Способ, система и устройство для буксировки подводных трубопроводов

010342 Данное изобретение относится к способу, системе и устройству, предназначенным для буксировки подводных трубопроводов. В нефтяной промышленности известно использование способов и соответствующего устройства для составления секций подводных трубопроводов посредством буксировки сборных "ниток" трубопровода от места производства до конечного места назначения. Среди этих возможных различных способов так называемый способ внедонной буксировки считается наиболее широко используемым, при котором буксировку трубопровода выполняют путем его перемещения несколько выше морского дна. Например,в патенте США 4011729 приведено описание специальных поплавков, расположенных вдоль трубопровода, которые обеспечивают небольшую положительную плавучесть, при этом в соответствии с поплавками расположены звенья цепи. Цепь позволяет компенсировать плавучесть по длине подвешенной секции и, таким образом, труба занимает нейтральное положение. Благодаря длине цепи и, соответственно, плавучести поплавков, неопределенности, связанные с весом трубы в воде, могут быть компенсированы. Вследствие того что труба не волочится по морскому дну, отсутствует сопротивление ее продвижению, за исключением сопротивления, обусловленного только участком цепи, находящимся на морском дне (длины, которая не может быть заранее точно определена). Несмотря на то что этот способ находит применение, он имеет различные недостатки, один из которых заключается в том, что при наличии поперечных течений данная труба может быть смещена от курса вследствие ограниченного сопротивления в поперечном направлении, оказываемого цепями. Этой проблемы касались, например, патенты США 4107933 и 4138853, в которых предлагалось использовать различные схемы расположения цепей и/или смещения механическими средствами для увеличения жесткости в поперечном направлении. Однако в других случаях именно наличие цепей является недопустимым (избыточная неопределенность в отношении фактического веса трубопровода, избыточное трение цепей о морское дно, чрезвычайно длинные нитки трубопровода приводят к тому, что участки волочащихся цепей создают борозды на морском дне). Альтернативный способ заключается в удержании трубы в полупогруженном состоянии, т.е. непосредственно находящейся на морском дне, но с облегченным весом. В этом случае могут быть использованы поплавки с регулируемой плавучестью; например, в патенте США 421529 приведено описание поплавка, выполненного с возможностью надувания и способного поддерживать постоянную плавучесть в зависимости от глубины, т.е. в случае необходимости имеется возможность изменять плавучесть с привязкой к глубине. Могут быть использованы комбинации надувных поплавков с постоянной или непостоянной плавучестью. Неопределенности, касающиеся веса трубопровода, характера и конфигурации морского дна, усложняют предварительное точное определение параметров устройства, которое должно быть использовано (поплавков и цепей), а также поведения во время буксировки (чрезмерное сопротивление продольной тяге, недостаточное боковое сопротивление). Кроме того, затруднено управление устройством (плавучестью переменных поплавков, сопротивлением смещений) для очень длинных ниток трубопровода(несколько километров), вследствие изменчивости окружающих условий. В настоящем изобретении предложено решение данных проблем существующего уровня техники,исходя из геометрического построения управления конфигурацией трубопровода с привязкой к морскому дну, а не к глубине. Целью данного изобретения является способ буксировки подводных трубопроводов посредством головных буксиров, обеспечивающих протягивание, и хвостовых буксиров, обеспечивающих противодействующее протягивание, который отличается тем, что его по существу выполняют с использованием ряда устройств, присоединенных к самому трубопроводу, по существу содержащих поплавки, по меньшей мере часть из которых имеет изменяющуюся плавучесть или частично изменяющуюся плавучесть и которые при размещении в заданном месте и через заданные интервалы обеспечивают дифференцированную плавучесть трубопроводу в зависимости от расстояния от дна так, что трубопровод приобретает"фестончатую" конфигурацию, т.е. такую, при которой подвешенные в соответствии с поплавками секции трубопровода чередуются с секциями, опирающимися на дно. Облегчение работы по протягиванию трубопровода обусловлено двумя факторами - статическим,связанным со снижением веса трубопровода (вследствие плавучести поплавка), и геометрическим (приданием фестончатой конфигурации, которая приводит к последующему изменению состояния трения,способствующему решению проблемы). Силы трения в продольном и поперечном направлении имеют величину одного порядка и поэтому трубопровод устойчив в поперечном направлении. Более конкретно, предлагаемый способ может включать следующие этапы: создание по меньшей мере частично изменяющейся плавучести в заданных точках трубопровода для его подъема или спуска в вертикальном направлении с помощью ряда устройств, которые присоединены к самому трубопроводу и каждое из которых по существу состоит из поплавка с изменяющейся или частично изменяющейся плавучестью, нижнее основание которого по меньшей мере частично открыто для выполнения поплавком функции воздушного "колокола" и который содержит насадку для подачи воздуха, соответствующий исполнительный механизм, содержащий трубку или звенья трубки, обеспечивающие сообщение между внутренней частью и наружной частью указанного поплавка для выпуска воздуха, с закрепленным выходным концом и входным концом, расположенным внутри указанного поплав-1 010342 ка, причем на указанную плавучесть оказывают действие колебания отдельных входных концов, приводимых в движение механизмом, который перемещает их в зависимости от расстояния от морского дна до указанного трубопровода, так что указанные концы поднимаются при увеличении указанного расстояния и опускаются при уменьшении указанного расстояния, создавая, таким образом, желаемую "фестончатую" конфигурацию трубопровода; протягивание трубопровода, который необходимо отбуксировать, в продольном направлении посредством по меньшей мере одного головного буксира, присоединенного к трубопроводу, и противодействующее протягивание посредством другого хвостового буксира, присоединенного к трубопроводу. При этом способе цепи не используют, а используют сам трубопровод, который находится в непосредственном контакте с грунтом. Управление выполняют чисто геометрическим образом, а именно -пороговая высота является заданной, ниже которой плавучесть поплавка автоматически увеличивают, а выше которой ее уменьшают. Пороговую высоту задают конструктивными расчетами, которые позволяют получить систему с изменяющейся плавучестью с привязкой к установленному пределу тяги в продольном направлении. Нет необходимости в вычислении этого порогового значения с высокой точностью, достаточно знать порядок ее величины и условный нуль отсчета высоты. Ожидаемый эффект использования фестончатой конфигурации имеет следующие преимущества: он допускает удержание трубопровода частично в контакте с морским дном, улучшая его боковую устойчивость, и уменьшает тяговое усилие, необходимое для продольного перемещения, благодаря постепенно увеличивающемуся воздействию изменения состояния трения, способствующего решению проблемы,так как до перемещения в результате приложения тягового усилия в продольном направлении, различные пролеты трубопровода подвергаются колебанию в вертикальном направлении, обеспечивая возможность последовательного отделения секций трубопровода, находящихся на морском дне, трение которых о морское дно изменяется от состояния статического трения при первом отделении до значительно более благоприятного состояния (меньшего по величине) динамического трения, без перемещения всей длины трубопровода, как это имеет место в случае нефестончатой конфигурации. Несмотря на то, что во время приложения тягового усилия управление изменением плавучести может оставаться в активном состоянии, после достижения желательной статической конфигурации указанная возможность изменения плавучести будет автоматически выведена из акгивного состояния. Дополнительная цель изобретения состоит в создании системы для буксировки подводных трубопроводов, которая, по существу, содержит по меньшей мере один головной буксир, присоединенный к указанному трубопроводу посредством механизма вытягивания и предназначенный для протягивания трубопровода,по меньшей мере один хвостовой буксир, присоединенный к указанному трубопроводу посредством механизма вытягивания и предназначенный для противодействующего протягивания трубопровода,ряд устройств, присоединенных к самому трубопроводу, по существу, содержащих поплавок с изменяющейся или частично изменяющейся плавучестью, нижнее основание которого по меньшей мере частично открыто для выполнения поплавком функции воздушного "колокола" и который содержит насадку для подачи воздуха, соответствующий исполнительный механизм, содержащий трубку или звенья трубки, которые обеспечивают сообщение между внутренней и наружной частью указанного поплавка для выпуска воздуха, с закрепленным выходным концом и входным концом, расположенными внутри указанного поплавка, причем указанный входной конец приводится в движение посредством механизма,который перемещает его в зависимости от расстояния указанного трубопровода от дна,воздушный компрессор, который находится на борту головного или хвостового буксира или судна,возможные дополнительные поплавки с постоянной плавучестью. Другая цель данного изобретения заключается в создании устройства (А), которое может быть использовано в способе или в системе буксировки вышеописанных подводных трубопроводов, которое содержит поплавок (G) в форме призмы с горизонтальной или вертикальной осью, с изменяющейся или частично изменяющейся плавучестью, нижнее основание которого по меньшей мере частично открыто для выполнения поплавком функции воздушного "колокола" и который содержит по меньшей мере одну насадку (U), с помощью которой осуществляется подача воздуха,соответствующий исполнительный механизм (В), содержащий трубку или звенья трубки для обеспечения сообщения между внутренней и наружной частями указанного поплавка (G) для выпуска воздуха, которая имеет закрепленный выходной конец (В) и входной конец (В), расположенный внутри указанного поплавка с колебанием по высоте от заданного минимального положения до заданного максимального положения,средства присоединения указанного устройства к трубопроводу,средства передачи воздуха к указанному поплавку,средства приведения в движение и/или регулировки положения указанного входного конца относительно расстояния самой трубы от дна. Указанные поплавки, которые могут быть выполнены из металла,пластмассы и/или композитного материала, предпочтительно заполнены сжатым воздухом под дав-2 010342 лением окружающей среды. Ввиду того что поплавок, по меньшей мере, частично открыт в нижней части для выполнения поплавком функции воздушного "колокола", его оболочка и конструкция пригодны для противодействия лишь небольшому избыточному давлению относительно морского дна. Подразумевается, что плавучесть обеспечивает объем внутреннего воздуха, в который не допускается воды. Конструктивно поплавок задуман для передачи плавучести к трубопроводу, к которому он присоединен посредством тросов или ремней или другими соединительными средствами. Конструкция поплавка сама по себе и средства его присоединения (и быстрого отсоединения) являются обычно используемыми средствами, предназначенными для прикрепления плавучих поплавков. Несмотря на то, что приведение в движение конца трубки, а также измерение расстояния от морского дна может быть выполнено различными способами с применением электронной аппаратуры с большой точностью, предпочтительно использовать средства приведения в движение механического типа, в частности простые рычажные механизмы, которые соединяют дно с данным концом трубки. В альтернативном варианте выполнения рычажный механизм может быть заблокирован, когда он достигает порогового значения, так что операции по протягиванию происходят при определенных условиях. Дополнительный альтернативный вариант выполнения предусматривает добавочную насадку для воздуха с отверстием большего диаметра, чем прежнее отверстие, который приводится в действие тем же механизмом только для увеличения потока воздуха при перемещении поплавка вниз. В другом варианте выполнения две насадки объединены в одну насадку с регулируемым каналом(закрепленным для обслуживания и имеющим большое отверстие для быстрого проникновения). Что касается колебания высоты входного конца трубки, то его можно получить, например, с помощью телескопических трубок или с помощью гибкой трубки за счет использования ее избыточной длины, допускающей колебание. Как вариант, на верхней части поплавка могут быть расположены выпускные клапаны, приводимые в действие для быстрого выпуска, которые также общеизвестны. Подача воздуха обеспечивается присоединением к одному или более шлангам для подачи сжатого воздуха, подключенных к компрессору на поверхности. Как указано выше, в поплавке имеется регулировка уровня выпуска захваченного внутрь воздуха с привязкой к расстоянию от морского дна с целью обеспечения надежности, при этом подача воздуха осуществляется непрерывно (или с высокочастотной прерывистостью) посредством предпочтительно небольшой переходной насадки, а выпуск воздуха осуществляется трубкой, конец которой, расположенный на некотором уровне внутри образованного поплавком корпуса, удаляет избыточный воздух и, тем самым, устанавливает рабочий объем остающегося воздуха и, соответственно, рабочую плавучесть поплавка. Размах колебаний этого конца может покрывать высоту поплавка (что обусловливает тип поплавка с изменяющейся плавучестью), или только часть (нижнюю) его высоты, вследствие чего поплавок будет иметь частично изменяющуюся плавучесть. Конец трубки приводится в движение механизмом, который перемещает ее в соответствии с расстоянием от морского дна (он поднимается по мере перемещения поплавка от морского дна и опускается по мере перемещения последнего ближе к морскому дну). Регулирование более предпочтительно выполняется у некоторого порогового значения расстояния, при подъеме конца трубки выше которого плавучесть уменьшается, или при обратном перемещении вплоть до которого конец трубки опускается, плавучесть увеличивается. Эффект заключается в том, что увеличение высоты пролета (фестончатой конфигурации) под поплавком приводит к уменьшению плавучести, и наоборот. Это обстоятельство гарантирует создание фестончатой конфигурации и, с точки зрения надежности, никогда не допускает достижения трубопроводом уровня воды. Вариант выполнения данного изобретения описан ниже с помощью фиг. 1, 2 и 3. Фиг. 1 изображает устройство (А) в соответствии с данным изобретением, присоединенное к трубопроводу (С), в котором f (высота) является расстоянием от морского дна (F) до трубопровода (С). Устройство (А) содержит призматический поплавок (G), открытый по меньшей мере частично снизу, трубку (T), присоединенную к компрессору и предназначенную для заполнения поплавка воздухом через насадку (U), трубку (В) для отвода воздуха, имеющую входной конец (Bi) и выходной конец (Bu), и рычажный механизм (L) входного конца. Кроме того, изображены уровень (IS) постоянной плавучести и колебание (е) изменяющейся плавучести. Фиг. 2 показывает устройство (А), которое изображено на фиг. 1, но которое также содержит дополнительную насадку (W) для воздуха, приводимую в действие тем же механизмом (L), только при условии нисходящего перемещения поплавка. Фиг. 3 является схематическим изображением предлагаемого устройства, на котором показан головной буксир R, протягивающий трубопровод (С) посредством буксировочного троса (N). К трубопроводу (С) в определенных местах в соответствии с данным изобретением присоединены отдельные устройства (А), которые заполнены воздухом благодаря компрессору (P), установленному на головном бук-3 010342 сире (R). Символ (f) вновь обозначает высоту фестончатой конфигурации, то есть расстояние от морского дна (F) до определенной точки трубопровода, к которой прикреплено устройство, выполненное согласно изобретению. Для лучшего пояснения данного изобретения ниже приведен пример. Пример. Имеется очень длинная стальная труба, длина которой составляет несколько километров, например 10 км, с определенным диаметром, например 14" (около 35 см), и некоторой толщиной стенки трубы,например, 14 мм. Этот трубопровод, который уже расположен на морском дне в соответствии с предшествующей сборкой в секции и работой по размещению, должен быть оттранспортирован к другому определенному месту. Указанный трубопровод содержит покрытие из бетона для оттягивания трубопровода вниз с целью обеспечения его устойчивости в месте окончательной установки. Он имеет некоторый чистый вес в воде, который составляет, например, 250 кг/м. Учтен некоторый коэффициент трения с морским дном, величина которогосоставляет, например, 1. Учтен некоторый допуск на вес, обусловленный различными неопределенностями (толщина стали, толщина бетона, композиционный состав бетона, абсорбция), который составляет, например, 4%, дающий колебания в весе 10 кг/м. Для того, чтобы буксиры могли осуществлять тягу при приемлемых уровнях, предпочтительно выполнять работу ниже некоторой пороговой величины, которая составляет, например, 200 т. В результате в предложенном случае необходимо иметь эквивалентный линейный вес на 10 км длины при коэффициенте трения, равном 1,составляющий 20 кг/м, который облегчает трубу благодаря эквивалентной плавучести в 230 кг/м. Данная проблема возникает из-за наличия допуска на вес в воде, который невозможно определить заранее и который вызывает колебание полезного линейного веса от 10 до 30 кг/м. В первом случае имеется опасность слишком близкого подхода трубы к состоянию нулевой плавучести или даже к состоянию всплытия, ухудшающему боковую устойчивость трубопровода вследствие поперечных течений. Во втором случае имеется риск потерпеть неудачу в протягивании нитки трубы в ее положение окончательной установки из-за требуемого чрезмерного тягового усилия. В предлагаемом трубопроводе поплавки расположены, как схематически показано на фиг. 1, с обеспечением плавучести около 11 т на расстоянии 48 м для получения фестончатой конфигурации с высотой порядка десятков сантиметров, пороговое значение которой соответственно может быть установлено в 20 см. Изменяемость плавучести в этом случае может составлять 2000 кг. Эта изменяемость плавучести достигается заполнением поплавков воздухом, путем введения или нагнетания воздуха, который подается одной соответствующей трубкой или несколькими трубками, соединенными с компрессором, находящимся на борту буксира или катера. Предусмотрен головной буксир для протягивания трубопровода, который присоединен к трубопроводу, а также к буксировочному тросу и трубкам для подведения воздуха к поплавкам (в типичном случае к двум поплавкам для надежности), сам трубопровод (снабженный механизмом вытягивания), на котором установлены поплавки с изменяющейся плавучестью с воздухом, хотя возможны поплавки с постоянной плавучестью (с воздухом или без него), хвостовой буксир для противодействующего протягивания, присоединенный к трубопроводу (с дополнительным механизмом вытягивания), а также возможно присоединенный к трубкам для воздуха и, как вариант, снабженный компрессором. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ буксировки подводных трубопроводов посредством головных буксиров, обеспечивающих протягивание, и хвостовых буксиров, обеспечивающих противодействующее протягивание, отличающийся тем, что его, по существу, выполняют с использованием ряда устройств, присоединенных к самому трубопроводу и, по существу, содержащих поплавки, по меньшей мере часть из которых имеет изменяющуюся плавучесть или частично изменяющуюся плавучесть и которые при размещении в заданном месте и через заданные интервалы обеспечивают дифференцированную плавучесть трубопроводу относительно расстояния от морского дна так, что трубопровод приобретает "фестончатую" конфигурацию, т.е. имеет подвешенные в соответствии с поплавками секции трубопровода, чередующиеся с секциями, опирающимися на дно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает следующие этапы: создание, по меньшей мере, частично изменяющейся плавучести в заданных точках трубопровода с обеспечением подъема или спуска в вертикальном направлении трубопровода в заданных точках с помощью ряда устройств, которые присоединены к самому трубопроводу и каждое из которых, по существу, состоит из поплавка с изменяющейся или частично изменяющейся плавучестью, нижнее основание которого, по меньшей мере, частично открыто для выполнения поплавком функции воздушного "колокола" и который содержит насадку для подачи воздуха, соответствующий исполнительный механизм,содержащий трубку или звенья трубки, обеспечивающие сообщение между внутренней частью и наружной частью указанного поплавка для выпуска воздуха и имеющие закрепленный выходной конец и входной конец, расположенный внутри указанного поплавка, причем на указанную плавучесть воздействуют колебаниями отдельных входных концов, приводимых в движение механизмом, который перемещает их-4 010342 в соответствии с расстоянием от морского дна до указанного трубопровода, так что указанные концы поднимаются при увеличении указанного расстояния и опускаются при уменьшении указанного расстояния с обеспечением тем самым желаемой "фестончатой" конфигурации трубопровода; протягивание трубопровода, который необходимо отбуксировать, в продольном направлении посредством по меньшей мере одного головного буксира, присоединенного к трубопроводу, и противодействующее протягивание посредством другого хвостового буксира, подсоединенного к трубопроводу. 3. Система буксировки подводного трубопровода, содержащая по меньшей мере один головной буксир, присоединенный к указанному трубопроводу посредством механизма вытягивания и предназначенный для протягивания трубопровода,по меньшей мере один хвостовой буксир, присоединенный к указанному трубопроводу посредством механизма вытягивания и предназначенный для противодействующего протягивания трубопровода,ряд устройств, присоединенных к самому трубопроводу, по существу, содержащих поплавок с изменяющейся или частично изменяющейся плавучестью, нижнее основание которого, по меньшей мере,частично открыто для выполнения поплавком функции воздушного "колокола" и который содержит насадку для подачи воздуха, соответствующий исполнительный механизм, содержащий трубку или звенья трубки, которые обеспечивают сообщение между внутренней и наружной частью указанного поплавка для выпуска воздуха и имеют закрепленный выходной конец и входной конец, расположенный внутри указанного поплавка, причем указанный входной конец приводится в движение посредством механизма,который перемещает его в соответствии с расстоянием от морского дна до указанного трубопровода,воздушный компрессор, расположенный на борту головного или хвостового буксира или судна,возможно дополнительные поплавки с постоянной плавучестью. 4. Устройство (А) для буксировки подводных трубопроводов, содержащее поплавок (G) в форме призмы с горизонтальной или вертикальной осью и с изменяющейся или частично изменяющейся плавучестью, нижнее основание которого, по меньшей мере, частично открыто для выполнения поплавком функции воздушного "колокола" и который содержит по меньшей мере одну насадку (U), посредством которой осуществляется подача воздуха,соответствующий исполнительный механизм (В), содержащий трубку или звенья трубки, обеспечивающие сообщение между внутренней и наружной частью указанного поплавка (G) для выпуска воздуха и имеющие закрепленный выходной конец (Bu) и входной конец (Bi), расположенный внутри указанного поплавка с колебанием по высоте от заданного минимального положения до заданного максимального положения,средства присоединения указанного устройства к трубопроводу,средства передачи воздуха к указанному поплавку,средства приведения в движение и/или позиционирования указанного входного конца в зависимости от расстояния от морского дна до самой трубы. 5. Устройство по п.4, в котором средства приведения в движение входного конца трубки являются средствами механического типа. 6. Устройство по п.5, в котором средства механического типа для приведения в движение входного конца трубки представляют собой, по существу, рычажные механизмы, которые соединяют морское дно с входным концом трубки. 7. Устройство по п.4, в котором поплавок выполнен из металла, пластмассы и/или композитного материала. 8. Устройство по п.4, в котором имеется добавочная насадка для подачи воздуха, которая приводится в действие только при условии перемещения поплавка вниз.