвергается наряду с натяжением изгибу, описанный выше эксперимент был повторен на образцах труб после предварительного изгиба. Как показали исследования (см. табл. 5.3), вследствие предва­ рительного изгиба труб во всех случаях, за исключением двух

Таблица 5.3

Сопротивление сдвигу бетона по поверхности эпоксидного покрытия

•Разрушение бетонного покрытия от действия сдвигающей силы.

последних образцов, наблюдается значительное снижение со­ противления сдвигу.

Из сравнения экспериментальных данных видно, что проти­ воскользящие устройства в виде спирального валика и проме­ жуточного слоя практически не влияют на величину сопротив­ ления сдвигу, однако позволяют (по сравнению с гладкой по­ верхностью) частично сохранить сцепление бетона с покрытием после изгиба трубопровода. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение при определении целесообразности при­ менения таких устройств для повышения надежности трубо­ проводов.

Следует отметить, что противоскользящие устройства одно­ временно повышают жесткость трубопровода. При наложении промежуточного слоя жесткость увеличивается на 30% по сравнению с гладкой поверхностью, а для шероховатой обечайки это увеличение составляет 17%.

Эрозионные процессы, обусловленные действием волн и те­ чений, приводят к размыву и провисанию значительных участ­ ков трубопроводов. Наряду с этим наблюдаются обратные явле­ ния - занос трубопроводов, уложенных на дно или в траншею без засыпки.

При обтекании трубопровода, уложенного на дно, создается зона повышенного давления на участке, расположенном за тру­ бой (по течению воды). Касательные напряжения в этой зоне увеличиваются по сравнению с окружающими участками. Перепад

Рис. 5.3. Зависимость глубины размыва трубопровода от скорости течения

воды и диаметра трубопровода:

а - dso - 0,05 мм; б - dso " 0,13 мм (dso диаметр частиц 50-процентной фракции грунта)

давления является основной причиной активизации процесса

размыва трубопроводов.

На рис. 5.3 представлены зависимости глубины размыва от скорости течения и диаметра трубопровода.

Участки трубопроводов в мелководных зонах, как правило, заглубляются ниже отметки дна моря, что предполагает зна­ чительные дополнительные затраты на выполнение подводных земляных работ. В связи с этим иногда трубопровод уклады­ вают в траншею, а обратная засыпка его предусматривается путем естественного заноса. Однако, как показывает практика, трубопровод, оставленный в траншее, может через некоторое время оказаться выше отметки дна моря. Причина выпирания трубопровода из траншеи заключается в том, что течение перемещает его по ДНу траншеи вместе с донными наносами. При ослаблении течения труба возвращается в первоначальное плановое положение» но на более высокую отметку. Периоди­ ческое повторение оОИсанного процесса может привести к под­ нятию трубопровода. Это явление, как и размыв, также пред­ ставляет реальную угрозу работоспособности трубопровода.

5.2.УКЛАДКА ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАКЛОННЫХ СТИНГЕРОВ

Первые морские трубоукладочные средства представляли со­ бой небольшие баржи, соединенные для создания площадки не­ обходимой длины. Продвижение барж осуществлялось за счет сталкивания трубопровода в воду.

С перемещением добычи нефти и газа на большие глубины (более 40 м) возникла необходимость разработки специальных трубоукладочных барж, оснащенных устройствами для формиро­ вания пологой кривой оси трубопровода и уменьшения изгибных напряжений в процессе его укладки. В качестве устройства на­ чали использовать стингеры. Трубопровод в процессе спуска со стингера образует 5-образную кривую, в связи с чем способ получил название 5-метод.

Простейшие конструкции стингеров состояли из параллель­ ных связок понтонов, очень чувствительных к состоянию моря, которые со временем были заменены на жесткие стингеры пря­ молинейной формы. Прямолинейные стингеры выполнялись в виде двух длинных трубчатых ферм, оснащенных ролико-опорами. Плавучие средства, реконструированные для сооружения морских трубопроводов и оборудованные такими стингерами, относят к первому поколению трубокладочных барж.

Наряду со стингерами на баржах предусматривалось натя­ жение трубопровода, которое осуществлялось с помощью канатов и грузов, удерживавших спускаемый с баржи трубопровод.

Максимальная глубина кладки для барж 1-го поколения не превышала 60 м, диаметр труб - 500 мм, натяжение - 200 кН, а отношение диаметра D к толщине стенки трубы р - н е менее 60.

Необходимость прокладки трубопроводов на больших глубинах обусловила поиск новых решений, позволяющих минимизировать недостатки конструкции трубоукладчиков 1-го поколения. В ре­ зультате были построены специальные баржи, оснащенные кри­ волинейными (жесткими и шарнирными) стингерами длиной до 200 м, устройствами натяжения с усилием до 900 кН, анкеровки и навигации в створе трассы, способные производить укладку трубопроводов диаметром до 1200 мм при высоте волн до 4 м (рис. 5.4). С вводом последних в эксплуатацию появилась возможность сооружения трубопроводов с отношением 30 < D/д < < 60 при темпе до 100 км в сезон. Указанные технические решения существенно расширили диапазон применения трубо­ укладочных барж и явились важным этапом в развитии тех­ ники и технологии сооружения морских трубопроводов. Трубо­ укладочные баржи этого класса относят ко 2-му поколению.

К этому же классу трубоукладчиков относится трубоукла­ дочное судно ’’Сулейман Везиров”, способное укладывать тру­ бопроводы диаметром до 800 мм на глубину до 195 м. Судно

Рис. 5.4. Схема уклад-

проводов по 5-образной кривой:

1 трубопровод; 2 стингер; 3 - кран; 4