Подводный трубопровод ( также известный как морской , подводный или оффшорный трубопровод) — это трубопровод , который прокладывается по морскому дну или под ним внутри траншеи. [1] [2] В некоторых случаях трубопровод в основном находится на суше, но местами пересекает водные пространства, такие как небольшие моря, проливы и реки. [3] Подводные трубопроводы используются в основном для транспортировки нефти или газа, но транспортировка воды также важна. [3] Иногда проводится различие между выкидной линией и трубопроводом. [1] [3] [4] Первый является внутрипромысловым трубопроводом в том смысле, что он используется для соединения подводных устьев скважин , коллекторов и платформы в пределах конкретного месторождения разработки. Последний, иногда называемый экспортным трубопроводом , используется для доставки ресурсов на берег. [1] Крупные проекты по строительству трубопроводов должны учитывать множество факторов, таких как морская экология, геологические опасности и нагрузка на окружающую среду — они часто осуществляются многопрофильными международными командами. [1]
Одной из самых ранних и важнейших задач в планировании подводного трубопровода является выбор маршрута. [5] Этот выбор должен учитывать множество вопросов, некоторые из которых имеют политический характер, но большинство других связаны с геологическими опасностями , физическими факторами вдоль предполагаемого маршрута и другими видами использования морского дна в рассматриваемой области. [5] [6] Эта задача начинается с упражнения по установлению фактов, которое представляет собой стандартное кабинетное исследование, включающее обзор геологических карт , батиметрию , рыболовные карты, аэрофотосъемку и спутниковую съемку, а также информацию от навигационных органов. [5] [6]
Основным физическим фактором, который следует учитывать при строительстве подводного трубопровода, является состояние морского дна — гладкое оно ( т. е . относительно плоское) или неровное (гофрированное, с высокими и низкими точками). Если оно неровное, трубопровод будет включать свободные пролеты, когда он соединяет две высокие точки, оставляя секцию между ними без поддержки. [2] [7] Если неподдерживаемая секция слишком длинная, изгибающее напряжение , оказываемое на нее (из-за ее веса), может быть чрезмерным. Вибрация от вихрей, вызванных течением, также может стать проблемой. [7] [8] Корректирующие меры для неподдерживаемых пролетов трубопровода включают выравнивание морского дна и поддержку после установки, такую как берма или засыпка песком под трубопроводом. Прочность морского дна — еще один важный параметр. Если грунт недостаточно прочен, трубопровод может погрузиться в него до такой степени, что станет трудно проводить осмотр, процедуры технического обслуживания и предполагаемые врезки. С другой стороны, каменистое морское дно требует больших затрат на прокладку траншей, а в высоких точках может возникнуть истирание и повреждение внешнего покрытия трубопровода. [7] [8] В идеале грунт должен быть таким, чтобы позволить трубе в какой-то степени упасть в него, тем самым обеспечивая ей некоторую боковую устойчивость. [7]
Другие физические факторы, которые следует учитывать перед строительством трубопровода, включают следующее: [2] [7] [8] [9] [10] [11]
Правильное планирование маршрута трубопровода должно учитывать широкий спектр человеческой деятельности, которая использует морское дно вдоль предлагаемого маршрута или которая, вероятно, будет использовать его в будущем. Они включают в себя следующее: [2] [8] [13]
Подводные трубопроводы обычно имеют диаметр от 3 дюймов (76 мм) для газопроводов до 72 дюймов (1800 мм) для линий высокой пропускной способности. [1] [2] Толщина стенок обычно составляет от 10 миллиметров (0,39 дюйма) до 75 миллиметров (3,0 дюйма). Труба может быть спроектирована для жидкостей при высокой температуре и давлении. Стенки изготавливаются из стали с высоким пределом текучести, 350-500 МПа (50 000-70 000 фунтов на кв. дюйм), свариваемость является одним из основных критериев выбора. [2] Конструкция часто защищается от внешней коррозии покрытиями, такими как битумная мастика или эпоксидная смола , дополненными катодной защитой с жертвенными анодами . [2] [14] Бетонная или стекловолоконная обертка обеспечивает дополнительную защиту от истирания. Добавление бетонного покрытия также полезно для компенсации положительной плавучести трубопровода, когда он транспортирует вещества с более низкой плотностью. [2] [15]
Внутренняя стенка трубопровода не имеет покрытия для нефтяной эксплуатации. Но когда он транспортирует морскую воду или едкие вещества, он может быть покрыт эпоксидной смолой , полиуретаном или полиэтиленом ; он также может быть цементным. [2] [14] В нефтяной промышленности, где утечки недопустимы, а трубопроводы подвергаются внутреннему давлению, как правило, порядка 10 МПа (1500 фунтов на кв. дюйм), сегменты соединяются сварными швами полного провара. [2] [14] Также используются механические соединения. Скребок является стандартным устройством в трубопроводном транспорте , будь то на суше или на море. Он используется для проверки гидростатического давления , для проверки вмятин и складок на боковых стенках внутри трубы, а также для проведения периодической очистки и мелкого ремонта. [1] [2]
Строительство трубопровода включает в себя две процедуры: сборку множества сегментов труб в полную линию и установку этой линии вдоль желаемого маршрута. Можно использовать несколько систем — для подводного трубопровода выбор в пользу любой из них основывается на следующих факторах: физические и экологические условия ( например, течения, волновой режим), наличие оборудования и затраты, глубина воды, длина и диаметр трубопровода, ограничения, связанные с наличием других линий и конструкций вдоль маршрута. [2] Эти системы обычно делятся на четыре широкие категории: pull/tow , S-lay , J-lay и reel-lay . [16] [17] [18] [19]
В системе тяги/буксировки подводный трубопровод собирается на берегу, а затем буксируется на место. Сборка выполняется либо параллельно, либо перпендикулярно береговой линии — в первом случае вся линия может быть собрана до буксировки и установки. [20] Значительным преимуществом системы тяги/буксировки является то, что предварительное тестирование и осмотр линии проводятся на берегу, а не в море. [20] Она позволяет работать с линиями любого размера и сложности. [18] [21] Что касается процедур буксировки, может использоваться ряд конфигураций, которые можно классифицировать следующим образом: поверхностная буксировка, близповерхностная буксировка, буксировка на средней глубине и буксировка вне дна. [22]
В системе S-lay сборка трубопровода выполняется на месте установки, на борту судна, которое имеет все необходимое оборудование для соединения сегментов трубы: конвейеры для транспортировки труб, сварочные станции, рентгеновское оборудование, модуль покрытия стыков и т. д. [25] Обозначение S относится к форме трубопровода, когда он укладывается на морское дно. Трубопровод покидает судно на корме или носу от опорной конструкции, называемой стингером , которая направляет движение трубы вниз и контролирует выпукло-восходящую кривую (перегиб ) . По мере продвижения к морскому дну труба имеет выпукло-нисходящую кривую ( прогиб ) перед тем, как соприкоснуться с морским дном ( точка касания ). Прогиб контролируется натяжением, прикладываемым с судна (через натяжители ) в ответ на погруженный вес трубопровода. Конфигурация трубопровода контролируется, чтобы он не был поврежден чрезмерным изгибом. [25] Этот подход к сборке трубопровода на месте, называемый строительством баржи-трубоукладчика , известен своей универсальностью и самодостаточностью — несмотря на высокие затраты, связанные с развертыванием этого судна, оно эффективно и требует относительно небольшой внешней поддержки. [26] Но ему, возможно, придется бороться с сильными морскими волнами — они отрицательно сказываются на таких операциях, как передача труб с судов снабжения, установка якорей и сварка труб. [25] Последние разработки в области проектирования баржи-трубоукладчика включают динамическое позиционирование и систему J-укладки. [25] [27]
В районах, где вода очень глубокая, система S-образной укладки может быть неподходящей, поскольку трубопровод покидает стингер, чтобы идти почти прямо вниз. Чтобы избежать резкого изгиба на его конце и смягчить чрезмерный провисающий изгиб, натяжение трубопровода должно быть высоким. [28] Это помешало бы позиционированию судна, а натяжитель мог бы повредить трубопровод. Можно было бы использовать особенно длинный стингер, но это также нежелательно, поскольку эта конструкция будет подвергаться неблагоприятному воздействию ветра и течений. [28] Система J-образной укладки, одно из последних поколений барж-укладчиков, лучше подходит для глубоководных сред. В этой системе трубопровод покидает судно на почти вертикальной рампе (или башне). Нет перегиба — только прогиб цепного характера (отсюда обозначение J ), так что натяжение можно уменьшить. Трубопровод также меньше подвержен воздействию волн при входе в воду. [29] Однако, в отличие от системы S-lay, где сварка труб может производиться одновременно в нескольких местах по длине палубы судна, система J-lay может вместить только одну сварочную станцию. Для компенсации этого недостатка используются передовые методы автоматической сварки. [30]
В системе укладки на катушку трубопровод собирается на берегу и наматывается на большой барабан, обычно размером около 20 метров (66 футов) x 6 метров (20 футов), [31] установленный на борту специально построенного судна. Затем судно отправляется на место для укладки трубопровода. Береговые сооружения для сборки трубопровода имеют неотъемлемые преимущества: они не подвержены влиянию погоды или состояния моря и обходятся дешевле, чем морские операции. [21] Поставка трубопровода может быть скоординирована: пока одна линия укладывается в море, другая может быть намотана на берегу. [32] Одна катушка может иметь достаточную емкость для линии потока полной длины. [32] Однако система укладки на катушку может работать только с трубопроводами меньшего диаметра — до примерно 400 мм (16 дюймов). [33] Кроме того, тип стали, из которой изготовлены трубы, должен быть способен подвергаться необходимому количеству пластической деформации, поскольку он изгибается до нужной кривизны (с помощью спиральной J-образной трубы) при наматывании на барабан и выпрямляется обратно (с помощью выпрямителя) во время операций по компоновке на месте установки. [34]
Для стабилизации и защиты подводных трубопроводов и их компонентов используются несколько методов. Они могут использоваться по отдельности или в комбинации. [35]
Подводный трубопровод может быть проложен внутри траншеи в качестве средства защиты от рыболовных снастей ( например, якорей ) и траления . [36] [37] Это также может потребоваться на подходах к берегу для защиты трубопровода от течений и волнового воздействия (поскольку он пересекает зону прибоя ). Рытье траншей может быть выполнено до укладки трубопровода ( предварительная прокладка траншей ) или после удаления морского дна из-под трубопровода ( последующая прокладка траншей ). В последнем случае траншейное устройство едет поверх трубопровода или охватывает его. [36] [37] Для рытья траншей на морском дне для подводных трубопроводов используется несколько систем:
″Закопанная труба гораздо лучше защищена, чем труба в открытой траншее.″ [41] Обычно это делается либо путем покрытия конструкции камнями, добытыми на близлежащей береговой линии. В качестве альтернативы, почва, вынутая со дна моря во время рытья траншеи, может быть использована в качестве засыпки. Существенным недостатком захоронения является сложность обнаружения утечки в случае ее возникновения и последующих ремонтных работ. [42]
Матрасы можно укладывать поверх трубопровода или как под ним, так и над ним в зависимости от основания. [35]
Для предотвращения бокового смещения можно использовать зажимы, удерживающие трубопровод на сваях. [35]
Для обеспечения боковой поддержки и более надежного удержания трубопровода можно использовать сборные бетонные опорные блоки. [35]
Они могут быть размещены по бокам или под трубопроводом для обеспечения вертикальной и/или боковой поддержки. [35]
Гравий можно насыпать на части трубопровода, чтобы уменьшить размыв и помочь стабилизировать его против бокового смещения. [35]
Конвенция Эспо создала определенные требования к уведомлению и консультациям в случаях, когда проект может иметь трансграничные экологические последствия. Ученые разделились во мнении о том, насколько эффективно Эспо смягчает экологический вред. Концепции морского права, связанные со строительством трансграничных трубопроводов, касаются территориальных вод, континентальных шельфов , исключительных экономических зон , свободы открытого моря и защиты окружающей среды. Согласно международному праву открытое море открыто для всех государств для прокладки подводных трубопроводов и для различных других типов строительства. [43]
Подводные трубопроводы представляют собой экологический риск, поскольку сами трубопроводы могут быть повреждены якорями судов, коррозией, тектонической активностью или в результате дефектной конструкции и материалов. Станислав Патин сказал, что исследования воздействия природного газа на подводные экосистемы, рыбу и другие морские организмы были ограниченными. Исследователи обнаружили причинно-следственную связь между массовой гибелью рыб и утечками природного газа после аварий при бурении в Азовском море в 1982 и 1985 годах. [43]
Опасения по поводу экологических рисков подводных трубопроводов высказывались неоднократно. Было по крайней мере два серьезных инцидента, связанных с нефтепроводами на континентальном шельфе Великобритании . Также было несколько «незначительных разливов и утечек газа» с участием других трубопроводов в Северном море. В 1980 году трубопровод был поврежден якорем судна, а в 1986 году из-за изменения давления вышел из строя клапан трубопровода. Оба инцидента привели к разливам нефти. Несколько стран Балтии выразили обеспокоенность по поводу трубопровода Nord Stream . Маршрут подводного трубопровода протяженностью 1200 км пройдет через рыболовные районы Балтийского моря , а также через район, где было захоронено химическое оружие времен Второй мировой войны . [43]