Как строят подводные газопроводы
Глубина моря может достигать нескольких километров. Проложить трубы по дну — сложная задача. Но по дну Северного моря идут 6000 км трубопроводов, некоторые из которых там уже 40 лет.
Размеры самого большого в мире судна — Solitaire — 300 метров в длину и около 40 метров в ширину. Именно это судно задействовано в строительстве газопровода Nord Stream.
Поиск препятствий
На долю морских газопроводов сегодня приходится 45% импорта природного газа в Европу. До начала укладки газопровода проводится тщательное исследование дна моря на протяжении всей трассы. Специалистам необходимо обнаружить все потенциальные препятствия — это и затонувшие корабли, и боеприпасы, и просто большие валуны. При необходимости препятствия либо устраняют, либо проектируют трассу в обход. На этом этапе специалисты также выявляют места, где будет необходимо производить заглубление трубопровода в грунт или его засыпку.
Все трубы для будущего газопровода проходят специальную обработку. Изнутри они обрабатываются антифрикционным покрытием, которое снижает сопротивление при транспортировке газа. Сверху трубы обрабатываются антикоррозионным, а затем утяжеляющим бетонным покрытием.
Плавучие дома
Непосредственно укладка труб на дно моря ведется со специальных трубоукладочных судов. Суда-трубоукладчики — это огромные плавучие дома, на которых могут одновременно находиться несколько сотен человек.
В процессе трубоукладки, как правило, принимают участие сразу несколько кораблей — специальные баржи производят бесперерывную доставку труб на трубоукладчик, а перед ним в процессе укладки идет судно, которое ведет мониторинг морского дна. Доставленные трубы выгружаются на складские площадки, расположенные непосредственно на палубе трубоукладчика — на них должен находиться запас труб на 12 часов работы.
Как укладывают трубы
На трубоукладочном судне установлен специальный конвейер — на него поступают трубы, которые здесь же свариваются. Затем каждый сварной шов проходит ультразвуковую проверку на наличие дефектов. После сварки все швы покрываются антикоррозионным покрытием. Сваренные между собой трубы продвигаются по конвейеру в направлении кормы. Здесь расположен стингер — специальная стрела, под углом уходящая в воду, по которой трубы постепенно опускаются на морское дно. Именно он задает требуемый прогиб верхней части трубопровода, что позволяет не допускать деформации металла.
На дне моря трубы, как правило, лежат под собственным весом — их не требуется специально закреплять, потому что вес каждой трубы после нанесения бетонного покрытия достигает нескольких тонн. Лишь в некоторых местах, например у выходов на берег, для обеспечения стабильности трубы укладывают в специальные траншеи и сверху присыпают грунтом.
Из моря — на берег
Процесс укладки морского газопровода, как правило, начинается не с берега, как можно было бы подумать, а в море. Газопровод может состоять из нескольких участков, построенных в разное время с разных судов и потом соединенных между собой — ведь на разных участках газопровод должен выдерживать разное давление, а для этого используются трубы с разной толщиной стенок.
После завершения строительства морской части трубы протаскивают на берег при помощи специальной лебедки, установленной на суше, которая соединяется с трубой железными тросами и медленно вытягивает ее из моря. Затем трубопровод соединяют с его сухопутной частью — делают «захлест».
Обязательным этапом является проведение гидроиспытаний газопровода. Для этого его наполняют водой под требуемым давлением и выдерживают так некоторое время для обнаружения возможных дефектов. Тщательный мониторинг состояния газопровода ведут и после его запуска в эксплуатацию. Для этого применяют специальные электронные устройства внутритрубной диагностики.
В одной и той же емкости сжиженного природного газа уместится в 600 раз больше, чем обычного. В России уже успели построить первый завод СПГ и праздновали его открытие в 2009 году.
Природный газ отлично вступает в химическую реакцию горения. Поэтому чаще всего из него получают энергию — электрическую и тепловую. Но на основе газа можно сделать еще удобрение, топливо, краску и многое другое.
Северный поток под водой: как это работает
Трубопровод проложенный по морскому дну, безусловно одно из тех сооружений, которые вызывают восхищение наравне с мостами, тоннелями ну или мегавысокими небоскребами.
Уложить тысячу километров труб на дно моря с далеко не самым ровным рельефом, сделать так, чтобы они выдержали давление толщи воды, закрепить трубы, чтобы они не смещались, а еще не забудьте про коррозию и солёную морскую воду, которая будет оказывать своё пагубное влияние на металл круглосуточно, семь дней в неделю – как вам такая задачка? Сегодня поговорим о технологиях, которые были использованы при создании «Северного потока».
Как защитить сталь
Трубопровод из двух нитей состоит из 200 000 частей, длина каждой трубы 12 метров. Трубы сделаны из углеродистой стали по стандарту DNV-OS-F101. Каждая из этих труб будет десятилетия находиться в высокоагрессивной среде – морской воде. Очевидно, что металлу нужна дополнительная защита. Какая?
Первый слой защиты – многослойное эпоксидное и полиэтиленовое покрытие. Внутри, кстати так же есть дополнительное покрытие, только оно уже защищает не от коррозии, а смягчает трение, что в свою очередь увеличивает объем газа проходящего через трубопровод – это делается с помощью специальной эпоксидной краски.
Следующий этап – электрохимическая защита. К трубам прикрепляют электроды связанные анодным кабелем, кабель находится под напряжением постоянного тока. Такая специфичная конструкция защиты помогает переносить процесс коррозии с внешней части трубы на аноды. И последний, безусловно самый главный этап защиты – обетонирование. Внешняя поверхность трубы покрывается слоем армированного бетона толщиной 110 мм. Это, кстати, так же даёт трубе дополнительный вес, что важно, для её стабильного положения на дне. Вес такой трубы после наложения всех видов защиты около 24 тонн. Не плохо, да?
Недружелюбное дно
Было бы странно ожидать от дна Балтийского моря идеально ровной поверхности, которая подойдет для укладки многотонного газопровода. Но всё же у Балтийского моря есть один большой плюс – оно мелкое. Это позволило исправить донный рельеф в необходимых местах: так, где требовалось выровнять рельеф – использовали подушку из камней и гравия. Судно заполняло ямы на дне сбрасывая грунт в нужном месте, в некоторых местах вместо грунта использовались большие бетонные плиты, их опускали на дно и они выполняли роль подводного моста. Второй способ, который был задействован – рытье траншей.
И третий способ использовался в случаях, когда на дне обнаруживались мягкие породы, которые продавливались под тяжестью насыпи или бетонных плит. В таком случае ставили легкие металлические или пластиковые опоры на которые опускали трубу.
Укладка труб
Подошли к самому интересному: укладка труб на дно. Очевидно, что приваривать каждую двенадцатиметровую секцию на дне так себе решение. Поэтому этот процесс происходит на трубоукладочном судне, там же заканчивают защитный слой в месте стыка, который на заводе оставили «чистым» от антикоррозионной защиты, оставить место под сварку. После сварки на судне этот участок трубы изолируется специальной термоусадочной пленкой, поверх него крепится металлический каркас, пазуху между каркасом и полиэтиленом заполняют пеной, которая придаёт месту сварки необходимую прочность. Всё, можно опускать на дно.
Укладка подводного трубопровода происходит S-образным методом. Трубы опускают на дно из кормы трубоукладчика, достигая дна они горизонтально выравниваются, если смотреть в масштабе и из далека, изгиб в процессе укладки труб будет напоминать латинскую букву S. Да, многотонные стальные трубы, с покрытием из бетона и весом в 24 тонны могут гнуться и принимать вид латинской S и при этом не разрушаться.
Если процесс укладки трубопровода необходимо прекратить (например из-за надвигающего шторма) – на конец трубы крепится заглушка, трубу опускают на дно, а после, когда работы можно будет продолжить трубоукладчик накинет на заглушку специальный трос и поднимет её обратно к себе на борт.
Подводная сварка
И всё же, без неё обойтись не получилось. Подводную сварку использовали в местах где было различие между используемыми трубами. Откуда оно взялось? Пока газ идёт от российской стороны к немецкой, давление с каждым пройденным метром становится меньше, это позволило сэкономить на металле и использовать более тонкие трубы в центральной и немецкой части трубопровода. А вот соединить эти места на борту судна было не возможно. Секции соединяли на дне, в специальной сварочной камере полностью изолированной от воды. Сварка проводилась без участия человека, но вот настройка всего оборудования без водолазов была бы не возможной, и для них был установлен специальная водолазная камера для прохождения декомпрессии. Работы велись на глубине 80-100 метров.
«Северный поток» – хороший пример того, как технологии способны изменить наш мир и сделать вещи, которые еще не давно казались не возможными – обычным и рутинным процессом.
Подводные трубопроводы: как это работает.
Как это возможно — уложить сотни километров стальных труб на огромную глубину, на дно со сложным рельефом? Как добиться, чтобы вся эта конструкция выдерживала огромное давление, не смещалась, не была уничтожена коррозией, выдерживала удары корабельных якорей и рыболовного снаряжения и, наконец, просто работала как надо? Самым свежим примером сооружения подводного мегатрубопровода стал знаменитый «Северный поток», пролегший по балтийскому дну и соединивший российскую и немецкую газотранспортные системы. Две нитки труб, каждая длиной более 1200 км — почти 2,5 млн тонн стали, поглощенных морем по воле человека. Именно на примере «Северного потока» мы попытаемся вкратце рассказать о технологиях создания подводных трубопроводов.
Две нитки газопровода состоят из 199 755 двенадцатиметровых труб, сделанных из высокосортной углеродистой стали. Но коль скоро речь идет о соприкосновении с такой химически агрессивной средой, как морская вода, металлу нужна защита. Для начала на внешнюю поверхность трубы наносят трехслойное покрытие из эпоксидного состава и полиэтилена — это делается прямо на заводе-производителе.
Можно ли укладывать такую трубу на морское дно? Нет, ее требуется дополнительно защищать и усиливать против давления воды и электрохимических процессов. На трубы устанавливают так называемую катодную защиту (наложение отрицательного потенциала на защищаемую поверхность). С определенным шагом к трубам приваривают электроды, соединенные между собой анодным кабелем, который связан с источником постоянного тока. Но главное, что еще предстоит сделать с трубой, прежде чем она будет готова опуститься на дно, — это обетонирование. На специальных заводах внешнюю поверхность трубы покрывают слоем бетона толщиной 60−110 мм. После обетонирования труба приобретает вес около 24 т. У нее появляется серьезная защита против механических воздействий, а дополнительная масса позволяет ей стабильно лежать на дне.
Но надо помнить, что дно даже такого сравнительно неглубокого моря, как Балтийское, не предоставит само по себе удобного и безопасного ложа для газопровода. Есть два фактора, которые неизбежно приходилось учитывать проектировщикам и строителям «Северного потока»: антропогенный и природный.
История судоходства в североевропейском регионе насчитывает тысячелетия, и потому на дне моря скопилось немало всевозможного мусора, а также обломков затонувших кораблей. XX век внес свой страшный вклад: на Балтике в ходе мировых войн велись активные боевые действия, устанавливались сотни тысяч морских мин, а по окончании войн в море же утилизировались боеприпасы, в том числе и химические. Для мониторинга боеприпасов применялись корабли, оснащенные эхолокационным оборудованием, а также специальным донным роботом (ROV), связанным кабелем с базовой донной станцией TMS.
Другой фактор, природный, связан c особенностями рельефа дна. Дно моря сложено из различных пород, оно имеет выступающие гребни, впадины, расселины, и опускать трубы прямо на все это геологическое разнообразие не всегда возможно. Если допустить большое провисание нитки газопровода между двумя естественными опорами, конструкция может со временем разрушиться со всеми вытекающими из этого неприятностями. Поэтому донный рельеф для прокладки необходимо искусственным образом исправлять.
Теперь, пожалуй, самое интересное: как трубы оказываются на дне? Разумеется, сложно себе представить, что каждая отдельная 12-метровая труба приваривается к нитке газопровода прямо в море на глубине. Значит, эту процедуру необходимо проделывать до укладки. Что, собственно, и происходит на борту трубоукладочного судна. Тут необходимо ненадолго вернуться к конструкции самой трубы и заметить, что после нанесения на нее антикоррозионной защиты и утяжеляющего бетонирования оконцовки труб остаются открытыми и незащищенными, — иначе сварка была бы затруднена. Поэтому участки соединений защищаются от коррозии уже после сварки.
Далее происходит укладка S-образным способом. Сваренная из труб плеть приобретает в процессе укладки форму, напоминающую латинскую букву S. Плеть под небольшим углом выходит из кормы корабля, достаточно резко опускается вниз и достигает дна, где принимает горизонтальное положение. Труднее всего представить себе, что нить из стальных, покрытых бетоном 24-тонных труб способна к таким резким изгибам без разрушения, однако все происходит именно так.
Прежде чем использовать газопровод для перекачки топлива, его испытывали… водой. Внутрь секций с помощью поршневого модуля была закачана предварительно отфильтрованная от взвесей и даже бактерий морская вода. Жидкость, нагнетавшаяся со специального судна, создавала внутри плети давление, превышающее рабочее, и такой режим поддерживался в течение суток. Затем вода откачивалась, и секция газопровода осушалась. Еще до того, как в трубопроводе появился природный газ, его трубы заполнялись азотом.
Прокладка газопровода по морскому дну — лишь часть проекта «Северный поток». Немало усилий и затрат потребовалось для оборудования береговой инфраструктуры. Отдельная история — это вытягивание нитки газопровода на берег с помощью мощной лебедки или создание механизма компенсации сезонного сжатия-расширения 1200-километровой нитки.
Строительство «Северного потока» вызвало немало дискуссий на разные околополитические темы — от экологии до чрезмерной роли сырьевого экспорта в экономике России. Но если абстрагироваться от политики, нельзя не заметить: трансбалтийский газопровод — отличный пример того, как продвинутые технологии и международная кооперация способны творить современные чудеса во вполне рабочем рутинном режиме.
Статья «Подводные нити» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2013).