Материал: Транспорт углеводородов с морских месторождений

Стандарт распространяется на монтаж методами S-укладки, J-укладки, буксировки и укладки с использованием пластических деформаций. Стандарт также содержит требования к монтажу райзеров, защитных и анкерных конструкций.

Стандарт ГОСТ Р 54382-2011 согласуется со стандартом ИСО 13623, который устанавливает функциональные требования для морских трубопроводов и райзеров.

.9.2 Основы проектирования подводных трубопроводов

Ключевым фактором в проектировании морских нефтегазопроводов являются основные данные, определяющие требования, которым должна удовлетворять транспортная система, а также условия окружающей среды, в которой система должна надежно работать в течение своего расчетного срока эксплуатации [4].

Процесс проектирования можно разделить на три стадии:

·        предварительная стадия проектирования;

·        технико-экономическое обоснование (проект);

·        детальное проектирование (рабочий проект).

Основная цель предварительной стадии проектирования состоит обычно в следующем:

·        установить техническую возможность и ограничения на проектирование транспортной системы и ее монтаж;

·        исключить неосуществимые варианты;

·        разработать требования для сбора данных в качестве основы для предстоящего проектирования и строительно-монтажных работ;

·        определить возможности сопряжения и сочетания с другими транспортными системами, которые планируются или уже существуют;

·        оценить стоимость и сроки выполнения проекта.

Ценность таких ранних стадий проектирования состоит в том, что они привлекают внимание к потенциальным трудностям и областям, где потребуются дополнительные усилия в отношении сбора данных и определения направлений проектирования. Принятые технико-экономические решения могут быть уточнены по мере получения фактических данных, относящихся к району строительства морских нефтегазопроводов.

Следует иметь в виду, что главные соображения при проектировании состоят в обеспечении безопасности трубопроводной транспортной системы относительно нагрузок, вызываемых следующими факторами [3]:

·        рабочими условиями;

·        условиями окружающей среды;

·        условиями укладки.

Выбор трассы трубопровода

Принципы трассировки устанавливаются в процессе предварительного проектирования с тем, чтобы подтвердить основной вариант трассы для выполнения последующих изыскательских работ.

Выбор трассы является сложной и многофакторной процедурой. В типовом случае выбор трассы должен зависеть:

·        от расположения конечных точек;

·        глубины воды;

·        рельефа дна:

·        присутствия неблагоприятных факторов на морском дне, таких как волнообразная поверхность песка, неустойчивые склоны, слабый (мягкий) грунт, валуны и т.д.;

·        присутствия неблагоприятных факторов окружающей среды, таких как сильные течения, групповые волны на мелководье и т.д.;

·        присутствия других месторождений, трубопроводов, конструкций, запрещенных зон (например, области военно-морских учений, стрельбища и т.д.);

·        существования неблагоприятных для трубопроводов условий судоходства или рыболовства;

·        пригодности мест подходов к берегу, если таковые предусматриваются на трассе.

Проектирование с точки зрения условий эксплуатации.

Данная процедура связана с определением потенциальных возможностей, которые трубопроводная транспортная система может выдерживать при эксплуатации, а также с установлением пригодности и безопасности системы при таких эксплуатационных нагрузках.

Например, если главный магистральный трубопровод, отходит от платформы, при его проектировании в отношении условий эксплуатации необходимо учитывать следующее:

·        тип транспортируемой продукции;

·        требуемую пропускную способность при полной производительности;

·        рабочие давления;

·        рабочие температуры.

Пропуская способность трубопроводной транспортной системы.

Пропускная способность трубопроводов определяется природой транспортируемой продукции, темпом отбора добываемой на месторождении продукции, степенью ее подготовки, выполняемой на платформе. Например, оборудование для добычи сырой нефти с небольшими количествами попутного газа может потребовать одного трубопровода нефти, а газ может сжигаться на факеле или использоваться для энергетического обеспечения на платформе. Второй пример - газовое месторождение, на котором добывается газоконденсатная жидкая смесь. Жидкость в этом случае может транспортироваться с газом в двухфазном потоке или разделяться на платформе и транспортироваться по второму трубопроводу. Выбор соответствующей транспортной системы должен выполняться на основе рассмотрения конкретных случаев с полным учетом вопросов обеспечения безопасности эксплуатации [4].

Выбор геометрических характеристик трубопроводов

Выбор геометрических характеристик трубопроводов основывается в основном на получении необходимой (требуемой) пропускной способности, хотя другие факторы могут оказывать ограничивающее влияние на размеры труб.

Оценка пропускной способности и размеров трубопровода может быть простой процедурой для линий, транспортирующих нефтяную продукцию одного вида, однако эта оценка может быть сложной в случае многофазного потока. Назначение размеров трубопроводов может быть выполнено при теоретическом расчете потока. Точность результатов оказывается непосредственно связанной со сложностью течения, т.е. решения для смешанных фазовых течений менее надежны [6].

Толщина стенок трубопроводов.

Толщина стенок трубопроводов определяется с учетом рабочих давлений. Размеры толщины стенки выбираются из условия обеспечения способности трубы противостоять внутренним давлениям с достаточной степенью безопасности, и этот выбор толщины основывается на величинах окружных или кольцевых напряжений. Перед расчетом толщины стенок определяются сорт стали, из которой изготавливаются трубы, а также коэффициент безопасности. Необходимо иметь в виду, что при расчете глубоководных трубопроводов внешние давления иногда превышают внутренние. Поэтому при расчетах толщины стенок труб этот момент также должен быть учтен [4, 7].

Сорта стали, применяемые на морских нефтегазовых промыслах, находятся в пределах от сорта "В" американской трубопроводной промышленности (API) до сорта "Х70" и выше. Общая тенденция состоит в выборе более высоких сортов сталей. Выбор сорта стали осуществляется с учетом:

·        весовых требований:

·        стоимости;

·        свариваемости:

·        сопротивляемости коррозии.

Применение повышенных сортов стали позволяет уменьшить толщину стенки и массу трубопровода и обеспечить возможные улучшения в отношении требований при укладке трубопроводов.

Однако эти стали более подвержены коррозии в среде H2S, они хуже свариваются, и вследствие из-за меньшей толщины стенки такие трубы могут подвергаться продолжительному изгибу.

На основе выбранного сорта стали, расчетного коэффициента и условий проведения работ размер трубопровода можно установить по соответствующим формулам, приведенным в многочисленных учебниках и монографиях. На этой стадии часто рассматривается дальнейшее ухудшение условий проведения работ, которое связано с коррозионностью транспортируемой продукции. Мировая практика показывает, что для этого требуется увеличение толщины стенки трубы, обычно на 3-4 мм, в качестве запаса на коррозию. В конкретных проектах эти запасы определяются расчетным путем и не должны учитываться при расчете напряженного состояния сечений трубопроводов [4, 6].

Влияние факторов окружающей среды.

Окружающая среда, в которой должны прокладываться морские трубопроводы, описывается следующими условиями:

·        батиметрией трассы;

·        характером местности на дне и свойствами грунта;

·        волнами и течениями, вызываемыми волнами;

·        устойчивыми течениями;

·        характеристикой морской воды;

·        ледовыми условиями (толщиной льда, торосами и т.д.);

·        продолжительностью межледового периода.

В частных условиях должны также учитываться сейсмическая активность дна, морское обрастание и др.

Конечная цель сбора данных об окружающей среде и их обработки состоит в получении основы для проектирования, которая обычно представляется в следующем виде:

·        полное статистическое описание волнового режима; высота, периоды и продолжительность существования ветрового волнения;

·        полное статистическое описание течений у морского дна, включая все сопутствующие факторы;

·        полное статистическое описание ледовых условий вдоль трacc, включая продолжительность ледового периода;

·        полное статистическое описание профиля дна и грунтов на поверхности и вблизи поверхности дна вдоль трассы трубопровода и в пределах коридора, осью которого является трасса трубопровода;

·        сводка данных о свойствах морской воды сейсмических условиях и потенциальной возможности морского обрастания.

На основании исходных данных об окружающей среде определяются три основных момента для расчета:

·        прочность и устойчивость трубопровода с учетом наружного давления воды;

·        устойчивость трубопровода при воздействии волн, течений и льда;

·        прочность и устойчивость трубопровода при учете неравномерности поверхности морского дна.

Если в результате расчетов получатся какие-то отклонения от допустимых нормативных величин (напряжения, прогиба и др.) принимаются конкретные конструкционные решения, позволяющие обеспечить нормативные параметры проекта. Следует отметить, что методы расчета трубопроводов, апробированные в многочисленных проектах, реализованных на суше, применимы и в проектах по строительству морских трубопроводов. Вопросы технологии прокладки (строительства) морских трубопроводов не имеют аналогов на суше [4, 6, 7].

3.9.3 Проектирование трубопроводов для арктических условий

Существующие методы проектирования различают мелководные участки и глубоководные участки, где дно вне досягаемости плавающего льда и свободно от вечной мерзлоты. В Арктике глубокими считаются воды от 50 м.

В мировой практике известны случае повреждения трубопроводов торосами. Дрейфующие торосы смещают, повреждают, разрушают подводные трубопроводы, а также порывают кабели дистанционной связи, что в свою очередь создают угрозу загрязнения экологии, серьезные экономические убытки [2].

Проектирование в глубоких водах, как правило, аналогично проектированию в умеренных широтах. Исключение составляет неровное морское дно с бороздами, проделанные айсбергами. Трубопровод может нуждаться в теплоизоляции для предотвращения образования гидратов и обеспечения свободной перекачки сырой нефти (парафины).

На мелководье основная проблема - "царапание" дна льдом. Интенсивность повреждения морского дна зависит от района, она наиболее значительна при глубинах воды между 20 и 30 м. Повреждения менее серьёзны в мелкой воде, потому что большие ледовые массы оседают на дно далеко от берега и глубина борозд может достигать нескольких (обычно не более 8) метров.

Возникающая при таком контакте нагрузка оценивается по крайней мере на два порядка выше, чем от донных рыболовных тралов, на сопротивление воздействия которых трубопроводы обычно рассчитываются. Кроме того, нагрузка распределяется по ширине ледовых борозд и углублений, имеющей порядка нескольких десятков метров.

Защита трубопровода, проложенного ниже глубины возможного повреждения, вряд ли осуществима, по крайней мере на значительную протяжённость, так как стоимость таких мероприятий бывает экономически невыгодной. Поэтому одним из вариантов защиты может быть создание над трубопроводом каменной бермы (каменного уступа), которая принимает на себя сдвиговые нагрузки. Этот вариант применим только на коротких мелководных участках близко от берега, и едва ли осуществим на большие расстояния. Имеются существенные возражения и с точки зрения защиты окружающей сред, поскольку в Арктике скальные породы не всегда легкодоступны, к тому же сброс камней (скалистой породы) может повлиять на морскую экосистему [2].

Даже если ледовое образование движется над заглубленным в грунт трубопроводом, последний не всегда защищён, поскольку воздействие от ледовых образований на трубопровод может быть передано через грунт. Здесь следует различать три зоны:

·        поверхностная зона 1 - выше уровня основания льда (днища стамухи);

·        зона 2 - где происходят большие пластические деформации грунта;

·        более глубокая зона 3, в которой грунт испытывает относительно низкое давление, и деформация его относительно мала.

Протяжённость зоны 2 зависит от геотехнических характеристик грунта; она меньше в слабых грунтах и наибольшая в илах и песках, где может достигать нескольких метров.

Таким образом, трубопровод должен заглубляться в грунт по крайней мере на глубину возможного повреждения или на несколько метров глубже. В настоящее время разработано несколько методов расчёта системы "лёд - грунт - трубопровод" для оценки напряжённо-деформированного состояния трубы и оценки уровня его вероятности с учётом явления пропахивания дна ледовыми образованиями.

Рис. 8. Схема ледовых нагрузок (пропахивание)

По заданным распределениям вероятностей и ширин ледовых борозд и углублений, с помощью метода Монте-Карло с использованием расчётно-теоретических моделей воздействия ледового образования на донное основание определяется вероятность того, что деформация трубы превысит критический уровень для данного диапазона заглублений.

Это приводит к тому, что определяется зависимость вероятности повреждения трубы за каждое пересечение торосом трубопровода от величины его заглубления. На основании этой процедуры определяется глубина заглубления прокладки трубопровода для приемлемых нормативных уровней вероятности [3].

.9.4 Пересечение береговой линии арктического шельфа

Проблема пересечения прибрежной полосы и береговой линии требует особого внимания при проектировании морских трубопроводов. Сложность задачи объясняется сложностью взаимодействия геологических, гидродинамических и биологических факторов, сформировавших геоморфологию берега [2].

Учёт этих факторов объясняет необходимость удовлетворения следующих требований при пересечении береговой линии в точках входа:

·        минимально возможное расстояние и удобная сухопутная трасса (дорога) до точки подключения;

·        наилучшие условия подхода для ТУС (трубоукладочного судна) при минимальном объёме земляных работ;

·        пересечение береговой линии должно быть по возможности близким к перпендикулярному;

·        по возможности абразия берега в местах предполагаемого пересечения должна быть минимальной или устойчивой.

Повреждения дна ото льда в месте пересечения больше, чем в более глубокой воде. Лёд, движимый ветрами, наползает на берег и может нагромождаться на существенную высоту, сильно повреждая берег. Вечная мерзлота располагается близко ко дну. Тепло от трубопровода, эксплуатирующегося при положительной температуре, передаётся вглубь морского дна и может вызвать протаивание грунта, его просадку и, как следствие, существенные изгибные напряжения. Трубопровод чувствителен также к волнам и передвижению донных осадков, что осложняет выбор оптимальных решений при проектирования подхода к берегу [2].