Методы и оборудование для заглубления подводных трубопроводов

Трубопроводы, прокладываемые по морскому дну без заглубления, в большей степени подвержены воздействиям подводных течений и коррозии, чем заглубленные в грунт.

Глава 16. Монтаж морских трубопроводов 447

В настоящее время используют два основных метода заглубления под­водных трубопроводов в грунт. Первый аналогичен наземному: морской трубопровод укладывают в заранее разработанную траншею, которую затем засыпают. Недостаток этого метода заключается в том, что зем­снаряды не могут быть применены при работе на глубинах более 20 м.

При втором способе трубопровод укладывают непосредственно на дно, а специально оборудованное судно следует вдоль этой трассы, раз­мывая и отсасывая из-под него грунт при помощи мощных струйных насосов с давлением около 100 кг/см². Основной недостаток этого спо­соба заключается в необходимости использования судов со сложным автоматизированным оборудованием, стоимость сооружения и экс­плуатации которых высока из-за узкой области их применения.

В последнее время широкое применение получил взрывной метод, который позволяет образовывать траншеи протяженностью 1000—2000 м и глубиной около 2 м. Этот метод применяют самостоятельно и в со­четании с первым при разработке скальных и труднодоступных участ­ков трассы. Окончательная доводка траншеи осуществляется грей­ферным земснарядом. Засыпка траншеи в этих случаях производит­ся при помощи специального устройства, буксируемого по дну, грунтом, извлеченным на первом этапе работ.

Технология заглубления подводных трубопроводов, предварительно проложенных по дну водоема, включает в себя следующие операции:

• спуск рабочего органа или всего трубозаглубительного агрегата
на трубопровод;

• предварительную установку агрегата на трубопроводе;

• пуск механизмов для разработки грунта и заглубления агрегата
с его установкой в рабочее положение;

• пуск ходовых и грунторазрабатывающих механизмов агрегата и
заглубление трубопровода;

• повторные (при необходимости) проходы агрегата с реверсиро­
ванием направления его движения для заглубления трубопро­
вода на требуемую величину;

• демонтаж трубозаглубителя с трубопровода и его подъем на ба­
зовое судно.

Одним из основных параметров, определяющих универсальность трубозаглубителя, возможную глубину работы и сложность его конст­рукции, является степень его автономности при работе. По этому па­раметру трубозаглубители можно подразделить на следующие классы: 1. Грунтозаборные устройства, конструктивно связанные с судном-носителем жесткой рамой, по которой производится подача ра­бочей жидкости или транспортировка разработанного грунта.

448

Часть III. Сооружение морских трубопроводов

2. Грунтозаборные устройства, конструктивно не связанные с суд­
ном-носителем; спуск их на трубопровод производится с борта
судна-носителя.

3. Автономные земснаряды с погружным гидро- или электропри­
водом рабочих устройств и движителей.

Трубозаглубители подразделяются по следующим принципам дей­ствия: разработка грунта под трубопроводом и его транспорт к надвод­ному судну для дальнейшей доставки к месту отвала; разработка и отвал грунта непосредственно за бровку траншеи; изменение физико-механических характеристик грунта путем его псевдоразжижения подачей большого количества воды в грунтовой массив или ликвида­ции структурных связей между частицами грунта за счет приложе­ния к нему вибрационных нагрузок.

В последнем случае грунт проявляет тиксотропные свойства, обес­печивающие погружение трубопровода до более плотного слоя грун­та или до момента прекращения воздействия на грунтовой массив. По способу воздействия на грунтовой массив при его разработке трубо­заглубители делятся на агрегаты с механическими, гидравлическими и гидропневматическими рыхлителями. Грунт из траншеи удаляется путем гидромониторного размыва; размывом грунта гидропневмати­ческой струей; всасыванием разрыхленного грунта гидро эжектором, пневмоэжектором или землесосами.

Земснаряды. Земснаряд фирмы «Sub Sea oil Services» —S.S.O.S. (Ита­лия), также называемый S-23, общей длиной 17 м может работать на глубине до 60 м..Для транспортировки земснаряд может быть разобран на отдельные блоки, наибольший из которых весит 35 т (рис. 16.7.1).

Земснаряд S-23 оборудован средствами плавучести, благодаря ко­торым его можно буксировать на место производства работ и погру­жать на дно путем заполнения водой балластных резервуаров. Отри­цательную плавучесть земснаряда, который на воздухе весит 61 т, можно регулировать в пределах от 0 до 50 т.

Земснаряд S-23 объединяет свойства бульдозера и водолазного колокола. На понтоне, имеющем затопляемые продольные отсеки, смонтирована сферическая водолазная камера, из которой водолаз осуществляет контроль и управление производством подводно-техни­ческих работ. Внутри камеры поддерживают нормальное атмосфер­ное давление. Механическую работу под водой и разработку траншеи вдоль трассы осуществляют фрезерным рыхлителем, который при помощи кронштейна закреплен на переднем конце понтона. Рыхли­тель может перемещаться в вертикальном или горизонтальном на­правлении, обеспечивая глубину прорези от 0 до 2,4 м и ширину от 1,8

Глава 16. Монтаж морских трубопроводов 449

до 4,5 м. Фрезерный рыхлитель спроектирован для образования проре­зи с наклонными стенками в дне из мягкого грунта. Рабочая скорость движения снаряда составляет 128 м/ч, производительность по грунту в зависимости от его вида — до 250 м³/ч. Снаряд S-23 перемещают по дну при помощи двух лебедок и тяговых тросов, прикрепленных к якорям или сваям. Данный способ перемещения можно использовать при любом рельефе дна.

Рис. 16.7.1. Земснаряд S-23

Снаряд S-23 обслуживает надводное судно, оснащенное генерато­ром. Силовой кабель, магистраль воздухоснабжения и коммуникаци­онный кабель, соединяющие S-23 с судном, скреплены вместе.

Для заглубления трубопроводов, предварительно проложенных по дну, итальянская компания «Sub Sea Oil Services» разработала подвод­ный земснаряд В-70. В отличие от S-23 для его установки не требуется обслуживающий персонал. Машину собирают на трубопроводе, ле­жащем на дне моря. При помощи затопляемых отсеков салазки ма­шины устанавливают над трубопроводом таким образом, чтобы обес­печить возможность разработки под ним грунта посредством 4 фре­зерных рыхлителей, расположенных под трубопроводом по обе стороны от его продольной оси. Разрабатываемый грунт удаляют по дополни-тельному трубопроводу с помощью сжатого воздуха. Разработке грунта способствуют водяные сопла, установленные вокруг рыхлителей. Компрессор расположен на борту вспомогательного судна, которое служит также для перемещения снаряда В-70 при помощи тягового троса и лебедки с гидравлическим приводом. Скорость перемещения над трубопроводом может достигать 30 м/ч.

Компанией «American Marine and Mashinery» (США) разработан земснаряд с поднимаемой домкратами рабочей платформой, предна-

450

Часть III. Сооружение морских трубопроводов

значенный для работы в зоне прибоя. Земснаряд снабжен опорами высотой 9 м и может работать на глубинах до 6 м. Нижний корпус уста­новлен на восьми тракторных колесах, обеспечивающих перемеще­ние земснаряда вдоль разрабатываемого котлована без опускания платформы на домкратах. Дизельный двигатель мощностью 500 л. с. приводит в движение установленный на палубе насос с трубопровода­ми диаметром 25 см.

Траншеекопатели. В ФРГ разработан подводный траншеекопатель, предназначенный для работы на глубинах до 4800 м. Траншеекопа­тель смонтирован на гусеничном ходу и связан шлангом с промежу­точной подводной станцией, расположенной на глубине 48,0 м. Вы­нимаемый из траншеи грунт поступает в промежуточную станцию, а оттуда его перекачивают на вспомогательное надводное судно.

На ходовой части траншеекопателя установлена кабина управле­ния контрольными приборами, системой освещения и телекамерой. К кабине присоединена стрела длиной 15 мс укрепленной на ней зем­лесосной или режущей головкой. Поворачивая кабину, можно подго­товить траншею шириной до 20 м. Подъем и опускание стрелы с зем­лесосной головкой осуществляют гидравлическим приводом.

Внутри промежуточной станции, выполненной в виде вертикаль­ной капсулы длиной 25 м, поддерживают атмосферное давление. Кап­сулу располагают таким образом, чтобы пульпа поступала только за счет перепада гидростатического напора. В промежуточной станции происходит разделение грунта и воды, которые затем подают на над­водное судно.

В основании капсулы расположена балластная цистерна, при по­мощи которой капсулу можно поднимать и опускать на любую задан­ную глубину. С траншеекопателем капсула соединена силовыми ка­белями и проводами системы управления. С надводным судном кап­сула связана трубопроводом для подачи разработанного грунта на поверхность и трубопроводами большого диаметра, обеспечивающи­ми доступ в капсулу обслуживающего персонала, а также подачу не­обходимых материалов. По этим же трубопроводам проходят сило­вые кабели и коммуникации.

Платформы. Голландской фирмой «I. H.C.Holland» создан проект шагающей платформы, предназначенной для дноуглубительных ра­бот в условиях, когда плавучий земснаряд не способен их выполнить из-за сильных волн и течений.

L-образный понтон имеет три опоры. Подъемная рама разрыхли­теля прикреплена так, что может поворачиваться между двумя сторо­нами понтона. Поворот рамы производится с помощью лебедок или

Глава 16. Монтаж морских трубопроводов

451

стальных канатов, а ее подъем и спуск — с помощью гидравлических цилиндров (рис. 16.7.2). Грунтовой насос установлен внутри рамы раз­рыхлителя. Понтон имеет машинное отделение, рабочее место для ремонта разрыхлителя, бункер, склад и жилые помещения.

Рис.16.7.2. Общий вид шагающей платформы с механическим разрыхлителем

Платформа предназначена для разработки грунта на максимальной глубине 25 м; ширина прорези грунта при одном проходе равна 41 м.

Устройство разрыхлителя рассчитано на большие напряжения, что позволяет эффективно разрабатывать грунт, состоящий из уплотнен­ного песка, глины и скальных пород. В мягком грунте производитель­ность можно увеличить установкой большого разрыхлителя.

Платформа перемещается при помощи трех двойных роторных свай. Максимальная скорость ее передвижения около 8,80 м/ч. Наи­большая длина L-образного понтона 30 м. Рама разрыхлителя в под­нятом положении выступает на 22 м. Длина опоры 38 м. При глубине всасывания 25 м и проникании разрыхлителя на 2 м платформу мож­но поднять на 4 м выше уровня воды. Грунтовой насос и разрыхли­тель приводятся в действие электродвигателем мощностью 500 л.с.

Часть III. Сооружение морских трубопроводов

Буровзрывной метод. При разработке подводных траншей в скаль­ных породах морского дна часто применяют буровзрывной метод. Однако в сложных условиях приливных течений и волнений моря не всегда возможно проведение буровых работ со специальных судов. В таких случаях приходится находить новые решения и создавать спе­циальные технические средства.

По заказу компании ARAMCO фирма DRENCO (ФРГ) предложила способ разработки скальной породы на дне моря при помощи буро­взрывных работ и черпания.

С учетом неблагоприятных метеорологических условий в районе строительства была применена самоподнимающаяся платформа. Кор­пус платформы представляет собой сварную конструкцию, опираю­щуюся на 3 опоры решетчатого типа. На нижнем конце опоры смон­тирован резервуар диаметром 5,5 м и высотой 3,0 м. Буровые станки установлены на двух вращающихся консолях длиной 38 м, представ­ляющих собой спаренные балки коробчатого сечения. Опорой кон­солей служит стальная конструкция высотой 23 м с двумя поворот­ными мачтами. На этих мачтах установлено по два гидроцилиндра, обеспечивающих поворот консолей на 180°. Общий вес платформы, включая опоры, дополнительные устройства для буровых станков, консоли и надстройки, составляет около 770 т.

Буровой станок смонтирован на подвижной тележке с электрическим приводом. Тележка может перемещаться по всей длине консоли. Буро­вая колонна, состоящая из обсадной трубы, жестко соединенной с буро­вой тележкой и подвешенной внутри нее на тросе буровой штангой, про­ходит сквозь 1,5-метровую щель между коробчатыми балками. Буровая колонна имеет переменное сечение: в верхней части диаметр 550 мм, в средней — 380 мм. Нижняя часть длиной 3 м и диаметром 185 мм снаб­жена кольцевой буровой коронкой. Для дробления керна внутри обсад­ной трубы вращается тяжелая буровая штанга длиной б м и весом 1,8 т. Штанга, подвешенная на тросе, может передвигаться независимо от об­садной трубы. Трехступенчатая буровая коронка штанги в процессе бу­рения опережает обсадную трубу примерно на 20 см. Крутящий момент обсадной трубы передается на коронку штанги через три косых захвата.

После достижения заданной глубины бурения буровую штангу под­нимают и открывают загрузочный клапан в обсадной трубе. В осво­божденную полость обсадной трубы опускается взрывной заряд ве­сом 12,5 кг. После подъема обсадной трубы примерно на 4,5 м над уров­нем дна приводят в действие электрический запал.

После взрыва буровой станок переводится в следующую позицию поворотом консоли или передвижением буровой тележки. Время бу-

Глава 16. Монтаж морских трубопроводов

453

рения одного шпура в зависимости от глубины бурения и крепости породы составляет 10—15мин. С одной позиции можно пробурить до 440 шпуров, что соответствует 2400 м² взрываемой поверхности.

Черпание раздробленной скальной породы производили землечер­палкой, подготовленной для работы на большой глубине при значитель­ных нагрузках.

Подводный бульдозер. Японской компанией «Komatsu» разрабо­тан подводный бульдозер, который может успешно работать на глу­бинах до 60 м (рис. 16.7.3).

Рис. 16.7.3. Подводный бульдозер «Komatsu»

Бульдозероснащендвигателемс турбонадувоммодели «KomatsuS6D155». В отличие от двигателя стандартного исполнения были модифицирова­ны вентилятор и воздухопровод, а также установлен воздушный ком­прессор, обслуживающий систему управления.

Большая мощность и тяжелый вес машины в целом обеспечивают высокую производительность разработки выемок с перемещением большого количества грунта.

Для предотвращения уноса перемещаемого грунта водой подвод­ный бульдозер оснащен фартучным устройством для захвата и пере­мещения грунта. В корпусах силовой линии (гидротрансформатор, коробка передач, карданная передача и т. д.) предусмотрен регулиро­вочный механизм, с помощью которого автоматически создают внут-

454

Часть III. Сооружение морских трубопроводов

реннее давление, равное наружному давлению воды 0,3-0,45 кг/см² для защиты уплотнений и предупреждения попадания воды.

Плужные устройства. Применение плужных устройств является одним из наиболее распространенных способов заглубления морских трубопроводов. При этом обеспечивается высокая производитель­ность и минимальное воздействие на окружающую среду, так как раз­рабатываемый грунт располагается на бровках траншеи и не рассеи­вается в воде.

При укладке трубопровода с трубоукладочного судна плужное устрой­ство можно протаскивать непосредственно этим же судном.

Если у трубопровода бетонное покрытие отсутствует, то для исклю­чения повреждения изоляции трубопровод должен располагаться над плутом. Во избежание появления вертикальной составляющей тяго­вого усилия, действующего на плуг, увеличивают длину провисающего участка укладываемого трубопровода путем создания дополнительно­го натяжения или оснащения понтонами.

Прокладка трубопровода с заглублением в грунт может осуществ­ляться также способом протаскивания трубопровода по дну моря, вблизи дна или в виде упругоискривленной змейки. При этом плуг устанавливают перед оголовком протаскиваемой плети трубопрово­да. Может быть также использована прокладка трубопровода путем протаскивания длиномерной плети с одновременным заглублением в дно.