Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции сква
.pdfВ тех точках трассы, где эксплуатационное давление может превышать гидростатическое давление столба воды, требуется дополнительный расчет на внутреннее давление, учитывающий максимальное значение эксплуа тационного давления и минимальное значение гидростатического давле ния. Толщина стенки в каждой точке трассы должна быть не меньше, чем максимальное значение, полученное при расчетах на локальное смятие (в условиях строительства и эксплуатации) и внутреннее давление (если это необходимо). Если глубина воды превышает критическое значение, при котором гидростатическое давление равно давлению лавинного рас пространения смятия, необходимо принимать меры по защите трубопро вода от этого явления. Они заключаются в увеличении толщины стенки или установке ограничителей смятия. Выбор конкретного технического решения должен быть подтвержден соответствующим технико-экономи ческим анализом.
Высокая стоимость прокладки и ремонта морских трубопроводов предъ являет повышенные требования к их надежности, в связи с чем особую ак туальность приобретает их техническая диагностика, при которой не только выявляются дефекты и анализируются причины их возникновения, но и про изводится оценка опасности дефектов для работоспособности трубопровода
сучетом всего комплекса действующих нагрузок.
1.4.Проблемы проектирования глубоководных трубопроводов
1.4.1. Изменение конфигурации трубопровода, уложенного на дно моря
При проектировании морских подводных трубопроводов наиболее важ ными вопросами являются: выбор трассы; определение технологии уклад ки; определение и анализ конфигурации уложенного трубопровода с целью внесения в нее необходимых изменений; выбор труб и бетонного покрытия [21]. Надежность проекта укладки подводного трубопровода зависит от объ ема информации об условиях окружающей среды. Так, на выбор бетонного покрытия и периода времени для укладки трубопровода значительное влия ние оказывают гидрографические и океанографические условия, а на выбор трассы — географические и морфологические условия. На структурную це лостность трубопроводов неблагоприятно влияют неровности морского дна. Так, на некоторых участках трубопровод имеет свободный пролет, поэтому повышаются статические и динамические напряжения. Уровень напряжений в большой степени зависит от конфигурации трубопровода, уложенного на морское дно. Для уменьшения провисания трубопровода на неровностях морского дна должна быть проведена его предварительная подготовка.
Изменение конфигурации уложенного трубопровода. Обойти неров ности морского дна или своевременно выявить их не всегда возможно
с экономической или технической точек зрения. В этих случаях необходимо изменять конфигурацию уже уложенного на дно трубопровода. Прежде чем проводить эту операцию, целесообразно определить уровни напряжений и надежность трубопровода в положении равновесия в течение всего срока его эксплуатации. Эта задача может быть решена путем проведения матрич ного структурного анализа.
На рис. 6 показана типичная диаграмма, подготовленная и использован ная компанией «Snamprodjetti» по результатам машинного программирова ния. С помощью этой программы можно определить: положение равновесия пустого трубопровода; изгибающий момент; напряжения сдвига; остаточные напряжения натяжения; осевые перемещения трубопровода; эквивалентные напряжения.
Рисунок 6 — Типичная диаграмма, подготовленная
по результатам машинного программирования
На уровень напряжений оказывают влияние следующие факторы: морфо логия и характер морского дна; действующие статические и динамические нагрузки; сопротивление материала трубопровода статическим и цикличес ким нагрузкам. Поэтому необходимо проведение статистического анализа параметров, которые определяют уровень нагрузок на трубопровод. Резуль таты анализа синтезируются в форме кривых структурного сопротивления R и реальных нагрузок 5, с помощью которых можно оценить возможности изменения конфигурации трубопровода (рис. 7).
Вероятность повреждения
Рисунок 7 — Кривые распределения нагрузок, определяющие критическую конфигурацию трубопровода:
1 — нагрузка; 2 — сопротивление; 3 — среднее значение; 4 — вероятность разрыва (нагрузка
превышает прочностные показатели)
Используя приведенные кривые, определяют оптимальную конфигура цию участков трубопровода на морском дне, характеризующемся неровнос тями. Оптимальное решение обеспечит снижение общих расходов на работы по изменению конфигурации уложенного на дно моря трубопровода (рис. 8).
Рисунок 8 — Выбор оптимального решения (должен привести к уменьшению
общих затрат относительно затрат на строительство и ремонт):
1 — затраты в случае разрыва трубопровода; 2 — общая стоимость; 3 — оптимальное «решение»; 4 — начальная стоимость; 5 — фактическая тенденция
Выбор трассы. Выбор оптимальной трассы определяется путем изуче ния общих и детальных карт района морского дна, через который предпо лагается уложить трубопровод, с учетом его морфологии и геологического характера. При этом должна учитываться даже самая незначительная ин формация. Прежде всего изучаются профили морского дна, охватывающие обширные районы по обе стороны предполагаемой трассы трубопровода. На последней стадии проводятся подводные съемки и картирование пред полагаемой трассы с помощью любых транспортных подводных средств. Подобная информация позволит провести глобальную оценку выбранной трассы. Оптимальной можно считать трассу, которая потребует минималь ного объема земляных работ, а трубопровод будет иметь контакт с морским дном на всем протяжении трассы.
Выбор трассы целесообразно проводить с использованием батиметри ческих профилей, особая ценность которых заключается в возможности определения относительного положения трубопровода по высоте от мор ского дна. Сравнительный анализ альтернативных маршрутов позволяет выбирать оптимальный из них, когда среднестатистическое отклонение по высоте между трубопроводом и морским дном минимально.
1.4.2.Пути предотвращения и контроля критических напряжений в трубах
При проектировании подводных и глубоководных трубопроводов осно вой является определение его конфигурации, причем непосредственно после его укладки на дно, а также определение последовательности испытаний и характера его эксплуатации [22]. Для глубоководных трубопроводов ре шение этих вопросов имеет особенно важное значение, так как их ремонт связан со значительными трудностями.
Основные вопросы, требующие своего разрешения, следующие:
•оценка напряжений в статическом положении трубопровода, уложенно го на неровное морское дно;
•определение критических участков трубопровода в положении равно весия непосредственно после испытаний и ввода в эксплуатацию;
•определение критических участков, на которые в наибольшей степени
оказывают отрицательное влияние подводные течения.
Выявление максимальных напряжений в уложенном трубопроводе по зволит правильно распланировать мероприятия по их уменьшению. Эти мероприятия можно предусмотреть на всех фазах строительства. Однако выбор метода и времени их проведения определяется характеристиками тру бопровода, уложенного на дно, а также экономическими факторами.
Мероприятия по коррекции положения трубопровода и, соответственно, регулированию возникающих в нем напряжений могут проводиться перед
его укладкой. Это достигается соответствующей подготовкой трассы, в про цессе укладки труб путем частичной ее корректировки, а также после ввода трубопровода в эксплуатацию.
Упругая конфигурация трубопровода. Предполагается, что уложенный с трубоукладочной баржи на морское дно трубопровод имеет упругую кон фигурацию, которая зависит от профиля морского дна, остаточного натя жения трубопровода, жесткости трубопровода и значения отрицательной плавучести. Не всегда можно обойти неровности морского дна. Очень часто подготовительные операции перед укладкой не обеспечивают полный кон такт трубопровода с дном. Поэтому на участках трубопровода, где имеется так называемый свободный пролет, возникают дополнительные напряже ния. Следовательно, морфологический характер морского дна, характери зующийся неустойчивостью, оказывает значительное влияние на величину возникающих напряжений. Если участок трубопровода опирается на-огра ниченную площадь, возникают пиковые и часто недопустимые напряжения, а также изгибающие моменты.
Как показано на рис. 9, при укладке трубопровода диаметром 710 мм воз никают напряжения около 180кН на 100 м; при увеличении глубины моря напряжения возрастают, достигая 700 кН на 400 м.
На крутых склонах в точках контакта трубопровод стремится как бы «осесть», что уменьшает возникающие напряжения. Процесс «оседания» зависит от коэффициента трения между трубопроводом и грунтом.
Рисунок 9 — Остаточные напряжения, возникающие при укладке трубопровода диаметром 710 мм:
1 — тяговое усилие на натяжном устройстве; 2 — тяговое усилие в трубопроводе на морском дне; 3 — профиль дна моря
Необходимо отметить, что под влиянием остаточных напряжений рас тяжения свободные пролеты уложенного на дно трубопровода могут увели чиваться. Особенно часто это происходит в глубоких водах, где невозможно
использовать трубы, утяжеленные за счет покрытия, с целью подгонки кон фигурации трубопровода к конфигурации морского дна. На рис. 10 изображен трубопровод диаметром 710 мм, находящийся в положении равновесия на не ровном морском дне при тяговом усилии 400 и 800 кН (глубина моря 400 м).
Рисунок 10 — Конфигурация трубопровода диаметром 710 мм, находящегося в положении равновесия на неровном морском дне:
1 — отношение номинального изгиба к предельному; 2 — увеличение тягового усилия; 3 — тя говое усилие 400 кН; 4 — потеря опорных точек; 5 — тяговое усилие 800 кН
Гидравлические испытания и ввод трубопровода в эксплуатацию оказы вают значительное влияние на его равновесную конфигурацию на морском дне. Для решения ряда проблем требуется проведение гидравлических ис пытаний, так как уровень напряжений в трубопроводе резко возрастает.
Аномальные напряжения. Заполнение полости трубопровода водой, последующая опрессовка, освобождение полости от воды и другие опера ции производятся постепенно. Однако и в этом случае они могут привести к возникновению аномально высоких напряжений в трубопроводе вслед ствие быстрого движения водяных пробок на крутых склонах. Последующие динамические нагрузки на трубопровод могут привести к непредвиденному изменению равновесной конфигурации. При увеличении удельной массы трубопровода вследствие заполнения его водой изменяются средние нагруз ки и соответственно снижаются пределы безопасности (рис. 11). Опрессовка приводит к увеличению изгиба и возрастанию среднего напряжения. Из меняется положение равновесия и соседних свободных пролетов. Обычно, когда это происходит, число опорных точек трубопровода уменьшается, воз растает нагрузка на остающиеся опорные точки.
Проблемы, возникающие в процессе испытаний, еще более усложняются после ввода трубопровода в эксплуатацию, так как по нему начинают транс портировать жидкости и газы с температурой более высокой, чем темпера тура морской воды. Особенно часто такого рода осложнения наблюдаются
на участках трубопроводов после компрессорных станций. Изгибы трубо провода под действием высокой температуры транспортируемого продукта могут распространяться на значительную его протяженность. Следует иметь в виду и повреждения бетонного покрытия трубопровода. Температурное удлинение или сжатие трубопровода (если оно не ограничено трением о грунт) могут привести как к горизонтальному, так и к вертикальному его изгибу. При этом могут возникать напряжения, значительно превышающие предельно допустимые.
Рисунок 11 — Изменение средней величины напряжения и уменьшение пределов безопасности
вследствие увеличения удельной массы трубопровода ввиду заполнения его водой:
1 — отношение номинального изгиба к предельному; 2 — естественные опоры; 3 — увеличение массы
Вогнутость морского дна часто приводит к уменьшению степени тепло вого удлинения трубопровода (рис. 12).
Рисунок 12 — Вогнутость морского дна, приводящая к уменьшению
степени теплового удлинения трубопроводов:
1 — начальное состояние в момент времени АГ; 2 — трение, компенсирующее остаточное
натяжение трубопровода
Вто же время трубопровод, уложенный через какое-либо возвышение,
врезультате теплового удлинения может провиснуть (рис. 13).
Рисунок 13 — Провисание трубопровода на морском дне, возникающее при его укладке через какое-либо возвышение:
1 — начальное состояние в момент времени АГ; 2 — изгиб в другой плоскости; 3 — «холодный»
трубопровод; 4 — нагретый трубопровод
1.4.3. Моделирование напряжений в трубопроводах
Моделирование напряжений с течением времени в подводном трубо проводе, а также идентификация параметров, оказывающих влияние на их величину, дают возможность правильно спланировать укладочные работы [25]. Для обеспечения упругой конфигурации трубопровода на морском дне необходимо по трассе изменить морфологию дна, вследствие чего в значи тельной степени может быть снижен уровень возникающих напряжений, а это, в свою очередь, обеспечит безаварийную эксплуатацию трубопровода.
Профиль морского дна по трассе трубопровода обычно определяется по батиметрическим картам, а объем земляных работ по выравниванию про филя по трассе - с помощью специальной программы. Траншею на глуби не засыпают обычно тем же отвальным грунтом. Однако рытье траншеи на глубине - весьма сложный процесс. Фирма «Snamprodjetti» предлагает при этом использовать направленные заряды, взрываемые дистанционно с судна. Ввиду значительных затрат на образование траншеи необходимо ограничивать ее ширину.
Особенно важна точность при выборе трассы, которая должна составлять несколько метров. Плеть трубопровода с трубоукладочной баржи необходи мо уложить точно в заданный коридор. Точность укладки трубопровода зна чительно повышается при использовании одновременно с трубоукладочной баржей подводного транспортного средства. Это позволяет обеспечить посто янный контроль и передачу информации о положении трубопровода на баржу.
Укладка трубопровода на глубине в случае имеющихся поворотов не большого радиуса весьма затруднительна. Это объясняется значительными остаточными напряжениями растяжения в опускаемой плети, уменьшением значений отрицательной плавучести и в результате снижением коэффициен та трения (рис. 14). Для укладки трубопровода в этом случае применяют тру боукладочную баржу с динамическим позиционированием. С баржи перед укладкой труб в месте резкого поворота предварительно спускают ограничи вающие блоки, способствующие предотвращению разворота трубопровода, изогнутого по малой кривизне. Кроме того, в местах резких изгибов тру бопроводы иногда утяжеляют для уменьшения возможности их разворота.
Рисунок 14 — Схема укладки трубопровода при наличии резких изгибов:
1 — горизонтальная составляющая остаточного напряжения растяжения; 2 — горизонталь ная составляющая изгибающего момента; 3 — сила трения бетонного блока; 4 — сила трения трубопровода; 5 — вес трубопровода; 6 — вес бетонного блока; 7 — уложенный трубопровод; 8 — узкий коридор для трубопровода; 9 — неприемлемая трасса без ограничителей; 10 — огра ничители перемещения трубопровода в виде блоков; 11 — нижняя точка контакта; 12 — укладка свободного пролета; 13 — трубоукладочная баржа; 14 — стингер; 15 — проектная трасса
При моделировании процесса укладки воспроизводятся различные кри тические ситуации. Профиль трассы трубопровода позволяет производить укладку, но в процессе гидростатических испытаний и эксплуатации могут возникнуть напряжения, превышающие предельно допустимые. Мероприя тия по снижению уровня напряжений в подводном трубопроводе возможно смоделировать. На начальной стадии необходимо выявить параметры, влия ющие на средний уровень статических напряжений и на характер цикличес ких нагрузок. По результатам такого анализа можно уменьшить до приемле
