Общие сведения о морских трубопроводах

Освоение морских месторождений нефти и газа требует реше­ния проблемы доставки последних на материк. Как показы­вает опыт, эта проблема может быть успешно решена трубо­проводным транспортом. Уже построены тысячи километров морских трубопроводов в самых разнообразных условиях. Опыт строительства морских трубопроводов в СССР пока ог­раничивается районом Каспийского моря и проливами, отде­ляющими о. Сахалин от материка.

Выбор трассы и изыскания. Выбор трассы морского трубо­провода от места добычи к берегу осуществляется по гидро­графическим морским картам, на которых имеются некоторые сведения о характере грунтов, слагающих дно моря в данном районе, а также данные о морских течениях (направлениях, скорости и т. п.). При выборе трассы необходимо стремиться к наиболее полному выполнению следующих условий: длина трубопровода должна быть минимально возможной; глубины укладки — минимальные, грунты — прочные, устойчивые; про­дольный профиль — плавный, без резких перепадов поверхно­сти дна.

Одновременное выполнение всех требований, как правило, невозможно. Поэтому необходимо определить требования наи­более важные, без выполнения которых нельзя осуществлять строительство трубопровода.

Например, выбрав самую ко­роткую трассу (прямую), можно получить профиль со значительными перепадами высот, но которому невоз­можно проложить трубопро­вод. Могут быть также и дру­гие ограничения. Например, трубопровод должен соеди­нить несколько платформ, до­бывающих нефть, пересечь ка­кие-либо искусственные пре­пятствия и т. д. Покажем это на примере (рис. 13.37). Платформы П\, 11₂ и /7₃, до-добывающие нефть, располо­жены за пределами судового хода А — А; вокруг платформ имеются зоны (на рисунке заштрихованы), в которых трубо­провод может быть поврежден швартующимися судами, зона а, б, в, г открыта для рыболовства. Наибольшая опасность по­вреждения будет в зоне судового хода, так как в критических ситуациях суда могут бросать тяжелые якоря и дрейфовать вместе с ними. Возможны два варианта соединения платформ: первый на схеме показан сплошной линией, а второй--пунк­тиром.

В первом варианте длина одной нитки трубопровода будет меньше, чем двух во втором. Однако в случае разрушения нитки (первый вариант) сразу отсекаются все платформы, с которых разбуриваются обычно несколько скважин. Второй вариант обеспечивает большую надежность, чем первый. Од­нако как в первом, так и во втором вариантах должна быть обеспечена защита трубопровода от повреждений на всей длине. Эффективность того или иного варианта может быть определена в результате оптимизации по принятому критерию.

Изыскания проводятся по выбранной трассе в более узкой полосе (200—300 м). При этом выполняются следующие ра­боты: детальная съемка профиля дна (с помощью эхолотов), гидродинамические работы, исследование дна на предмет об­наружения искусственных препятствий (затонувших судов и т. п.), исследование грунта. Детальную съемку профиля вы­полняют вдоль всей трассы и по двум дополнительным ство­рам, параллельно основному створу. Кроме того, проводят съемку профиля перпендикулярно к трассе. Таким образом, получают детальную картину рельефа дна в полосе шириной 200—300 м. Гидрометрические работы включают: измерение скорости и направления течения, распределение скоростей по глубине (от поверхности до дна).

Измеряют параметры волн при различных состояниях моря (спокойном, бурном, среднем волнении). В числе этих пара­метров длина волны, амплитуда, а также преимущественное направление движения волн. Скорости течения (вызываемого приливами и отливами или иными причинами) измеряют гид­рометрическими вертикалями, автоматически записывающими скорости и направления течения на разных глубинах. В ре­зультате этих измерений составляют графики распределения скоростей течений на различных глубинах в местах установки гидрометрических вертушек. Параметры волн определяются в течение года с помощью волновых буйков с самописцами, записывающими высоту волн и их период. Эти данные в со­вокупности с данными визуальных наблюдений позволяют прогнозировать картину волн в период строительства. Причем чрезвычайно важно установить преимущественное направле­ние волн.

Исследование грунтов вдоль трассы предполагает получе­ние следующих характеристик: гранулометрический состав, объемный вес, влажность, сопротивление сдвигу, размываемость. Эти данные получают по образцам, взятым по трассе будущего трубопровода, они необходимы при расчетах его устойчивости на воздействие волн и течений.

На основании данных о свойствах грунта, скоростях тече­ния, волнений и данных, полученных с помощью эхолотов, строится профиль дна по трассе с указанием вида грунта;и его основных характеристик (рис. 13.38) и составляется пояс­нительная таблица. В пояснительной таблице указывают: пи­кеты и расстояние между ними; высотные отметки дна; зид грунта (скала, гравий, песок, ракушка, ил и т. д.); удельный вес грунта уест, сцепление с; влажность весовая ш; размываемость грунта, которая характеризуется минимальным значе­нием скорости течения, размывающего грунт (в таблице про­ставляется (+), если грунт размывается при существующих в районе трассы скоростях или (—) —если грунт не размыва­ется); скорости течений v и преимущественное направление (азимут) В. Составленный таким образом профиль по всем рассматриваемым вариантам трассы дает возможность спро­ектировать подводный трубопровод, обладающий необходимой надежностью.

Воздействие волн и течений на трубопровод. Трубопровод при строительстве и эксплуатации может находиться в различ­ных положениях: на поверхности моря, в переходной зоне, на дне моря и на дне траншеи (если ее устройство предусматри­вается). В этот период трубопровод подвергается силовому воздействию волн и течений, которое необходимо уметь опре­делять, чтобы обеспечить устойчивое положение трубопровода на любой стадии его строительства и эксплуатации (на дне, в подвешенном состоянии, на поверхности моря).

На трубопровод могут действовать силы, зависящие от положения трубопровода относительно поверхности и дна моря. На рис. 13.39 показаны возможные положения трубопровода. Рассмотрим оба эти случая.

Трубопровод находится на дне. В общем случае он может подвергаться воздействию горизонтальных и вертикальных сил:

горизонтальные (на единицу длины) силы

где Р_х\ — сила, определяемая скоростным напором от постоян­ного течения; Р_ж2 — максимальное значение скоростной гори­зонтальной составляющей волнового воздействия; Р_хз — мак­симальное значение инерционной горизонтальной составляю­щей волнового воздействия:

где Qmp — вес трубопровода (трубы, изоляции, балласта и т. д.) в воде; Р_у} — выталкивающая сила (по закону Архимеда); Р_У2 — подъемная сила от постоянного течения; Р_у3 — скорост­ная составляющая волнового воздействия; Р_у± — инерционная составляющая волнового воздействия.

Если трубопровод находится в подвешенном состоянии, то Р_х и Р_у определяют по (13.53) и (13.54), причем в последнем выражении принимается Р„2 = 0.

Приведем характеристики и порядок определения отдель­ных составляющих.

Значения горизонтальной скоростной и инерционной со­ставляющих волнового воздействия определяют по формулам

где у — удельный вес воды; D_H — наружный диаметр трубопро­вода; h — высота волны; к_х, в_с, О_и — определяют по графику (рис. 13.40); й_с„ — коэффициент снижения, учитывающий не­одновременность действия волны по длине трубопровода; фв— угол между нормалью N к главной оси трубопровода 1 и лу­чом набегающей волны (рис. 13.41,а). На мелководье при Я>Я_кр

Значения вертикальных составляющих волнового воздейст­вия определяют по формулам

Для прибрежной полосы, т. е. при Я^Я_кр, горизонтальные и вертикальные составляющие волнового воздействия опреде­ляют по формулам (13.57), (13.59), (13.61), в которые нужно ввести коэффициент

где Л_Кр — высота волны непосредственно перед обрушением; апр — глубина воды в прибойной зоне; Я_кр — глубина воды, на которой волны начинают разрушаться. Лучом волны Л„ назы­вают линию, проведенную в плане через заданную точку аква­тории А нормально к линиям фронтов волн (2, 3, 4, 5, 6), т. е. луч направляем туда, куда бегут волны (см. рис. 13.41, а). Иллюстрация геометрических характеристик волны приведена на рис. 13.41,6. Имея характеристики волн на разных участ­ках и скорости течения, можно определить Р_х и Р_у по (13.53) и (13.54), а затем рассчитать необходимую пригрузку для обеспечения устойчивого положения трубопровода, находяще­гося на дне моря или водохранилища. Условие устойчивости будет иметь вид

где k_y — коэффициент устойчивости, принимаемый 1,2; /_Тр — коэффициент трения трубопровода о грунт.

Технология строительства морских трубопроводов

Технология строительства морских трубопроводов включает следующие элементы: земляные работы, подготовку трубопро­вода к укладке, укладку трубопровода, засыпку и защиту от повреждений. Земляные работы ведутся при рытье траншей и на тех участках трубопровода, которые должны быть заглуб­лены ниже поверхности дна. В мировой практике существуют устройства, позволяющие разрабатывать грунт с поверхности воды и в подводном положении. К первым относятся плавучие земснаряды, гидромониторные установки, грейферные земле­черпалки, пневматические и гидравлические грунтососы. Ко вто­рым — различного рода автономные устройства, работающие под водой. Приведем характеристики некоторых современных землеройных снарядов для рытья траншей на морских аквато­риях.

В Италии создан земснаряд, который может разрабатывать траншеи на глубине до 60 м. Рытье траншеи осуществляется фрезерным рыхлителем; глубина траншеи до 2,5 м при ширине по дну от 1,8 до 4,5 м. Скорость проходки до 130 м/ч в грунтах средней плотности. Снаряд перемещается по дну с помощью лебедки и тяговых тросов. Управление снарядом осуществля­ется оператором, находящимся в специальной камере на зем­снаряде. Воздух и электропитание на снаряд подаются с об­служивающего судна. Той же фирмой разработан земснаряд В-70, перемещающийся по уложенному на дно трубопроводу на салазках. За один проход снаряд разрабатывает грунт на глу­бину до 1 м. Снаряд работает на глубинах до 30 м, скорость проходки до 30 м/ч; управление, как и в предыдущем случае, с обслуживающего судна. В Японии разработан подводный бульдозер для земляных работ на глубинах до 60 м. Бульдозер имеет массу 34 т, мощный двигатель и гусеничный движитель. Может разрабатывать плотные грунты, которые земснарядами обычного типа разрабатывать нельзя.

В ФРГ создана установка для разработки траншеи на больших глубинах. Основу ее составляет экскаватор, управ­ляемый с промежуточной подводной станции и надводного судна. Глубина опускания подводной промежуточной станции принимается такой, чтобы разрабатываемый экскаватором грунт в виде пульпы поступал в нее за счет перепада гидро­статического давления. В промежуточной станции происходит разделение грунта и воды. С надводным судном промежуточ­ная станция связана трубопроводом для подачи разработан­ного грунта на поверхность и трубопроводами большого диа­метра, обеспечивающими доступ в капсулу с обслуживающим персоналом необходимых материалов и прокладку кабелей. Внутри станции поддерживается атмосферное давление, по­этому обслуживание и ремонт ее механизмов проводятся без глубоководных скафандров.

В Японии сконструирован подводный траншейный экскава­тор, предназначенный для разработки траншей при сооружении подводных трубопроводов, котлованов под фундаменты различ­ных морских сооружений и дноуглубительных работ. Экскава­тор перемещается по дну со скоростью 3 км/ч и может разрабатывать грунт на глубинах до 70 м. Масса экскаватора на суше около 60 т, в воде—примерно 50 т. Управляют экскава­тором два оператора с надводного судна. Экскаватор может работать при скорости течения до 3 узлов, продольном уклоне дна до 20° и поперечном — до 15°. Экскавация грунта осущест­вляется в полосе шириной 8,5 м по направлению его движе­ния, толщина разрабатываемого за один проход слоя грунта 3 м, в том числе 1 м вниз и 2 м вверх от опорной поверхности гусениц ходовой части экскаватора. Производительность по грунту из песка с галькой и камнями диаметром 75—90 мм примерно 45 м³/ч. Разработанный грунт транспортируется по пульпопроводу к месту отвала на дне моря или на грунтоотвозную баржу. Все силовые приводы экскаватора гидравличе­ского типа.

Подготовка трубопровода к укладке и укладка. Укладывать трубопровод в подводную траншею можно по двум схемам: протаскиванием и погружением с поверхности воды. В зависи­мости от того, по какой схеме ведется укладка, назначается технология подготовки трубопровода. Прежде чем перейти к рассмотрению названных схем укладки, отметим следующее. Мировой опыт строительства морских трубопроводов показал, что как для газопроводов, так и нефтепроводов лучшим защит­ным покрытием и одновременно балластом является бетон. При этом заливка воды внутрь укладываемых подводных газов и нефтепроводов не требуется.

Укладка труб протаскиванием осуществляется обычно с бе­рега в сторону открытого моря. Протаскивают плети бетони­рованных труб. Бетоном трубы покрывают на берегу, где плети укладывают на стапеле параллельно спусковой дорожке. Го­ловная плеть оснащена специальным буксировочным оголов­ком. По мере протаскивания плетей по роликовой дорожке (с пневматическими роликами) производятся пристыковка по­следующих плетей, изоляция стыка и бетонирование. Длина укладываемого таким образом подводного трубопровода ли­митируется прежде всего прочностью труб разрыву и воз­можностью создать необходимое тяговое усилие.

На рис. 13.42 изображена схема протаскивания. Трубопро­вод / движется по роликовой спусковой дорожке. Тяговое уси­лие от лебедки, установленной на судне 3, передается по тросу 2. Судно удерживается якорями 4. На практике таким способом укладывались трубопроводы длиной до 15 км.

Метод протаскивания очень прост, обеспечивает укладку трубопровода точно по трассе. Однако в современной практике морского трубопроводного строительства приходится укладывать трубопроводы на расстояния в несколько десятков и даже сотен километров, как, например, при освоении морских месторож­дений нефти и газа в Северном море (до 360 км). Обеспечить протаскивание на такие расстояния практически невозможно. В этих случаях применяется укладка с поверхности моря.

Методы укладки трубопроводов с поверхности моря весьма разнообразны. Но наибольшее распространение получила ук­ладка трубопровода с помощью специальных трубоукладочных судов (рис. 13.43). Трубоукладочное судно 4 закрепляется на якорях 6. Их может быть до десяти с общим держащим (гори­зонтальным) усилием до 6 мН. Судно является одновременно и накопителем секций бетонированных труб, доставляемых спе­циальными транспортными судами. Перегрузка с транспортных судов на укладочное осуществляется в месте укладки трубо­провода. Для общего представления о трубоукладочном судне приведем некоторые данные об одном из них. Водоизмещение 60000 т, длина 185 м, ширина 36 м, осадка 10 м, судовой кран грузоподъемностью 1450 т при высоте стрелы 5 до 30 м. Судно имеет помещения для рабочих и команды на 300 человек. Тру­бопровод может растягиваться усилием до 1,6 мН. На судно доставляют готовые секции длиной до 36 м, длина судна позво­ляет собирать плети длиной 180 м и укладывать их в траншею. Вместимость складов труб позволяет создавать запас бетони­рованных труб до 2.5 км при диаметре 800 мм и до 9,9 км — диаметром 600 мм. Укладка трубопровода / осуществляется следующим образом. На судне 4 (см. рис. 13.43) сваривают очередную плеть, стыки изолируют, бетонируют и оснащают поплавками 2. Плеть стыкуют с концом трубопровода, уложен­ного ранее и удерживаемого натяжным устройством и специ­альной жесткой приставкой,9. Угол наклона этой приставки назначается п зависимости от глубины водоема Я так, чтобы напряжения в трубопроводе на участке переходной кривой были наименьшими. Определению рациональной формы пере­ходной кривой уделяется большое внимание. На рис. 13.44 изо­бражена расчетная схема переходного участка. Балластирован­ный трубопровод имеет отрицательную плавучесть (вес единицы длины труб в подводном положении). Если поднять конец тру­бопровода в точке О' на величину Н, то он займет положе­ние /. Глубина Н при такой схеме укладки оказывается очень малой (до 10 м); укладка на большую глубину вызывает в ма­териале напряжения, превышающие предел текучести, и соот­ветственно пластичный изгиб труб или их разрушение. Поэтому для уменьшения изгибающих напряжений в трубах на пере­ходном участке L обычно

предусматриваются два мероприятия: применение разгружающих понтонов и растяжка трубо­провода. Разгружающие понтоны облегчают вес трубопровода на величину q\, т. е. фактический вес единицы длины труб будет

Совершенно ясно, что чем меньше q, тем менее сложным будет напряженное состояние переходного участка, что выте­кает из известной зависимости для упругой линии трубопро­вода, EI_y^lv = q(x).

В этом условии EI — величина постоянная, и поэтому поло­жение упругой линии будет зависеть только от q(x)=q. При­менение большого числа разгружающих понтонов усложняет процесс укладки. Поэтому для уменьшения их числа применяют натяжение трубопровода продольной силой Р_п. При этом пере­ходная кривая становится пологой (положение //); трубопро­вод работает как жесткая нить, изгибающие напряжения в нем существенно снижаются.

Правда, при этом переходный участок удлиняется, но и до­пускаемые глубины укладки резко возрастают. В настоящее время таким способом укладывают трубопроводы на глубины до 200—300 м. Для упрощения условий работы труб на пере­ходном участке укладочное судно оснащается специальной жесткой приставкой 3 (см. рис. 13.43) длиной до 100 м. При­ставка может изменять угол наклона к горизонту а, что необ­ходимо для регулирования положения переходной кривой при различных глубинах укладки. По этой жесткой приставке тру­бопровод перемещается по роликовой дорожке. Таким образом, натяжение и разгружающие понтоны требуются для участка, не опирающегося на приставку.

Напряженное состояние укладываемого трубопровода рас­считывают по правилам расчета жестких нитей. При этом за­данными характеристиками являются: вес труб, в воде q (опре­деляется из условия устойчивости трубопровода), предельное значение изгибающего момента [Al] = [a|W, где [а]-—контроли­руемое напряжение, W — момент сопротивления сечения труб с учетом защитного слоя бетона. Натяжение Р лимитируется двумя факторами: предельной силой натяжения, обеспечивае­мого судном, и несущей способностью материала труб. При оп­ределенном сечении труб наибольшая сила натяжения судна может быть больше, чем предельное сопротивление труб размыву. Это необходимо иметь в виду при расчете переходного участка.

Таким образом, при решении рассматриваемой задачи не­обходимо определить величину разгрузки q_[t длину переходного участка L и угол наклона жесткой приставки а.

Уравнение упругой линии жесткой нити имеет вид

где k = <\JP/(EI)\ P — продольная сила в трубопроводе; q — распределенная нагрузка, определяемая по (13.64).

Как видно из рис. 13.44, произвольные постоянные С\, C₂, С₃, С₄ можно определить, используя граничные условия jc = 0, у = 0 и у"=0; jc = L, y = H и y"=M₀f(EI).

Определяя далее изгибающие моменты по длине переход­ного участка L, устанавливаем возможность укладки трубопро­вода на заданную глубину Н при соответствующих q, E, 1. Если укладка по условию прочности оказывается невозможной, т. е. если a = M/W+P/F>[a], то величина q уменьшается на qi (не­обходимо применение разгружающих понтонов) и расчет повто­ряется. Эта итерационная процедура повторяется до тех пор, пока не будет получено оптимальное решение.

Решение осложняется тем, что неизвестна длина участка L. Для ее определения можно использовать условие х = 1, у' = = tga. Если стыкуемая плеть находится в горизонтальном по­ложении, то tg<z = 0.

Таким образом, изменяя угол наклона а жесткой приставки, нагрузку q и силу натяжения Р, можно регулировать глубину погружения от Я_т|„ до Я_тах. Решение должно выполняться на ЭВМ по программе, позволяющей рассмотреть возможные ва­рианты и принять лучший из них. Заметим далее, что с по­мощью понтонов можно изменять плавучесть трубопровода. Для этой цели применяют понтоны, внутрь которых может по­ступать вода. По мере увеличения глубины погружения воздух внутри понтонов сжимается и плавучесть понтона Р„ уменьша­ется. Таким образом, плавучесть трубопровода, зависящая от плавучести понтонов Р_п, распределяется по длине переходного участка неравномерно. Как показывает опыт, такой метод обес­печивает уменьшение длины L при одновременном увеличении допускаемой глубины погружения.

Укладка трубопровода происходит следующим образом. После подготовки очередной плети к укладке судно начинает продвижение на якорях 6 (см. рис. 13.43), сохраняя одновре­менно расчетное усилие натяжения Р. Для регулирования на­тяжения на судне имеются специальные устройства, равномерно сжимающие трубопровод на протяжении 5—10 м. Далее тру­бопровод проходит по направляющим роликам на жесткую приставку. По мере схода труб на приставку к ним прикрепля­ются понтоны. Понтоны могут быть различных конструкций (цилиндрические, шаровые и т. д.). Общим требованием к ним является способность выдержать внешнее давление воды на полной глубине погружения. Отстропка понтонов производится автоматически на заданной глубине. Контроль за укладкой ведут водолазы, а также команда из двух человек, находя­щаяся в специальных автономных погружаемых аппаратах.

Защита подводного трубопровода от повреждений. Уложен­ный на дно трубопровод должен быть надежно защищен от механических повреждений якорями судов, волокушами рыбо­ловных судов и т. п. Это может быть обеспечено заглублением трубопровода, бетонированием его, созданием различных обва­лований. При заглублении трубопровода должна быть обеспе­чена неразмываемость труб течением, а также защита труб от повреждений якорями. Однако заглубление трубопровода на больших глубинах представляет сложную задачу. Поэтому н местах, где возможно повреждение труб якорями судов и во­локушами рыболовных траулеров, кроме заглубления можно предусмотреть различные конструктивные решения по защите трубопроводов. Основная цель такой защиты — обеспечить ус­ловия, при которых якорь проходил бы через трубопровод, не зацепляя его. Для этого могут быть использованы следующие конструктивные решения: бетонирование без заглубления (рис. 13.45,а), бетонирование с малым заглублением (рис. 13.45,6), обычное бетонирование с устройством защитного об­валования (рис. 13.45, в), бетонирование с покрытием труб армированными бетонными блоками (рис. 13.45, г), бетониро­вание по специальному профилю (рис. 13.45, д). Все защитные схемы, кроме схем рис. 13.45, а, б, обеспечивают выдергивание лап якорей из грунта при волочении якорной цепи через за­щитную конструкцию. Размеры защитных покрытий при рас­положении трубопровода на дне без заглубления устанавливают на основании испытаний принятой конструкции. При этом за­ранее намечают вес и форму якоря, на которые должно быть запроектировано покрытие, а также определяют, на сколько воздействий (повторных прохождений якоря) оно должно быть рассчитано.

Глава 14