ПОДВОДНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БЕСПРИЧАЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ/ВЫГРУЗКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
UNDERWATER UNIT FOR FLUID LOADING / UNLOADING WITHOUT BERTHING

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли, а именно к подводным сооружениям при обустройстве месторождений на континентальном шельфе в арктических условиях. Более конкретно, изобретение может быть использовано в подводных системах беспричального налива судов, например, нефтью. Изобретение предназначено для того, чтобы обеспечить защиту от гидроудара в подводных трубопроводных системах морских наливных терминалов, эксплуатирующихся в условиях низких температур окружающей среды, а также обеспечить недопущение уменьшения пропускной способности подводных трубопроводов и гибких шлангов подводной установки.
Морские подводные установки отгрузки нефти предназначены для перемещения (перекачки) углеводородного сырья из промежуточного хранилища добывающего морского промыслового комплекса на танкеры, выполняющие челночные рейсы между месторождением и портом поставки или перевалки. Как правило, в качестве челночных танкеров используются специально адаптированные для работы в условиях конкретного месторождения суда, оснащенные необходимым оборудованием и системами, что позволяет максимально оптимизировать процессы швартовки и удержания танкера на месте погрузки, унифицировать системы стыковки погрузочных линий и информационных каналов систем управления.
При многолетнем опыте работы (в основном зарубежных компаний) на протяжении последних трех десятилетий, традиционным стал способ подачи и приема жидкого груза, преимущественно нефти, на танкер от хранилища, расположенного на берегу или на морской платформе, по проложенному по дну моря трубопроводу, заканчивающемуся гибким шлангом, связывающим подводный трубопровод с танкером, в котором реализована схема, как правило, однолинейной системы загрузки/выгрузки нефти, то есть по одной проложенной линии (нитке) трубопровода и гибкого шланга. Запорная арматура, установленная на конце трубопровода и шланга, позволяет изолировать участки трубопровода при отсоединении отгрузочных линий от танкера, чем обеспечивается исключение риска попадания нефти в окружающую среду. Для предотвращения разрушающего воздействия гидроудара, который может возникнуть, например, при несанкционированном закрытии приемного коллектора на танкере или аварийном срабатывании конечных запорных устройств в отгрузочной системе терминала, на линии трубопровода устанавливаются предохранительные клапаны, предназначенные для частичного сброса в дренажную емкость прокачиваемой жидкости при прохождении гидроударной волны. Как правило, защитные противогидроударные устройства и сбросовые дренажные емкости устанавливаются в районе резервуарного парка и на причале.
В связи с этим в настоящее время существует ряд актуальных проблем, требующих своевременного решения. В арктических условиях, а также на глубоководных акваториях, где температура морской воды в придонных слоях может достигать значений, близких к 0°С, возникает риск потери текучести нефти в подводном трубопроводе и гибком шланге из-за повышения вязкости продукта от охлаждения при длительной остановке потока текучей среды (например, при ожидании очередного танкера). В этом случае необходимо принимать различные меры по недопущению застывания нефти в трубопроводе в период ожидания отгрузки.
Кроме этого, при проектировании высоконапорных перекачивающих систем, проблема защиты трубопроводов от опасного и негативного воздействия гидроударных волн является актуальной и решается, в большинстве случаев, путем установки на защищаемых участках предохранительных клапанов, обеспечивающих при достижении критического давления частичный сброс нефти из трубопровода в соответствующую дренажную систему, и затем последующее возвращение в трубопроводную систему. В тех случаях, когда защищаемые участки трубопровода находятся под водой, например на подводных участках нефтеналивных терминалов, необходимо учитывать специфические условия работы системы в подводных условиях.
Для решения проблемы недопущения замерзания текучей среды в нефтеперекачивающих трубопроводах широко распространен метод опорожнения отгрузочной линии трубопровода путем продувки сжатым газом [1], при этом в отгрузочную линию закачивается инертный газ, либо со стороны танкера с вытеснением жидкости в приемные емкости нефтехранилища, либо со стороны нефтехранилища в недогруженный танк наливного судна (такой метод для наглядности далее будет проиллюстрирован на фиг. 1).
Недостатком этого метода опорожнения являются длина и глубина прокладки подводного участка отгрузочной линии. Продувка будет эффективной и реализуемой на терминалах со сравнительно небольшой длиной освобождаемого трубопровода (до нескольких сотен метров) и незначительной глубиной прокладки подводного участка (до 30-50 метров), в противном случае потребуется весьма значительное количество сжатого до высокого давления газа и, соответственно, наличие компрессора с ресивером. Кроме того, может возникнуть риск смятия в придонном участке опорожненного шланга гидростатическим давлением морской воды после продувки.
Известен способ [2] освобождения отгрузочной линии от товарного продукта путем прокачки разделительной пробки замещающей жидкостью, например морской водой или антифризом судна (способ для наглядности далее будет проиллюстрирован на фиг. 2).
Недостатком такого способа является необходимость использования специального технологического судна или необходимость дооборудования каждого приходящего за грузом танкера специальным улавливающим пробку устройством, а также выделения емкости для приема замещаемой или замещающей жидкости.
Известны варианты подводного размещения газонаполненных сбросовых емкостей с газовым колпаком системы предохранения подводной части отгрузочной линии терминала [3]. Из указанного источника информации очевидно, что из-за больших размеров газовых колпаков их применение в качестве средств защиты от гидроудара (СЗГУ) целесообразно лишь на коротких участках наливных трубопроводов малого диаметра при низкой производительности загрузки танкера, что является их недостатком.
Известен морской терминал для выгрузки жидкости или вязких продуктов и подводная труба для их транспортировки (патент RU №78181 U1, опубл. 20.11.2008), который включает заполненный жидкостью или вязкими продуктами разгружаемый резервуар и принимающую наполнительную емкость, соединенные передаточным трубопроводом, который подключен к перекачивающему насосу и снабжен нагревателем перекачиваемых жидких продуктов для снижения их вязкости. Передаточный трубопровод выполнен в виде подводной, в том числе размещенной на дне акватории, трубы для транспортировки жидкости или вязких продуктов. Элементы нагревателя перекачиваемой текучей среды размещены по всей длине передаточного трубопровода и подключены к устройству управления и контроля, смонтированного на входе трубопровода в принимающую емкость и снабженного датчиками давления и температуры перекачиваемых жидких продуктов, а также управляющим вентилем.
У такого устройства имеются недостатки. Трубопровод, оснащенный по всей длине (которая может быть весьма значительной) нагревательными элементами, достаточно трудоемок в изготовлении, а его применение в подводной системе потребует очень больших дополнительных материальных и энергетических затрат.
Известна комбинированная система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара (патент RU №2559225 С1, опубл. 10.08.2015), которая содержит причальную и береговую сбросные емкости, соединенные с наливным трубопроводом, в конечном сечении которого установлена задвижка, причем причальная сбросная емкость выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость, при этом каждая емкость выполнена герметичной, свободно сообщена с наливным трубопроводом и частично заполнена газом и транспортируемой жидкостью.
Недостатками такой системы защиты от гидроударов является то, что из-за больших размеров газонаполненных сбросовых емкостей их применение в качестве средств защиты от гидроудара в подводных условиях целесообразно лишь на коротких участках наливных трубопроводов малого диаметра при низкой производительности загрузки танкера.
Для обеспечения загрузочных и разгрузочных операций с высокой эффективностью в сложных и изменяющихся погодных и ледовых условиях известна другая система для загрузки и разгрузки углеводородов в водах, предрасположенных к образованию льда (патент RU №2422320 С2, опубл. 27.06.2011). Система содержит ледокольное судно, пришвартованное к морскому дну посредством буя типа башни, танкер посредством швартовных тросов пришвартован своей носовой частью к кормовой части ледокола на определенном расстоянии, либо в физическом контакте с ледоколом. Устройство содержит, по меньшей мере, один шланг и систему клапанов для перемещения углеводородов из ледокола в танкер. Также из этого источника информации известно, что предпочтительно, если между ледоколом и подводным манифольдом могут быть установлены два гибких стояка, которые также соединены с системой трубопроводов, включающей в себя требуемые запорные клапаны. Данная система обеспечивает циркуляцию нефти между ледоколом и манифольдом, когда танкер отсоединен. Таким образом, предотвращается загустевание нефти вследствие низкой температуры. Также при необходимости ледокол может быть оборудован сливной емкостью, обеспечивающей опорожнение шланга (шлангов), и системой труб на борту и под манифольдом. При необходимости объем сливной емкости может быть увеличен так, чтобы в периоды, когда танкер отсоединен от ледокола, данная емкость могла быть использована как емкость для хранения. Также могут быть проложены двойные трубопроводы из манифольда на берег, обеспечивающие циркуляцию нефти в периоды, когда загрузочные операции не проводятся.
Недостатками такого решения является то, что сбросовая сливная емкость расположена на вспомогательном судне. Подобное конструктивное расположение требует значительных материальных затрат, связанных с наличием такого судна, и не может быть реализовано в случае его отсутствия.
Техническая задача заключается в создании подводного комплекса, расширении функциональных возможностей системы загрузки/выгрузки морских наливных терминалов, обеспечении надежности их работы с возможностью адаптации технологического процесса отгрузки нефти к изменяющимся условиям окружающей среды.
Поставленная задача решается за счет предлагаемого изобретения, согласно которому подводная установка для беспричальной загрузки/выгрузки текучей среды, включающая участок, по меньшей мере, двух стальных трубопроводов, соединяющих отгрузочный насосный блок резервуарного парка с подводным распределительным манифольдом, по меньшей мере, два гибких отгрузочных шланга, соединяющих стальные трубопроводы с отгрузочным манифольдом, смонтированным на швартовом буе, соединенным с приемными трубопроводами бункеруемого судна, имеет отличительные особенности. Подводный распределительный манифольд содержит систему защиты от гидроударов, включающую дренажную емкость с запорной арматурой, предохранительные сбросовые клапаны и дренажный насос, причем дренажная емкость выполнена в виде стального сосуда, в верхней части корпуса которого расположены приемная горловина для присоединения коллектора предохранительных сбросовых клапанов и сливная горловина для присоединения дренажного насоса, а в нижней части корпуса расположены перепускные отверстия для свободного сообщения внутреннего пространства дренажной емкости с внешней средой, внутреннее пространство стального сосуда разделено на две камеры диафрагмой из эластичного материала, при этом приемная и сливная горловины расположены по одну сторону от диафрагмы, а перепускные отверстия расположены по другую сторону от диафрагмы.
Также решение поставленной задачи будет успешным при частной форме выполнения отдельных конструктивных элементов подводной установки, а именно:
- стальной сосуд дренажной емкости может быть выполнен в виде цилиндрической, или сферической, или кубической формы;
- для свободного сообщения внутреннего пространства дренажной емкости с внешней средой в стальном сосуде выполнены перепускные патрубки с запорными клапанами;
- внутреннее пространство стального сосуда разделено на две камеры вставной эластичной емкостью;
- для дополнительного обогрева отдельных участков системы защиты от гидроударов установлена система электрического обогрева с возможностью подачи электроэнергии по кабелям системы управления.
Технический результат заключается в повышении эффективности защиты подводных трубопроводов от гидроударных явлений с одновременным недопущением выбросов в окружающую среду, сохранением условий предотвращения замерзания текучей среды, выделения из отгружаемой продукции твердых отложений в отгрузочном трубопроводе и снижения пропускной способности трубопроводов и шлангов отгрузочной линии, обеспечении возможности промывки и механической очистки подводной отгрузочной линии наливного терминала без участия в операциях танкера или другого технологического судна.
Более конкретно изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
фиг. 1 - схема подводной установки с ранее практикующей однолинейной системой загрузки/выгрузки нефти, в которой очистка трубопровода осуществляется продувкой газом (не относится к существу изобретения);
фиг. 2 - схема подводной установки с ранее практикующей однолинейной системой загрузки/выгрузки нефти, в которой очистка трубопровода осуществляется с помощью пробки-разделителя (не относится к существу изобретения);
фиг. 3 - схема подводной установки с интегрированной СЗГУ и с двухлинейной системой загрузки/выгрузки нефти, в которой очистка трубопровода, в режиме ожидания очередного танкера, осуществляется за счет циркуляции;
фиг. 4 - схема подводной установки с интегрированной СЗГУ, в которой погрузка нефтепродукта на танкер реализуется по двухлинейной системе трубопроводов;
фиг. 5 - схема работы дренажной емкости с расположенной внутри диафрагмой из эластичного материала;
фиг. 6 - схема работы дренажной емкости с расположенной внутри вставной эластичной емкостью;
фиг. 7 - общий вид дренажной емкости.
На чертежах указанные позиции обозначают следующие конструктивные элементы подводной установки:
1 - стальные подводные трубопроводы; 2 - подводный распределительный манифольд с блоком задвижек; 3 - отгрузочные гибкие шланги; 4 - отгрузочный манифольд, смонтированный на швартовом буе; 5 - танкер или бункеруемое судно; 6 - дренажная емкость; 7 - резервуарный парк с отгрузочным насосным блоком (нефтехранилище, расположенное на берегу или на нефтяной платформе); 8 - узел приема и запуска разделительной пробки; 9 - ресивер компрессора; 10 - емкость для приема вытесненной жидкости; 11 - предохранительные сбросовые клапаны; 12 - дренажный насос; 13 - диафрагма из эластичного материала; 14 - вставная эластичная емкость.
Схема прокладки отгрузочных линий в подводной установке, согласно настоящему изобретению (как проиллюстрировано на фиг. 3 и 4), включает участок из двух линий стальных трубопроводов 1, подводный двухлинейный распределительный манифольд (ПДРМ) 2 с блоком задвижек, две линии отгрузочных гибких шлангов 3, отгрузочный манифольд (ОМ), смонтированный на швартовом буе 4.
ПДРМ 2 включает в себя два параллельных коллектора, соединяющих соответствующие линии стальных трубопроводов 1 с соответствующими линиями отгрузочных гибких шлангов 3. Коллекторы ПДРМ соединены трубными перемычками и снабжены дистанционно управляемой запорной арматурой, обеспечивающей выборочное перекрытие коллекторов и перенаправление потоков текучей среды в системе. Кроме того, в ПДРМ установлена подводная СЗГУ, включающая дренажную емкость 6 с запорной арматурой и предохранительные сбросовые клапаны 11. Дренажная емкость обеспечивает накопление сброшенной при гидроударе жидкости. Возврат в отгрузочные линии обеспечивается при помощи дренажного насоса 12.
ОМ, смонтированный на швартовом буе 4, включает в себя два параллельных коллектора, соединяющих отгрузочные гибкие шланги 3 с трубопроводами приемной системы танкера 5. Коллекторы ОМ соединены трубной перемычкой и снабжены запорной арматурой для изоляции трубопроводов и перенаправления потоков.
Стальные трубопроводы 1, отгрузочные гибкие шланги 3, трубопроводная арматура и обвязка манифольдов ПДРМ 2 и ОМ 4 имеют одинаковый внутренний диаметр и конфигурацию, обеспечивающую прохождение разделительных пробок и средств очистки и диагностики трубопроводов (СОД). При этом узел 8 приема и запуска разделительной пробки и СОД устанавливается на берегу или на платформе в районе резервуарного парка 7 (нефтехранилища).
Конструктивно дренажная емкость 6 представляет собой стальной сосуд, корпус которого может иметь цилиндрическую, или сферическую, или кубическую форму, внутри разделенный на две камеры диафрагмой 13 из эластичного материала, позволяющей исключить смешение сред при сбалансированном давлении. В случае повреждения корпуса стального сосуда, для создания дополнительного барьера против разлива нефти, альтернативным решением для разделения сред может являться вставная эластичная емкость 14.
Диафрагма из эластичного материала или вставная эластичная емкость могут быть выполнены из любого резинотканевого материала, выпускаемого промышленностью с соответствующими свойствами и предназначенного для работы в конкретной химической и температурной среде.
Одна камера имеет свободное сообщение с окружающей средой, в данном случае с морской водой, посредством сквозных перепускных отверстий, расположенных в нижней части корпуса, благодаря чему внутри дренажной емкости поддерживается постоянное давление, равное гидростатическому давлению на глубине установки. Вторая камера соединена посредством трубопроводов с арматурой с системой налива нефти. Для этого в верхней части корпуса стального сосуда расположены приемная горловина для присоединения коллектора предохранительных сбросовых клапанов 11 и сливная горловина для присоединения дренажного насоса 12. Приемная и сливная горловины расположены по одну сторону от диафрагмы, а перепускные отверстия расположены по другую сторону от диафрагмы.
Конструктивно перепускные отверстия в корпусе дренажной емкости 6 могут быть выполнены в виде вваренных перепускных патрубков с запорными клапанами (закрываются только при монтаже/демонтаже подводной установки). Для обеспечения свободного вытеснения воды из дренажной емкости суммарная площадь сечения таких перепускных отверстий должна быть больше сечения коллектора предохранительного сбросового клапана.
Подводная установка для беспричальной загрузки/выгрузки текучей среды работает следующим образом.
Отгружаемый продукт подается в подводную систему трубопроводов 1 отгрузочными насосами, расположенными в районе резервуарного парка 7, по меньшей мере, двумя параллельными потоками, и через подводный распределительный манифольд 2 и отгрузочные шланги 3 поступает в приемную систему танкера 5, пришвартованного к бую 4. Положение запорной арматуры и контроль за параметрами потока продукта по подводным трубопроводам обеспечивается автоматизированной системой управления (АСУ) отгрузочным терминалом, установленной в районе резервуарного парка 7 по электрогидравлическим каналам (на фиг. 4 элементы АСУ не показаны). При возникновении нештатной ситуации автоматически срабатывают соответствующие программы останова, при которых происходит отключение отгрузочных насосов, отсоединение отгрузочных линий от танкера, перекрытие запорных клапанов на линии потока. При резкой остановке высокоскоростного потока в трубопроводах возникает гидроударная волна, распространяющаяся по трубопроводам от танкера навстречу потоку.
В случае превышения давления в защищаемом трубопроводе над настроечным давлением предохранительные сбросовые клапаны 11 СЗГУ откроются, и определенный объем отгружаемого продукта поступит в дренажную емкость 6, тем самым предотвращая гидравлический удар в трубопроводе. При наполнении дренажной емкости сброшенным продуктом происходит вытеснение морской воды за пределы корпуса дренажной емкости под действием прогибающейся диафрагмы 13 или расширяющейся оболочки вставной эластичной емкости 14. После сброса определенного количества продукта происходит снижение давления в защищаемом трубопроводе и закрытие предохранительных сбросовых клапанов 11 СЗГУ.
При многократном срабатывании предохранительных сбросовых клапанов 11 дренажная емкость 6 постепенно наполняется сброшенным продуктом.
Освобождение дренажной емкости 6 производится после полной остановки потока текучей среды при помощи дренажного насоса 12, установленного на блоке дренажной емкости 6. Постоянное гидростатическое давление, под действием которого находится продукт в дренажной емкости, облегчает работу дренажного насоса.
Запорная арматура подводного распределительного и отгрузочного манифольдов может иметь дистанционное управление посредством электрических и гидравлических каналов связи по шлангокабелю. Электрические каналы обеспечивают возможность организации местного электрического обогрева участков СЗГУ, где циркуляция отсутствует.
Необходимо дополнить, что применяемая в данном изобретении двухлинейная система загрузки/выгрузки текучей среды, например нефти, позволяет осуществлять круговую циркуляцию по трубопроводам в период ожидания танкера, благодаря чему имеется возможность:
- постоянной или периодической прокачки по системе разогретого продукта с целью поддержания системы в приемлемых температурных условиях;
- производить периодическую прокачку через пункты приема и запуска СОД, установленные непосредственно на территории резервуарного парка, для очистки внутренней поверхности трубопроводов и шлангов и контроля их технического состояния без использования дополнительных надводных и подводных технических средств;
- производить замену путем прокачки по циклу перекачиваемого продукта на незамерзающую жидкость, например нефть на дизельное топливо, в том числе с применением разделительных механических средств (пробок);
- осуществлять достаточное резервирование производственной мощности в случае повреждения одной из линий в процессе загрузки танкера (снижается риск простоя танкера в аварийной ситуации);
- использовать шланги меньшего диаметра, в сравнении с однолинейной схемой отгрузки, при равной пропускной способности, что улучшает динамические характеристики системы подводной подвески и всплытия шлангов.
Важно отметить, что все процедуры по управлению потоками, проведению контрольно-диагностических работ и внутренней очистке трубопроводов и шлангов в подводных условиях осуществляются без участия вспомогательных судов и водолазов.
Главным преимуществом данной подводной установки, выгодно ее позиционирующим перед известными аналогами, является интегрирование СЗГУ в подводный распределительный манифольд.
Дренажная емкость устанавливается на морском дне и на нее действует гидростатическое давление столба жидкости. Наличие перепускных отверстий в корпусе емкости позволяет уравнять давление внутри и снаружи емкости. Использование эластичной диафрагмы или вставной эластичной емкости для разделения сред позволяет исключить риск смешения нефти и морской воды в емкости и загрязнения окружающей среды, что способствует сохранению благоприятного экологического фона.
Действующее гидростатическое давление на диафрагму или вставную емкость, выполненные из эластичного материала, позволяет уменьшить разницу давлений на входе и выходе из дренажного насоса, что ведет к уменьшению мощности, а соответственно, и массогабаритных характеристик насоса.
Дренажная емкость находится под постоянным гидростатическим давлением, не меняющимся в процессе ее заполнения, что способствует нормальной работе предохранительных сбросовых клапанов, например, дифференциального типа.
При сбросе нефти в дренажную емкость, находящуюся под гидростатическим давлением, снижается вероятность дегазации нефти от резкого перепада давления.
Таким образом, заявленное изобретение успешно решает поставленную задачу, что способствует стабильному функционированию подводной установки беспричальной загрузки/выгрузки текучей среды, например, такой как нефть, с предотвращением ее загустевания при работе на арктическом шельфе и позволяет предотвратить негативные последствия гидроударов при минимальных энергетических и материальных затратах.
Источники информации
1. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов ISGOTT (Пятое издание). Дополнение к общим специальным правилам перевозки наливных грузов (7-М). Санкт-Петербург, 2007. Разделы 11.1.15.3-11.1.15.6.
2. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов ISGOTT (Пятое издание). Дополнение к общим специальным правилам перевозки наливных грузов (7-М). Санкт-Петербург, 2007. Раздел 11.1.15.9.
3. Арбузов Н.С. Обеспечение технологической безопасности гидравлической системы морских нефтеналивных терминалов в процессе налива судов у причальных сооружений (теория и практика). Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2014, раздел 5.6, стр. 251-265.