Детальное проектирование и сооружение трубопроводов

Основными задачами при проектировании магистрального газопровода являются выбор трассы и определение диаметра трубопровода, толщины стенок, прочности материала.

Выбор трассы. Проектирование трассы инженер начинает с нанесения на чертеж прямой линии между начальными и конечными точками, а затем рассматривает геологические, топографические, экологические, социальные и политические препятствия. Которые включают в себя водоемы, населенные пункты, труднопроходимые топографические объекты (например горы или ущелья), коммерческие или промышленные центры, важные экологические и культурные объекты. Как правило, выбранный маршрут, основанием для которого является ограничение суммарной протяженности, обосновывается технологичностью возведения и разрешениями на строительство.

Сооружение магистрального трубопровода очень часто зависит от денежных затрат на укладку метра трубы с учетом пересечений рек, ручьев, дорог и других нетипичных преград. Поэтому, после выбора нескольких предварительных маршрутов оценивается стоимость проекта при помощи составления смет для каждого типа требуемых сооружений и анализа длины и затрат на строительство. Например, прокладка трубопровода через пастбища или поля, на склонах, через реки или горные преграды, а также строительство в густонаселенных пригородных или городских районах значительно увеличивают первоначальную стоимость прокладки. Классификация и определение степени сложности строительства, рассчитанные с помощью смет, позволяют проектировщику сравнить различные пути с помощью анализа их основной себестоимости и выбрать наиболее эффективный маршрут для дальнейшего рассмотрения.

Основываясь на нескольких предварительно принятых маршрутах, инженер совместно со специалистами земельных комитетов, определяет и классифицирует участки вдоль трубопроводной трассы как:

- Сельскохозяйственные неразрабатываемые ( аграрные, пастбищные, засеянные и т.д)

- Жилые развитые

- Жилые неразвитые

- Промышленные

- Парки или рекреационные зоны

- Водоемы и водохранилища

- Леса

Совместными усилиями проектировщик и специалист земельного комитета разрабатывают проект, который включает в себя все эти классы земельных участков, сложность и стоимость приобретения право пользования землю, отношение общественности, технологичность и другие рассматриваемые факторы.

Характеристики, имеющие наибольшее значение при выборе трассы трубопровода:

- Нахождение инженерных коридоров

- Определение дороги, вдоль которой будет прокладываться трубопровод

- Возможности для перевозки рабочих и строительных материалов для сооружения трубопровода и обслуживающего персонала для последующей эксплуатации

- Уровень прокладки трубопровода

Характеристики, которые необходимо исключать или смягчать:

- Главные автострады

- Частная собственность

- Парки и неогороженные площадки

- Геологические разломы

- Территории, подверженные наводнениям

- Другие нестабильные геологические районы

- Сильно пересеченные местности и склоны

- Высоко чувствительные в экологическом отношении районы

С учетом всех перечисленных факторов, окончательный маршрут определяется на основании экономического расчета, оценки возможности строительства, анализа окружающей среды и разрешений на возведение сооружения.

Разрешение на строительство.

Разрешение выдается государственным органом о предоставлении возможности пересечения или какого-либо другого влияния на ресурсы или инфраструктуру, находящиеся в ведении органов управления на уровне страны, штата, или локальном уровне. Выдача разрешений на ограничение технического коридора, обеспечение путей объезда, бессрочное право пользования земельным участком, обеспечение права частного доступа требуемые при строительстве трубопровода, как правило, осуществляется отдельно (но они тесно связаны).

Во многих случаях не существует единой схемы получения разрешения. Каждая страна, штат, местное правительство имеют один или несколько этапов получения разрешения. Крупные проекты обычно требуют широкого изучения их экологического, культурного, социального и политического влияния. Например, в Соединенных Штатах, при пересечении федеральных или иных земель требуется федеральное разрешение (такое как разрешение федеральной комиссии по регулированию в области энергетики (FERC)), обширная экологическая экспертиза, предусмотренная законом Об охране окружающей среды 1970г. Рассмотрение процесса может требовать одного или двух этапов экологического анализа: последствия воздействия на окружающую среду или непосредственно самого экологический анализ. В других странах процессы являются схожими. Страны, не имеющие своих собственных схем могут следовать рекомендациям Мирового банка и использовать указания Банка.

Еще одним часто используемым разрешением при строительстве и введении в эксплуатацию трубопроводов в Соединенных Штатах является разрешение, установленное законом О чистоте воды, раздел 404, находящимся в ведении инженерного корпуса сухопутных войск США. Это разрешение требуется каждый раз при пересечении водоемов на территории США, и включает большинство водных объектов, рек, ручьев, включая перемежающиеся участки. Более того, если восприимчивая живая природа или водная среда подвержены влиянию, Служба охраны живой природы США может оказать существенное влияния на будущий проект.

Также требуются разрешения при пересечении археологических памятники, находящихся в ведении государственного археологического управления, государственные разрешения на пересечение рек и ручьев (отдел Оценки качества окружающей среды), разрешения при пересечении железнодорожных путей и других сооружений коммунально-бытового пользования, разрешения на пересечение автострад и дорог, местных сооружений и разрешения на доступ. Трубопровод является большим по протяженности инженерным сооружением, протяженность которого составляет сотни километров, и получение совместно действующих разрешений обычно является сложным и запутанным процессом.

Определение величины трубы. Выбор оптимального диаметра и толщины стенки трубопровода начинается с определения скорости движения и свойств флюида. Поступление продукта в трубопровод, извлечение из него и многие другие факторы, определяющие качество и характеристики флюида, рассматриваются как инженерно-проектные. Для этого используются компьютерные программы для гидравлического расчета, моделирования работы трубопровода для определения необходимого размера трубы в соответствии с габаритными размерами компрессорных (насосных) станций и их местоположением.

Определение наиболее важной переменной при расчете размеров трубы, зависящей от потери на трение при движении флюида, выражается в виде экспоненциальной зависимости от диметра трубы. (Следует отметить, что значение скорости, возведенное в квадрат в формуле Дарси - Вейсбаха представляет собой экспоненциальное отношение.)

Выбор оптимального размера труб требует оценки:

- гидравлической характеристики трубопровода для определения суммарного требуемого давления

- максимально допустимого рабочего давления (МАОР) для обеспечения безопасных эксплуатационных условий

- габаритов насосной или компрессорной станции для определения требуемой мощности

- местоположения и числа станций для определения требуемой суммарной мощности

Эти операции полностью выполняются с помощью компьютерного моделирования, но концептуально (что предшествовало появлению компьютеров) система кривых сопротивления, изображенных на рисунке 26.7 совмещается с кривой, отражающей характеристику насоса, показанную на рисунке 26.31, для установления рабочей точки для данного трубопровода (рисунок 26.40). Система кривых сопротивления изменяется в зависимости от диаметра трубы и свойств флюида. Кривые компрессоров и насосов подбираются в соответствии с результирующим кривым сопротивления для определения оптимального рабочего диапазона, соответствующего конструктивным параметрам.

Рисунок 26.40. Система кривых сопротивления для трубопроводов от 16 до 20 дюймов, совмещенная с кривой центробежного насоса .Oil and Gas Pipeline Fundamentals Course, Courtesy Pipeline Knowledge & Development

Линия МАОР, показанная на рисунке 26.40 определяется по формуле кольцевого напряжения Барлоу:

МАОР = (2t*SMYS)SF/D

где t = толщина стенки

SMYS= установленный минимальный предел текучести основного металла трубы

D = наружный диаметр трубы

SF= коэффициент безопасности, определяемый по кодам или стандартам

На основании различных сочетаний размеров и свойств трубопровода, а так же необходимой мощности готовятся сметы расходов, отображающие компромиссное решение, выбранное из нескольких диаметров трубы; определяется толщина стенки и прочность стали, число насосных и компрессорных станций, требуемых для достижения необходимой скорости потока.

 

 

Таблица 26.2 Сравнение стоимости Размер трубы - Количество станций

12дюймов 16дюймов 20дюймов

Необходимое общее давление 6,000 psi 2,000 psi 700 psi

Требуемое число станций 5 2 1

Давление на станции (сбалансированная система) 1,200 psi 1,000 psi 700 psi

Капиталовложения в трубопровод $12,000,000 $16,000,000 $22,400,000 (материалы и сооружение)

Капиталовложения в станции $5,550,000 $2,100,000 $1,000,000 (материалы и сооружение)

Суммарные капиталовложения $17,550,000 $18,100,000 $23,400,000

Годовые эксплуатационные затраты

-Зарплаты, жалования, обслуживание станций, энергозатраты, техобслуживание, и т.д. , $686,000 $353,000 $244,000

Амортизация (годовая стоимость капиталовложений)

- Трубопровод @3% $360,000 $480,000 $672,000

- Станции@4% $220,000 $84,000 $40,000

- Налоги на имущество @1% $175,000 $181,000 $234,000

Суммарные годовые затраты (приведенная стоимость) $1,441,000 $1,098,000 $1,190,000

Годовая стоимость единицы мощности $0.079 $0.060 $0.065

(1psi = 7кПа)

Источник: адаптировано из « Гидравлика для трубопроводных инженеров», неопубликованное. Предоставлено компанией Vanderpool Pipeline Engineers.

Основная стоимость трубопровода сравнивается с эксплуатационными расходами и капитальной стоимостью станций. При увеличении размера трубопровода затраты на трубопроводный материал и сооружение могут значительно увеличиваться. Однако, по мере увеличения размера трубопровода потери на трение значительно уменьшаются, также изменяются требования для насосных и компрессорных станций.

Экономически целесообразный размер трубопровода, при котором затраты, как конструкционные, так и эксплуатационные сводятся к минимуму, выбирается в качестве решения для дальнейшего проектирования. Как показано в таблице 26.2, диаметр трубопровода имеет большое значение при расчете гидравлического сопротивления. Также он оказывает существенное влияние на расход мощности.