Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции сква

При решении конкретной задачи перехода через Байдарацкую губу был приобретен необходимый опыт проектирования морских газопроводов и, в перспективе, определены требования к созданию и освоению новых технологий и технических средств строительства и эксплуатации морских трубопроводов для предстоящего освоения шельфа арктических морей. Та­ ким образом, в настоящее время существуют необходимые предпосылки для эффективного управления временными, материальными, трудовыми и финансовыми затратами по проектам, а также их качеством, что требует координации во времени и пространстве проектных технико-экономических параметров, представленных в систематизированном виде на рис. 3 [7].

,------------------------------------------------—------------ -------------------------------

I Технико-экономические показатели эффективности проекта

Рисунок 3 - Блок-схема предварительных расчетов проектных параметров

морских трубопроводов

1.2.2. Зарубежные нормы и правила

Наиболее полные нормы и правила разработаны для трубопроводов, прокладываемых в Северном море, Мексиканском заливе, на побережьях Японии и Австралии [3]. Это связано с тем, что наибольшее число морских трубопроводов проложено в Северном море и Мексиканском заливе, где и выполнялись основные работы по заглублению трубопроводов.

1 B CIXLAjсооружение трубопроводов на морском шельфе регламентирует­ ся министерствами транспорта и внутренних дел. Отдельные стандарты раз­ рабатываются нефтяным институтом (API) и институтом стандартов (ANSI). Изданы специальные требования по заглублению подводных трубопроводов в Мексиканском заливе.

Код федеральных правил (43-CFR 2883) регламентирует выбор трассы трубопроводов и воздействия окружающей среды. Правила и стандарты геологической службы США включают технические требования на про­ ектирование, строительство и эксплуатацию. Согласно коду 43-CFR 2883, «трубопровод должен быть заглублен в морское дно не менее чем на 0,9 м на участке от уреза воды до глубины 60 м. Отступление от этого требования под­ лежит обязательному согласованию. Все задвижки и подключения, установ­ ленные на любой глубине, должны быть заглублены не менее чем на 0,3 м».

Требования геологической службы США по отношению к собирающим трубопроводам на месторождениях в Мексиканском заливе заключаются

вследующем: «не требуется заглубления в грунт при строительстве трубо­ проводов диаметром 220 мм и менее в районах, где трубы будут погружаться

вгрунт под действием собственной массы. Газовая или нефтяная инспекция может потребовать выполнения траления или водолазного обследования, если способность трубопровода к самопогружению вызывает сомнения или предполагается возможность соприкосновения трубопровода с тралом.

Трубопроводы диаметром 220 мм и более должны быть заглублены в дно не менее чем на 0,9 м на участке от уреза воды до глубин 60 м, если толь­ ко эти трубопроводы не расположены на специально выделенном участке и в непосредственной близости от платформы. Задвижки и клапаны пред­ ставляют серьезную опасность для тралов и должны быть на любой глубине защищены слоем грунта толщиной не менее 0,3 м».

Впостановлении 9 геологической службы США рассматриваются пра­ вила приема трубопроводов, построенных на тихоокеанском побережье.

Вэтом документе отсутствуют специальные требования по заглублению трубопроводов, которые следует принимать в каждом отдельном случае в зависимости от местных условий.

Фактически все трубопроводы, проложенные в Мексиканском заливе, за­ глублены на участке от берега до глубин 60 м. Исключение составляют толь­ ко трубопроводы малого диаметра. Некоторые трубопроводы около плат­ форм также заглублены в дно для защиты от якорей швартующихся судов.

ВСеверном море строительство трубопроводов осуществляется по пра­ вилам, разработанным в Великобритании, Норвегии и Нидерландах. Основ­ ные правила, регламентирующие строительство морских трубопроводов в Великобритании, разработаны министерством энергетики. Требования

о заглублении трубопроводов содержатся в Правилах на строительство неф­ тепроводов 1974 г. и строительство подводных трубопроводов 1979 г. В этих правилах указываются требования по толщине засыпки над трубопроводом

взависимости от деформации дна, провисающих участков и размывов. Рас­ сматриваются также условия засыпки трубопроводов и их обследование.

ВНорвегии требования о заглублении морских трубопроводов разра­ ботаны министерством нефти и приведены в Королевском декрете 1976 г. Требования направлены на защиту трубопроводов от повреждения рыбо­ ловными тралами и на защиту последних от проложенных трубопроводов. В дополнение к этим требованиям Норвежским Веритасом разработаны «Правила на проектирование, строительство и инспекцию подводных тру­ бопроводов и стояков». В части заглубления трубопроводов правила ука­ зывают, что трубопровод должен быть уложен на основание или заглублен

вдно таким образом, чтобы было обеспечено его неизменное положение. Другие специальные указания по заглублению морских трубопроводов

вэтих правилах отсутствуют.

Правила разработки континентального шельфа Нидерландов до 1982 г. требовали, чтобы высота грунта над подводными магистральными трубо­ проводами составляла 2 м, а над внутрипромысловыми подводными трубо­ проводами 1 м [33].

Заинтересованные компании, совместно известные как «Нидерландская ассоциация по разведке и добыче нефти и газа», оценили эти требования

ипотребовали сопоставить правила укладки с анализом вероятности по­ вреждения трубопроводов с точки зрения как безопасной эксплуатации, так

иэкономики строительства. На основании этих требований были пересмот­ рены правила укладки трубопроводов. В результате сопоставления вероят­ ности повреждения линии, морфологии морского дна и других факторов в правилах при определенных условиях допустимая высота была снижена до 0,2 м. Проектирование ряда трубопроводов согласно новым руководящим указаниям позволило упростить требования по выбору трасс, укладке и дало значительную экономию средств.

Порядок проектирования подводных трубопроводов показан на рис. 4 [33]. Проектирование может быть разбито на последовательные этапы:

• предварительное проектирование трубопровода с учетом всех техноло­ гических требований и минимальной стоимости;

• рассмотрение опасных воздействий, которым может подвергнуться про­ ектируемое сооружение;

• анализ вероятности повреждения трубопровода в сопоставлении с воз­ можным ущербом, включая загрязнение окружающей среды;

• пересмотр предварительного проекта, если соответствующие решения по укладке окажутся недостаточными;

Фирма «Protec International», начиная с 1981 г., разработала описанным способом проекты шести подводных трубопроводов, отвечающие существую­ щим правительственным критериям: четыре газопровода диаметрами 350, 450, 500 и 600 мм, а в 1984-1985 гг. были построены газопровод и нефте­ провод диаметром 300 мм.

При строительстве первых трубопроводов в Северном море в конце 60-х годов существовали жесткие требования к величине заглубления трубопро­ водов (толщина засыпки 3,0 м), укладываемых в местах возможных стоянок

иперемещения якорей [3]. Однако вскоре стало ясно, что такое заглубление трубопроводов невозможно с использованием существующего оборудова­ ния.

Исследованиями условий защиты подводного газопровода, запроектиро­ ванного от месторождения Брент к побережью Шотландии, установлено, что достаточная степень его защиты от судовых якорей и рыболовных тралов достигается при увеличенной толщине прочного бетонного покрытия.

Подводный газопровод диаметром 910 мм на трассе Экофикс - Эмден был запроектирован с заглублением в дно для защиты от гидродинамичес­ кого давления и предупреждения образования оголенных и провисающих участков. Длина морского участка около 435 км с максимальной глубиной 78,0 м. Часть трассы газопровода пересекала датский сектор Северного моря, и правительственные органы потребовали устранения провисающих участков трубопровода, которые остались после выполнения трубозаглубительных работ. Поэтому компании «Philips Petroleum» пришлось выполнить большой объем работ по засыпке отдельных провисающих участков грунтом

ипо защите других участков трубопровода мешками с песком.

Засыпка выполнялась с судна, на которое загружался грунт, разраба­ тываемый на берегу. Судно с грунтом устанавливалось над провисающим участком трубопровода. Грунт подавался в бункер и далее по трубе, конец которой находился в непосредственной близости от засыпаемого трубопро­ вода. Точное навигационное оборудование использовалось для контроля за поступлением грунта на заданный участок. Затраты на устройство траншеи под уложенным трубопроводом составили в среднем 500 тыс. дол. на 1 милю, затраты на укладку мешков с песком — 2,5 млн дол., засыпку грунтом — 3 млн дол. на 1 милю.

В Японии в 1974 году был опубликован доклад по безопасным условиям развития морских нефтегазовых месторождений, в котором содержатся реко­ мендации по проектированию, строительству и инспектированию трубопро­ водов, прокладываемых на побережье Японии. На основании имеющегося опыта необходимо надежное заглубление трубопроводов, прокладываемых в районах рыболовства.

Основные подводные магистрали, проложенные с заглублением на по­ бережье Японии, включают газопроводы в Токийском заливе и по трассе Ага-Оки. По требованию Японского рыболовного союза для заглубления этих газопроводов приняты особо жесткие условия.

Основное обоснование для этих повышенных требований — необходи­ мость гарантии, что рыболовные снасти не будут повреждаться трубопрово­ дом, лежащим на дне. Кроме того, заглубление считалось необходимым для защиты трубопровода от штормовых воздействий и якорей.

Требование о заглублении газопровода в Токийском заливе на 4,8 м вы­ полнить не удалось и газопровод был заглублен только на 3,0 м. Аналогично газопровод Ага-Оки был заглублен примерно на 2,4 м; в дополнение к этому газопровод был засыпан и морское дно выровнено для предупреждения воз­ можности повреждения рыболовных тралов.

В Австралии в 1974 г. изданы Правила по сооружению подводных тру­ бопроводов на побережье, в которых содержатся требования к материалам, проектированию, сварке, строительству, инспекции, испытаниям, эксплуа­ тации и противокоррозионным мероприятиям. В правилах отсутствуют спе­ циальные требования по заглублению подводных трубопроводов. В п. 5.7 правил имеется указание на необходимость обнаружения наличия препят­ ствий на запроектированной трассе трубопровода и обязательного обсле­ дования подводной траншеи (водолазом или при помощи телевизионной установки) до укладки трубопровода.

Во всех действующих правилах и нормах требование о заглублении трубопровода преследуют цель уменьшения опасности его повреждения, а также повреждения других объектов. Анализ опыта строительства указы­ вает, что иногда правительственные организации допускали снижение требо­ ваний по заглублению трубопровода при условии достаточных обоснований надежности трубопровода, уложенного без заглубления или с уменьшенной величиной заглубления в дно. Пример этому— указанный выше газопровод от месторождения Брент в Северном море. Установлено, что на значитель­ ном протяжении трассы увеличенная толщина бетонного покрытия служит достаточной защитой от рыболовных тралов и исключает необходимость заглубления трубопровода. На основании результатов этих исследований рыболовные организации Шотландии и Великобритании совместно с зако­ нодательными органами этих стран одобрили проект газопровода, исключаю­ щий необходимость его заглубления на протяжении всей трассы.

Жесткие требования по заглублению в Мексиканском заливе системы подводных газопроводов, включая магистраль диаметром 1060 мм на 4,8 м ниже дна, были снижены до 3,0 м (считая от верха труб). Требования были снижены в результате изучения вероятности повреждения трубопровода яко­

рями судов при различной толщине слоя грунта засыпки над трубопроводом. Вероятность контакта судового якоря с трубопроводом значительно снижа­ ется при таком заглублении, однако возможность такого контакта сохраня­ ется. Законодательные организации согласились на уменьшение заглубления трубопровода при условии обязательной засыпки подводной траншеи в том случае, если не происходит ее заполнение наносами.

Трубопроводы, прокладываемые в Мексиканском заливе должны быть заглублены в дно не менее чем на 0,9 м на глубинах до 60 м. При пересечении судовых ходов заглубление должно быть увеличено до 3,0 м.

Во многих случаях требования по заглублению морских трубопроводов рассматриваются законодательными организациями в каждом отдельном случае. Решение принимается на основании детального рассмотрения воз­ можных воздействий на трубопровод, которые могут вызвать его повреж­ дение. При этом учитывается, в какой степени заглубление трубопровода должно уменьшить опасность его повреждения.

1.3. Нормативные методы расчета несущей способности морских трубопроводов

1.3.1.Анализ нормативных методов расчета морских трубопроводов на прочность и устойчивость

Нормативная база для проектирования любого сложного объекта состо­ ит из комплекса расчетных методик и системы требований, предъявляемых

кпроцессам проектирования, строительства и последующей эксплуатации

[14].Эти требования призваны обеспечить оптимальную конструкцию трубопровода при условии соблюдения всех имеющихся ограничений, т. е. фактически решается типичная оптимизационная задача с одним или несколькими критериями оптимизации.

Вчастности, выбор толщины стенки (а это один из ключевых вопросов проектирования любых трубопроводов) основывается на условиях обеспе­ чения прочности (устойчивости) и требуемого уровня безопасности [14].

Прочностной расчет основывается, как правило, на классических или полуэмпирических методиках, принимающих в расчет детерминированные па­ раметры сопротивления трубы (например, наружный диаметр, овальность, минимальный предел текучести и т.д.), а также вполне определенную на­ грузку (внутреннее и внешнее давление, продольное усилие, изгиб и т.д.).

Обеспечение требуемой надежности на этапе проектирования произво­ дится путем выбора системы коэффициентов запаса прочности или обрат­ ных им величин, называемых коэффициентами надежности. Введение в рас­ смотрение этих коэффициентов позволяет учесть вероятностный характер

как геометрических и прочностных параметров труб, так и действующих нагрузок [14].

Определение этих коэффициентов, как правило, не входит в задачу про­ ектировщика. Нормирование надежности происходит на стадии разработки нормативной базы на основе критерия минимизации риска, где под риском подразумевается произведение вероятности того или иного вида отказа и суммарного ущерба, который способен причинить данный отказ. Решение этой задачи предусматривает прежде всего статистический анализ аварий­ ных ситуаций, имевших место при строительстве или эксплуатации анало­ гичных объектов в аналогичных условиях.

Отсюда следует, что обоснованное применение нормативных коэффици­ ентов надежности при расчете трубопроводов возможно только в том слу­ чае, если накоплена достаточная статистика строительства и эксплуатации аналогичных объектов [14].

При проектировании глубоководных объектов механический перенос или экстраполяция общепризнанных методик расчета может привести к су­ щественным ошибкам, причем ошибки могут происходить в обе стороны: как в сторону недооценки, так и в сторону переоценки предполагаемого риска. В любом случае отклонение от оптимального решения влечет за собой большие экономические потери.

Накопленный многолетний опыт систематизирован в виде всемирно при­ знанных нормативных документов, официально изданных в США, Велико­ британии и Норвегии:

•американский национальный стандарт ASME ВЗ 1.8-1995 «Газотранс­ портные и распределительные трубопроводные системы» [69];

•рекомендуемая практика API 1111 «Проектирование, строительство, эксплуатация и техническое обслуживание морских трубопроводов для углеводородов» [67];

•британский стандарт BS 8010, часть 3: 1993 «Нормы практики для тру­ бопроводов. Подводные трубопроводы: проектирование, строительство и монтаж» [62];

•норвежский стандарт Det Norske Veritas OS-F101 «Подводные трубо­ проводные системы» [83].

Остальные страны, планирующие или осуществляющие строительство морских трубопроводов, имеют свободу выбора — создавать собственную нормативную базу или выбрать для себя наиболее приемлемые нормы про­ ектирования другой страны.

В ряде случаев ситуация осложняется еще и тем, что протяженные мор­ ские трубопроводы являются трансконтинентальными или транснациональ­ ными объектами, например Транссредиземноморский газопровод, переход через Гибралтарский пролив и другие.

В [14] проведен сравнительный анализ зарубежных и отечественных норм, который авторы считают целесообразным привести в некотором сокраще­ нии, опуская некоторые расчетные формулы, но оставляя принципиальные отличия.

1.3.2. Расчет трубопроводов на внутреннее давление

Расчет толщины стенки при действии внутреннего давления в трубо­ проводе необходимо производить в тех точках трассы, где давление газа превышает гидростатическое давление столба воды.

При этом, как правило, в качестве внутреннего давления в расчет при­ нимают максимальное давление, которое может иметь место при одном, но наиболее опасном режиме эксплуатации газопровода, а при определении гидростатического давления воды на небольших глубинах в расчет прини­ мают наименьший уровень воды с учетом волн, отливов и долгосрочных колебаний уровня моря.

Данный подход к определению нагрузок используется во всех методиках расчета толщины стенки на внутреннее давление, приведенных в настоящей главе.

Все методики определения толщины стенки исходя из внутреннего дав­ ления основаны на расчетной схеме в виде протяженной цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним р { и внешним р 0давлением. При этом в стенке цилиндрической оболочки газопровода возникают растягивающие кольцевые напряжения, которые легко определить по классическим форму­ лам теории упругих оболочек [55].

Возникают вопросы, связанные с определением необходимого и доста­ точного запаса прочности конструкции газопровода с учетом влияния на уровень его конструктивной надежности таких параметров, как продольные и поперечные сварные швы, овальность и кривизна труб и т. д.

Различные нормативные методики, существующие в разных странах, от­ вечают на эти вопросы по-разному [14].

Российские нормы и правила

Основополагающим документом для расчета толщины стенки магист­ ральных газопроводов в России является СНиП 2.05.06-85* «Магистраль­ ные трубопроводы».

Формула для расчета толщины стенки, приведенная в нем, основана на тонкостенной модели оболочки, исходным параметром является наружный диаметр, а кольцевые напряжения рассчитываются на внутренней поверх­ ности трубы. Допустимый уровень кольцевых напряжений определяется на основе минимального значения временного сопротивления ов с учетом ко­

эффициентов условий работы, надежности по материалу и надежности по назначению трубопровода.

Следует отметить, что действие СНиП 2.05.06-85* не распространяется на проектирование морских газопроводов, поэтому подробный анализ его методики здесь не проводится.

Специально для проектирования и строительства морских газопроводов разработаны и введены в действие с 01 декабря 1998 г. Ведомственные нор­ мы ВН 39-1.9-005-98 «Нормы проектирования и строительства морского газопровода» [4].

Американский национальный стандарт ASME В31.8 и рекомендации API 1111

Американский национальный стандарт ASME ВЗ1.8 «Газотранспортные

ираспределительные трубопроводные системы» содержит в чистом виде формулу для расчета кольцевых растягивающих напряжений в рамках тонко­ стенной модели оболочки [14]. В качестве внутреннего давления рассматри­ вается расчетное давление, в качестве диаметра - номинальный наружный диаметр трубы, а в качестве толщины стенки - номинальное значение.

Рекомендации API 1111 «Проектирование, строительство, эксплуатация

итехническое обслуживание морских трубопроводов для углеводородов» составлены в дополнение к стандарту ASME В31.8. В них в явном виде не содержится формулы для расчета толщины стенки, так как отмечается, что

вбольшинстве случаев данный вид расчета не является определяющим.

Британский стандарт BS 8010, часть 3

Британский стандарт BS 8010 «Трубопроводы» состоит из четырех час­ тей, из которых первые две относятся к наземным трубопроводам, а третья и четвертая - к морским, причем требования к проектированию, строитель­ ству и монтажу содержатся в части 3 «Трубопроводы морские: проектиро­ вание, строительство и монтаж».

Для расчета кольцевых растягивающих напряжений в британском стан­ дарте приводятся две формулы. Одна из них - формула для тонкостенной модели с учетом наружного диаметра, другая - для толстостенной модели применительно к внутренней поверхности.

Норвежский стандарт OS-F101

Норвежский стандарт OS-F101 «Подводные трубопроводные системы» предлагает для вычисления кольцевых растягивающих напряжений формулу для тонкостенной модели оболочки трубопровода, записанную для внутрен­ ней поверхности трубы.