Подводный трубопровод

( Подводный трубопровод также известный как морской , подводный или морской трубопровод) — это трубопровод , проложенный на морском дне или под ним внутри траншеи. В некоторых случаях трубопровод проходит преимущественно по суше, но местами пересекает водные пространства, например, небольшие моря, проливы и реки. Подводные трубопроводы используются в основном для транспортировки нефти и газа, но транспортировка воды также важна. Иногда различают выкидной трубопровод и трубопровод. Первый представляет собой внутрипромысловый трубопровод в том смысле, что он используется для соединения подводных устьев скважин , манифольдов и платформы в пределах конкретного разрабатываемого месторождения. Последний, иногда называемый экспортным трубопроводом , используется для доставки ресурсов на берег. Крупные проекты строительства трубопроводов должны учитывать множество факторов, таких как морская экология, геологические опасности и нагрузка на окружающую среду – они часто реализуются многопрофильными международными командами.

Пример маршрута подводного трубопровода: трубопровод Лангелед.

Выбор маршрута

Одной из первых и наиболее важных задач при планировании подводного трубопровода является выбор маршрута. Этот выбор должен учитывать множество вопросов, некоторые из которых имеют политический характер, но большинство других связано с опасными геологическими процессами , физическими факторами на предполагаемом маршруте и другими видами использования морского дна в рассматриваемом районе. Эта задача начинается с мероприятия по установлению фактов, которое представляет собой стандартное кабинетное исследование, включающее изучение геологических карт , батиметрических данных , рыболовных карт, аэрофото- и спутниковых фотографий, а также информации от навигационных органов.

Физические факторы

Взаимодействие подводного трубопровода и морского дна, на которое он опирается (четыре возможных сценария).

Основным физическим фактором, который следует учитывать при строительстве подводных трубопроводов, является состояние морского дна – является ли оно гладким ( т.е. относительно плоским) или неровным (гофрированным, с высокими и низкими точками). Если он неровный, трубопровод будет содержать свободные пролеты, когда он соединяет две высокие точки, оставляя участок между ними неподдерживаемым. Если неподдерживаемая секция слишком длинная, действующее на нее изгибающее напряжение (из-за ее веса) может быть чрезмерным. Вибрация от вихрей, вызванных током, также может стать проблемой. Корректирующие меры для неподдерживаемых участков трубопровода включают выравнивание морского дна и поддержку после установки, например, засыпку бермы или песка под трубопроводом. Прочность морского дна – еще один важный параметр. Если грунт недостаточно прочный, трубопровод может погрузиться в него до такой степени, что проведение проверок, процедур технического обслуживания и предполагаемых врезок станет затруднительным. С другой стороны, рытье траншей на каменистом морском дне обходится дорого, а в высоких точках может произойти истирание и повреждение внешнего покрытия трубопровода. В идеале грунт должен быть таким, чтобы труба могла в некоторой степени осесть в нем, обеспечивая тем самым некоторую боковую устойчивость.

Одна из многих причин, по которым подводные трубопроводы закапывают под морское дно: защита их от выпахивания дрейфующими ледовыми объектами , такими как айсберги .

Другие физические факторы, которые необходимо принять во внимание перед строительством трубопровода, включают следующее:

• Подвижность морского дна . Песчаные волны и мегарябь представляют собой объекты, которые движутся со временем, так что трубопровод, который во время строительства поддерживался гребнем одного из таких объектов, может позже оказаться во впадине в течение срока службы трубопровода. Эволюцию этих особенностей трудно предсказать, поэтому предпочтительно избегать областей, где они, как известно, существуют.
• Подводные оползни : они возникают в результате высоких скоростей седиментации и происходят на более крутых склонах. Они могут быть вызваны землетрясениями . Когда почва вокруг трубы подвергается скольжению, особенно если возникающее смещение происходит под большим углом к ​​линии, труба внутри нее может подвергнуться сильному изгибу и, как следствие, разрушению при растяжении .
• Токи : Сильные токи нежелательны, поскольку они препятствуют операциям по прокладке труб. Например, в мелководном море приливные течения могут быть довольно сильными в проливе между двумя островами. В этих обстоятельствах может быть предпочтительнее проложить трубу в другом месте, даже если этот альтернативный маршрут окажется длиннее.
• Волны воды : На мелководье волны также могут создавать проблемы для операций по прокладке трубопровода (в условиях сильного волнения) и, как следствие, для его устойчивости из-за размывающего действия . Это одна из многих причин, почему места выхода на берег (там, где трубопровод достигает береговой линии) являются особенно сложными для планирования участками.
• Проблемы, связанные со льдом . В замерзающих водах плавучие ледяные образования часто дрейфуют на мелководье, и их киль соприкасается с морским дном. Продолжая дрейфовать, они прорывают морское дно и могут задеть трубопровод. Стамухи также может повредить эту конструкцию, либо оказывая на нее высокие локальные напряжения, либо вызывая разрушение почвы вокруг нее, вызывая тем самым чрезмерный изгиб. Штрудели представляют собой еще одну опасность для трубопроводов в холодных водах: вода, хлынувшая через них, может удалить почву из-под конструкции, что сделает ее уязвимой для перенапряжения (из-за собственного веса) или колебаний, вызванных вихрями. При планировании маршрута трубопровода в районах, где известно о существовании таких рисков, необходимо учитывать прокладку трубопровода в траншее с обратной засыпкой.

Другие виды использования морского дна

Правильное планирование маршрута трубопровода должно учитывать широкий спектр человеческой деятельности, которая использует морское дно вдоль предлагаемого маршрута или, вероятно, будет делать это в будущем. Они включают в себя следующее:

• Другие трубопроводы : Если и где предлагаемый трубопровод пересекает существующий, что не является редкостью, в этом месте может потребоваться перемычка для его пересечения. Это нужно делать под прямым углом. Соединение должно быть тщательно спроектировано таким образом, чтобы избежать помех между двумя конструкциями, вызванных прямым физическим контактом или гидродинамическими эффектами.
• Рыболовные суда : в коммерческом рыболовстве используются тяжелые рыболовные сети, которые тянутся по морскому дну и простираются на несколько километров позади траулера. Эта сеть может зацепить трубопровод, что может привести к повреждению как трубопровода, так и судна.
• Судовые якоря : Судовые якоря представляют потенциальную угрозу для трубопроводов, особенно вблизи гаваней.
• Военная деятельность : в некоторых районах все еще есть мины, возникшие в результате прошлых конфликтов, но они все еще действуют. Другие районы, используемые для бомбометания или стрельбы, также могут скрывать боевые патроны . Более того, в некоторых местах на морском дне заложены различные типы приборов для обнаружения подводных лодок. Этих мест следует избегать.

Характеристики подводных трубопроводов

Подводные трубопроводы обычно имеют диаметр от 3 дюймов (76 мм) для газопроводов до 72 дюймов (1800 мм) для линий большой пропускной способности. Толщина стенок обычно варьируется от 10 миллиметров (0,39 дюйма) до 75 миллиметров (3,0 дюйма). Труба может быть рассчитана на жидкости при высокой температуре и давлении. Стенки изготавливаются из высокопрочной стали 350–500 МПа (50 000–70 000 фунтов на квадратный дюйм), при этом свариваемость является одним из основных критериев выбора. Конструкция часто защищается от внешней коррозии с помощью таких покрытий, как битумная мастика или эпоксидная смола , дополненных катодной защитой с защитными анодами . Бетонная или стекловолоконная упаковка обеспечивает дополнительную защиту от истирания. трубопровода, Добавление бетонного покрытия также полезно для компенсации положительной плавучести когда по нему транспортируются вещества с меньшей плотностью.

Внутренняя стенка трубопровода не имеет покрытия для нефтепереработки. Но если он содержит морскую воду или коррозионные вещества, его можно покрыть эпоксидной смолой , полиуретаном или полиэтиленом ; он также может быть облицован цементом. В нефтяной промышленности, где утечки недопустимы, а трубопроводы подвергаются внутреннему давлению, обычно порядка 10 МПа (1500 фунтов на квадратный дюйм), сегменты соединяются сварными швами с полным проплавлением. Также используются механические соединения. Скребок . является стандартным устройством трубопроводного транспорта , будь то наземный или морской Его применяют для проверки гидростатического давления , проверки наличия вмятин и загибов на боковых стенках внутри трубы, а также для проведения периодической чистки и мелкого ремонта.

Строительство трубопровода

Строительство трубопровода включает в себя две процедуры: сборку множества сегментов трубы в полную линию и прокладку этой линии по желаемому маршруту. Можно использовать несколько систем – для подводного трубопровода выбор в пользу любой из них зависит от следующих факторов: физические условия и условия окружающей среды ( например, течения, волновой режим), наличие оборудования и затраты, глубина воды, длина трубопровода. и диаметр, ограничения, связанные с наличием других линий и сооружений на маршруте. Эти системы обычно делятся на четыре большие категории: тяга/буксировка , S-образная укладка , J-образная укладка и укладка на барабане .

Упрощенные чертежи, показывающие три конфигурации, используемые для буксировки подводных трубопроводов к месту запланированной установки (не в масштабе).

Система тяги/буксировки

В системе буксировки подводный трубопровод собирается на берегу, а затем буксируется на место. Сборка производится либо параллельно, либо перпендикулярно береговой линии – в первом случае вся линия может быть построена до буксировки и установки. Существенным преимуществом системы тяги/буксировки является то, что предварительные испытания и проверка линии проводятся на берегу, а не в море. Это позволяет обрабатывать линии любого размера и сложности. Что касается процедур буксировки, то можно использовать ряд конфигураций, которые можно разделить на следующие категории: буксировка на поверхности, буксировка вблизи поверхности, буксировка на средней глубине и буксировка вне дна.

• Буксировка на поверхности : в этой конфигурации трубопровод остается на поверхности воды во время буксировки, а затем погружается на место укладки. Леска должна быть плавучей – это можно сделать с помощью прикрепленных к ней отдельных плавучих элементов. Надводные буксиры не подходят для бурного моря и уязвимы для боковых течений.
• Приповерхностная буксировка : трубопровод остается ниже поверхности воды, но близко к ней – это смягчает воздействие волн. Но лонжеронные буи, используемые для удержания троса на этом уровне, подвергаются воздействию бурного моря, что само по себе может представлять собой проблему для буксировки.
• Буксировка на средней глубине : Трубопровод не имеет плавучести – либо потому, что он тяжелый, либо потому, что он утяжелен подвешенными цепями. В этой конфигурации линия подвешивается в контактной сети между двумя буксирными судами. Форма этой цепной линии ( провисания ) представляет собой баланс между весом лески, натяжением, оказываемым на нее сосудами, и гидродинамической подъемной силой цепей. Величина допустимого прогиба ограничена глубиной морского дна.
• Буксировка вне дна : эта конфигурация аналогична буксировке на средней глубине, но здесь линия удерживается на расстоянии от 1 до 2 м (несколько футов) от дна с помощью цепей, перетаскиваемых по морскому дну.
• Донная буксировка : в этом случае трубопровод протаскивается по дну – на линию не влияют волны и течения, и если море становится слишком неспокойным для буксирующего судна, линию можно просто оставить и восстановить позже. Проблемы, связанные с системами этого типа, включают в себя: необходимость наличия износостойкого покрытия, взаимодействие с другими подводными трубопроводами и потенциальными препятствиями (рифы, валуны и т. д.). Донный буксир обычно используется для переправ через реки и переходов между берегами.

Упрощенные чертежи трех распространенных систем, используемых для строительства и монтажа подводных трубопроводов (не в масштабе): S-образная укладка, J-образная укладка и наматывание.

Solitaire — один из крупнейших в мире кораблей-трубоукладчиков.

DCV Aegir — трубоукладочное судно, предназначенное для J-образной и барабанной укладки.

Saipem 7000 — полупогружное крановое судно, оснащенное системой укладки труб J-образной формы.

Система S-lay

В системе S-образной укладки сборка трубопровода производится на месте монтажа, на борту судна, имеющего все необходимое оборудование для соединения отрезков труб: конвейеры для перемещения труб, сварочные станции, рентгеновское оборудование, модуль покрытия стыков, и т. д. Обозначение S относится к форме трубопровода при его укладке на морское дно. Трубопровод выходит из судна на корме или носу от опорной конструкции, называемой стингером , которая направляет движение трубы вниз и контролирует изгиб выпуклости вверх ( перегиб ). По мере продвижения к морскому дну труба имеет выпукло-нисходящую кривую ( прогиб ) перед контактом с морским дном ( точка касания ). Провисание контролируется натяжением, прикладываемым со стороны сосуда (через натяжители ) в ответ на вес погруженного трубопровода. За конфигурацией трубопровода следят, чтобы он не был поврежден чрезмерным изгибом. Этот подход к сборке трубопровода на месте, называемый строительством баржи-укладчика , известен своей универсальностью и автономным характером – несмотря на высокие затраты, связанные с развертыванием этого судна, он эффективен и требует относительно небольшой внешней поддержки. Но ему, возможно, придется бороться с тяжелыми волнениями на море, которые отрицательно влияют на такие операции, как передача труб с судов снабжения, установка якорей и сварка труб. Последние разработки в конструкции барж-укладчиков включают динамическое позиционирование и систему J-образной укладки.

Система J-lay

В районах, где вода очень глубокая, система S-образной укладки может оказаться неприемлемой, поскольку трубопровод оставляет жало и идет почти прямо вниз. Чтобы избежать резкого изгиба на конце и уменьшить чрезмерный прогиб, натяжение трубопровода должно быть высоким. Это помешает позиционированию судна, а натяжитель может повредить трубопровод. Можно было бы использовать особенно длинное жало, но это также нежелательно, поскольку на эту конструкцию могут отрицательно повлиять ветры и течения. Система J-lay, одно из последних поколений барж-укладчиков, лучше подходит для глубоководных условий. В этой системе трубопровод покидает судно по почти вертикальному пандусу (или башне). Никакого перегиба нет – только провисание цепной природы (отсюда и обозначение J ), такое, что напряжение можно уменьшить. Трубопровод также менее подвержен воздействию волн при входе в воду. Однако, в отличие от системы S-образной укладки, где сварка труб может выполняться одновременно в нескольких местах по длине палубы судна, система J-образной укладки может включать только одну сварочную станцию. Для компенсации этого недостатка используются передовые методы автоматической сварки.

Система Reel-lay

В системе укладки на барабанах трубопровод собирается на берегу и наматывается на большой барабан размером обычно около 20 метров (66 футов) x 6 метров (20 футов). установлен на борту специально построенного судна. Затем судно выходит к месту прокладки трубопровода. Береговые сооружения для сборки трубопровода имеют свои преимущества: на них не влияют погодные условия или состояние моря, и они дешевле, чем морские работы. Подачу трубопровода можно координировать: пока одна нитка прокладывается в море, другую можно проложить на берегу. Одной катушки может быть достаточно мощности для поточной линии полной длины. Однако система укладки на барабанах может работать только с трубопроводами меньшего диаметра – примерно до 400 мм (16 дюймов). Кроме того, сталь, из которой изготовлены трубы, должна быть способна подвергаться необходимой пластической деформации, поскольку она изгибается до нужной кривизны (с помощью спиральной J-образной трубки) при намотке на барабан и выпрямляется обратно (с помощью выпрямителя). при планировочных работах на месте установки.

Стабилизация

Для стабилизации и защиты подводных трубопроводов и их компонентов используется несколько методов. Их можно использовать по отдельности или в комбинациях.

Рытье траншей и захоронение

Упрощенный чертеж, показывающий типичную струйную систему для прокладки траншей под подводным трубопроводом, проходящим на морском дне.

Подводный трубопровод может быть проложен внутри траншеи в качестве средства защиты от рыболовных снастей ( например, якорей ) и траления . Это также может потребоваться на подходах к берегу для защиты трубопровода от течений и волнения (при пересечении зоны прибоя ). Прокладка траншей может быть выполнена до укладки трубопровода ( траншея перед укладкой ) или после удаления морского дна из-под трубопровода ( траншея после укладки ). В последнем случае траншеекопательное устройство устанавливается поверх трубопровода или охватывает его. Для рытья траншей на морском дне для подводных трубопроводов используется несколько систем:

• Струйная очистка: это процедура прокладки траншеи после укладки, при которой почва удаляется из-под трубопровода с помощью мощных насосов, продувающих воду с каждой стороны трубопровода.
• Механическая резка: эта система использует цепи или режущие диски для копания и удаления более твердых почв, включая валуны . снизу трубопровода.
• Вспашка: Принцип вспашки , который первоначально использовался для предварительной прокладки траншей, превратился в сложные системы, которые легче по размеру для более быстрой и безопасной работы.
• Дноуглубительные работы/земляные работы: На мелководье грунт можно удалить с помощью земснаряда или экскаватора перед прокладкой трубопровода. Это можно сделать разными способами, в частности, с помощью системы «резак-всасывание», использования ковшей или обратной лопаты .

″Заглубленная труба гораздо лучше защищена, чем труба в открытой траншее.″ Обычно это делается путем покрытия конструкции камнями, добытыми на близлежащей береговой линии. В качестве альтернативы в качестве обратной засыпки можно использовать грунт, выкопанный со дна моря во время рытья траншей. Существенным недостатком закапывания является сложность обнаружения утечки в случае ее возникновения и проведения последующих ремонтных работ.

Матрасы

Бетонные матрасы на барже

Матрасы можно укладывать поверх трубопровода или как под ним, так и над ним, в зависимости от основания.

• Матрасы Frond имеют эффект, аналогичный эффекту морских водорослей, и имеют тенденцию вызывать скопление песка. Их необходимо закрепить ко дну, чтобы их не смыло.
• Бетонные маты используются для удержания части трубопровода на месте за счет своего веса и уменьшения размыва. Обычно они достаточно тяжелы, чтобы удерживаться на месте под собственным весом, поскольку состоят из бетонных блоков, связанных между собой веревкой.
• Также используются комбинированные матрасы из бетонного матраца с накладным матрасом.

Наземные якоря

Для предотвращения бокового смещения можно использовать зажимы, удерживающие трубопровод на сваях.

Седельные блоки

Седельные блоки из сборного железобетона можно использовать для обеспечения боковой поддержки и более прочного удержания трубопровода.

Мешки с песком и мешки с раствором

Их можно размещать по бокам или под трубопроводом для обеспечения вертикальной и/или боковой поддержки.

Гравийные отвалы

Гравием можно засыпать части трубопровода, чтобы уменьшить размыв и помочь стабилизировать его от бокового смещения.

и

Конвенция Эспо установила определенные требования к уведомлению и консультациям в тех случаях, когда проект может иметь трансграничные экологические последствия. Мнения ученых относительно того, насколько эффективно Эспоо смягчает ущерб окружающей среде, расходятся во мнениях. Концепции морского права , используемые при строительстве трансграничных трубопроводов, касаются территориальных вод, континентальных шельфов , исключительных экономических зон , свободы открытого моря и защиты окружающей среды. Согласно международному праву открытое море открыто для всех государств для прокладки подводных трубопроводов и других видов строительства.

Подводные трубопроводы представляют опасность для окружающей среды, поскольку сами трубопроводы могут быть повреждены судовыми якорями, коррозией, тектонической деятельностью или в результате дефектов конструкции и материалов. Станислав Патин заявил, что исследования воздействия природного газа на подводные экосистемы, рыб и другие морские организмы ограничены. Исследователи обнаружили причинно-следственную связь между массовой гибелью рыбы и утечками природного газа после аварий при бурении в Азовском море в 1982 и 1985 годах.

Обеспокоенность по поводу экологических рисков подводных трубопроводов высказывалась неоднократно. произошло как минимум два серьезных инцидента с нефтепроводами На континентальном шельфе Великобритании . Также произошло несколько «незначительных разливов и утечек газа» с участием других трубопроводов Северного моря . В 1980 году судовым якорем был поврежден трубопровод, а в 1986 году из-за изменения давления вышел из строя клапан трубопровода. Оба инцидента привели к разливу нефти. Несколько стран Балтии выразили обеспокоенность по поводу трубопровода «Северный поток» . Маршрут подводного трубопровода длиной 1200 км будет проходить через рыболовные районы Балтийского моря , а также через районы, где химическое оружие времен Второй мировой войны . было сброшено

См. также

• Геологическая опасность — геологическое состояние, которое может привести к широкомасштабному ущербу или риску. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Океан – соленая вода, покрывающая большую часть Земли.
• Морское строительство – Монтаж конструкций и сооружений в морской среде.
• Морское бурение - механический процесс, при котором ствол скважины бурится ниже морского дна.
• Морская геотехническая инженерия - подобласть инженерии, связанная с искусственными сооружениями в море.
• Шельф (углеводороды)
• Нефтяная платформа - морская океанская структура с добычей нефти и сопутствующими объектами.
• Судно-трубоукладчик - тип судна, используемого для прокладки подводных трубопроводов.
• Морское дно – дно океана
• Пропахивание морского дна льдом – результат взаимодействия дрейфующего льда с морским дном.
• Подводные (технологии) – Технология подводных операций в море. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Подводные клапаны - клапан, используемый для управления подводным потоком материала.

Библиография

• Бай Ю. и Бай К. (2010) Справочник по подводной инженерии . Gulf Professional Publishing, Нью-Йорк, 919 стр.
• Барретт, П. (2011). «Защита морских трубопроводов от пропахивания морского дна льдом: обзор» . Наука и технологии холодных регионов . 69 : 3–20. doi : 10.1016/j.coldregions.2011.06.007 .
• Браун Р.Дж. (2006) Буксировка трубопроводов и стояков в прошлом, настоящем и будущем . В : Материалы 38-й конференции по морским технологиям (OTC). Хьюстон, США
• Кроасдейл К., Бин К., Крокер Г., Пик Р. и Верлаан П. (2013) Случаи погрузки Стамухи для трубопроводов в Каспийском море . Материалы 22-й Международной конференции по портовой и океанской инженерии в арктических условиях (POAC), Эспоо, Финляндия.
• Дин ЭТР (2010) Морская геотехническая инженерия – принципы и практика , Томас Телфорд, Рестон, Вирджиния, США, 520 стр.
• Гервик BC (2007) Строительство морских и морских сооружений . CRC Press, Нью-Йорк, 795 стр.
• Палмер, А.С. и Бин К. (2011) Геологические опасности для трубопроводов в арктических условиях. В : В. О. Маккаррон (редактор), Глубоководные фундаменты и геомеханика трубопроводов , издательство J. Ross Publishing, Форт-Лодердейл, Флорида, стр. 171–188.
• Палмер, AC и Кинг РА (2008). Проектирование подводных трубопроводов (2-е изд.). Талса, США: Пеннуэлл, 624 стр.
• Рамакришнан ТВ (2008) Морская инженерия . Gene-Tech Books, Нью-Дели, 347 стр.
• Уилсон Дж. Ф. (2003) Структуры в морской среде. В : Дж. Ф. Уилсон (редактор), Динамика морских структур . John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, США, стр. 1–16.