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

В нашей стране для дуговой сварки неповоротных стыков труб применяется установка «Север-1», которая работает на строительстве наземных трубопроводов и может быть использована при строительстве морских трубопроводов.

Контролю  подвергаются все стыки морских  трубопроводов. На больших трубоукладочных суднах применяют рентгеновскую аппаратуру полуавтоматического действия с мягким излучением, которая обеспечивает просвечивание стыков (включая автоматическое проявление отснятой пленки) за 8—10 мин.

Рассмотрим  характерные особенности некоторых  новых способов прокладки морских трубопроводов.

Прокладка с наклонной рампы судна-трубоукладчика, показанного на рисунке 1.4, проводится с судов, оснащенных эстакадой для сборки и сварки труб в нити укладке на

Рисунок 1.4 – Трубоукладочное судно с наклонной рампой:

1 — трубопровод;  2 — стеллаж для труб; 3 — наклонная рампа; 4 — кран

дно (рампы) и тяговой лебедкой для натяжения нитки трубопровода при её моря по J-образной кривой. Преимущество такого способа — возможность применения судов значительно меньших, чем трубоукладочные баржи, размеров, без использования громоздких стингеров. Стабилизация судна обеспечивается восемью якорными цепями или системой динамической стабилизации. При J-образном методе натяжении нитки трубопровода необходимо снижать напряжения в трубопроводе только на нижнем изгибающемся участке, что требует применения натяжных устройств значительно меньшей, чем на баржах-трубоукладчиках, мощности. Например, при укладке труб диаметром 50—250 мм на глубинах моря от 10 до 200 м усилие натяжения на судне не превышает 50—100 кН. Темп укладки трубопроводов с таких судов составляет 240—720 м/сут при работе с трубами длиной 12 м и может удвоиться при использовании секций труб длиной 24 м. При работе с трубами на резьбовых соединения эти темпы могут быть значительно увеличены.

Опыт  укладки морского трубопровода диаметром 114 мм протяженностью 1 км на глубинах моря 100 м этим способом с применением резьбовых соединений труб накоплен фирмой ЭТПМ (Франция) в Бискайском заливе. Этой фирмой было использовано буровое судно «Астрагаль».

Прокладка морских трубопроводов с  бурового судна, показанного на рисунке 1.5, производится при помощи буровой вышки и оборудования, предназначенного для морского бурения скважин. При укладке трубопроводов буровое судно с динамической стабилизацией дополнительно оснащается оборудованием для изготовления секций труб на палубе судна, оборудованием для соединения секций труб в непрерывную нитку трубопровода, натяжным устройством, установочным башмаком под вышкой и тяговой лебедкой. Укладка трубопровода производится по J-образной кривой, при этом трубы направляются по вышке, как буровые штанги. Работы могут проводиться при волнении до 8 баллов (по шкале Бофорта), если при укладке трубопровода судно идет на волну.

При работе с секциями труб диаметром 50—250 мм темп укладки может составить 500—1500 м/сут, с секциями труб на резьбовых соединениях — 2—4 км/сут. Опытные работы проводятся с бурового судна «Пеликан» фирмой ЭТПМ. Преимущество данного способа — возможность проведения одним судном ряда операций (бурение и обустройство подводных скважин, перемещение различного подводного оборудования, укладка и соединение трубопроводов, кабелей и т.п.).

Прокладка плетей трубопровода притягиванием  ко дну осуществляется при проведении работ по соединению двух подводных скважин на глубинах до 1000 м.

Рисунок 1.5 — Трубоукладочное судно с вертикальной вышкой (типа

бурового судна)

1 — трубопровод; 2 — стеллаж для труб; 3 — кран; 4 — монтажная вышка

 

Изготовленная на берегу плеть трубопровода с понтонами (до 3 км) транспортируется (на глубине 10—15 м) двумя буксирами, расположенными в голове и хвосте плети. В районе проведения работ к концам трубопровода крепят второй комплект тросов, которые пропускают через опорные блоки анкерных оснований, расположенных на дне моря, и соединяют со второй парой буксиров. Затем отсоединяют понтоны на концах трубопровода и начинают притягивать плеть трубопровода (одновременно с обоих сторон) ко дну моря.

Когда плеть трубопровода достигает глубины, достаточной для стабилизации кривой провеса; первый комплект тросов отсоединяют от буксиров и крепят к паре мощных понтонов. Окончательное притягивание трубопровода ко дну производят вторым комплектом тросов, проходящих через блоки анкерных оснований. Этими же тросами заводят концы трубопровода в соединительные устройства анкерных оснований. По завершению монтажа концов трубопровода к анкерным основаниям плеть трубопровода полностью опускают на дно, отсоединяя от нее понтоны.

Прокладка способом свободного погружения широко используется при сооружении трубопроводов в прибрежных зонах (глубина до 30 м), особенно на Каспийском море. Сначала возможности этого способа были ограничены погодными условиями, волнением (не более 2—4 баллов по шкале Бофорта) и течением. В дальнейшем был предложен способ буксировки плетей трубопровода в подводном состоянии с использованием дополнительных понтонов, которые удерживали их на глубине 10—15 м от поверхности моря. При таком способе транспортировки воздействие волн и поверхностных морских течений на транспортируемый трубопровод были ограничены, а скорость буксировки возросла до 10 км/ч.

Сущность  способа укладки свободным погружением  заключается в следующем. На берегу заготавливают петли трубопровода, которые опрессовывают, балластируют и оснащают понтонами для сохранения плавучести во время буксировки к месту кладки. Затем плети спускают на воду различными способами: по роликовым опорам, узкоколейной дорожке с тележками и др. В отдельных случаях разрабатывают траншеи, соединенные с морем, в которые скатывают заготовленные плети, приобретшие плавучесть за счет понтонов. Если рельеф берегового участка не позволяет собирать и опускать плети в траншею, их собирают на лежнях и скатывают в воду по наклонному стапелю. Затем готовые плети длиною до 2 км буксируют к месту укладки. соединяют на плаву и опускают на грунт при небольшой отрицательной плавучести. При этом головной конец плети оставляют на поверхности воды или судне для присоединения к нему следующее плети. Погружение трубопровода осуществляется путем залива в трубу воды со стороны берега. При этом понтоны погружаются вместе с трубами на дно. Затем их отсоединяют путем полуавтоматической отстропки или с помощью водолазов. В отдельных случаях трубы заполняют смесью воды и «легкого» материала (пенополистирола и др.) или жидкостью с меньшей плотностью (например, литроином) для снижения напряжений в трубопроводе. Иногда для погружения трубопровода производят последовательную (обычно автоматическую) отстроповку понтонов или залив воды в понтоны, которые сообщаются друг с другом через шланг. Для придания трубопроводу дополнительно плавучести мспользуют понтоны различных конструкций.

На  рисунке 1.6 показана плеть, оснащенная понтонами, головным и хвостовым упряжными устройствами, гибкими шлангами для залива водой (в случае непогоды) и выпуска воздуха из труб во время залива.

При проектировании пяти ниток морского перехода длиной 63 км через Байдарацкую  губу газопровода п-ов Ямал — Центр сечением 1020×20 мм был разработан вариант укладки плетей трубопровода способом свободного погружения. Для этого на береговом участке была предусмотрена монтажно-сварочная площадка для сборки и сварки плетей трубопровода из обетонированных труб длиной до 500 м. Сборка плетей из двухтрубных секций (по 24 м каждая), предварительно сваренных в заготовительном отделении, проводится сразу на четырех дорожках с роликоопорами. Сварка неповоротных стыков на дорожке осуществляется с помощью автоматической сварки на четырех сварочных постах вдоль трубопровода. По мере изготовления плеть оснащается понтоном и стягивает в воду с помощью лебедок с тяговым усилием 1500 кН, оснащенных канифас-блоком, что позволило иметь при сталкивании плети усилие, равное 3000 кН. Со стороны моря к берегу должен быть прорыт канал глубиной 3 м для транспортировки плетей от берега. производительность такой площадки — до 2 км/сут.

При проектировании этого трубопровода была разработана специальная площадка для соединения плетей трубопроводов в море, показано на рисунке 1.7. Она представляет собой понтон (24×10, 8×2 м) с прорезью в средней части для прохода стыкуемых труб. На площадке имеются устройства для подъема концов плетей над водой, гидравлическое устройство для центровки труб, энергетическая станция для привода механизмов и обеспечения ручной сварки стыка, якорное устройство для удержания площадки в заданном положении и оборудование для контроля сварного шва.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.6 — Оснастка плети трубопровода диаметром 1020 мм и длиной 500 м:

1 — головное упряжное устройство; 2 — понтон разгружающий; 3 — трубопровод; 4 — канат для отсоединения  понтонов; 5 — буй; 6 — воздушный  рукав для нагнетания воздуха  в трубопровод; 7 — хвостовое упряжное  устройство; 8 — изоляция; 9 — бетонное  покрытие;    I,II — бункерный трос соответственно к носовому и кормовому буксирам

 

Рисунок 1.7 — Понтон-площадка для стыковки плетей на плаву:

1 — опорная балка; 2 — полиспаст (грузоподъемность 48 т); 3 — портал; 4 — рентгеновская лаборатория; 5 — гидродомкрат горизонтального передвижения полиспаста; 6 — насосная станция и пульт управления; 7 — центровочный портал с гидродомкратом; 8 — электростанция мощностью 200 кВт; 9 — сварочное оборудование; 10 — лебедка (грузоподъемность 12 т); 11 — понтон

 

3. Протаскивание трубопроводов по дну

 

 

Прокладка трубопроводов путем протаскивания  их по дну моря широко распространена при строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов через реки, водохранилища, озера и в системе беспричального приема танкеров в морских условиях. Впервые он был применен на Каспийском море в 1950 г. при строительстве трубопровода сечением 168×8 мм и длиной 3,4 км. Соединения труб были выполнены стыковой электроконтактной сваркой. При прокладке использовалась буксирное судно, транспортирующее отдельные плети трубопровода, соединенные между собой на береговой монтажно-сварочной площадке у уреза моря. Накопленный опыт был использован в 1952 г. при прокладке на Каспии второго морского трубопровода того же диаметра протяженностью 7,2 км.

В настоящее время строительство  морских трубопроводов протаскиванием осуществляется двумя способами: протаскиванием по дну моря (аналогично строительству подводных переходов через реки) и протаскиванием в непосредственной близости от дна моря. В последнем случае применяют понтоны, оснащенные гирляндами цепей, которые не позволяют трубопроводу всплыть на поверхность моря или опуститься на грунт. Трубопровод находится в состоянии нулевой плавучести и может транспортироваться с помощью буксиров небольшой мощности на расстоянии 1—2 м от дна моря.

При протаскивании трубопровода по грунта морского дна необходимое тяговое  усилие определяют по формуле:

      (1.1)

где k_тр — коэффициент трогания с места, представляющий собой отношение коэффициента трения покоя к коэффициенту трения при скольжении (k_тр=2); g_тр — вес 1 м длины трубопровода в воде; f — коэффициент трения при скольжении; l — длина транспортируемой плети трубопровода.

Для трубопровода, покрытого сплошной деревянной футеровкой, коэффициент трения при скольжении по дну равен 0,65 (разрушенная скала, скальный грунт), 0,55 (пески крупные и гравелистые), 0,45 (пески мелкие и супеси), 0,4 (грунты илистые и суглинистые). Для трубопровода с бетонным покрытием коэффициент трения при скольжении принимается равным 0,3.

Для уменьшения веса трубопровода в воде обычно используют разгружающие понтоны, применение которых позволяет доводить отрицательную плавучесть трубопровода до 50—100 Н/м.

Технологический процесс строительства трубопроводов  включает в себя изготовление на берегу плетей, спуск их на воду и протаскивание по дну с применением мощных лебедок или буксиров. Спусковая дорожка для транспортировка плетей трубопровода к урезу воды может иметь различную конструкцию (узкоколейная рельсовая дорога с тележками, спусковой путь из отдельных роликоопор, ледовая спусковая дорожка, спусковая дорожка в виде траншеи, заполненной водой, и др.). При этом особое внимание обращается на защиту изоляционного покрытия от повреждений. Для создания необходимой тяги используют лебедки, установленные на буксирах или баржах, которые удерживаются на якорях. В качестве якоря часто применяют понтон со стальной лапой, погружаемый на дно путем заполнения его отсеков водой. При выборе буксирного судна для транспортировки трубопровода тягой его винтов можно воспользоваться приближенной зависимостью для определения тяги, считая, что каждые 74 кВт буксира дают 10 кН тяги.

Способ  протаскивания используют при сооружении трубопроводов к пунктам беспричального налива танкеров, прибрежным платформам или между двумя нефтедобывающими платформами в море. Он рационален в тех случаях, когда мощность тяговых средств на конечной точке трубопровода позволяет протянуть его за один прием без стыковки на воде.

В последние годы делаются усилия для  разработки технологии протаскивания трубопроводов на большие расстояния со стыковкой под водой в гипербарических камерах. Главной проблемой при этом остается проблема обеспечения необходимой точки укладки и стыковки каждой новой прибуксированной плети трубопровода с уже лежащей на грунте.

Протаскивание трубопроводов по дну на больших  глубинах применялось в Северном море. В Норвегии были изготовленный секции трубопровода, соединенные в петли длиной 2150 м. Диаметр трубопровода составлял 934 мм, толщина стенки труб 22 мм, толщина бетонного покрытия 54 мм, плотность бетона 2,22 т/м³. Браслеты анодов устанавливались в бетонной оболочке. Вес 1 м труб под водой равнялся 147,5 Н. Плети трубопровода транспортировались по дну буксиром мощностью 16 тыс кВт с помощью троса диаметром 75 мм. Для трогания с места было приложено усилие в 1500 кН от гидравлической лебедки буксира. Сопротивление трубопровода под водой при движении составляло около 800 кН. Транспортировка на расстояние 393 км длилась 40 ч при максимальной глубине 378 м и неблагоприятных погодных условиях (высота волны доходила до 4 м). Соединения секций было проведено в подводной стыковочной камере на глубине 150 м.

Способ  протаскивания плетей трубопровода по дну по сравнению с укладкой его с баржи имеет следующие преимущества: уменьшаются напряжения в трубопроводе, возрастает глубина прокладки, сокращаются простои из-за погодных условий.

 

4. Строительство трубопроводов в ледовых условиях

 

 

Шельф группы морей нашей страны находится  в Арктике с исключительно суровыми климатическими и ледовыми усилиями. Продолжительность ледового периода составляет 6 мес и более, а в некоторых районах целый год. Аналогичные условия характерны для дальневосточных морей. Опыт строительства морских трубопроводов с о. Сахалин на материк через пролив Невельского. Данный район нельзя отнести к особо сложным районам региона. Незначителен и зарубежный опыт строительства подводных трубопроводов в арктических районах Канады и США. Несмотря на публикацию в печати ряда интересных сообщений о проектах строительства морских трубопроводов в районах Канадского арктического архипелага, в настоящее время между арктическими островами построено лишь несколько экспериментальных участков трубопровода длиной в несколько километров. В заливе Кука на небольшой глубине проложено несколько трубопроводов небольшого диаметра от нефтедобывающей платформы к берегу.