Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов

Поиск, разведка и добыча нефти и газа на шельфе Мирового океана приняли в настоящее время широкий размах. В 2003 г., например, морская добыча нефти достигла 34% от мирового уровня добычи этого вида сырья, газа — более 25% [55]. Перспективы развития нефтегазовой промышленности Российской Федерации также связываются с освоением морских месторождений. Успешное освоение морских нефтяных и газовых месторождений практически невозможно без использования многочисленных подводных трубопроводов. С увеличением объемов строительства морских подводных трубопроводов естественным образом возрастают требования к повышению их эксплуатационной надежности и безопасности.

Межгосударственной научно-технической программой «Высоконадежный трубопроводный транспорт» предусмотрен пересмотр норм и правил на проектирование и строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Основной задачей пересмотра является гармонизация российских норм со стандартами передовых зарубежных стран, в том числе в области обеспечения безопасности, методик расчетов на прочность и устойчивость морских трубопроводов. Нормы проектирования должны регламентировать ряд основных положений, комплексное выполнение которых обеспечивает функционирование трубопроводных систем без недопустимого риска для населения, персонала и окружающей среды. Среди основных норм проектирования, направленных на обеспечение безопасности трубопроводов, можно отметить следующие:

— прочность трубопроводов;

— устойчивость трубопроводов.

Особенностью расчетов морских подводных трубопроводов, в отличие от сухопутных, является необходимость учета не только внутреннего, но и наружного давления, а также обеспечение устойчивости положения в течение всего жизненного цикла объекта.

Значительный вклад в развитие трубопроводного, в частности, морского, транспорта внесли российские ученые и специалисты В. М. Агапкин, А. Б. Айнбиндер, Р. А. Алиев, П. П. Бородавкин, Р. Г. Галиуллин, А. Г. Гумеров, Р. С. Гумеров, М. А. Гусейнзаде, Н. М. Гусейнов, О. М. Иванцов, И. А. Искендеров, И. П. Кулиев, Д. Д. Лаппо, С. И. Левин, М. Н. Мансуров, С. А. Оруджев, Р. А. Рустамов, А. М. Синюков, П. И. Тугунов, В. В. Харионовский, В. П. Черний, В. А. Юфин, Э. М. Ясин и другие.

При анализе устойчивости трубопровода на морском дне важно учитывать возможности потери устойчивости при вертикальном выпучивании, так как это явление может приводить не только к разрушению трубопровода, но и к затруднению условий мореплавания. В частности, известен случай оверкиля рыболовецкого судна со смертельным исходом в результате зацепления тралом за выпученный над донным грунтом участок трубопровода.

Рассматривая проблемы конструктивной прочности трубопроводов, нельзя исключать возможность образования утечек, а в силу трудности доступа к морским подводным трубопроводам и высокой стоимости проведения ремонтных работ, необходимо своевременное их обнаружение и локализация. В связи с этим важное значение имеют исследования, направленные на создание способов и устройств обнаружения возможных утечек из трубопроводов.

Вышесказанное предопределяет актуальность темы диссертации.

Целью работы является совершенствование методов проектирования путем оценки устойчивости морских трубопроводов и оперативного дистанционного обнаружения мест возможных утечек, повышающих их эксплуатационную надежность.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи: -Исследование и анализ методов проектирования морского подводного трубопровода, основанных на определении напряженно-деформированного состояния при условиях его строительства и эксплуатации.

— Разработка программного комплекса оценки условий потери устойчивости морского подводного трубопровода в вертикальной плоскости, позволяющий оценить требуемую глубину его заложения в морское дно.

— Разработка метода оперативного дистанционного обнаружения мест возможных утечек, основанного на анализе переходных гидродинамических процессов, возникающих в морском трубопроводе.

Научная новизна определяется следующими защищаемыми положениями:

1. Совершенствование методов оценки устойчивости морских трубопроводов для исключения процессов вертикального выпучивания, разработка рекомендаций по их применению при реальном проектировании и дополнению существующей нормативной базы проектирования морских трубопроводов.

2. Теоретическое обоснование метода оперативного дистанционного обнаружения утечек, позволяющего повысить эксплуатационную надежность и экологическую безопасность морских трубопроводов на континентальном шельфе.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработанный программный комплекс оценки условий потери устойчивости в вертикальной плоскости морских подводных трубопроводов и рекомендации по совершенствованию нормативной базы проектирования, обосновывающих принятие на их основе технических решений, позволяет обеспечить конструктивную надежность морских подводных трубопроводов, особенно прокладываемых в слабонесущих грунтах и сейсмоопасных районах, в течение всего жизненного цикла.

Независимо от других применяемых методов технической диагностики дефектов, предложенный метод обнаружения утечек в морском трубопроводе, основанный на анализе переходных гидродинамических процессов, позволяет оперативно принимать адекватные решения по их ликвидации и может эффективно использоваться в линейно-производственных управлениях по эксплуатации трубопроводов.

Результаты работы использованы при: -разработке Обоснования инвестиций в освоение Штокмановского ГКМ- -составлении проекта разработки Северо-Каменномысского газового месторожденияаудите проекта морских участков газопровода Барбакоа — Маргарита в Боливарианской Республике Венесуэла.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на: -1-ой Международной конференции «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток (ROOGD-2006)» (Москва, 2006);

— 4-ой Международной конференции «Освоение шельфа: бизнес-аспекты разработки нефтегазовых месторождений России и Каспийского региона» (Москва, 2007);

— научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливноэнергетического комплекса» (Уфа, 2007) — -международной конференции «Безопасность морских объектов.

SOF-2007)" (Москва, 2007) — -заседаниях секции Ученого Совета ООО «ВНИИГАЗ».

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 6 научных работ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка литературы, приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц машинописного текста и содержит 30 рисунков, 8 таблиц, 3 приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Обеспечение прочности и надежности морских подводных трубопроводов являются основой их безопасности. Применяемая в настоящее время в России нормативная база расчетов на устойчивость сухопутных трубопроводов обеспечивает достаточно надежные результаты для участков трубопроводов, проложенных в минеральных грунтах. Однако для трубопроводов, прокладываемых на морском дне, требуется совершенствование существующих методов. Поэтому в диссертации исследованы механизмы потери устойчивости в вертикальной плоскости морских подводных трубопроводов.

2. По результатам проведенных исследований получены необходимые соотношения для оценки устойчивости и определения проектных параметров, исключающих процессы вертикального выпучивания морских подводных трубопроводов.

3. Полученные автором соотношения с помощью стандартных операторов и пакетов среды Mathematica последней версии доведены до программного комплекса оценки условий потери устойчивости в вертикальной плоскости трубопровода, позволяющего оценить требуемую глубину его заложения для предотвращения этого явления на морском подводном трубопроводе.

4. Доказано, что предложенный автором метод оценки устойчивости и требуемой глубины заложения морского трубопровода применим при реальном проектировании и может быть положен в основу разработки соответствующей нормативной документации.

5. Безопасность эксплуатации морских подводных трубопроводов, в первую очередь, обеспечивается оперативной системой контроля параметров работы и возникновения аварийных ситуаций. Поэтому для обнаружения утечек и определения места повреждения трубопроводов обосновывается метод, заключающийся в интерпретации образующихся при появлении утечки волн разрежения.

6. Доказано, что образование отверстия сопровождается генерацией внутри трубопровода волн разрежения. Установлены критерии, определяющие типы образующихся волн разрежения. Выполнена оценка условий, при которых развитие появившегося в морском трубопроводе отверстия обусловлено гидродинамическими силами. Получены аналитические выражения, описывающие переходные процессы в трубопроводе после образования утечки.

7. Проанализированы переходные процессы в морском трубопроводе, исследовано влияние длины трубопровода, свойств среды и времени выхода скорости утечки на квазистационарном уровне.

8. На основе полученных решений разработан аналитический метод оперативной дистанционной оценки мест образования утечки в морском трубопроводе, обеспечивающий их эксплуатационную надежность на континентальном шельфе.