«И. А. Томарева КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Учебное пособие Волгоград. ВолгГАСУ. 2014 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

И. А. Томарева

КОНСТРУКТИВНЫЕ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДВОДНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ

Учебное пособие

Волгоград. ВолгГАСУ. 2014 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», УДК 621.644.07(204.1)(075.8) ББК 39.71я Т Р е ц е н з е н т ы:

О. В. Бурлаченко, заведующий кафедрой технологии строительного производства ВолгГАСУ, доктор технических наук, профессор;

Ю. П. Сердобинцев, заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов ВолгГТУ, доктор технических наук, профессор Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Томарева, И. А.

Т56 Конструктивные и технологические особенности строительства подводных трубопроводов [Электронный ресурс] : учебное пособие / И. А. Томарева;

М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т. — Электронные текстовые и графические данные (16 Мбайт). — Волгоград :

ВолгГАСУ, 2014. — Учебное электронное издание сетевого распространения. — Систем. требования: PС 486 DX-33; Microsoft Windows XP; Adobe Reader 6.0;

Internet Explorer 6.0 — Официальный сайт Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Режим доступа:

http://www.vgasu.ru/publishing/on-line/ — Загл. с титул. экрана.

ISBN 978-5-98276-671- Содержатся теоретические сведения по дисциплине «Подводные трубопроводы».

Для студентов направления «Технологические машины и оборудование» всех форм обучения.

Для удобства работы с изданием рекомендуется пользоваться функцией Bookmarks (Закладки) в боковом меню программы Adobe Reader.

Имеется печатный аналог (Томарева, И. А. Конструктивные и технологические особенности строительства подводных трубопроводов: учебное пособие / И. А. Томарева ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т. — Волгоград : ВолгГАСУ, 2014. — 113, [3] с.) УДК 621.644.07(204.1)(075.8) ББК 39.71я ISBN 978-5-98276-671- © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………... 1. Общие сведения о подводных трубопроводах………………………..... 2. Конструктивные особенности подводных трубопроводов……………. 2.1. Конструктивные схемы размещения подводных трубопроводов… 2.1.1. Заглубленная схема………………………………………………. 2.1.2. Незаглубленная схема…………………………………………… 2.1.3. Подвешенный трубопровод……………………………………... 2.2. Конструкции, применяемые для подводных газонефтепроводов… 2.2.1. Однотрубная конструкция………………………………………. 2.2.2. Трубопровод в защитном кожухе………………………………. 2.2.3. «Труба в трубе»………………………………………………….. 2.2.4. «Труба в трубе» с цементно-песчаным заполнением…………. 2.2.5. Многофункциональный трубопровод………………………….. 3. Технология укладки подводных трубопроводов……………………….. 3.1. Технология прокладки подводных трубопроводов способом протаскивания…………………………………………………………………… 3.1.1. Технологические схемы протаскивания трубопроводов……… Схема 1. Протаскивание трубопровода полной длины………………. Схема 2. Протаскивание трубопровода с изменением направления тягового троса………………………………………………………………… Схема 3. Протаскивание трубопровода последовательным наращиванием………………………………………………………………………… Схема 4. Протаскивание трубопровода с заливкой внутрь него воды Схема 5. Протаскивание трубопровода с перестановкой тяговой Схема 6. Протаскивание трубопровода с помощью дополнительной лебедки………………………………………………………………………...

Схема 7. Протаскивание трубопровода с перепусканием тягового троса и подтягиванием второй линии……………………………………….. Схема 8. Протаскивание трубопровода с перепасовкой троса над поверхностью воды……………………………………………………………… Схема 9. Протаскивание трубопровода с помощью двух лебедок, Схема 10. Протаскивание морских трубопроводов на глубине……… Схема 11. Протаскивание морских трубопроводов на глубине перемещением по дну…………………………………………………………….. 3.1.2. Конструкции спусковых дорожек и механизмы для протаскивания трубопроводов……………………………………………………….. 3.2. Технология прокладки подводных трубопроводов с поверхности 3.2.1. Укладка трубопроводов, обладающих положительной плавучестью………………………………………………………………………... 3.2.2. Технологические схемы укладки подводных трубопроводов с поверхности воды без использования трубоукладочных судов и барж Схема 1. Укладка плавающего трубопровода с помощью заливки Схема 2. Укладка трубопровода с поверхности воды с использованием понтонов………………………………………………………………. Схема 3. Укладка трубопровода с использованием продольного 3.2.3. Технологические схемы укладки подводных трубопроводов с использованием трубоукладочных судов и барж……………………….. Схема 1. Укладка трубопровода с помощью судна, оборудованного барабаном, на который намотан участок трубопровода…………………. Схема 2. Укладка трубопровода с помощью специализированных Схема 3. Укладка трубопровода с использованием длинномерных Схема 4. Укладка трубопровода конструкции «труба в трубе»…… 3.3. Технология прокладки подводных трубопроводов методом горизонтально направленного бурения…………………………………………. 4. Выбор оптимальных трасс подводных трубопроводов……………….. 5. Технология монтажных работ при строительстве подводных трубопроводов……………………………………………………………………... 5.1. Сварочно-монтажные работы……………………………………….. 5.2. Защита подводных трубопроводов от коррозии…………………… 5.2.1. Антикоррозийные покрытия трубопроводов трассового нанесения………………………………………………………………………… Комбинированные мастично-ленточные покрытия……………. 5.2.2. Антикоррозийные покрытия трубопроводов заводского нанесния………………………………………………………………………... Комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие………. 5.3. Балластировка подводного трубопровода………………………….. 5.3.1. Балластировка с помощью утяжеляющих грузов……………… 5.3.2. Балластировка с помощью обетонирования…………………… 5.3.3. Балластировка с использованием полимерно-контейнерных 5.3.4. Расчет пригруза подводных трубопроводов…………………… 6. Основные требования к безопасности подводных трубопроводов.

Анализ причин аварий на морских трубопроводах………………………. 7. Диагностирование и прогнозирование технического состояния подводных трубопроводов……………………………………………………… 7.1. Методы диагностики, основанные на контроле параметров……… 7.2. Методы электромагнитного контроля……………………………… 7.2.1. Очистные скребки типа СКР1 и СКР1-1……………………….. 7.3. Метод оценки надежности на основе вероятностностатистических методов……………………………………………………. 8. Организация ремонта подводных трубопроводов…………………….. 8.1. Планово-предупредительный и текущий ремонты………………… 8.2. Аварийно-восстановительный ремонт……………………………… 9. Техника безопасности труда и экологическая безопасность при строительстве подводных трубопроводов………………………………… 9.1. Техника безопасности труда при строительстве и эксплуатации 9.2. Обеспечение экологической безопасности при строительстве и эксплуатации трубопроводов…………………………………………….. Список рекомендуемой литературы……………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Постепенное истощение запасов нефти и газа на суше и обострение мирового энергетического кризиса обусловило необходимость все более широкого освоения морских нефтегазовых ресурсов морского дна, в недрах которого сосредоточено почти в три раза больше нефти и газа, чем на суше.

Около 22 % площади Мирового океана (примерно 80,6 млн км2) занимает водная окраина материков, состоящая из трех зон: шельфа, материкового склона и подножья. Из общей площади дна морей и океанов перспективны на нефть и газ около 75 млн км2 (примерно 21 %), в том числе на шельфе — 19,3 млн км2, на материковом склоне — 20,4 млн км2 и в пределах материкового подножья — 35 млн км2. Наиболее доступной является шельфовая зона.

Освоение морских месторождений началось в 1824 г., когда на шельфе Апшеронского полуострова в районе Баку в 25…30 м от берега стали сооружать изолированные отводы (нефтяные колодцы) и вычерпывать нефть из неглубоко залегающих горизонтов.

Нефтегазовые месторождения в прибрежной зоне Каспийского моря начали осваиваться более 100 лет назад. С 1891 г. в США стали продаваться участки моря, на дне которых были обнаружены запасы углеводородного сырья. В эти же годы на Калифорнийском побережье началось бурение наклонных скважин, достигающих залежей нефти на расстоянии 200 м от берега. В 1936 г. на шельфе Каспийского моря, а с 1947 г. — на шельфе Мексиканского залива стали устанавливать буровые платформы на свайном основании.

В настоящее время перед Россией стоит задача промышленного освоения запасов нефти и газа на континентальном шельфе. Она располагает 22 % площади шельфа Мирового океана, 80…90 % из которого считаются перспективными для добычи углеводородов.

Около 85 % запасов топливно-энергетических ресурсов приходится на шельф арктических морей, 12 %, а по некоторым данным — 14 %, приходится на шельф дальневосточных морей, остальное — на шельфы Каспийского, Азовского и Балтийского морей.

В последние годы в акватории Западной Арктики открыто месторождений нефти и газа и 2 газоконденсатных, среди которых 4 гигантских по запасам: Штокмановское — газоконденсатное; Ленинградское, Русановское — газовые; Приразломное — нефтяное.

При эксплуатации морского месторождения одним из основных вопросов является выбор способа транспортировки добываемой продукции. Сегодня углеводороды транспортируют либо танкерами, либо по трубопроводам. Эффективность транспортирования нефти и газа по подводным трубопроводам, по сравнению с используемыми для этих целей танкерами, достигается за счет:

отсутствия влияния погодных условий;

возможности дистанционного управления;

малой вероятности загрязнения окружающей среды;

возможности непрерывного транспортирования нефти и газа;

использования трубопроводов для хранения перекачиваемой продукции скважин.

Освоение морских месторождений требует сооружения разветвленной трубопроводной сети, включая системы нефтегазосбора, обратной закачки жидкостей в нефтегазоносные пласты, транспортировки сырья от месторождения к береговым сооружениям в сложных гидрометеорологических условиях. По каждому району строительства необходимо вести дифференцированную оценку условий строительства, тщательно подбирать технологии и технические средства прокладки трубопровода, предусматривать возможные критические условия эксплуатации объекта.

Специфические особенности проектирования и сооружения трубопроводов связаны с их назначением, географическим местоположением района укладки, береговыми условиями и характеристикой морского дна, силой морских течений, режима судоходства и т. п. Исходя из этих условий выбираются диаметр, толщина стенки трубопровода и сорт стали, используемой при изготовлении труб.

С учетом того, что все нефтегазоносные морские месторождения находятся в замерзающих морях, необходимо формирование нового направления в проектировании и строительстве трубопроводов.

В настоящее время существует целый ряд актуальных вопросов проектирования трубопроводов, требующих своего решения. Это, прежде всего, выбор оптимального расположения конструкции трубопровода под водой по различным критериям:

безопасность эксплуатации, экологичность, стоимость конструкции, технологичность и т. п.;

выбор материала труб, защитного покрытия и электрохимической защиты;

продольная и поперечная устойчивость конструкции с учетом воздействия подводных течений;

обеспечение целостности и проходного сечения;

защита от коррозии и эрозии; сварка и неразрушающий контроль в процессе монтажа;

диагностика и мониторинг;

технологические режимы перекачки нефти, природного газа или газового конденсата при высоком внутреннем давлении;

прочность и устойчивость первоначальной формы равновесия цилиндрических оболочек трубопроводов и другие технологические и экологические аспекты.

Некоторые вопросы достаточно сложны и ответы на них просто отсутствуют как в отечественных литературных источниках, так и в зарубежных. Типичным примером таких проблем является расчет напряженно-деформированного состояния оболочки трубопровода в процессе укладки на большие глубины.

Многие технические решения не имеют строгого научного обоснования и нуждаются в проведении специальных теоретических и экспериментальных исследований.

Однако даже очень хорошо изученные вопросы (например, расчет толщины стенки трубопровода на действие внутреннего давления) нельзя считать окончательно решенными. Нормы разных стран предусматривают применение различных значений одних и тех же коэффициентов (коэффициентов надежности и безопасности) в аналогичных расчетных моделях. Связано это с различными подходами к оценке оптимального уровня безопасности, качеством производства строительных работ, особенностями эксплуатации и стоимостью.

О ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

Трубопроводный транспорт газа, газоконденсата нефти и нефтепродуктов в настоящее время является основным средством доставки этих продуктов от мест добычи, переработки или получения к местам потребления. Различают проложенные по суше и подводные трубопроводы.

Подводными называют трубопроводы, предназначенные для транспортировки нефти, газа, нефтепродуктов, газоконденсата, укладываемые ниже уровня свободной поверхности морей и различных водоемов, например, озер. Конструктивные формы, методы расчетов и технология строительства подводных трубопроводов существенно отличаются от сухопутных.

Существует несколько видов подводных трубопроводов. Различия определяются, в основном, целевым назначением, а именно:

нефтепроводы — для перекачки нефти; продуктопроводы — для перекачки продуктов переработки нефти (бензин, керосин, дизтопливо); газопроводы — для перекачки газа как в газообразном, так и в сжиженном состоянии. В зависимости от задач, решаемых при транспортировке нефти и газов, подводные трубопроводы делят на магистральные, внутрипромысловые, отводы, распределительные.

1. Под магистральными понимаются трубопроводы, по которым нефть и газ перекачиваются от мест их добычи до мест потребления на большие расстояния. Такие трубопроводы обычно перекачивают нефть или газ, собранные с одного или нескольких месторождений. Поэтому их диаметр обычно превышает 0,5 м, а давление перекачиваемого продукта достигает 100…250 атм. Примером магистральных подводных трубопроводов могут служить:

газопровод «Голубой поток», проложенный через Черное море; газопроводы из Алжира во Францию, проложенные через Средиземное море; несколько газопроводов с месторождений Северного моря в Норвегию и Англию; нефтепровод через Балтийское море из России в Германию, строительство которого осуществляется в настоящее время.

2. Внутрипромысловыми называют трубопроводы, которые предназначаются для сбора нефти и газа от отдельных скважин или кустов скважин и доставки их к пункту первичной обработки или подачи продукта на головную насосную или компрессорную станцию для закачки в магистральный трубопровод.

3. Отводами называют трубопроводы, подсоединяемые к магистральному трубопроводу с целью отбора нефти или газа для каких-либо нужд.

4. Под распределительными понимаются трубопроводы, предназначенные для распределения нефти, нефтепродуктов или газа по нескольким потребителям. Обычно это трубопроводы малого диаметра.

В зависимости от того, какой водоем пересекают подводные трубопроводы, они получают соответствующее название:

речные;

болотные;

морские.

Подводные трубопроводы, полностью пересекающие водную преграду в составе магистрального трубопровода, называются переходами трубопроводов через соответствующую водную преграду.

Подводным переходом называется гидротехническая система сооружений одного или нескольких трубопроводов, пересекающая водные преграды, при строительстве которой применяются специальные методы производства подводно-технических работ.

Трубопроводы, прокладываемые на пойменных участках рек, следует также относить к категории подводных, так как при эксплуатации во время паводка они будут находиться под водой. При проектировании и строительстве таких трубопроводов необходимо соблюдать те же требования, что и при сооружении подводных трубопроводов.

Трубопроводы, прокладываемые через ручьи и речки шириной до 10 м, глубиной менее 1,5 м, не относятся к подводным переходам, так как при их сооружении и ремонте не требуется специальное подводно-техническое оборудование.

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

2.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ

ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

По расположению трубопровода в акватории относительно дна (или поверхности воды) различают трубопроводы (рис. 1):

заглубленные в грунт;

расположенные на дне без обвалования;

с обвалованием;

расположенные в водной среде, т. е. ниже поверхности воды и выше поверхности дна.

Рис. 1. Схема положений подводного трубопровода: 1 — заглубленный в грунт; 2 — на дне; 3 — в обваловке на дне; 4 — в воде Каждая из этих схем выбирается в зависимости от конкретных условий, таких как глубина воды, возможность повреждения незаглубленного трубопровода (это, пожалуй, самое главное), вид грунта на дне водоема, наконец, возможность выполнения строительства по той или иной схеме. Например: большая глубина, грунт дна скальный. В этом случае рытье подводной траншеи при схеме 1, если невозможно вообще, то крайне сложно в любом случае.

Рассмотрим конструктивные особенности каждой из схем.

Заглубленный трубопровод (рис. 2). Основное условие для этой схемы — заглубление трубопровода ниже прогнозируемой глубины размыва дна водоема на расчетный период эксплуатации. Кроме того, необходимо учитывать возможность повреждения труб якорями, волокушами и тому подобными предметами, опускаемыми или бросаемыми на дно водоема проходящими или работающими в данном районе водоема судами.

Рис. 2. Схема заглубленного трубопровода: а — укладка ниже глубины размыва грунта; б — укладка на глубине размыва грунта: 1 — труба; 2 — изоляция; 3 — утяжеляющее покрытие; 4 — каменная наброска При укладке трубопровода ниже предельной глубины размыва грунта hр (см. рис. 2, а) какой-либо дополнительной защиты труб от механических повреждений не требуется. Конструкция трубопровода будет наиболее простой: труба 1, имеющая расчетную толщину стенки, покрывается антикоррозийной изоляцией 2; если трубопровод имеет положительную плавучесть, то труба оснащается утяжеляющими грузами или утяжеляющим покрытием 3.

Если трубопровод находится на глубине h < hя или h < hр, где hя — глубина проникновения в грунт якорей, волокуш и т. п., то для защиты труб от возможных механических повреждений применяют либо усиленное защитное покрытие самих труб, например, железобетонной оболочкой, либо крепление поверхности грунта над трубопроводом каменной наброской 4, бетонными плитами и т. п. (см. рис. 2, б).

Применение этой схемы (рис. 3) допустимо только в условиях, полностью исключающих глубокие размывы грунта под трубопроводом. Поэтому укладка трубопровода по этой схеме возможна лишь в случае очень плотных или скальных грунтов, не размываемых потоком воды при максимальных скоростях потока, зарегистрированных в месте укладки трубопровода. Если это условие не будет выполнено, т. е. если трубопровод на участке длиной lр окажется провисшим, то, как правило, он начинает колебаться. При определенных условиях возникает резонансный режим колебаний и тогда становится неизбежным разрушение труб.

Рис. 3. Схема незаглубленного трубопровода: а — сплошное бетонирование; б — в насыпи; в — в насыпи с защитным покрытием; г — в монолитной защитной форме Если опасности механических повреждений якорями в месте укладки нет, то обеспечение неразмываемости грунта и защиты труб от коррозии еще не гарантирует их эксплуатационную надежность при укладке труб на дне. Поскольку давление продукта в трубопроводе и его температура могут изменяться в процессе эксплуатации, то незакрепленный трубопровод может смещаться как в продольном, так и поперечном направлениях. Вследствие этого может разрушиться изоляционное покрытие, обычно имеющее малую механическую прочность, после чего начинается быстрое коррозионное разрушение труб. Поэтому при незаглубленной схеме укладки трубы должны быть покрыты не только антикоррозийной изоляцией, но и защитным покрытием от механических повреждений. Таким покрытием может быть сплошное бетонирование (см. рис. 3, а), а также различного рода обвалования и защитные конструкции (см. рис. 3, б, в, г).

Если имеется опасность повреждения труб якорями судов, то защитные конструкции, показанные на рис. 3, должны быть рассчитаны также и на механическое воздействие якорей, волокуш и т. п.

2.1.3. Подвешенный трубопровод Трубопровод представляет собой жесткую нить, подвешенную на опорных устройствах. Опорные устройства могут быть двух типов: опирающиеся на дно (рис. 4, а) и плавающие на поверхности воды (рис. 4, б).

Рис. 4. Схема подвешенного трубопровода:

опорные устройства плавают на поверхности воды Если трубопровод имеет отрицательную плавучесть, то для стабилизации его положения при больших глубинах целесообразны плавучие опоры, к которым на гибких тросах подвешивается трубопровод.

При положительной плавучести, например, в случае подводных газопроводов, гибкое крепление целесообразно крепить к дну водоема.

Схема подвешенного трубопровода делает его уязвимым для воздействия течений и волн, а также для якорных цепей, рыболовных снастей и т. п. Эта схема применима только в случае, если полностью исключается возможность такого контакта, а силовое воздействие потока (течения) не будет опасным для трубопровода.

2.2. КОНСТРУКЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ДЛЯ ПОДВОДНЫХ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ

Простейшей формой является так называемая однотрубная конструкция. Она представляет собой изготовленную из прочной стали или пластмассы трубу, несущую (или воспринимающую) рабочую нагрузку (внутреннее и внешнее давления, изгибающие моменты, растяжение, сжатие). Труба защищается различными покрытиями от коррозии и внешних силовых воздействий. На рис. 5 показана конструкция такой трубы, защищенной антикоррозийной изоляцией 1, защитным покрытием 2 и утяжелителями 3.

Рис. 5. Однотрубные конструкции: а — изолированная; б — утяжеленная грузами; в — со сплошным бетонированием: 1 — изоляция; 2 — защитное покрытие; 3 — утяжелители 2.2.2. Трубопровод в защитном кожухе Более сложные формы труб. Для более надежной защиты трубопровода от внешних воздействий рабочую трубу 1 (рис. 6), по которой перекачивается газ, нефть или какой-либо иной продукт, помещают в защитном металлическом или пластмассовом кожухе 2. В случае разрыва в каком-либо сечении внутренней трубы 1 перекачиваемый продукт не попадет в водоем.

Для транспорта сильно охлажденных продуктов (сжиженного аммиака) или для горячих нефтепродуктов (сильно подогретой высоковязкой быстро застывающей нефти) применяют конструкцию теплозащитных труб по схеме «труба в трубе». Такая конструкция показана на рис. 7. Труба имеет довольно сложную форму; состоит из нескольких оболочек (слоев), каждый из которых играет определенную роль в обеспечении транспортировки перекачиваемого продукта. Из подписей к рис. 7 понятно назначение каждого слоя.

В зависимости от диаметра рабочего трубопровода, вида перекачиваемого продукта и его температуры изменяются и размеры диаметра кожуха, теплозащитных слоев, утяжеляющих покрытий. Но основой является внутренняя рабочая труба. Наружная труба из пластических материалов играет лишь роль опалубки, удерживающей от внешних воздействий заполнитель межтрубного пространства. Наружная труба и теплозащитные слои создают наиболее благоприятные условия для работы внутренней. Однако в случае разрыва внутренней трубы, неизбежна остановка в работе трубопровода или снижение давления, так как наружная труба-кожух может воспринимать лишь незначительную часть внутреннего давления.

Рис. 7. Схема трубопровода «труба в трубе»: а — конструкция подводного конденсатопровода: 1 — чугунные грузы; 2 — деревянная рейка: 3 — антикоррозийная изоляция; 4 — стальной кожух 720 18 мм; 5 — деревянная рейка; 6 — антикоррозийная изоляция; 7 — конденсатопровод 377 15 мм;

б — предварительно напряженный аммиакопровод: 1 — армированное бетонное покрытие толщиной 50,8 мм; 2 — антикоррозийная изоляция (каменноугольная эмаль 3,95 мм, два слоя стеклоткани и слой асбеста);

3 — стальной кожух 406 8,7 мм; 4 — шесть деревянных реек для защиты изоляции; 5 — теплоизоляция из пенопласта толщиной 38 мм; 6 — аммиакопровод из бесшовной трубы 273 7 мм; 7 — охлаждающий трубопровод диаметром 38 мм; 8 — обоймы с шарикоподшипниками; в — конструкция подводного трубопровода:

1 — стальная труба 456 12,7 мм; 2 — пенополиуретан; 3 — стальной кожух диаметром 560 мм; 4 — антикоррозийная изоляция (каменноугольная эмаль 1,6 мм, армированная стеклотканью); 5 — утяжеляющее покрытие Для более полного использования несущей способности внутренней и наружной труб можно заполнять межтрубное пространство цементно-песчаным раствором 2 (рис. 8). Внутренняя труба 1 покрывается антикоррозийной изоляцией и вставляется в наружную трубу 3, которая также имеет антикоррозийную изоляцию и защитное покрытие. Для создания равномерного зазора между внутренней и наружной трубами устанавливают упругие пластины 4.

Рис. 8. «Труба в трубе» с цементно-песчаным заполнением: 1 — внутренняя труба; 2 — цементно-песчаный раствор;

Пространство между обеими трубами заполняется цементнопесчаным раствором, который после отвердения жестко соединяет внутреннюю и наружную трубы. В результате получается монолитная двухтрубная конструкция, способная выдерживать значительно большее внутреннее давление, чем двухтрубная конструкция без такого заполнителя.

Заполнение межтрубного пространства позволяет наилучшим образом решить проблему утяжеления трубопровода, так как цементнопесчаный раствор одновременно является и утяжелителем. Нужно лишь соответствующим образом подобрать соотношение наружного и внутреннего диаметров труб, а также толщины стенок обеих труб.

Процесс заполнения межтрубного пространства цементнопесчаным раствором может выполняться как до укладки трубопровода в траншею, так и после его укладки, что зависит от конкретных условий строительства.

Кроме того, двухтрубная с цементным заполнением межтрубного пространства труба может собираться из секций, полностью подготовленных в заводских условиях или на трубоукладочном судне.

2.2.5. Многофункциональный трубопровод В связи с развитием подводного морского трубопроводостроения в последнее время начали применять сложные конструктивные схемы сечений труб. На рис. 9 показана схема многофункционального трубопровода.

Как видно из рисунка, многофункциональный трубопровод включает несущую трубу 6, по которой перекачивается нефть или газ. Эта труба рассчитывается на внешнее давление воды и внутреннее давление от перекачиваемого продукта. Вокруг основной трубы могут размещаться трубы малого диаметра 2, 3, 7, по которым могут транспортироваться вспомогательные жидкие и газообразные продукты. Кроме того, вокруг основной трубы 6 могут укладываться кабели электрические и кабели связи 4 с автоматизированными системами управления подводными силовыми агрегатами и управляющими устройствами. Весь набор (основная 6 и вспомогательные трубы 2, 3, 7, кабели 4) находятся внутри водонепроницаемого кожуха 1, изготавливаемого из пластичных материалов.

Внутреннее пространство заполняется материалом 5, фиксирующим все трубы в заданном положении. Конечно, такая конструкция очень сложна и дорогостояща. Но она экономит ряд операций по укладке различных труб и кабелей, объединив их в одну.

3. ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ

ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

В настоящее время существуют следующие технологии укладки трубопроводов на дно: 1) протаскивание по дну; 2) с поверхности воды; 3) методом горизонтально-направленного бурения.

Эти технологии имеют много способов практической реализации. Основные из них будут рассмотрены в данном разделе.

3.1. ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ ПРОТАСКИВАНИЯ

Суть способа протаскивания заключается в следующем:

1. На берегу моря (или другого водоема) устраивается спусковая дорожка, по которой подготовленный к укладке трубопровод будет перемещаться с берега под воду по подводной траншее. Это может быть либо выровненное дно, либо вырытая траншея.

2. На берегу рядом со спусковой дорожкой подготавливается к укладке трубопровод, общая длина которого должна быть не менее длины подводной траншеи или выровненного дна, если трубопровод укладывается без заглубления.

3. Перед укладкой трубопровод помещается на спусковую дорожку.

4. Производится испытание трубопровода на прочность внутренним давлением.

5. Прокладывается тяговый трос строго по курсу движения трубопровода.

6. Трубопровод протаскивается по дну усилием, создаваемым специальными техническими средствами (трактор, лебедка, трубоукладочное судно).

7. Осуществляется обследование уложенного трубопровода с помощью водолазов или телевизионными приборами.

8. Производится закрепление уложенного трубопровода специальными анкерами, различными грузами, засыпкой грунтом или щебнем, защита бетонными плитами или скорлупами. В каждом конкретном случае обосновывается необходимость и достаточность того или иного способа закрепления.

9. Проводится повторное испытание прочности трубопровода внутренним давлением.

Рассмотрим далее технологии практической реализации приведенных шагов способа протаскивания подводного трубопровода и основные расчетные обоснования.

Протаскивание трубопроводов производится при пересечении какой-либо водной преграды. Такими преградами могут быть реки, озера, заливы, образующиеся на прибрежной территории морей, проливы между двумя отделенными друг от друга территориями.

Ширина водных преград может составлять и сотни метров, и несколько километров. В зависимости от ширины пересекаемой водной преграды могут применяться различные схемы протаскивания.

протаскивания трубопроводов Схема 1. Протаскивание трубопровода Ширина водной преграды позволяет протащить через нее трубопровод полной длины. При этом величина тягового усилия должна быть такой, чтобы протаскивание осуществлялось без остановки.

Эта схема сравнительно просто реализуется, если оба берега водоема имеют равнинный характер и позволяют разместить в створе подводной трассы трубопровод полной длины на одном берегу, а на другом берегу — тяговые средства (рис. 10).

Длина протаскиваемого трубопровода ограничивается размером площадок на обоих берегах водоема, а также тяговым усилием и наличием для его создания тяговых средств. Как показывает опыт, при большом числе тракторов или других самоходных тягачей трудно добиться синхронности их работы. Например, использование в качестве тяговых средств мощных тягачей (более пяти машин на одном тяговом тросе одновременно) из-за сложности синхронизации их работы не приводит к существенному увеличению тягового усилия. При кажущейся простоте схемы (рис. 10) именно это вызывает задержки и остановки протаскивания. Поэтому накануне протаскивания необходимо провести проверку согласованности в действиях машинистов и достаточности тяговых средств. Для этой цели укладываемый трубопровод несколько раз сдвигают с места с расстановкой тяговых механизмов такой же, как и во время протаскивания. Наибольшее усилие протаскивания возникает в момент трогания, поэтому при пробном трогании проверяется надежность тягового троса, креплений и достаточность тяговых средств.

Рис. 10. Схема протаскивания трубопровода через водоем ограниченной ширины: 1 — трубопровод; 2 — траншея;

Операция по протаскиванию облегчается применением тяговых лебедок большой грузоподъемности, предназначенных специально для протаскивания подводных трубопроводов.

Обычно при протаскивании используют один тяговый трос. Однако с увеличением диаметра и длины трубопровода усилие достигает таких значений, что для передачи его от лебедки или тягачей на трубопровод требуется трос, расчетный диаметр которого 50 мм и более. Выполнять такелажные работы с таким тросом сложно, поэтому применяют два, а при необходимости и большее число тросов. В этом случае необходимо развести тросы в разных направлениях, например, как показано на рис. 11. Каждая лебедка создает свое усилие, однако суммарное усилие, приложенное к оголовку трубы, должно быть равно усилию, необходимому для протаскивания.

Рис. 11. Схема протаскивания трубопровода с изменением направления движения тягового троса: 1, 9 — тягачи; 2, 8 — тросы; 3 — понтоны; 4 — трубопровод; 5 — анкер; 6 — блок; 7 — оголовок Схема 2. Протаскивание трубопровода с изменением направления тягового троса Протаскивание трубопровода осуществляется с изменением направления тягового троса на необходимый угол с помощью блока.

Эта схема применяется, когда на одном берегу можно разместить подготовленный к укладке трубопровод 1, а на другом устанавливаются лебедки (рис. 12, а). Тяговый трос 2 пропускается через поворотный блок 3, изменяя направление движения. Особое внимание уделяют закреплению поворотного блока 3, расчету и устройству анкерной опоры 4.

При пересечении водных преград, когда на одном из берегов невозможна установка лебедок (например, при большей крутизне берега), протаскивание осуществляют с исходного берега (рис. 12, б).

Рис. 12. Схема протаскивания трубопровода с изменением направления тягового усилия: а — с противоположного берега; б — с исходного берега: 1 — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3 — поворотный блок; 4 — анкерная опора На противоположном берегу устанавливают блок, с помощью которого изменяют направление движения тягового троса на 170…180°. Тяговый трос прокладывают по дну траншеи, пропускают через блок и перекидывают на исходный берег, где закрепляют его на тяговой лебедке. Как и в предыдущей схеме, особое внимание уделяют закреплению поворотного блока, расчету анкера и испытанию его несущей способности.

Для уменьшения тягового усилия можно устраивать спусковую дорожку или разгружать трубопровод, поднимая его трубоукладчиками во время протаскивания.

Схема 3. Протаскивание трубопровода последовательным наращиванием При незначительных размерах площадок в створе перехода, пригодных для строительно-монтажных работ на обоих берегах, протаскивание осуществляется с последовательным наращиванием укладываемого трубопровода 2 (рис. 13) из секций 1. Спусковую дорожку устраивают по длине отдельных плетей, а протаскивание производят тросом 3.

Рис. 13. Схема протаскивания трубопровода с последовательным наращиванием секций: 1 — секция; 2 — Схема 4. Протаскивание трубопровода Трубопровод укладывают протаскиванием с одновременной заливкой внутрь воды. Этот способ применяют при укладке нефтепроводов, если по условиям судоходства или иным причинам укладка их с поверхности не допускается.

Вода заливается в процессе протаскивания в специально сделанное отверстие в головной части трубопровода. На берегу трубопровод перемещают по спусковой дорожке или трубоукладчиками. При заполнении трубопровода водой тяговое усилие достигает наибольшей величины в конце протаскивания, когда весь трубопровод уходит под воду. Для уменьшения тягового усилия применяют разгружающие понтоны, которыми заранее оснащают трубопровод. Число понтонов определяют из расчета, чтобы общая отрицательная плавучесть (вес трубопровода в воде) создавала достаточную устойчивость на сдвиг от воздействия реки. Скорость протаскивания нефтепроводов с самозаливом определяется расчетом и зависит от диаметров трубопровода и отверстия, через которое вода поступает в трубу.

Схема 5. Протаскивание трубопровода с перестановкой тяговой лебедки на берегу При ширине водной преграды, превышающей канатоемкость барабана тяговой лебедки, укладку трубопровода можно выполнить с перестановкой тяговой лебедки на берегу, что исключает перепасовку троса и обеспечивает лучшие условия его эксплуатации. Эта схема возможна при пологом спланированном рельефе берега, но для ее осуществления необходимо устройство дополнительных анкерных опор при установке лебедки на новые позиции.

Существует аналогичная схема с установкой тяговых лебедок на барже. Тяговое усилие лебедки при протаскивании трубопровода воспринимается якорной системой баржи, включающей несколько якорей, масса которых зависит от тягового усилия. При слабых грунтах на участке перехода и значительном тяговом усилии вместо якорей используют якорные сваи, забиваемые в дно водной преграды. Верхние концы свай оборудуются захватами для якорных тросов баржи. Число якорных опор вдоль трассы трубопровода возрастает с увеличением протяженности перехода. При значительном тяговом усилии, достигающем несколько сотен тонн, может применяться поддерживающая баржа. Протаскивание трубопровода по этой схеме показано на рис. 14.

Рис. 14. Схема протаскивания трубопровода с применением поддерживающей баржи: 1 — понтоны; 2 — протаскиваемый трубопровод; 3 — соединительный трос; 4 — поддерживающая баржа; 5 — тяговый трос; 6 — баржа с тяговой лебедкой; 7 — якорный трос; 8 — якорные сваи Схема 6. Протаскивание трубопровода с помощью дополнительной лебедки Применяется при ширине водной преграды, превышающей канатоемкость тяговой лебедки. По этой схеме (рис. 15) с помощью дополнительной лебедки (дополнительного барабана с механическим или электрическим приводом) сматывают лишний трос с барабана тяговой лебедки. Эта схема используется при стесненных для установки лебедки условиях берегового рельефа.

Рис. 15. Схема протаскивания трубопровода с периодическим сматыванием троса с барабана дополнительной тяговой лебедки: 1 — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3, 4 — соединительные звенья тросов; 5 — тяговая лебедка; 6 — якорная опора; 7 — дополнительная лебедка Схема 7. Протаскивание трубопровода с перепусканием тягового троса Применяется как схемы 5 и 6 при ширине водной преграды, превышающей канатоемкость тяговой лебедки. Вместо замены и перепасовки троса на барабане тяговой лебедки производится перепускание тягового троса через блок на оголовке и подтягивание второй линии троса (рис. 16). Дополнительная лебедка должна обладать достаточной мощностью для подтягивания троса после заполнения барабана основной тяговой лебедки.

Рис. 16. Схема протаскивания трубопровода с подтягиванием второй линии троса: 1 — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3, 4 — соединительные звенья тросов; 5 — тяговая лебедка; 6 — якорная опора; 7 — вспомогательная лебедка; 8 — блок на оголовке трубопровода Схема 8. Протаскивание трубопровода с перепасовкой троса над поверхностью воды Укладка трубопровода выполняется протаскиванием с перепасовкой троса над поверхностью воды (рис. 17). Эта схема может быть использована при протаскивании подводного перехода в зимних условиях. Она была применена при укладке подводного трубопровода через реку Енисей. После протаскивания первых трех плетей общей длиной 1110 м возникла необходимость в перепасовке троса через блок для увеличения тягового усилия лебедки вдвое. Обычно вторичное закрепление троса к оголовку и перепасовка его через блок выполняется водолазами и на больших глубинах представляет собой сложную, связанную со значительными затратами времени, операцию. С помощью специального приспособления оголовок с блоком был поднят с глубины 36 м на поверхность льда (положение II), и все работы с перепасовкой троса выполнены на льду.

Приспособление представляет собой штангу, изготовленную из трубы диаметром 219 мм и длиной 48 м, шарнирно соединенную с передним концом протаскиваемого трубопровода. К другому концу штанги приварен оголовок из трубы диаметром 426 мм. Через отверстие в оголовке пропущен трос в виде петли для поднятия штанги.

После перепасовки троса штангу опустили на дно и продолжили протаскивание трубопровода.

Рис. 17. Схема протаскивания с перепасовкой троса над поверхностью воды: 1 — трубопровод; 2, 3 — шарниры; 4 — штанга; 5 — блок; 6 — тяговый трос Схема 9. Протаскивание трубопровода Протаскивание трубопровода осуществляется с помощью двух лебедок, установленных на барже (рис. 18). Использование этой схемы позволяет уменьшить число перестроповок на анкерной линии и увеличить длину протаскиваемой плети. Протаскивание производится в следующем порядке: вначале работает лебедка 3, которая подтягивает трубопровод к неподвижной барже, затем в работу включается лебедка 4, подтягивая одновременно трубопровод и баржу к берегу.

Рис. 18. Схема протаскивания двумя лебедками, установленными на барже: 1 — трубопровод; 2 — тяговый трос; 3, 4 — тяговые лебедки; 5 — баржа; 6 — анкерный трос; 7 — анкерная опора Схема 10. Протаскивание морских трубопроводов Применяется при укладке протаскиванием морских трубопроводов на глубинах от нескольких сотен метров до 1000 м и более, когда использование самых современных трубоукладочных барж становится экономически неэффективным. При укладке протаскиванием в таких условиях трубопровод почти не подвергается воздействию волн и течений и не испытывает напряжений от изгиба трубы по сравнению с укладкой трубопровода с трубоукладочных барж.

Укладку трубопровода от берега до глубины 1000 м целесообразно выполнять комбинированным способом: на континентальном шельфе и до глубин 200 м укладка ведется с трубоукладочной баржи, на глубинах от 200 до 1000 м трубопровод протаскивается. Поскольку соединение отдельных протаскиваемых плетей на больших глубинах весьма сложно и требует значительных затрат, длина плетей должна быть не менее протяженности глубоководного участка в пределах континентального склона, т. е. примерно 14…25 км. Очевидно, что протаскивание плети такой длины возможно только при минимальной отрицательной плавучести трубопровода 10…20 кг/м.

Протаскивание трубопровода в условиях небольших и средних глубин осуществляется лебедками, установленными на палубе баржи (см. схемы 5 и 9), тяговый трос проходит непосредственно от оголовка трубопровода к лебедке.

При укладке протаскиванием трубопроводов на больших глубинах от таких схем приходится отказываться из-за их неэффективности и невозможности регулировать горизонтальную составляющую усилия с баржи. На больших глубинах по предлагаемой схеме, показанной на рис. 19, протаскивание осуществляется циклически с использованием операций подъема и опускания тяжелых грузов — донных блоков 6 плавучими кранами.

Рис. 19. Схемы протаскивания трубопровода с подъемом донного груза: а — донный груз опущен, гидравлический зажим закрыт; б — цикл подъема донного груза, гидравлический зажим закрыт; в — цикл опускания донного груза, гидравлический зажим открыт: 1 — трубопровод; 2 — шарнирно соединенные секции труб для образования углубления в грунте; 3 — подъемный трос; 4 — крановое судно; 5 — анкерный трос; 6 — донный блок; 7 — гидравлический зажим Сначала прокладывают анкерный трос 5 на всю длину участка протаскивания с одним концевым анкером для исключения необходимости установки дополнительных анкеров в процессе протаскивания трубопровода. Трубопровод начинает перемещаться после подъема блока 6 примерно на 200 м от дна, скорость протаскивания возрастает с увеличением высоты подъема блока. Оптимальная высота подъема блока зависит от условий прохождения трассы и усилия протаскивания трубопровода. Перед оголовком могут быть установлены шарнирно соединенные секции из труб для образования углубления, по которому затем будет перемещаться протаскиваемый трубопровод. После каждого цикла протаскивания трос анкерной линии выбирается с помощью гидравлического зажима, установленного на донном блоке (рис. 20).

1 — тяговый трос; 2 — донный блок; 3 — контрольный кабель зажима; 4 — подъемный трос;

5 — гидравлический зажим; 6 — шкив; 7 — анкерный трос Схема 11. Протаскивание морских трубопроводов на глубине перемещением по дну В отличие от предыдущей схемы для протаскивания глубоководного трубопровода используется не подъем массивного донного блока, а его перемещение по дну (рис. 21). Усилие протаскивания создается гидравлическими тяговыми устройствами, прикрепленными к массивному блоку, который перемешается по дну моря между отдельными циклами протаскивания. Анкером при перемещении массивного блока служит второй якорный блок, который создает дополнительное (помимо массивного донного блока) сопротивление при протаскивании трубопровода. Массивный блок в неподвижном состоянии используется для протаскивания трубопровода, а при перемещении по дну служит бульдозером, выравнивающим дно. Уменьшение сопротивления при продольном перемещении массивного блока можно достичь приложением к нему подъемного усилия с кранового судна или использованием понтонов с регулируемой плавучестью.

Рис. 21. Схема протаскивания трубопровода с использованием перемещения донного груза: 1 — протаскиваемый трубопровод; 2 — тяговый трос; 3 — гидравлическое тяговое устройство; 4 — буровая вышка; 5 — лебедки; 6 — буровая колонна;

7 — массивный док (донный груз); 8 — анкерная линия Расчет силы протаскивания, создаваемой по этой схеме можно определить, используя решение для канатов якорной системы.

3.1.2. Конструкции спусковых дорожек и механизмы для протаскивания трубопроводов Трубопроводы, подготовляемые для подводной прокладки, размещают на берегу, на специальных дорожках, которые служат для спуска трубопровода с берега в подводную траншею или на поверхность воды. На практике используются спусковые дорожки различных типов.

Грунтовые дорожки представляют собой спланированную полосу грунта в створе перехода на берегу водоема. Дорожку делают прямолинейной в плане. Профиль дорожки должен иметь уклон в сторону водоема или был горизонтальным. Даже незначительный обратный уклон создает большое дополнительное усилие протаскивания. По грунтовым дорожкам можно протаскивать только бетонированные или футерованные трубопроводы. Следует иметь в виду, что при песчаных грунтах протаскивание осуществляется легче по сухому основанию, а при глинистых — по сильно увлажненному.

По мере продвижения трубопровода с берега в подводное положение (по поверхности дна или в траншее) величина тягового усилия уменьшается, поскольку за счет действия подъемной силы Архимеда уменьшается вес единицы длины трубопровода, а значит, и силы сопротивления перемещению трубопровода.

Кроме того, сопротивление протаскиванию подводного участка можно дополнительно уменьшить, применив разгружающие понтоны.

Ледовые дорожки применяются в зимних условиях. Ледовую дорожку устраивают на сравнительно ровной или с небольшим уклоном к берегу поверхности заливкой водой неглубокой траншеи или намораживанием дорожки непосредственно на грунт.

Водная спусковая дорожка представляет собой траншею, разработанную на берегу водоема в створе перехода и заполненную водой. Длина водной спусковой дорожки принимается равной длине протаскиваемого трубопровода, глубина воды в траншее — на 0,2…0,5 м больше осадки трубопровода или диаметра газопровода, ширина дорожки по дну — на 0,3…0,5 м больше диаметра трубопровода. Наилучшее условие для устройства такой дорожки — низкий и ровный берег.

Чем меньше возвышается поверхность берега над уровнем водоема, тем меньшей глубины разрабатывают траншею. В практике имеются примеры укладки трубопровода по водным спусковым дорожкам, когда поверхность берега на 2…3 м выше горизонта воды в реке. В этом случае береговую траншею отрывают на глубину 2…3 м, а у уреза воды оставляют грунтовую перемычку. Для уменьшения потери воды из береговой траншеи бульдозер периодически засыпает образующуюся в перемычке прорезь из резерва грунта. Одновременно насосом или наполнительным агрегатом в траншею закачивают воду из водоема.

Кроме перечисленных спусковых дорожек широко применяются специальные дорожки — роликовые и рельсовые.

Использование специальных спусковых дорожек позволяет значительно уменьшить сопротивление перемещению берегового участка трубопровода, применять тяговые средства меньшей мощности и увеличивать длину протаскиваемых плетей, сокращая время протаскивания за счет уменьшения числа стыковых соединений отдельных плетей.

Роликовая спусковая дорожка представляет собой ряд опор с роликами, расстояния между которыми определяют в зависимости от размеров и массы единицы длины укладываемого трубопровода (рис. 22).

Рис. 22. Схема роликовой спусковой дорожки: а — вид сбоку; б — вид сверху: 1 — тормозная лебедка; 2 — плеть трубопровода; 3 — роликовые опоры; 4 — приурезное спусковое устройство; 5 — балки-перегружатели; 6 — лебедка для перекатывания труб; 7 — стапель По роликовой спусковой дорожке протаскивают трубопроводы с бетонным покрытием; применение роликов с пневматическими шинами позволяет протаскивать трубопроводы с обычной деревянной футеровкой без нарушения сплошности изоляционного покрытия.

Комплект роликовой спусковой дорожки для укладки трубопроводов с бетонным покрытием диаметрами 1220 и 1420 мм включает роликовые опоры грузоподъемностью 33…35 т, приурезное спусковое устройство, стапель, устройство для перекатывания плети трубопровода со стапеля на спусковую дорожку и тормозную лебедку.

Схема роликовой спусковой дорожки для трубопроводов больших диаметров показана на рис. 23.

Рис. 23. Схема установки плети трубопровода на роликовую дорожку:

а, б, в, г — последовательные положения плети трубопровода: 1 — траншея; 2 — выдвижная балочная опора; 3 — плеть трубопровода; 4 — опора под плети трубопровода; 5 — стопорные башмаки;

6 — трубоукладчик На стапеле осуществляется монтаж и сварка бетонированных труб в плети. Плеть со стапеля перекатывается на балкиперегружатели, которые одним концом шарнирно закреплены на стапеле, а вторым — подвешены с помощью отстропливающего устройства. Балки-перегружатели расположены несколько выше роликовых опор. После отстроповки устройства балка-перегружатель поворачивается и плеть трубопровода опускается на роликовые опоры.

Приурезное спусковое устройство предназначено для уменьшения давления и, соответственно, сопротивления грунта перемещению трубопровода при его сходе с ближайшей к урезу роликовой опоры. Кроме того, это устройство уменьшает нагрузку на ближайшую к урезу роликовую опору. Приурезное спусковое устройство может быть выполнено в виде понтонов или рамной конструкции с дополнительными роликоопорами.

Протаскивание трубопровода по роликовой спусковой дорожке проводится в следующем порядке: первую плеть со стапеля перегружают на роликоопоры и протаскивают. Спусковая дорожка освобождается для перегрузки на роликоопоры второй плети. После пристыковки второй плети к первой, изоляции и бетонирования сварного стыка протаскивание возобновляется, затем аналогично пристыковывают и протаскивают остальные плети. В начале спусковой дорожки устанавливают тормозную лебедку, которая препятствует самопроизвольному движению плети трубопровода, гасит силы инерции при трогании трубопровода.

Рельсовые спусковые дорожки, как и роликовые, значительно уменьшают тяговые усилия при протаскивании берегового участка трубопровода. В отличие от роликовых, рельсовые дорожки позволяют протаскивать не только трубопроводы, имеющие гладкую поверхность (например, бетонированную), но и трубопроводы, оснащенные отдельными грузами и понтонами.

Существуют различные конструкции рельсовых дорожек: узкоколейные с двухосными и одноосными вагонетками, сборные рельсовые пути со специальным оборудованием для спуска трубопроводов.

Узкоколейную дорожку устраивают обычно прямолинейной в плане и горизонтальной или с незначительным уклоном в сторону водоема по профилю. Перед сборкой рельсовой дорожки проводят бульдозером планировку полосы грунта в створе перехода: срезают выступы, бугры, засыпают ямы и т. д. Один из важных элементов спуска — вывод вагонеток из-под трубопровода. Рекомендуется следующий способ. В конце пути устраивают приямок, в который сваливаются вагонетки. На другом конце приямка трубопровод уже опирается на грунт. Из приямка вагонетка сразу же вытаскивается автокраном. Для быстрого выполнения этой операции на подходящую к приямку вагонетку за специальную скобу крепится трос длиной 4…5 м с вагонами на концах. Как только вагонетка подходит к приямку, второй вагон набрасывают на крюк крана, и свалившаяся в приямок вагонетка немедленно вытаскивается из него. С помощью второго троса в этот момент готовится к аналогичной операции следующая вагонетка. Опыт показывает, что описанным способом вагонетки удаляются из-под трубопровода без каких-либо осложнений. Можно применить и другой способ, когда вагонетки, не доходя до уреза воды, отводят по отводному рельсовому пути, а трубопровод продолжает двигаться прямолинейно, опираясь на остальном участке до уреза на катки или ролики.

В отечественной практике хорошо зарекомендовали себя вагонетки, разработанные СКБ «Газстроймашина». В состав комплекта оборудования входят: 500 м сборного рельсового пути, 25 тележек, понтонное и опорное устройства.

Трубопровод крепится к тележке с помощью подвески, которая позволяет автоматически отстроповать трубопровод при входе в воду. Тележка имеет положительную плавучесть и в конце спусковой дорожки, освободившись от трубопровода, всплывает и доставляется на берег.

Для протаскивания подводных трубопроводов применяется различное оборудование, а также машины и механизмы: тяговые лебедки, тракторы, бульдозеры, трубоукладчики и специальные механизмы.

При строительстве подводных переходов значительной протяженности, когда тяговые усилия достигают большой величины, применяются специальные лебедки, предназначенные для протаскивания трубопроводов.

В качестве примера рассмотрим лебедку ЛП 152 (рис. 24). Лебедка базируется на тяжеловозном прицепе и состоит из двигателя, трансмиссии, барабана, канатоукладчика, систем управления и якорения. Технические характеристики ЛП 152 приведены в табл. 1.

Рис. 24. Примерная схема работы лебедки ЛП152 с полиспастом усилием 300 т Тяговое усилие без полиспаста, кН (тс) 1470 (150) Максим. тяговое усилие с полиспастом, кН (тс) 2940 (300) Скорость выбирания каната на усилии 50 тс, м/мин 8, Двигатель Габаритные размеры, мм:

Масса лебедки на прицепе (собственная), кг Развитие техники для укладки подводных трубопроводов протаскиванием идет по двум направлениям: создание более мощных тяговых лебедок барабанного типа и разработка механизмов принципиально нового типа — значительно меньших габаритов и массы, обеспечивающих укладку трубопроводов большой протяженности. В обычных барабанных лебедках одновременно с созданием тягового усилия производится намотка троса на барабан. По мере намотки троса диаметр и масса барабана увеличиваются, а тяговое усилие при одном и том же крутящем моменте уменьшается. Это является нежелательным, поскольку во многих случаях максимальное тяговое усилие возникает в конце протаскивания трубопровода, а лебедка, полностью заполненная тросом, создает минимальное усилие.

3.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Рассмотренный выше способ протаскивания предполагает, что строительство подводного трубопровода осуществляется в подводном положении. Достоинством этого метода является исключение воздействия на трубопровод волн, льда и, самое важное, необходимости искривлять трубопровод больше, чем это обусловлено рельефом дна. Это обеспечивает сохранность как самого трубопровода, так и защитных утяжеляющих покрытий. Однако применение способа протаскивания возможно не во всех случаях, на практике применяется другой способ строительства — укладка трубопроводов с поверхности воды. В ряде случаев этот способ является единственно возможным. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы укладки подводных трубопроводов с поверхности воды, предварительно отметив одно важное условие: в любом случае должна быть возможность размещения трубопровода на поверхности воды. Это может быть обеспечено выполнением одного из трех условий:

а) трубопровод обладает положительной плавучестью;

б) трубопровод обладает отрицательной плавучестью, но с помощью понтонов ему создается положительная плавучесть;

в) трубопровод опускается на воду со специальных судов, называемых обычно трубоукладочными баржами.

При строительстве подводных трубопроводов на северных морях необходимо наличие свободной от льда поверхности воды. В противном случае укладка с поверхности воды становится невозможной.

Выполнение каждого из этих условий требует соответствующих технических средств и серьезных расчетных обоснований.

3.2.1. Укладка трубопроводов, обладающих положительной плавучестью Этот способ был первым, с помощью которого начала осуществляться укладка подводных трубопроводов. На рис. 25 показана принципиальная схема укладки с поверхности воды трубопровода, обладающего положительной плавучестью.

Рис. 25. Схема укладки трубопровода с поверхности воды: 1 — участок трубопровода, опущенного на дно; 2 — участок трубопровода в состоянии погружения;

3 — участок трубопровода, находящейся на поверхности воды Для того чтобы трубопровод начал погружаться в воду, необходимо в какой-либо его части 2 создать отрицательную плавучесть. Начиная при этом погружаться, трубопровод образует так называемую переходную кривую, т. е. участок между плавающей частью трубы и частью, опустившейся на дно водоема 1. Трубопровод на дне будет иметь отрицательную плавучесть, ее же будет иметь и часть переходной кривой. Длина переходной кривой зависит от характеристик трубы (I — момент инерции, F — площадь сечения стенки трубы, — толщина стенки), соотношения отрицательной и положительной плавучести, а также от глубины водоема на участке переходной кривой.

В конечном итоге, возможность укладки трубопровода методом свободного погружения определяется величиной напряжений, возникающих в наиболее опасном для прочности трубопровода месте изгиба.

3.2.2. Технологические схемы укладки подводных трубопроводов с поверхности воды без использования трубоукладочных судов и барж Существует несколько схем укладки подводных трубопроводов с поверхности воды без использования трубоукладочных судов.

Схема 1. Укладка плавающего трубопровода с помощью заливки внутрь воды В зависимости от длины трубопровода производится либо укладка сразу всего трубопровода, либо по частям, называемыми в практике плетьми. Допустим, что общая длина трубопровода составляет 100 км; конечно, установить весь его в створе (так называют трассу, по которой должен быть уложен трубопровод) невозможно. Поэтому в створ выводятся участки (плети) трубопровода, например, длиной по 1, 2, 5 или 10 км. Каждая из этих плетей укладывается на дно по трассе отдельно, начиная от берега. К ней присоединяется следующая плеть, потом еще одна, до укладки полной длины. Рассмотрим далее более подробно процесс укладки трубопровода с поверхности воды на дно.

Укладка способом свободного погружения с заливом в них воды применяется для трубопроводов, имеющих положительную плавучесть, которые в период эксплуатации всегда будут заполнены водой или нефтепродуктами и иметь отрицательную плавучесть.

Трубопровод заводят в створ и удерживают над подводной траншеей при помощи тросовых стяжек, после чего он погружается на дно при помощи заполнения водой через патрубок. Воздух, находящийся в трубопроводе, вытесняется через воздушные вентили (вантузы), устроенные на концах погружаемой плети. Вода в трубопровод может закачиваться насосами. В начальный период погружения вода закачивается с меньшей подачей во избежание перелива воды в трубе и образования воздушных пробок, которые могут значительно затруднить укладку и явиться причиной излома трубы.

При переливе воды в трубе участки, заполненные воздухом, всплывают, а заполненные водой погружаются. Для устранения перелива и образования начальной кривизны участок плети можно пригрузить. Закачивать воду с максимальной подачей насоса можно после образования трубопроводом участка переходной кривой или укладки части его на дно. Прежде чем принять решение о свободном погружении, необходимо рассчитать безопасную глубину для конкретного трубопровода. Иначе неизбежным становится излом трубы в каком-либо сечении в процессе укладки. Этого допускать нельзя.

Схема 2. Укладка трубопровода с поверхности воды с использованием понтонов Максимальная глубина укладки трубопровода свободным погружением ограничивается величиной допустимого напряжения.

Уменьшить максимальные напряжения в трубопроводе или увеличить глубину его укладки можно, применяя для этого разгружающие понтоны. При использовании разгружающих понтонов трубопровод получает положительную плавучесть за счет понтонов, а его укладка производится отстроповкой понтонов или заливом в них воды. Укладка трубопроводов с использованием понтонов может иметь различные схемы и применяется как для погружения газопроводов, так и нефтепродуктопроводов и водоводов.

Подводные газопроводы, по сравнению с нефтепроводами и водоводами, требуют значительного количества балласта, необходимого для обеспечения их устойчивости на сдвиг и всплытие, а поскольку газопроводы водой не заполняют, то для обеспечения положительной плавучести при установке в створ обычно оснащают понтонами.

Увеличение глубины погружения трубопроводов, имеющих значительную отрицательную плавучесть, можно достичь ступенчатой отстроповкой понтонов. Сначала плеть трубопровода оснащается понтонами первой группы или разгружающими понтонами, основное назначение которых — уменьшение отрицательной плавучести трубопровода до необходимой расчетной величины. Затем плеть оснащается понтонами второй группы или погружающими понтонами для обеспечения минимальной расчетной положительной плавучести, достаточной для транспортировки и установки плети в створ. Понтоны каждой группы соединяются между собой. Трубопровод погружается отстроповкой понтонов второй группы или заполнением их водой (рис. 26). После укладки трубопровода на дно отсоединяются и понтоны первой группы.

Рис. 26. Схема погружения трубопровода ступенчатой отстроповкой понтонов: 1 — понтоны второй группы; 2 — понтоны первой группы; 3 — трубопровод Укладку нефтепродуктопроводов, водоводов и других трубопроводов можно осуществить по следующей схеме.

Трубопровод оснащают понтонами с таким расчетом, чтобы при его заполнении водой он имел минимальную положительную плавучесть. Укладку осуществляют отстроповкой понтонов или заливом их водой. Для увеличения глубины укладки в этой расчетной схеме можно использовать ступенчатую отстроповку понтонов.

Применение понтонов в некоторых случаях целесообразно и при укладке трубопроводов, имеющих положительную плавучесть до навески понтонов. Погружение таких трубопроводов осуществляется заливом воды в трубопровод.

Схема 3. Укладка трубопровода с использованием продольного натяжения Одним из основных недостатков укладки свободным погружением является малая допустимая глубина погружения. В зависимости от диаметра трубопровода она может составлять 10…15 м, поскольку переходная кривая образуется при больших глубинах с недопустимо малыми радиусами кривизны трубы.

Увеличение глубины укладки подводных трубопроводов по схеме свободного погружения можно достичь не только регулированием положительной и отрицательной плавучести, но и созданием в трубопроводе продольного усилия. Продольные усилия уменьшают кривизну погружаемого трубопровода без значительного увеличения суммарного напряжения, поскольку напряжения от продольных сил в десятки раз меньше напряжений от поперечной нагрузки. Создание натяжения позволяет отказаться от оснащения трубопровода понтонами или дополнительной балластировкой, применяемых с целью увеличения глубины погружения, что значительно может снизить затраты труда, стоимость и сократить сроки укладки трубопровода.

Работы по укладке трубопровода с натяжением проводятся в следующем порядке: трубопровод 3 (рис. 27) заводят на плаву в створ, закрепляют на одном конце, например, на берегу с помощью анкерных устройств 1, 2, а другой конец закрепляется тросом 4 с лебедки 5, установленной на понтоне или буксире и, который, в свою очередь, удерживается якорным канатом 7 в заданном положении.

Рис. 27. Схема укладки подводного трубопровода с продольным натяжением: 1, 2 — анкерные устройства; 3 — трубопровод, 4 — трос; 5 — лебедка; 6 — судно; 7 — якорный канат С помощью лебедки создают продольное натяжение трубопровода до значения Н, при котором обеспечиваются напряжения в стенке труб, не превышающие контролирующих при требуемой глубине укладки, и погружают его заливом воды или отстроповкой понтонов.

3.2.3. Технологические схемы укладки подводных трубопроводов с использованием трубоукладочных судов и барж Укладка подводных трубопроводов способом свободного погружения, даже с созданием в трубопроводе растягивающего усилия, не дает возможности выполнить укладку трубопровода на глубину более 10…15 м. Потребовались такие способы укладки, которые позволили бы укладывать трубопроводы практически на любые глубины.

В настоящее время имеются примеры укладки трубопроводов на глубину более 2 км. Например, на такую глубину был уложен газопровод Россия — Турция через Черное море. Обычной стала укладка на глубины более 100 м. Далее приводятся технологические схемы при укладке трубопроводов на большие глубины (h > 20 м).

Под термином «суда» понимаются виды плавающих (самоходных и несамоходных) судов, с помощью которых можно создать условия в напряженном состоянии трубопровода.

В процессе укладки используются следующие виды судов:

буксиры, с помощью которых осуществляется перемещение по поверхности воды различных плавающих объектов (труб, понтонов, несамоходных барж и др.);

суда для оснащения трубопровода разгружающими понтонами, подъемная сила которых регулируется с поверхности воды и не зависит от изменения глубины погружения понтонов;

оснащенные специальными барабанами для намотки трубопровода;

с так называемыми «рампами», обеспечивающими необходимый при укладке наклон конца трубопровода к горизонту;

оборудованные специальными направляющими спусковыми дорожками, называемыми «стрингерами» или «стингерами», которые обеспечивают формирование необходимого положения переходного (от поверхности воды до дна) участка укладываемого трубопровода;

с кранами большой грузоподъемности;

для выполнения подводно-технических работ (разработка траншей, водолазные работы, перемещение грузов в подводном положении);

оборудованные лебедками большой грузоподъемности для создания продольного усилия в трубопроводе;

обеспечивающие соединение длинномерных плетей труб в надводном положении.

Рассмотрим далее некоторые технологические схемы укладки подводных трубопроводов с помощью различных судов.

Схема 1. Укладка трубопровода с помощью судна, оборудованного барабаном, на который намотан На практике по данной схеме укладываются трубопроводы диаметром до 600 мм. На рис. 28 показана схема баржи с горизонтальным расположением барабана, на рис. 29 — с вертикальным.

Рис. 28. Трубоукладочное судно с горизонтально расположенным барабаном: 1 — барабан; 2 — выпрямляющее устройство;

3 — натяжное устройство; 4 — роликовые опоры; 5 — трубопровод Рис. 29. Конструкция трубоукладочной баржи с вертикально расположенным барабаном: 1 — электродвигатели; 2 — барабан; 3 — трубоукладочная баржа; 4 — трубопровод; 5 — шаблон; 6 — домкрат; 7 — направляющее устройство; 8 — точка схода трубопровода с шаблона; 9, 10 — выпрямляющее устройство; 11, 12 — роликовые опоры Впервые судно с барабаном было использовано при укладке трубопровода диаметром 75 мм в 1944 г. для перекачки горючего при высадке десанта в Нормандии. Однако действительно важным этапом в применении этой схемы можно считать укладку трубопроводов диаметром 190…300 мм в Северном море на глубину 150 м.

По схеме 1 выполняются следующие технологические операции:

1. На береговой базе свариваются и подготавливаются к укладке плети трубопровода, которые будут наматываться на барабан.

2. Плети испытывают физическими методами контроля и внутренним давлением, при которых возможно его погружение практически на любую глубину.

3. Плети наматываются на специальные катушки, установленные на береговой площадке.

4. Баржа проходит к причалу, сооруженному на берегу рядом с площадкой.

5. После подхода трубоукладочной баржи к строительной площадке трубопровод сматывают с катушки на барабан судна.

6. Баржа с намотанным на барабан трубопроводом с помощью буксира (или самостоятельно, если она самоходная) направляется к месту, где находится конец укладываемого трубопровода.

7. Конец трубопровода на барабане соединяют с ранее уложенным участком трубопровода, а в начальной стадии укладки — прикрепляют к заранее подготовленной анкерной системе.

Таким образом, при каждом рейсе трубоукладочной баржи происходит наращивание подводного трубопровода на длину плети, намотанной на барабан. Как было уже отмечено, барабан может размещаться в двух положениях: горизонтальном и вертикальном.

Барабаны с намотанными трубопроводами можно устанавливать на буровых судах, что позволяет выполнять прокладку трубопроводов между скважинами и платформами непосредственно с буровых судов без использования специальных барж.

Схема 2. Укладка трубопровода с помощью специализированных судов Такие суда в практике морского трубоукладочного строительства называют «трубоукладочное судно» или «трубоукладочная баржа».

Такое судно обладает большим числом различных агрегатов, обеспечивающих выполнение всех необходимых операций, связанных с укладкой трубопроводов практически на любую глубину.Основное препятствие при укладке трубопровода — возможность возникновения чрезмерных напряжений в материале труб в пределах переходной кривой. Поэтому при использовании трубоукладочных судов в первую очередь создаются такие формы переходной кривой, при которых обеспечиваются напряжения меньше контролирующих в любом сечении переходной кривой. Это условие имеет простейший вид где к — контролирующее напряжение.

На рис. 30 показаны некоторые из возможных форм переходных кривых, создаваемых с помощью трубоукладочных судов, а также дополнительных технических средств (рампы, стингеры, понтоны, поддерживающие системы и т. п.). Кроме того, используются возможности влияния на форму переходной кривой соотношения отрицательной р и положительной d плавучестей.

Кривая на рис. 30, а, называется S-образной (0 — точка перегиба);

кривая на рис. 30, б — кривая с прямым верхним участком, начиная от точки 0 под углом ; кривая на рис. 30, в — J-образная кривая с выходом на поверхность под углом = 90°. Наибольшая глубина укладки достигается при укладке по схеме рис. 30, б.

Рис. 30. Схемы переходных участков трубопроводов при укладке с поверхности воды: Н — глубина укладки трубопровода; — угол входа трубопровода под воду Рассмотрим последовательно все случаи укладки для этой схемы.

1. Технология укладки заключается в наращивании трубопровода с последовательной сваркой секций труб (см. рис. 30, а). Сварка в нитку и все работы по сооружению трубопровода выполняются на наклонном участке палубы (пандусе), оборудованном роликовыми опорами, который одновременно является спусковым устройством.

Укладка на небольших глубинах осуществляется непосредственно с криволинейного спускового устройства без применения стрингеров.

При укладке трубопровода наибольшие напряжения возникают на участке трубы, находящейся между кормой судна и дном моря. Для ограничения этих напряжений трубоукладочные суда оборудуются стрингерами, поддерживающими опускаемый трубопровод при сходе его с кормы судна, и устройствами для создания натяжения в опускаемом трубопроводе (рис. 31, 32). Опускаемый в воду трубопровод принимает форму S-образной кривой (переходная кривая).

Наибольшие напряжения могут возникнуть на выпуклом или вогнутом участках S-образной кривой.

Рис. 31. Схема трубоукладочной баржи «Касторо», оборудованной стингером изменяющейся формы и длины Рис. 32. Схема трубоукладочного судна, оборудованного спусковой рампой: 1 — трубопровод; 2 — наклонная Напряжения на вогнугом участке регулируются с помощью натяжных устройств, а напряжения на выпуклом участке ограничиваются стрингером, форма которого может изменяться в процессе укладки трубопровода.

С увеличением глубины укладки и диаметра трубопровода возрастает сложность инженерных задач, которые необходимо решать при строительстве. Значительно повышаются требования к технологии укладки. Неудовлетворительная организация работ может привести к повреждению трубопровода и к простою трубоукладочного судна (рис. 33).

большой глубине: 1 — трубопровод; 2 — стыки соединения секций; 3 — трубоукладочное судно Схема 3. Укладка с использованием В практике трубопроводного строительства установилось довольно четкое разграничение понятий, связанных с длиной отдельных участков труб, соединяемых в трубопровод. Под трубой понимается отдельная труба, выпускаемая на специализированных заводах. Трубы могут быть короткими (длина около 6 м), средними (10…12 м) и длинными (до 24 м). Конечно, для строительства в полевых условиях наиболее удобными являются длинные трубы, так как их использование существенно уменьшает количество сварных соединений. Участки труб, состоящие из 2—3 труб, общей длиной 30…40 м называют «секциями» или «звеньями», а участки большей длины называют «плетьми». Их длина может достигать даже 1…2 км.

Таким образом, плети могут быть малой длины (200…250 м), средней (до 500 м) и большой длины (более 500 м) (длинномерные).

При укладке подводных трубопроводов, особенно при глубинах, не позволяющих укладывать трубы методом свободного погружения, используют, как правило, длинномерные плети.

Укладка трубопровода из длинномерных плетей включает следующие основные операции: подготовка плетей на береговой базе, спуск плетей на воду, доставка плетей к месту укладки, присоединение доставленных плетей к концу уже уложенного на дно трубопровода, опускание плети на дно. Укладка подводного трубопровода производится последовательным наращиванием плетей.

Стрингер выпрямляется по мере схода с него трубопровода.

Последовательные этапы погружения трубопровода приведены на рис. 34, а—д.

Рис. 34. Схемы опускания трубопровода с баржи, оборудованной стрингером: а — начальная стадия укладки трубопровода; б — опускание трубопровода с помощью тягового троса; в — отсоединение укладываемого трубопровода от баржи; г — завершение укладки плети трубопровода на дно; д — фиксация тягового троса буем на поверхности воды: 1 — трубоукладочная баржа; 2 — стрингер; 3 — трубопровод; 4 — тяговый трос; 5 — буй Подъем плети трубопровода осуществляется в обратной последовательности. Подъем трубопровода со дна водоемов глубиной 30…40 м можно осуществлять с помощью плавучих кранов без использования барж, а в зимнее время — с помощью лебедок, расположенных на льду. Для подъема с больших глубин (100 м и более) или при большой отрицательной плавучести трубопровода необходимо прикладывать не только вертикальные подъемные силы, но и растягивающую.

В США предложен один из вариантов такого подъема трубопровода для удаления поврежденного участка трубы (рис. 35).

Рис. 35. Схема подъема концевого участка трубопровода: а — исходное положение для подъема трубопровода; б — начальная стадия подъема трубопровода; в — подъем трубопровода на баржу; г — удаление поврежденного участка трубопровода: 1 — стационарный кран; 2, 3 — тросы стационарного крана; 4 — трос самоходного крана; 5 — самоходный кран; 6 — лебедка; 7 — тяговый трос; 8 — оголовок; 9 — трубопровод Для подъема плети трубопровода рекомендуется применять лебедку 6 с регулируемым усилием натяжения в сочетании со стационарными 1 и самоходными 5 кранами.

Схема 4. Укладка трубопровода конструкции Технологическая схема работ по изготовлению и укладке трубопровода на дно включает следующие операции: подготовка двухтрубной конструкции (плетей) на береговой площадке; заполнение межтрубного пространства цементно-песчаным раствором; спуск плетей на воду и буксировка их к месту укладки; пристыковка доставленных плетей к уже уложенному на дно участку трубопровода. Приведем далее полное описание этих элементов технологии строительства подводного трубопровода.

1. Подготовка плетей. На стапеле сваривают секции (плети) внутреннего и внешнего трубопровода. Плети делают длиной 150…200 м. Внутренняя труба покрывается одним слоем специального лака или иного защитного покрытия (тоже одним слоем).

Затем в наружную трубу вставляют трубу меньшего диаметра.

Внутренняя труба оснащается специальными насадками, удерживающими ее в необходимом положении (оси обеих труб совпадают).

2. Заполнение межтрубного пространства раствором может производиться как на береговой площадке, так и на плаву после установки очередной плети к уже уложенному участку трубопровода.

Перед заполнением раствором концы плети закрывают заглушками 1 и 2, которые удаляются при стыковке плети в море с уже уложенной трубой (рис. 36).

Рис. 36. Конструктивное оформление трубопровода «труба в трубе»: 1, 2 — заглушки По мере заполнения межтрубного пространства трубопровод погружается в воду, опускаясь на дно (рис. 37).

Рис. 37. Схема погружения двухтрубной конструкции по мере заполнения цементно-песчаным раствором:

а, б, в — этапы погружения: 1 — участок, полностью заполненный раствором; 2 — переходная кривая; 3 — плеть; 4 — насос; 5 — судно На поверхности воды находится конец трубопровода, состоящий из участка 1, полностью заполненного раствором, и участка 2 — переходной кривой, не заполненная раствором. К стыку С приваривается (или присоединяется иным способом) плеть 3, после чего с судна 5 насосом 4 закачивается жидкий раствор, и труба постепенно погружается в воду (позиции а, б, в). При этом должны быть предприняты все необходимые меры для создания безопасности кривой изгиба переходного участка.

3. Пристыковка плетей к ранее уложенному трубопроводу. Описанные методы стыковки плетей требуют подъема концов труб на довольно большую высоту. Для двухтрубной конструкции такой подъем весьма сложен. Поэтому был разработан способ и устройство, позволяющее осуществить стыковку без подъема концов плетей с поверхности воды (рис. 38).

Рис. 38. Конструкция стыковочной камеры: 1, 3 — трубы, обеспечивающие плавучесть; 2 — осушаемая стыковочная камера; 4 — соединяемые плети Плети крепятся специальными крепежными цепями (не тросами).

С помощью этих цепей, а также стягивающих приспособлений устанавливается устойчивое состояние зазора между кромками труб.

Сваривается сначала внутренняя (главная) труба, а затем после проверки качества стыка — наружная.

3.3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ ГОРИЗОНТАЛЬНО

НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ

Метод горизонтально направленного бурения (ГНБ) (на сегодняшний день являющийся наиболее эффективным способом прокладки коммуникаций различного назначения) появился в начале 70-х гг. XX в. и успешно используется в строительстве, имеет геотехническое применение, а также является самым экологичным методом антропологического вторжения в недра земли. Трудно переоценить и экономическое преимущество метода ГНБ.

В любом из аспектов своего применения ГНБ подразумевает закрытый способ производства работ: впуск скважины в одной точке и выход в другой. Диаметр и длина скважины зависят от цели и задач проекта. Основным преимуществом данного метода является возможность обхода водных объектов без вскрытия грунта.

Технология ГНБ (его еще называют бестраншейным бурением) получила широкое распространение во всем мире. Горизонтальное бурение используется для экономически выгодного и быстрого прокладывания трубопроводов и различных инженерных коммуникаций без нарушения природного ландшафта, минуя любые наземные преграды.

Горизонтально направленное бурение уникально возможностью управления процессом, изменением при необходимости направления прокладки трубопроводов, огибанием действующих или покинутых коммуникаций и прочих препятствий. Очевидными преимуществами ГНБ является скорость выполнения работ, возможность прокладывания труб при сохрании ландшафта, преодоления сложных гидрогеологических условий, а также высокая степень точности.

Точность метода ГНБ обеспечивается работой локационной системы установки ГНБ. Приемно-передающая локационная система предназначена для определения координат местонахождения буровой лопатки и состоит из первичного преобразователя-передатчика, расположенного в ложементе крепления буровой лопатки, переносного локатора с дисплеем и дублирующего информационного пульта на рабочем месте оператора машины для прокладки ГНБ.

В процессе ГНБ оператор постоянно отслеживает положение буровой лопатки по трем координатам — пройденному расстоянию, глубине нахождения инструмента и углу атаки. Все данные оперативно передаются на информационный пульт оператора направленного бурения.

Машина для направленного горизонтального бурения устанавливается на небольшом расстоянии от прокола ГНБ. Это расстояние определяется размером самой установки, углом входа бурового инструмента и составляет обычно от 1 до 6 м. Агрегат фиксируется на поверхности при помощи анкерного соединения.

Первый этап бурения методом ГНБ — прокладывание пилотной скважины (рис. 39). С этой целью намечается трасса и определяются участки под площадки с оборудованием и трубами для затягивания в буровой канал. Перед ГНБ проколом производится калибровка звукового локатора, чтобы обеспечить возможность его отслеживания на всей траектории прохождения.

Рис. 39. Бурение пилотной скважины методом ГНБ Помещенная в стартовом котловане установка ГНБ осуществляет на первом этапе бурение пилотной скважины. Вслед за буровой головкой на первой штанге в скважину поочередно подсоединяются одна за другой последующие буровые штанги, строение которых позволяет подавать буровой раствор в буровую головку для прохода грунтов различной сложности. Согласно заданным координатам, выход пилотной скважины осуществляется в заданной точке в конечном котловане.

По окончанию пилотного бурения буровая головка с буровым инструментом выходит на поверхность и заменяется на вращающийся риммер-расширитель, который протягивается через готовую скважину, расширяя канал. Поскольку диаметр нитки трубопровода согласно проектам имеет самый широкий диапазон, расширение пилотной скважины может осуществляться как единожды, так и в несколько заходов (рис. 40).

Рис. 40. Расширение пилотной скважины до проектного диаметра По достижению необходимого диаметра в подготовленное буровое отверстие затягивается труба (рис. 41).

Прокладка методом ГНБ позволяет устанавливать как полиэтиленовые, так и стальные трубы.

Рис. 41. Протягивание трубопровода в скважину Диапазон применения техники горизонтально направленного бурения постоянно расширяется. Интересен такой аспект применения техники ГНБ, как прокладка новых труб внутри уже существующей нитки трубопровода.

Исходя из задач и масштаба проекта, осуществляется выбор установки ГНБ для производства работ. На сегодняшний день линейка буровых установок начинается от машин с силой протяжки 8 т и заканчивается 600-тонными макси-установками.

К достоинствам ГНБ можно отнести оперативность, экономичность, обхождение наземных искусственных и естественных препятствий, быструю окупаемость. Горизонтально направленное бурение, таким образом, является на сегодняшний день самым рациональным решением проблем, связанных с прокладыванием подземных трубопроводов.

4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ТРАСС

ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Выбор трассы трубопровода через водные преграды — один из наиболее ответственных этапов работ.

Трассу подводного трубопровода следует намечать с учетом:

генерального направления трассы магистрального трубопровода;

состояния водной преграды (типа руслового процесса, ширины и глубины водной преграды, водного режима, состояния берегового склона, геологического строения русла и т. д.);

сроков строительства переходов;

объемов подводных земляных работ;

технических возможностей строительных организаций;

условий размещения строительных площадок и производства основных работ;

обеспечения условий надежности сооружения за весь период его эксплуатации.

При определении трассы подводного трубопровода в районах Крайнего Севера необходимо учитывать условия, определяемые суровым климатом, наличием многолетнемерзлых грунтов на пойменных и береговых участках подводного трубопровода, образованием оползневых явлений на береговых участках (солифлюкция), образованием сезонных наледей в результате выхода на поверхность и замерзания грунтовых вод, промерзанием рек на значительную глубину или до дна, образованием заторов льда и его перемещением на пойме и т. д. Наличие наледей в районе строительства подводного трубопровода затрудняет движение строительных механизмов и проведение работ, а при эксплуатации — контроль за их состоянием. Нежелательны ледовые явления (заторы, торосы), которые способствуют развитию интенсивных деформаций на русловых, береговых и пойменных участках водной преграды. Врезание льдин в грунт может привести в дальнейшем к повреждению заглубленного трубопровода. Наиболее благоприятными геологическими условиями для строительства переходов трубопроводов через водные преграды в районах распространения многолетнемерзлых грунтов являются распространение обломочных, гравийно-галечниковых и песчаных отложений, наличие грунтов с малым содержанием льда, отсутствие мерзлотных процессов и скоплений подземного льда и глубокое залегание грунтовых вод.

Окончательный выбор трассы подводного трубопровода осуществляется специализированной проектной организацией после проведения полного комплекса гидрологических, морфологических, геологических и геокриологических (в районах многолетнемерзлых грунтов) изысканий. Выбранные трассы согласовывают с заинтересованными организациями, а затем проектная организация представляет их на утверждение заказчику.

Требования к трассе трубопровода:

1. Трасса подводного трубопровода определяется необходимостью его подключения к технологическим сооружениям с учетом требований безопасности существующих коммуникаций при строительстве трубопровода, а также минимального гидродинамического воздействия при эксплуатации трубопровода.

2. Трасса трубопровода должна быть согласована с гидрографической службой водного бассейна и другими заинтересованными организациями.

3. Удаление трассы трубопровода от морских гидротехнических сооружений должно составлять не менее 100 м.

4. При укладке трубопровода параллельно ранее уложенному, расстояние между ними проектируется с учетом способа прокладки, грунтовых условий дна, глубины моря, направления ветра, волн, течений при строительстве трубопровода и т. д. (не менее 15 м).

При одновременной укладке двух или более трубопроводов расстояние между ними назначается из условий возможности производства их ремонта.

5. При прохождении трассы трубопровода в районе воздушной линии электропередачи (ЛЭП) трасса должна быть удалена от опор ЛЭП на расстояние высоты опоры плюс десять метров.

6. Пересечение трассы трубопровода с подводными коммуникациями и трубопроводами допускается при принятии мер, обеспечивающих их сохранность в процессе строительства и эксплуатации.

Расстояние по вертикали между пересекающимися трубопроводами в свету должно быть не менее 1 м. В зависимости от грунтовых условий ранее уложенный трубопровод должен быть дополнительно заглублен в месте пересечения или новый трубопровод проложен на соответствующей подстилке.

7. Наименьший радиус кривизны трассы должен быть не менее допустимого предельного радиуса изгиба трубопровода, определенного расчетом на прочность и устойчивость положения трубопровода и стенок труб под воздействием совокупности статических, динамических и температурных нагрузок.

5. ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖНЫХ РАБОТ

ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДВОДНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ

5.1. СВАРОЧНО-МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ Одним из важнейших вопросов при строительстве как сухопутных, так и подводных трубопроводов является соединение отдельных труб, секций труб, а также длинных плетей в так называемую нитку.

Сварка и контроль сварных соединений производятся в соответствии с указаниями СНиП III-42—80 «Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ». Сварочные материалы должны отвечать требованиям СНиП II-45—75 «Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования».

При выполнении сварочно-монтажных работ на подводных переходах трубопроводов используют преимущественно те же методы сварки, что и для линейного строительства. Соединение труб на суше выполняется, в основном, с помощью автоматической и ручной сварки или с применением специальных трубосварочных комплексов. Однако при строительстве подводных трубопроводов соединение труб под водой — очень сложная технологическая операция. Поэтому при любом способе укладки подводных трубопроводов соединение труб, секций и плетей производится над поверхностью воды, а уже затем трубопровод опускается на дно.

Снятие фасок на трубах выполняется непосредственно перед сваркой из-за повышенной коррозии стали в морских условиях. Для этого береговые базы и трубоукладочные баржи оснащаются машинами для обработки кромок труб. При сварке трубопровода на трубоукладочной барже рекомендуется удалять центратор лишь после наложения корневого и первого слоя сварного шва — это связано с возможностью продольной подвижки трубопровода на роликовой дорожке баржи. Для обеспечения требуемого качества стыковки сварных соединений труб большого диаметра (600… мм) рекомендуются: применение в качестве материала труб из сталей с содержанием углерода не более 0,15 %; смещение стыков труб при сборке не более чем на 2,4 мм; выполнение подварочного слоя без охлаждения корневого слоя шва.

Однако в связи с разработкой подводной технологии обустройства подводных месторождений, особенно при больших глубинах, чрезвычайно важной и сложной стала проблема соединения различных трубопроводов как в нитку, так и с технологическими модулями и скважинами. Подводное соединение труб сваркой исключено.

Поэтому были разработаны методы соединения, не использующие сварку. Конечно, это потребовало создания сложных конструкций, которые без присутствия человека (даже в скафандре) могли бы осуществить стыковку. Эта операция оказалась похожей на стыковку спутников в космосе как по методике, так и по сложности.

Охарактеризуем основные конструктивные схемы соединяющих устройств.

На глубинах, на которых имеется возможность использования водолазов в тяжелом снаряжении, защищающем водолаза от механических воздействий, применяют муфтовые соединения труб (рис. 42).

Муфты применяются как при горизонтальном, так и вертикальном положении труб.

Для соединения труб без использования водолазов применяются так называемые цанговые соединения (рис. 43). Такое соединение имеет довольно сложную конструкцию. При соединении труб так называемые цанги сначала сжимаются, а после соединения расправляются и как бы защелкивают обе трубы. Соединение получается очень прочным и герметичным за счет специальной конфигурации соединяемых концов труб. Для обеспечения соосности труб используются тросовые стягивающие устройства.

Для подсоединения линий труб к вертикальным приемным патрубкам заранее (в заводских условиях) подготавливаются формы линий. Затем они опускаются к месту установки и соединяются с патрубками с помощью цанговых устройств.

Управление процессом соединения осуществляется с помощью подводных телекамер. По изображениям производится корректировка положения соединяемых труб, захватывание их концов и стягивание до защелкивания цанговых элементов.

5.2. ЗАЩИТА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ОТ КОРРОЗИИ

Транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов по трубопроводам является наиболее эффективным и безопасным способом их транспортировки на значительные расстояния. Этим способом доставки нефти и газа от районов их добычи к потребителям пользуются уже более 100 лет. Долговечность и безаварийность работы трубопроводов напрямую зависит от эффективности их противокоррозионной защиты. Для сведения к минимуму риска коррозионных повреждений трубопроводы защищают антикоррозионными покрытиями и дополнительно средствами электрохимзащиты (ЭХЗ). При этом изоляционные покрытия обеспечивают первичную (пассивную) защиту трубопроводов от коррозии, выполняя функцию диффузионного барьера, через который затрудняется доступ к металлу коррозионноактивных агентов (воды, кислорода воздуха). При появлении в покрытии дефектов предусматривается система катодной защиты трубопроводов — активная защита от коррозии.