Современные технологии при сооружении трубопровода

Федеральное агенство по образованию

ГОУ ВПО «Уфимский государственный  нефтяной технический университет»

 

Кафедра «Гидравлика и гидромашины»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Основы нефтегазопромыслового  дела»

на тему: «Современные технологии при сооружении трубопровода»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст.гр. ГТ-10-01                                                                      Титов А.К.

Проверил: доцент                                                                         Бахтегареева Э.С.

 

 

 

 

Уфа 2010

Содержание 

1. Введение

2. Современные технологии при сооружении трубопровода

2.2. Исследование морского дна с использованием современных систем

2.3. Выбор и оптимизация маршрута

2.4. Необходимые работы на морском дне

3. Деятельность, вызывающая нарушение морского дна

3.1. Работы на морском дне с использованием современных систем

3.2. Прокладка траншей

3.3. Каменная наброска

3.4. Опорные конструкции

4. Укладка труб

4.1. Процесс трубоукладки

5. Эксплуатация

6. Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Морской трубопровод –  это трубопровод, прокладываемый в  морских акваториях,  служащий для транспортировки нефти, нефтепродуктов, природных и искусственных газов (в т.ч. сжиженных).

 Морской трубопровод  располагают под дном (заглублённые трубопроводы), на дне (незаглублённые) и вблизи дна (погружные). Конструктивно M. т. выполняют однотрубными (толщина стенки св. 7 мм), двухтрубными "труба в трубе" или многотрубными и защищают антикоррозионной изоляцией из полимерных и битумных материалов усиленного типа. Заглублённыe однотрубные M. т. укладывают в открытом море на расчётную глубину и покрывают жёсткой футеровкой деревянными рейками. Для создания отрицат. плавучести поверх последней устанавливают чугунные или железобетонные кольцевые грузы. Закрепление M. т. в траншеи осуществляют (по возможности) анкерными устройствами. Для защиты труб от механич. повреждений, a также придания им отрицат. плавучести применяют усиленное бетонное защитное покрытие M. т. (осуществляется нанесением бетона по всей длине трубы или отд. секциями на антикоррозионную изоляцию усиленного типа). M. т. c чугунными или железобетонными грузами защищают от механич. повреждений закреплением поверхности грунта над трубопроводом бетонными плитами, насыпкой из камня и др. Незаглублённыe однотрубные M. т. прокладывают в местах, где исключается размыв грунта под трубами, на больших глубинах и в скальном грунте. Для защиты от механич. повреждений трубы покрывают (по всей длине или секциями) бетонными или железобетонными оболочками. Уложенный на дно M. т. обваловывают камнями, щебнем или закрывают бетонными плитами (матами) дл. 50 м, при возможности закрепляют анкерами. Погружныe однотрубные M. т. устанавливают на опорах и закрепляют за дно при помощи якорей и оттяжек. Погружные M. т. изготовляют подобно заглублённым. M. т., прокладываемые в размываемых береговых зонах, укладывают в тоннелях.

Для повышения эксплуатац. надёжности системы применяют двухтрубные или многотрубные M. т. Транспортировка осуществляется по внутр. трубе (или трубам). Наружная труба используется в осн. как защитный кожух; её изготовляют из стали или пластмасс. Внеш. поверхность стальной трубы защищают от коррозионных и механич. повреждений подобно заглублённым M. т. Пластмассовый кожух защищают деревянными рейками и балластируют грузами (чугунными или железобетонными) или покрывают поверхность трубы спец. покрытием (бетонным, железобетонным). Внутр. трубу изготовляют из стали и покрывают снаружи антикоррозионной изоляцией. При транспортировке агрессивных продуктов внутр. поверхность изолируют или применяют трубы из пластмассы, алюминия и др. Внутреннюю трубу устанавливают в наружной на опорные кольцевые элементы или роликоопоры. Межтрубное пространство в зависимости от назначения M. т. заполняют газом (азот, воздух и др.), жидкостью (масло, вода c антикоррозионными добавками и др.), твердеющими материалами (битум, цементно-песчаный раствор и др.), теплоизолирующими материалами (пенополиуретан и др.), транспортируемым продуктом. Кроме того, в межтрубном пространстве прокладывают кабели связи, электроэнергии, гидравлич. линии управления и др. коммуникации.[1]

 

 

Cовременные технологии при сооружении трубопровода

1. Исследования морского дна с использованием современных систем

Общая характеристика геологических  условий морского дна в море составляется на основании доступных материалов и информации, полученной из компетентных учреждений. Однако маршрут трубопровода и характер необходимых работ на морском дне определяются по результатам детальных обследований морского дна, проводимых в рамках подготовки проекта.

Для обследования топографии морского дна, которая в конечном счете диктует маршрут трубопровода, проводятся  геофизические исследования. Данные исследования проводятся для нанесения на карту глубин, морфологии морского дна и геологических условий на поверхности и под поверхностью морского дна в коридоре трубопровода.

Для проведения геофизических исследований применяются эхолоты для картографирования батиметрии, для определения типа донных отложений применяется гидролокатор бокового обзора (Рис.1), для нанесения на карту геологической стратификации под поверхностью морского дна применяются профилометры твердого дна.

 

Гидролокатор  бокового обзора (Рис. 1).

В дополнение к геофизическим  исследованиям проводятся геотехнические исследования в целях сбора данных, используя которые инженеры добиваются устойчивости трубопровода на морском дне.

Геотехнические испытания включают отборы керна, в ходе которого образцы керна извлекаются с глубины несколько метров ниже поверхности морского дна для проведения лабораторного анализа, который  определяет геотехнические инженерные свойства подслоя.

 

2. Выбор и оптимизация маршрута

Топография морского дна, текущее состояние осажденных отложений  и условия отложений вдоль маршрута трубопровода интерпретировались на основании данных, полученных в ходе геофизических и геотехнических исследований.

Как указано выше, морское  дно не является плоским, гладким  и лишенным особенностей — для него характерна меняющаяся топография (скалы, траншеи и т.д.). Несмотря на то, что две большие линии трубопровода могут прокладываться по кривым, они относительно негибкие и не могут изгибаться и поворачивать, чтобы обойти неровности морского дна. Точное картографирование морского дна позволяет определить оптимальный маршрут трубопровода и минимизировать проведение работ на морском дне.

Пример топографии неровного  морского дна и действий по оптимизации  маршрута во избежание пересечения выступов пород, твердого тиля, особенностей морского дна, подвергшихся эрозии, показан на (Рис. 2).

 

               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример оптимизации  маршрута трубопровода в Финском  заливе.

Прямой маршрут (красная линия) был изменен на маршрут, требующий

меньшего объема каменной наброски (зеленая линия).

 

Еще один элемент, который  должен быть принят во внимание при оценке альтернатив маршрута, носит технический характер. Наряду с защитой окружающей среды, основная цель проекта должна заключается в обеспечении целостности трубопровода.

Таким образом, определение  оптимального маршрута трубопровода является сложным процессом, протекающим на разных этапах проекта - от технического обоснования до этапа подробного проектирования. Выбор предпочтительного маршрута осуществлялся во время разработки проекта с учетом информации и условий, касающихся каждой стадии, в непрерывном процессе оптимизации.

 

3. Необходимые работы на морском дне

Несмотря на тщательную оптимизацию  маршрута, подготовку и модификацию  морского дна полностью исключить невозможно. Работы на морском дне традиционно выполняются путем прокладки траншей (и дноуглубительных работ) или каменной наброски. Однако на некоторых участках, где нагрузка гравия превышает несущую способность нижележащего грунта, устойчивости достичь невозможно. В данных местах необходимо применять альтернативные решения, т.е. монтаж дополнительных опорных конструкций.

На Рис. 3 представлено графическое изображение того, как различные методы подготовки/модификации морского дна применяются во время разработки трубопровода.

Выбор метода подготовки /модификации морского дна (Рис. 3).

Наконец, сама укладка труб и необходимые операции с якорями, связанные с укладкой, также будут вызывать локальное нарушение среды морского дна, однако они не классифицируются как работы на морском дне.[2].

 

Деятельность, вызывающая нарушение среды морского дна

1. Работы на морском дне с применением современных систем

Из-за неоднородного рельефа морского дна, до и после укладки труб в определенных местах необходимо проведение работ на морском дне в целях формирования надежного основания для трубопровода и его защиты от следующих факторов:

• Избыточная нагрузка на трубопровод в связи с образованием свободных пролетов (на неровном дне трубопровод может «перепрыгивать» с гребня на гребень твердых выступов, оставаться без опоры и провисать посередине пролетов)
• Избыточное движение трубопровода, например, под действием ветра, волн, течений и вариаций температуры
• Воздействие со стороны движения морских судов

В целях обеспечения целостности трубопровода применяются следующие решения (где необходимо):

• Рытье рвов, выемка грунта и засыпка
• Размещение заполняющего материала, каменная наброска (гравий)
• Размещение (сборных) опорных конструкций

Для всех трех решений в  рамках проекта проводится тщательная оценка и отбор методов и оборудования, наиболее подходящих с технической и экологической точек  зрения.

В целом, работы на морском  дне для всего трубопровода производятся в три этапа:

• Этап 1 – Данный этап включает работы на морском дне перед укладкой труб
• Этап 2 – Данный этап включает работы на морском дне после укладки труб, но до проведения гидравлических испытаний
• Этап 3 – Данный этап включает работы на морском дне после проведения гидравлических испытаний.

 

2. Прокладка траншей

На некоторых участках морские монтажные работы (особенно на мелководье) требуют обеспечения дополнительной устойчивости и/или защиты от гидродинамической нагрузки (например, волн, течений), что может обеспечить укладка трубопровода в траншеи на морском дне и (при необходимости) засыпка траншей.

Прокладка траншей может  производиться до монтажа трубопровода путем разработки траншеи (до укладки) либо по завершении укладки трубопровода на дно (после укладки).

Работы до укладки

В мелководных прибрежных районах разработка траншей до укладки проводится подводной выемкой грунта из-за малой глубины и требуемой глубины погружения трубопровода. В прибрежных районах трубопровод  покрывают грунтом для защиты от судов, встающих на якорную стоянку, и севших на мель судов с тем, согласно ведомственным требованиям и для обеспечения устойчивости на дне. Драгирование (подводная выемка грунта) производится механическим оборудованием. Могут применяться следующие типы экскаваторов: дноуглубительные экскаваторы, землеснаряды с фрезерным разрыхлителем и грунтоприемником и грейферные экскаваторы. На Рис.4 показан гидравлический дноуглубительный экскаватор, установленный на понтоне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гидравлический  дноуглубительный экскаватор на понтоне (Рис. 4).

Подсыпка после  укладки

Наиболее распространенным способом прокладки траншей на большой  глубине является подсыпка после укладки. Подсыпка требует лишь рытья непосредственно под трубопроводом, в то время как разработка траншеи включает рытье больших объемов в целях предоставления возможностей для монтажа. При разработке траншеи также существует риск природного засыпания траншеи до установки трубы.

Как правило, подсыпка после  укладки производится на глубине  от 15 до 20 м, причем глубина траншеи достигает 1,5 м.

Подсыпка после укладки  осуществлятся пропахиванием. Извлеченный грунт остается на морском дне непосредственно возле трубопровода, и траншея, как правило, не засыпается. Однако частичная засыпка происходит естественным образом за счет течений. Подсыпка после укладки  производится в некоторых местах, где гидродинамические нагрузки в противном случае могут помешать устойчивости трубопровода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Траншеекопатель на дне (Рис. 5).

Пропахивание осуществляется траншеекопателем (Рис. 5), спускаемым на морское дно со вспомогательного судна, расположенного над трубопроводом. Затем линия трубопровода поднимается на траншеекопатель при помощи гидравлических устройств захвата и поддерживается роликами с переднего и заднего конца траншеекопателя. Ролики оснащены датчиками нагрузки, чтобы контролировать нагрузку на линию трубопровода в процессе прокладки траншеи. Со вспомогательного судна к траншеекопателю подсоединены тросы для буксировки траншеекопателя по морскому дну, в результате чего прокладывается траншея. Вспомогательное судно, как правило, может буксировать траншеекопатель самостоятельно, однако, в зависимости от требуемого общего буксировочного усилия и мощности вспомогательного судна, при необходимости могут привлекаться дополнительные буксиры, располагаясь последовательно.

Для прокладки траншеи  при помощи траншеекопателя требуется  судно поддержки с А - образной опорой для спуска и поднятия траншеекопателя. На вспомогательном судне также расположены все системы управления траншеекопателем.

 

Засыпка траншеи  трубопровода

Естественная засыпка  траншеи, вызванная, например, перемещением отложений под действием волн и течений, будет происходить вдоль некоторых участков погруженного в траншею трубопровода. Однако принудительная или искусственная засыпка потребуется в районах, где необходима активная защита трубопровода, к примеру в местах выхода трубопровода на берег.

3. Каменная наброска

Каменная наброска — это  использование грубого гравия и  небольших камней для локального изменения рельефа морского дна, таким образом предоставляющего поддержку трубопровода для обеспечения долгосрочной целостности.

Засыпка гравия используется как основной метод для исправления свободных пролетов. Размещение гравия производится с применением материала, добываемого в карьерах. Типы работ по каменной наброске, проводимые при работах на морском дне, включают формирование гравийных опор (до укладки и после укладки) гравийную засыпку (после укладки).

На Рис.6 показано специальное судно с подающей трубой для каменной наброски и подающая труба, посредством которой на дне формируется гравийная опора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подающая труба, распределющая грунт вокруг трубопровода (Рис. 6).

Горные породы  падают через трубу, которая проходит через толщу воды. Форма каждой гравийной опоры тщательно продумана инженерами для минимизации объема используемого гравия. Форма гравийного наполнителя зависит от состояния морского дна (типа и несущей способности отложений), локальной батиметрии, течений и т.п. Нижний конец подающей трубы оборудован датчиками и насадками для образования на дне гравийных опор точно заданной формы.

Гравийные работы подразделяются следующим образом:

• Гравийные опоры для исправления свободных пролетов (до и после укладки)
• Гравийные опоры для обеспечения дополнительной устойчивости трубопровода после прокладки труб (для определенных участков)
• Гравийное основание в местах, где секции сварены (стыки)
• Гравийные опоры для точек пересечения кабелей.

4. Опорные конструкции

Геотехнические проблемы устойчивости могут возникнуть в областях с покатым дном или мягкой глиной с малой несущей способностью. В этих зонах проводятся дополнительные работы по отвалу грунта как противозаполнитель вокруг необходимых горных уступов, как показано на Рис. 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Компенсирующая  засыпка (красная и синяя) для  обеспечения дополнительной устойчивости (Рис. 7).

При определенных условиях морского дна, например, на участках с  мягкой глиной малой несущей способности, устойчивости за счет каменной наброски добиться невозможно, поскольку нагрузка гравия превосходит несущую способность нижележащего грунта. В таких условиях могут потребоваться особые опорные конструкции в сочетании с каменной наброской. Точные характеристики таких конструкций еще предстоит выработать, на Рис. 3.5 изображен один из концептуальных образцов. Данный образец конструкции может состоять из базовой стальной конструкции и двух легких складных опорных башмаков, соединенных петлями. Поверх опорных башмаков устанавливается несколько труб из легкого полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), наполненных заполнителем. Эта структура будет сверху покрыта слоем гравия, на который и будет укладываться трубопровод. Минимальные требуемые габариты: 11 м х 18 м. [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

Опорная конструкция, построенная из складных опорных  башмаков, труб из ПЭВП, наполненных  заполнителем, и гравия (Рис. 8).

 

Укладка труб

Укладка труб производится трубоукладочными судами как якорного типа, так и с динамическим позиционированием. Судно с динамическим позиционированием удерживается на месте при помощи подруливающих устройств, постоянно противодействующих силам, воздействующим на судно со стороны трубопровода, волн, течения и ветра, и таким образом укладка труб не вызывает нарушения среды морского дна.

Если укладку производит трубоукладочное судно якорного типа, якоря могут вызвать нарушение среды морского дна. Трубоукладочное судно якорного типа контролируется 12 якорям и весом 25 тонн каждый. Независимые якорные буксиры перемещают якоря, которые подсоединены напрямую и контролируются посредством нескольких кабелей и лебедок. Буксиры  размещают якоря на морском дне вокруг трубоукладочного судна, обеспечивая его продвижение вперед. Схема размещения якорей показана на Рис. 9.

На этих судах обетонированные секции труб длиной 12,2 м каждая свариваются в единую нитку газопровода. После этого сварочные швы проверяются неразрушающим методом, производится монтажное соединение и трубопровод опускается на морское дно. Во время этого процесса необходимо следить за тем, чтобы поставка труб производилась в правильной последовательности – в зависимости от типа стали, толщины, наличия ограничителей лавинного смятия или анодов.

Трубоукладочные суда могут производить работы только на глубине не менее 10-20 м (в зависимости от типа судна), при отсутствии льда на поверхности воды и при хороших погодных условиях. Процесс трубоукладки прекращается, когда высота волн превышает 3,5 метра. В среднем трубоукладочные суда могут укладывать 2,5 км газопровода в сутки. Для районов береговых пересечений используются плоскодонные трубоукладочные суда, предназначенные для работы на мелководье.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема размещения якорей на морском дне по мере продвижения

трубоукладочного судна вперед (Рис. 9).

 

Процесс трубоукладки

1. Трубы выгружаются с транспортных судов и складируются на площадках, расположенных по обеим сторонам трубоукладочного судна. Доставка труб осуществляется по графику,позволяющему обеспечить постоянное наличие достаточного количества труб на судне.

2. При подготовке труб к сварке их торцы обрабатываются для подготовки требуемой геометрии кромок. До подачи на станцию сварки двухтрубных плетей трубы очищаются изнутри сжатым воздухом.

3. На станции сварки двухтрубных плетей две 12-метровых трубы выравниваются и свариваются в двухтрубную плеть длиной 24 м. Затем двухтрубные плети будут соединены с основной ниткой трубопровода.

4. Каждый миллиметр сварного стыка  двухтрубной плети подвергается неразрушающему испытанию.

5. После процедуры неразрушающего контроля двухтрубная плеть подается на основную монтажную линию, где производится ее очистка изнутри. Для подготовки к сварке с основной ниткой торцы плети подвергаются предварительному нагреву.

6. Обработанная двухтрубная плеть соединяется с торцом нитки трубопровода с помощью полуавтоматической сварки.

7. Сварной стык двухтрубной плети, приваренной к основной нитке трубопровода, также проходит проверку ультразвуком.

8. На прошедший проверку сварной стык по всей его ширине устанавливается термоусадочная манжета для защиты от коррозии. Затем на стык устанавливается и закрепляется форма, в которую заливается полиуретановая пена. Пена застывает и обеспечивает механическую защиту термоусадочной манжеты.[4].

 

Эксплуатация 

1. Техническое обслуживание и ремонт

Работы по техническому обслуживанию включают обслуживание и инспекцию трубопровода для обеспечения надежной транспортировки в течение всего срока эксплуатации путем поддержания соответствия сертификационным требованиям.

Трубопровод оснащают системой неотложного ремонта, которая включает в себя комплекс процедур, оборудование и материалы, договоры с транспортными и ремонтными компаниями, а также соглашения с ответственными органами о необходимых разрешениях на проведение работ в различных странах и территориальных водах.

 

Инспекция внешнего состояния трубопровода

Для гарантии целостности системы организовывают проведение контрольных инспекции по всей длине трубопровода. В процессе инспекций проверяется положение трубопровода на грунте и наличие повреждений внешней поверхности. Кроме того, производится замер анодного потенциала, предназначенного для коррозионной защиты. Инспекции проводится с инспекционного судна, оснащенного датчиками различного типа, камерами, сканерами, предназначенными для проверки общего состояния трубопровода и обнаружения возможных утечек. Это оборудование обычно устанавливается на дистанционно управляемых аппаратах, то есть на автоматических мобильных подводных роботах, управление которыми осуществляется с инспекционного судна. Для контрольной инспекции одного трубопровода требуется срок от двух до трех месяцев.

 

 

 

Внутренняя инспекция  (дефектоскопия) трубопровода

Внутренняя инспекция трубопровода на этапе эксплуатации производится с помощью диагностических устройств (или так называемых интеллектуальных поршней), которые по очереди запускаются с береговых сооружений,  проходят по всей длине трубопровода под давлением газа, а затем принимаются и извлекаются на другой стороне.

Используются интеллектуальные поршни двух основных типов. Принцип обнаружения первого из них основывается на измерении магнитного потока в толще стенки трубы и его изменений при наличии в стенке дефектов. С помощью другого прибора измеряется положение и форма трубопровода (цилиндричность и возможные деформации). [5].

Примеры дефектоскопов. Калиброванный дефектоскоп в  камере для запуска (слева); обычный  дефектоскоп для внутренней инспекции (справа).

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Нефтегазовая вертикаль // Эксплуатация морских трубопроводов. – 2008 - №6. – С. 36-38.
2. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2010 - №10.
3. Нефтегазовое технологии // Проект «Nord stream». – 2009 - №8. – С. 53-55.
4. www.nordstream.ru
5. www.ttn.ru
6. Дефектоскопия. – 2009 - №4. – С. 85-94.
7. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеродного сырья. – 2009 - №2. – С. 3-10.
8. Нефть и капитал. – 2008 - №6. – С. 60-65.