способ морской транспортировки газа трубопроводом
Классы МПК: | F16L1/14 между поверхностью и дном |
Автор(ы): | Гофман В.И. |
Патентообладатель(и): | Гофман Владимир Иосифович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-02-12 публикация патента:
20.05.2000 |
Изобретение используется в строительстве при прокладке морских трубопроводов. Трубопровод располагают между дном водоема и его поверхностью, придают нулевую плавучесть и фиксируют растяжками с балластными грузами и поплавками. Трубопровод монтируют из отдельных звеньев и соединяют муфтами с ограниченной угловой подвижностью. Направлено на упрощение прокладки подводных трубопроводов. 13 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12
Формула изобретения
Способ морской транспортировки газа трубопроводом, в частности по кратчайшему пути между двумя береговыми пунктами, заключающийся в прокладке трубопровода, образованного из герметично состыкованных отдельных металлических труб, и непрерывной подачи газа по этому трубопроводу, отличающийся тем, что трубопровод, выполненный из цепочки герметично состыкованных между собой и имеющих в месте стыка с помощью муфт ограниченную угловую подвижность труб, погружают в морскую воду на глубину, превышающую осадку морских судов и неподверженную влиянию шторма, и обеспечивают устойчивое положение трубопровода в водном пространстве по горизонтали и глубине за счет его невесомости или так называемой нулевой плавучести, при этом невесомость трубопровода обеспечивается за счет диаметральных размеров труб и невесомых с помощью поплавков растяжек, которые закрепляются на некоторых трубах, распределенных по пролетам, и которые содержат на свободном конце балласт, опускаемый на морское дно, а необходимое натяжение растяжек создают подъемной силой верхнерасположенных дополнительных поплавков.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и касается прокладки газопровода под водой, в частности морской, и транспортировки газа по этому трубопроводу. Известен способ прокладки трубопровода по суше в обход морских берегов и транспортировки газа по этому трубопроводу, заключающийся в том, что трубопровод, состоящий из отдельных жестко соединенных между собой металлических труб, укладывают по длине магистрали вдоль линии побережья на жесткое основание на грунт, а газ пропускают по трубопроводу. Однако, известный способ имеет ряд недостатков. В частности, требуется трубопровод относительно большой длины. Трубопровод должен обходить труднодоступные, например скальные, участки, обходить густонаселенные территории и территории недружественных государств. Трубопровод через морские просторы между двумя географическими пунктами, например A и B, напрямую (фиг. 1) будет значительно короче сухопутного варианта и будет свободен от других его недостатков, присущих сухопутному варианту. В настоящее время известен способ морской прокладки трубопровода и транспортировки по нему газа с помощью трубопровода, выполненного из состыкованных между собой отдельных металлических труб, уложенные по дну моря. Этот способ описан в проекте "Голубой поток" и в статье "Россия готова начать прокладку газопровода в Турцию по дну Черного моря" (газета RU, "Независимая газета", N 205 (1530), четверг, 30.10.97, копия прилагается). Недостатком данного способа является то, что, как указывают проектанты, "в мировой практике отсутствует опыт укладки трубопровода на глубине 2000 м с протяженностью этого участка в 215 км". Это обусловлено сложностью проводимых на такой глубине водолазных работ. Например, на глубине в 2000 м из-за чрезвычайно большого давления воды в 200 технических атмосфер необходимо использование специальных механизмов, имеющих возможность стабильно функционировать в этих экстремальных условиях. Следует обратить внимание на то, что морское дно не гладкое и ровное, как футбольное поле, а имеет довольно сложный рельеф, относительно которого трубопровод должен быть выставлен. Данные вопросы еще не решены. Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по укладке трубопровода на относительно небольшой глубине с обеспечением его связи с морским дном при уравновешенно-вывешенном положении с учетом выталкивающей силы. Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении прокладки трубопровода под водой. Указанный технический результат достигается тем, что в способе морской транспортировки газа, в частности по кратчайшему пути между двумя береговыми пунктами, заключающемся в прокладке под водой трубопровода, образованного из герметично состыкованных отдельных металлических труб, и непрерывной подачи газа по этому трубопроводу, последний, выполненный из герметично состыкованных между собой и имеющих в месте стыка ограниченную угловую подвижность труб, погружают в морскую воду на глубину, превышающую максимальную осадку морских судов и не подверженную существенному влиянию шторма, и обеспечивают устойчивое положение трубопровода в воде над дном за счет его невесомости или нулевой плавучести, при этом невесомость или нулевая плавучесть по длине трубопровода обеспечивается за счет и тросовых растяжек, закрепляемых на отдельных участках трубопровода и с балластом на другом конце, опущенном на морское дно, и несущих на себе поплавки для обеспечения невесомости натяжения тросовых растяжек за счет создания подъемной силы. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. Так, размещение трубопровода на достаточно небольшой глубине в уравновешенно-вывешенном положении позволяет зафиксировать трубопровод относительно морского дна. При этом уравновешенное положение трубопровода обеспечивается выталкивающей силой. На фиг. 1 - вид на трубопровод в море между двумя береговыми пунктами;на фиг. 2 - внешний контур труб и ее заглубление в воде;
на фиг. 3 - схема сил, действующих на погруженный в воду отрезок трубы, разрез А-А по фиг. 2;
на фиг. 4 - схема для учета веса соединительных муфт;
на фиг. 5 - пример конструкции соединительной муфты;
на фиг. 6 - схема крепления тросовых растяжек с трубой и дном;
на фиг. 7 - пример конструкции поплавка;
на фиг. 8 - схема для определения действия растяжек на центр тяжести трубы;
на фиг. 9 - схема расположения тросовых растяжек вдоль трубопровода;
на фиг. 10 - расположение опор и схема натяжения цепочки для двухзвенного пролета;
на фиг. 11 - то же, что по фиг. 9, для трехзвенного пролета;
на фиг. 12 - эпюра весовой нагрузки на одно звено цепочки внутри пролета;
на фиг. 13 - то же, что на фиг. 12, эпюра момента. В предлагаемом способе морской прокладки и транспортировки газа с помощью трубопровода 1 (фиг. 1) по кратчайшему пути между двумя береговыми пунктами A и B предлагается возможным проложить трубопровод на относительно небольшой глубине H, а именно, на глубине, большей, чем осадка подводной части крупных морских кораблей, и большей, чем глубина волн во время сильного шторма. Например, для акватории Черного моря эта глубина составляет 30-40 м. Далее в предлагаемом способе определяются условия, при которых трубопровод 1 будет находиться, подобно космическим аппаратам, в состоянии полной невесомости, то есть в уравновешенно-вывешенном положении, которое в морской практике называется нулевой плавучестью. Для этого рассмотрим баланс сил, действующих на отрезок трубы 2 (фиг. 2, 3), опущенной горизонтально в воду. Обозначим:
l - длина отрезка трубы;
r - внешний радиус трубы;
r1 - внутренний радиус трубы;

G - вес пустой трубы;
s1 - площадь торцевого внутреннего сечения трубы;
s0 - площадь торцевого внешнего сечения трубы;



Pв - вес воды в объеме трубы на глубине H;
F - вес отрезка трубы на глубине H;
Pг - вес газа в трубе. По закону Архимеда на тело в виде полой трубы 2, погруженной в воду, действует выталкивающая сила, которая численно равна весу воды, вытесненной трубой, и приложена к ее центру тяжести (см. Справочник по физике, Б.М.Яворский и др., "Наука", 1965, стр. 300). Результирующий вес рассматриваемого отрезка трубы будет:
F = G - Pв, (1)
где G = (s0-s1)l




Pв= s0l

Если труба полая, то полагая что в /2/ Pг = 0, согласно формул /2/, /3/ имеем:
G =




Pв=


а затем используя равенство /1/ и /4/, /5/, получаем результирующую силу
F =





Для невесомости любого по длине отрезка трубы необходимо иметь F = 0 или согласно /6/
Q = 0 (F = 0) (7)
С достаточно хорошим приближением, полагая, что величина


можем записать условие невесомости трубы в морской воде в форме величины ее диаметра, который согласно /6/ - /8/ будет:
D = 2r, r = 2



Пример 1. Стальная труба с толщиной стенок



D = 2




Pг= ls1

и согласно /1/, /6/, /10/, /2/ F =



Когда один участок трубы соединяется с другим при помощи соединительной муфты 3, то необходимо учесть вес /в воде/ q этой муфты (фиг. 4), тогда имеем
F =


Для приближенных расчетов, пользуясь, как указывалось, при малых толщинах труб равенством /8/ и полагая, что

F =






Полагая в /6/

F =




Оценим приближенно влияние изменения диаметра трубы на величину силы F. Пример 2. Возьмем диаметр трубы DF = 20 см и те же значения



G =


Pв= 10



F = 82,7





Сравнивая результаты двух примеров 1 и 2, заключаем, что
(DF - D)/D

Приближенное равенство /15/ нетрудно получить в общем случае, если полагать для двух диаметров, что один из них определяется по формуле /9/ и имеет место равенство /8/. Из приведенных примеров и равенства /15/ можно видеть, что увеличение диаметра трубы по сравнению с диаметром, обеспечивающим ее невесомость, создает некоторую подъемную силу /F < 0/, и труба, если ее не удерживаешь, начнет всплывать с глубины H до свободной поверхности, где H = 0. Поэтому, при желании иметь трубы большего диаметра, при их невесомости нужно, согласно /9/, увеличивать толщину












Q = -232 г/см, q = 10,5 г, Fп = -62,3 кг. Пример 4. Определим длину l1 троса, который при соединении с поплавком будет невесомым, и допустимую силу его натяжения N. Полагая, что у троса r = 0,2 см,


Допустимая сила натяжения определяется, исходя из допустимого напряжения


Из примеров 3 и 4 видно, что для невесомости троса на его длине 2000 м достаточно 5 поплавков, а для его натяжения можно использовать два дополнительных поплавка. Теперь определим, какие возникнут нагрузки в звеньях трубопровода, когда в некоторой его части возникнут неидеальные условия на глубине погружения: в частности, небольшая подъемная сила, зона неспокойной воды с подводными течениями и др. Вследствие этого на звенья участка цепочки будет действовать определенная распределенная по длине цепочки нагрузка, которую обозначим буквой q [кг/см] (см. фиг. 10). Под действием такой нагрузки цепочка сдеформируется (провиснет), и каждое звено повернется относительно соседнего звена на допустимый угол





или T = nql/(n-1)

где T - натяжение звена, находящегося вблизи опоры;
R - нагрузка на опору от двух звеньев, расположенных с разных сторон опоры. В частности, при n = 2 имеем T = 2ql/



M0 = ql2/8. (17)
Заметим, что в случае расположения в пролете L = 3l, не трехзвенной цепочки, а цельной сплошной балки, то у нее по середине пролета L возник бы максимальный момент M0= qL2/8 = 9ql2/8, то есть на порядок больше. Это доказывает преимущество цепочной системы для трубопровода. Пример 5. Определим суммарное напряжение




l = 50 м, q = 1 кг/м,





Тогда получаем приближенно момент инерции сечения Jx=







Здесь видно, что продольное натяжение балки мало влияет на суммарное напряжение балки, что подтверждает преимущество цепной схемы над схемой сплошной балки в пролете.
Класс F16L1/14 между поверхностью и дном