Проектные расчеты морских подводных нефтяных и газовых трубопроводов
Застройка морских трубопроводов является довольно прибыльной и быстро развивающейся отраслью в настоящее время. Несмотря на то, что их прокладка – достаточно сложный процесс, дальнейшая их работа позволяет эффективно транспортировать сырье на особо протяженные расстояния. Таким образом можно доставлять нефть и газ не только в пределах одной страны, но и в разные страны, находящиеся в значительном удалении друг от друга.
Строительство любого инженерного объекта, в т.ч. трубопровода, начинается с проектного расчета. Доверять его нужно проверенной проектной организации и специалистам. Проектные расчеты ведутся в соответствии с требованиями и нормативами, предусмотренными в нашей стране законодательно. Особое внимание при застройке нефтяных и газовых трубопроводов надо уделять безопасности. На это также существуют нормативы и правила.
Морская трубопроводная система МОТРУБСИСТ представляет собой систему связанных меж собой подводных трубопроводов промыслового и магистрального значения. Также в ее состав входят и стояки, кот. реализуют доставку жидких углеводородов и газообразных от месторождений до береговых накопительных баз.
В конфигурацию МОТРУБСИСТ входят:
— линейная часть.
Сюда включается непосредственно нить трубопровода, находящаяся под водой, отрезки трубопровода, расположенные на берегу до арматуры и отключающий трубопровод. Стояки в линейную часть не включаются.
— стояки.
Их выносят в отдельный конфигурационный элемент. Они необходимы для вывода подводного трубопровода к стацион. платформам.
— арматура.
Различается отсекающая арматура и запорная.
— фиксаторные конструкции для закрепления стояков за элементы платформ.
— агрегаты электрохим защиты от коррозии.
— эл. снабжающие подстанции.
— дистанционное управл. арматурой и агрегатами электрохим защиты.
— элементы обеспечения технолог. связью.
У МОТРУБСИСТ различают подводную и наземную часть. К подводной относят соответственно тот отрезок трубопровода, какой размещается ниже поверхности воды при макс. приливе. Наземная часть размещается на берегу и представляет собой выход трубопровода из воды и дальнейшую стыковку с протяженностью линии.
Стояки трубопровода представляют стыковочные трубопроводы, которые соединяют подводную трассу с оборудованием стацион. морских платформ.
Проект прокладывания МОТРУБСИСТ должен определять след. ключевые факторы:
— оптимальное размещение трассы трубопровода;
— колич. задействуемых труб, материал их изготовления, сорт, марку стали;
— метод достижения технической устойчивости нити трубопровода при нахождении его на дне;
— число и вид пригрузок;
— методы защиты труб от внеш. воздействия водной среды;
— методы прокладывания и организации хода монтирования трубопровода, где также указывается нужное число тех. плавсредств, которые будут задействованы при строительстве;
— методы и порядок проведения испытаний МОТРУБСИСТ;
— объемы строит. работ и их стоимость;
— методы предотвращения загрязнений водоема в ходе прокладки;
— экономич. целесообразность и эффективн. строительства трубопровода.
Проектирование МОТРУБСИСТ проводится в 2 этапа:
— на первом этапе дают техн.-экономическ. обоснование строительства;
— на втором составляют раб. чертежи.
В ходе составления обоснования определяют варианты маршрутов трассы, выбирают наиболее оптимальный. Также ведут подбор ключевых элементов конструкции и методик укладывания, заглубления трубопроводов. Кроме того, в ходе ТЭО подбирают нужное оборудование, механизмы и агрегаты, кот. могут использоваться для строительства. На этапе ТЭО также составляется смета на полное строительство.
Обоснование разрабатывают с учетом условий местности, какие получают на основе картографич. материалов и проведения инженерных поисков по маршруту трассы.
Стадии ведения ТЭО включают в себя получение след. данных:
— составление плана местности с нанесением изобат и маршрутов трасс;
— формирование продольных профилей вдоль трасс с отметками глубин, геолог. структуры донного грунта, величины заглубления труб;
— формирование конструкции газового трубопровода;
— составление пояснит. записки по гидравлич. расчетам ТП;
— составление расчета на прочность и стойкость ТП;
— описание технол. схем укладывания и заглубления трубопровода;
— ТЭР возможных вариантов строительства ТП;
— получение материалов инжен. поисков с описанием прир. условий местности застройки.
По окончании составления ТЭО назначается разработка технич. проекта. В состав документации по технич. проекту должны входить:
— чертежи конструкций трубопровода (маршрут, расположение, размеры);
— ТУ по материалам, используемым при строит. трубопровода (их марка, типоразмер, ТУ на поставку, накладные и проч.);
— определения сварных стыков и характ. проводимых процессов сварки;
— определения мех. соединений и правила их монтирования;
— ход изготовления трубопровода, правила его монтирования на местности;
— правила и особенности монтирования стояков, и проч. элементов;
— методики испытаний и нормы их проведения;
— ход задействия мер по защите трубопров. от коррозийных процессов;
— ход сооружения защитных мер против размывания;
— описание методик улучшения подготовки дна к прокладыванию;
— описание схем оснащения необходимыми приборами контроля и управления;
— описание хода вероятного ремонта уже инсталлированного трубопровода, его стояков, арматуры и проч.
Также в ходе составления технич. проекта принято обозначать данные о климатич. условиях и окр. среде той местности, где планируется застройка.
В данных указываются:
— размещение профиля трубопроводных трасс;
— данные об условиях водоема – глубина, рельеф дна, параметры заглубления;
— хар. методик изучения топографии дна водоема и св. грунтов;
— описание грунтов, их свойств, рельефа с учетом особенностей укладывания трубопровода на таких грунтах;
— морская топография дна;
— направление и скор. ветров;
— волнообразование;
— особенности и условия отливов и приливов;
— данные по течению, в т.ч. в области дна, придонье;
— данные о сейсмологической обстановке;
— наличие и характ. активной фауны;
— темп. воды в разных частях водоема – у дна, у поверхности;
— особенности нагрузок;
— будущие графики давл. для данной конкретной системы трубопроводов;
— данные о загрязнении водоема и близлежащих террит-ий;
— описание предполагаемых методов ежегодного и внепланового осмотра трубопровода, объем осмотра.
Состав проекта трубопровода также должен содержать нормы расчетов. Они следующие:
— расчет ТП и его стояков на стойкость к повреждениям, разрушениям, коррозии;
— расчет стойкости трубных стенок;
— расчет динам. нагрузки и напряжения на трубы;
— анализ влияния возможных вибраций на трубопровод;
— анализ поведения трубопровода после укладки его на морском дне;
— анализ устойчивости;
— анализ антикоррозийных защитных схем.
Еще в ходе планирования и составления техпроекта трубопроводной трассы принято формировать проект организации строительства. Его еще кратко именуют ПОС. В ПОС принято включать описания всех используемых техник, технологий, методов, котор. будут задействованы при устройстве нового трубопровода. Сюда можно отнести все виды работ – монтирование, стыковку, сварку, заглубление, погрузку, монтаж профилей и стояков и проч. По мере составления ПОС согласовывают с фирмой, котор. будет непосредственно проводить застройку.
В конфигурацию проекта, кроме раб. чертежей, должны входить и более уточненные материалы, нормы, технич. описания. Раб. чертежи составляются как на весь проект в целом, так и на отдельные конструктивные элементы.
Раб. чертежи формируются после проведения всех инженерных поисков и оценки местности прокладывания. В конфигурацию раб. чертежей принято включать уточненные планы застройки, смену застройки с измен. и дополнен.
ППР должна вести строит. организация, руководствуясь материалами проекта застройки, раб. чертежами и данными инженерного поиска.
Помимо прочего в ходе создания проекта трубопроводной трассы надо принимать ко вниманию все условия и климат окр. местности, какие могут негативно сказаться на работе трубопроводной системы и понизить ее устойчивость и надежность. К подобным внешн. факторам могут относиться: действие течения воды, ветра, волн, сейсмич. активность, загрязнение водоема и его уровень, степень коррозийности среды и проч.
Кроме всего прочего при определении вида и силы нагрузок, котор. могут иметь место для трубопровода при укладывании его на местности, учитывают фактор явлений приливов и отливов. Данные о приливах и отливах для конкретного водоема (в основном для крупного – море, океан), где будет прокладываться трубопровод, указываются в документации проекта. Для некрупных водоемов также учитывают уровень сезонного подъема воды в результате наполнения талыми водами, сброса воды с плотин и проч. Эти показатели также включают в проект.
Для крупного водоема уровень приливов должен учитываться совокупно. В данные максим. прилива включают как уровень прилива астрономич., так и возможность нагона воды в случае шторма. Данные миним. прилива включают только уровень прилива астрономич.
В ходе проектного расчета также показатели приливов и отливов могут принимать в совокупности с др. Это пост. течение и течения под действием волн и ветра. Для течений внутри водоема замеряют показатели υ, их определяют вблизи поверхности, на серед. глубины водоема и у самого дна.
При проектировании трубопроводных стояков учитывают и возможное воздействие на них ветра, кот. неизбежно приведет к вибрации стояка. Данные по ветровым нагрузкам для стояков практически не отличаются от аналогичных, задействуемых при проектировании платформ. Когда планируется размещение стояка в близости от прочих частей платформ, то принимается ко вниманию и смена υ ветра, происходящая при нарушении потокового поля.
В ходе эксплуатирования надо принимать ко вниманию тот факт, что действие волнений на трубопровод и его стояки может быть двояким. С одной стороны оно может быть прямым. В пример можно привести незаглубленный достаточно трубопровод и стояк, кот. не был защищен кожухом. С другой стороны воздействие волнения может быть косвенным. Здесь в качестве примера приводится возможность деформирования стояка под действием волнения на платформу или же деформирование трубопровода от колебаний баржи.
В случаях, когда размещение стояка близко к прочим частям платформы, возможно изменение кинематики волн под действием волнового потока. Этот фактор также принято указывать в проектном расчете. Данные по волновым воздействиям для стояков принимаются аналогичные данным для проектирования и застройки платформ.
При указании данных о волновых потоках нужно составлять отдельный расчет для каждого отрезка трубопровода. Притом учитываются длины волн, их высота, повторяемость, направление, изменение этих факторов со сменой сезона.
Если планируется застройка трубопровода в местностях и водоемах, кот. подвержены замерзанию и весной на них происходит ледоход, то надо учитывать ряд факторов. Среди них:
— особенности действия льда на ТП и стояки;
— не исключаемая возможность прохождения острых кусков льда по поверхности дна и контакт с ними трубопровода;
— возможность создания помех движущимся льдом в ходе инсталляции трубопровода и стояков.
При проектировании трубопровода для водоема, подверженного замерзанию, требуется проектный анализ ледовой обстановки. Для того, чтобы такой анализ осуществить, нужны данные:
— присутствие и распространение припайного льда;
— время образования льда-припоя и его номин. толщина, показатель плотности с изменениями, происходящими по сезону;
— присутствие на водоеме зон с полным промерзанием (до самого дна), толщина льда в этой зоне с изменениями по сезону;
— присутствие на водоеме зон с подвижным ледовым покровом;
— возможность деформирования прибрежных отрезков по действием движущегося льда.
Для проекта трубопровода должны собираться точные и достоверные данные. Также включаются и показатели t воздуха, воды в водоеме. Они влияют на расчеты деформационные, напряжений, смещений. Данные о t должны замеряться на основе многолетних наблюдений.
Также помимо прочего требуется принимать и данные о плотности воды в водоеме и ее прозрачности.
После расчета внешн. факторов приступают к расчетам самого трубопровода. Для него приводятся данные о хим.-физ. составе продукта (сырья), кот. будет транспортироваться, его коррозийная активность, давл. внутри системы, t внешняя, у стенок и внутри ТП.
Данные по трубопроводу указываются предельно допускаемые и средние.
В ходе проектирования нужно уделять достаточное внимание присутствию коррозийной активности, как внешней, так и внутренней. Внутр. активность может быть вызвана самим транспортируемым продуктом в результате наличия в нем активных хим. вещ. К примеру, это может быть сера, соль, соединения.
К числу внешн. факторов, оказывающих влияние на работу трубопровода, также относят и присутствие и активность фауны водоема. Также при застройке важно обращать внимание и принимать нужные меры для того, чтобы не вызвать загрязнение водоема и гибель водной фауны. Эти расчеты приводятся в особых разделах проекта, отвечающих за экологию.
Помимо всего вышеуказанного могут быть и др. воздействия и факторы, кот. могут оказывать влияние на трубопровод или его строительство. К ним можно отнести – судоходство, др. строительные работы в данной зоне, биологические факторы и проч.
Защита от коррозии является при застройке трубопровода на воде особенно важным фактором. Это неудивительно, поскольку от этого явления напрямую зависит целостность трубопровода, безопасность его работы, безопасность самого ТП для водоема и фауны водоема и проч. Потому для того, чтобы защитить трубы от коррозии, используются самые новые методики и материалы. В ходе проектирования важно в полной мере учесть все возможные влияния коррозийной активности на конкретный трубопровод. Притом замеряют t воды, содержание в ней солей, кислорода, показатель рН, течение и его особенности, проверяют стойкость донных отложений и их состав, оценивают активн. биологич. организмов.
В ходе проектирования должен быть составлен план акватории. Тогда же подбирается оптимальная трасса ТП с обходом сложных препятствий и с учетом особенностей водоема (принятых ранее).
Также топографическая съемка ведется и на отрезке прибрежной зоны. Размеры участков прибрежных зон, выделяемых под строительство, нормативны и указываются в спец. документации.
План акватории совмещенный предполагает наличие на нем плана непосредственной трассы, а также проч. инжен. и промышл. сооружений, судоходных путей, мест судовых стоянок и проч.
Топографическую съемку ведут, учитывая след. особенности, кот. могут оказать влияние на конфигурацию трубопровода, его размещение и методику укладывания:
— наличие в водоеме препятствий естеств. характера. Сюда можно отнести сложности донного рельефа, присутствие крупн. включений породы, выступающих неудаляемых частей и проч. Их нужно обследовать и при необходимости и возможности удалить. Для не удаляемых пород и препятствий надо предусматривать обходы трассой;
— очевидно и потенциально нестойкие уклоны, долины и проч. Также принимают во внимание эрозию.
Во время геологического поиска оценивают состав и структуру придонного грунта по направлению трассы трубопровода. Также оценивают величину деформации прибрежного участка и самого дна. На основе полученных данных составляют план трассы.
При работе по донным отложениям оценивают их геотехнич. св-ва. Оценку ведут методом взятия проб или при задействии сейсмич. работ. По взятию проб проводят их испытания. По окончанию испытаний все данные заносятся в проект.
Образцы грунта должны быть предоставлены в лабораторию, где из них получают след. данные:
— показатель грунт. сопротивления срезу;
— показатель естеств. насыщения влагой;
— показ. объемн. плотности;
— показ. влажности и пластичности по нижнему пределу;
— влажность;
— допуск. предел текучести;
— показ. пластичности;
— показ. гранулометрич. состава.
Тщательно спроектированный трубопровод должен функционировать в теч. всего гарантийного срока эксплуатации без каких-либо разрушений. Ср. срок 20 – 28 лет.
При сооружении подводных трубопроводов для них не предусмотрено сооружение резервных веток.
При устройстве трубопровода, как уже говорилось выше, важно принимать все меры для того, чтобы не допускать загрязнения окр. среды продуктами, кот. ч\з него транспортируются. Также важно задействовать для строительства такие материалы, кот. не выделяют во внешн. среду вредных веществ и не способствуют их образованию.
На ТП принято инсталлировать спец. устройства автоматизации, кот. контролируют увелич. рабоч. давления внутри системы, позволяют оператору проводить аварийное дистанционное отключение.
В ходе проектирования трассы и назначения ее маршрута определяют возможность стыковки ее к прочим технич. сооружениям, участвующим в транспортировании сырья. После составления чертежа и обоснования ведут его согласование с гидрографич. службой бассейна и остальными организациями, отвечающими за состояние водоема и имеющие контроль над ним.
При размещении трассы предполагают его удаление от прочих гидротехнич. сооружений в 100 м. и более.
Если по трассе присутствует уже уложенный трубопровод, то новый размещают исключительно параллельно на расст. не меньше 15 м. Притом учитывается особенности трассы, условия грунта, глубины и проч.
В ходе укладывания 2 линий трубопровода параллельно расст. меж ними предусматривают такое, чтобы возможно было вести беспрепятственно их ремонт.
В том случае, если будущая трасса трубопровода сооружается в близости к возд. линиям электропередач, то она должна отстоять до опор на расст., равное высоте опоры +10 м.
При укладывании трубопровода на дно по возможности не рекомендуется вести его пересечение с др. коммуникациями. Если этого не избежать, то надо принять все предупредительные меры безопасности и надежности обеих конструкций. Объекты должны быть размещены так, чтобы в случае необходимого ремонта к ним был обеспечен беспрепятственный допуск. Также они не должны мешать работе друг друга и создавать угрозу безопасности.
При устройстве пересекающихся трубопроводов также соблюдают предписанные нормы. Расст. между ними в свету предполагается не меньше 100 см. Принимают ко вниманию условия и состояние грунта дна водоема. По необходимости при устройстве нового ТП над уже проложенным проложенный добавочно заглубляют. Далее укладывают поверх спец. подстилку и уже только потом начинают устройство на этом месте нового ТП, а точнее его пересечения.
По прибрежным зонам пролегающие трубопроводы принято заглублять и укладывать в спец. организованных грунтовых траншеях. Р-ры траншеи определяются согласно проектн. требованиям на конкретное сооружение.
По участкам маршрута прокладки, в кот. трубопровод может быть поврежден тралами или якорями проходящих судов, предусматривают его защиту. Защиту ведут методом заглубления. Расст. для заглубления подбирается по проекту.
Также заглубляют дополнительно ТП, кот. находятся в зонах, где возможен наплыв на береговые участки кусков и отломков льда. Лед может повреждать прибрежный грунт, а соответственно оказать негативное влияние и на проложенный трубопровод. Такие возможности следует предусматривать и минимизировать еще на этапе проектирования. Для этого величину заглубления повышают. При необходимости возможно инсталлировать трубопровод с защитой из бетонных плит, создавать насыпи и проч. Такая защита будет гораздо прочнее и надежнее, однако требует больших затрат на реализацию.
Для засыпки устроенных траншей с проложенным трубопроводом существуют опред. условия. Эти работы проводят только тогда, когда убеждаются, что естест. намыв донного грунта под действием течения является продолжительным.
По водоемам, где грунт поверхности дна неустойчив и имеется угроза его размывания, надо вести контроль за состоянием дна и принимать нужные меры. К таковым относятся: искусств. укрепление дна при задействии спец. заграждений, посадка водорослей и проч.