ПОДВОДНЫЙ ТРУБОПРОВОД
UNDERWATER PIPELINE

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при сооружении подводных трубопроводов.
Цель изобретения - снижение стоимости подводного трубопровода и повышение экологической безопасности при транспортировании через водную преграду жидкого или газообразного продукта.
Известен подводный трубопровод (Бородавкин П.П. и др. Подводные трубопроводы. М.: Недра, 1979, с.13, рис.1.7) типа "труба в трубе" (1), в котором кольцевое межтрубное пространство заполнено цементно-песчаным раствором.
Недостатком данного конструктивного исполнения является сложность обнаружения места утечки транспортируемого продукта при разрыве внутренней напорной трубы и трудоемкость ремонтных работ.
Известен трубопровод (авт. свид. СССР №1448157 A1, кл. F16L 1/12, опубл. 30.12.88. Бюл. №48) типа "труба в трубе" (2), в кольцевом межтрубном пространстве которого проложены продольные надувные каналы, выполненные из плоскосворачиваемых металлических рукавов для перераспределения напряжения с внутренней трубы на наружную. Оставшиеся между каналами секторы межтрубного пространства заполнены антикоррозионной жидкостью с введенным в нее твердым наполнителем.
Это устройство обладает теми же недостатками, что и предыдущее (1). Кроме этого, монтаж продольных каналов в межтрубном пространстве является сложным и весьма проблематичным решением, а разгрузка стенки внутренней (высоконапорной) трубы с помощью надувных каналов требует выполнения стенки наружной (опорной) трубы более толстой, чем стенка внутренней трубы. Такое решение вызывает большой расход металла и увеличивает стоимость трубопровода.
Известна секция подводного трубопровода и способ ее изготовления (пат. RU №2072466 C1, кл. F16L 1/16, опубл. 27.01.97. Бюл. №3, прототип в части устройства). Секция содержит внутреннюю трубу, установленную с эксцентричным зазором во внешней трубе посредством фиксирующих торцевых элементов. На внутреннюю трубу надеты балластирующие элементы в виде колец, а в межтрубном пространстве размещена дренажная трубка с обратными клапанами, предназначенная для отвода газа или жидкости из межтрубного пространства, которое может быть частично или полностью заполнено через впускные клапаны цементным или бетонным раствором.
Вдобавок к имеющим место недостаткам аналогов (1) и (2) прототип несет в себе еще и повышенную трудоемкость монтажа балластных колец на внутренней трубе. Наличие же на верхней образующей наружной трубы клапанов отвода газа или жидкости и клапана для подачи балластировочного материала экологически небезопасно, т.к. при эксплуатации секции подводного трубопровода эти клапаны не смогут гарантировать герметизацию межтрубного пространства в связи с возможной загрязненностью клапанных элементов застывшим еще при монтаже цементным или бетонным раствором. Кроме этого, экологическая небезопасность секции усугубляется еще и тем, что межтрубное пространство ограничено торцевыми соединительными элементами, и поэтому из него не может быть осуществлен отвод вылившегося при аварии внутренней трубы продукта. Для устранения указанных недостатков прототипа и аналогов (1) и (2) в изобретении подводного трубопровода произведены конструктивные усовершенствования.
Во-первых, в изобретении подводного трубопровода упрощен монтаж, а следовательно уменьшены расходы при его сооружении. Это достигается тем, что внутренняя труба-продуктопровод не несет на себе балластирующих колец, предохраняющих его от всплытия внутри кожуха (как в прототипе), а балластирующие пригрузы установлены поверх кожуха, что выполнить проще, чем монтировать бетонные кольца на внутреннюю трубу прототипа.
Во-вторых, в изобретении подводного трубопровода повышена его экологическая безопасность. Это достигается тем, что продуктопровод и кожух выполнены не посекционно, как в прототипе, а по всей своей протяженности сваркой встык стандартных труб, причем кожух не содержит экологически опасных монтажных клапанных отверстий и на нижнем (плесовом) берегу оснащен сливным патрубком, присоединенным к емкости для аварийного приема жидкости из межтрубного пространства. Экологическая безопасность изобретения достигается еще и тем, что коаксиальное расположение кожуха и продуктопровода на береговых участках дает возможность закрепления на кожухе и наружной поверхности продуктопровода заглушающих торцы межтрубного пространства конических сильфонов, выполненных из эластичного материала, которые способны без нарушения герметизации компенсировать температурные продольные деформации продуктопровода и кожуха.
В-третьих, изобретение подводного трубопровода позволяет снизить металлоемкость и стоимость устройства. Это достигается тем, что межтрубное пространство выполнено единым по всей его протяженности (а не разделено на секции, как в прототипе) и заполнено до уровня поверхности водной преграды жидкостью (водой или антифризом). Благодаря этому стенка кожуха разгружена от воздействия наружного статического давления и может быть выполнена минимальной толщины, которая возможна при промышленном производстве труб данного диаметра.
И еще одно немаловажное обстоятельство. При транспортировании подводным трубопроводом углеродсодержащих продуктов, например, нефтепродуктов или природного газа, рабочие площадки у торцев кожуха на обоих берегах водной преграды взрывобезопасны, т.к. трубопровод оснащен смонтированными на околоторцевых участках кожуха вытяжными свечами, газоанализаторами межтрубного пространства и измерителями уровня жидкости в нем, которые в случае аварии продуктопровода способны подавать команду на прекращение подачи продукта и закрытие отсекающих задвижек.
В заявленном изобретении подводный трубопровод типа "труба в трубе" для перехода через водную преграду включает забалластированный на дне цилиндрический кожух с выведенными за пределы береговых водоохранных зон торцами и проложенный внутри него напорный продуктопровод, на придонном участке продуктопровод уложен на клиновых антифрикционных подкладках с зазором над нижней образующей внутренней поверхности кожуха, а на береговых участках - смонтирован коаксиально с ним, образуя переменное по форме межтрубное пространство, подводная часть которого заполнена водой или антифризом, а береговые участки свободны от жидкости и сообщаются с атмосферой с помощью вытяжных свечей, выполненных на кожухе у его торцев.
Возможны следующие частные формы выполнения подводного трубопровода, в которых:
на придонном участке водной преграды вверху внутренней поверхности кожуха приварены резьбовые втулки с ввинченными в них регулировочными упорными болтами, головки которых выполнены из антифрикционного синтетического материала и установлены с зазором над наружной поверхностью продуктопровода;
торцы межтрубного пространства на обоих берегах заглушены коническими сильфонами, выполненными из эластичного материала, каждый из которых большим основанием конуса герметично закреплен на торце кожуха, а меньшим - на наружной поверхности продуктопровода;
на нижнем берегу водной преграды кожух снабжен сливным патрубком, который приварен к нему в зоне между вытяжной свечой и торцем и герметично присоединен к установленной в приямке емкости для аварийного приема поступающей из межтрубного пространства жидкости;
на вытяжных свечах обоих берегов смонтированы газоанализаторы, способные в случае аварии продуктопровода подавать световой и звуковой сигнал о наличии паров продукта в межтрубном пространстве;
на обоих берегах преграды над поверхностью залитой в межтрубное пространство жидкостью на кожухе смонтированы указатели уровня этой жидкости, способные в случае аварии продуктопровода подавать команду на отключение подачи продукта и закрывание отсекающих задвижек;
у береговых кромок по обе стороны водной преграды кожух оснащен приварными загерметезированными монтажными патрубками, позволяющими вводить через них зачистные рукава в заполненное жидкостью межтрубное пространство.
На фиг.1 представлен общий вид части подводного трубопровода у низкого (плесового) берега, на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1, на фиг.3 - общий вид части подводного трубопровода у высокого (крутого) берега, на фиг.4 - вид Е на фиг.1, на фиг.5 - вид Ж на фиг.3, на фиг.6 - выносной элемент Б на фиг.1, на фиг.7 - сечение В - В на фиг.6, на фиг.8 - разрез Д - Д на фиг.1.
Подводный трубопровод состоит из цилиндрического защитного кожуха 1 и смонтированного внутри него продуктопровода 2, образующих межтрубное пространство 3. Для изготовления кожуха 1 и продуктопровода 2 используются сваренные встык стандартные стальные трубы, которые применяются при строительстве магистральных трубопроводов. Подводный трубопровод проложен по дну и береговым участкам водной преграды 4 глубиной Г и шириной Ш. По обе стороны преграды 4 расположены прибрежные водоохранные зоны шириной соответственно Ш1 и Ш2. На придонном участке продуктопровод 2 уложен с гарантированным зазором над нижней образующей внутренней поверхности кожуха 1, а на береговых участках - смонтирован коаксиально с кожухом. Межтрубное пространство 3 заполнено жидкостью до уровня Уж (немного выше поверхности водной преграды 4 или вровень с ней). Это может быть вода (при климатических условиях и температуре продукта, гарантирующих невозможность ее замерзания) или антифриз (при любых климатических условиях и любой температуре транспортируемого продукта).
При транспортировании подводным трубопроводом продукта с гарантированной плюсовой температурой через промерзающий в зимний период на какую-то глубину водоем возможно заполнение подводного межтрубного пространства водой. При этом необходимо применение дополнительных постоянно действующих неотключаемых в течение всего зимнего сезона подогревателей (например, в виде электронагревательной герметичной ленты), вводимых на обоих берегах в межтрубное пространство на глубину ниже глубины промерзания водоема.
Подводный трубопровод по всей своей протяженности или место закопан в траншее 5 засыпкой 6 заподлицо с дном водной преграды 4 и поверхностью берегов. Под водой кожух 1 забалластирован от всплытия пригрузами 7, а его торцы 8 на обоих берегах выведены за пределы водоохранных зон. На низком (плесовом) берегу у торца 8 кожух 1 снабжен сливным патрубком 9, герметично присоединенном к установленной под ним емкости 10 для приема жидкости из межтрубного пространства 3 в случае аварии продуктопровода 2. На обоих берегах между торцами 8 кожуха 1 и наружной поверхностью продуктопровода 2 смонтированы выполненные из эластичного синтетического материала конические сильфоны 11. Сильфоны 11 со стороны большего диаметра крепятся своими воротниками к приварным фланцам 12 кожуха 1 шайбами 13 - с помощью стандартных болтовых соединений, а меньшим диаметром - надеты на продуктопровод 2 и закреплены на нем стяжными хомутами 14. Предусмотрена возможность замены изношенных сильфонов. Для этого на продуктопровод надеты кольцеобразные упаковки 15 с законсервированными запасными сильфонами.
Для установки емкости 10, монтажа сильфонов 11 и удобства обслуживания на обоих берегах в зоне торцев 8 вырыты приямки 16, облицованные изнутри гидроизоляционной обкладкой 17. На обоих берегах у торцев кожуха 1 смонтированы вытяжные свечи 18. Емкость 10 оснащена опорожняющим насосом 19.
Внутри кожуха 1 (в верхней его части) приварены резьбовые втулки 20, в которые ввинчены регулировочные болты 21 с головками, покрытыми антифрикционной пластмассой (например, залитыми в ней при изготовлении). Болты 21 стопорятся гайками 22. При этом между головками болтов 21 и наружной поверхностью продуктопровода 2 выставляется гарантированный зазор, обеспечивающий свободу взаимного продольного перемещения кожуха 1 и продуктопровода 2. В нижней части - кожуха 1 под продуктопровод 2 заведены клиновые антифрикционные подкладки 23 с нажимными болтами 24, с помощью которых выставляется гарантированный зазор между продуктопроводом 2 и нижней образующей кожуха 1.
Для выведения продуктопровода 2 в коаксиальное с кожухом 1 положение внутри околоторцевых участков кожуха 1 закреплены направляющие сухари 25, изготовленные из антифрикционного материала, например пластмассы или текстолита. Сухари 25 закреплены внутри кожуха 1 болтами 26 и гайками 22.
На боковых патрубках вытяжных свечей 18 закреплены газоанализаторы 27, а на кожухе 1 - сигнализаторы 28 уровня жидкости межтрубного пространства 3. На продуктопроводе за пределами приямков 16 установлены электроприводные отсекающие задвижки 29. Насос 19, газоанализаторы 27, указатели 28 уровня жидкости и задвижки 29 обоих берегов с помощью электрошкафов 30 и разводки 31 проводов постоянно подключены к источнику питания 32. На береговых водоохранных зонах подводный трубопровод оснащен П-образными 33 или W-образными 34 компенсаторами температурных деформаций, выполненными, как и весь трубопровод, по типу "труба в трубе". У края водной преграды 4 на кожухе 1 приварены загерметизированные монтажные патрубки 35 для ввода зачистных рукавов.
Работа подводного трубопровода в штатном режиме осуществляется следующим образом. Продуктопровод 2, смонтированный внутри кожуха 1, зарыт в траншее 5 засыпкой 6 и забалластирован на дне водной преграды 4 пригрузами 7. Предварительно при монтаже придонного участка подводного трубопровода выставлен гарантированный зазор между головками болтов 21 и наружной поверхностью продуктопровода, а клиновыми подкладками 23 с помощью болтов 24 - зазор между нижней образующей продуктопровода 2 и внутренней поверхностью кожуха 1, чтобы обеспечить свободу взаимного продольного перемещения в результате тепловых деформаций. Сильфоны 11 заглушают межтрубное пространство, будучи закреплены на кожухе 1 и продуктопроводе 2 деталями 12,13 и 14. Емкость 10 пустая, насос 19 отключен. Патрубки 35 загерметизированы. Установленные на свечах 18 газоанализаторы 27, постоянно подключенные к источнику питания 32 разводкой 31 проводов, дают показания об отсутствии паров продукта в межтрубном пространстве 3. Сигнализаторы 33 уровня подтверждают отсутствие подъема жидкости в подводной части межтрубного пространства. Задвижки 29 открыты. Подводный трубопровод исправен, подводная часть межтрубного пространства 3 заполнена жидкостью (водой или антифризом - в зависимости от температуры продукта и климатических условий). Продуктопровод 2 заполнен транспортируемым продуктом при заданных давлении, температуре и производительности. Идет перекачка транспортируемого продукта. В случае изменения температуры транспортируемого продукта или температуры окружающей среды кожух - 1 и продуктопровод 2 могут претерпевать линейные тепловые деформации, которые воспринимаются береговыми компенсаторами 33 и 34 и коническими сильфонами 11.
В случае аварии даже небольшое количество просочившегося через поврежденную стенку трубопровода 1 продукта производит всплытие в подводной части межтрубного пространства 3 на поверхность заполняющей его жидкости и там образует парогазовые потоки, которые воздействуют на улавливающие их газоанализаторы 27, которые немедленно на обоих берегах подают световой и звуковой сигнал об этом.
Пока уровень жидкости в межтрубном пространстве не достиг указателей 28 уровня жидкости (например, при небольшой утечке продукта), водолазы-инспекторы могут производить с помощью акустических приборов поиск места аварии на дне преграды 4 - пока без отключения подачи продукта. Но когда уровень жидкости в межтрубном пространстве достигнет указателей 28 уровня жидкости, они звуковыми и световыми сигналами на обоих берегах извещают о необходимости аварийного отключения подачи продукта и дают команду на остановку насосов насосной станции и перекрытие отсекающих задвижек 29. Если с помощью акустических приборов водолазам обнаружить место аварии не удалось, то продуктопровод должен быть обследован с помощью диагностических поточных средств. После обнаружения места аварии подводный трубопровод подлежит ремонту.
После ремонта подводного трубопровода и заполнения жидкостью межтрубного пространства 3 на ее поверхности могут образоваться следы протекшего во время аварии продукта. Эти следы могут быть удалены зачистными рукавами, опускаемыми в межтрубное пространство через патрубки 35 на обоих берегах. Если после зачистки межтрубного пространства газоанализаторы 27 перестают показывать наличие паров продукта, подводный трубопровод опять готов к эксплуатации.
Изобретение подводного трубопровода позволяет снизить стоимость его изготовления и повысить экологическую безопасность устройства, а при транспортировании углеводородсодержащей среды, например нефтепродуктов или природного газа, - обеспечить взрывобезопасность площадок обслуживания.