3.2. Суда-трубоукладчики
Первый трубопровод на шельфе был проложен в 1954 году в Мексиканском заливе от месторождения Brown & Root. Специальных морских технологий и судов для эффективной подводной укладки трубопроводов в то времени не существовало.
Однако интенсивное освоение подводных месторождений нефти и газа, вызвавшее необходимость создания трубопроводной инфраструктуры, связывавшей скважины между собой и с берегом, привело к развитию специализированных методов прокладки подводных трубопроводов.
Трубопроводы различают внутрипромысловые, которые изготавливают из труб до 400 мм диаметром (чаще 152 и 320 мм), и магистральные диаметром от 400 мм до 1230 (обычно 860 и 910 мм).
Помимо стальных сварных труб в последние десятилетия для внутрипромысловых трубопроводов часто применяются гибкие армированные многослойные (до 8 слоев) трубы, обладающие малым радиусом изгиба. Например, французские гибкие трубы "Кофлексип" внутренним диаметром от 76 до 406 мм имеют радиус изгиба 0,85,,,3,3 м. Они рассчитаны на внутреннее давление от 70 (диаметр 76 мм) до 5 МПа (диаметр 406 мм). Эти многослойные трубы имеют слой нагревательных элементов, предназначенных для разжижения вязких нефтепродуктов.
Специализированные суда-трубоукладчики бывают несамоходными, они носят название барж, и самоходными – суда.
По способу укладки трубопроводов они подразделяются на два типа: обычные и барабанные.
По первой схеме трубопровод изготавливается из отдельных плетей, которые свариваются на судне, а затем на мере наращивания трубопровод укладывается на дно. Следует отметить, что трубопровод представляет собой довольно сложное сооружение, состоящее не только из трубы, но и слоев наружной и внутренней изоляции, антикоррозионной защиты. Сварные стыки, сделанные на судне-трубоукладчике, также изолируются.
Такая схема особенно пригодна для создания трубопроводов большого диаметра (до 1500 мм).
Другая, барабанная, схема предполагает изготовление значительной части или всего трубопровода в береговых условиях, а затем намотку его на барабан судна – трубоукладчика, которое и производит укладку труб путем разматывания и стыковки отдельных участков на трассе морского трубопровода. Очевидно, барабаны, на которые наматывается заранее изготовленные участки трубопровода, должны быть весьма большого диаметра.
Даже при этих условиях при разматывании стальных труб существуют остаточные деформации, которые устраняются с помощью специального устройства выравнивания, входящего в комплект специального оборудования судна-трубоукладчика.
Как уже указывалось, дальнейшее развитие этого направления трубоукладочного процесса привело к использованию гибких многослойных труб.
Имеется еще один способ укладки подводного трубопровода, по которому изготовленный на берегу участок трубопровода протаскивается по грунту подводным судном непосредственно в заданный район. Такой способ нашел применение в 70-х годах в США, Англии и Норвегии.
Хотя первые трубоукладочные суда появились еще в конце 50-х годов (1958 г. первая построенная для трубоукладочных целей баржа BAR 297, Мексиканский залив, месторождение Brown & Root), создание специальных судов-трубоукладчиков относится ко второй половине 70-х годов XX столетия.
Так, в 1975 году французские специалисты построили трубоукладочную баржу ETPM 701 размерами 130,5х30,5х9,0 м (Нант, Нормандия).
Интересной конструктивной особенностью трубоукладочных судов такого типа и, в частности ETPM 701, является наличие специальной решетчатой консоли, идущей за корму для направления трубопровода и облегчения его укладки на донный грунт без резких перегибов. Эта конструкция называется стингером и может иметь длину до 180 м (рис. 3.9).
Рис. 3.8. Баржа-трубоукладчик ETPM 701 (Франция, Нант, 1975 г.)
Наращивание подводного трубопровода ведется и при волнении высотой до 5…6 м, скорости ветра и течения 12,0 и 3 м/с соответственно. При дальнейшем ухудшении погоды работы прекращаются и трубопровод удерживается на стингере. В критических случаях предусмотрена возможность полного отсоединения трубопровода от баржи. Скорость укладки трубопровода может достигать 5000 м/сутки при обычных условиях.
Другим таким трубоукладчиком на основе полупогружной трубоукладочной баржи является "Semac 1" (рис. 3.9) постройки 1978 года для глубины укладки труб 305 м.
Рис. 3.9. Полупогружная трубоукладочная баржа "Semac 1" постройки 1978 г. с глубиной укладки 305 м
Крупнейшим судном-трубоукладчиком со стингером является "Солитейр", которое было построено в 1995 году на сингапурской верфи "Симбаванг Шипъярд" на базе балкера дедвейтом 129479 т. На судне установлено сварочное оборудование для наращивания трубопровода (рис. 3.10). Диаметр трубопровода до 1500 мм. Основные характеристики этого судна: длина корпуса 285 м (со стингером 353 м), ширина 40,6 м, высота борта 24 м, осадка максимальная 13,5 м, водоизмещение 70250 т, скорость хода 14,5 уз. Для движения используются восемь винто-рулевых колонок мощностью по 5550 кВт. Масса труб, размещаемых в трюмах 14600 т. Предусмотрена конвейерная система формирования трубопровода, которая обеспечивается семью сдвоенными автоматизированными сварочными постами и рядом кранов грузоподъемностью 30…35 т и один грузоподъемностью 300 т при вылете 20 м (20 т при вылете 80 м).
Рис. 3.10. Продольное сечение судна-трубоукладчика "Солитейр", переоборудованного из балкера на верфи "Симбаванг шипъярд" (1995 г., Сингапур)
Движение судна и удержание его по трассе укладки трубопровода обеспечивается с помощью автоматизированной системы динамического позиционирования.
Отсутствие развитой многоякорной системы позволяет выполнять работы в условиях большой загруженности акватории проходящими судами. Скорость укладки трубопровода до 7 км/сутки.
Одним из первых специальных построенных судов-трубоукладчиков ("pipelay ship"), рассчитанных на использование схемы намотки предварительно изготовленного трубопровода на барабан, стал "Apache" (1979 г., США, "Todd Shipyard Corp." в Галвестоне)6.
Судно "Apache" (рис. 3.11, 3.12) имеет длину 122 м, ширину 21,3, мощность энергетической установки 5300 кВт. Четыре (по два в носу и корме) подруливающих устройства, образуют систему динамической стабилизации. Скорость на переходе 13,0 уз, при прокладке трубопровода – 2 уз.
Главным и весьма заметным специфическим устройством этого судна является барабан для намотки трубопровода, установленный в центре судна. Его диаметры по внутреннему барабану 16,5 м, по реборде – 25,6 м. На барабан можно намотать трубопровод диаметром до 406 мм общей массой 1800 т. Длина трубопровода зависит от диаметра трубы и при 406 мм составляет 9000 м, а при 102 мм – 80000 м.
Судно рассчитано на прокладку трубопроводов диаметром 406 мм на глубине моря до 600 м, а 326 мм – на 900 м. В корме расположено шарнирное направляющее устройство, оборудованное приспособлением для выравнивания трубы от остаточных деформаций при разматывании с барабана (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Судно-трубоукладчик CSO "Apache" (США, 1979 г.)
Рис. 3.12. Кормовое шарнирное направляющее устройство, оборудованное приспособлением для выравнивания трубы от остаточных деформаций при разматывании с барабана на судне-трубоукладчике CSO "Apache" (США, 1979 г.)
В 1976 году было переоборудовано для укладки гибкого трубопровода судно "Flexservice-1" (рис. 3.14).
В последней четверти XX столетия был построен ряд судов-трубоукладчиков разных типов. Одним из новейших судов-трубоукладчиков с барабанной намоткой стального трубопровода является "Seven Oceans", построенный голландской компанией "Mervede Shipyard" (рис. 3.15).
Его характеристики: длина 157,3 м, ширина 28,4 м, проектная осадка 7,5 м, дедвейт 11134 т, водоизмещение – 16600 т, шесть винторулевых колонок мощностью 2200…2950 кВт, три кормовых из которых обеспечивают скорость движения 14,5 уз при использовании 90 % максимальной мощности.
Барабан для наматывания труб имеет размеры по внутреннему диаметру 18 м, по реборде – 28 м, вместимость 3500 т трубы. При диаметре 6 дюймов на барабане может разместится 120 км тонкой стальной трубы, для труб диаметром 16 дюймов эквивалентная вместимость 18…12 км.
На верхней палубе в корме размещается 47,5-метровая сдвижная конструкция-башня, оборудованная специальным прижимным устройством. На этой конструкции установлен шкив диаметром 18 м, служащий для приема трубы от главного барабана и направления на выравнивающее устройство для правки труб от остаточных деформаций (диаметр изгиба от 20 до 200 м). Осуществляется это с помощью четырех прижимных гидравлических башмаков с усилием по 400 тс.
Рис. 3.14. Схема расположения оборудования на судне-трубоукладчике барабанного типа "Flexservice I" (переоборудовано в 1976 г., глубина укладки гибкого трубопровода 300 м): 1 – радионавигационные средства; 2 – водолазное снаряжение; 3 – намоточное устройство; 4 – лебедки; 5 – поворотные ПУ; 6 – трубные барабаны; 7 – главный двигатель; 8 – кормовое ПУ; 9 – инклинометр; 10 – натяжные устройства.
Рис. 3.15. Судно-трубоукладчик "Seven Oceans" (Нидерланды, 2007 г.)
Стопорное устройство для удержания трубы обеспечивает восприятия усилия в 600 тс. Сдвижная конструкция может менять угол наклона от 24о до 90о, что обеспечивается гидроцилиндрами. Для компенсации смещения положения трубы при сматывании с главного барабана конструкция может смещаться на 5 м к каждому борту от центрального положения. Изменение наклона и прижимного усилия, создаваемого кормовой башней позволит укладывать трубопровод диаметром 8 дюймов на глубину 3500 м (прижимное усилие 400 тс) или 2650 м (усилие 300 тс).
18-тонный резак, расположенный в нижней части башни может быть использован для отсечения трубы в аварийном положении. Зажим включает в себя две независимые секции по 300 тс, в сумме 600 тс.
На башне расположен защищенный от внешнего воздействия контрольно-сварочный пост, предназначенный для выполнения ремонтных работ (при необходимости) и нанесения покрытия и анодной защиты.
Судно оборудовано двумя привязными двухзвенными глубоководными аппаратами (с каждого борта по одному). Аппараты имеют кабель-трос длиной 3000 м и дополнительную "пуповинную" связь, позволяющую на 850 м отклоняться в сторону. Аппараты оборудованы необходимыми видео- и фотокамерами и другими приборами, обеспечивающими эффективный контроль за укладкой трубопровода.
Для использования гибких трубопроводов эта же компания поставила заказчику в 2007 году судно-трубоукладчик "Seven Seas" ("Семь морей") производящее укладку трубопроводов по технологии J-Ray (рис. 3.16). Это судно однотипное по корпусу и корабельным системам предыдущему оснащено всеми необходимыми устройствами для укладки гибких трубопроводов через центральную шахту судна. Оно имеет дедвейт 10930 т, длину 157,3 м, ширину 28,4 м, осадку в грузу 12,5 м, осадку порожнем 7,5 м, площадь главной (верхней) палубы 650 м3, прочность палубы 10 т/м2, эксплуатационную скорость 13,0 уз, экипаж 120 человек.
Рис. 3.16. Судно-трубоукладчик "Seven Seas" (Нидерланды, 2007 г.)
Носовые и кормовые оконечности "Seven Oceans" и "Seven Seas" идентичны, но в средней части второго была размещена шахта, необходимая для установки специфического оборудования технологии J-Ray. По этой технологии главный барабан с намотанным гибким трубопроводом располагается в корме при вертикальном направлении его оси вращения. С него трубопровод подается к вертикальной башне, установленной над шахтой (размерами 7,5х7,5 м), так, что конфигурация трубопровода имеет форму, похожую на латинскую букву "J". На башне выполняется контроль, очистка трубопровода ремонт покрытия (при необходимости). Она оборудована двумя натяжителями усилием по 181 тс.
Сложная конструкция башни предполагает возможность ее использования по технологии RWLI.
Завершая рассмотрение трубоукладочных судов следует указать, что строительство трубоукладчиков, начавшееся в 70-х годах XX столетия велось неравномерно. В начальный период было построено около десяти крупных высокопроизводительных специализированных трубоукладочных судов, часть из которых рассмотрена выше. Эти суда с учетом количества универсальных (которые наряду с другими операциями строительства морских нефтегазовых месторождений могут выполнять и трубоукладочные работы) к 80-х годам имели общую численность около 50 единиц, что позволяет укладывать до 30 тыс. км трубопроводов в год [88].
Высокая производительность новых трубоукладочных судов позволяла выполнять большие объемы трубоукладочных работ. Например, итальянский трубоукладчик "Castoro-6" за пять лет уложил свыше 2800 км трубопроводов [9]. Поэтому были случаи их длительного простоя. Так, одно из крупных судов-трубоукладчиков "Viking Piper" было временно использовано как плавучий отель (в 1983 году оно вновь приняло участие в укладке трубопровода в Северном море). Трубоукладочное судно "Choctow" было переоборудовано в ППБУ.
Другой причиной, ограничивающей использование такого типа судов, явилось относительная дороговизна используемых методов укладки трубопроводов. Поэтому идет развитие других менее дорогих технологий: буксировка изготовленного в береговых условиях трубопровода на плаву, протаскивание по дну длинных плетей трубопровода.
В последний период потребность в морских трубоукладочных работах возрастает, чему служат примеры строительства дальних трубопроводов "Северный поток"7 на Балтике, "Голубой поток"8 на Черном море, "Южный поток"9 на Черном море и др., соединяющих экспортеров нефти и газа с потребителями.