Ключевым вопросом проектирования морских трубопроводов является выбор и обоснование его основных конструктивных параметров, таких как материал труб, их наружный диаметр и толщина стенки, способ монтажа, а также защиты от коррозии, обеспечения устойчивости и других эксплуатационных характеристик.
Окончательную конструкцию морских трубопроводов выбирают после сравнительного технико-экономического анализа различных вариантов с учетом конкретных условий строительства и эксплуатации.
В качестве материалов труб в мировой практике строительства нашли применение сталь, коррозионностойкие сплавы, алюминий и некоторые другие. Наибольшее распространение получили стальные трубопроводы.
К числу наиболее распространенных материалов и соответственно конструкций относятся:
1. Трубы из углеродисто-марганцевой стали . Наиболее полный свод требований к ним содержится в «Правилах для морских трубопроводных систем», выпущенных Det Norsk Veritas (Норвегия).
2. Гибкие трубы (рис. 10.5). Эти трубы имеют композитную структуру и изготавливаются из нескольких слоев пластмассы, резины и стали для формирования прочных и гибких трубопроводов, способных выдерживать высокие рабочие давления и обеспечивать транспортировку широкого ряда продуктов. Гибкие трубы имеют большую стоимость материала, однако они обеспечивают значительную экономию расходов на укладку. Они могут укладываться с неспециализированных плавучих средств, а это означает, что большие расходы на мобилизацию специального трубоукладочного судна, например к удаленным строительно-монтажным участкам, могут быть снижены.
3. Пучки труб . Разработка небольших месторождений часто связана с применением определенного центрального эксплуатационного сооружения, окруженного несколькими саттелитными скважинами, для добычи продукта или закачки воды в пласт. Экономичным решением для проблемы монтажа нескольких линий на коротком участке является применение пучка линий. Пучок может состоять из отдельных труб, заключенных в единую трубу-носитель или связанных вместе на берегу.
Труба-носитель выбирается таким образом, чтобы обеспечить плавучесть всего пучка, близкого к нейтральной. Этот пучок труб буксируют на место по дну, вблизи него или на среднем уровне по глубине в зависимости от ряда технических соображений, которые включают условия на трассе буксировки.
Пучок затем размещают на дне, несущую трубу заполняют водой на грунте и отдельные трубопроводы пучка подсоединяют к соответствующему оборудованию. Связывание труб в пучки обеспечивает значительную экономию средств, если может быть найдена соответствующая площадка на берегу для изготовления таких пучков.
4. Трубы J -образной формы . Они являются альтернативой обычному стояку. J-образную трубу обычно монтируют предварительно на платформе для последующего монтажа, защиты и обеспечения опоры для внутренней трубы, соединяющей верхние строения платформы с уложенным на дне трубопроводом, J-образные трубы могут поддерживаться по отдельности или связываться вместе в пучок внутри кессона. Кессон особенно полезен в тех случаях, когда необходимо проводить несколько J-образных труб в ограниченном пространстве.
Конструкция J-образных труб зависит от того, что предполагается в них располагать, а именно: стальной трубопровод, гибкий трубопровод или обеспечивающие кабели.
J-образные трубы обеспечивают значительную экономию, связанную с уменьшением стоимости конструкции морских сооружений, поскольку при этом исключается необходимость применения соединительных катушек. Начальный конец трубопровода может быть уложен с соответствующего плавучего средства и затянут в J-образную трубу с помощью лебедок, располагающихся на платформе. Плавучее средство затем перемещается от платформы и выполняет обычные операции укладки трубопровода. Если требуется подсоединить второй конец трубопровода к платформе через J-образную трубу, то его укладывают петлей и затем втягивают.
5. Конструкция «труба в трубе». Существуют конструкции, в которых в целях повышения надежности несущая труба не контактирует с окружающей средой - это так называемые конструкции типа «труба в трубе».
Среди них можно выделить две принципиально различные схемы:
1) внутренняя труба работает, наружная используется как защитный кожух;
2) обе трубы работают.
Конструкции типа «труба в трубе» показаны на рис. 10.6-10.9. Их существенным недостатком является то, что кожух не воспринимает нагрузку от внутреннего давления и тем самым не повышает их несущую способность. Кроме того, требуется балластировка всего трубопровода.
Для более полного использования несущей способности внутренней и наружной труб было предложено межтрубное пространство заполнять цементно-песчаным раствором (рис. 10.9), который после отвердения жестко соединяет обе трубы. В результате получается монолитная двухтрубная конструкция, способная выдерживать значительно большее внутреннее давление.
Диаметр внутренней трубы принимают исходя из технологических соображений (пропускной способности), а наружный - исходя из обеспечения возможности прокачки заполнителя (цемент, битум, эпоксидные смолы и т. п.) по межтрубному пространству, а также из обеспечения необходимой плавучести.
6. Балластировка подводных трубопроводов . Балластировка подводных трубопроводов необходима для их устойчивого положения на дне моря, водоема, реки, озера. Для обеспечения устойчивого положения подводный трубопровод должен иметь отрицательную плавучесть, т.е. полный вес трубопровода в воздухе должен быть больше вытесненной им воды.
На устойчивость подводного трубопровода большое влияние оказывает объемный вес воды в придонной зоне (при размыве грунта от действия волн), а также гидродинамическое давление от волнения и течений. Изменение объемного веса воды с 1,0 до 1,20- 1,25 т/м 3 может привести к уменьшению величины отрицательной плавучести и всплытию трубопровода.
Таким образом, при подсчете веса трубы в воде, кроме значения отрицательной плавучести, следует учитывать и другие факторы, имеющие дополнительное влияние на устойчивость подводного трубопровода. Необходимое значение веса балласта определяется по условному «удельному весу» трубопровода (отношение веса трубопровода с балластом в воздухе к весу воды, вытесняемой трубопроводом и балластом) . Так, по американским техническим условиям морские трубопроводы, укладываемые в прибрежных зонах, должны иметь условный «удельный вес» не менее 1,30. В отдельных случаях, в зависимости от естественных условий района прокладки, когда при волнениях объемный вес грунтовой смеси в придонной зоне доходит до 1,8 т/м 3 , величины условного «удельного веса» морского трубопровода рекомендуется увеличивать до 2.
В практике для балластировки подводных трубопроводов применяют сплошные монолитные бетонные и асфальто-бетонные мастики, наносимые на изоляцию, а также одиночные чугунные, железобетонные или бетонные грузы.
Применение балластных грузов из чугуна связано с большим расходом металла. В отдельных случаях стоимость балластировки чугунными грузами может в 1,5-2 раза превышать стоимость труб. Поэтому в целях экономии металла рекомендуется применять железобетонные грузы. Серьезным недостатком использования бетонных и железобетонных грузов для балластировки подводных и особенно морских трубопроводов являются их сравнительно небольшой объемный вес и, следовательно, необходимость применения большого их количества. Для увеличения объемного веса железобетонных грузов в состав инертных заполнителей вводят утяжеляющие добавки - гематит, железную руду и т. д. - и тем самым объемный вес бетона доводят до 2,8-3,0 т/м 3 .
Следует отметить, что одиночные грузы могут создавать сосредоточенные нагрузки, повреждать изоляцию, затруднять протаскивание их по дну и исключать применение трубозаглубительных механизмов.
В последнее время при строительстве морских трубопроводов нашли применение пригрузки сплошными покрытиями из бетона, усиленного арматурой, поверх слоя антикоррозионной изоляции.
В большинстве случаев бетонную смесь наносят на поверхность методом торкретирования. Армированное бетонное балластное покрытие является эффективным способом утяжеления морских трубопроводов особенно большого диаметра. Следует отметить, что вопрос целесообразности применения сплошного покрытия из бетона связан с выбранным методом прокладки трубопроводов.
Бетонные и другие сплошные покрытия часто применяют при протаскивании трубопровода по дну моря без изгиба или с изгибом по кривой большого радиуса, чтобы предотвратить образование трещин.
Кроме того, сплошное покрытие хорошо защищает изоляцию и дает возможность применять наиболее производительные трубозаглубительные снаряды, перемещающиеся вдоль уложенных трубопроводов.
Особый интерес представляют специальные балластные покрытия, в состав которых входит асфальтовая мастика с частицами стекловолокна и утяжеляющими материалами. Такие сплошные покрытия имеют одновременно антикоррозионные свойства. Их объемный вес может составлять от 2,08 до 3,84 т/м 3 в зависимости от количества добавляемых материалов.
Высокая пластичность этих покрытий исключает образование трещин при изгибе трубопровода в процессе укладки. Применение подобных покрытий, являющихся одновременно изоляционными материалами, допускает укладку трубопроводов методом наращивания с плавучих средств с изгибом в пределах упругих деформаций металла труб.
В отдельных случаях в спокойных акваториях с устойчивыми грунтовыми условиями, а также при прокладке трубопроводов через пойменные и заболоченные участки устойчивость может быть обеспечена винтовыми или другими видами металлических анкеров.
В настоящее время для изоляции подводных трубопроводов применяют каменноугольные эмали, битумную мастику и полимерную пленку. В последние годы разработаны напыляемые эпоксидные покрытия.
Каменноугольные эмали отличаются высокой сопротивляемостью к отслаиванию, водонепроницаемостью и устойчивостью к химическим реагентам. Однако эти покрытия плохо переносят ударные нагрузки, имеют низкую абразивную износостойкость, склонны к хрупкому разрушению при низких температурах и размягчению - при высоких.
Битумная мастика в отличие от каменноугольной эмали более износостойка, устойчива к ударным нагрузкам, но обладает меньшей адгезией и гибкостью.
Эпоксидные покрытия изготавливают из смеси эпоксидной пудры, красителя и отвердителя. Их наносят слоем толщиной 0,31-0,64 мм на предварительно подогретую (примерно до 232 °С) поверхность трубы. Эпоксидные покрытия обладают более высокими адгезионными свойствами, гибкостью и устойчивостью к абразивному износу и ударным нагрузкам, но требуют особой подготовки поверхности трубы, включая предварительный подогрев, а также специальной технологии нанесения утяжеляющего покрытия.
Резюме
Морские трубопроводные системы - сложнейшие технические объекты, работающие в трудных природных условиях. Они являются эффективными средствами транспорта при освоении нефтегазовых ресурсов континентального шельфа морей и океанов. В ближайшие десятилетия с увеличением добычи газа и нефти из месторождений шельфа России потребности в морских трубопроводах будут нарастать.
Ключевым вопросом проектирования морских трубопроводов являются выбор и обоснование его основных конструктивных параметров, таких как материал труб, их наружный диаметр и толщина стенки, способ монтажа, а также защиты от коррозии, обеспечения устойчивости и других эксплуатационных характеристик. Окончательную конструкцию морских трубопроводов выбирают после сравнительного технико-экономического анализа различных вариантов с учетом конкретных условий строительства и эксплуатации.
При проектировании и сооружении трубопроводов в условиях Арктики специалистам необходимо решить целый ряд уникальных задач, с которыми нефтегазовая промышленность до сих пор не сталкивалась, реализуя проекты в других регионах мира. В их число входят ледовое пропахивание, ледовая эрозия дна, выход льда на берег, устойчивость берегового грунта, таяние льдов. Зачастую возникает необходимость разработки специальных методов и оборудования, предназначенных для работы в удалённых регионах (при отсутствии какой бы то ни было инфраструктуры), с ограниченной продолжительностью строительного сезона, в суровых погодных условиях и сложной ледовой обстановке.
Специфика Арктики
Все перечисленные выше факторы необходимо учитывать при проектировании трубопроводов в дополнение к объёмам перекачиваемых нефти или газа, показателям прочности грунта и устойчивости морского дна. Среди прочих факторов – условия окружающей среды: такие как глубина моря, температура, морская фауна, тип выполняемых работ (например, морская транспортировка углеводородного сырья или промышленная эксплуатация месторождения).
Пропахивание морского дна имеет место при движении ледовых торосов под воздействием ветра или соседнего ледового поля, при этом киль тороса соприкасается с дном. Ледовая эрозия дна образуется во время весеннего таяния, когда вода из разливающихся рек поступает на поверхность морского льда и просачивается в море через полыньи и трещины. Просачивающаяся вода образует водовороты, воздействующие на морское дно и лежащие на дне трубопроводы.
Береговая линия и барьерные острова подвергаются воздействию подвижного льда во время его намерзания или вскрытия. В результате вдоль береговой линии образуются нагоны, максимальная высота которых может быть на уровне ватерлинии или уровня берега, что и приводит к выходу ледяных глыб на берег.
На участке морского трубопровода при соединении с наземным трубопроводом в его конструкции должно быть предусмотрено некоторое расстояние, предохраняющее трубопровод от повреждений при выходе льда на берег. Закладка гравием, пригрузка, восстановление растительного покрова необходимы для предотвращения ускоренной эрозии участка в месте выхода трубы на берег.
При расчёте расстояния выхода трубопровода на берег необходимо также учесть отступление береговой линии. На мелководье происходит промерзание донного грунта в зимний период. Под слоем подвижного льда находится вечная мерзлота. Тепловое воздействие трубопровода на мёрзлый грунт также должно учитываться при проектировании, чтобы оттаивание грунта не повлияло на целостность трубопровода.
Монтаж конструкций
Несмотря на большой опыт строительства трубопроводов в различных регионах мира, опыт сооружения трубопроводных систем в условиях Арктики ограничен тремя проектами: Northstar, Oooguruk и Nikaitchuq. Укладка всех трёх трубопроводов производилась со льда во время зимнего строительного сезона. Трубопроводы были заглублены во избежание повреждений от ледового пропахивания.
В условиях Арктики для укладки трубопроводов на мелководье использовалось оборудование, размещённое на льду во время зимнего строительного сезона. Хотя до сих пор ни одного глубоководного арктического трубопровода построено не было, баржи-трубоукладчики применялись на больших глубинах в субарктических регионах (там, где не было льда).
В неарктических регионах, подверженных, тем не менее, ледовому пропахиванию, отраслевой опыт строительства трубопроводов был накоплен на российском шельфе (на о-ве Сахалин), где укладка велась с судов. В рамках проекта «Сахалин-2» были установлены платформы на месторождениях Пильтун-Астохское и Лунское, соединённые с берегом трубопроводной системой суммарной длинной 262 км. Помимо того, что эта система рассчитана на то, чтобы выдерживать землетрясения, трубопроводы были заглублены на 35 м во избежание повреждения от ледового пропахивания.
При определении глубины заглубления трубопроводов необходимо учитывать целый ряд факторов, таких как береговая эрозия, движение барханов, а также пропахивание морского дна килями ледовых торосов. Для уточнения величины и частоты ледовых пропахиваний и эрозии при проектировании трубопроводных систем нужно использовать специальные программы, предназначенные для исследования морского дна. Обычно для их проведения используют суда, оборудованные многолучевыми боковым и донным профилирующими сонарами. В случае ледовой эрозии дна до наступления сезона открытой воды используются вертолёты.
После сбора данных необходимо произвести их обработку и анализ для разработки соответствующих критериев проектирования. В прошлом обработка данных была трудоёмким и продолжительным процессом. В настоящее время с этой целью используют специальные компьютерные программы. Создаются подробные базы данных, в которых содержится информация по каждому объекту с указанием его местоположения, глубины, ширины, длины и т.д. Каждый такой набор данных содержит важнейшие параметры, используемые при проектировании, и охватывает большой диапазон глубин с информацией о частоте и величине ледового пропахивания.
Прогнозирование глубин
На параметры заглубления трубопроводных систем влияют следующие факторы: глубина ледового пропахивания, геометрия траншеи, деформации под бороздами пропахивания, тип грунта и его прочность на сдвиг. Основной задачей является устранение и изучение неопределённостей, связанных с расчётами глубины. Для этого необходимо определить проектную глубину пропахивания на основании полевых данных и физических ограничений, таких как прочность грунта и льда, а затем определить воздействие льда на грунт и нагрузку на трубопровод при помощи связанного (уточнённая модель грунта) и несвязанного (упрощённая модель грунта) анализов. Обычно трубопровод проектируется так, чтобы он не соприкасался с килем ледового тороса. Учитываются также нагрузки на траншею и грунт при укладке трубопровода и критерии проектирования трубопровода в части деформаций и нагрузок, влияющих на конструктивную целостность трубопровода.
Связанная модель – это трёхмерная модель, в которой грунт моделируется как континуум, а процесс пропахивания эксплицитно моделируется в среде грунта. Несвязанные модели – это главным образом двухмерные модели консольного типа, в которых грунт моделируется пружинами. Неустановившееся смещение (деформации под бороздами пропахивания), наложенное на основу пружин, моделирует влияние процесса пропахивания на трубопровод в несвязанных моделях; характеристики пружин являются упрощённым представлением поведения грунтовой среды в части кривых нагрузка/смещение.
Совместные отраслевые проекты позволяют получить лучшее представление о процессах пропахивания льда и требуемой глубине заглубления трубопроводов. Завершённое недавно исследование «Оценка и устранение рисков при строительстве трубопроводов», являющееся одним из совместных отраслевых проектов, было нацелено на создание инженерных моделей, разработку процедур проектирования и обобщение передового опыта в области защиты трубопроводов от килевых нагрузок. Под руководством Канадского центра гидравлических исследований недавно завершён совместный отраслевой проект по моделированию взаимодействия килей ледовых торосов и морского дна. Целью данного исследования было изучение процесса ледового пропахивания и его параметров – силы, глубины и их соотношений в условиях песчаных грунтов.
Механическая целостность трубопроводов и её мониторинг
Системы обнаружения утечек на трубопроводах подразделяются на программные и аппаратные системы. В рамках программных систем проводится сбор данных с датчиков, которые обычно используются при эксплуатации трубопроводов (датчики давления, температуры, расхода) для обнаружения и локализации потенциальных утечек на основании программных алгоритмов. В аппаратных системах для мониторинга утечек используются датчики, не связанные с обычным процессом эксплуатации трубопроводов. Для усовершенствования имеющихся в настоящее время программных систем мониторинга внедряется мониторинг испарений и оптоволоконные технологии.
Инновационные рубежи
Возможна укладка трубопроводов на короткие расстояния через скважины-шурфы, пробуренные с использованием безтраншейных методов укладки. Такие методы можно разделить на две основные категории: методы наклонно-направленного бурения и создание микротуннелей.
Наклонно-направленное бурение применяется при строительстве речных переходов и укладке коротких отрезков трубопроводов через недоступный рельеф. При использовании данного метода буровая установка наклонного бурения располагается на одном берегу реки. Она бурит такую же скважину, как и при бурении на нефть. Скважина обычно бурится на глубину порядка нескольких метров под поверхностью грунта с выходом на другой берег. Затем трубопровод или связка трубопроводов протягивается через скважину. Данный метод сводит к минимуму повреждение поверхности: параметры объёма вскрыши на погонный метр трубопровода позволяют заглублять трубопровод на глубину нескольких метров.
Следует отметить, что при прокладке трубопровода данным методом используется буровой раствор (бентонит). Выход бурового раствора в непредсказуемых местах и загрязнение окружающей среды раствором – главные недостатки данного метода. Кроме того, применение наклонно-направленного бурения может оказаться проблематичным из-за характеристик грунтов в Арктике.
Использование данного метода ограничено устойчивостью стенок скважины и усилием, необходимым для проталкивания колонны бурильных труб в скважину при бурении, а после его завершения – для проталкивания трубопровода через скважину. Большей длины можно достичь посредством строительства кессонов на мелководье через каждые 2 км трассы. Такая технология была успешно применена при соединении платформы Mittelplate в немецком секторе Северного мора с береговыми сооружениями посредством трубопровода длиной 11 км.
Технология создания микротуннелей задавливанием труб использовалась на участках берегового примыкания (например, участок трубопровода Europipe). Тем не менее, при применении данного метода длина всё ещё ограничена несколькими километрами в основном из-за необходимости проталкивания с одного конца трубопровода поддерживающей трубы. Обычная туннельная технология с использованием туннелепроходческих машин позволяет создавать сооружения поддержки непосредственно за забоем, вследствие чего можно увеличить длину самого туннеля. Для этого его диаметр должен составлять несколько метров (необходимо для установки оборудования). Однако применение такого метода для строительства трубопроводов, по мнению специалистов, вряд ли можно назвать практичным.
Освоение нефтяных и газовых месторождений, расположенных на шельфе, невозможно без строительства трубопроводов. На современных морских нефтепромыслах одни подводные трубопроводы связывают отдельные морские платформы с центральным накопителем и плавучим причалом, который оборудован для швартовки танкеров, другие соединяют накопители непосредственно с береговым нефтехранилищем.
Технология строительства морских трубопроводов предусматривает следующие этапы: земляные работы, подготовку трубопровода к укладке, его укладку, засыпку и защиту от повреждений.
Необходимость в заглублении морских трубопроводов связана с тем, что в противном случае они могут быть повреждены при перемещении прибрежных льдов, тралами, якорями судов и т.п. При земляных работах используются устройства, разрабатывающие траншею, как с поверхности воды, так и в подводном положении. К первым относятся плавучие земснаряды, гидромониторные установки, грейферные землечерпалки, пневматические и гидравлические грунтососы. Ко вторым - различного рода автономные устройства, работающие под водой.
Так, в Италии создан земснаряд S-23, который может разрабатывать траншеи на глубине до 60 м. Рытье траншеи осуществляется фрезерным рыхлителем со скоростью до 130 м/ч в грунтах средней плотности. Параметры отрываемой траншеи следующие: глубина - до 2,5 м, ширина по дну - от 1,8 до 4,5 м.
В Японии разработаны бульдозер и экскаватор для ведения работ под водой на глубине до 70 м. Бульдозер массой 34 т имеет мощный двигатель и перемещается на гусеницах. В отличие от земснарядов он может разрабатывать плотные грунты.
Подводный экскаватор предназначен для разработки траншей при сооружении морских трубопроводов, котлованов под фундаменты различных морских сооружений и дноуглубительных работ. Скорость его перемещения по дну составляет 3 км/ч. Управляют экскаватором два оператора с надводного судна.
Перед укладкой на трубопровод наносят защитное покрытие и осуществляют его пригрузку против всплытия. Мировой опыт строительства морских трубопроводов показал, что лучшим защитным покрытием для них и одновременно пригрузом является бетонное покрытие.
Укладка морских трубопроводов осуществляется протаскиванием, либо с поверхности моря постепенным наращиванием.
Схема протаскивания приведена на рис. 4. Трубопровод 1 движется по роликовой спусковой дорожке 5. Тяговое усилие по тросу 2 передается от лебедки, установленной на судне 3. Судно удерживается якорями 4. Метод протаскивания прост, обеспечивает укладку трубопровода точно по трассе. Однако он применим при укладке трубопроводов длиной лишь до 15 км.
Схема укладки с поверхности моря постепенным наращиванием (рис. 5) получила наибольшее распространение. Трубоукладочное судно 4 закрепляется на якорях 6, каждый из которых выдерживает усилие до 10 т. На судне создается запас обетонированных труб, секции которых длиной по 36 м доставляются специальными транспортными судами. Длина трубоукладочного судна позволяет соединять секции в плети длиной 180 м.
Укладка трубопровода 1 осуществляется следующим образом. На судне 4 сваривают очередную плеть, стыки изолируют, бетонируют и оснащают поплавками 2. Плеть стыкуют с концом трубопровода, уложенного ранее и удерживаемого натяжным устройством и специальной жесткой приставкой 3. Угол наклона этой приставки выбирается таким, чтобы максимально уменьшить напряжения в спускаемом трубопроводе. Стык изолируют и бетонируют, после чего плети спускают в воду на понтонах. Отстроповка понтонов производится автоматически на заданной глубине.
Судно «Сулейман Везиров» водоизмещением 8900 т за сутки может уложить под водой 1,2 км сваренных труб диаметром 200...800 мм. Судно-трубоукладчик фирмы «Вяртсиля» водоизмещением 41 000 т позволяет укладывать до 2,5 км трубопровода диаметром 530 мм в сутки на глубине до 300 м. Запаса труб на них хватает для работы в течение 5... 10 суток.
Укладка морских трубопроводов с предварительной отрывкой траншеи связана со значительными затратами. Прокладка траншеи в море обходится раз в сто дороже, чем на суше. Кроме того, точно уложить трубу в траншею с борта, качающегося на волнах судна достаточно сложно.
Дешевле и проще заглубить в грунт стальной трубопровод, уже уложенный на дно. Для этого сконструированы специальные подводные агрегаты-трубозаглубители. Их основным элементом является тележка, которая катится по трубе.
Рис 4 - Схема протаскивания трубопровода: 1 - трубопровод; 2 - трос; 3 - судно, на котором установлена лебедка; 4 - якоря.
Рис 5 - Схема укладки трубопровода трубоукладочным судном: 1 - трубопровод; 2 - поплавки; 3 - жесткая приставка, на которой лежит конец трубопровода; 4 - трубоукладочное судно; 5 - кран; 6-якоря.
На тележке закреплены различные заглубляющие приспособления: гидромониторные сопла, плуги, фрезы или роторные колеса. Энергия для их привода подается с борта судна по кабельной линии, которая достигает в длину 1 км и более. В последнее время трубозаглубители оснащаются подводными телекамерами, что позволяет контролировать их работу с поверхности.
Для защиты морских трубопроводов от повреждений в прибрежной зоне наиболее часто используется каменная наброска. Отсыпку камня производят с борта барж с наклонными бункерами и вибраторами. Нередко применяются суда с гладкой палубой, за борт которых камни сбрасывает бульдозер. Точность такой отсыпки невелика. Поэтому в настоящее время роль бульдозера выполняют специальные щиты, которыми управляют гидроцилиндры, связанные с ЭВМ. Такие устройства позволяют качественно выполнить засыпку трубопровода при волнах высотой в двухэтажный дом и скорости ветра до 15 м/с.
Другой способ защиты морских трубопроводов от повреждений - это укладка асфальта поверх траншеи. Асфальтирование морского дна производится с помощью плавучего асфальтового завода. С его палубы готовая смесь подается на дно по вертикальной трубе, в центре которой проходит труба-подогреватель с тем, чтобы из-за контакта с относительно холодной водой асфальт не успел остыть. На дне асфальт разравнивает и укатывает автоматическое устройство, аналогичное применяемым при асфальтировании площадей и улиц. За один проход укладчика на дне появляется заасфальтированный участок щириной 5 м и толщиной 85 мм.
Трубопроводный транспорт России, имеющий почти 100-летнюю историю, является крупнейшим в мире. Однако, морские трубопроводы (МТ) используются сравнительно недавно. Построены и введены в эксплуатацию морские участки газопроводов: «Северо-Европейский» (Nord Stream или СЕГ) в Балтийском море, «Голубой поток» и «Туапсе-Джубга» в Черном море. Морские нефтепроводы относительно небольшой протяженности имеются в Печерском море (отгрузочый трубопровод Варандейского нефтяного терминала), на Балтике (месторождение Д-6) на шельфе Сахалина. В стадии проектирования находятся МТ от Штокмановского ГКМ в Баренцевом море и Киринского ГКМ на шельфе острова Сахалин, "Южный поток" в Черном море. В дальнейшем, по мере развития работ на арктическом шельфе, следует ожидать существенного увеличения количества МТ. Эксплуатация МТ, по отношению к эксплуатации трубопроводов на суше, имеет определенную специфику, которая недостаточно отражена в действующей в РФ нормативной документации. Вопросы обеспечения безопасной эксплуатации этих трубопроводов в настоящее время решаются, главным образом, на основе проектов, ориентированных, преимущественно, на внутритрубную диагностику. Такой принцип не соответствует современным требованиям надежности и безопасности опасных производственных объектов. Только системный подход, ориентированный на полномасштабное выполнение задачи контроля МТ в реальном времени, а также своевременное и качественное выполнение обследований, технического обслуживания и ремонтно-восстановительных работ могут быть гарантией безопасной эксплуатации МТ в условиях Арктического шельфа. Какие шаги необходимо сегодня предпринять для обеспечения такого подхода?
Особенности морских трубопроводов
При проектировании и строительстве надежность и безопасность МТ обеспечиваются по повышенным требованиям, по отношению к проложенным на суше. Это вызвано особыми (морскими) условиями, такими как, достаточно агрессивная морская среда, подводное расположение, повышенная протяженность без промежуточных компрессорных станций, воздействия морского волнения, ветра и течений, сейсмичность, сложный рельеф дна, ограниченные возможности подготовки и контроля трассы, затрудненность или невозможность реализации стандартного для магистральных газопроводов регламента обслуживания и ремонтов и т.д.
В качестве специальных мер обеспечения безопасности МТ можно указать следующие:
- установка вдоль трассы МТ охранных зон (на расстояние до 500 м от оси трубопровода) с особым режимом мореплавания и хозяйственной деятельности, определяемым на федеральном уровне;
- обеспечение защиты МТ от коррозии, в значительной степени определяющей его надежность и безопасность, на весь срок его эксплуатации и только комплексно (наружным и внутренним покрытием и средствами катодной защиты);
- использование в конструкции МТ изолирующих соединений с системой защиты от коррозии (фланец или муфта) от сухопутных участков;
- учет при проектировании МТ всех возможных воздействий на трубопровод, которые могут потребовать дополнительной защиты, а именно:
Возникновение и распространение растрескивания или смятия труб и сварных швов в процессе монтажа или эксплуатации;
Потеря механических свойств трубной стали;
Недопустимо большие пролеты трубопровода на дне;
Эрозия морского дна;
Удары по трубопроводу якорями судов или рыболовецких тралов;
Сейсмические воздействия;
Нарушение технологического режима транспортировки газа.
- выполнение при проектировании МТ анализа допустимых пролетов и устойчивости трубопровода на дне моря, а также расчета патрубков - ограничителей лавинного смятия трубопровода в процессе его укладки на больших глубинах моря;
- заглубление МТ в дно на участках его выхода на берег ниже прогнозируемой глубины размыва дна акватории или берегового участка на весь период эксплуатации морского трубопровода;
- прокладка МТ по поверхности дна моря только при условии обеспечения его проектного положения в процессе всего периода эксплуатации (исключается возможность его всплытия или подвижек под воздействием внешних нагрузок или повреждения рыболовецкими тралами или якорями судов), при необходимости, дно акватории предварительно подготавливается либо трубопровод укладывается в траншею;
- выбор способа защиты МТ в зависимости от местных условий окружающей среды и степени потенциальной угрозы каждого воздействия на газопровод;
- проектирование МТ свободным от препятствий потоку транспортируемого продукта (в случае применения кривых искусственного гнутья или фитинговых изделий, их радиус принимается не менее 10 диаметров трубопровода, что достаточно для свободного прохождения очистных и контрольных устройств).
Для обеспечения безопасности транспортировки углеводородов и снижения риска при проектировании и сооружении подводных трубопроводов используются самые современные достижения в области их строительства, повышенные требования промышленной безопасности, высококачественные трубы, сварочные и изоляционные материалы, системы контроля и т.д. Данное обстоятельство объективно создает условия для повышения надежности и безопасности МТ, что подтверждается отсутствием аварий на всех МТ, введенных в эксплуатацию в нашей стране. Тем не менее, аварийность на морских трубопроводах является реальным фактом и должна учитываться при проектировании, строительстве и эксплуатации каждого МТ.
Аварийность на морских трубопроводах
Данные по аварийности на морских трубопроводах достаточно широко представлены в доступных источниках информации. Например, они публикуются Управлением трубопроводной безопасности (OPS) Министерства транспорта США (нефтепроводы, газопроводы), а также соответствующими организациями Европейского сообщества. На основании анализа имеющихся данных о примерно 700 случаях аварийной разгерметизации подводных трубопроводов (за примерно 40 летний период), были установлены основные причины их разрушений.
Распределение общего числа разрушений подводных трубопроводов в зависимости от вызвавших их причин
Доминирующими причинами аварийных ситуаций являются: коррозия - 50%, механические повреждения (воздействия якорей, тралов) вспомогательных судов и строительных барж - 20% и повреждения, вызванные штормами, размывами дна - 12%. При этом большинство инцидентов произошло на участках МТ в непосредственной близости от платформ (в пределах ~15,0 м), в том числе, на стояках.
На основании анализа статистических данных по аварийности морских трубопроводов было выявлено, что с учетом принятых мер для повышения надежности и безопасности МТ, интенсивность аварий на морских трубопроводах постоянно сокращалась и в настоящее время находится в пределах 0,02 - 0,03 аварий в год на 1000 км их протяженности.
Для сравнения, в начальный период использования МТ (70 - годы прошлого века) интенсивность аварий на морских трубопроводах в Мексиканском заливе составляла 0,2 аварий/год/1000 км трубопроводов и 0,3 аварий/год/1000 км - в Северном море.
Для сравнения - в России средняя частота аварий составляет 0,17 аварий/год/1000 км для газопроводов и 0,25 аварий/год/1000 км для нефтепроводов.
При эксплуатации МТ, несмотря на принимаемые меры безопасности, имеются реальные угрозы их повреждения или нарушения работоспособности. К этим угрозам следует отнести дефекты трубопровода, нештатные технологические процессы и режимы, техногенные опасности, процессы и явления в геологической среде, природно-климатические и геологические факторы, действия третьих лиц, научная, промышленная, военная деятельность в районах размещения МТ и другие причины.
Степень опасности аварий морских трубопроводов
Аварии морских трубопроводов создают опасность нарушения экологического равновесия морской и геологической сред в районах их использования. Степень опасности аварий значительно увеличивается в арктических и дальневосточных морях России, которые характеризуются низким уровнем интенсивности естественной биологической очистки, что в случае аварийных разливов нефти может привести к длительному загрязнению морской воды и донных отложений.
В случае аварии на морском трубопроводе, экологический ущерб будет определяться размером платежей за сверхнормативное загрязнение окружающей среды и стоимостью работ по локализации и ликвидации аварийного разлива. В морских условиях истечения, из-за отсутствия надежной системы обнаружения утечек, а также сложностью проведения работ по ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов в море, можно ожидать утечек с существенно более высокими значениями, чем среднестатистические для действующих сухопутных трубопроводов.
Реальность аварий МТ, степень их опасностей, не большой опыт и возможные риски эксплуатации МТ требуют адекватных мер обеспечения безопасности, которые, в соответствии с требованиями ФЗ от 27.12.2002 № 184-ФЗ "О техническом регулировании", должны быть отражены, прежде всего, в подходах к организации эксплуатации МТ.
Анализ зарубежного опыта регулирования эксплуатации морских газопроводов
За рубежом установлено достаточно жесткое регулирование эксплуатации морских трубопроводов. Основные документы из числа общепризнанных международных стандартов (изданных в США, Великобритании, Норвегии, Нидерландах и т.д.), указаны в таблице.
В Европе регулирование эксплуатации морских газопроводов реализуются в форме Директив Европейского Союза, которые утверждаются членами Европейского Союза. При этом широко используется метод ссылок на действующие специальные нормативные документы по магистральному морскому трубопроводному транспорту, получившие положительную оценку по результатам длительного применения (примерно 20 стандартов серии ISO, стандарты США, Норвегии, Канады и др.), такие как:
АРI - 1111 "Проектирование, строительство, эксплуатация и ремонт морских трубопроводов для углеводородов", Практические рекомендации. 1993 (стандарт США);
Det Norske Veritas" (DNV) "Правила для подводных трубопроводных систем", 1996 г.(стандарт Норвегии);
ВS 8010. "Практическое руководство для проектирования, строительства и укладки трубопроводов. Подводные трубопроводы". Части 1, 2 и 3, 1993 г. (британский стандарт);
Стандарт США АSМЕ В 31.8 "Нормативы по транспортировке газа и распределительным трубопроводным системам", 1996 г.;
Стандарт США МSS -SР - 44 "Стальные фланцы для трубопроводов", 1990г.
ASME B31.4-2006 "Трубопроводные системы для транспортировки жидких углеводородов и других жидкостей";
ASME B31.8-2003 "Системы трубопроводов газа и газораспределение"; -CAN-Z183-M86 "Системы нефтегазопроводов";
ASTM 96 "Абразивостойкость покрытий трубопроводов".
Чаще других используются стандарты компании Det Norske Veritas (DNV). В частности, на их основе создан морской участок СЕГ и проектируется газопровод со Штокмановского ГКМ.
Система стандартов DNV связывает безопасность с устранением угрозы причинения вреда персоналу, имуществу и/или окружающей среде, а риск - с размером причиненного ущерба. Указанный подход ориентирован на баланс действий по управлению эксплуатационными и технологическими рисками для нахождения устойчивого равновесия между безопасностью, функциональными возможностями и стоимостью.
Требования распространяются на инспекции и ремонт трубопроводов. При этом должны быть установлены основные положения инспекций и контроля, базирующихся на детальных программах, принципы формирования которых пересматриваются через 5-10 лет.
В соответствии с разделом B 200 стандарта DNV, трубопроводная система в обязательном порядке должна обеспечиваться текущим контролем (инспекцией) в течение времени эксплуатации. Стандарты DNV предписывают обследование конструкции морских трубопроводов и обнаружение дефектов (разд. 10, п. В, Е DNV-OS-F-101), инспекцию и контроль внешней и внутренней коррозии (разд. 10, п. С, D DNV-OS-F -101).
При этом "Параметры, которые могут угрожать работоспособности трубопроводной системы, должны контролироваться и оцениваться с той частотой, которая позволит принять меры по устранению неисправности прежде, чем система будет повреждена".
В целом, изложенные в стандартах DNV положения и требования носят рекомендательный характер и не содержат конкретных положений по технике и технологиям их решения.
Нормативное регулирование эксплуатации морских трубопроводов в РФ
По результатам рассмотрения и анализа действующей нормативно-правовой базы в части требований федеральных органов власти и надзорных органов к организации и производству работ по обследованию, эксплуатации и ремонту морских участков газопроводов, можно отметить следующее.
1. В настоящее время проходит обновление всей существующей нормативной базы строительства путем актуализации СНиП и ГОСТ, внедрения стандартов Европейского союза, а также создание единой нормативной базы Таможенного союза России, Белоруссии и Казахстана и ЕврАзЭс.
2. Операторы трубопроводов имеют возможность формировать собственную нормативную базу, не противоречащую федеральному законодательству, как путем разработки новых документов, так и путем признания действующих нормативных документов - российских и международных.
3. В Российской Федерации директивно установлены общие требования обеспечения безопасности морского трубопроводного транспорта нефти и газа путем соответствующей организации и порядка проведения работ по их обследованию, эксплуатации и ремонтам. Детальная нормативно-техническая документация, регламентирующая организацию, проведение и контроль этих работ на федеральном уровне отсутствует, поскольку предполагается, что она будет разрабатываться на уровне организаций и предприятий.
4. Правовой основой эксплуатации МТ являются Федеральный закон № 187-ФЗ от 30.11.1995 г. и постановление Правительства РФ от 19.01.2000 г. № 44. В соответствии с этими документами система эксплуатации МТ должна создаваться и функционировать с соблюдением требований предусмотренных водным законодательством, и в порядке, установленном Правительством Российской Федерации, а также на основе действующей в РФ нормативно-технической документации (НТД), внутренней нормативной документации ЭО (филиала ЭО), а также признанных в Российской Федерации международных стандартов.
5. В Российской Федерации в области проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов применяются нормативные документы, указанные в таблице. На практике широко используются международные стандарты:
ISO 13623, ISO 13628, ISO 14723-2003;
Стандарты DNV, включая Правила планирования и выполнения морских операций;
Стандарты CAN/CSA-S475-93 (Канадская ассоциация стандартизации). Морские операции. Морские сооружения;
Германский Ллойд. Правила классификации и постройки. III. Морская техника.
Кроме указанных в таблице, имеется около 70 других нормативных документов, имеющих отношение к различным аспектам жизненного цикла МТ.
6. Основным действующим на государственном уровне документом, является ГОСТ Р 54382-2011 Нефтяная и газовая промышленность. Подводные трубопроводные системы. Общие технические требования (далее - ГОСТ), который устанавливает требования и правила на проектирование, изготовление, строительство, испытания, ввод в эксплуатацию, эксплуатацию, техническое обслуживание, переосвидетельствование и ликвидацию подводных морских трубопроводных систем, а также требования к материалам для их изготовления. ГОСТ является переводом с английского на русский норвежского стандарта DNV-OS-F101-2000 (Oil and gas industry. Submarine pipeline systems. General requirements), устанавливает требования безопасности для подводных морских трубопроводных систем путем определения минимальных требований к проектированию, материалам, изготовлению, строительству, испытанию, вводу в эксплуатацию, эксплуатации, техническому обслуживанию, переосвидетельствованию и ликвидации и достаточно хорошо согласуется со стандартом ИСО 13623, устанавливающим функциональные требования для морских трубопроводов (имеются некоторые отличия).
ГОСТ требует, чтобы параметры, влияющие на работоспособность трубопроводной системы, контролировались и оценивались. При этом периодичность мониторинга или инспекций должна быть такой, чтобы трубопроводная система не подвергалась опасности вследствие какого-либо ухудшения показателей, износа, которые могут произойти между двумя последовательными интервалами (периодичность должна обеспечить возможность своевременного устранения неисправности). Указывается, что если визуальный осмотр или простые измерения не являются практичными или надежными, а доступные методы проектирования и накопленный опыт не достаточны для надежного предсказания эксплуатационных характеристик системы, то может потребоваться оснащение трубопроводной системы контрольно-измерительными приборами.
Требования ГОСТ к эксплуатации, инспекциям, модификациям и ремонтам трубопроводов распространяются на следующие элементы:
Инструкции;
Хранение эксплуатационной документации;
Измерения за технико-эксплуатационными параметрами:
Основные принципы контроля и мониторинга;
Специальные проверки;
Обследование конфигурации трубопровода;
Периодические обследования;
Контроль и мониторинг наружной коррозии;
Трубопроводы и райзеры в зоне погружения;
Контроль и мониторинг внутренней коррозии;
Коррозионный контроль;
Коррозионный мониторинг;
Дефекты и ремонт.
Однако эти требования имеют общий характер и для практического использования нуждаются в детализации, которую целесообразно осуществить в рамках нового стандарта (далее - Стандарт).
Следует отметить, что выборочное применение международных требований не всегда возможно по причине неоднородности подходов в России и за рубежом к регулированию безопасности на одних и также объектах.
Общий подход к формированию Стандарта
В настоящее время в Российской Федерации техническое регулирование, в том числе и в области эксплуатации магистральных газопроводов, осуществляется в соответствии с ФЗ от 27.12.2002 № 184-ФЗ "О техническом регулировании", который принципиально изменил отечественную систему стандартизации. Новизна этой системы заключается в следующем:
Создается 3-х уровневая система построения нормативной документации, в которой обязательными для исполнения являются только требования верхнего (директивного) уровня, которые устанавливаются специальными техническими регламентами (СТР) РФ;
Государственные (национальные) стандарты имеют добровольный характер применения;
Корпоративные стандарты действительны только среди утвердивших их организаций;
Разрешено применение международных стандартов в качестве основы разработки национальных стандартов;
Ответственность за безопасность эксплуатации техногенных объектов, в том числе объектов трубопроводного транспорта, возложена на их владельцев (заказчиков).
Решение задач обеспечения безопасности эксплуатации МТ должно учитывать требования отечественных и зарубежных стандартов и увязать безопасность с устранением угрозы причинения вреда персоналу, имуществу и/или окружающей среде, а риск - с размером причиненного ущерба. Указанный подход должен быть ориентирован на баланс действий по управлению эксплуатационными и технологическими рисками для нахождения устойчивого равновесия между безопасностью, функциональными возможностями и стоимостью. Для этого должны быть установлены основные положения/принципы эксплуатации МТ, в части, контроля, технического обслуживания и ремонта их элементов, включая инспекции, осмотры и обследования.
Стандарт должен реализовать положения общей концепции технического регулирования, применительно к объекту его регулирования и относиться к основополагающим документам (организационно-методический и общетехнический стандарт).
Стандарт должен разрабатываться на основе обоснованных научных и технических положений, направленных на снижение риска и обеспечение безопасности при эксплуатации МТ и обеспечить современный уровень организации и проведения соответствующих работ.
Стандарт должен обеспечить уровень безопасности эксплуатации МТ, которая должна восприниматься как совокупность промышленной безопасности, экологической безопасности, защиты от не санкционированного вмешательства и террористических угроз, охраны труда и т.д., не ниже, чем береговых участков.
Стандарт должен распространяться на процессы эксплуатации, обследований, технического обслуживания и ремонтов МТ, проложенных на континентальном шельфе и во внутренних морях Российской Федерации.
Стандарт должен устанавливать (в минимальном объёме) общие положения, основные руководящие положения, рекомендации и обязательные для соблюдения общие технические требования, важнейшие нормы и правила к процессам, процедурам, работам и операциям, связанным с эксплуатацией, обследованиями, техническим обслуживанием и ремонтами МТ. Требования Стандарта не должны препятствовать проявлению инициатив по внедрению современных методов и технических средств, оптимизации технологий и организационных процессов и осуществлению работ по эксплуатации МТ на основе хорошей морской практики.
Стандарт должен содержать как требования безопасности, учитывающие опасные факторы, характерные для эксплуатации МТ, так и административные положения, к которым относятся правила планирования, организации, подготовки, проведения, контроля, приемки различных работ и правила подтверждения соответствия используемого для эксплуатации, обследований и ремонта оборудования, соответствующим требованиям. Основные угрозы безопасности МТ
Анализ доступной информации по опыту эксплуатации морских трубопроводных систем для транспортировки углеводородов показывает, что составляющими общей угрозы безопасности являются:
Природно-климатические факторы;
Процессы и явления в геологической среде;
Конструктивные и технологические дефекты трубопровода;
Нештатные технологические ситуации;
Техногенные опасности (взрывоопасные объекты; затопленное химическое оружие и затонувшие объекты);
Деятельность на море;
Действия третьих лиц.
По имеющимся данным, внешние угрозы (с внешней стороны трубопровода) превалируют над внутренними (внутри трубы), как по общему показателю аварийности, так и по степени их опасности. В этой связи приоритет получили вопросы обследований МГП для обеспечения диагностики его технического состояния.
Стандарт должен поощрять проявление инициатив персонала по внедрению современных методов и технических средств эксплуатации, обследований и ремонтов МТ, а также по оптимизации соответствующих технологий и организационных процессов на основе хорошей морской практики.
Стандарт должен обеспечивать:
Защиту жизни и здоровья человека, имущества, а также предупреждения действий, вводящих в заблуждение потребителей (пользователей) относительно назначения и безопасности МТ;
Концентрацию в едином документе основных требований нормативно-правовых и нормативно-технических документов, действующих, в области эксплуатации, обследований, технического обслуживания и ремонтов МТ;
Устранение пробелов регламентирования деятельности по эксплуатации, обследованиям, техническому обслуживанию и ремонтам МТ.
Особое внимание должно быть уделено требованиям к обследованиям и ремонтам МТ, касающимся специальных процессов, процедур, работ, морских операций, судов и оборудования.
Стандарт должен разрабатываться на основе обоснованных научных и технических положений, направленных на снижение риска и обеспечение безопасности при эксплуатации МТ и должен обеспечить современный уровень организации и проведения соответствующих работ.
Все основные положения, нормы, требования и правила Стандарта должны быть гармонизированы со своими аналогами существующей российской и зарубежной нормативной базы.
Требования к морским работам (обследования и ремонты МТ, морские операции) должны базироваться на использовании практического опыта разработки и реализации "морских проектов" в нашей стране, а также с учетом применимых норм, правил и требований РМРС, норвежских (DNV) и американских (API) стандартов, рекомендаций Канадской ассоциации стандартов и других источников информации.
При разработке указанных технических условий и спецификаций требуется использовать НТД, в том числе, общепризнанных международных стандартов, таких как, АРI 1111 (1993), DNV (1996) и ВS 8010 (1993), а также результаты научных исследований по этой проблеме.
Стандарт следует разрабатывать на основе комплексного подхода к организации и проведению всех работ по эксплуатации МТ, включая ремонты. При этом важно обеспечить возможность поддержания постоянной обратной связи для корректировки и дополнения требований.
Стандарт должен устанавливать следующие основные принципы эксплуатации МТ:
- Эксплуатации МТ должна быть направлена на предотвращение отказов и уменьшение тяжести их последствий.
- Не существует единых (универсальных) правил эксплуатации МТ. Для каждого МТ должны быть установлены индивидуальные правила, учитывающие особенности его использования, технического обслуживания и ремонтов. Первоначально установленные правила должны периодически анализироваться и, при необходимости, пересматриваться, с учетом накопленного опыта эксплуатации МТ. Эффективное развитие правил может и должен обеспечить персонал, непосредственно обслуживающий МТ.
- Значительная часть вероятных отказов МТ не связана с возрастом газопровода и средств его эксплуатации, а зависит от качества строительства, использования и технического обслуживания.
- Эксплуатация МТ должна быть основана на системе специальных мероприятий по обеспечению заданного уровня надежности газопровода на основе единой системы экспертно-диагностического обслуживания, предусматривающей техническое обслуживание и ремонт его линейной части по фактическому состоянию на основе диагностики и мониторинга технического состояния газопровода и его грунтового основания.
- Принципиальные решения по техническому обслуживанию и ремонтам МТ должны обосновываться путем оценки риска неблагоприятного развития исходных событий (причин этих решений).
- Планирование ремонтов должно сопровождаться выявлением состояний, предшествующих отказам, и прогнозированием моментов наступления отказов.
- Капитальные ремонты должны быть, по возможности, исключены путем эффективного контроля и мониторинга процесса использования МТ, проведения своевременных, обследований, диагностики и прогноза изменения технического состояния МТ, ремонтно-профилактических и ремонтно-восстановительных работ на проблемных участках газопровода.
- Обслуживающий персонал должен быть нацелен на необходимость генерирования обоснованных предложений, направленных на обеспечение надежности и безопасности эксплуатации МТ, а также снижение эксплуатационных рисков.
- Учитывая, что каждый конкретный МТ имеет особенности местных условий, проектных и строительных решений, инструкций заводов-изготовителей и поставщиков оборудования и материалов, используемых в составе МТ, детальные требования к эксплуатации, обследованиям и ремонту МТ должны разрабатываться и фиксироваться в должностных и производственных инструкциях, чертежах, схемах и других документах.
Стандарт должен разрабатываться на основе действующей в Российской Федерации НТД, с учетом проектных решений по введенным в эксплуатацию МТ, текущего отечественного и международного опыта обследования, эксплуатации и ремонтов морских трубопроводов и других подводных стационарных объектов, а также с использованием ведомственных нормативных документов, технической литературы, результатов НИОКР.
Для минимизации объема нормативных требований в Стандарте целесообразно использовать механизм ссылок на общеизвестные спецификации, практические рекомендации и стандарты.
Как представляется, регламентирование деятельности по эксплуатации МТ должно быть установлено специальным государственным стандартом, для разработки которого следует привлечь специалистов имеющих всесторонний опыт и знания как в области проектирования и эксплуатации морских подводных трубопроводов, так и используемых при этом методов и технических средств. Особенно важно учитывать опыт морских водолазных и подводно-технических работ по обследованию и ремонтам различных подводных стационарных объектов.
Таблица - Нормативные документы в области проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов, действующие в Российской Федерации
Международные документы
Документ ЕЭК ООН "Руководящие принципы и надлежащая практика обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов";
ИСО 13623-2009 "Нефтяная и газовая промышленность. Системы транспортировки по трубопроводам";
ИСО 5623 Нефтяная и газовая промышленность. Трубопроводные системы транспортировки (ISO 5623 Petroleum and natural gas industries - Pipeline transportation systems).
ИСО 5623 Нефтяная и газовая промышленность. Трубопроводные системы транспортировки (ISO 5623 Petroleum and natural gas industries - Pipeline transportation systems)
ISO 21809 Наружные покрытия для заглубленных или подводных трубопроводов, используемых в трубопроводных транспортных системах;
ИСО 12944-6 "Антикоррозионная защита стальных конструкций с помощью защитных лакокрасочных систем"
ГОСТ Р 54382-2011 Нефтяная и газовая промышленность. Подводные трубопроводные системы. Общие технические требования. (DNV-OS-F101-2000. Oil and gas industry. Submarine pipeline systems. General requirements).
ASME B31.4-2006 "Трубопроводные системы для транспортировки жидких углеводородов и других жидкостей";
ASME B31.8-2003 "Системы трубопроводов газа и газораспределение";
CAN-Z183-M86 "Системы нефтегазопроводов".
Ведомственные документы
ВН 39-1.9-005-98 Нормы проектирования и строительства морского газопровода
Концепция технического регулирования в ОАО "Газпром" (утверждена приказом ОАО "Газпром" от 17 сентября 2009 г. № 302)
СТО ГАЗПРОМ 2-3.7-050-2006 (DNV-OS-F101) Морской стандарт. Подводные трубопроводные системы (утв. приказом ОАО "Газпром" от 30.01.2006)
СТО Газпром 2-3.5-454-2010. Стандарт организации. Правила эксплуатации магистральных газопроводов (утв. и введен в действие Приказом ОАО "Газпром" от 24.05.2010 № 50),
"Положением о независимом техническом надзоре и контроле качества строительства объектов газотранспортной системы "Ямал-Европа"
В настоящее время актуальным стал вопрос о прокладке второй нитки "Северного потока" (Nord Stream). Прокладка трубопровода по морскому дну предусматривает работу судов-трубоукладчиков.
Суда-трубоукладчики используют различные способы укладки трубопровода. К таким основным способам относятся способы укладки трубопроводов методом S-Lay, J-Lay и Reel-Lay. Каждый из этих методов имеет свои особенности. На рис.1-6 приведена схема укладки трубопроводов каждым из методов, со своими достоинствами и недостатками.
Tensioners - устройство для создания усилий натяжения трубопровода; S-lay barge - баржа-трубоукладчик, работающая по методу S-lay; Stinger - стингер (опускная стрела): Sagbend region - район изгиба трубопровода; Seabed - морское дно; Touchdown point - точка касания трубопроводом дна; Unsupported span - неподдерживаемый участок; Waterline - уровень воды; Overbend region - участок опасный с точки зрения возможного перелома трубопровода.
Укладка трубопровода методом S-lay, в основном, практикуется на мелководье, и скорость укладки данным методом составляет примерно 6,5 км/день. Изгибающие моменты при таком методе укладки становятся главным фактором. Поэтому необходим длинный натяжное устройство больших размеров.
Метод неприемлем для укладки трубопроводов на больших глубинах. Натяжное устройство и стингер необходимы для снижения изгибающих моментов.
Перед укладкой трубопровода на дно каждый сегмент трубопровода сваривается, инспектируется и покрывается защитным слоем, проходя через станции сварки, инспекции, нанесения покрытия на борту судна.
Смонтированный трубопровод опускается с кормы судна, усилие натяжения обеспечивается натяжным устройством, а сам трубопровод поддерживается спускной стрелой, причем кривизна спуска трубопровода строго контролируется. Затем трубопровод изгибается под действием собственного веса, и укладывается на дно.
Рис.3. Судно для укладки трубопровода методом J-Lay
Рис.3. Судно для укладки трубопровода методом J-Lay.
J-Lay Tower - вышка для укладки трубопровода методом J-Lay; J-Lay DP Vessel - судно, оснащенное системой динамического позиционирования, с которого укладывается трубопровод методом J-Lay; Thrusters - винто-рулевые колонки; Unsupported span - неподдерживаемый участок; Sagbemd region - участок изгиба трубопровода; Seabed - морское дно; Touchdown point - точка касания дна трубопроводом; Waterline - уровень воды.
В то время как метод укладки трубопровода S-lay приемлем только для мелководья, метод укладки J-lay может быть использован на глубинах. Это возможно благодаря относительно короткому участку провисающего трубопровода и меньшим требуемым усилиям натяжения при укладке.
Монтаж и укладка проводится практически вертикальным способом, причем трубопровод укладывается на морское дно с одинарным радиусом изгиба. Скорость укладки составляет 3,2 км/день. При укладке каждый сегмент трубы сначала поднимается в вертикальное положение, и затем они свариваются один с другим.
Инспектирование и нанесение покрытий также проводится на борту судна. При движении судна по маршруту трубопровод медленно опускается на дно. Поскольку трубопровод в отличие от метода S-lay, имеет только один изгиб, риск структурных повреждений за счет излома трубопровода минимален.
Water - уровень воды; Touchdown point - точка касания дна трубопроводом; Tensioner - устройство для создания усилий натяжения; Stinger - стингер; Reel - барабан; Reel-Lay Barge - баржа для укладки трубопровода методом Reel-Lay; Pipeline - трубопровод.
Метод укладки трубопровода с барабана Reel-lay считается наиболее эффективным. Скорость укладки составляет 3,5 км/час. Он приемлем для укладки трубопроводов с диаметром трубы менее 18 дюймов и коэффициентом соотношения диаметра трубы к толщине стенок (D/t) между 20 и 24.
Главное преимущество такого метода перед предыдущими в том, что весь производственный процесс, включая сварку, инспектирование и нанесение покрытий проводится на берегу, а не борту судна, что значительно сокращает затраты производственного времени и средств.
Перед укладкой трубопровод наматывается на барабан большого диаметра, смонтированный на борту судна. С этого барабана и производится укладка трубопровода на дно.
Время от времени появляются инновационные проекты судов-трубоукладчиков, как например судно "Lewek Constellation".
Компании, заключающие контракты на прокладку трубопроводов по дну моря, все чаще и чаще решают использовать на борту судна различные способы укладки труб, поскольку инфраструктура нефтегазовых месторождений, по большей части, состоит из различных трубопроводов, которые требуют разных методов укладки труб. Это предъявляет к проектам судов-трубоукладчиков специфические требования: больше гибкости в использовании различных технологий, больше ценовой эффективности для работ на любых глубинах, оснащение оборудованием, пригодным для монтажа различных трубопроводов.
Рис.7. Инновационное судно-трубоукладчик "Lewek Constellation", прокладывающее трубопровод методом Multy-Lay.
Aligner Wheel - выравнивающий барабан; 3000 mT Main Crane - главный кран грузоподъемностью 3000 т; 4x1200 mT Storage reels - четыре барабана для хранения трубопровода весом по 1200 т; 2x1250 mT Carousels - два подпалубных поворотных барабана для трубопроводов весом по 1250 т; 60 mT PLET (pipeline end termination) handling system and work station - оборудование весом 60 т для работы с оконечным устройством трубопровода и рабочая станция; Moon pool 19 m L x 8 m W - шахта со свободной водной поверхностью размерами: длина 19 м, ширина 8 м; 2x600 mt Winches - две лебедки с натяжным усилием 600 т; 2x20mT Storage Reel - два барабана для хранения трубопровода весом по 20 т; 125 mT Secondary Winch - вспомогательная лебедка с усилием 125 т; 2 WROVs TMS (Thether Management System) - два подводных телеуправляемых аппарата (ПА) c устройством контроля кабеля ПА; Helipad Sikorsky 61N&S92 - вертолетная площадка для вертолетов марки Sikorsky 61N и S92; Optional J-Lay Module - опционный модуль для укладки труб методом J-Lay; 2x400mT Tensioners - два устройства для создания усилий натяжения по 400 т; Rigidpipe Straightening - спрямляющее устройство; 80mT Crane - кран грузоподъемностью 80 т.
Наличие на борту судна ПА обеспечивает возможности инспекции и при необходимости проведения подводных работ. ПА является необходимым компонентом оборудования судна-трубоукладчика. Шахта со свободной водной поверхностью с размещенным спускоподъемным оборудованием также представляет собой сложное инженерное сооружение.
Рис.8. Шахта со свободной водной поверхностью и спуско-подъемным оборудованием судна "Lewek Constellation". Оборудование шахты должно обеспечивать работу ТПА на глубине 4000 м в суровых погодных условиях.
Cursor Winch - лебедка; Latch Beam and Subsea Snubber - выдвижная балка и амортизатор для подводных работ; Cursor Frame - рама; HPU (Hydraulic Power Unit) for Hatches and Skidding Pallet - гидравлический привод для люковых закрытий и паллет, движущихся по направляющим; Active Heave Compensation ROV Winches - спуско-подъемная лебедка для ТПА с активной компенсацией качки; Umbilical Sheave - шлангокабельный шкив; Cursor Sheave - шкив; Cursor Rails and Parking Pads - направляющие и поддоны для ТПА; Latch Beam Umbilical Winch - шлангокабельная лебедка; Fall Safe Foldable Top Moon Pool Hatch - безопасный складывающийся верхний люк шахты с открытой водной поверхностью; Skidding Pallet - паллета, перемещающаяся по направляющим; ROV Moon Pool - шахта с открытой водной поверхностью для спуска и подъема ТПА.
Текст: Олег Губарев
