МОРСКОЕ СУДНО ДЛЯ УКЛАДКИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ, ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПОДВОДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ
MARINE SHIP FOR LAYING STEEL PIPES, FLEXIBLE ELEMENTS AND UNDERWATER STRUCTURE IN ARCTIC CONDITIONS

Изобретение относится к области судостроения, более конкретно к средствам укладки стальных бетонированных и необетонированных морских трубопроводов диаметром до 1400 мм, гибких металлопластиковых трубопроводов диаметром до 200 мм, шлангов, кабелей и шлангокабелей (в дальнейшем гибких элементов), манифольдов, Т-соединений и концевых завершений трубопровода (в дальнейшем подводных конструкций). Указанные трубы, гибкие элементы и подводные конструкции предназначены для транспортировки углеводородов (УВ), т.е. нефти и газа, а также на промысле многофазной среды (УВ, песка, камней, воды, металлической стружки), воды и газа для инжекции в пласт, а также моноэтиленгликоля.
Известно морское судно для укладки стальных труб длиной по 12 м в ледовых условиях (ТУС) по патенту США 2010/0080657 А1 «Укладка подводного трубопровода». Это судно включает корпус, надстройку, носовые рубку и взлетно-посадочную площадку (ВПП), систему спуска труб S-методом в диаметральной плоскости, состоящую из прямой части спусковой дорожки (СД), на которой расположена основная техническая линия со сварочными, инспекционным, ремонтным и изоляционным постами, и криволинейной ее части, имеющей натяжители, нажимные и прижимные ролики, носовую, среднюю и кормовую секции стингера с устройством для их спуска, удержания и подъема, которые обеспечивают вход трубы в воду внутри корпуса и необходимые углы притыкания СД к горизонтали. Кроме того, ТУС имеет трюмы для труб, раздвоенную корму, соединенную палубой над грузовой ватерлинией (ГВЛ), вспомогательную линию, расположенную под основной технологической линией для производства плетей из трех труб с оборудованием для снятия фаски, сварки, инспекции, ремонта и изоляции швов.
Из описания изобретения следует, что указанное судно может быть выполнено в ограниченном диапазоне главных размерений и основных параметров:
- длина корпуса L, м
260-330
- ширина корпуса В, м
35-45
- радиус кривизны СД R, м
300-310
(в другом месте: 270-310 м)
- длина труб, м
10-12
- минимальная глубина погружения носовой секции
стингера от ГВЛ, м
5-10
(в другом месте, более 5 м)
- максимальный угол наклона носовой секции
стингера к горизонтали, град
45-54
- минимальный угол наклона кормовой секции
стингера к горизонтали, град
24-30
(в другом месте: более 20 град)
- максимальный угол наклона кормовой секции
стингера к горизонтали, град
70-80
- относительная длина горизонтального участка СД
0,52
(в другом месте: 0,48-0,56)
- относительная длина активной части горизонтального
участка СД
0,46
- относительная длина горизонтальной проекции
криволинейного участка СД
0,3-0,4
(в другом месте: 0,25-0,45)
- относительная длина горизонтальной проекции
носовой секции стингера при минимальном
угле ее наклона
0,08-0,15
(в другом месте: 0,05-0,20)
- относительная длина расстояния между центром
тяжести (ЦТ) и местом соединения горизонтальной
и криволинейной частей СД менее
0,05
(в другом месте: менее 0,1)
- расстояние от ЦТ до прямой горизонтальной
части СД м
20-25
(в другом месте: 10 м)
- расстояние от прямой горизонтальной части СД
до днища ТУС, м
25-35
Указанное судно имеет ряд недостатков, к числу которых относятся:
- отсутствие возможности использования J-метода спуска труб, который, по нашим расчетам, является оптимальным для труб большого диаметра при глубинах более 220 м;
- отсутствие возможности хранения гибких элементов на барабане с вертикальной осью вращения (в дальнейшем - карусели), что является оптимальным при их укладке на месторождении;
- большие длина и ширина судна, что исключает его строительство на отечественном судостроительном заводе и предопределяет значительное повышение инвестиционных и эксплуатационных затрат;
- малая глубина погружения носовой секции стингера от ГВЛ не предохраняет ее от повреждения, как показывают испытания моделей в мореходном и ледовом бассейнах, волной и льдинами;
- отсутствие защиты конструкций стингера и технологического оборудования на переходе и в штормовых условиях, а также от попадания забортной воды во время укладки стальных труб, гибких элементов и подводных конструкций.
Кроме того, описание изобретения имеет следующие недостатки:
- противоречия между отдельными положениями;
- расстояния от ЦТ до СД и от СД до днища ТУС не связаны с конструкцией судна;
- размещение ВПП в носовой части судна неприемлемо, т.к. она подвергается интенсивному обледенению, а для обслуживания вертолета в ледовых условиях необходим ангар, который невозможно разместить на фронтальной переборке носовой рубки;
- наличие бульбовой носовой оконечности в ледовых условиях неприемлемо в связи с затруднениями при форсировании ледовых полей.
Кроме того, вызывает сомнение возможность обеспечения непотопляемости при затоплении трюмов для стальных труб и вспомогательной технологической линии.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение укладки в ледовых условиях стальных труб большого диаметра, гибких элементов и подводных конструкций S- или J-методами при удовлетворительных показателях мореходности судна, повышении его экономической эффективности и безопасности эксплуатации за счет уменьшения главных размерений и возможности строительства на отечественном заводе.
Для этого морское судно для укладки стальных труб, гибких элементов и подводных конструкций в ледовых условиях, включающее корпус, надстройку, носовую рубку, взлетно-посадочную площадку, трюмы для хранения стальных труб, цистерны жидкого балласта, систему спуска труб S-методом, расположенную в диаметральной плоскости судна и состоящую из прямой, близкой к практически горизонтальной, части спусковой дорожки, размещенной по меньшей мере на 10 м выше центра тяжести судна, с основной и вспомогательной технологическими линиями, и из ее криволинейной части, оборудованной наверху натяжителями, нажимными и прижимными роликами, носовой, средней и кормовой секциями стингера с устройством их спуска, удержания и подъема для обеспечения входа трубы в воду внутри корпуса и необходимых углов притыкания пусковой дорожки к горизонтали. При этом судно имеет раздвоенную корму, соединенную палубой над грузовой ватерлинией, машинное и котельное отделения, лебедку для аварийного спуска и подъема трубопровода и систему позиционирования, по изобретению оснащено системой спуска J-методом стальных бетонированных и необетонированных труб большого диаметра (до 1400 м) и значительной толщины (до 27 мм), подводных манифольдов, Т-соединений и концевых завершений трубопровода и каруселью для хранения гибких металлопластиковых трубопроводов диаметром до 200 мм, шлангов, кабелей и шлангокабелей, расположенной в корму от натяжителей над туннелем с люком для ее погрузки. При этом система спуска S-методом выполнена с возможностью укладки указанных выше стальных труб и гибких элементов, для чего горизонтальная часть спусковой дорожки выполнена простирающейся от носовой оконечности судна до вертикальной линии пересечения верхней палубы с кормовой поперечной переборкой трюма и включает в себя вспомогательную технологическую линию для изготовления плетей из 2-х или 3-х труб длиной по 12 м и первую основную технологическую линию для сборки первого стального трубопровода, а криволинейная часть спусковой дорожки имеет радиус не менее 0,7 наибольшей длины судна и состоит из открытого слипа, туннеля, закрытого по бортам и сверху, и носовой секции стингера, вращающейся вокруг поперечной оси, расположенной на глубине не менее 0,75 осадки судна по грузовую ватерлинию на расстоянии от кормы не менее 0,15 наибольшей длины судна.
Коэффициент полноты шпангоута в районе упомянутой поперечной оси составляет не более 0,45. Причем в раздвоенной корме расположены связанные со спусковой дорожкой машинное и котельное отделения с люками для погрузки и выгрузки оборудования, кормовая рубка с жилыми и служебными помещениями, взлетно-посадочной площадкой, ангаром для вертолета и беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и съемными модулями оборудования для хранения, спуска и подъема подводного телеуправляемого аппарата (ПТУ А), водолазного комплекса и гипербарической сварки. При этом система позиционирования включает носовое и кормовое устройства якорной системы позиционирования и систему динамического позиционирования, а судно оснащено понтонами и грузовыми кранами для проведения швартовных и грузовых операций во льдах.
Кроме того, J-метод обеспечен расположенными в среднем сечении по длине судна между спусковой дорожкой и грузовым люком подъемником двухтрубных плетей, вышкой и шахтой для сборки второго стального трубопровода на второй основной технологической линии, хомутом для удержания и спуска указанного трубопровода на большой глубине (более 200 м) и подводных конструкций на любой глубине.
При этом носовая секция стингера выполнена с возможностью обеспечения угла наклона к горизонтали на 0-60° и закрытия туннеля при переходе судна и при интенсивном волнении, причем относительная длина горизонтальной проекции указанной секции составляет не менее 0,1 наибольшей длины судна при минимальном ее наклоне, а кормовая секция стингера выполнена с возможностью наклона к горизонтали под углом до 80°.
Наряду с этим, лебедка для аварийного спуска и подъема трубопровода расположена под вспомогательной технологической линией, носовое устройство якорной системы позиционирования - над ней, а кормовое устройство указанной системы - по бортам от спусковой дорожки под устройством для спуска, удержания и подъема секций стингера.
Кроме того, система динамического позиционирования состоит из кормовых азимутальных движителей, расположенных симметрично относительно спусковой дорожки и оснащенных лебедками и вертикальными шахтами для их ремонта и замены, а также из носовых подруливающих устройств типа вращающегося диска.
При этом трюмы для хранения стальных труб размещены в корпусе под верхней палубой и поделены по длине поперечными переборками на отсеки, кратные длине труб, и по ширине - продольными переборками на 3 отсека, кратные диаметру бетонированных труб, а по высоте обеспечивают хранение двух секций по не более 4-х бетонированных труб каждая, которые отделены одна от другой съемными рамами, при этом упомянутые трюмы оборудованы подъемниками и мостовыми кранами для вертикальных и горизонтальных перемещений труб, а ширина бортовых отсеков составляет не менее 0,2 ширины судна.
Наряду с этим, в верхней части туннеля предусмотрены вырезы с отводящими каналами и крышками, а в нижней части вертикальной шахты - крышка.
Выполнение предложенных технических решений позволяет уменьшить по сравнению с прототипом ориентировочно длину L на 10-40% и ширину В до 30%. Указанные обстоятельства позволяют снизить стоимость корпуса судна, систем позиционирования и главных дизель-генераторов, что повысит инвестиционную привлекательность судна благодаря экономии средств при его строительстве и эксплуатации.
Кроме того, на нее положительно повлияет возможность использования одного универсального судна вместо трех специализированных, а также сокращения сроков освоения месторождения и времени переходов и стоянки в портах.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично показано предлагаемое морское судно (продольный разрез); на фиг.2 - вид сверху во время эксплуатации во льдах, на фиг.3 - вид на верхнюю палубу, на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.1, на фиг.5 - вид по стрелке А на фиг.1, на фиг.6 - поперечное сечение на миделе и на фиг.7 - вид на кормовые шпангоуты.
На палубе надстройки 1 корпуса 2 морского судна (фиг.1) размещены носовая рубка 3 с жилыми и общественными помещениями, кормовая рубка 4 с жилыми и служебными помещениями, грузовые люки 5, грузовые краны 6, вышка 7 для обеспечения укладки труб J-методом и подводных конструкций 8, а также понтоны 9 для обеспечения швартовки в ледовых условиях. В кормовой части палубы 1 размещены устройство 10 для подъема, удержания и спуска носовой 11, средней 12 и кормовой 13 секций стингера, а также съемные модули оборудования для хранения, спуска и подъема ПТУА 14, водолазного комплекса 15 и гипербарической сварки 16 (фиг.2), а с другой стороны СД на крыше рубки 4 - ВПП 17 и ангар 18 для вертолета и БПЛА. Кроме того, на палубе 1 размещены носовое устройство 19 якорной системы позиционирования, подъемник двухтрубных плетей 20 для J-метода и люк 21 для погрузки карусели 22 с гибкими элементами, а также люки 23 для погрузки и выгрузки оборудования из кормового машинного отделения 24.
На верхней палубе 25 (фиг.3) размещены горизонтальная часть 26 спусковой дорожки S-метода, начинающаяся от носовой оконечности корпуса 1 и заканчивающаяся на вертикальной линии пересечения палубы 25 с кормовой поперечной переборкой 27 трюма 28 для стальных труб, а также ее криволинейная часть 29 радиусом R не менее 0,7 наибольшей длины судна, которая состоит из открытого слипа 30, закрытого по бортам и сверху туннеля 31, и из носовой секции 11 стингера, вращающейся вокруг поперечной оси 32, расположенной на глубине не менее 0,75 осадки d судна по ГВЛ на расстоянии от кормы не менее 0,15 L (шпангоут С).
Кроме того, в кормовой части палубы 25 расположены симметрично относительно СД лебедки 33 и вертикальные шахты 34 для ремонта и замены азимутальных движителей 35 СДП, котельное отделение 36 и кормовое устройство 37 якорной системы позиционирования.
В корпусе 1 (фиг.1) расположены цистерны жидкого балласта 38 для обеспечения постоянной посадки и остойчивости судна, носовые подруливающие устройства 39 типа вращающегося диска, лебедка 40 для аварийного спуска и подъема трубопровода 41, а также трюмы 28 для хранения стальных труб, причем трюмы 28 по длине поделены поперечными переборками 27 на отсеки, кратные длине труб, и по ширине - продольными переборками 42 на 3 отсека, кратные диаметру бетонированных труб, при этом ширина бортовых отсеков составляет не менее 0,2 ширины судна, а высота отсеков обеспечивает хранение двух секций не более 4-х бетонированных труб, отделенных одна от другой съемными рамами 43. Упомянутые трюмы 28 оборудованы подъемниками 44 и мостовыми кранами 45 для вертикальных и горизонтальных перемещений труб (фиг.4).
На носовом участке горизонтальной части 26 СД (фиг.3) расположена вспомогательная технологическая линия 46 для изготовления плетей 47 из трех стальных труб при S-методе и плетей 48 из двух стальных труб при J-методе. На среднем участке горизонтальной части 26 СД расположена первая основная технологическая линия 49 для сборки первого трубопровода 41 и его передачи на криволинейную часть 29 СД, оборудованную нажимными 50 и прижимными 51 роликами, а также, по крайней мере, одним натяжителем 52. При помощи устройства 10 может быть обеспечен угол наклона к горизонтали носовой секции 11 стингера в пределах 0-60°, а также закрытие туннеля 31 и относительная длина горизонтальной проекции этой секции не менее 0,1L при минимальном ее наклоне, а максимальный угол наклона кормовой секции 13 к горизонтали -80°. Для предотвращения попадания забортной воды на технологическое оборудование во время сборки первого трубопровода 41 в туннеле 31 над грузовой ватерлинией 53 предусмотрены вырезы 54 с отводящими каналами 55 и крышками 56 (фиг.5).
В средней части судна под вышкой 7 между горизонтальной частью 26 СД и грузовым люком 5 расположена для использования J-метода вторая основная технологическая линия 57 для сборки и спуска второго трубопровода 58 при помощи подъемника 20, шахты 59 и хомута 60 (для его удержания), а также крышка 61 для закрывания шахты 59 на переходе (фиг.6).
На палубе 25 в корму от натяжителей 52 над туннелем 31 размещена карусель 22 для хранения гибких элементов и передачи их на горизонтальную часть 26 СД.
Для обеспечения устойчивости судна на курсе кормовые обводы выполнены таким образом, чтобы коэффициент полноты шпангоута С не превышал 0,45 (фиг.7).
Работа предлагаемого морского судна осуществляется следующим образом.
Судно с использованием азимутальных движителей 35 и формы кормовых шпангоутов С приходит на место работы с трюмами 28, заполненными стальными трубами, запасами топлива, смазочного масла, пресной воды, снабжения и продовольствия (не показаны), пустыми цистернами жидкого балласта 38, каруселью 22 с гибкими элементами на верхней палубе 25, подводными конструкциями 8 и понтонами 9 на палубе надстройки 1 корпуса 2. В зависимости от глубины места и ледовой обстановки спускаются якоря повышенной держащей силы (не показаны) при помощи носового 19 и кормового 37 устройств якорной системы позиционирования, и/или запускается система динамического позиционирования, состоящая из азимутальных движителей 35 и носовых подруливающих устройств 39, а также открывается туннель 31 путем поворота носовой секции 11 стингера вокруг поперечной оси 32, выдвигаются секции 12 и 13 стингера и устанавливаются на необходимые углы при помощи устройства 10, с использованием грузовых кранов 6 спускаются на воду понтоны 9. Водолазы из водолазного комплекса 15 спускаются под воду, проверяют конструкцию стингера, открытие крышек 56 и 61, а также крепление понтонов 9. Производственный персонал проверяет работоспособность подъемников 44 и мостовых кранов 45 в носовом трюме 28, оборудования на первой основной 49 и вспомогательной 46 технологических линиях для S-метода спуска труб и технологического оборудования на второй основной технологической линии 57 для J-метода спуска труб.
Для аварийного спуска и подъема трубопровода 41 подготавливается лебедка 40. При глубинах более 100 м используются модули оборудования для ПТУА 14 и гипербарической сварки 16.
Для обеспечения приемлемой посадки и остойчивости судна, например, при S-методе поднимается несколько труб из носового трюма 28 при помощи мостового крана 45 и подъемника 44, расположенных между продольными 42 и поперечными 27 переборками на вспомогательную технологическую линию 46 и заполняются жидким балластом соответствующие цистерны 38. Трубы направляются на вспомогательную технологическую линию 46 для снятия фаски, сварки, инспекции, изоляции и ремонта трехтрубных плетей 47 при S-методе или двухтрубных плетей 48 при J-методе. Трехтрубные плети 47 поступают на первую основную технологическую линию 49 (S-метода) для приварки к трубопроводу 41, инспекции, изоляции и ремонта. После чего трубопровод 41 проходит нажимные 50 и прижимные 51 ролики, а также натяжигели 52, расположенные на слипе 30, и через туннель 31 поступает на секции 11-13 стингера.
При использовании J-метода двухтрубные плети 48 поступают на вторую основную технологическую линию 57 для приварки ко второму трубопроводу 58 и его зажима хомутом 60 до команды «на спуск».
Карусель 22 с гибкими элементами загружается на базе снабжения через люк 21, и гибкие элементы подаются через нажимные 50 и прижимные ролики 51, а также натяжители 52 для спуска S-методом.
Водолазы и/или ПТУА проверяют правильность укладки трубопровода и, в случае необходимости, вспомогательное судно (не показано) предварительно вырывает траншею для трубопровода 41 и зарывает ее после укладки.
Одновременно с указанным технологическим процессом подходит судно снабжения, которое швартуется во льдах при помощи понтонов 9 и трубы перегружаются грузовыми кранами 6 через грузовые люки 5.
Вертолет используется для смены вахт экипажа и доставки снабжения, а также разведки ледовых полей, айсбергов и стамух в дальней зоне, а БПЛА - для разведки льдов в ближней зоне. Подготовка вертолета и БПЛА к полетам осуществляется в ангаре 18.
В случае ремонта и замены азимутальные движители 35 опускаются вниз при помощи лебедок 33 и вертикальных шахт 34, а оборудование из машинного отделения 24 доставляется на палубу надстройки 1 через люки 23.
Для предотвращения попадания забортной воды на технологическое оборудование вода через вырезы 54 в туннеле 31, отводящие каналы в корпусе судна 2, минуя крышки 56, выводится за борт.
Проведенные испытания моделей в бассейнах подтвердили удовлетворительные параметры мореходности предлагаемого судна и его работоспособность в требуемых ледовых условиях. Выполненные расчеты показали возможность получения приемлемых инвестиционных показателей при эксплуатации предлагаемого судна, а также обеспечения нормативных показателей остойчивости и непотопляемости.
Предлагаемое морское судно позволяет обеспечить укладку в ледовых условиях труб большого диаметра (до 1400 мм), гибких элементов и подводных конструкций S- и J-методами при удовлетворительных показателях мореходности судна и повысить его экономическую эффективность и безопасность эксплуатации, что его выгодно отличает от прототипа.