Лекции Сооружение и экспл ГНП

сировки ниже определенного значения трубопровод «зависает» над дном.

Контроль и позиционирование. Плети сваривают на береговых рабочих площадках с последующим спуском их на воду в отсутствие волнения моря. После окончания сварочных работ плети крепят к системе несущих буев, буксируют к месту укладки и размещают над проектной трассой. Для изменения положения трубопровода применяют натяжные устройства.

Сварка морских трубопроводов

При сооружении подводных переходов магистральных газонефте-

проводов применяются ручная электродуговая сварка, а также автоматические методы сварки.

Применение автоматических методов сварки при строительстве морских трубопроводов обусловлено прежде всего необходимостью обеспечения высокого качества сварных соединений в связи со сложностью условий эксплуатации и ремонта.

Соединения труб при строительстве могут выполняться с использованием различных организационных схем, например:

с предварительной сваркой труб в двухили четырехтрубные секции, которые затем сваривают в непрерывную нитку;сваркой отдельных труб в непрерывную нитку.

Изоляция и бетонирование стыков подводных трубопроводов

Бетон более пригоден для использования в морской среде без опасности его разрушения и обеспечивает надежную защиту сварных стыков труб.

Применение высокопрочного быстросхватывающегося бетона для заполнения разрывов пригружающего покрытия позволяет достичь оптимального распределения напряжений на стыках и повысить их защищенность.

Нередко применяют высокопрочный быстросхватывающийся серобетон, разработанный и запатентованный Горным бюро США, который представляет собой цементный состав на основе модифицированной серы с обычными наполнителями.

Технология бетонных работ заключается в следующем. Гранулы бетонной смеси через бункер загружают в битумный котел и нагревают до температуры плавления, составляющей 115÷120 °С. Такая темпера-

51

тура не опасна для муфт с термоусадкой и антикоррозионной пленки, используемых для изоляции сварных швов.

После расплавления гранул бетонную смесь заливают в многоразовую опалубку, установленную вместе с арматурой над обетонируемым стыком трубопровода. Во избежание образования пустот бетон уплотняют с помощью вибраторов. После заполнения формы бетоном для ускорения отвердения смеси поверх нее обычно устанавливают охлаждающий водяной кожух, который затем удаляют.

На процесс отвердения уходит от 4 до 10 мин, после чего бетон приобретает прочность на сжатие порядка нескольких тысяч кПа, а еще через час – твердость, соответствующую твердости бетонного покрытия труб из портландцемента.

Методы и оборудование для заглубления подводных трубопроводов

Трубопроводы, прокладываемые по морскому дну без заглубления, в большей степени подвержены воздействиям подводных течений и коррозии, чем заглубленные в грунт.

В настоящее время используют два основных метода заглубления подводных трубопроводов в грунт:

морской трубопровод укладывают в заранее разработанную траншею, которую затем засыпают;

трубопровод укладывают непосредственно на дно, а специально оборудованное судно следует вдоль этой трассы, размывая и от-

сасывая из-под него грунт при помощи мощных струйных насосов с давлением около 100 кг/см2.

В последнее время широкое применение получил взрывной метод, который позволяет образовывать траншеи протяженностью 1000÷2000 м и глубиной около 2 м. Этот метод применяют самостоятельно и в сочетании с первым при разработке скальных и труднодоступных участков трассы. Окончательная доводка траншеи осуществляется грейферным земснарядом. Засыпка траншеи в этих случаях производится при помощи специального устройства, буксируемого по дну, грунтом, извлеченным на первом этапе работ.

Трубозаглубители подразделяются по следующим принципам действия: 1) разработка грунта под трубопроводом и его транспорт к надводному судну для дальнейшей доставки к месту отвала;

2)разработка и отвал грунта непосредственно за бровку траншеи;

3)изменение физико-механических характеристик грунта путем его псевдоразжижения подачей большого количества воды в грунтовой

52

массив или ликвидации структурных связей между частицами грунта за счет приложения к нему вибрационных нагрузок.

Грунт из траншеи удаляется путем гидромониторного размыва; размывом грунта гидропневматической струей; всасыванием разрыхленного грунта гидроэжектором, пневмоэжектором или землесосами.

Земснаряд может работать на глубине до 60 м. Для транспортировки земснаряд может быть разобран на отдельные блоки.

Земснаряды оборудуют средствами плавучести, благодаря которым его можно буксировать на место производства работ и погружать на дно путем заполнения водой балластных резервуаров.

Водолаз осуществляет контроль и управление производством под- водно-технических работ из водолазной камеры. Внутри камеры поддерживают нормальное атмосферное давление. Механическую работу под водой и разработку траншеи вдоль трассы осуществляют рыхлителем, который может перемещаться в вертикальном или горизонтальном направлении, обеспечивая глубину прорези от 0 до 2,4 м и ширину от 1,8 до 4,5 м. Рабочая скорость движения снаряда составляет 128 м/ч, производительность по грунту зависимости от его вида — до 250 м3/ч. Снаряд перемещают по дну при помощи двух лебедок и тяговых тросов, прикрепленных к якорям или сваям. Данный способ перемещения можно использовать при любом рельефе дна.

Также существуют подводные земснаряды не требующие обслуживающий персонал, земснаряды с поднимаемой домкратами рабочей платформой, предназначенный для работы в зоне прибоя (рабочая глубина до 6 м).

Траншеекопатели могут работать на глубинах до 4800 м. Траншеекопатель смонтирован на гусеничном ходу и связан шлангом с промежуточной подводной станцией, расположенной на глубине 48,0 м. Вынимаемый из траншеи грунт поступает в промежуточную станцию, где происходит разделение грунта и воды, которые затем подают на надводное судно.

На ходовой части траншеекопателя установлена кабина управления контрольными приборами, системой освещения и телекамерой. К кабине присоединена стрела длиной 15 м с укрепленной на ней землесосной или режущей головкой. Поворачивая кабину, можно подготовить траншею шириной до 20 м.

Внутри промежуточной станции, выполненной в виде вертикальной капсулы длиной 25 м, поддерживают атмосферное давление.

53

С траншеекопателем капсула соединена силовыми кабелями и проводами системы управления. С надводным судном капсула связана трубопроводом для подачи разработанного грунта на поверхность и трубопроводами большого диаметра, обеспечивающими доступ в капсулу обслуживающего персонала, а также подачу необходимых материалов.

Платформы предназначены для дноуглубительных работ в условиях, когда плавучий земснаряд не способен их выполнить из-за сильных волн и течений.

Понтон имеет три опоры. Поворот рамы разрыхлителя производится с помощью лебедок или стальных канатов, а ее подъем и спуск — с помощью гидравлических цилиндров. Грунтовой насос установлен внутри рамы разрыхлителя. Понтон имеет машинное отделение, рабочее место для ремонта разрыхлителя, бункер, склад и жилые помещения.

Платформа перемещается при помощи трех двойных роторных свай. Максимальная скорость ее передвижения около 8,8 м/ч. Наибольшая длина L-образного понтона 30 м. Рама разрыхлителя в поднятом положении выступает на 22 м. Длина опоры 38 м. При глубине всасывания 25 м и проникании разрыхлителя на 2 м платформу можно поднять на 4 м выше уровня воды. Грунтовой насос и разрыхлитель приводятся в действие электродвигателем.

Буровзрывной метод. При разработке подводных траншей в скальных породах морского дна часто применяют буровзрывной метод. Однако в сложных условиях приливных течений и волнений моря не всегда возможно проведение буровых работ со специальных судов. В таких случаях может быть применена, например, самоподнимающаяся платформа. Корпус платформы представляет собой сварную конструкцию, опирающуюся на 3 опоры решетчатого типа. На нижнем конце опоры смонтирован резервуар диаметром 5,5 м и высотой 3,0 м. Буровые станки установлены на двух вращающихся консолях длиной 38 м, представляющих собой спаренные балки коробчатого сечения. Опорой консолей служит стальная конструкция высотой 23 м с двумя поворотными мачтами. На этих мачтах установлено по два гидроцилиндра, обеспечивающих поворот консолей на 180°. Общий вес платформы, включая опоры, дополнительные устройства для буровых станков, консоли и надстройки, составляет около 770 т.

Буровой станок смонтирован на подвижной тележке с электрическим приводом. Тележка может перемещаться по всей длине консоли. Буровая колонна, состоящая из обсадной трубы, жестко соединенной с буровой тележкой и подвешенной внутри нее на тросе буровой штангой,

54

проходит сквозь 1,5-метровую щель между коробчатыми балками. Буровая колонна имеет переменное сечение: в верхней части диаметр 550 мм, в средней — 380 мм. Нижняя часть длиной 3 м и диаметром 185 мм снабжена кольцевой буровой коронкой. Для дробления керна внутри обсадной трубы вращается тяжелая буровая штанга длиной 6 м и весом 1,8 т. Штанга, подвешенная на тросе, может передвигаться независимо от обсадной трубы. Трехступенчатая буровая коронка штанги в процессе бурения опережает обсадную трубу примерно на 20 см. Крутящий момент обсадной трубы передается на коронку штанги через три косых захвата.

После достижения заданной глубины бурения буровую штангу поднимают и открывают загрузочный клапан в обсадной трубе. В освобожденную полость обсадной трубы опускается взрывной заряд весом 12,5 кг. После подъема обсадной трубы примерно на 4,5 м над уровнем дна приводят в действие электрический запал.

После взрыва буровой станок переводится в следующую позицию поворотом консоли или передвижением буровой тележки. Время бурения одного шпура в зависимости от глубины бурения и крепости породы составляет 10—15 мин. С одной позиции можно пробурить до 440 шпуров, что соответствует 2400 м2 взрываемой поверхности.

Черпание раздробленной скальной породы производили землечерпалкой, подготовленной для работы на большой глубине при значительных нагрузках.

Подводный бульдозер может успешно работать на глубинах до

60 м.

Большая мощность и тяжелый вес машины в целом обеспечивают высокую производительность разработки выемок с перемещением большого количества грунта.

Для предотвращения уноса перемещаемого грунта водой подводный бульдозер оснащен фартучным устройством для захвата и перемещения грунта. В корпусах силовой линии предусмотрен регулировочный механизм, с помощью которого автоматически создают внутреннее давление, равное наружному давлению воды 0,3-0,45 кг/см2 для защиты уплотнений и предупреждения попадания воды.

Плужные устройства. Применение плужных устройств является одним из наиболее распространенных способов заглубления морских трубопроводов.

При укладке трубопровода с трубоукладочного судна плужное устройство можно протаскивать непосредственно этим же судном.

55

Если у трубопровода бетонное покрытие отсутствует, то для исключения повреждения изоляции трубопровод должен располагаться над плугом.

Засыпка морских трубопроводов

Засыпка морских трубопроводов осуществляется для снижения теплоотдачи продуктов, транспортируемых по магистральным трубопроводам и по выкидным линиям между подводными скважинами и установками по переработке. Для обеспечения защиты и теплоизоляции трубопроводов применяется засыпка песком и гравием.

Технология подачи и точного размещения частиц твердых пород на дне моря основана на применении труб специальной конструкции для засыпки таких материалов с борта судна. Конструкция системы, оснащенная видеокамерами и импульсными приемопередатчиками, позволяет следовать вдоль трассы подводных трубопроводов, уложенных на глубинах до 160 м. С помощью этой системы можно не только точно разместить материал засыпки, но и регулировать его толщину.

Вкачестве примера можно привести нефтяное месторождение Несс

вСеверном море, на котором трубопроводы первоначально не были изолированы, а лишь уложены в траншеи, отрытые траншеекопателем на гусеничной тележке. После начала эксплуатации из-за низкой температуры потока (6 °С) на стенках трубопроводов стал осаждаться парафин, и увеличилась вязкость нефти, было отмечено снижение добычи, сопровождавшееся резким падением давления в системе.

После завершения работ по засыпке трубопровода температура продукции на выходе из трубопровода увеличилась до 23 °С. При дальнейшей эксплуатации температура колебалась в диапазоне 19—24°С. Таким образом были решены проблемы отложения парафина и высокой вязкости нефти.

Монтаж подводной запорной арматуры

В ряду мер по обеспечению безопасности морских трубопроводов важное место занимают правильный выбор, установка и эксплуатация автоматических отсечных клапанов и других запорных систем.

Главную защиту от прорывов нефти и газа над уровнем моря обеспечивают отсечные клапаны на стояках.

Нормы проектирования предписывают размещать клапан на стояке как можно ниже, но при этом выше расчетного уровня гребней штормовой

56

волны. Клапан должен иметь механическое управление, работоспособность которого необходимо регулярно проверять.

Сам отсечной клапан и относящиеся к нему средства управления должны быть защищены от поломок и огня, а система управления должна быть устроена таким образом, чтобы клапан закрывался автоматически при аварийном сигнале или при неполадках в системе. Необходимо предусматривать также пульты ручного закрывания клапанов для дублирования системы автоматики.

На многих морских трубопроводах, прежде всего на газопроводах, устанавливают также подводные отсечные клапаны. При этом в первую очередь в случае аварии следует закрывать отсечной клапан на стояке, а подводный клапан обеспечивает дополнительную защиту на случай аварии клапана на стояке.

Место размещения подводных отсечных клапанов определяют с учетом следующих факторов:

1.эффективной площади излучения огненного факела;

2.времени стечения продукта;

3.работы системы управления;

4.защиты отсечного клапана;

5.монтажа и ремонта.

С учетом производительности трубопровода и возможного объема утечки продукта подводный отсечной клапан располагают как можно ближе к платформе, но вне предполагаемой зоны огненного факела. Большинство подводных отсечных клапанов располагают в 150—400 м от платформ. Это расстояние принято на основе анализа риска для платформ на основе следующих соображений:

6.зона в радиусе 500 м от платформы обычно обозначена как «зона исключительных интересов», что запрещает рыболовство и деятельность третьих сторон;

7.данное расстояние вне предела досягаемости посторонних предметов;

8.огненный факел, который может возникнуть из-за разрыва трубопровода, минимально угрожает платформе;

9.количество продукта в трубопроводе и стояке между клапаном и платформой относительно невелико;

10.клапан можно закрыть за 5—20 с;

11.монтаж отсечного клапана можно производить на безопасном расстоянии от платформы.

Из разных типов клапанов для работы в качестве отсечных чаще всего используют шаровые краны, обратные клапаны и задвижки.

57

Обвязка подводного трубопровода, как правило, включает в себя хотя бы один или несколько клапанов. При этом один из них обычно работает как отсечной, а остальные используют при ремонте. На одном и том же трубопроводе могут быть одновременно установлены шаровые краны, обратные клапаны и задвижки. В зависимости от конструкции отсечной клапан можно ремонтировать без затопления трубопровода, или только при частичном его затоплении, сводя к минимуму длительность и стоимость ремонта и связанные с ремонтом расходы.

Система управления подводными клапанами должна предусматривать:

12.стыковку клапана с надводной системой аварийной остановки;

13.включение подачи энергии к исполнительному механизму клапана;

14.наблюдение и извещение о поступлении энергии к клапану;

15.наблюдение и извещение о положении подводного клапана.

Для управления подводной запорной арматурой используют два основных типа исполнительных механизмов:

16.одинарного действия, когда гидравлический привод перемещает клапан только в одном направлении, одновременно сжимая возвратную пружину, которая перемещает клапан в противоположном направлении после снятия давления гидравлической жидкости;

17.двойного действия, когда гидравлический привод перемещает клапан в обоих направлениях.

Самым распространенным источником энергии для работы клапана является гидравлическая жидкость. Ее подают под высоким давлением с надводной гидравлической установки через кабель-трос, подведенный к исполнительному механизму клапана. Для дублирования можно использовать гидроаккумуляторы.

В качестве гидравлической жидкости используют минеральные масла с биоразлагаемыми добавками или обычную воду. Гидравлическая жидкость на масляной основе более вязкая, чем вода, поэтому в данном случае применяют трубы большего диаметра. Для больших расстояний более высокая стоимость труб для масляной гидравлической жидкости может окупаться за счет более надежной работы.

Типовая система управления подводной запорной арматурой имеет следующие коммуникации:

18.главная линия подачи гидравлической жидкости;

19.линия возврата гидравлической жидкости (в системе двойного действия);

20.пилотная линия гидравлической жидкости для клапана-защелки;

21.запасная линия;

22.скрученные и экранированные электрические парные провода для передачи данных о давлении в аккумуляторе и о положении клапана;

58

23.запасные скрученные и экранированные электрические парные провода;

24.кабель-трос, армированный двойной стальной проволокой на всю длину для защиты и повышения устойчивости.

Клапанный узел защищают от повреждений крышкой, изготовленной из труб или профилированной стали. Боковые стенки и верх крышки могут быть выложены панелями, изготовленными из стальных плит, решеток или их сочетания. Крышку жестко соединяют с опорной рамой или ставят свободно. Обычно опорную раму и защитную крышку устанавливают отдельно с помощью водолазного судна, но с учетом возможности одновременного подъема всего узла.

На действующих трубопроводах установка клапанов должна отвечать следующим условиям:

25.минимальная длительность остановки трубопровода;

26.отказ от сброса давления из трубопровода;

27.частичное заполнение линии водой или вообще отказ от него;

28.обеспечение безопасности персонала при монтаже.

С целью уменьшения потерь монтаж клапанов на действующем трубопроводе проводят во время ежегодного остановочного ремонта.

Для сохранения давления в трубопроводе при производстве работ необходимы установки пробки высокого давления. Надувные пробки выдерживают перепад давления до 1,5 МПа, для более высоких давлений применяют механические пробки. Самой совершенной считают гидравлическую пробку (рис. 16.10.1), рассчитанную на трубопроводы диаметром от 250 до 1220 мм и имеющую надежный механизм двойного уплотнения.

Гидравлическую пробку под давлением воды запускают в трубопровод через узел запуска поршня, а следят за ее перемещением с помощью ка- бель-троса, длина которого может достигать 450 м. Когда пробка достигает заданного места, с помощью гидравлики приводят в действие салазки и уплотнения, после чего снижают давление воды, и обратное давление газа прочно запирает салазки.

Другим способом отключения частей трубопровода является использование ледяных пробок. Для этого между двумя разделительными устройствами закачивают порцию воды, после чего передвигают ее в ремонтируемый участок. Затем воду замораживают с помощью «ошейника» из жидкого азота, создавая неподвижную ледяную пробку, длина которой может или должна в 2—3 раза превышать диаметр трубопровода. При проведении сварки под водолазным колоколом такой способ не применяют.

59

Очистка полости и испытание трубопроводов

Морские трубопроводы подвергают гидростатическим испытаниям после укладки на дно в соответствии с требованиями технических условий на испытания и ввод в эксплуатацию.

Перед гидростатическими испытаниями производят очистку и контроль внутренней полости трубопровода с применением поршней, оснащенных контрольно-измерительными приборами.

Минимальное давление при гидростатических испытаниях на прочность принимают в 1,25 раза выше расчетного давления, причем кольцевые напряжения во время испытаний не должны превышать 0,96 от предела текучести металла труб. Трубопровод выдерживают под давлением не менее 8 ч.

Трубопровод считается выдержавшим испытания, если в течение последующих 4 ч в нем не было зарегистрировано падение давления. Герметичность морского трубопровода проверяют после испытаний на прочность и снижения испытательного давления до расчетного значения в течение времени, необходимого для осмотра.

Удаление воды из трубопровода производят путем пропуска под давлением сжатого воздуха или газа не менее двух поршнейразделителей. Результаты этой операции считают удовлетворительными, если перед контрольным поршнем-разделителем нет воды, а сам он вышел из трубопровода не разрушенным. В противном случае операцию удаления воды из трубопровода необходимо повторить.

После окончательной очистки и калибровки внутренней полости, проведения исходной диагностики и заполнения транспортируемым продуктом морской трубопровод принимают в эксплуатацию.

60