книги / Сооружение подводных трубопроводов
..pdfоснащено трехсекционным стингером длиной 100 м. Секции сое динены между собой шарнирно. Пои укладке трубопровода на глубину до 60 м используется только одна 50-метровая секция, в диапазоне 60-120 м пристыковывается вторая 30-метровая секция и на предельных глубинах используются все три секции стингеров.
В конце 60-х и начале 70-х годов возникла необходимость освоения нефтегазовых месторождений в Северном море. Глубина моря, удаленность месторождений, течения и волны сильно сдерживали темпы и размах трубопроводного строительства. В связи с этим, а также с учетом перспективы прокладки глу боководных трубопроводов через Средиземное море и в Мекси канском заливе, были построены более совершенные трубоукла дочные баржи 3-го поколения - полупогружного типа. Нижняя часть баржи, выполненная в виде понтонов, находится в по груженном состоянии на глубине до 25 м, что позволяет суще ственно стабилизировать положение баржи и уменьшить влияние волн на процесс укладки. Стингер переменной плавучести и кривизны позволяет регулировать положение и напряжения в трубопроводе. К баржам 3-го поколения относят Касторо-6, Семак-1, Викинг Пайпер, ЕТПМ-1601 и другие, пригодные для укладки трубопроводов диаметром 900-1200 мм с натяжением до 2150 кН при высоте волн более 5 м. Благодаря их применению трубопроводный сезон был продлен до ноября месяца с потерей менее 20% этого периода по погодным условиям, производи тельность увеличена до 200 км/сезон.
Повышение устойчивости баржи наряду с погружением части корпуса в толщу воды достигается применением катамаранов. В виде полупогружных катамаранов выполнены Касторо-6, Ви кинг Пайпер, СемакЧ, Чокта и др.
Касторо-6 - баржа полупогружного типа, оснащена цент ральной рампой с изменяющимся наклоном от 9 до 22 длиной
140 м. На судне предусмотрено 8 сварочных постов и установка контроля качества сварки рентгеновскими лучами. Укладка трубопроводов диаметром до 1200 мм может осуществляться на глубину 750 м при ёысоте волн до 5 м, течении - 1 м/с, ско рости ветра 90 км/*шс. Чрезвычайно высока живучесть судна: максимальная высоты волны 24 м и скорость ветра - 180 км/ч. Сварка трубопровода может осуществляться как из отдельных труб, так и двухтрубных 24-метровых плетей. Произ водительность - 1,6~3 км/сут.
Касторо-6 использовалось в 1978 г. при прокладке трех ни ток газопроводов диаметром 500 мм из Туниса в Сицилию через
Средиземное |
море, где глубина достигала |
610 м. |
|
|
|
Ниже в табл. 5.4 представлены характеристики трубоукла |
|||
дочных барж |
2-го И 3-го поколений. |
|
|
|
от |
Напряжения в трубопроводе в процессе его укладки зависят |
|||
радиуса кривизна стингера г и угла |
а, схода |
трубопровода |
||
со |
стингера, |
натяжения N и глубины |
укладки |
А, прочност- |
Характеристика баржи |
ЕТПМ1601 |
Семак-1 Касто- |
Викинг- |
БАР 347 |
БАР 323 |
ЧО КТА |
Куро- |
"Сулейман |
||
|
|
|
|
ро-6 |
Пайпер |
|
|
|
шио-П |
Везиров” |
Тип баржи |
|
Самоходная |
Полупогружной катамаран |
Самоходная |
Полупог |
Самоход Несамоход |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ружной |
ная |
ная |
|
|
|
|
|
|
|
|
катама |
|
|
Размер, м: |
|
|
|
|
|
|
|
ран |
|
|
|
186 |
132 |
152 |
168 |
198 |
122 |
122 |
140 |
107 |
|
длина |
|
|||||||||
ширина |
|
35 |
55 |
70 |
59 |
43 |
30 |
32 |
34 |
24 |
высота |
|
15 |
28 |
30 |
33 |
15 |
9 |
16 |
9,5 |
7,5 |
Водоизмещение, тыс.т |
65 |
23 |
41 |
50 |
73 |
- |
- |
24 |
12 |
|
Максимальное натяжение, кН |
1330 |
- |
1760 |
1570 |
1600 |
980 |
- |
440 |
- |
|
Максимальный диаметр трубо |
1500 |
900 |
1200 |
1200 |
1500 |
900 |
1200 |
1500 |
800 |
|
провода, мм |
кранового |
19,6 |
|
3,7 |
|
2,2 |
2,2 |
7,8 |
7,1 |
|
Грузоподъемность |
|
|
|
|||||||
оборудования, МН |
|
83 |
50 |
80 |
80 |
|
|
70 |
|
100 |
Длина стингера, м |
|
|
|
|
||||||
Максимальное волнение при |
4,5 |
4,5 |
5,4 |
4.5 |
|
|
|
|
2,4 |
|
укладке, м |
|
|
|
|
1.5 |
|
|
|
|
0,7 |
Скорость укладки, |
км/сут |
1.4 |
|
1.6 |
|
|
1.3 |
|
Рис. 5.5. Зависимость глубины укладки и опти мального угла схода тру бопровода от усилия на тяжения:
1-4 |
0 |
- |
f(N)\ |
Г-4' |
|
|||
Н |
- |
/W ); |
1, |
Г - О , - |
||||
■ |
1020 |
мм, |
(Гдоп |
" |
||||
- |
300 МПа, |
р - 150 кг/м; |
||||||
2, |
Т |
|
Пн |
- |
1020 |
мм, |
||
0\цоп |
™ 400 |
МПа, |
р |
■ |
||||
- |
150 |
кг/м; |
3, |
3’ |
- |
Пн |
- |
|
■ |
1020 |
мм, |
(Гдоп |
" |
||||
- |
300 |
МПа, |
р |
- |
90 |
кг/м; |
||
4, |
4’ |
“ |
Пн |
- |
720 |
мм, |
||
О'доп |
300 |
МПа, |
р |
™ |
||||
*- |
120 кг/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5,3 |
|
|
Параметры трубопровода |
|
Параметры стингера |
|||||
<ГТ. 10* |
плаву |
глубина |
натяже- |
угол |
радиус |
длина стингера |
||
кН/м2 |
честь, |
укладки, |
жение, |
схода, |
кривиз |
(в м) при ОС9 , |
||
|
кг/м |
м |
Н |
градус |
ны, м |
градус |
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
10 |
13 |
|
|
|
1020X20X90♦ |
|
|
|
|
|
3,55 |
150 |
50 |
7000 |
17 |
370 |
65 |
46 |
27 |
|
|
100 |
15000 |
23 |
388 |
108 |
83 |
68 |
|
|
150 |
21000 |
28 |
402 |
147 |
126 |
105 |
4,70 |
|
200 |
25800 |
33 |
415 |
188 |
166 |
144 |
|
50 |
2500 |
14 |
267 |
33 |
19 |
5 |
|
|
|
100 |
12000 |
21 |
280 |
68 |
54 |
40 |
|
|
150 |
19500 |
27 |
290 |
100 |
86 |
72 |
3,55 |
90 |
200 |
24400 |
32 |
298 |
130 |
115 |
100 |
50 |
3000 |
15 |
360 |
50 |
31 |
12 |
||
|
|
100 |
12000 |
22 |
380 |
100 |
80 |
60 |
|
|
150 |
18000 |
27 |
395 |
138 |
117 |
98 |
|
|
200 |
23000 |
31 |
407 |
171 |
150 |
129 |
|
|
|
720X20X60* |
|
|
|
|
|
3,55 |
120 |
50 |
3600 |
18 |
261 |
50 |
36 |
22 |
|
|
100 |
8500 |
27 |
274 |
96 |
82 |
68 |
|
|
150 |
12000 |
34 |
284 |
134 |
119 |
104 |
|
|
200 |
15000 |
39 |
292 |
162 |
146 |
130 |
‘Указаны следующие параметры трубопровода: диаметрхтолщина стенки X X толщина обетонирования, мм.
ных |
характеристик |
материала трубопровода <гт, его диамет |
ра |
D и плавучести |
р (рис. 5.5). |
Из графиков видно, что при одной и той же глубине моря с увеличением предела текучести стали и с уменьшением отрица тельной плавучести уменьшается усилие продольного натяже ния, необходимого для укладки трубопровода, и соответствую щее значение угла схода трубопровода.
|
При постоянном радиусе кривизны стингера |
||||||
а - |
а ' |
+ |
U /г, |
|
|
(5.1) |
|
где |
а ' |
|
угол |
наклона |
рампы (монтажной площадки); Uг |
||
длина |
стингера. |
|
|
|
|||
|
Минимальное значение радиуса кривизны стингера опреде |
||||||
ляется |
условием |
|
|
|
|||
г Ъ ------— ------ |
’ |
|
(5 2) |
||||
|
2 |
«Гд -N/F) |
|
|
|||
где |
(Гд |
« |
0,§5<гт |
предельные |
допустимые продольные |
||
напряжения в трубопроводе; F - площадь поперечного сечения |
|||||||
небетонированного трубопровода. |
конструктивно. Поэтому |
||||||
Диапазон |
изменения |
а ' ограничен |
величину а увеличивают в основном за счет увеличения длины стингера (табл. 5.5), что, в свою очередь, снижает маневрен ность трубоукладочной баржи
5.3. УКЛАДКА ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ j-МЕТОДОМ
Развитие техники и технологии укладки морских трубопро водов долгое время происходило в направлении совершенство вания 5-метода, существенным недостатком которого являются значительные изгибные напряжения и деформации в трубо проводе.
При совместном действии изгиба и гидростатического дав ления имеет место смятие труб, что затрудняет сооружение трубопроводов на больших глубинах. Кроме того, последова тельный изгиб трубопровода на выпуклом и вогнутом участках 5-кривой приводит к остаточным пластическим деформациям. Это обусловило необходимость увеличения длины стингера, мощности системы якорения баржи и натяжении трубопровода, а также ограничения веса трубопровода. Указанные резервы со вершенствования достаточно быстро исчерпали свои возмож ности, что предопределило целесообразность поиска альтер нативных методов укладки.
В 1968 г. в США был запатентован способ укладки подвод ных трубопроводов под необычно большим углом к зеркалу во ды, при котором трубопровод образовывал вогнутую кривую,
сходную |
по форме с буквой /. Способ получил название |
/-метод. |
Важными преимуществами метода явились исключение |
знакопеременного изгиба трубопровода, громоздкого и чувст вительного к состоянию моря стингера и возможность укладки трубопроводов на глубину до 3000 м (рис. 5.6). Однако прак тическая реализация метода долгое время сдерживалась слож ностью стыковки, сварки и изоляции трубопровода в наклонном положении.
В 1975 г. группа компаний ФРГ (Манесманн, Блюм и Восс, Пайплайн Инженеиринг и др.) начала комплекс научных ис следований, направленных на разработку методов расчета напряжений и деформаций, усилия натяжения трубы, а также технических средств для прокладки трубопровода /-методом. Особым аспектом исследований являлось изучение возможности применения метода для сооружения трубопровода на сверхболь ших (1000-3000 м) глубинах. Укладка на таких глубинах со пряжена с появлением в трубопроводе чрезмерных изгибных напряжений и возможностью смятия или излома.
В результате упомянутых выше исследований получены рас
четные |
модели, |
позволяющие определить |
область применения |
||
/-метода, параметры укладки |
и требования |
к проектированию |
|||
технических средств для его |
осуществления, |
зависимости пре |
|||
дельных |
(из условия щэедотвращения разрушения трубопро |
||||
вода) отношений |
и изгибающего момента |
от |
геометрических и |
Рис. 5.6. Укладка трубопровода по /-образной кривой с приме нением наклонной (а) и верти
кальной |
(б) |
рампы: |
|
2 |
|
1 |
погруженный |
понтон; |
|||
грузовой |
кран; 3 |
установка |
|||
для |
сварки |
трубопровода; |
4 |
наклонная рампа; 5 - опора
рампы; |
6 - |
плеть |
трубопровода; |
|||
7 |
подъемник; |
8 |
натяжитель; |
|||
9 |
направляющие; |
10 |
трубо |
|||
провод; |
11 |
монтажная |
вышка; |
|||
12 |
- |
лебедка |
с |
полиспастом; |
||
13 |
узел |
обетонирования тру |
бопровода
Рис. 5.8. Конструкция монтажного наконечника
прочностных характеристик трубы и глубины укладки (рис. 5.7,
Сооружение трубопроводов на глубине 3000 м обусловливает необходимость создания мощных натяжных устройств с усилием
5 - ЮР кН в продольном направлении |
(Гв) и более 350-103 кН |
в |
|||||
горизонтальном направлении |
(7Y). |
Зависимость Тв и Тг для |
|||||
различных |
трубных сталей |
и |
отношений £>/5 |
показана |
на |
||
рис. 5.7, |
в, |
г. |
|
на |
u |
. |
|
При |
использовании /-метода |
береговой |
трубосварочной |
базе свариваются двухтрубные плети,^ к одному концу которой приваривают наконечник специальной конструкции (рис. 5.8). На монтажной палубе трубоукладочной баржи двухтрубные плети
сваривают контактным способом попарно так, что наконечники располагаются на свободных концах 50-метровой плети. Конст рукция наконечников выполнена таким образом, чтобы обеспе чить удобный захват при стыковке плетей на рампе при прижа тии труб после сварки, а также для дальнейшего использова ния наконечника в качестве гасителя лавинного сминания.
Монтаж и сварка 50-метровых плетей производятся на на клонной рампе, в верхней части которой расположен специаль ный захват, удерживающий трубопровод в монтажном положении, а в нижней - сварочная установка. После сварки и удаления грата с наружной и внутренней стороны шва производится контроль качества ультразвуковым методом. Затем трубопровод смещается вниз по рампе, ще производится очистка поверх ности и изоляция (при необходимости производится обетонирование) стыка. Параллельно с этим на рампу устанавливают следующую 50-метровую плеть, а баржа перемещается на 50 м. Продолжительность цикла монтажа сварки, изоляции и спуска 50-метровой плети составляет около 50 мин.
Устройство для контактной сварки трубопроводов диаметром до 760 мм и толщиной стенки до 40 мм имеет следующие харак теристики:
Длинах ширинахвысота, мм. |
7100x4500x4700 |
Максимальная площадь поперечного сечения свариваемых |
100 000 |
труб, мм2 |
|
Напряжение питания, В. |
380(50Гц) |
Режим сварки: |
9 |
напряжение, В |
|
ток, кА |
360 |
Предварительный подогрев кромок труб кольцевым |
950 |
индуктором, С |
Определенный интерес также представляет метод сварки с применением электронно-лучевой пушки. Полный цикл сварки такой установкой труб диаметром 600 мм с толщиной стенки 32 мм составляет около 15 мин.
Наряду с специальными трубоукладочными судами для про кладки трубопроводов /-методом применяют реконструированные передвижные буровые платформы.
5.4. СО О РУЖ ЕН И Е М О РС К И Х ТРУБОПРОВОДОВ С П О М О Щ ЬЮ БАРАБАН О В
Принципиальной особенностью описанных выше методов укладки является цикличность процесса вследствие перерывов в технологической цепочке ’’сварка труб (секций) - спуск - перемещение баржи”. Продолжительность цикла и соответственно производительность метода в значительной мере определяются длиной наращиваемой секции. В связи с этим на баржах 3-го поколения предусмотрена возможность монтажа двухтрубных
секций, что безусловно повышает производительность укладки, однако сохраняет основной недостаток - цикличность процесса.
Для морских трубопроводов больших диаметров |
500-1200 мм |
данный метод укладки в настоящее время является наиболее распространенным. Более 75 % общей протяженности морских трубопроводов было построено с их применением. Вместе с тем, для трубопроводов меньшего диаметра имеется прогрессивная альтернатива - укладка с помощью барабана.
Впервые метод укладки трубопровода с барабана был применен в годы второй мировой войны. Трубопровод диаметром 75 мм протяженностью около 40 км был проложен через Ла-Манш
для снабжения горючим |
союзнических |
войск, высадившихся |
в Нормандии. |
сматыванием |
трубопровода с бара |
Укладка осуществлялась |
бана, установленного на барже, без его натяжения.
Следующим крупным шагом в развитии данного метода уклад ки явилась разработка в США судна, оборудованного барабаном и натяжителем, пригодного для прокладки трубопровода диа метром до 150 мм.
Имеются различные концепции расположения барабана: на палубе (рис. 5.9, а, б, в) и раздельно (см. рис. 5.9, г, д).
При этом укладка трубопровода может осуществляться с применением s- или /-метода.
Современная трубоукладочная баржа ”Апачи” оборудована вертикально расположенным барабаном и способна прокладывать трубопроводы диаметром до 400 мм на глубину до 600 м.
Одновременно с постройкой новых барж проводилась рекон струкция существующих судов с установкой на них барабанов. Характеристики трубоукладочных барж, оборудованных бараба ном, приведены в табл. 5.6.
Применение барабана позволяет осуществлять сооружение трубопровода практически непрерывно, благодаря чему ско рость укладки может достигать 3,7 км/ч.
В отличие от традиционных методов укладки с помощью ба рабана сооружаются необетонированные трубопроводы. Отрица тельная плавучесть при этом обеспечивается применением труб
Название баржи |
Тип баржи |
Водоизме |
Длина, ши |
Грузоподъем |
|
|
щение, |
рина, м |
ность крана, |
|
|
тыс.т |
|
т |
Чикасава |
Несамоходная |
6 |
84X24 |
165 |
Мартекс, |
Несамоходная |
6 |
76x22 |
150 |
Энтепрайз, |
|
|
|
|
Апачи |
Самоходная |
13,5 |
122X21 |
500 |
Мартекс, Мидей |
Несамоходная |
7 |
104X23 |
250 |
Рис. 5.9. Схема укладки тру бопровода с применением ба рабана:
1 трубопровод; 2 бара бан; 3 - баржа
с большой толщиной стенки, что имеет определенное преиму щество: возможность приложения большого натяжения и уве личения рабочего давления.
Напряжения, возникающие в трубопроводе, регулируются на тяжением трубопровода Т и углом наклона рампы 0, которые
связаны между |
собой соотношением: |
|
0 - arctg |
У I + -“ JL- , |
(5.3) |
где Тг - (J>ED/2R горизонтальная составляющая натяжения трубопровода; и> - масса единицы длины трубопровода в воде; Я глубина укладки; D - диаметр трубопровода; Е и R - модуль упругости и расчетное сопротивление материала трубы.
На рис. 5.10 приведены зависимости 0 = /(Я, Т) для трубо-
|
|
|
|
|
Таблица 5.6 |
Расположение |
Максималь |
Метод ук |
Максимальные диаметр (мм) и |
||
барабана |
ное натяже |
ладки |
глубина укладки D |
х Я, м |
|
|
ние, Н |
|
|
|
|
Горизонтальное |
5900 |
5 |
100x460; |
150x370; |
200x300; |
Вертикальное |
|
|
250X180; |
300x150 |
|
|
/ |
200x610 |
|
|
|
Вертикальное |
22000 |
J |
350x910; |
400x610 |
|
Вертикальное |
|
/ |
|
|
|
проводов различных диаметров, выполненных из стали Х42 при <гт = 145 МПа. Из графиков видно, что необходимое натяжение в значительной мере определяется положение рампы. Так, из менением угла наклона рампы можно изменить величину натяже ния почти в 10 раз при данной глубине укладки трубопровода.
Диаметр сердечника барабана определяется из условия пре дотвращения появления в трубопроводе изгибных напряжений, превышающих предел текучести стали.
Максимальные продольные напряжения изгиба наблюдаются в ближайшем к сердечнику витке трубопровода и составляют
а
О, градус
Рис. 5.10. Зависимость угла наклона рампы от глубины укладки и натяжения трубопровода (цифрами указано натяжение в Н):
а - D - 101,6 |
мм, 5 - 7 |
мм, |
0 |
- |
85 Н/м; б - D - |
254 мм, 5 - 14 мм, W - |
- 338 Н/м; в |
- D - 304,8 |
мм, |
6 |
- |
17,5 мм, Ы - 535 |
Н/м |