Опасные явления, возникающие при строительстве и эксплуатации морских трубопроводов в условиях арктического шельфа

МИНОБРНАУКИ РОССИИ   УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ   Кафедра проектирования и эксплуатации магистральных     газонефтепроводов   КР-02009562-130503-95-13 группа НГД-09 (А. Ш.)   А. В. Павлюк   Дисциплина “Трубопроводный транспорт  продукции шельфовых нефтегазоконденсатных месторождений”     Ухта 2013

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 3

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 4

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5

1.1 Условия окружающей среды Арктического шельфа 5

1.2 Классификация способов прокладки морских трубопроводов 7

1.3 Протаскивание трубопроводов по дну 20

1.4 Строительство трубопроводов в ледовых условиях 23

1.5 Рытье траншей для подводных трубопроводов 32

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 44

2.1 Расчет стенки трубопровода при избыточном внутреннем            давлении 44

2.1.1 Отечественные нормы расчета. 44

2.1.2 Американский стандарт ASME B31.8 45

2.1.3 Британский стандарт BS 8010, часть 3. 46

2.1.4 Норвежский стандарт OS-F101 47

2.2 Расчет устойчивости морских подводных трубопроводов при воздействии волн и течений [5]. 49

2.2.1 Глубоководный участок 49

2.2.2 Мелководный участок 51

2.2.3 Прибрежный участок 58

2.3 Расчет трубопроводов на лавинное смятие 59

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 60

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Арктика представляет собой огромное пространство с колоссальными запасами природных  ресурсов. Однако специфические особенности  Арктики, её суровый климат и труднодоступность  осложняют и тем самым ограничивают доступ человека к её несметным богатствам.

Целью курсовой работы было показать опасные  явления, возникающие при строительстве  и эксплуатации морских трубопроводов  в условиях арктического шельфа на примере Штокмановского газоконденсатного месторождения.

В работе приведены основные теоретические  выкладки, касающиеся способов прокладки, заглубления в грунт морских  трубопроводов. Также указаны условия  окружающей среды, в которой происходит укладка морского трубопровода. Рассмотрены опасные явления, происходящие в процессе строительства и эксплуатации морского трубопровода.

Также в данной работе проведены расчёты  прочности трубопровода при укладке, ледовые нагрузки во время эксплуатации морского трубопровода.

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

 

Коэффициент надежности, m	1,6
Избыточное давление в трубе, Δp МПа	10,0
Наружный диаметр трубы, DН мм	1020
Минимальный предел текучести, σТ МПа	448
Внутренний диаметры трубы, DВ мм	995
Наружный диаметр по изоляции, Dи мм	1032
Объемная масса стали, γст кг/м3	7850
Объемная масса изоляционного покрытия, γиз кг/м3	690
Объемная масса морской воды, γв кг/м3	1030
Объемная масса бетона, γбкг/м3	2900
Скорость ветра, W м/с	20
Разгон, D км	350
скорости течения у дна, V м/с	0,5
Глубина мелководного участка, H м	20
Средняя высота волн, H 5% м	6,0
Длина волны, λ м	108
φ	45°
Донный грунт	Песок средней плотности
Удельной массой скелета грунта, Gгр кг/м3	2650
Насыщенность грунта, W %	194

 

 

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Условия окружающей среды Арктического шельфа

 

 

Арктика охватывает огромную территорию. Условия  окружающей среды разных областей сильно различаются, поэтому оптимальные для одного места проектные и конструкторские решения могут быть неприменимы в другом. В Арктике существуют как обширные мелководные области (например, на север от побережья России), так и очень глубоководные (между островами Арктики и к западу от острова Гренландия); как очень высокие приливы (в Белом море), так и почти незначительные (у северных арктических островов); как суровый волновой период (в Баренцевом море и бассейне Наварин), так и период, когда волны маловероятны. Морское дно может быть ровным и илистым или, напротив, скальным и илистым.

Наиболее  изменчив ледовой период. В некоторых  районах устойчивый ненарушенный прибрежный лед сохраняется круглый год  и может использоваться как надёжная рабочая платформа для строительства. В других областях, например, в море Бофорта и Печорском море, лед ломанный и непостоянный, движется не предсказуемо, оказывая сильное воздействие на плавучие и стационарные сооружения. В некоторых областях существует значительный безледовый период, в течение которого применимы обычные методы строительства. Максимальная глубина льдин, достигающих дна, колеблется от нескольких метров до сотен метров (айсберги).

 

 

 

 

Штокмановское газоконденсатное месторождение расположено  в центральной части шельфа российского сектора Баренцева моря в 550 км к северо-востоку от Мурманска.

Средняя скорость ветра в северной части  моря составляет 8,5 — 9,0 м/с. Максимальная скорость ветра наблюдается вокруг о-ва Медвежий и уменьшается в  восточном и северном направлениях (в направлении Штокмановского месторождения). В этом же районе зарегистрированы экстремальные значения скорости ветра, превышающие 36 м/с. В центральной части моря наиболее вероятная средняя скорость — 6— 10 м/с; скорость порыва ветра (за 50-летний срок наблюдений) — 40 м/с.

Минимальная температура воздуха центральной  части Баренцева моря составляет -24°С.

Водные  массы северо-западной части Баренцева  моря, в основном, состоят из прибрежных вод Норвегии, относительно теплой воды Атлантики и холодной воды Арктики. Норвежское атлантическое течение и норвежско-прибрежные течения входят в Баренцево море с юга и юго-запада. Скорости поверхностных течений 0,75 — 0,80 м/с замерены в зоне между прибрежным течением и норвежским атлантическим течением в Тромсофлакет. В центральной части моря на циркуляцию воды влияют Мурманское, Канинское и Колгуевское течения, и скорость течений составляет 0,5 м/с.

Северная  часть Баренцева моря является зоной  сезонного наличия льда. В некоторые  годы летом лед тает или полностью  уходит из этих вод. В другие годы лед остается в северо-западных и северо-восточных частях Баренцева моря. Обширные данные, полученные в результате ряда исследований за два последних десятилетия, показывает, что многолетний лед в западной части Баренцева моря появляется редко. Таким образом, наиболее типичным в Баренцевом море является однолетний лед. Толщина его может доходить до 1,8 м для ровного однолетнего и 3—5 м — для многолетнего льда.

Высота  значительных волн в центральной  части Баренцева моря составляет 12,5 м.

Чаще  всего лед в районе Штокмановского месторождения встречается в  виде айсбергов весом вплоть до 4 млн. т. Согласно данным ICEBASE о свойствах айсбергов, средняя максимальная высота айсбергов составляла 15,4 м. Айсберг наибольшей высоты имел парус 43,5 м, а вероятность встречи айсберга, превышающего 30 м, составляла 5,8%. В среднем максимальная длина айсберга достигла 118 м. Вероятность встречи айсберга массой, превышающей 1 млн. т, составляла 13,5%. Появление столообразных айсбергов было зафиксировано к югу от Свенскоя. Айсберг имел высоту надводной части 12 м, максимальную длину 500 м и массу ориентировочно 6,4 млн. т.

В 1988 г. в рамках исследований, проведенных  IDAP, были осуществлены лабораторные опыты отобранных образцов льда айсбергов с целью определения его механических характеристик. Опыты показали, что среднее значение прочности на одноосное сжатие достигло 5,4 МПа, а диапазон изменения за 16 тестирований при температуре -10°С составил 2,3—7,3 МПа.

Дрейф айсберга определяется распределением давления на его поверхности. Высокие скорости ветра могут оказывать существенное влияние на дрейф айсберга. В западной части Баренцева моря проследили движение айсберга со средней скоростью 1,13 м/с в течение 31 ч. Максимальная скорость достигла 1,38 м/с в конце этого интервала времени при действии сильного ветра.

 

2. Классификация способов прокладки морских трубопроводов

 

При строительстве морских трубопроводов  применяют различные способы их прокладки, зависящие от ряда факторов, определяющих организацию строительного процесса (наличие технических средств, конструкция и назначение трубопровода, гидрометеорологические и геологические условия района строительства, топография морского дна, период проведения работ, условия судоходства и т.д.). В последние 10—15 лет в отечественной и зарубежной практике начали применяться принципиально новые способы прокладки трубопроводов в морских условиях, показаны на рисунке 1.1.

При способе прокладке морских трубопроводов, включающем буксировку плетей трубопровода на плаву или по дну моря, для изготовления плетей на берегу моря используют две схемы организации работ. Первая схема — секции труб изготавливают в базовых условиях, а затем перевозят на береговую монтажно-сварочную площадку, показанную на рисунке 1.2,  для сварки их в длинномерные плети (до 2 км). Вторая схема предусматривает доставку труб непосредственно на береговую площадку, где их стыкуют и сваривают в плети. Подобная технология была использована при строительстве четырех ниток ( протяженностью 18 км каждая) морского газопровода Апшерон — о. Жилой на Каспийском море. На береговой монтажной площадке было организованно массовое производство секций труб длиной 100 м с применением автоматической сварки поворотных стыков труб под флюсом. Использовалась полевая сварочная установка ПАУ-500 для сварки труб диаметром 219—1020 мм, включая сварочный агрегат АСДП-500, торцевой вращатель, шесть роликовых опор и сварочную головку ПТ-56. При изготовлении плетей трубопровода применялась неповоротная сварка межсекционных стыков вручную — электродами УОНИ 13/45.

 

 

Рисунок 1.1 – Классификация способов прокладки морских трубопроводов

 

Монтаж  трубопровода на трубоукладочном судне  проводится конвейрным способом на его палубе, показанного на рисунке 1.3. Технологический процесс начинается с подачи труб с трубных стеллажей на поперечный конвейер краном грузоподъемностью 100 т. Поперечный конвейер является начальным звеном технологической линии, расположенной вдоль правого борта судна. С него труба подается на две центровочные тележки с вращающимися роликоопорами. Центровочные столы тележек могут перемещать трубу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Когда на стыке устанавливается центратор, затем производится сварка двух первых слоев. После этого стык очищается металлической щеткой и нейлоновым шлифовальным кругом. По сигналу оператора весь трубопровод с помощью натяжного устройства перемещается на 12 м. по мере перемещения трубопровода на следующих трех сварочных постах происходит накладывание очередных слоев шва. На пятом посту осуществляется контроль качества сварного шва методом рентгеноскопии. На следующих постах — изоляция и обетонирование стыков труб.

В процессе укладки морских трубопроводов  стыковые сварные соединения труб бывают нагружены в значительно большей степени чем сухопутные, поэтому требования к их сварке повышены. Однако из-за высокой стоимости трубоукладочного судна (и по другим причинам) требуется высокая скорость изготовления трубопровода. В связи с этим для морских трубопроводов обычно применяют наиболее прогрессивные механизированные методы сборки и сварки. Наряду с ручной широко используют автоматическую сварку.

 

 

Рисунок 1.2 – Монтажно-сварочная площадка для сборки плетей из обетонированных труб сечением 1020Х20 мм (длина плети 500 м; производительность 2км/сут; габаритные размеры площадки 500Х166 м; число обслуживающего персонала 100—110 чел.):

1 – лебедка (грузоподъемность 150 т); 2 – опора для конифас-блока; 3 – автокран (грузоподъемность 16 т); 4 – жилой поселок; 5 – кран (грузоподъемность 60 т); 6 – двухтрубные секции длиной  по 24 м; 7 – кран (грузоподъемность 100 т); 8 – лебедка (грузоподъемность 5 т); 9 – полевая автоматическая сварочная станция ПАУ-1001; 10 – склад труб; 11 – лаборатория контроля сварки; 12 – установка для приготовления бетона; 13 – склад горюче-смазочных материалов; 14 – электростанция; 15 – сварочный пост; 16 – роликовая опора; 17 – склад транспортных понтонов; 18 – склад; 19 – причал

 

Рисунок 1.3 – Монтажно-сварочная линия на трубоукладочном судне

«Сулейман Везиров»:

1 — стингер; 2 — поворотный кран; 3 — бетономешалка; 4 — кранбалки; 5 — пункт обетонирования стыков; 6 — монорельс; 7 — котлы для варки битума; 8 — натяжные устройства; 9 — пункт изоляции стыков; 10 — помещение для контрольных приборов; 11 — сварочные тележки; 12 — пункт рентгеноскопии стыков труб; 13 — роликовые опоры; 14 — центровочные тележки; 15 — поперечный конвейер; 16 — стеллажи для труб; 17 — гусеничный кран (грузоподъемность 100 т)

Определенный  опыт сварки морских трубопроводов, особенно на трубоукладочных судах, имеется за рубежом. К основным факторам, определяющим качество сварки поперечных швов на судах, следует отнести свариваемость металла, геометрические размеры и форму концов труб, способ сварки, качество сварных материалов, квалификацию сварщика, внешние нагрузки и воздействия. Одни факторы зависят от качества изготовления труб на заводе, другие — от организации и технологии укладки трубопровода. Повышение требований к морским трубопроводам привело и к ограничению. Овальности труб ±0,5 %, уменьшению содержания углерода в сталях, улучшению структуры металла и применению добавок ниобия, ванадия и титана. При ручной сварке заварку шва обычно выполняют одновременно несколько сварщиков. При сварке труб сечением 813×19 мм время одного цикла составляет 8 мин, дневная производительность 130—150 стыков. Следует отметить, что сварка труб большого диаметра требует выполнения ряда условий: применение в качестве материала труб перлитных сталей с содержанием углерода не более 0,15 %, смещение стыков труб при их сборке не более чем на 2,4 мм.

При строительстве трубопроводов в  Северном море для сварки неповоротных стыков труб широко используют автоматические установки двух типов. При этом требуется тщательной подготовки стыков труб, особенно прилегание кромок с минимальным зазором. Сварка проводится в среде углекислого газа проволокой, подаваемой в зону сварки четырьмя сварочными головками, движущимися по окружности трубы вдоль шва. На установке «C. R. C. Crose» заварка корня осуществляется с внутренней стороны трубы четырьмя сварочными головками , совмещенными с внутренним центратором, что позволяет одновременно проводить сварку корневой шва и выполнять горячий проход трубы снаружи. На установке «H. C. Price» предусматривается применение медного прокладного кольца при заварке корня шва с наружной стороны трубы. Заполняющие швы в обоих случаях выполняют с наружной стороны трубы. Сварочные дуги для уменьшения деформации трубопровода действуют в противоположных секторах. Время сварки одного кольцевого шва трубы сечением 813×19 мм составляет 6 мин.