Нормы проектирования и строительства морского газопровода. Трубопровод для Арктики

Мировое сообщество признает бесспорный факт способности РФ проложить трубопровод по морскому дну и успешно начать его эксплуатацию. Успех был достигнут в реализации проекта «Северный поток» в акватории Балтийского моря.

На очереди - «Южный поток», но акватория - уже Черного моря. Способна ли РФ построить газопровод с эксплуатационными показателями, которые обеспечат его безаварийную эксплуатацию в течение всего срока? Да! Способна. Специалисты РФ обеспечат функционирование трубы даже до того момента, когда природные запасы газа будут исчерпаны. В то время труба будет пустой, так как газа не будет.

Так при чем здесь «русская рулетка»? Есть ряд обстоятельств, игнорировать которые никто не имеет права.

1. Гидрология Черного моря

а) глубина большей части дна моря - 2000 метров.

Погружаясь на глубину 10 метров, имеем рост давления на 1 атмосферу. Атомная подводная лодка, на которой автор имел честь служить, погружалась на глубину 415 метров. Толщина брони, из которой была изготовлена «Мурена», составляла 5 см. Нитей между переборками мы не натягивали, это технологически невозможно сделать, но визуально фиксировали «проседания» ракетных шахт, а «стон» прочного корпуса лодки воспринимался как продолжение собственного обнаженного нерва.

б) объем воды в Черном море 550 000 км куб.

в) сероводород Н2S присутствует в 87% объема всего моря и в свободном состоянии заполнит 20 000 км куб.

г) плечо прокачки газа от станции на берегу кавказского побережья РФ до станции на болгарском берегу составляет не одну сотню километров. Нет технической возможности дополнительного «разгона» потока газа на промежуточной станции. Единственный вариант - максимально сильно поднять давление на территории РФ и отпомповывать из трубы на другом берегу. (Очень важное обстоятельство!)

2. Непреодолимые обстоятельства, на которые не может иметь влияния никто

Вследствие шторма потерпело крушение судно. Плавсредство тонет и попадает на газопровод. 15000 тонн металла получают огромную энергию, пока не преодолеют 2000 метров от поверхности до дна. Трубопровод будет перерублен мгновенно. Обычная практика в акватории Черного моря состоит в том, чтобы транспортировать металлолом на плоскодонных (!) Речных судах, в которых укреплен корпус и которым присвоен класс «река-море». Можно еще что-то приварить к корпусу речной самоходной баржи и повысить ее класс до уровня «река-океан», но от немедленной катастрофы это не спасет… Далее будет так: под бешеным давлением газ образует пузырь, который пойдет на поверхность. Инерционные силы в газопроводе (смотри п.г. - выше), время, которое требуется для срабатывания аварийной системы и перекрытия потока, позволят преодолеть невероятно большие объемы насыщенной сероводородом воды и прорвать 100–400 метровый слой обогащенной кислородом воды. Во время непогоды, когда произошла авария судна, молнии обязательно присутствуют. Смесь газа, сероводорода и атмосферного кислорода не долго будет ждать искру, которая спровоцирует взрыв.

3. Давайте помолимся за души невинно убитых в г. Беслан и в Норвегии. Дети погибли от рук террористов, молодые люди погибли на крошечном острове от руки сумасшедшего.

Трубопровод на дне моря можно увидеть на приборе так четко и ясно, как собственные тапочки на вытянутых ногах. Кумулятивный снаряд прожигает броню танка, как газетная бумага, а броня танка намного толще стенки трубы. Газопровод по дну Черного моря - это граната, которую взорвать могут непреодолимые обстоятельства и любой сумасшедший, фанатик или единоличный террорист. А организация плохих парней такой теракт сделает даже ночью.

Последствия взрыва сероводорода могут привести в самом страшном варианте к потере орбиты планетой Земля или сдвинут тектонические плиты - тогда потеряем 60% фауны и флоры. Пройдет определенный период времени и жизнь вернется и расцветет - главное, чтобы не возродился «Газпром».

За 20 лет независимости Украины у нас не было руководства, которое не «химичило» бы с газотранспортной системой. Средства, колоссальные средства затмевают разум всем и везде. Непрозрачность взаимоотношений, теневые схемы - вот что ведет к подобным проектам и может поставить на цивилизации крест. Такие отношения между Украиной и РФ - недопустимы.

Нельзя обвинять РФ во всех грехах, делаю Украину белой и пушистой. Ответственность должны нести обе стороны. И арбитром в этой ситуации должно быть мировое сообщество. ГТС Украины должна эксплуатироваться в режиме открытости и международного аудита и постоянного мониторинга. И первый шаг к этому - мировое сообщество должно поставить точку в возможных фальсификациях на выборах в ВР Украины в 2012 году. У нас чиновники действующего правительства могут сегодня покупать плавучие буровые платформы дороже, чем их продает производитель. Такое наше руководство не оставляет выбора РФ, как только начать строить «Южный поток». Такое руководство не может честно эксплуатировать ГТС Украины. Оно должно уйти. Мировое сообщество должно осознать масштаб угрозы украинской коррупции и твердолобость «Газпрома», что вместе способно создать условия для взрыва, который может легко превзойти одновременно сдетонировавший ядерный потенциал США.

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.

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.

Глубина моря может достигать нескольких километров. Проложить трубы по дну - сложная задача. Но по дну Северного моря идут 6000 км трубопроводов, некоторые из которых там уже 40 лет.

Размеры самого большого в мире судна - Solitaire - 300 метров в длину и около 40 метров в ширину. Именно это судно задействовано в строительстве газопровода Nord Stream.

Поиск препятствий

На долю морских газопроводов сегодня приходится 45% импорта природного газа в Европу. До начала укладки газопровода проводится тщательное исследование дна моря на протяжении всей трассы. Специалистам необходимо обнаружить все потенциальные препятствия - это и затонувшие корабли, и боеприпасы, и просто большие валуны. При необходимости препятствия либо устраняют, либо проектируют трассу в обход. На этом этапе специалисты также выявляют места, где будет необходимо производить заглубление трубопровода в грунт или его засыпку.

Все трубы для будущего газопровода проходят специальную обработку. Изнутри они обрабатываются антифрикционным покрытием, которое снижает сопротивление при транспортировке газа. Сверху трубы обрабатываются антикоррозионным, а затем утяжеляющим бетонным покрытием.

Плавучие дома

Непосредственно укладка труб на дно моря ведется со специальных трубоукладочных судов . Суда-трубоукладчики - это огромные плавучие дома, на которых могут одновременно находиться несколько сотен человек.

В процессе трубоукладки, как правило, принимают участие сразу несколько кораблей - специальные баржи производят бесперерывную доставку труб на трубоукладчик, а перед ним в процессе укладки идет судно, которое ведет мониторинг морского дна. Доставленные трубы выгружаются на складские площадки, расположенные непосредственно на палубе трубоукладчика - на них должен находиться запас труб на 12 часов работы.

Как укладывают трубы

На трубоукладочном судне установлен специальный конвейер - на него поступают трубы, которые здесь же свариваются. Затем каждый сварной шов проходит ультразвуковую проверку на наличие дефектов. После сварки все швы покрываются антикоррозионным покрытием. Сваренные между собой трубы продвигаются по конвейеру в направлении кормы. Здесь расположен стингер - специальная стрела, под углом уходящая в воду, по которой трубы постепенно опускаются на морское дно. Именно он задает требуемый прогиб верхней части трубопровода, что позволяет не допускать деформации металла.

На дне моря трубы, как правило, лежат под собственным весом - их не требуется специально закреплять, потому что вес каждой трубы после нанесения бетонного покрытия достигает нескольких тонн. Лишь в некоторых местах, например у выходов на берег, для обеспечения стабильности трубы укладывают в специальные траншеи и сверху присыпают грунтом.

Из моря - на берег

Процесс укладки морского газопровода, как правило, начинается не с берега, как можно было бы подумать, а в море. Газопровод может состоять из нескольких участков, построенных в разное время с разных судов и потом соединенных между собой - ведь на разных участках газопровод должен выдерживать разное давление, а для этого используются трубы с разной толщиной стенок.
После завершения строительства морской части трубы протаскивают на берег при помощи специальной лебедки, установленной на суше, которая соединяется с трубой железными тросами и медленно вытягивает ее из моря. Затем трубопровод соединяют с его сухопутной частью - делают «захлест».

Обязательным этапом является проведение гидроиспытаний газопровода. Для этого его наполняют водой под требуемым давлением и выдерживают так некоторое время для обнаружения возможных дефектов. Тщательный мониторинг состояния газопровода ведут и после его запуска в эксплуатацию. Для этого применяют специальные электронные устройства внутритрубной диагностики.