При освоении морских месторождений нефти и газа транспортировка добываемой продукции осуществляется по различным технологическим схемам. Для обеспечения безопасной эксплуатации морских подводных трубопроводов необходимо учитывать широкий спектр внешних и внутренних воздействий, среди которых особое место занимают вибрационные нагрузки.

Одним из ключевых проблемных факторов является то, что вибрация подводных трубопроводов – «скрытая» угроза: на поверхности моря она никак себя не проявляет, и обнаружить её без специальных средств контроля невозможно. При этом циклические нагрузки постепенно могут привести к накоплению усталостных повреждений элементов трубопроводной системы и их разрушению.

Именно поэтому ключевым инструментом прогнозирования, анализа и предотвращения вибраций становится численное моделирование. Натурные измерения на подводных объектах сложны, дороги и зачастую возможны лишь на этапе эксплуатации, когда конструкция уже построена. Расчётные методы – вычислительная гидродинамика (CFD) и метод конечных элементов (МКЭ) – позволяют оценить вибронагруженность ещё на стадии проектирования, до того как возникающая вибрация приведет к возникновению дефектов.

Внешние и эксплуатационные источники вибрации

Вибрация трубопроводов при эксплуатации может возникать под действием различных факторов: пространственной конфигурации трассы и наличия свободных пролётов, особенностей течения внутреннего потока (перепады давления, изменения скорости и фазового состава), переменных гидродинамических нагрузок, внешних сил, а также работающего подводного оборудования, в частности трубопроводной арматуры, приводов и вращающихся элементов.

К внешним источникам относятся морские течения и волновые воздействия: при обтекании трубопровода потоком воды возможен срыв вихрей и возбуждение поперечных колебаний. Этот механизм особенно опасен для свободных пролётов – участков, где труба не опирается на дно. Оценить риск вихревого возбуждения на этапе проектирования позволяет CFD-моделирование обтекания трубопровода: численное решение задач гидродинамики даёт возможность определить частоту срыва вихрей, коэффициенты гидродинамических сил и распределение пульсаций давления по поверхности трубы. Сопоставление этих данных с собственными частотами конструкции, рассчитанными с помощью МКЭ, позволяет заранее выявить условия резонанса и принять конструктивные меры – изменить шаг опор, выполнить заглубление трассы или установить гасители вихрей.

Согласно СТО Газпром 2-3.7-576-2011 «Проектирование, строительство и эксплуатация подводных добычных систем», при проектировании гидравлической системы подводного технологического оборудования необходимо учитывать возможность вибрации труб, клапанов и муфт от внешних источников, а при контроле технического состояния оборудования в обязательном порядке требуется учитывать осевую и радиальную вибрацию вращающихся элементов.

При работе трубопроводной арматуры неизбежно динамическое взаимодействие потока рабочей среды с элементами проточной части. Результатом этого взаимодействия становится вибрация корпуса, передающаяся в окружающую среду, а также гидродинамические пульсации в рабочей среде. Особенно интенсивно процессы протекают на переходных (импульсных) режимах – при открытии и закрытии арматуры.

Можно выделить основные факторы, влияющие на виброакустические характеристики трубопроводной системы при импульсных режимах работы:

• конструкция привода – вибрация от движущихся частей, от потока управляющей среды, механические и гидравлические удары;
• геометрия проточной части – воздействие потока на конструктивные элементы, приводящее к интенсивному вихреобразованию, кавитации, росту пульсаций давления и формированию дополнительной виброакустической энергии;
• режим работы арматуры – время срабатывания, перепад давления, скорость течения среды.

Гидродинамические причины колебаний потока

Первой и основной причиной вибрации трубопроводных систем следует назвать нестационарность течения транспортируемого потока. Сложная геометрия обвязки скважин, шлейфов, манифольдов и оборудования подводных добычных систем образует набор конфигураций, каждая из которых способна существенно изменить тип и характеристики газожидкостного потока. Как следствие, многофазный поток в трубопроводе неоднороден и нестабилен: его структура постоянно меняется, что порождает динамические силы.

Пульсация давления неизбежна при совместном транспортировании газа и жидкости: она связана с образованием по длине трубопровода газовых пробок (или жидкостных – в газопроводах). Прохождение через сечение трубопровода тяжёлой малосжимаемой жидкостной пробки, а затем лёгкой сжимаемой газовой приводит к значительным циклическим изменениям расхода и давления потока. Возникающая пульсация воздействует на стенки трубопровода, вызывая низкочастотную вибрацию и рывковые нагрузки. Смена режимов течения также сопровождается пульсациями давления, которые дополнительно возбуждают колебания.

Ещё одна причина вибраций – силы, непосредственно действующие на трубопровод: периодические силы, возникающие при изменении количества движения (импульса) потока, и силы акустического происхождения. В многофазном потоке скорости фаз постоянно меняются, и каждое изменение скорости или направления потока создаёт нагрузку на стенки. Максимальные значения сил возникают в местах изгибов – на отводах, тройниках и клапанах. Например, при прохождении газовой пробки через колено трубопровода сила значительно меньше, чем при прохождении жидкостной пробки; чередование таких пробок создаёт знакопеременную изгибающую нагрузку.

Для газопроводов возможна также вибрация, связанная со срывом вихрей за элементами внутреннего потока. Однако, как показывают исследования, основными причинами колебаний трубопроводов в большинстве случаев являются пульсации, возникающие при движении газожидкостных смесей. Основная причина пульсаций давления – выделение газа из газожидкостной смеси в подъёмных трубах скважин и образование газовых пробок, размеры которых увеличиваются по мере движения продукции от устья к береговому технологическому комплексу. На характеристики пульсаций влияет абсолютное давление в системе нефтегазосбора: чем оно выше, тем ниже частота пульсаций. Энергия пульсаций через взаимодействие потока со стенками передаётся трубопроводу и вызывает его колебания.

Для количественной оценки этих воздействий применяется нестационарное CFD-моделирование многофазного потока. Оно позволяет воспроизвести формирование и движение газовых и жидкостных пробок, получить временные реализации пульсаций давления и расхода в характерных сечениях – на отводах, тройниках, клапанах. Полученные переменные нагрузки далее передаются в конечно-элементные модели трубопроводной системы для расчёта её динамического отклика и оценки усталостной долговечности.

Ситуацию усугубляет взаимодействие вибрирующего трубопровода с донным грунтом: в местах опирания знакопеременные нагрузки приводят к износу покрытия и локальной подработке грунта, а в свободных пролётах колебания усиливаются. Вибрация также ускоряет разрушение защитных покрытий и способствует развитию коррозионно-усталостных трещин в зонах концентрации напряжений.

Таким образом, вибрация подводных трубопроводов – крайне сложное и критически важное явление, способное привести к последствиям различной степени тяжести: повреждению защитных покрытий и изоляции, коррозионно-усталостному растрескиванию, усталостному разрушению металла трубы и сварных швов, разгерметизации соединений и отказам оборудования.

Комплексный подход к контролю вибрации

Задача контроля и снижения вибрации является комплексной: она зависит от совокупности факторов, и именно от её эффективного решения во многом определяется надёжная работа подводных трубопроводов. Выделим основные причины вибраций, которые необходимо учитывать: срыв вихрей при обтекании трубопровода морским потоком; механическая виброактивность работающего оборудования; пульсирующий поток газожидкостных смесей.

На отклик системы при естественной вибрации влияют геологические характеристики донного грунта, скорость потока углеводородов в трубопроводе и уровень морской воды над ним. С увеличением глубины гидростатическая нагрузка на трубопровод возрастает, однако уровень вибрации в большей степени определяется скоростью перекачиваемого продукта и высотой перекрывающего слоя донного грунта над трубопроводом.

Центральное место в анализе и контроле вибрации занимает связка расчётных методов. Вычислительная гидродинамика (CFD) позволяет определить нестационарные нагрузки от внешнего обтекания и внутреннего многофазного потока; метод конечных элементов (МКЭ) – собственные частоты и формы колебаний конструкции, её динамический отклик и усталостный ресурс. Совместное применение этих инструментов даёт возможность:

• проверить проектные решения на виброустойчивость до начала строительства;
• оптимизировать трассу и схему опирания, исключив опасные свободные пролёты и резонансные режимы;
• обосновать технологические режимы транспортировки, при которых пульсации потока не превышают допустимых значений.

С экономической точки зрения затраты на численное моделирование на стадии проектирования несопоставимо ниже стоимости ремонта или замены повреждённого подводного трубопровода и потерь от остановки транспортировки. Верифицированные данными натурного мониторинга, расчётные модели могут в дальнейшем служить основой цифрового двойника и обеспечивать предиктивный контроль состояния трубопровода на всём сроке службы.

Эффективный контроль вибрации строится на сочетании расчётных, конструктивных и эксплуатационных мер: прогнозировании вибронагруженности на этапе проектирования, управлении свободными пролётами и заглублением трассы, выборе режимов транспортировки, ограничивающих пульсации, а также периодическом виброакустическом мониторинге и обследовании трубопровода.

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью