СПОСОБ МОРСКОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ ГАЗА ТРУБОПРОВОДОМ Российский патент 2000 года по МПК F16L1/14 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и касается прокладки газопровода под водой, в частности морской, и транспортировки газа по этому трубопроводу.

Известен способ прокладки трубопровода по суше в обход морских берегов и транспортировки газа по этому трубопроводу, заключающийся в том, что трубопровод, состоящий из отдельных жестко соединенных между собой металлических труб, укладывают по длине магистрали вдоль линии побережья на жесткое основание на грунт, а газ пропускают по трубопроводу. Однако, известный способ имеет ряд недостатков. В частности, требуется трубопровод относительно большой длины. Трубопровод должен обходить труднодоступные, например скальные, участки, обходить густонаселенные территории и территории недружественных государств.

Трубопровод через морские просторы между двумя географическими пунктами, например A и B, напрямую (фиг. 1) будет значительно короче сухопутного варианта и будет свободен от других его недостатков, присущих сухопутному варианту.

В настоящее время известен способ морской прокладки трубопровода и транспортировки по нему газа с помощью трубопровода, выполненного из состыкованных между собой отдельных металлических труб, уложенные по дну моря. Этот способ описан в проекте "Голубой поток" и в статье "Россия готова начать прокладку газопровода в Турцию по дну Черного моря" (газета RU, "Независимая газета", N 205 (1530), четверг, 30.10.97, копия прилагается).

Недостатком данного способа является то, что, как указывают проектанты, "в мировой практике отсутствует опыт укладки трубопровода на глубине 2000 м с протяженностью этого участка в 215 км". Это обусловлено сложностью проводимых на такой глубине водолазных работ. Например, на глубине в 2000 м из-за чрезвычайно большого давления воды в 200 технических атмосфер необходимо использование специальных механизмов, имеющих возможность стабильно функционировать в этих экстремальных условиях. Следует обратить внимание на то, что морское дно не гладкое и ровное, как футбольное поле, а имеет довольно сложный рельеф, относительно которого трубопровод должен быть выставлен. Данные вопросы еще не решены.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по укладке трубопровода на относительно небольшой глубине с обеспечением его связи с морским дном при уравновешенно-вывешенном положении с учетом выталкивающей силы. Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении прокладки трубопровода под водой.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе морской транспортировки газа, в частности по кратчайшему пути между двумя береговыми пунктами, заключающемся в прокладке под водой трубопровода, образованного из герметично состыкованных отдельных металлических труб, и непрерывной подачи газа по этому трубопроводу, последний, выполненный из герметично состыкованных между собой и имеющих в месте стыка ограниченную угловую подвижность труб, погружают в морскую воду на глубину, превышающую максимальную осадку морских судов и не подверженную существенному влиянию шторма, и обеспечивают устойчивое положение трубопровода в воде над дном за счет его невесомости или нулевой плавучести, при этом невесомость или нулевая плавучесть по длине трубопровода обеспечивается за счет и тросовых растяжек, закрепляемых на отдельных участках трубопровода и с балластом на другом конце, опущенном на морское дно, и несущих на себе поплавки для обеспечения невесомости натяжения тросовых растяжек за счет создания подъемной силы.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Так, размещение трубопровода на достаточно небольшой глубине в уравновешенно-вывешенном положении позволяет зафиксировать трубопровод относительно морского дна. При этом уравновешенное положение трубопровода обеспечивается выталкивающей силой.

На фиг. 1 - вид на трубопровод в море между двумя береговыми пунктами;
на фиг. 2 - внешний контур труб и ее заглубление в воде;
на фиг. 3 - схема сил, действующих на погруженный в воду отрезок трубы, разрез А-А по фиг. 2;
на фиг. 4 - схема для учета веса соединительных муфт;
на фиг. 5 - пример конструкции соединительной муфты;
на фиг. 6 - схема крепления тросовых растяжек с трубой и дном;
на фиг. 7 - пример конструкции поплавка;
на фиг. 8 - схема для определения действия растяжек на центр тяжести трубы;
на фиг. 9 - схема расположения тросовых растяжек вдоль трубопровода;
на фиг. 10 - расположение опор и схема натяжения цепочки для двухзвенного пролета;
на фиг. 11 - то же, что по фиг. 9, для трехзвенного пролета;
на фиг. 12 - эпюра весовой нагрузки на одно звено цепочки внутри пролета;
на фиг. 13 - то же, что на фиг. 12, эпюра момента.

В предлагаемом способе морской прокладки и транспортировки газа с помощью трубопровода 1 (фиг. 1) по кратчайшему пути между двумя береговыми пунктами A и B предлагается возможным проложить трубопровод на относительно небольшой глубине H, а именно, на глубине, большей, чем осадка подводной части крупных морских кораблей, и большей, чем глубина волн во время сильного шторма. Например, для акватории Черного моря эта глубина составляет 30-40 м.

Далее в предлагаемом способе определяются условия, при которых трубопровод 1 будет находиться, подобно космическим аппаратам, в состоянии полной невесомости, то есть в уравновешенно-вывешенном положении, которое в морской практике называется нулевой плавучестью.

Для этого рассмотрим баланс сил, действующих на отрезок трубы 2 (фиг. 2, 3), опущенной горизонтально в воду. Обозначим:
l - длина отрезка трубы;
r - внешний радиус трубы;
r₁ - внутренний радиус трубы;
Δ - толщина стенок трубы;
G - вес пустой трубы;
s₁ - площадь торцевого внутреннего сечения трубы;
s₀ - площадь торцевого внешнего сечения трубы;
γ - удельный вес материала трубы;
γ_в - удельный вес морской воды на глубине H;
γ_г - удельный вес газа в трубе;
P_в - вес воды в объеме трубы на глубине H;
F - вес отрезка трубы на глубине H;
P_г - вес газа в трубе.

По закону Архимеда на тело в виде полой трубы 2, погруженной в воду, действует выталкивающая сила, которая численно равна весу воды, вытесненной трубой, и приложена к ее центру тяжести (см. Справочник по физике, Б.М.Яворский и др., "Наука", 1965, стр. 300). Результирующий вес рассматриваемого отрезка трубы будет:
F = G - P_в, (1)
где G = (s₀-s₁)lγ+P_г,s₀ = πr²,s₁ = π(r-Δ)² (2)
P_в= s₀lγ_в (3)
Если труба полая, то полагая что в /2/ P_г = 0, согласно формул /2/, /3/ имеем:
G = πlΔ(2r-Δ)γ, (4)
P_в= πr²lγ_в, (5)
а затем используя равенство /1/ и /4/, /5/, получаем результирующую силу
F = πlQ, Q = Δ(2r-Δ)γ-r²γ_в, (6)
Для невесомости любого по длине отрезка трубы необходимо иметь F = 0 или согласно /6/
Q = 0 (F = 0) (7)
С достаточно хорошим приближением, полагая, что величина Δ мала по сравнению с величиной 2r, то есть
2r-Δ ≅ 2r, (8)
можем записать условие невесомости трубы в морской воде в форме величины ее диаметра, который согласно /6/ - /8/ будет:
D = 2r, r = 2Δγ/γ_в (9)
Пример 1. Стальная труба с толщиной стенок Δ = 0,3 см и γ = 14 г/см³ в воде с γ_в= г/см³ будет невесомой, то есть уравновешенно-вывешенной в морской воде, при ее диаметре, согласно /9/
D = 2•2•0,3•14/1 = 16,8 см.

Если труба наполнена газом, воздухом или другим веществом с удельным весом γ_г, то сила его веса увеличивает вес трубы на
P_г= ls₁γ_r (10)
и согласно /1/, /6/, /10/, /2/ F = πlR, R = Q+(r-Δ)²γ_г. (11)
Когда один участок трубы соединяется с другим при помощи соединительной муфты 3, то необходимо учесть вес /в воде/ q этой муфты (фиг. 4), тогда имеем
F = πlN, N = R+q/πl (12)
Для приближенных расчетов, пользуясь, как указывалось, при малых толщинах труб равенством /8/ и полагая, что γ_г= 0, получим из /6/, /11/, /12/ силу
F = πlQ+q, Q = 2rΔγ-r²γ_в (Δ ≪ r). (13)
Полагая в /6/ Δ = r, получаем силу F для сплошного сечения трубопровода в форме
F = πIr²(γ-γ_в). (Δ = r) (14)
Оценим приближенно влияние изменения диаметра трубы на величину силы F.

Пример 2. Возьмем диаметр трубы D^F = 20 см и те же значения Δ,γ,γ_в, которые были указаны в примере 1. Тогда согласно /5/, /4/, /1/ получаем при l = 1 см
G = π[0,3(20-0,3)14] = 82,7πгр,
P_в= 10×10×1πгр,
F = 82,7π-10×10×1π = -17,3πгр.
Сравнивая результаты двух примеров 1 и 2, заключаем, что
(D^F - D)/D ≈ -F/G (15)
Приближенное равенство /15/ нетрудно получить в общем случае, если полагать для двух диаметров, что один из них определяется по формуле /9/ и имеет место равенство /8/.

Из приведенных примеров и равенства /15/ можно видеть, что увеличение диаметра трубы по сравнению с диаметром, обеспечивающим ее невесомость, создает некоторую подъемную силу /F < 0/, и труба, если ее не удерживаешь, начнет всплывать с глубины H до свободной поверхности, где H = 0.

Поэтому, при желании иметь трубы большего диаметра, при их невесомости нужно, согласно /9/, увеличивать толщину Δ ее стенок или создавать нагрузку, противоположную подъемной силе.

В связи с тем, что вода в море и на глубине не является идеально спокойной, желательно защитить трубопровод от опасного изгиба. Полагаю целесообразным образовывать весь трубопровод наподобие гибкой цепи (фиг. 4), состоящей из состыкованных звеньев некоторой длины l. Трубы выполняются, например, металлическими. Возможно использование и иного, например, полимерного материала, если его прочностные и химическо-стойкие характеристики позволяют его использовать в агрессивной среде, которой является морская вода.

При этом стыковка обеспечивается специальной муфтой 3, которая должна: обеспечить небольшой /1-2^o/ шарнирный поворот между состыкующимися сечениями, обеспечить прочность соединения в продольном и поперечном направлениях, обеспечить герметичность стыковки, не допускающей протечки воды в трубу или утечки газа из трубы в воду, обеспечить свободу перетекания газа через состыкованные сечения.

Возможный вариант конструкции муфты, удовлетворяющей перечисленным условиям, представлен на фиг. 5.

Эта муфта 3 состоит из двух фланцев 4, жестко связанных с концами подлежащих стыковке труб 2. Жесткая связь может быть выполнена различным образом, например, в виде сварки или винтового соединения. Торцевыми поверхностями фланцы 4 стягивают между собой кольцевую резиновую прокладку 5. Толщина прокладки может быть небольшой 5-10 мм. Между торцами фланцев расположено упорное кольцо 6, которое расположено с небольшим зазором δ = 1-2 мм между своим торцом и смежным торцом одного из фланцев. При зазоре δ = 2 мм возможен поворот соединяемых сечений концов труб 2, указанных в примере 1, на угол α = δ/r, то есть на 1,3^o.

Фланцы стягиваются между собой, например, болтами с гайками в количестве от 6 до 10. При этом болты имеют достаточную свободную боковую посадку во фланцах, которая обеспечивается боковым люфтом величиной 0,01-0,02 мм.

Прочность соединения обеспечивается тем, что площадь сечений всех болтов будет близкой к площади сечения трубы и тем, что соединение трубы с фланцами обеспечивается предусмотренной на их достаточной длине, например, резьбой 7 на фланце и наружной поверхности трубы.

Герметичность соединения обеспечивается, кроме сжатия резиновой прокладки тонким, медным или пластмассовым патрубком 8, плотно вставленным в концы труб 2.

Для обеспечения устойчивости участков трубопровода 1, состоящего из нескольких звеньев (труб 2), можно использовать (фиг. 6) тонкие тросовые растяжки 9 и их связь с дном. Для того, чтобы трос обладал невесомостью (нулевой плавучестью), к нему в нескольких местах по длине прикрепляют специальные поплавки 10. Эти поплавки 10 представляют собой, например, вакуумированный цилиндр (фиг. 7), изготовленный из трубы, у которой закрыты (заварены) концевые сечения. В общем случае поплавки представляют собой закрытую герметично бочку. Подъемная сила поплавка (F < 0) определяется исходя из его размеров по приближенным формулам /13/, /9/ или /12/, а затем определяется длина троса, вес которого уравновесится поплавком. Крепление на дне троса 9 его конца может осуществляться балластом 11, например, полученным из поплавка, заполненного водой. Крепление троса с поплавком может осуществляться, например, путем намотки нескольких его витков на цилиндрическую поверхность поплавка, как на катушку. Возможны и иные приемы прикрепления поплавка к тросу и троса к трубе 2, например, за счет выполнения хомутов или скоб и защелок, охватывающих скобу.

Возможности тросовых растяжек можно определить по фиг. 8. В треугольнике O₁CO₂ вершиной С является центр тяжести (ц.т.) трубы 2, а основание O₁O₂ - на морском дне. Трос O₁C и трос O₂C могут описывать при натяжении только дуги ca и cb соответственно радиусами r₁ и r₂. Следовательно, какое-либо движение трубы в области, расположенной вне этих дуг, является невозможным. При невесомости трубы и троса в область, расположенную ниже указанных дуг, движение трубы, при идеальной спокойной воде, так же не может происходить, ибо при этом увеличивается глубина H, а с увеличением глубины увеличивается плотность воды и ее удельный вес γ_в, то есть появляется сила F < 0.

Естественно, что для большей устойчивости трубопровода 1 может служить некоторая, относительно небольшая, подъемная сила F < 0, которую, как видно из примера 2, легко создать, используя увеличенный диаметр трубы D^F.

Таким образом, даже малая сила F < 0 не позволит трубе снижаться, а тросовые растяжки не позволят ей двигаться вверх или в любую сторону по горизонтали, то есть произойдет полная стабилизация звена с растяжками. Располагая их вдоль всего трубопровода 1 (фиг. 9), получим стабилизацию всего трубопровода.

Для представления о возможности создания невесомых в морской воде тросовых растяжек приведем пример 3.

Пример 3. Подъемная сила F_п поплавка, показанного на фиг. 7, определяется из условия, что r = 20 см, Δ = 0,3 см, l = 100 см, γ = 14 г/см³, γ_в= 1 г/см³. Здесь можно использовать формулу /13/, полагая, что q - вес днищ поплавков, то есть q = 2πr²Δγ, тогда имеем
Q = -232 г/см, q = 10,5 г, F_п = -62,3 кг.

Пример 4. Определим длину l₁ троса, который при соединении с поплавком будет невесомым, и допустимую силу его натяжения N. Полагая, что у троса r = 0,2 см, γ = 12 г/см³, сила F определяется, как для сплошного стержня, по формуле /14/ и для его невесомости необходимо иметь равенство F + F_п = 0, то есть согласно /14/ и приведенных данных получаем

Допустимая сила натяжения определяется, исходя из допустимого напряжения σ = 1200 кг/см² и площади поперечного сечения троса, то есть

Из примеров 3 и 4 видно, что для невесомости троса на его длине 2000 м достаточно 5 поплавков, а для его натяжения можно использовать два дополнительных поплавка.

Теперь определим, какие возникнут нагрузки в звеньях трубопровода, когда в некоторой его части возникнут неидеальные условия на глубине погружения: в частности, небольшая подъемная сила, зона неспокойной воды с подводными течениями и др. Вследствие этого на звенья участка цепочки будет действовать определенная распределенная по длине цепочки нагрузка, которую обозначим буквой q [кг/см] (см. фиг. 10). Под действием такой нагрузки цепочка сдеформируется (провиснет), и каждое звено повернется относительно соседнего звена на допустимый угол α. И только в местах расположения растяжек смещение должно отсутствовать. Назовем такие сечения опорными, а расстояние между ними пролетом L. Когда пролет содержит несколько звеньев, например, L = 2l (фиг. 10), L = 3l (фиг. 11), цепочка имеет вид симметрично ломаной (фиг. 11). Статическое равновесие такой ломаной можно записать в форме (полагая, что sin β = β, cosβ = 1),

или T = nql/(n-1)α, R = nql, (16)
где T - натяжение звена, находящегося вблизи опоры;
R - нагрузка на опору от двух звеньев, расположенных с разных сторон опоры.

В частности, при n = 2 имеем T = 2ql/α, R = 2ql, при n = 3l имеем T = 3ql/2α, R = 3ql, а при L = 10l получим T = 10ql/9α. Отсюда видно, что увеличение длины L пролета относительно мало меняет натяжение цепочки Т, а нагрузка на опору R пропорциональна длине пролета.

Рассмотрим теперь, какие изгибающие моменты M действуют на любое звено в пролете. Из условия равновесия звена, например a-b, из фиг. 11 видно, что оно представляет собой балку с опертыми концами, растягивающими нагрузками T и поперечной нагрузкой q, которая должна уравновеситься силами на концах (фиг. 12).

Под действием этих поперечных нагрузок возникают изгибающие моменты, эпюра которых представлена на фиг. 13. Ось ординат расположена по середине балки и максимальное значение изгибающего момента обозначено буквой M₀. Подсчитывая его величину, получим
M₀ = ql²/8. (17)
Заметим, что в случае расположения в пролете L = 3l, не трехзвенной цепочки, а цельной сплошной балки, то у нее по середине пролета L возник бы максимальный момент M₀= qL²/8 = 9ql²/8, то есть на порядок больше. Это доказывает преимущество цепочной системы для трубопровода.

Пример 5. Определим суммарное напряжение σ от изгиба σ_и и от растяжения σ_т в одной, крайней балочке пролета, а также напряжение σ_p в тросовой растяжке, при боковой нагрузке q (фиг. 12). В качестве исходных данных примем:
l = 50 м, q = 1 кг/м, α = 2×10^-2, L = 5l, r = 10 см, Δ = 0,3 см, r_тр = 0,4 см, ζ = 60^°.
Тогда получаем приближенно момент инерции сечения J_x= πΔr³ и, используя для M, T, R формулы /16/, /17/, получаем:
σ_и= Mr/J_x= 332 кг/см²,
σ_т= T/S₀-S₁= 166 кг/см²,
σ_p= R/πr²cosζ = 10³ кг/см².
Здесь видно, что продольное натяжение балки мало влияет на суммарное напряжение балки, что подтверждает преимущество цепной схемы над схемой сплошной балки в пролете.

Изобретение используется в строительстве при прокладке морских трубопроводов. Трубопровод располагают между дном водоема и его поверхностью, придают нулевую плавучесть и фиксируют растяжками с балластными грузами и поплавками. Трубопровод монтируют из отдельных звеньев и соединяют муфтами с ограниченной угловой подвижностью. Направлено на упрощение прокладки подводных трубопроводов. 13 ил.

Способ морской транспортировки газа трубопроводом, в частности по кратчайшему пути между двумя береговыми пунктами, заключающийся в прокладке трубопровода, образованного из герметично состыкованных отдельных металлических труб, и непрерывной подачи газа по этому трубопроводу, отличающийся тем, что трубопровод, выполненный из цепочки герметично состыкованных между собой и имеющих в месте стыка с помощью муфт ограниченную угловую подвижность труб, погружают в морскую воду на глубину, превышающую осадку морских судов и неподверженную влиянию шторма, и обеспечивают устойчивое положение трубопровода в водном пространстве по горизонтали и глубине за счет его невесомости или так называемой нулевой плавучести, при этом невесомость трубопровода обеспечивается за счет диаметральных размеров труб и невесомых с помощью поплавков растяжек, которые закрепляются на некоторых трубах, распределенных по пролетам, и которые содержат на свободном конце балласт, опускаемый на морское дно, а необходимое натяжение растяжек создают подъемной силой верхнерасположенных дополнительных поплавков.