СПОСОБ ПРОКЛАДКИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГЛУБОКОВОДНОГО ПЕРЕХОДА
METHOD TO LAY MANIFOLD PIPELINE IN CONSTRUCTION OF DEEP-WATER PASSAGE

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при сооружении глубоководных магистральных трубопроводов при переходах через широкие водные пространства, такие как моря и океаны.
За последнее время значительно возросли объемы строительства подводных трубопроводов, в том числе возникла потребность строительства переходов через глубоководные пространства. В изобретении рассматривается вопрос строительства глубоководного магистрального трубопровода.
Общепринятые методики прокладки водного перехода, такие как метод с использованием наклонного стингера, J-метод, реализуются путем непрерывной сборки (сварки) труб, контроля, подготовки труб, балластировки (обычно обетонирования) и т.д. непосредственно на судне, находящемся на плаву. Сваренные трубы погружаются в воду путем их сталкивания по аппарели с использованием стингера или путем опускания под большим углом с вышки на судне (J-метод). Методы имеют ограничения по скорости проведения работ ввиду погодных условий и необходимости подвоза по морю труб. Также существенными недостатками являются возникающие во время работы напряжения вследствие натяжения трубопровода для удержания его над поверхностью воды на судне и изгиба труб при опускании на дно. Совокупность данных напряжений может привести к потере устойчивости трубы и ее разрушению. Существуют серьезные ограничения и по глубине укладки трубопровода (Б.В.Самойлов и др. Сооружение подводных трубопроводов. М.: Недра, 1995). Принципиальной особенностью описанных выше методов является их цикличность вследствие перерывов в технологической цепочке. В качестве альтернативы данным методам используется способ укладки с применением барабанов, суть которого состоит в том, что длинная плеть трубопровода, подготовленная и сваренная из нескольких труб в доке, наматывается на барабан, установленный на судне. Укладка трубопровода осуществляется путем сматывания барабана в море. После чего на трубу приваривают заглушку, обозначают буем и опускают на дно. При прибытии нового «заряженного» барабана трубу поднимают, убирают заглушку, приваривают к свободному концу на барабане и процесс укладки возобновляется. В отличие от методов со стингером и J-метода трубопровод не обетонируют, а применяют трубы с большей толщиной стенки для достижения отрицательной плавучести. К недостаткам данного способа укладки можно отнести ограничения по диаметру трубы вследствие необходимости намотки ее на барабан и ввиду этого возникновения остаточной овальности и спиральности (Б.В.Самойлов и др. Сооружение подводных трубопроводов. М.: Недра, 1995).
На проведение и стоимость работ по всем вышеописанным методам оказывают влияние жесткие требования, предъявляемые к рельефу дна, так как трубопровод непосредственно лежит на дне. Данные требования приводят к необходимости прокладывать трубопровод не по кратчайшему пути, а в соответствии с природными условиями, что также приводит к удорожанию проекта. Кроме того, предотвращение всплытия трубопровода, которое достигается балластировкой, становится одним из существенных элементов трубопровода. Как показывает статистика, основные причины аварий вызваны движением трубопровода по дну, ударами трубопроводов о скалообразования, недостаточной балластировкой, провисанием трубопроводов вследствие размыва грунта (Левин С.П. Предупреждение аварий и ремонт подводных трубопроводов, 1963; Камышев М.А. и др. Строительство морских трубопроводов). Для борьбы с ошибкой в балластировке и механического упрочнения трубопровода увеличивают толщину его стенок (Камышев М.А. и др. Новая техника и технология строительства подводных переходов магистральных трубопроводов, 1987).
Известен способ прокладки трубопровода при строительстве глубоководного перехода, однако прокладку плетей осуществляют на поверхности воды без их (плетей) погружения и заполнения водой в процессе прокладки трубопровода. Заполнение плетей водой осуществляют только в том случае, если необходимо открыть проход для судна (для этого в трубопроводе есть отверстия), однако после прохода судна плети освобождаются от воды и их сборку в трубопровод продолжают на поверхности воды (Бородавкин П.П., Березин В.Л., Шадрин О.Б. «Подводные трубопроводы», М.: Недра, 1979 г.).
Вышеописанные технические решения выбираются в качестве прототипа, так как они являются наиболее близкими по своей технической сущности к заявленному изобретению и представляют собой разработки, которые нашли применение в практике прокладки подводных трубопроводов.
Предлагаемый способ прокладки исключает ряд недостатков, сопутствующих общей методике прокладки и устройства трубопроводов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении непрерывного на протяжении всего технологического процесса прокладки магистрального трубопровода, не препятствующего судоходству, и при дальнейшем затоплении всего трубопровода с учетом рельефа дна, ускорении технологического процесса прокладки, уменьшении дорогостоящих земляных работ и расширении области применения для широких диапазонов глубин и типоразмеров трубопроводов ввиду отсутствия деформации труб, которые могут привести к их разрушению, в процессе укладки на дно за счет их заполнения водой, так как в этом случае отсутствуют перепады давления внутри и снаружи трубы во время технологического процесса прокладки.
Технический результат достигается в способе прокладки магистрального трубопровода при строительстве глубоководного перехода, заключающемся в том, что производят последовательную сборку плетей трубопровода на суше, затем погружают собранную плеть в воду, к одному концу которой прикрепляют следующую плеть для формирования нитки трубопровода, при этом нитку трубопровода заполняют водой в процессе прокладки и располагают при помощи компенсатора плавучести во взвешенном состоянии на глубине, не препятствующей судоходству, а после окончательной сборки трубопровода производят его затопление и размещение во взвешенном состоянии в воде вблизи дна с учетом его рельефа.
Осуществление глубоководного перехода заключается в размещении в толще воды на глубине вблизи дна взвешенного трубопровода, который на этапе укладки заполняется водой, что исключает на данном этапе разрушение труб внешним давлением. Произвольному всплытию препятствуют якоря, закрепленные на дне, соединенные с трубопроводом тросами. Первоначально трубы подготавливают к сборке (проводят все этапы контроля, антикоррозийную обработку и т.д.) на суше в месте отправной точки перехода. Изготавливают длинные плети путем сварки труб или другим возможным способом. Сборку плетей производят с применением дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих переменную плавучесть, а также конструктивных элементов крепления якорей к трубопроводу. Кроме того, используют устройства, регулирующие плавучесть самого якоря. Собранную плеть укладывают на тележки или катки и погружают в воду, к свободному концу прикрепляют новую плеть и так формируют нитку трубопровода. Таким образом, нитку трубопровода, погруженную в воду, располагают во взвешенном состоянии на глубине, не препятствующей судоходству в районе проведения работ. В воде свободный конец трубопровода буксируют судном с устройством, обеспечивающим буксировку на постоянной глубине и максимально гасящим колебания вследствие влияния волн. После достижения нитки трубопровода заданной траектории на всей протяженности перехода производят ее затопление на дно. Так как якоря сами по себе в свободном состоянии имеют отрицательную плавучесть, то их вес и используют для затопления трубопровода. После закрепления якорей на дне и принятия ниткой трубопровода своего окончательного положения во взвешенном в воде состоянии участки, расположенные на шельфе, засыпают грунтом для придания конструкции дополнительной устойчивости и защиты трубопровода от механических воздействий. Замещение воды рабочей жидкостью производят с помощью поршней-разделителей.
Приведенные чертежи иллюстрируют способ прокладки трубопровода и последовательность выполнения действий.
На фиг.1 изображен один из вариантов участка трубопровода в собранном виде.
На фиг.2 изображен процесс размещения нитки трубопровода на заданной глубине.
На фиг.3 изображено устройство, которое используют для гарантированного предотвращения всплытия трубопровода на поверхность.
На фиг.4 представлено размещение трубопровода в толще воды на постоянной глубине в местах течений.
На фиг.5 представлен вариант затопления нитки трубопровода после окончательного расположения по всей длине перехода, начиная с одной стороны, при закреплении трубопровода на одном берегу и продолжении сборки на другом.
На фиг.6 представлен вариант затопления нитки трубопровода после окончательного расположения по всей длине перехода, начиная с середины, при продолжении сборки с обоих берегов.
При сборке трубопровода на трубу 1 устанавливают обжимные муфты типа роликовый подшипник 5, предназначенные для закрепления на них тросов 8 и якорей для удержания трубопровода на дне. Кольца подшипников состоят из двух частей и скрепляются между собой резьбовым соединением. Трос якоря 8 закрепляют на внешнем кольце подшипника любым надежным способом. Кольцо выполнено с канавкой. Трос 8 наматывают на кольцо необходимой расчетной длины для фиксации трубопровода на глубине во взвешенном состоянии с учетом рельефа дна. Рядом с подшипником 5 устанавливают разделительный диск 6, также состоящий из двух половин и играющий роль защиты. Диск закрепляют на трубе 1 путем ее обжима или прикрепляют к внутреннему кольцу подшипника 5. Вслед за диском 6 устанавливают кожух 3. Кожух 3 представляет собой сборную конструкцию и состоит из внутреннего полого цилиндра (внутренний диаметр цилиндра больше внешнего диаметра трубы) и прикрепленной к нему через ребра жесткости оболочки в виде усеченного конуса. Нижняя часть усеченного конуса имеет «карман» 4. В целом кожух 3 состоит, как и кольца подшипника 5, из двух половин, которые устанавливают на дополнительные роликовые подшипники 7 небольшого диаметра, расположенные на трубе 1, и соединяют с использованием резьбовых соединений. Данная конструкция и установка кожуха 3 на трубу 1 обусловлена необходимостью расположения «кармана» 4 обязательно под трубой.
При сборке плети трубопровода рассчитывают нейтральную плавучесть (с учетом средней плотности воды на протяжении всего маршрута) и достигают ее путем закрепления на трубе 1 пластмассовых муфт 2 или намотки на трубу полимерных материалов с положительной плавучестью, слои которых склеивают между собой и придают трубе тем самым дополнительную прочность. Намотка полимерного материала может быть выполнена по всей длине трубы и служить антикоррозийной защитой. Нейтральную плавучесть достигают, в том числе, расположением под верхней частью кожуха 3 эластичных герметичных оболочек, наполненных воздухом. Расчет нейтральной плавучести проводят с учетом того, что трубопровод в процессе укладки будет заполнен водой. Стрелкой обозначено направление движения трубопровода в воде.
Количество подшипников 5 (соответственно якорей) зависит от рельефа дна, структуры донной поверхности, наличия и силы придонных течений и других факторов, влияющих на устойчивость нитки трубопровода.
Согласно условию нейтральной плавучести, суммарный вес всех составных частей участка трубопровода равен силе выталкивания воды, действующей на расчетный участок. Вес участка трубопровода должен быть максимально равномерно распределен по его длине. При этом в расчете не учитывают вес якорей.
При окончательной сборке к тросу 8, намотанному на подшипник 5, прикрепляют якорь. Нейтральную плавучесть якоря обеспечивает отдельная система переменной плавучести - компенсатора плавучести (далее КП) - с блоком питания и управления, подобная системе аквалангистов и состоящая из:
- баллон со сжатым воздухом,
- компенсатор плавучести - расширяемая эластичная камера, которую можно надуть или сдуть, с впускным и выпускным электромагнитными клапанами,
- устройство управления работой клапанов с датчиком давления (глубины), датчиком давления воздуха в баллоне и возможностью управления по радиосигналу,
- блок питания устройства управления.
КП жестко соединяют с якорем, наполняют воздухом для поддержания всем устройством нейтральной плавучести на расчетной глубине h, не препятствующей судоходству, и укладывают в «карман» кожуха 4. Якорь вместе с КП закрепляют внутри «кармана» 4 любым надежным способом, который гарантирует освобождение этого устройства и его выпадение из «кармана» при полном сдувании эластичной оболочки. Ввиду большой массы полученного устройства (КП вместе с якорем) возможно крепление его к тросу и помещение в «карман» 4 в воде на глубине 1-2 м с помощью аквалангистов, что даст возможность максимально облегчить кожух 3.
Устройство управления регулирует по показанию датчика глубины объем эластичной камеры, надувая и сдувая ее, поддерживая, таким образом, КП вместе с якорем на постоянной глубине h. В качестве дополнительной функции, КП выполняет задачу регулирования нейтральной плавучести всего участка трубопровода в целом. Для этого устройство (КП вместе с якорем) жестко соединяют с трубопроводом, например, с помощью веревки с усилием на разрыв, меньшим, чем суммарный вес в воде КП и якоря без воздуха в оболочке, или другим способом. Кроме того, поскольку плотность воды в море отличается от места к месту ввиду изменения солености достаточно существенно, вследствие чего различна и сила выталкивания воды, приложенная к участку трубопровода, КП также будет регулировать положение трубопровода в воде.
Массу якоря рассчитывают с условием незатопления всего участка трубопровода при несанкционированном освобождении из «кармана» одного или нескольких якорей. В этом случае остальные КП должны поддерживать нейтральную плавучесть участка, а устройства управления сигнализировать наличие аварийной ситуации для ее устранения.
При размещении на трубопроводе небольшого количества якорей на длинном участке трубопровода дополнительно размещают на таких участках КП отдельно без якорей в защитных кожухах с корректировкой расчетов нейтральной плавучести. В данной ситуации они будут дополнительно способствовать нахождению трубопровода на заданной глубине h и стабилизировать его горизонтальное положение.
Плеть трубопровода 9 укладывают на ж/д тележки или катки 11 и заводят в спроектированный створ путем сталкивания неким устройством 12, например локомотивом. Плеть погружают в воду с помощью системы последовательно установленных в месте спуска и надежно закрепленных на дне ферм в виде рамок 10 с валиками 14 из мягких материалов. Последняя рамка обеспечивает расположение трубопровода на заданной глубине h, равной 40-50 метров, где практически отсутствует влияние волн (вплоть до штормов силой 5 баллов), и которая не препятствует судоходству в данном районе. При этом данная глубина позволяет проводить определенные работы с трубопроводом 9, используя аквалангистов, например замену опустошенного баллона с воздухом или т.п. Система рамок 10 также служит стабилизирующим элементом всей конструкции и препятствует сильному влиянию прибоя на участок трубопровода 9, расположенный на суше. Свободный конец на суше жестко фиксируют, к нему крепят новую плеть, проверяют качество стыка и сталкивают вновь в воду и т.д.
При движении трубопровода толкающее устройство 12 преодолевает силу трения, возникающую при движении тележек или катков, и силу сопротивления воды, поэтому все элементы трубопровода конструируют наиболее обтекаемой формы, при этом муфты, кожухи и подшипники имеют минимально возможный диаметр. Для стабилизации свободного конца нитки трубопровода 9, расположенного в воде, его поддерживает судно 13 с опущенным в воду на заданную глубину h устройством, позволяющим производить буксировку без изменения глубины и способным максимально гасить колебания ввиду влияния волн. Судно 13 способно осуществлять буксировку при определенной высоте волны во избежание деформации трубопровода при колебаниях. Перемещение толкающего устройства 12 и судна 13 по возможности синхронизируют. При превышении высоты волны над критической для буксировки устройство отсоединяют от трубы, конец трубы обозначают буем, сборку трубопровода прекращают.
Поверх трубопровода 9 для гарантированного предотвращения его всплытия на определенном расстоянии друг от друга могут быть установлены скобы 15 из материала с положительной плавучестью. Они имеют высоту 4-5 диаметра трубопровода и радиус, равный 3-4 радиусам трубопровода. Скобы 15 устанавливают с зазором по отношению к трубопроводу 9 и крепят в нескольких местах ко дну с помощью якорей или грузов 16. Для уменьшения силы трения между скобой 15 и трубопроводом 9 во время движения в случае их соприкосновения скобы выполнены из нескольких сборных частей - дуг - с интегрированными свободно вращающимися роликами 17.
В местах течений поверх трубопровода 9 устанавливают такие же скобы 15, препятствующие его смещению относительно заданной траектории. В этом случае скобы должны обладать такой плавучестью, чтобы оставаться вместе с трубопроводом 9 на заданной постоянной глубине h и препятствовать его погружению, что достигают путем расположения на скобах 15 дополнительных поплавков 18.
При достижении ниткой трубопровода 9 точки выхода на сушу свободный конец соединяют с подготовленными на суше аналогичным образом плетями. На одном из берегов (отмечен крестом) трубопровод 9 жестко закрепляют, на другом берегу он остается свободно лежать на ж/д тележках или катках. Последовательно выпускают воздух из КП, начиная со стороны жестко закрепленного конца, якоря освобождаются из «карманов» и трубопровод 8 начинает погружаться. Со стороны свободного конца продолжают сборку плетей и погружение труб в воду (отмечен стрелкой). При этом трубопровод 9 заполняют водой с помощью насосов во избежание его повреждения на глубине давлением. На данном этапе погружение контролируют рядом плавучих средств 22, расположенных вдоль трассы трубопровода. В процессе погружения трубопровода часть якорей 19 уже находятся на дне и закреплены на нем, часть якорей 20 свободно висят на размотанных тросах в воде, из части КП 21 воздух еще не выпущен.
Затопление трубопровода 9 можно также проводить, начиная с середины. В этом случае сборку продолжают с обоих берегов (отмечены стрелками).
После принятия трубопроводом окончательного положения во взвешенном в воде состоянии и закрепления якорей участки в воде на шельфе засыпают грунтом для предотвращения повреждений и придачи конструкции большей жесткости и устойчивости. Скобы, установленные поверх трубопровода, по возможности, удаляют из воды. Замещение воды рабочей жидкостью при начале эксплуатации происходит путем вытеснения с помощью поршней-разделителей.
Проводить прокладку трубопровода можно также при одновременной работе с обоих берегов. В этом случае соединение двух противоположных участков проводят в море на понтонах с помощью резьбовых соединений муфт, изначально размещенных на трубах, или с помощью сварки.
Так как плотность рабочей жидкости (нефти, нефтепродуктов) или газа меньше плотности воды, трубопровод при их транспортировке по нему будет весить меньше, чем на этапе укладки. Поэтому его погружение на дно исключено. Систему якорей, их массу, размеры и т.д. рассчитывают из условия гарантированного препятствия всплытию всего устройства. Таким образом, нитка трубопровода будет находиться во взвешенном в воде состоянии.
В заявленном изобретении с помощью последовательности приведенных выше действий, а также с помощью применения ряда устройств достигают расположение нитки трубопровода согласно кратчайшему маршруту между двумя точками перехода. При этом отсутствует проблема балластировки трубопровода и проведения большого объема подводных земляных работ вследствие расположения его в воде во взвешенном состоянии. Данные мероприятия проводят только на участках шельфа. В процессе прокладки нитки трубопровода на него действуют менее значительные силы, чем возникающие при натяжении в рассматриваемых прототипах, а также давление внутри трубопровода и снаружи на всех глубинах в процессе прокладки уравновешено. Влияние напряжений, возникающих при изгибе, в процессе затопления трубопровода не будет иметь весомого значения на устойчивость трубы. Ввиду этого возможно использование широкого диапазона глубины прокладки и типоразмеров труб. Поскольку нитка трубопровода собирается из длинных плетей на суше, это значительно увеличит скорость прокладки по сравнению с распространенными методами, рассматриваемыми в качестве прототипов.
На этапе прокладки трубы могут находиться и пустыми - без воды. В этом случае технологически процесс выглядит аналогично рассмотренному способу. В расчеты плавучести трубопровода на этапе прокладки и расположения нитки трубопровода в рабочем положении во взвешенном состоянии у дна вносят соответствующие коррективы. Учитывают также давление воды на рабочей глубине, что безусловно приведет к увеличению толщины стенки трубы и уменьшению ее диаметра.