Морские трубопроводы. Методы S- и J-укладки

В последние несколько лет все больше российских проектных институтов, занимающихся линейными морскими трубопроводами, стали обращаться за разработками отечественного программного обеспечения в сфере прочностного анализа указанных систем. За это время собраны различные материалы и алгоритмы проведения анализа для подготовки необходимых модулей.

Как обычно, на стадии сбора материала возникают различные вопросы по теме. Одним из таких вопросов был метод прокладки трубопровода для расчета. Какой метод, S или J, чаще всего используется на российском производстве?

 Для выяснения оптимального метода укладки трубопровода провели сравнительный анализ, результатами которого мы и делимся в этой статье.

Монтаж трубопровода в глубоководных районах − одна из самых сложных операций на море, требующая особого внимания к возможностям судна-прокладчика. Судно должно обладать достаточной натяжной способностью для работы на больших глубинах и хорошей системой динамического позиционирования, позволяющей осуществлять только небольшие перемещения.

Для определения необходимого диаметра трубы, типа материала и метода монтажа, подходящих для определенных мест, требуется высокий уровень инженерного проектирования. Кроме того, эти критерии будут использоваться при выборе судна для монтажа и определении ориентировочной стоимости работы.

Для монтажа трубопровода обычно используются два метода − S-образная и J-образная прокладки. При выборе подходящего метода установки необходимо учитывать множество параметров, поэтому рассмотрим ограничения для каждого метода.

S-образная укладка - это один из методов монтажа труб, который характеризуется изгибом “S” при укладке на морское дно. Трубы перед укладкой на морское дно хранятся и собираются на судне. Труба выходит из судна в кормовой части по наклонной площадке (см. рис. 1). На конце трапа расположен стингер. Он используется для поддержки трубопроводов, контроля их кривизны и предотвращения значительных прогибов в области перегиба. При выборе угла наклона сегментов стингера можно настроить его форму. Длина стингера зависит от глубины воды и веса труб, погруженных в воду. Длина должна быть достаточной, чтобы избежать чрезмерного изгиба, который может привести к прогибу трубопровода. На наклонной площадке расположены натяжные устройства, которые удерживают трубопровод в подвешенном состоянии.

Рисунок 1. Схема S-метода погрузки трубопровода.

Трубопровод теряет контакт со стингером под выбранным углом и идет вниз по прямой, а затем постепенно изгибается в противоположном направлении, известном как область загиба. Из зоны прогиба подвесная труба продолжает опускаться на морское дно в точке приземления. Подробная схема S-образной укладки показана на рисунке 2. В зоне прогиба (известной также как нижняя образующая вогнутость) необходимо надежно выдерживать сочетание изгибающих нагрузок и давления.

Рисунок 2.  Схема S-укладки

Основная функция трубоукладчика заключается в обеспечении натяжения подвесных трубопроводов и контроле их формы. Поведение длинного подвесного трубопровода больше похоже на трос, чем на балку. Глубина воды будет определять длину трубы, требуемое натяжение, а также кривизну в области изгиба. Чем глубже вода, тем большее натяжение требуется, и это приводит к значительным затратам на эксплуатацию, поскольку такие работы может выполнять только современное монтажное судно.

Для метода S-образной укладки к важным параметрам относятся прочность на растяжение судна, длина и кривизна стингера, деформация в области перегиба и изгибающий момент в области прогиба. Максимальная глубина, на которой может быть проложен данный трубопровод, может быть увеличена за счет более длинного стингера трубоукладочной баржи и большей натяжной способности судна. Однако при выборе этих вариантов может потребоваться зажим для натяжения трубопровода, что может привести к большой нагрузке на систему швартовки и высокому риску, связанному с очень длинным стингером. Кроме того, эти варианты также могут привести к разрушению покрытия трубы.

Преимущества S-образной укладки

• Суда имеют возможность укладывать трубопроводы различного диаметра. Нет ограничений по диаметру и длине трубопровода;
• После начала монтажа требуется минимальная поддержка на берегу;
• При использовании метода S-образной укладки некоторые задачи, такие как сварка, контроль и применение швов в полевых условиях, могут выполняться одновременно;
• Некоторые подрядчики имеют большой опыт применения метода S-образной укладки, который хорош с технической и экономической точек зрения;
• Скорость прокладки довольно высока даже для трубопроводов большого диаметра и обычно составляет от 2 до 6 км в день. Скорость прокладки зависит от рельефа морского дна и глубины залегания воды.
  
  

К недостаткам S-образной укладки относятся

• Ограниченная глубина укладки из-за ограничений аппарата для натяжения;
• Длинный стингер подвержен гидродинамическим воздействиям;
• Для натяжения трубопровода требуется зажим, для которого необходимо использовать тяжелую систему швартовки
• Возможное разрушение покрытия трубы из-за использования длинного стингера и зажима;
• Высокая вероятность превышения допустимой деформации в зоне перегиба.
  
  

 В условиях большой глубины длина подвесного трубопровода увеличивается, и, как следствие, требования к натяжению также увеличиваются. Это сложное требование решается с помощью метода J-образной прокладки. При использовании такого метода трубопровод выходит из баржи почти в вертикальном положении и имеет J-образную форму на пути к морскому дну (рисунок 3). При методе J-образной укладки требования к изгибу в местах перегиба могут быть снижены, поэтому для выдерживания нагрузки от пролета укладки требуется только короткий стингер. Требуемое горизонтальное натяжение меньше по сравнению с методом S-образной укладки. Его роль заключается лишь в том, чтобы выдерживать вес погруженных в воду труб, контролировать нагрузки и поддерживать удовлетворительную кривизну при прогибе. Кроме того, меньшая длина подвески при методе J-образной укладки может привести к значительному снижению требований к мощности двигателя.

Рисунок 3. Укладка с баржи J-методом.

Однако из-за почти вертикальной установки метод J-образной укладки не позволяет использовать более одной станции для сварки и неразрушающего контроля. Чтобы устранить эти ограничения, для повышения эффективности работы предусмотрены трубы большей длины. Для этого на берегу сваривают от четырех до шести секций длиной 12 м. После осмотра, нанесения покрытия и сварки длинный отрезок трубы опускают на морское дно. Из-за этих особенностей метод J-образной укладки отличается низкой производительностью, а доступность технологий сварки и неразрушающего контроля для толстых труб может усугубить эту ситуацию.

При методе J-образной прокладки трубопровод должен быть спроектирован таким образом, чтобы выдерживать нагрузку, схематично показанную на рисунке 3. Из этого рисунка видно, что труба подвергается высокому напряжению и относительно небольшому внешнему давлению в области поверхности. Далее давление увеличивается, а натяжение постепенно уменьшается. Кроме того, необходимо учитывать смятие, для защиты от которого необходимо установить муфты.

В отличие от метода S-образной укладки, метод J-образной укладки уменьшает любое горизонтальное воздействие на оборудование судна, и благодаря этому технология J-укладки может быть использована для удовлетворения проектных требований на больших глубинах. Однако для использования метода J на больших и очень глубоких водах требуются баржи с возможностью динамического позиционирования. Это связано с тем, что швартовка растяжками с помощью якорей бесполезна и часто неосуществима из-за опасности операций.

В экстремальных условиях процесс нагружения, вызванный реакцией баржи-трубоукладчика на воздействие волн на больших глубинах, при использовании метода J менее интенсивен по сравнению с другими методами. Однако особое внимание следует уделять сложной природе колебаний, вызванных вихревым выбросом, вдоль подвесного трубопровода.

 Преимущества метода J-образной прокладки

• Требуемое натяжение может быть уменьшено по мере того, как труба выходит с баржи почти в вертикальном положении. Натяжение требуется только для поддержания изгиба на приемлемом уровне в соответствующей области;
• Стингеры почти не требуются. Перегиб отсутствует, поэтому предельные критерии для этой области могут быть исключены;
• Свободный пролет короче по сравнению с методом S-образной укладки, поскольку меньшие натяжения при укладке приводят к уменьшению нижнего натяжения в трубе;
• По сравнению с методом S-образной прокладки, прокладка трубопровода методом J-образной прокладки является более точной, поскольку точка приземления находится рядом с судном;
• Трубопроводы менее уязвимы к погодным условиям из-за уменьшения зоны взаимодействия с волнами. Только небольшой участок трубопровода, расположенный близко к поверхности, подвержен воздействию волн, поскольку трубопроводы установлены почти вертикально;
• Быстрая и относительно безопасная эвакуация и восстановление объектов.
  
  

Недостатки

• Метод J-образной укладки не позволяет использовать более одной станции для сварки и неразрушающего контроля, что значительно замедляет процесс сварки по сравнению с методом S-образной укладки. Кроме того, доступность технологий сварки и неразрушающего контроля для толстых труб может усугубить эту ситуацию;
• Для обеспечения устойчивости необходимо учитывать влияние веса и высоты башни;
• Этот метод не подходит для установки на мелководье. На мелководье изгиб трубы на морском дне будет слишком резким и может привести к повреждению трубопровода;
• Для применения метода J на больших и очень глубоких водах требуются баржи с возможностью динамического позиционирования.
  
  

 Сравнение двух методов дало следующие выводы.

Различные конфигурации трубоукладки приведут к различиям в требуемом верхнем натяжении и критической площади. Например, требуемое верхнее натяжение для S-образной конфигурации трубоукладки выше по сравнению с J-образной конфигурацией. Критической областью, которая вызывает наибольшую озабоченность при J-образной конфигурации, является область изгиба, в то время как для S-метода область перегиба становится более критичной, чем сам изгиб. В области изгиба деформация должна соответствовать критериям, указанным в документе СТО Газпром 2-3.7-050-2006 (DNV-OS-F101). Для J-образной укладки изгибающий момент в области прогиба должен быть меньше, чем допустимые изгибающие моменты для соответствующей глубины воды.

Сравнение конфигурации S и J-образной прокладки показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Сравнение методов S и J.

Для примера давайте рассмотрим два трубопровода с одинаковыми свойствами и одинаковыми углами подъема, устанавливаемыми с использованием метода S-образной прокладки и J-образной прокладки соответственно. В этих случаях можно рассчитать разницу в требуемом верхнем натяжении для обоих методов.

Используя статический метод равновесии горизонтальных и вертикальных сил, могут быть найдены:

и требуемое максимальное напряжение

Поскольку вес в жидкости “ws” известен в зависимости от диаметра и толщины трубы, а также длина подвесного трубопровода “s” также известна,

вертикальное натяжение может быть рассчитано с использованием следующей формулы:

В случае J-образной укладки горизонтальные усилия “H” требуются только для противодействия горизонтальному натяжению в точке приземления “Но".

В случае S-образной укладки горизонтальные силы необходимы для противодействия комбинации горизонтального натяжения в точке приземления "Но" и горизонтальной составляющей силы противодействия стингера “SH“.

Следовательно, поскольку горизонтальные усилия при методе S-образной укладки выше, чем при методе J-образной укладки, требуемое верхнее натяжение при S-образной укладке также выше, чем при J-образной укладке.

На рисунке 5 показан результат сравнения S- и J-образной укладки для труб диаметром 350 мм из материала Х65.

Рисунок 5. Требуемое максимальное натяжение при S-образной и J-образной укладке в зависимости от глубины залегания в воде.

Результаты анализа установки S-образного типа для Ду 350 таковы:

• Установлено, что требуемое максимальное натяжение находится в пределах допустимых значений для существующих судов на любой глубине;
• Деформация в области перегиба находится в пределах критерия 0,25% для X65 на глубине 800 м, 1300 м и 2000 м. Начиная с глубины 2500 м, критерий деформации превышен;
• Комбинации изгибающего момента и внешнего давления в зоне прогиба были пройдены на всех глубинах воды;
• Трубу можно устанавливать под углом 55 градусов для любой глубины воды;
• Расстояние между последним прижимным роликом и трубой во всех случаях должно составлять 300 мм.
  
  

Результаты анализа установки J-образной прокладкой для Ду 350 следующие:

• Установлено, что требуемое максимальное натяжение находится в пределах допустимых значений для существующих судов на любой глубине;
• Комбинации изгибающего момента и внешнего давления в зоне прогиба были пройдены на всех глубинах воды;
• Эквивалентные напряжения в изгибе находятся в пределах допустимых напряжений на всех глубинах вод;
• Углы наклона трубы (в точке схода с баржи-трубоукладчика) находятся в пределах 75 - 90 градусов.

При этом натяжение в трубопроводе при прокладке S-методом заметно превышает натяжение при J-укладке.

А какой метод используют инженеры вашей организации при проектировании линейных морских трубопроводов?

Какой метод расчёта нужно добавить в программное обеспечение?

Интересно ли вам это направление и появление нового отечественного ПО для расчета морских трубопроводов?

Расскажите нам!

Воспользуйтесь обратной связью или напишите персональным менеджерам, работающим с вашей компанией.

Нам важно знать ваше мнение!

Если у вас появились дополнительные вопросы по указанному направлению и темам, связанным с ним, мы с удовольствием ответим на них или проконсультируем по перспективам развития.

Работайте с нами! Работайте с удовольствием!

Подписывайтесь на новостной канал Группы компаний «Русский САПР» и оставайтесь в курсе последних событий в программном обеспечении.

Подготовила Наталья Гаврилина

Руководитель направления по системам инженерного анализа

АО «Бюро САПР»