Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Трубопроводный транспорт

ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ

 

История развития трубопроводного транспорта

 

Трубопроводы, предназначенные для перемещения жидкостей, известны с древних времен. Это были прежде всего водопроводы, которые в настоящее время имеют огромное распространение и не считаются транспортными коммуникациями.

В современной транспортной терминологии под трубопроводным транспортом обычно понимают трубопроводы в комплексе с другими устройствами, предназначенные преимущественно для перекачки нефти, нефтепродуктов и газа.

Пер­вые нефтепроводы были построены в середине XIX в. в Америке.

В России первый нефтепровод с трубой диаметром 100 мм и протяженностью 12 км соединил в 70-х годах прошлого столетия Балахнинские промыслы с нефтеперерабатывающим заводом в районе Баку.

В 1897–1909 годах был построен один из крупнейших для своего времени нефтепровод для передачи керосина от Баку до Батуми (850 км) с трубами диаметром 200 мм, спроектированный выдающимся русским инженером В. Г. Шуховым. Позднее были построены небольшие трубопроводы Грозный – Махачкала, Тула – Краснодар и др. Газопроводного транспорта Россия не имела.

Первые трубопроводы при Советской власти строи­лись в основном в Закавказье и на Северном Кавказе. В годы первой пятилетки были построены нефтепроводы Баку – Батуми (вторая линия), Грозный – Туапсе. Для транспортировки бакинской нефти на Урал в 1932 г. сооружен нефтепровод Гурьев – Орск. Ранее пла­нировалось, что в Гурьев нефть будут доставлять из Баку морским транспортом. Однако из-за увеличения добычи нефти в Эмбенском районе Западного Казахстана построенный в 1936 г. нефтепровод стали использовать для доставки нефти на Орский нефтеперерабатываю­щий завод не из Баку, а из Казахстана.

В 1931–1932 гг. был построен керосинопровод Армавир (Северный Кавказ) – Трудовая (Донбасс), который имел очень большое зна­чение для удовлетворения потребностей Украины в светлых нефте­продуктах. В середине 30-х годов были сооружены нефтепроводы в Поволжье и на Урале, в 1936 г. пущен в эксплуатацию нефтепро­вод Ишимбай – Уфа, в 1941 г. сооружен газопровод Дашава – Львов протяженностью 70 км. К 1940 г. общая протяженность магист­ральных трубопроводов составляла 4,1 тыс. км. Изменилась и гео­графия трубопроводного транспорта: кроме Закавказья и Северно­го Кавказа, проложены новые трубопроводы на Украине, в Повол­жье, Западном Казахстане, Центральном районе.

Трубопроводы, построенные во время Великой Отечественной войны, имели важное оборонное значение. Так, например, для обеспечения топливом Ленинграда по дну Ладожского озера был проложен бензинопровод, который обеспечивал город и войска топливом. Трубо­провод имел длину 30 км, в том числе его подводная часть – 21,5 км. Строительство его началось 5 мая 1942 г., а завершилось 16 июня того же года. По нему ежесуточно подавали в осажденный Ленин­град до 600 т жидкого топлива. В середине 1942 г. во время битвы за Сталинград прифронтовым городом стал Саратов. Чтобы обеспечить его топливом, за 1,5 месяца был построен в тяже­лейших условиях газопровод от открытого в это же время Елшанского газового месторождения до Саратова протяженностью 18 км. Во время войны были сооружены и другие газопроводы, в том числе и Вой-Вож –Ухта протяженностью 127 км. Это был первый в мире надземный газопровод на качающихся опорах. Он имел форму "змейки", что позволяло ему свободно изменять длину в пределах, необходимых для компенсации продольных деформаций в условиях мерзлых почв. В эти же годы на Дальнем Востоке был по­строен нефтепровод Оха (Северный Сахалин) – Софийск (Хаба­ровский край) для снабжения топливом промышленности Хабаров­ского края и кораблей Тихоокеанского флота. Общая протяжен­ность этого нефтепровода 368 км, а диаметр труб 325 мм.

В 1960–1964 годах построен крупнейший в мире по протяженности и мощности нефтепровод «Дружба» с трубами диаметром 1020 мм. Протяженность первой очереди, построенной усилиями СССР, Польши, Чехословакии и Венгрии, составила 5116 км. В первой половине 70-х годов была введена в действие вторая очередь, и общая протяженность нефтепровода превысила 10 тыс. км. В 1973 году введен трубопровод Усть-Балык – Альметьевск длиной 2200 км, в 1976 году Самотлор – Куйбышев, 2263 км. Позднее создана магистраль Сургут – Омск – Павлодар – Чимкент – Чарджоу для подачи сибирской нефти на нефтеперегонные заводы. Крупнейшими нефтепроводами являются нефтяная магистраль Сургут – Полоцк – Вентспилс протяженностью свыше 3300 км, а также Нижневартовск – Тихорецкая – Грозный – Баку.

Газопроводы как разновидность трубопроводного транспорта являются более "молодыми". Первый крупный газопровод Саратов – Москва протяженностью 800 км вступил в строй в июне 1946 года, в 1956 году – Ставрополь – Москва протяженностью 1254 км с трубами диаметром 720 мм. Он заменил по топливному эквиваленту расход угля, добываемого 35 небольшими шахтами Донбасса. В 1958 году было принято постановление о строительстве 37 магистральных газопроводов для газоснабжения энергетики, промышленности и городов. В 1960 году общая протяженность газопроводов достигла 21 тыс. км.

Значительным инженерным сооружением является газопровод Оренбург – западная граница СНГ протяженностью 2750 км. В настоящее время имеется шесть ниток газопроводов Западная Сибирь (Уренгой, Медвежье) – Центр – Западная Европа общей протяженностью 20 тыс. км.

В настоящее время нефте- и продуктопроводы классифицируют как магистральные, подводящие и промысловые. В газовой промышленности различают магистральные и местные газопроводы.


Техническая база трубопроводного транспорта

 

Техническая база включает:

· clip_image002

собственно трубопровод, представляющий собой линейную магистраль из сваренных и соответствующим образом изолированных труб с устройствами электрозащиты (рисунок 6.1). Разновидностью линейной части являются наземные и подземные переходы через реки, озера, проливы, болота, автомагистрали, железнодорожные пути и т. д. Для строительства трубопроводов промышленность освоила выпуск труб диаметром 520, 720, 820, 1020, 1220 и 1420 мм;

Рисунок 6.1 – Строительство линейной магистрали наземного трубопровода перекачечные и компрессорные станции (рисунок 6.2) для транспортирования жидких и газообразных продуктов по трубопроводу в качестве головных (начальных) и промежуточных станций;

· clip_image004

 
 

Рисунок 6.2 – В зала поршневых газомоторных компрессоров Щекинской компрессорной станции газопровода Ставро­поль – Москва установлено 10 газомоторных газоперекачивающих агрегатов типа 10ГК. Мощность каждого агрегата 736 кВт. Общая производительность станции – 70 млн куб. м перекачиваемого газав сутки

· линейные узлы, представляющие собой устройства для соединения или разъединения параллельных или пересекающихся магистралей и перекрытия отдельных участков линий при ремонте;

· линии электроснабжения, если силовые агрегаты (насосы, компрессоры) имеют электрический привод;

· линии связи для передачи необходимой информации, обеспечивающей нормальное функционирование системы.

В комплекс технического оснащения нефтепроводов входят сооружения и оборудование для обезвоживания и дегазации нефти, подогрева вязких сортов нефтепродуктов, особые емкости и др.


Особенности сооружения и эксплуатации трубопроводов

 

На трубопроводах большого протяжения через 80–150 км сооружаются промежуточные перекачечные и компрессорные станции. Например, на нефтепроводе "Дружба" перекачечные станции мощностью 7000 м3/ч были размещены через 80–100 км и питались электроэнергией специально сооруженной линии электропередачи. В качестве перекачечных агрегатов применяются поршневые или центробежные насосы.

В первых магистральных газопроводах поддерживалось рабочее давление 12–25 атм. (1,2–2,5 МПа). В последующем оно было повышено в несколько раз. Сейчас трубопроводы работают под давлением примерно 50–60 атмосфер. Скорость движения нефти в трубопроводе обычно достигает 1–1,5 м/с.

Под влиянием сопротивления движению давление в трубах сравнительно быстро падает. Потери напора в трубопроводе H могут быть определены по формуле

clip_image006, (6.1)

где k – коэффициент трения; L – длина трубопровода, м; v – скорость движения груза в трубопроводе, м/с; g – ускорение силы тяжести, м/с2; d – диаметр трубопровода, м.

Сооружаемые на трассе и в конце газопроводной магистрали распределительные станции понижают давление поступающего к ним газа и подают его в распределительную сеть потребителям.

Трубопроводы в повышенных местах трассы имеют специальные устройства – вантузы для периодического выпуска скапливающегося здесь воздуха.

В пониженных местах профиля трассы устраиваются спускные осадочные колодцы для очистки трубопровода от песка и грязи.

Эксплуатация трубопроводов непрерывна, надежна и не зависит от времени года и климатических условий. Высокая герметичность трубопроводных каналов обеспечивает сокращение потерь нефти в 1,5 и 2,5 раза по сравнению с транспортировкой ее соответственно железнодорожным и водным транспортом.

К основным технико-экономическим особенностям и пре­имуществам трубопроводного транспорта относят:

· возможность повсеместной прокладки трубопроводов;

· массовость размеров перекачки; самую низкую себестоимость транспортировки (если принять среднюю себестоимость перевозок на транспорте за 100 %, то на трубопроводном транспорте она составит 30 %, на железнодорожном – 80 %, на автомобильном – 1600 %);

· полную герметизацию, что дает абсолютную сохранность качества и ко­личества грузов;

· полную автоматизацию операций по наливу, сливу и перекачке;

· меньшие капитальные первоначальные вложения;

· независимость от климатических условий, а также отсут­ствие отрицательного воздействия на окружающую среду при со­ответствующей изоляции и малочисленность обслуживающего персонала.

Удельный расход топлива на перекачку в 7 – 12 раз меньше, чем на перевозку железнодорожным транспортом.

Основной недостаток – узкая специализация по ви­дам грузов.

Из-за отсутствия операций погрузки и выгрузки дальность перекачки не оказывает заметного влияния на себестоимость транспортировки.

Главный фактор экономичности трубопроводов – массовость транспортируемых грузов, возможность концентрации грузопото­ков. Современные газопроводы только по одной линии могут транс­портировать в год 30 –40 млрд м3 газа, а нефтепроводы – более 100 млн т нефти.

Кроме нефтепродуктов, природного газа, по трубам транспортируют продукцию химической, нефтехи­мической, соляной, угольной, строительных материалов и других отраслей промышленности. Трубопроводный транспорт играет все более существенную роль в размещении производительных сил стра­ны, способствует индустриальному развитию экономических рай­онов, решению социальных задач.

В 1977 г. был построен рассолопровод Стерлитамак – Уфа длиной 150 км, обеспечивающий ежегодную транспортировку 600 тыс. м3 раствора поваренной соли от Баскунчакского месторождения.

Существуют два способа перекачки по одному и тому же трубопроводу разных жидкостей (нефти, керосина, бензина, мазута). Их можно разделить резиновыми или пластмассовыми шарами (последовательная перекачка) или транспортировать по разным пластмассовым шлангам, размещенным в трубопроводе.

Сегодня нефть и газ покрывают основную часть топливных потребностей народного хозяйства страны, при этом 85 % газа идёт на производство электроэнергии и энергетические нужды промышленности. Все это стало возможным потому, что параллельно с добычей прогрессивных видов топлива развивался их транспорт, особенно трубопроводный.


Научно-технические проблемы развития трубопроводного транспорта

 

Перспективные технологические возможности трубопроводного транспорта в основном определены. К ним можно отнести: тради­ционные способы транспортировки жидких или газообразных про­дуктов; транспортировку твердых продуктов в смеси с водой или другой жидкостью (гидротранспорт), а также в смеси с газом (пнев­мотранспорт); капсульные или контейнерные способы транспорти­рования сыпучих порошкообразных или гранулированных продук­тов, не допускающих контакта с жидкостями. Эти технологические возможности в настоящее время экспериментально проверяются с тем, чтобы в ближайшие годы трубопроводный транспорт шире ис­пользовался для доставки многих новых грузов.

Наряду с трубопроводами для транспортирования жидких углеводородов и природного газа расширяется сооружение трубопроводов для перекачки ряда других грузов. В их числе этилен, жидкий аммиак, раствор поваренной соли.

Небольшие по протяженности трубопроводы используются для транспортировки в виде пульпы твердых веществ: угля, руды, нерудных материалов. Однако создание таких трубопроводов ещё представляет серьезную проблему.

Транспортирование массовых сыпучих и пылящих грузов, включая зерно, цемент, известь и другие, осуществляется часто в потоке воздуха. Эти пневмопроводы имеют небольшое протяжение и используются для загрузки и разгрузки вагонов, судов, автомобилей в пунктах производства и потребления названных продуктов.

Дальнейшее наращивание сети трубопровода остается серьезной научно-технической проблемой. На будущее основной базой для добычи газа (наряду с Уренгоем и Медвежьим) станет Ямбург, откуда протянется 6 трубопроводов большого диаметра.

Остается проблемой пересечение трубопроводами крупных водных преград, хотя опыт здесь богатый.

В настоящее время свыше 98 % нефти и 100 % газа транспортируется по трубопроводам, но более половины нефтепродуктов – железнодорожным и частично водным транспортом с себестоимостью в 3–5 раз выше, чем по трубопроводам.

Одна из проблем заключается в повышении пропускной способности трубопроводов. Для этого необходимо применять трубы большого диаметра (1420 и 1620 мм) и повышать давление в трубопроводах. Зависимость провозной способности нефтепровода от диаметра трубы может быть проиллюстрирована следующими цифрами: при диаметре 720 мм – 15 млн т в год; 1020 мм – 45 млн т; 1420 мм – 75 млн т. Ранее построенные трубопроводы работают под давлением на входе 50–56 атм (5–5,5 МПа). Новые магистрали рассчитаны на 75 атм (7,5 МПа).

Удельные капитальные вложения снижают­ся при увеличении диаметра. Например, использование труб диа­метром 1420 мм дает уменьшение капиталовложений на 20 %, а по эксплуатационным расходам – на 30 % от уровня затрат при диаметре 1020 мм.

На 1 км газопровода диаметром 1420 мм идет примерно 700 т труб. Перед металлургами стоит задача создания особо прочных и тонкостенных труб.

С целью повышения пропускной способности газопроводов разрабатывается метод перекачки охлажденного до минус 70–75о С газа, а также сжиженного газа по теплоизолированным трубам.

Непростую задачу представляет расширение сети продуктопроводов с обеспечением первоначального и промежуточного подогрева вязких продуктов. Уже имеется "горячий" нефтепровод Мангышлак – Украина протяженностью 2500 км, по которому транспортируется нефть с температурой плюс 50о С.

Пока остается не до конца решенной проблема предохранения труб от внешней и внутренней коррозии из-за химической активности транс­портируемого груза. Изоляция внутренних поверхностей повы­шает пропускную способность на 5–8%, но удорожает общую стоимость труб. В крупных городах проблема коррозии усугубля­ется блуждающими токами. В России ежегодно из-за коррозии теряется до 15 млн т стали.

Трубы от коррозии защищаются различными методами, в ча­стности, битумно-бумажным покрытием, полимерными пленка­ми с защитными обертками, эпоксидными и лакокрасочными пленками, пенополиуретаном и др. Самым надежным является эмалирование, но в связи с его дороговизной применяется до­вольно ограниченно, в основном в городах. За рубежом приме­няют полиэтиленовые покрытия на предварительно нанесенный клеевой состав из бутилкаучука или покрытия на основе эпоксидных смол, обладающих высокой прочностью и стойкостью к повышению температуры, а также многослойные покрытия из полиэтиленовых и поливинилхлоридных лент на бутилкаучуковой грунтовке. Для внутренней изоляции приме­няют лакокрасочные покрытия на основе эпоксидных полиуретановых смол и цементно-песчаные покрытия.

Одной из важнейших задач является обеспечение безаварийности функционирования жидкостных и газовых трубопроводных систем. Требует дальнейших разработок телемеханизация и автоматизация управления работой трубопроводов.

В странах СНГ разрабатываются и осуществляются проекты трубопроводов, по которым грузы перемещаются в виде гидро- и пневмосмесей, капсул, в специальных контейнерах. В Кузбассе, на­пример, от шахт Юбилейная и Инская к Беловской ГРЭС проложе­ны углепроводы. Миллионы тонн топлива доставляются по ним го­раздо быстрее и с меньшими затратами, чем другими видами транспорта. Чтобы снизить потребление энергии, уменьшить износ труб, увеличить расстояние доставки грузов, используется специально подготовленная мелкодисперсная пульпа. И хотя скорость движе­ния пульпы невелика, зато такой способ более экономичен, обо­рудование изнашивается значительно меньше.

Трубопроводный транспорт эффективен, естественно, не только для перевозки угля. Разработаны проекты трубопро­водов для доставки железорудного концентрата с Лебединского горно-обогатительного комбината на фабрику окомкования Оскольского электрометаллургического комбината, руды с горнорудных предприятий Кривбасса на металлургические заводы Приднепровья и Донецкой области, с Соколовско-Сарбайского горно-обогати­тельного комбината на Магнитогорский металлургический комби­нат и др.

По трубопроводам можно перемещать не только гидропульпу, но и контейнеры по принципу пневмопочты. Гидро- и пневмотрубопроводы для транспортировки твердых материалов особенно пер­спективны при создании единых технологических комплексов до­бычи, доставки и использования сырья. Перспективным направ­лением развития трубопроводов является использование контей­неров-капсул, которые можно перемещать не только по трубам, но и наземным и водным транспортом.

Трубопроводный транспорт используется для перемещения твердых сыпучих грузов, например, угля, щебня, других строитель­ных материалов, бытовых отходов в крупных городах и др. Трубоконтейнерный транспорт начал использоваться для транспортировки сыпучих грузов, бытовых и промышленных отходов, сельскохозяй­ственных и других грузов. Использование этого вида транспорта позволяет разгрузить железные дороги от перевозок грузов на ко­роткие расстояния, исключить автомобильные перевозки на вывозе этих грузов. В Грузии работает пневматическая линия на трубопроводе диаметром 1000 мм, протяженностью 2,2 км для транспортировки щебня, гравия, песка. Пропускная способность трубопровода составляет 640 тыс. т в год. Там же создается самая крупная в мировой практике двухтрубная пневмоконтейнерная си­стема протяженностью 42 км. Первая очередь (17,5 км) уже введе­на в действие. Она обеспечила подачу щебня из карьера на завод железобетонных изделий. Система работает в автоматическом ре­жиме, в ее состав входит два пневмовоза, восемь сцепленных друг с другом контейнеров-вагонеток. Общая масса поезда 25 т, его ско­рость до 30 км/ч. Пропускная способность этой системы в 20 раз выше, чем при использовании автомобильного транспорта, а годовая экономия дизельного топлива составляет около 13,5 тыс. т.

Трубопроводный транспорт повышает надежность, ма­невренность снабжения топливно-энергетическими ресурсами, ис­ключает потери продуктов в процессе их доставки от произво­дителя к потребителю, дает возможность снизить транспортные издержки, повысить производительность труда работников транс­порта.

Преимущества трубопроводного транспорта предопределяют основные направления его развития на перспективу: транспорти­ровка топливно-энергетического сырья; перемещение новых нетра­диционных для трубопроводов грузов, в том числе твердых про­дуктов, перекачка жидких химических продуктов и сырья. По пер­вому из указанных направлений основной специализацией магист­ральных трубопроводов будет транспортировка жидкого и газо­образного углеводородного сырья. Возможно, что уже в скором времени трубопроводы будут брать свое начало не от природных месторождений нефти и газа, а от специальных предприятий по переработке углей или битумов. Одновременно с этим более ши­рокое применение получит транспортировка угля по трубопрово­дам, в том числе так называемым контейнерным способом.

Проводятся экспериментальные работы по доставке трубопро­водным транспортом на переработку некоторых видов сельскохозяй­ственной продукции – помидоров, ягод, фруктов. Перемещение их по трубам резко уменьшает потери ценных веществ, автоматизи­рует погрузку-выгрузку, ускоряет и удешевляет доставку. Сущест­вуют проекты централизованной системы разветвленных трубопро­водов для доставки жидких удобрений от завода к сельскохозяй­ственным потребителям ряда экономических районов. На примере Рязанской области были сделаны расчеты по экономическому обос­нованию доставки таким способом удобрений Новомосковского химкомбината. Расчеты показали, что, несмотря на значительную сеть железнодорожных и автомобильных дорог в Рязанской об­ласти, доставка аммиака по трубопроводам дешевле, чем при исполь­зовании железнодорожного и автомобильного транспорта.

Во многих районах стоимость перевозки зерна к хлебоприемным пунктам достигает 30 % закупочной стоимости. Для этих целей тоже может быть использован трубопроводный транспорт, который в ряде случаев дает заметное снижение транспортных расходов. Применение в сельском хозяйстве универсальной трубопроводной сети, по которой можно было бы перемещать и удобрения, и сельхозпродукты (а это с технологической точки зрения возможно), значительно улучшит обеспечение транспортных потребностей агропромышленного комплекса страны.

Продолжаются исследования по применению труб большого диа­метра для скоростной доставки людей. Уровень максимальной ско­рости пассажирских капсул или составов в трубопроводе, который можно достичь уже в современных условиях, – 600 – 1000 км/ч, а в проектах перспективных систем – до 3000 км/ч. Сопротивление движению, как главная причина повышенного расхода топлива, за­грязнения воздуха, высокого уровня шума в наземных системах, при трубопроводном транспорте может быть во много раз снижено путем вакуумирования и применения бесконтактных магнитных подвесок. Заглубление трубопроводов на 15 – 20 м позволит решить проблему шума, отвода земли для их строительства. Эти преиму­щества достаточно весомы, чтобы использование трубопроводного транспорта для перевозок пассажиров стало реальностью в обозри­мом будущем. Не исключено, что этот вид транспорта со временем смо­жет успешно конкурировать с авиацией.

Трубопроводы в зависимости от природно-климатических ус­ловий региона укладываются непосредственно на землю, на спе­циальные эстакады или закладываются в землю (наиболее рас­пространенный способ для городских трубопроводов). При пере­сечении водных преград трубопровод проводят по дну. В связи с этим возникают проблемы, особенно в зонах вечной мерзлоты, пустынно-степных и др., так как при перекачке грузов трубопро­вод нагревается, и меняется тепловой режим почвы. Мерзлота подтаивает, что приводит к обрыву трубопроводов. В зонах с низкими температурами обычные марки стали становятся хруп­кими. Для районов, характеризующихся лавинообразованием, изготавливаются многослойные трубы, что позволяет поднимать рабочее давление. Лазерная спайка и сварка повыша­ют качество швов.

Интенсивное развитие трубопроводного транспорта по­требовало коренной перестройки как техники, так и технологии строительства трубопроводов. Значительному ускорению строительства объектов нефтегазовой промышленности и прокладки трубопроводов способ­ствовало внедрение в практику комплектно-блочного метода. Суть его заключается в сборке технологических блоков, блочно-комплектных устройств, укрупненных монтажных узлов, комплектных зданий, которые доставляются на место работ в готовом виде со все­ми коммуникациями.

Предусматривается расширить масшта­бы использования блоков и блочно-комплектных устройств в неф­тегазовом строительстве в 2,7 раза по сравнению с предыдущим пятилетием. Иначе говоря, необходим переход от сборки отдель­ных частей-блоков к доставке на площадки полностью закончен­ных сооружений в виде крупногабаритных объемных блоков и супер­блоков массой от 300 до 1000 т, например, насосных станций и т. п. Это особенно важно при строительстве за Полярным кругом, в усло­виях мерзлоты, низких температур и сильных ветров. Однако при­менение этого прогрессивного метода строительства требует новых транспортных средств для поставки тяжелых блоков к месту мон­тажа – специальных тягачей на колесном и гусеничном ходу, на воз­душной подушке. Изучаются возможности создания и использова­ния летательных аппаратов большой грузоподъемности – специ­альных вертолетов, дирижаблей и др.