Морские нефте- и газопроводные системы

3.  
   Выбор трассы морских трубопроводов

 
 
Предварительные варианты выбора трассы морского трубопровода основываются на имеющихся гидрографических материалах. При этом, как правило, с целью  сокращения капитальных затрат и  эксплуатационных расходов стремятся  осуществить прокладку по кратчайшему  пути и одновременно обеспечить условия, при которых трубопровод в  период строительства и эксплуатации подвергался бы минимальным нагрузкам. 
 
При выборе трассы следует учитывать также устройство береговой площадки для производства подготовительных работ. Ровные и большие площадки на берегу создают благоприятные условия для монтажа и укладки трубопровода длинными секциями и в особенности для последующей прокладки способом протаскивания по дну или на плаву. 
 
В отдельных случаях для обеспечения устойчивости трубопровода к воздействию волнений и течений, а также для улучшения технологического процесса работ на берегу и в море бывает целесообразно укладывать трубопроводы по удлиненной трассе. 
 
При проектировании морских трубопроводов следует учитывать судоходство вблизи трассы, якорные стоянки для плавучих средств, а также близлежащие морские нефтепромысловые и другие гидротехнические сооружения. 
 
После предварительной обработки гидрологического материала и необходимых данных по вариантам выбора трассы производят повторные промеры глубин, подробные инженерно-геологические изыскания по наивыгоднейшему варианту выбора трассы, в которых освещаются геологическое строение дна моря, мощность активного слоя наносов, их гранулометрический состав, степень мутности (объемный вес) воды с учетом взвешенных твердых частиц у дна моря при штормовых волнениях. 
 
Кроме того, следует иметь сведения о температуре воды по месяцам с минимальным и максимальным значением у дна на различных глубинах, об осадках, туманах, а также о других гидрологических и метеорологических данных по временам года. 
 
Наряду с проведением изыскательских и исследовательских работ на море проводят топографическую съемку и инженерно-геологические изыскания береговой полосы, отведенной под монтажную площадку и другие сооружения производственного назначения. 
 
Выбор трассы подводного трубопровода в основном зависит от естественных условий акватории — рельефа берега и дна, геологии района, изменяемости берегов, устойчивости грунтов, ветров, волнений, течений и движения наносов и, наконец, от гидрохимических и гидробиологических факторов. 
 
Выбор трассы морского трубопровода производится на основании оптимизационных расчетов по различным критериям. В качестве основных критериев оптимальности, кроме стоимости, следует принимать техническую и экологическую безопасность сооружения. С этой целью по специальным методикам производится отбор образцов грунта (рис. 10.3). 
 
При выборе технических средств отбора грунта рекомендуется придерживаться следующих положений. 
 
1. При глубине моря до 50 м наиболее эффективны пробоотборники ударно-забивного типа с пневматическим или гидравлическим приводом. 
 
2. Для опробования рыхлых придонных отложений при глубине моря 50—300 м эффективны пробоотборники ударно-забивного типа с гидравлическим приводом. 
 
3. При отборе проб твердых пород рекомендуется использовать вращательные пробоотборники. 
 
4. При отборе проб рыхлых осадков на глубинах свыше 300 м целесообразно применять пробоотборники гравитационного типа. 
 
5. Для измерения физико-механических свойств грунта дна применяются автоматические установки статического зондирования. 
 
Благодаря накопленному за последние годы опыту применения обитаемых подводных аппаратов стал возможен непосредственный отбор исследователем требуемых образцов донных грунтов с помощью пробоотборников, установленных либо на манипуляторе, либо непосредственно на корпусе подводного аппарата (рис. 10.4). 
 
Основными методами получения информации о трассах морских трубопроводов являются: 

•  
  батиметрическая съемка рельефа дна с помощью многолучевых эхолотов;
•  
  гидроакустическое картирование с помощью гидролокаторов бокового обзора;
•  
  геоакустическое профилеграфирование;
•  
  сейсмоакустическое профилографирование;
•  
  видеосъемка трассы.

4.  
   Конструкция морских трубопроводов

 
 
Ключевым вопросом проектирования морских трубопроводов является выбор и обоснование его основных конструктивных параметров, таких как  материал труб, их наружный диаметр  и толщина стенки, способ монтажа, а также защиты от коррозии, обеспечения  устойчивости и других эксплуатационных характеристик. 
 
Окончательную конструкцию морских трубопроводов выбирают после сравнительного технико-экономического анализа различных вариантов с учетом конкретных условий строительства и эксплуатации. 
 
В качестве материалов труб в мировой практике строительства нашли применение сталь, коррозионностойкие сплавы, алюминий и некоторые другие. Наибольшее распространение получили стальные трубопроводы. 
 
К числу наиболее распространенных материалов и соответственно конструкций относятся: 
 
1. Трубы из углеродисто-марганцевой стали. Наиболее полный свод требований к ним содержится в «Правилах для морских трубопроводных систем», выпущенных Det Norsk Veritas (Норвегия). 
 
2. Гибкие трубы (рис. 10.5). Эти трубы имеют композитную структуру и изготавливаются из нескольких слоев пластмассы, резины и стали для формирования прочных и гибких трубопроводов, способных выдерживать высокие рабочие давления и обеспечивать транспортировку широкого ряда продуктов. Гибкие трубы имеют большую стоимость материала, однако они обеспечивают значительную экономию расходов на укладку. Они могут укладываться с неспециализированных плавучих средств, а это означает, что большие расходы на мобилизацию специального трубоукладочного судна, например к удаленным строительно-монтажным участкам, могут быть снижены. 
 
3. Пучки труб. Разработка небольших месторождений часто связана с применением определенного центрального эксплуатационного сооружения, окруженного несколькими саттелитными скважинами, для добычи продукта или закачки воды в пласт. Экономичным решением для проблемы монтажа нескольких линий на коротком участке является применение пучка линий. Пучок может состоять из отдельных труб, заключенных в единую трубу-носитель или связанных вместе на берегу. 
 
Труба-носитель выбирается таким образом, чтобы обеспечить плавучесть всего пучка, близкого к нейтральной. Этот пучок труб буксируют на место по дну, вблизи него или на среднем уровне по глубине в зависимости от ряда технических соображений, которые включают условия на трассе буксировки. 
 
Пучок затем размещают на дне, несущую трубу заполняют водой на грунте и отдельные трубопроводы пучка подсоединяют к соответствующему оборудованию. Связывание труб в пучки обеспечивает значительную экономию средств, если может быть найдена соответствующая площадка на берегу для изготовления таких пучков. 
 
4. Трубы J-образной формы. Они являются альтернативой обычному стояку. J-образную трубу обычно монтируют предварительно на платформе для последующего монтажа, защиты и обеспечения опоры для внутренней трубы, соединяющей верхние строения платформы с уложенным на дне трубопроводом, J-образные трубы могут поддерживаться по отдельности или связываться вместе в пучок внутри кессона. Кессон особенно полезен в тех случаях, когда необходимо проводить несколько J-образных труб в ограниченном пространстве. 
 
Конструкция J-образных труб зависит от того, что предполагается в них располагать, а именно: стальной трубопровод, гибкий трубопровод или обеспечивающие кабели. 
 
J-образные трубы обеспечивают значительную экономию, связанную с уменьшением стоимости конструкции морских сооружений, поскольку при этом исключается необходимость применения соединительных катушек. Начальный конец трубопровода может быть уложен с соответствующего плавучего средства и затянут в J-образную трубу с помощью лебедок, располагающихся на платформе. Плавучее средство затем перемещается от платформы и выполняет обычные операции укладки трубопровода. Если требуется подсоединить второй конец трубопровода к платформе через J-образную трубу, то его укладывают петлей и затем втягивают. 
 
5. Конструкция «труба в трубе». Существуют конструкции, в которых в целях повышения надежности несущая труба не контактирует с окружающей средой — это так называемые конструкции типа «труба в трубе». 
 
Среди них можно выделить две принципиально различные схемы: 
 
1) внутренняя труба работает, наружная используется как защитный кожух; 
 
2) обе трубы работают. 
 
Конструкции типа «труба в трубе» показаны на рис. 10.6—10.9. Их существенным недостатком является то, что кожух не воспринимает нагрузку от внутреннего давления и тем самым не повышает их несущую способность. Кроме того, требуется балластировка всего трубопровода. 
 
Для более полного использования несущей способности внутренней и наружной труб было предложено межтрубное пространство заполнять цементно-песчаным раствором (рис. 10.9), который после отвердения жестко соединяет обе трубы. В результате получается монолитная двухтрубная конструкция, способная выдерживать значительно большее внутреннее давление. 
 
Диаметр внутренней трубы принимают исходя из технологических соображений (пропускной способности), а наружный — исходя из обеспечения возможности прокачки заполнителя (цемент, битум, эпоксидные смолы и т. п.) по межтрубному пространству, а также из обеспечения необходимой плавучести. 
 
6. Балластировка подводных трубопроводов. Балластировка подводных трубопроводов необходима для их устойчивого положения на дне моря, водоема, реки, озера. Для обеспечения устойчивого положения подводный трубопровод должен иметь отрицательную плавучесть, т.е. полный вес трубопровода в воздухе должен быть больше вытесненной им воды. 
 
На устойчивость подводного трубопровода большое влияние оказывает объемный вес воды в придонной зоне (при размыве грунта от действия волн), а также гидродинамическое давление от волнения и течений. Изменение объемного веса воды с 1,0 до 1,20— 1,25 т/м³ может привести к уменьшению величины отрицательной плавучести и всплытию трубопровода. 
 
Таким образом, при подсчете веса трубы в воде, кроме значения отрицательной плавучести, следует учитывать и другие факторы, имеющие дополнительное влияние на устойчивость подводного трубопровода. Необходимое значение веса балласта определяется по условному «удельному весу» трубопровода (отношение веса трубопровода с балластом в воздухе к весу воды, вытесняемой трубопроводом и балластом) . Так, по американским техническим условиям морские трубопроводы, укладываемые в прибрежных зонах, должны иметь условный «удельный вес» не менее 1,30. В отдельных случаях, в зависимости от естественных условий района прокладки, когда при волнениях объемный вес грунтовой смеси в придонной зоне доходит до 1,8 т/м³, величины условного «удельного веса» морского трубопровода рекомендуется увеличивать до 2. 
 
В практике для балластировки подводных трубопроводов применяют сплошные монолитные бетонные и асфальто-бетонные мастики, наносимые на изоляцию, а также одиночные чугунные, железобетонные или бетонные грузы. 
 
Применение балластных грузов из чугуна связано с большим расходом металла. В отдельных случаях стоимость балластировки чугунными грузами может в 1,5—2 раза превышать стоимость труб. Поэтому в целях экономии металла рекомендуется применять железобетонные грузы. Серьезным недостатком использования бетонных и железобетонных грузов для балластировки подводных и особенно морских трубопроводов являются их сравнительно небольшой объемный вес и, следовательно, необходимость применения большого их количества. Для увеличения объемного веса железобетонных грузов в состав инертных заполнителей вводят утяжеляющие добавки — гематит, железную руду и т. д. — и тем самым объемный вес бетона доводят до 2,8—3,0 т/м³. 
 
Следует отметить, что одиночные грузы могут создавать сосредоточенные нагрузки, повреждать изоляцию, затруднять протаскивание их по дну и исключать применение трубозаглубительных механизмов. 
 
В последнее время при строительстве морских трубопроводов нашли применение пригрузки сплошными покрытиями из бетона, усиленного арматурой, поверх слоя антикоррозионной изоляции. 
 
В большинстве случаев бетонную смесь наносят на поверхность методом торкретирования. Армированное бетонное балластное покрытие является эффективным способом утяжеления морских трубопроводов особенно большого диаметра. Следует отметить, что вопрос целесообразности применения сплошного покрытия из бетона связан с выбранным методом прокладки трубопроводов. 
 
Бетонные и другие сплошные покрытия часто применяют при протаскивании трубопровода по дну моря без изгиба или с изгибом по кривой большого радиуса, чтобы предотвратить образование трещин. 
 
Кроме того, сплошное покрытие хорошо защищает изоляцию и дает возможность применять наиболее производительные трубозаглубительные снаряды, перемещающиеся вдоль уложенных трубопроводов. 
 
Особый интерес представляют специальные балластные покрытия, в состав которых входит асфальтовая мастика с частицами стекловолокна и утяжеляющими материалами. Такие сплошные покрытия имеют одновременно антикоррозионные свойства. Их объемный вес может составлять от 2,08 до 3,84 т/м³ в зависимости от количества добавляемых материалов. 
 
Высокая пластичность этих покрытий исключает образование трещин при изгибе трубопровода в процессе укладки. Применение подобных покрытий, являющихся одновременно изоляционными материалами, допускает укладку трубопроводов методом наращивания с плавучих средств с изгибом в пределах упругих деформаций металла труб. 
 
В отдельных случаях в спокойных акваториях с устойчивыми грунтовыми условиями, а также при прокладке трубопроводов через пойменные и заболоченные участки устойчивость может быть обеспечена винтовыми или другими видами металлических анкеров. 
 
В настоящее время для изоляции подводных трубопроводов применяют каменноугольные эмали, битумную мастику и полимерную пленку. В последние годы разработаны напыляемые эпоксидные покрытия. 
 
Каменноугольные эмали отличаются высокой сопротивляемостью к отслаиванию, водонепроницаемостью и устойчивостью к химическим реагентам. Однако эти покрытия плохо переносят ударные нагрузки, имеют низкую абразивную износостойкость, склонны к хрупкому разрушению при низких температурах и размягчению — при высоких. 
 
Битумная мастика в отличие от каменноугольной эмали более износостойка, устойчива к ударным нагрузкам, но обладает меньшей адгезией и гибкостью. 
 
Эпоксидные покрытия изготавливают из смеси эпоксидной пудры, красителя и отвердителя. Их наносят слоем толщиной 0,31—0,64 мм на предварительно подогретую (примерно до 232 °С) поверхность трубы. Эпоксидные покрытия обладают более высокими адгезионными свойствами, гибкостью и устойчивостью к абразивному износу и ударным нагрузкам, но требуют особой подготовки поверхности трубы, включая предварительный подогрев, а также специальной технологии нанесения утяжеляющего покрытия. 
 

4.  
   Резюме

 
 
Морские трубопроводные системы —  сложнейшие технические объекты, работающие в трудных природных условиях. Они являются эффективными средствами транспорта при освоении нефтегазовых ресурсов континентального шельфа морей  и океанов. В ближайшие десятилетия  с увеличением добычи газа и нефти  из месторождений шельфа России потребности  в морских трубопроводах будут  нарастать. 
 
Ключевым вопросом проектирования морских трубопроводов являются выбор и обоснование его основных конструктивных параметров, таких как материал труб, их наружный диаметр и толщина стенки, способ монтажа, а также защиты от коррозии, обеспечения устойчивости и других эксплуатационных характеристик. Окончательную конструкцию морских трубопроводов выбирают после сравнительного технико-экономического анализа различных вариантов с учетом конкретных условий строительства и эксплуатации.