Глава 8. Морские нефтегазовые трубопроводы

Прокладке трубопроводов предшествуют исследования грунтов, расчеты устойчивости и т.д. Прокладка трубопроводов в морских услови­ях имеет свою специфику.

Устойчивость трубопровода, которая определяется взаимодействи­ем трубопровода и породы, зависит от большого числа факторов, которые могут быть классифицированы следующим образом:

• профиль грунта и геология места прокладки;

• свойства грунта: несущая способность, вероятность размыва и осадконакопления;

• размеры и вес трубопровода, метод укладки и начальное напря­жение трубопровода;

• условия эксплуатации трубопровода: природа флюидов, возмож­ные изменения температуры и вибрации трубопровода;

- гидродинамическое окружение: скорость течения, вероятность вертикальных потоков вблизи трубопровода, волны и т.д.

Вопрос, заглублять трубопровод или нет, решается на основе раз­ведки грунтов, топографии и гидродинамики окружающей среды (глубина воды, течения, волны и т.д.). В зависимости от конкретного случая устой­чивость трубопровода можно обеспечить:

• одной только силой тяжести (после покрытия труб бетоном оп­ределённой толщины) и трением о грунт;

• заякориванием;

• заглублением в траншею, выкапываемую после прокладки труб, особенно вблизи побережья.

В настоящей главе мы рассмотрим следующее:

• проблемы, связанные с укладкой и устойчивостью трубопрово­дов;

• разведку морского дна и грунтов, необходимую перед укладкой трубопровода;

• применение результатов разведки грунта к расчету устойчивости или заглубления трубопроводов.

8.1. Проблемы, связанные с прокладкой и устойчивостью трубопроводов

В зависимости от решения, предусмотренного или вызванного ме­стными условиями:

• укладка трубопровода на морском дне (рис. 8.1 а),

• или заглубление трубопровода после укладки (рис. 8.1, б), про­блемы механики грунтов разнятся.

371

F_v- архимедова сила, действующая на трубопровод;

F_c— действие течения на трубопровод;

Р - погруженный вес трубопровода;

Т - сила трения о грунт

а) трубопровод, лежащий на дне б) заглубленный трубопровод

Рис. 8.1. Устойчивость трубопровода

В первом случае устойчивость трубопровода должна обеспечи­ваться действием:

• сил тяжести;

• боковых гидродинамических сил (волн и течения);

• вертикальных изгибающихся сил, обусловленных пролетом тру- бопровода, определяемым промоиной или топографией грунта;

• горизонтальными изгибающими силами, обусловленными ис­кривлениями и начальными напряжениями в трубопроводе.

Во втором случае устойчивость обычно бывает более чем доста­точной, хотя при прокладке трубопровода возникают проблемы прочно­сти грунта на сдвиг;

• если поверхность грунта слишком мягкая, его несущая способ­ность будет недостаточной, чтобы обеспечить перемещение машин для рытья траншеи;

• если, с другой стороны, грунт будет чрезмерно уплотненным. машина будет продвигаться слишком медленно.

Ко всему этому следует иметь в виду и риск ожижения грунтов, вызывающего «всплывание» труб.

Допустим, что действие гидродинамических сил подвергает опас­ности устойчивость трубопроводов, хотя не будем анализировать причи­ны и размер этого действия.

Проверка вертикальной устойчивости расположенного на дне тру­бопровода требует рассмотрения:

- детализированного рельефа дна по всему маршруту;

372

• природы поверхностных пород и особенно возможной переме­жаемости крепких пород (скальных или высококонсолидированных грун­тов) и рыхлых (где могут встретиться промоины близ трубопровода);

• возможности ожижения мягких пластов: песков, илов, мягких глин.

Эти различные характеристики уточняют в результате изучения:

• детализированной топографии маршрута;

• кажущейся природы грунтов, выявленной сейсмической развед­кой поверхности дна;

• распределения зерен по размеру и пластичности грунтов (преде­лы Аттерберга);

• вероятности ожижения грунтов;

• предела прочности грунтов на сдвиг;

• коэффициента трения между грунтом и бетоном (вокруг трубо­провода);

• возможности образования промоин вблизи трубопровода.

Цель батиметрии - произвести разведку профиля возможного маршрута: долины, холмы, градиенты уклонов, разрывы склонов и т.д. Морфологией дна изучаются детально:

• выходы горных пород;

• валуны;

• гидравлические дюны;

• остатки разрушений и т.д.

Сейсмическая разведка поверхности дает начальную информацию о твердости поверхностных пород и особенно степени гомогенности, ко­торой можно ожидать на маршруте.

Несущая способность грунтов используется в расчетах вертикаль­ной устойчивости уложенного на дно трубопровода и обычно характери­зуется:

• или прочностью грунта на сдвиг, измеренной на образцах керна, взятого керноотборником «Кулленберг», или виброкерноотборником;

• или величиной предельного давления, измеренного измерителем давления.

Идентификация грунтов позволяет прогнозировать вероятность ожижения осадков около трубопровода под действием внешних сил: уда­ров, вибраций, действия волн и т.д.

Боковая устойчивость под действием гидродинамических сил оп­ределяется боковым усилием трения трубопровода (одетого в бетон) о грунт.

Определение коэффициента бокового трения tg5, обычно выполняе­мое с использованием модели в лаборатории, можно произвести более на­дежно с помощью контрольных образцов, перемещаемых на мелководье.

Если грунты ожижаются, коэффициент трения стремится к нулю и обычно трубопровод быстро теряет устойчивость.

373

Силу продольного трения трубы о грунт при укладке трубопровода на дно следует определять как можно более точно.

Коэффициент продольного динамического трения определяют на месте с помощью представительных контрольных образцов.

Размывы грунта вблизи трубопровода вредны:

- как для вертикальной устойчивости трубопровода вследствие возникновения значительных изгибающих нагрузок в некоторых секциях;

- так и для горизонтальной устойчивости вследствие исчезновения сил трения.

Степень размыва резко уменьшается с уменьшением скорости те­чения, например, при увеличении глубины. Однако прокладка трубопро­вода приводит к местному увеличению скорости течения и, следователь­но, скорости размыва.

б)

Размыв изучается исключительно на моделях. Тем не менее, на­блюдения (по контрольным образцам) за эрозией могут дать в высшей степени полезную информацию. Защита трубопроводов от размыва в зо­нах, которые особенно подвержены этому, достигается использованием листов пластика шириной 4-5 м, которыми покрывают трубы и закрепля­ют с обеих сторон (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Защита трубопроводов от размыва:

а) нет течения, нет размыва;

б) размыв под трубой;

в) защита от размыва

374

Кроме обеспечения устойчивости трубопроводов, уложенных на дне, траншеи необходимо рыть:

• если глубина воды менее 50 м;

• если имеется выход пород на пути трассы;

• если того требует закон (например, в зонах ловли рыбы траловы­ми сетями).

Если допустить, что заглубление трубопроводов необходимо (пол­ностью или на ограниченном участке), то необходимо рассмотреть сле­дующее:

• возможность перемещения траншеекопателя по всему маршруту;

• механические свойства поверхностных пород;

• поведение отложений, заполняющих траншею.

После обычной идентификации грунтов проверяют несущую спо­собность поверхностных грунтов, чтобы установить возможность пере­мещения траншеекопателя на гусеничном ходу.

Несущую способность определяют:

• или измерением прочности грунта на сдвиг на кернах;

• или измерениями на месте (пенетрометром или измерителем дав­ления).

В последние годы проведено огромное количество экспериментов по перемещению строительной инженерной техники по рыхлым грунтам.

Глубина траншеи зависит от глубины воды и природы донных от­ложений:

• начиная от берега до глубины 30 - 50 м глубина траншеи состав­ляет от 2 м в очень уплотненных глинах до 4 м в песках и илах;

• при глубине воды от 30 - 50 до 100 - 150 м глубина траншеи обычно не превышает 1 - 2 м.

Прочность грунта на сдвиг, предпочтительно измеряемая на кер­нах в лаборатории, оказывает основное влияние на выбор метода заглуб­ления трубопровода:

• размыв грунта струей;

• землечерпалка (с приспособлением для резания);

• псевдоожижение песков;

• использование устройств типа плута. После укладки труб траншею засыпают:

• вынутой породой;

• естественной седиментацией.

В прибрежных зонах (глубины менее 30 - 50 м) следует изучить возможность размыва и ожижения осадков, чтобы противодействовать уменьшению устойчивости, особенно вследствие течений.

На больших глубинах (более 50 м) риск потери устойчивости меньше и необходимость в заглублении трубопровода не столь очевидна.

375