Подводные переходы трубопроводов через естественные и искусственные водные преграды относятся к наиболее ответственным и технологически сложным участкам магистральных нефте- и газопроводов. От их надёжности и безопасности зависит бесперебойная работа всей трубопроводной системы, экологическое благополучие водных объектов и прилегающих территорий. Устройство дюкера — технологически сложный этап строительства трассы магистрального нефтепровода.
Особая ответственность подводных переходов обусловлена тем, что авария на таком участке может привести к катастрофическим последствиям: загрязнению водной среды, гибели водных биоресурсов, нарушению водоснабжения населённых пунктов. Поэтому проектирование, строительство и эксплуатация подводных переходов регламентируются строгими нормативными требованиями и реализуются с применением наиболее современных технологий.
В данной статье рассмотрены основные методы сооружения подводных переходов, особенности проектных расчётов, современные технологии защиты и контроля качества, а также приведены практические примеры реализации крупных проектов.
Основные методы сооружения подводных переходов
Выбор метода строительства подводного перехода зависит от многих факторов: ширины и глубины водной преграды, инженерно-геологических условий, судоходности, экологических ограничений, экономической целесообразности. Важно правильно произвести выбор метода монтажа трубопровода, так как от этого будет зависеть скорость выполнения строительства, экономические затраты на работы, надежность участка подводного перехода и, как следствие, бесперебойная работа всего магистрального трубопровода .
Традиционные методы прокладки
Траншейный метод (дноуглубительный) является исторически первым способом укладки подводных трубопроводов. Он предусматривает разработку подводной траншеи земснарядами или экскаваторами, укладку в неё трубопровода и последующую засыпку. Преимущества метода — относительная простота и возможность применения на различных грунтах. Недостатки связаны с масштабным нарушением донных экосистем, образованием зон взмучивания при разработке грунта, а также с уязвимостью уложенного трубопровода к размыву и воздействию судовых якорей.
Метод прокола или продавливания применяется при пересечении нешироких водных преград и насыпей транспортных магистралей. Стальной футляр (кожух) продавливается в грунт гидравлическими домкратами из стартового котлована, затем внутри него размещается рабочий трубопровод.
Бестраншейные технологии
В настоящее время основным методом сооружения подводных переходов магистральных трубопроводов стал метод наклонно-направленного бурения (ННБ) . Этот метод обеспечивает минимальное воздействие на водную среду и позволяет заглублять трубопровод ниже дна водотока на безопасную глубину.
Технология ННБ включает три основных этапа:
-
Бурение пилотной скважины — по заданной траектории буровая головка с системой навигационного контроля проходит под руслом водной преграды.
-
Расширение скважины — последовательными проходами расширителей диаметр скважины увеличивается до необходимого для протаскивания трубопровода.
-
Протаскивание трубопровода — предварительно сваренная и изолированная плеть трубопровода протаскивается в подготовленную скважину .
В процессе формирования скважины прохождение участков, сложенных грунтами разной прочности, может приводить к образованию уступов на границе чередования грунтов с различными физико-механическими характеристиками . Эти особенности необходимо учитывать при расчётах.
Метод микротоннелирования используется для прокладки трубопроводов большого диаметра в сложных инженерно-геологических условиях. В отличие от ННБ, микротоннелирование обеспечивает возможность сооружения тоннеля с жёлобом, в который затем укладывается трубопровод.
Метод тоннельного дюкера (труба в трубе) применяется на особо ответственных участках и предполагает сооружение защитного тоннеля (кожуха) с последующей протаскиванием в него рабочего трубопровода . Такая конструкция обеспечивает дополнительную защиту от внешних воздействий и возможность контроля межтрубного пространства.
Особенности проектирования и расчётов
Исходные данные и инженерные изыскания
Проектирование подводного перехода начинается с комплексных инженерных изысканий, включающих:
-
топографо-геодезические работы (профилирование русла, съёмка берегов);
-
инженерно-геологические изыскания (определение состава и свойств грунтов до глубины заложения трубопровода);
-
гидрологические исследования (режимы уровней воды, скорости течения, ледовый режим, русловые деформации);
-
изучение условий судоходства и лесосплава.
Гидравлические расчёты
Гидравлические расчёты подводных переходов направлены на определение минимальной глубины заложения трубопровода под дном водотока, исключающей его всплытие, а также на оценку устойчивости русла и прогноз возможных деформаций. Расчётный срок прогноза русловых деформаций составляет не менее 25-30 лет.
Критическим фактором является проверка трубопровода на всплытие. Водонасыщенный грунт имеет меньшую плотность, чем сухой, а при определённых условиях (паводки, размыв) возможно обнажение трубы. Для тяжёлых трубопроводов большого диаметра применяют балластировку чугунными или железобетонными грузами.
Расчёт усилий при протаскивании (для ННБ)
При проектировании переходов методом ННБ важнейшей задачей является расчёт тяговых усилий, необходимых для протаскивания трубопровода в скважину. От правильности этого расчёта зависит выбор бурового оборудования и предотвращение аварийных ситуаций.
На величину реализуемых усилий оказывают влияние:
-
закладываемый профиль перехода (радиусы кривизны);
-
весовые характеристики трубопровода (с учётом балластировки и заполнения водой или без неё);
-
тип грунта, в котором построена скважина .
Исследования показывают, что наиболее сильное влияние на величину тяговых усилий оказывают диаметр протаскиваемого трубопровода и тип грунта. При прохождении неустойчивых, несцементированных грунтов удельные тяговые усилия резко возрастают . Например, для трубопровода диаметром 1020 мм удельные тяговые усилия в устойчивых монолитных грунтах составляют около 2 кН/м, а в неустойчивых — возрастают до 4,3 кН/м .
Осложнения в процессе протаскивания связаны в основном с прохождением криволинейных участков скважины в грунтах, склонных к обрушению. Применяемые буровые растворы могут не справляться с выносом крупноразмерных фракций (более 2-4 см), что приводит к накоплению шлама на нижней образующей скважины и формированию препятствий .
Расчёт напряжённо-деформированного состояния
Современные методы проектирования предусматривают выполнение конечно-элементного анализа наиболее опасных сечений трубопровода. Расчёты позволяют определить оптимальные расстояния между роликовыми опорами при протаскивании, оценить напряжения в стенке трубы при прохождении криволинейных участков, выбрать рациональную конструкцию опорно-направляющих устройств .
Конструктивные решения и защита
Материалы труб и усиленная изоляция
Для подводных переходов применяются трубы повышенного класса прочности с утолщённой стенкой. В проектах ПАО «Транснефть» используется труба диаметром 1220 мм с толщиной стенки 21 мм и усиленным типом изоляционного покрытия — 7 мм со специальной разделкой кромок . Аналогичные требования к повышенной прочности и усиленной изоляции подтверждаются и другими проектами .
Защита сварных соединений
Особое внимание уделяется изоляции сварных стыков. На участках, сооружаемых методом ННБ, применяются термоусаживающиеся манжеты, устанавливаемые «впотай». Такой способ обеспечивает сохранность изоляции при протаскивании дюкера через скважину, исключая её повреждение .
Балластировка и закрепление
В зависимости от инженерно-геологических условий применяются различные способы балластировки:
-
одиночные или парные чугунные грузы;
-
железобетонные пригружатели;
-
винтовые анкерные устройства;
-
закрепление трубопровода сваями в береговых зонах.
Противокоррозионная защита
Помимо основного изоляционного покрытия, подводные переходы оснащаются станциями катодной защиты (СКЗ) с усиленным режимом. Учитывая пониженное сопротивление воды по сравнению с воздухом, параметры электрохимической защиты рассчитываются с особым коэффициентом запаса.
Береговые крановые узлы
На обоих берегах водной преграды устанавливаются отключающие устройства (задвижки, краны), позволяющие оперативно отсечь подводный участок в случае аварии. Как правило, эти узлы размещаются на отметках, не затапливаемых при максимальных паводках.
Контроль качества и диагностика
Контроль сварочно-монтажных работ
На этапе строительства подводного перехода применяется многоступенчатый контроль качества:
-
визуально-измерительный контроль;
-
ультразвуковая дефектоскопия сварных швов;
-
рентгенографический (радиографический) контроль;
-
дублирующий рентгенографический контроль сварных стыков .
Практика показывает, что строгое соблюдение технологии и многоуровневый контроль позволяют гарантировать надёжность трубы при её дальнейшей эксплуатации. При выполнении работ по замене подводного перехода через р. Обь дефектов сварных соединений зарегистрировано не было .
Гидравлические испытания
После завершения сварочных работ и укладки (или перед протаскиванием при ННБ) проводятся гидравлические испытания на прочность и герметичность. Давление испытаний превышает рабочее на 25-50%, выдержка под давлением составляет не менее 6-24 часов в зависимости от категории участка.
Внутритрубная диагностика методом «сухой протяжки»
Современным стандартом контроля является обследование подводного перехода методом «сухой протяжки» с использованием внутритрубного магнитного инспекционного прибора (ВИП). Этот метод позволяет выявить дефекты металла труб, аномалии поперечного и продольного шва . Диагностика проводится как после завершения строительства, так и периодически в процессе эксплуатации.
Практические примеры реализации
Переход через р. Обь (ХМАО)
АО «Транснефть — Сибирь» завершило укладку подводного участка (дюкера) перехода магистрального нефтепровода Сургут — Полоцк через р. Обь протяжённостью 1872 м. Прокладка дюкера под руслом реки производилась методом наклонно-направленного бурения параллельно действующему нефтепроводу. В ходе работ применена труба диаметром 1220 мм с толщиной стенки 21 мм повышенного класса прочности с усиленным изоляционным покрытием 7 мм .
Переход через р. Тойма (Удмуртия)
АО «Транснефть — Прикамье» выполнило укладку дюкера протяжённостью более 380 м на подводном переходе магистрального нефтепровода Киенгоп — Набережные Челны через р. Тойма. Работы выполнялись буровым комплексом с тяговым усилием 1200 кН. После завершения сварочных работ проведены гидравлические испытания и внутритрубная диагностика методом «сухой протяжки» .
Экологические аспекты и безопасность
Природоохранные требования
Строительство подводных переходов должно выполняться в строгом соответствии с природоохранным законодательством РФ . Это предполагает:
-
минимальное нарушение донных биоценозов (что обеспечивается применением ННБ);
-
предотвращение загрязнения водной среды буровыми растворами (применение экологически безопасных реагентов, замкнутый цикл циркуляции);
-
рекультивацию нарушенных береговых участков;
-
компенсационные мероприятия по восстановлению водных биоресурсов.
Промышленная безопасность
Все работы ведутся в соответствии с требованиями пожарной и промышленной безопасности, охраны труда, производственного и строительного контроля . Подключение нового участка осуществляется только после завершения всего комплекса работ и подтверждения его готовности к эксплуатации.
Эксплуатация и мониторинг
В процессе эксплуатации подводные переходы подлежат регулярному мониторингу, включающему:
-
периодические водолазные осмотры или обследования с использованием телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА);
-
батиметрическую съёмку для контроля русловых деформаций;
-
измерения глубины заложения трубопровода;
-
контроль эффективности электрохимической защиты;
-
повторные внутритрубные диагностики с периодичностью, установленной нормативными документами.
Заключение
Подводные переходы трубопроводов представляют собой сложные инженерные сооружения, проектирование и строительство которых требуют применения самых современных технологий и строжайшего соблюдения нормативных требований. Основным методом их сооружения в настоящее время является наклонно-направленное бурение, обеспечивающее минимальное воздействие на водную среду и высокую надёжность.
Успешная реализация крупных проектов, таких как переходы через Обь и Тойму, демонстрирует высокий уровень отечественных строительных технологий и эффективность применяемых методов контроля качества. Повышенные требования к материалам (трубы с утолщённой стенкой, усиленная изоляция), многоступенчатый контроль сварных соединений, обязательная внутритрубная диагностика позволяют гарантировать безопасную эксплуатацию подводных переходов в течение всего проектного срока службы.
Для строительных и подрядных организаций участие в сооружении подводных переходов требует высокой квалификации персонала, наличия специализированной техники и неукоснительного соблюдения технологических регламентов. Опыт выполнения таких работ является показателем профессиональной зрелости компании и её способности реализовывать наиболее сложные проекты в нефтегазовой отрасли.