2. Основы проектирования подводных трубопроводов

Ключевым фактором в проектировании морских нефтегазопроводов являются основные данные, определяющие требования, которым долж­на удовлетворять транспортная система, а также условия окружающей среды, в которой система должна надежно работать в течение своего расчетного срока эксплуатации [4].

Процесс проектирования можно разделить на три стадии:

• предварительная стадия проектирования;

• технико-экономическое обоснование (проект);

• детальное проектирование (рабочий проект).

Основная цель предварительной стадии проектирования состоит обычно в следующем:

• установить техническую возможность и ограничения на проекти­рование транспортной системы и ее монтаж;

• исключить неосуществимые варианты;

• разработать требования для сбора данных в качестве основы для предстоящего проектирования и строительно-монтажных работ;

• определить возможности сопряжения и сочетания с другими транспортными системами, которые планируются или уже существуют;

• оценить стоимость и сроки выполнения проекта.

Ценность таких ранних стадий проектирования состоит в том, что они привлекают внимание к потенциальным трудностям и областям, где потребуются дополнительные усилия в отношении сбора данных и опре­деления направлений проектирования. Принятые технико-экономические решения могут быть уточнены по мере получения фактических данных, относящихся к району строительства морских нефтегазопроводов.

Следует иметь в виду, что главные соображения при проектирова­нии состоят в обеспечении безопасности трубопроводной транспортной системы относительно нагрузок, вызываемых следующими факторами [3]:

• рабочими условиями;

• условиями окружающей среды;

• условиями укладки.

Выбор трассы трубопровода

Принципы трассировки устанавливаются в процессе предваритель­ного проектирования с тем, чтобы подтвердить основной вариант трас­сы для выполнения последующих изыскательских работ.

Выбор трассы является сложной и многофакторной процедурой. В типовом случае выбор трассы должен зависеть:

• от расположения конечных точек;

• глубины воды;

• рельефа дна:

• присутствия неблагоприятных факторов на морском дне, таких как волнообразная поверхность песка, неустойчивые склоны, слабый (мягкий) грунт, валуны и т. д.;

• присутствия неблагоприятных факторов окружающей среды, та­ких как сильные течения, групповые волны на мелководье и т. д.;

• присутствия других месторождений, трубопроводов, конструкций, запрещенных зон (например, области военно-морских учений, стрельби­ща и т. д.);

• существования неблагоприятных для трубопроводов условий су­доходства или рыболовства;

• пригодности мест подходов к берегу, если таковые предусматри­ваются на трассе.

Проектирование с точки зрения условий эксплуатации.

Данная процедура связана с определением потенциальных воз­можностей, которые трубопроводная транспортная система может вы­держивать при эксплуатации, а также с установлением пригодности и безопасности системы при таких эксплуатационных нагрузках.

Например, если главный магистральный трубопровод, отходит от платформы, при его проектировании в отношении условий эксплуатации необходимо учитывать следующее:

• тип транспортируемой продукции;

• требуемую пропускную способность при полной производитель­ности;

• рабочие давления;

• рабочие температуры.

Пропуская способность трубопроводной транспортной системы.

Пропускная способность трубопроводов определяется природой транспортируемой продукции, темпом отбора добываемой на месторож­дении продукции, степенью ее подготовки, выполняемой на платформе. Например, оборудование для добычи сырой нефти с небольшими ко­личествами попутного газа может потребовать одного трубопровода нефти, а газ может сжигаться на факеле или использоваться для энер­гетического обеспечения на платформе. Второй пример - газовое мес­торождение, на котором добывается газоконденсатная жидкая смесь. Жидкость в этом случае может транспортироваться с газом в двухфазном потоке или разделяться на платформе и транспортироваться по второму трубопроводу. Выбор соответствующей транспортной системы должен выполняться на основе рассмотрения конкретных случаев с полным учетом вопросов обеспечения безопасности эксплуатации [4].

Выбор геометрических характеристик трубопроводов

Выбор геометрических характеристик трубопроводов основывается в основном на получении необходимой (требуемой) пропускной способ­ности, хотя другие факторы могут оказывать ограничивающее влияние на размеры труб.

Оценка пропускной способности и размеров трубопровода может быть простой процедурой для линий, транспортирующих нефтяную про­дукцию одного вида, однако эта оценка может быть сложной в случае многофазного потока. Назначение размеров трубопроводов может быть выполнено при теоретическом расчете потока. Точность результатов оказывается непосредственно связанной со сложностью течения, т. е. решения для смешанных фазовых течений менее надежны [6].

Толщина стенок трубопроводов.

Толщина стенок трубопроводов определяется с учетом рабочих дав­лений. Размеры толщины стенки выбираются из условия обеспечения способности трубы противостоять внутренним давлениям с достаточной степенью безопасности, и этот выбор толщины основывается на вели­чинах окружных или кольцевых напряжений. Перед расчетом толщины стенок определяются сорт стали, из которой изготавливаются трубы, а также коэффициент безопасности. Необходимо иметь в виду, что при расчете глубоководных трубопроводов внешние давления иногда превышают внутренние. Поэтому при расчетах толщины стенок труб этот момент также должен быть учтен [4, 7].

Сорта стали, применяемые на морских нефтегазовых промыслах, находятся в пределах от сорта «В» американской трубопроводной промышленности (API) до сорта «Х70» и выше. Общая тенденция состоит в выборе более высоких сортов сталей. Выбор сорта стали осуществляется с учетом:

• весовых требований:

• стоимости;

• свариваемости:

• сопротивляемости коррозии.

Применение повышенных сортов стали позволяет уменьшить тол­щину стенки и массу трубопровода и обеспечить возможные улучшения в отношении требований при укладке трубопроводов.

Однако эти стали более подвержены коррозии в среде H₂S, они хуже свариваются, и вследствие из-за меньшей толщины стенки такие трубы могут подвергаться продолжительному изгибу.

На основе выбранного сорта стали, расчетного коэффициента и условий проведения работ размер трубопровода можно установить по соответствующим формулам, приведенным в многочисленных учеб­никах и монографиях. На этой стадии часто рассматривается даль­нейшее ухудшение условий проведения работ, которое связано с коррозионностью транспортируемой продукции. Мировая практика по­казывает, что для этого требуется увеличение толщины стенки трубы, обычно на 3-4 мм, в качестве запаса на коррозию. В конкретных проектах эти запасы определяются расчетным путем и не должны учитываться при расчете напряженного состояния сечений трубопроводов [4, 6].

Влияние факторов окружающей среды.

Окружающая среда, в которой должны прокладываться морские трубопроводы, описывается следующими условиями:

• батиметрией трассы;

• характером местности на дне и свойствами грунта;

• волнами и течениями, вызываемыми волнами;

• устойчивыми течениями;

• характеристикой морской воды;

• ледовыми условиями (толщиной льда, торосами и т. д.);

• продолжительностью межледового периода.

В частных условиях должны также учитываться сейсмическая актив­ность дна, морское обрастание и др.

Конечная цель сбора данных об окружающей среде и их обработки состоит в получении основы для проектирования, которая обычно представляется в следующем виде:

• полное статистическое описание волнового режима; высота, периоды и продолжительность существования ветрового волнения;

• полное статистическое описание течений у морского дна, вклю­чая все сопутствующие факторы;

• полное статистическое описание ледовых условий вдоль трacc, включая продолжительность ледового периода;

• полное статистическое описание профиля дна и грунтов на поверхности и вблизи поверхности дна вдоль трассы трубопровода и в пределах коридора, осью которого является трасса трубопровода;

• сводка данных о свойствах морской воды сейсмических услови­ях и потенциальной возможности морского обрастания.

На основании исходных данных об окружающей среде определяют­ся три основных момента для расчета:

• прочность и устойчивость трубопровода с учетом наружного дав­ления воды;

• устойчивость трубопровода при воздействии волн, течений и льда;

• прочность и устойчивость трубопровода при учете неравномер­ности поверхности морского дна.

Если в результате расчетов получатся какие-то отклонения от допустимых нормативных величин (напряжения, прогиба и др.) принима­ются конкретные конструкционные решения, позволяющие обеспечить нормативные параметры проекта.

Следует отметить, что методы расчета трубопроводов, апробирован­ные в многочисленных проектах, реализованных на суше, применимы и в проектах по строительству морских трубопроводов. Вопросы тех­нологии прокладки (строительства) морских трубопроводов не имеют аналогов на суше [4, 6, 7].