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

 

Земляные  подводно-технические работы при  укладке подводных трубопроводов могут производиться в двух видах: устройство траншей перед укладкой трубопровода и устройство траншей с одновременной укладкой или с заранее уложенным по дну трубопроводом.

По  первой схеме траншея 2 разрабатывается рядом с уложенным на дно трубопроводом 1 или траншея разрабатывается до укладки трубопровода на дно, показанной на рисунке 1.13 а и б соответственно. Сама траншея разрабатывается подводным траншеекопателем с управлением с поверхности воды (по кабелю) Вынимаемы из траншей грунт укладывается вдоль траншеи 3. Если глубина воды не превышает 25 м, то можно траншею разрабатывать с поверхности воды с помощью земснаряда (механическая или гидравлическая разработка).

Рисунок 1.13 — Схема разработки траншей для подводных трубопроводов

 

Грунт из траншеи убирается с  помощью барж с открывающимся  днищем. Схема показана на рисунке 1.14. Земснаряд 1 разрабатывает транше 2 и перекачивает пульпу по пульпопроводу 3 в баржу 4. В барже вода частично отфильтровывается и оставшийся грунт отвозиться к месту его выгрузки. Выгрузка производится очень быстро при открывании днищ 5.

Рисунок 1.14 — Разработка грунта плавающим земснарядом с отгрузкой его

на  баржу

 

По второй схеме разработка траншей  производится либо под уже уложенным трубопроводом, либо одновременно с укладкой трубопровода способом протаскивания.

Устройство траншеи по уже уложенным  на дно трубопроводом производится с помощью трубозаглубительного устройства (снаряда). Существует много видов заглубительных снарядов.

Показанный  на рисунке 1.15 трубозаглубительный снаряд состоит из судна (базы) и трубозаглубителя — рабочего органа. На плавучей базе размещаются насосы, компрессоры, энергетические установки, крановое оборудование или лебедки для установки трубозаглубителя на трубопровод и подъема его на палубу, якорные лебедки, лебедки для перемещения снаряда, приборы контроля и управления и вспомогательные помещения.

Рисунок 1.15 — Схема разработки грунта трубозаглубительным снарядом:

1— якорный трос; 2 — корпус баржи; 3 — якорные лебедки; 4 — насосно-компрессорное оборудование; 5 — буксирная лебедка; 6 — шланги для воздуха и воды; 7 — буксирный трос; 8 — понтоны; 9 — трубопровод, заглубляемый в траншею; 10 — разрабатываемая траншея; 11 — трубозаглубитель; 12 — опорные и фиксирующие катки; 13 — морское дно

 

Основное  назначение рабочего органа — заглубление трубопровода путем разработки и удаления грунта из-под трубопровода. Трубозаглубитель состоит из несущей конструкции, опорных и фиксирующих катков, рабочих элементов (гидромониторные насадки, фрезы, грунтососы) и стабилизаторов устойчивости положения.

Несущая конструкция гидравлических трубозаглубителей выполняется трубчатой, внутренняя полость ее используется для подачи воды к рабочим элементам. Несущая конструкция воспринимает вес трубозаглубителя и передает его на трубопровод или на опорные полозья. Размеры и вес несущей конструкции зависят от диаметра трубопровода, типа и расположения рабочих органов.

Для уменьшения нагрузок на трубопровод  от трубозаглубителя используют разгружающие понтоны. Фиксирующие катки удерживают трубозаглубитель от смещений и перекосов в горизонтальной плоскости, расстояния между катками зависят от диаметра и могут регулироваться.

Для обеспечения устойчивости положения  трубозаглубителя от гидродинамического воздействия потока, реактивных сил при разработке грунта применяются стабилизаторы. В качестве стабилизаторов используют опорные полозья или загружающие понтоны.

Рабочие органы трубозаглубительных снарядов подразделяются на четыре типа: струйные, гидроэжекторные и пневматические, фрезерно-гидравлические, бестраншейные (гидродиффузионные).

Струйные  трубозаглубители представляют собой  систему гидравлических струй. Высоконапорные струи, формирующиеся в насадках, размывают грунт и удаляют за пределы траншеи. Эффективность заглубления трубопровода повышается с увеличением числа насадок и подачи сжатого воздуха. Подача сжатого воздуха в виде струй способствует увеличению выноса грунта из траншеи. Струйные трубозаглубители могут разрабатывать связные и несвязные грунты.

Гидроэжеторные  и пневматические трубозаглубители применяются для разработки песчано-гравийных  грунтов, суглинков и неплотных  глин, но наиболее эффективны на размываемых  песчаных грунтах. Разрабатываемый  водяными и воздушными струями грунт  отсасывается гидроэжекторами или пневматическими грунтососами и подается по подводному рефулерному трубопроводу. Трубозаглубители этого типа имеют в несколько раз меньшие мощности и производительность по сравнению со струйными трубозаглубителями.

Фрезерно-гидравлические трубозаглубители рыхлят грунт с  помощью фрез, расположенных с  двух сторон от трубопровода. Вращения фрез осуществляется с помощью гидро- или электропривода. Наличие фрезерного разрыхлителя способствует образованию насыщенной пульпы, которая подается на отсос в трубососун и транспортируется по пульпопроводу на поверхность воды или выбрасывается за бровку траншеи по отводной трубе. Фрезерно-гидравлические трубозаглубители по сравнению с гидроэжекторными могут разрабатывать более тяжелые связные грунты.

В трубозаглубительных снарядах для  механического рыхления грунта могут  использоваться не только фрезы, но и  различные рыхлители плужного типа.

Бестраншейные трубозаглубители при помощи гидравлических струй или вибрационного воздействия  специальными вибраторами приводят грунт в разжиженное состояние, и трубопровод погружается в  грунтах используются гидравлические струи низкого давление (50-120 Н/см²). Совместное гидравлическое и вибрационное воздействие весьма эффективно и позволяет разрабатывать трудно размываемые грунты.

Бестраншейные трубозаглубители наиболее экономичны по затрачиваемой мощности на заглубление трубопровода в песчаные грунты. Однако в настоящее время в основном применяются траншейные трубозаглубители, имеющие наиболее простое конструктивное решение. Значительное сокращение сроков строительства подводных трубопроводов и затрат на земляные работы достигается применением трубозаглубительных снарядов, осуществляющих одновременно операции заглубления трубопровода и засыпку его грунтом. При таком способе засыпки используется грунт, получаемый при заглублении трубопровода, и отпадает необходимость в транспортировке грунта из другого места.

Схема заглубления трубопровода с одновременный  засыпкой, примененная в Японии, показана на рисунке 1.16 а. В случае разработки грунта на большую глубину в трубопроводе могут возникнуть напряжения от его изгиба, превышающие допускаемые. Уменьшение напряжений в трубопроводе достигается двухступенчатым способом разработки грунта, изображенным на рисунке 1.16 б, а также креплением к трубопроводу с помощью направляющих роликов специальных поплавков.

Рисунок 1.16 – Схемы заглубления трубопровода:

а — с одновременной засыпкой; 1 — замлесос; 2 — струйные насадки; 3 — заглубляемый трубопровод; 4 — понтон; 5 — трубопровод подачи воды к насадкам; 6 — энергетическое судно; 7 — вспомогательное судно; 8 — пульпопровод; 9 — поплавки; 10 — патрубок для засыпки трубопровода песком; 11 — морское дно; 12 — дно траншеи;

б — двухступенчатый способ разработки грунта с одновременной засыпкой трубопровода; 1, 2 — землесос со струйными насадками; 3 — морское дно; 4 — заглубляемый трубопровод; 5 — энергетическое судно; 6 — вспомогательное судно; 7 — трубопровод для подачи воды к насадкам; 8 — кабель; 9 — пульпопровод; 10 — поплавки; 11 — патрубок для засыпки трубопровода песком

Трубопровод, уложенный на морское дно, выполняет  роль направляющего устройства. Траншея расчетной глубины разрабатывается струйными насадками, в которые подается вода от насоса, расположенного на судне, и землесосом, закрепленным под водой на раме непосредственно у погружаемого трубопровода. Разрабатываемый грунт транспортируется по специальным труба к участку засыпки уложенного на заданную глубину трубопровода. Трубы, по которым транспортируется грунт, поддерживаются кранами, установленными на основном и вспомогательном судах. Основные и вспомогательные суда соединены канатами и перемещаются одновременно с помощью якорных лебедок.

Приведем  далее примеры используемых на практике трубозаглубительных судов для работы на больших глубинах.

В Италии создан глубоководный земснаряд, который может работать на глубине  до 60 м. Разработка траншеи осуществляется фрезерным рыхлителем, обеспечивающим устройство траншеи глубиной до 2,4 м и шириной от 1,8 до 4,5 м, рабочая скорость движения снаряда 128 м/ч, производительность по грунту в зависимости от его вида до 250 м³/ч. Земснаряд перемещается по дну при помощи двух лебедок и тяговых тросов, прикрепленных к якорям или сваям. В корпусе земснаряда расположены три электродвигателя для привода рыхлителя, грунтового насоса и лебедок. По обе стороны земснаряда расположены трубы длиной 10 м для транспортировки разрабатываемого грунта. Контроль и управление разработки грунта осуществляется оператором, находящемся на земснаряде. Воздух и электропитание на земснаряд подаются с обслуживающего судна.

Той же фирмой разработан подводный земснаряд  В-70, который устанавливается на предварительно уложенный на дно моря трубопровод. Грунт разрабатывается фрезерными рыхлителями с последующим удалением гидроэжекцией.

Земснаряд перемещается по трубопроводу при помощи лебедки с гидравлическим приводом, опираясь на салазки. За один проход земснаряд разрабатывает грунт га глубину до 0,9 м. максимальная глубина погружения рабочего органа — 30 м, скорость перемещения — 15-30 м/ч. Управление и энергообеспечение земснаряда осуществляется с надводного вспомогательного судна.

В Японии фирмой «Комацу» разработан подводный  бульдозер, предназначенный для работы на глубинах от 2 до 60 м. Бульдозер имеет дистанционное управление, размещаемое на судне или на берегу. Масса гусеничного трактора (на воздухе) — 34 т, мощность электродвигателя — 125 кВт, скорость передвижения — 2 и 3,5 км/ч. Высокая мощность и большая масса бульдозера обеспечивают перемещения большого количества грунта и позволяют разрабатывать твердые грунты, для разработки которых не пригодны землесосоы и ковшовые землечерпалки.

В Германии создана установка, предназначенная  для выполнения земляных работ на глубинах до 4 км, которая может быть использована и для разработки подводных траншей на больших глубинах. Установка, показанная на рисунке 1.17, состоит из подводного экскаватора 4, промежуточной подводной станции 2 и надводного судна 1.

Рисунок 1.17 — Установка для разработки подводных траншей на больших

глубинах

На  стреле 5 длиной 15 м укреплено всасывающее устройство 6 с механическим разрыхлителем фрезерного типа. Подъем и опускание стрелы осуществляется гидроприводом. Экскаватор связан с промежуточной подводной станцией силовыми кабелями, проводами системы управления и пульпопроводом 3. Глубина опускания 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, служащими для перемещения обслуживающего персонала в подводную станцию, а также подачи необходимых материалов и прокладки кабелей. Внутри станции поддерживается атмосферное давление, поэтому обслуживающие и ремонт ее механизмов проводятся без глубоководных скафандров.

В США создано устройство для заглубления  предварительно уложенных на дно подводных трубопроводов и кабелей. Это устройство показано на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 — Устройство для заглубления трубопроводов и кабелей

Состоит устройство из рамы 4 П-образной формы. Рама опирается на гусеницы 10, с помощью которых устройство перемещается вдоль заглубляемого трубопровода 8. Обеспечение требуемой плавучести устройства осуществляется двумя цилиндрическим понтонами 3. Для предотвращения погружения устройства в слабые грунты и улучшения перемещения предусмотрены лыжи 9. Грунт разрабатывается с помощью вращающихся рыхлителей 7, устанавливаемых на конце шарнирных рычагов 5 и располагаемых по обеим сторонам трубопровода 8. Центробежные насосы обеспечивают высасывание пульпы по тубам 6 и засыпку заглубляемого трубопровода из труб 2. Управление устройством и обеспечение его энергией осуществляется с надводного судна 1.

В США сконструирован также новый  тип дноуглубительного снаряда, изображенного на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 — Схема дноуглубительного снаряда с вращающейся штангой

Снаряд  состоит из судна 3 с шахтой 15, через которую пропускается полая трубчатая штанга 13, снабженная режущей головкой 10, станка 5 для вращения штанги и приведения в действие режущей головки системы направляющих тросов 7 для перемещения штанги с режущей головкой по дну и эрлифтной установки для подъема на поверхность разрабатываемого грунта. Для дноуглубительного снаряда рекомендуется использовать обычные буровые судна. Штанга изготовлена из обсадных труб, применяемых при бурении скважин, и должна иметь достаточную гибкость для обеспечения максимального размера рабочей зоны 11 при фиксированном положении судна.

Направляющие  тросы проходят через заанкеренные блоки 8 к втулке 12, в которой вращается штанга. Натяжение тросов регулируется лебедками 6, установленными на судне. Блоки анкеруются трубчатыми стальными сваями 9. После установки анкерных свай и блоков, штанга поднимается в верхнее положение, на ее нижнем конце устанавливаются режущая головка и втулка, к которой крепятся четыре конца направляющих тросов. Вторые концы тросов закрепляются на барабанах судовых лебедок и штанга опускается в рабочее положение. В средней части штанги устанавливается воздушный коллектор 14, обеспечивающий работу штанги по подъему грунта методом эрлифта. Сверху на штангу устанавливается шарнирное устройство 4 и неподвижная секция трубы с разгрузочным желобом 2, по которому разработанный и поднятый эрлифтом на поверхность донный материал в виде пульпы поступает на баржу 1. Дноуглубительный снаряд удерживается в заданном положении системой якорей или с помощью подруливающих устройств. Этот тип дноуглубительного снаряда по сравнению с другими имеет некоторые преимущества, одно из которых — возможность разработки грунта на больших глубинах, достигающих несколько тысяч метров, без заметного снижения судна.