Введение.
В данном разделе рассматривается вопрос инспектирования магистральных трубопроводов высокого давления.
Монтаж трубопровода очень похож на поточный процесс – участки трубопровода собираются поэтапно разными бригадами. Строительный процесс имеет «линейную» структуру, то есть каждая операция выполняется исключительно после предыдущей. Так же, как и при серийном производстве на заводе, каждая операция выполняется специализированной бригадой или с применением специального оборудования, таким образом, что процесс производства протекает плавно, не затрагивая другие операции. Не стоит и говорить, что ко всем участникам производственного процесса, включая инспекторов, предъявляются высокие требования. В масштабных проектах участвует множество инспекторов, каждый из которых специализируется в определенной дисциплине – строительные работы, сварка, грунтовка и т.п. Однако часто один и тот же инспектор вынужден, проверяет все операции, что требует от него владения различными навыками. Прокладка трубопровода по пересеченной местности растягивает процесс установки на длинные расстояния – между бригадой по подготовке полосы отвода и бригадой по засыпке траншеи могут быть сотни километров неровной дороги. Это должно учитываться при планировании инспекции трубопровода.
Различные виды трубопроводов
Основное различие между трубопроводами состоит в материале, из которого они выполнены – сталь, чугун, цемент, полиэтилен.
Действительно, от материала, например, зависит:
- диаметр и давление,
- ширина и длина присоединяемых компонентов;
- метод изготовления изгибов и ответвлений;
- подготовка траншеи;
- технология укладки трубопровода в траншею;
- засыпка трубопроводной траншеи;
- система антикоррозионной защиты;
- испытания.
Выбор материала зависит от окружающей среды:
- высокое давление + большой диаметр – требует использования стали;
- низкое давление + большой диаметр – требует использования чугуна.
- трубы малых диаметров могут быть из любого материала, а также изготавливаться из полиэтилена повышенной плотности и АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирола).
В данном курсе рассматриваются трубопроводы из свариваемых стальных труб для транспортировки на дальние расстояния:
- жидких углеводородов, например, сырой нефти или продуктов нефтепереработки (дизельное топливо, бензин, топливо для реактивных двигателей);
- газообразных углеводородов, например, природного газа (метан) или продуктов нефтепереработки (этилен, пропан и т.д.);
- воды (питьевая, сырая или морская);
- шлама (смесь воды с каменным углем или порошком руды).
Компоненты трубопровода
Трубопровод это не просто набор труб, сваренных вместе. Это – система, которая представляет собой эффективную транспортную систему, как сеть автомобильных или железных дорог. Для работы данной транспортной системы на линии устанавливается различная арматура, приспособления и устройства:
- фланцы, болты, прокладки, обшивка;
- вентили, клапаны и предохранительные устройства;
-
упорные подушки;
- оборудование для очистки: ловушки для скребков,
- станции измерения;
- компрессорные и перекачивающие станции;
- катодная защита, изолирующие прокладки;
- указатели-отметчики;
- станции контроля и измерения.
Трубы
Диаметр труб на различных участках варьируется от 6 (15,24 см) до 60 дюймов (152,4 см), хотя некоторые участки могут состоять из труб меньшего диаметра, например, 0,5 дюйма (1,27 см). Однако подобные трубы малого диаметра обычно используются только в коллекторных и распределительных системах. Диаметр магистральных труб, основных труб в данной системе, обычно варьируется от 16 (40,64 см) до 48 дюймов (121,92 см). Боковые отводы трубопровода, по которым продукт доставляется к или от магистральной линии, обычно имеют диаметр от 6 (15,24 см) до 16 дюймов (40,64 см). Диаметр большинства основных федеральных трубопроводов составляет от 24 (60,96 см) до 36 дюймов (91,44 см). Трубы производят на сталелитейных заводах,
которые иногда специализируются исключительно на производстве трубопроводов. Существуют две разные технологии производства – для труб малого диаметра и для труб большого диаметра. Трубы большого диаметра – от 20 (50,8 см) до 60 дюймов (152,4 см) – производятся из листов металла, которые сворачивают или закручивают (по спирали) в форме трубы, а их концы сваривают, чтобы сформировать отрезок трубы. Трубы малого диаметра, наоборот, могут производиться бесшовным способом. Для этого металлический брусок нагревают до очень высоких температур, затем через его центр пробивают отверстие, чтобы получилась полая труба. В обоих случаях трубу тщательно проверяют перед отправкой со сталелитейного завода, чтобы гарантировать ее 100% соответствие стандартам давления и прочности для транспортировки природного газа. Кроме того, на трубы наносят специальное покрытие, чтобы они не разрушались вследствие коррозии, когда их поместят в грунт. Целью покрытия является защита трубы от сырости, которая вызывает коррозию и ржавчину. Покрытие также может быть нанесено на внутреннюю поверхность труб, чтобы защитить их от коррозии и снизить потери на трение. Существует множество различных технологий покрытия. Раньше трубы покрывали специальной угольно-смоляной эмалью. В настоящее время трубы часто защищают так называемым расплавленным эпоксидным покрытием, которое придает трубе отличительный светло-голубой цвет. В дополнение, поскольку покрытие не может быть совершенным и со временем разрушается, часто наносится катодная защита. Технология заключается в пропускании электрического тока через трубу, чтобы предотвратить коррозию и ржавление.
Вентили
Трансграничные трубопроводы на своем протяжении имеют огромное количество вентилей. Эти вентили выступают в роли шлюзов, обычно они открыты и свободно пропускают продукт; а так же их можно использовать, чтобы остановить поток на определенном участке трубопровода. Существует множество причин, по которым может потребоваться ограничить поток на определенных участках. Например, если необходимо заменить участок трубопровода или произвести ремонтное обслуживание, вентили на концах данного участка трубопровода можно закрыть, чтобы обеспечить безопасный доступ инженерам и рабочим бригадам. Некоторые вентили оснащены механизмом автоматического управления, который срабатывает при резком спаде давления, произошедшего в результате крупной утечки. Такие большие вентили могут устанавливаться на расстоянии 10-30 км друг от друга вдоль трубопровода и должны соответствовать нормам безопасности.
Компрессорные и перекачивающие станции
Чтобы гарантировать, что рабочая жидкость, поступающая по трубопроводу, остается под давлением, в трубопроводе периодически может понадобиться компрессия (для газа) или накачивание (для жидких веществ). Это осуществляется с помощью станций расположенных на расстоянии 40-100 км друг от друга вдоль трубопровода. В газопроводах турбокомпрессоры получают энергию для работы, используя небольшую часть природного газа, который они сжимают. Сама турбина приводит в движение центробежный компрессор, который сжимает и перекачивает природный газ по трубопроводу. На некоторых компрессорных станциях этот же тип центробежного компрессора (насоса) приводится в движение электрическим двигателем. Для этого вида сжатия не требуется использование перекачиваемого природного газа, однако нужен надежный источник электричества недалеко от трубопровода. Кроме того, некоторые компрессорные станции приводятся в действие поршневыми двигателями на природном газе. В газопроводах компрессорные станции кроме сжатия природного газа обычно выполняют дополнительную функцию – на них установлен некоторый тип отделителя жидкости,во многом похожий на те, которые используют для обезвоживания природного газа в процессе обработки. Обычно такие отделители жидкости состоят из газоочистителей и фильтров, которые поглощают любую жидкость или другие посторонние частицы (например, ржавчину), содержащиеся в природном газе в трубопроводе. Хотя природный газ в трубопроводе считается «сухим», нередко определенное количество воды или углеводородов конденсируется из потока газа в процессе транспортировки. Отделители жидкости в компрессорных станциях гарантируют максимальную чистоту природного газа в трубопроводе и обычно отфильтровывают газ перед сжатием.
Станции измерения потребления газа
Станции измерения потребления газа размещаются в точках отбора продукта в трубопроводе и на границах между странами. Эти станции позволяют трубопроводным компаниям отслеживать продукты в трубах и управлять ими. Фактически, такие станции измеряют продукт протекающий по трубопроводу и позволяют трубопроводным компаниям «следить» за продуктом в процессе его перемещения по трубопроводу. На таких станциях используются специализированные расходомеры для измерения продукта в процессе транспортировки по трубопроводу, не мешая ее движению. Станции измерения контролируются государственными органами в налоговых целях.
Что искать
?
В данном разделе приводится краткое описание каждого этапа строительства
трубопровода и приводятся указания по проведению инспекции.
Проектирование
Как и для любой другой инспекции, инспектор использует в качестве основания для проверки утвержденный проект и спецификации. Несоответствия могут устанавливаться только на основании этих требований. Перед началом любой инспекции важно внимательно рассмотреть все требования проекта и убедиться, что подрядчик использует последнюю редакцию данных документов. Среди многих чертежей, выполненных для строительства трубопровода, особое внимание следует уделить типовым чертежам.
Площадки для хранения
Строительство трубопровода начинается с площадок для хранения. Это место куда поставляется и хранится, а иногда собирается оборудование для строительства и трубы; а затем распределяются.
Пред
-строительный осмотр
До начала строительства геодезисты исследуют особенности рельефа на предполагаемых участках строительства трубопровода. Определяется и отмечается местоположение подземных коммуникаций и сельскохозяйственных дренажных систем, чтобы избежать их случайного повреждения во время строительства трубопровода. Это делается не только вдоль трассы трубопровода, но и на всех участках доступа к трубопроводу, а так же любой рабочей площадке.
Геодезическая разбивка и укрепление полосы отвода
Полоса отвода – узкая полоса земли, по которой проходит трубопровод и на которой производятся все строительные работы. Перед началом строительства трассу исследуют, очищают от кустарников и деревьев и выравнивают, чтобы обеспечить доступ рабочим и оборудованию для строительства, инспектирования и технического обслуживания
трубопровода. Трасса исследуется, а предполагаемая осевая линия укрепляется стойками. Внешние границы строительного коридора также укрепляются стойками (стойки разного цвета обычно расставляются через 50 м). Предполагаемая осевая линия трубопровода находится не в зоне полосы отвода строительства, а немного смешена в одну сторону. Покрывающий слой (извлеченный грунт) помещают на узкую сторону строительного коридора. На широкой стороне оставляют место для проезда двух транспортных средств и рабочую зону для укладки и сварки труб. В зависимости от типа местности, пересекаемой трубопроводом, ширина полосы отвода вдоль трассы меняется. Ширина также во многом зависит от диаметра трубы, поскольку он определяет размер строительного оборудования. Типовые значения ширины варьируются от 6 м для 3" трубы до 20 м для 24" трубы. В конце строительства узкую часть полосы отвода можно сохранить для технического обслуживания трубопровода. В случае ценных сельскохозяйственных земель этого обычно не делают.
Подготовка полосы отвода
Установка временного ограждения
Бригада, занимающаяся устройством ограждений, устанавливает временные ворота и ограждение в местах пересечения частного ограждения полосой отвода, следуя по укрепленной стойками осевой линии трубопровода. Перед тем как обрезать ограждение, его нужно скрепить на границах строительного коридора, оставив минимальную ширину, достаточную для прохода строительного оборудования. Такое скрепление позволит обрезать часть ограждения, сохранив целостность всего ограждения. По ширине полосы отвода устанавливают временные ворота, чтобы выкопать траншею, а также обеспечить место для трубы и прохода строительного оборудования.
Очистка от леса
Бригада полосы отвода очищает полосу отвода от кустарника и деревьев. Небольшие лесоматериалы надлежащим образом утилизируют или срубают и складывают на полосе отвода для использования собственником земли в качестве дров, если это возможно. Особое внимание уделяется древесине для продажи, если ее не вырубил собственник земли до начала строительства.
Очистка и сортировка
После проведения временного огораживания и очистки от леса, бригада удаляет пни, кустарник, верхний слой почвы и небольшие деревья. Если работа ведется на склоне, верхний слой почвы обычно помещают наверх склона, чтобы избежать его смешивания с другим извлеченным грунтом на последующих этапах строительства. Затем полосу отвода выравнивают, чтобы подготовить место для работы строительного оборудования. На участках вдоль сторон склона может быть необходимо создание двух уровней. На одном уровне будет находиться траншея и удаленный из нее грунт. На втором уровне будет находиться участок сборки труб, а также строительное оборудование и пути прохода. Эта технология сокращает количество грунта, который необходимо переместить на этапе временного строительства. Особое внимание необходимо уделить местам подъезда к строительной площадке, поскольку этот проезд будет использоваться большим количеством тяжелой техники. Кроме того, следует избегать нарушения сети дорог общего пользования, на многих небольших проселочных дорогах не привыкли к такому интенсивному движению.
Рытье траншеи
После расчистки и выравнивания зоны строительства экскаваторы начинают рыть траншею, по которой будет проходить трубопровод. В сельскохозяйственных районах перед рытьем траншеи верхний слой почвы снимается с поверхности рабочей площадки и складывается отдельно. Обычно это является частью подготовки полосы отвода. Грунт, извлеченный из траншеи, обычно помещают рядом с верхним слоем почвы или на противоположной стороне полосы отвода, в зависимости от наличия свободного места. Глубина траншеи может варьироваться, минимальное покрытие определяется нормами (по меньшей мере, для трубопроводов по транспортировке углеводородного сырья) или условиями собственника. Общая глубина траншеи зависит от:
- диаметра трубы;
- толщины минимального покрытия, требуемого в соответствии с нормами (обычно 0,8 м);
- дополнительного покрытия, необходимого в особых местах (дорога, река,
железнодорожные переезды) для защиты трубопровода
- увеличения глубины для размещения мягкого материала перед тем, как проложить трубопровод (в каменистом грунте);
- чтобы уменьшить угол наклона на вершине холма.
Для каждого места схемы трубопровода определяют минимальную проектную глубину траншеи. Наиболее эффективное и экономичное решение - использование экскаваторов. Экскаватор может вырыть яму в любом тип почвы, кроме участков, на которых имеются очень большие валуны или булыжники. Он выкапывает траншею и отбрасывает грунт в сторону. Гусеничные экскаваторы обычно используют для рытья траншеи на холмистой или гористой местности. Чтобы упростить переход трубопровода через нижние и верхние участки холмов, через водные преграды и железнодорожные переезды вырывается более глубокая траншея. Для этого необходимо увеличение ширины полосы отвода, чтобы вместить дополнительный грунт, извлеченный из траншеи. Траншейные экскаваторы, оснащенные специальными резцами, могут прорывать траншеи в мягких горных породах. Другое оборудование, называемое пилой для горных пород, может разрезать горную породу на необходимую глубину. Лишь в редких случаях для того, чтобы проложить траншею через горную породу, прибегают к взрывным работам. Если необходимо провести взрывные работы, заряды формируются таким образом, чтобы ограничить масштаб внешнего взрыва. Для ограничения площади разброса обломков на заряды можно положить тяжелые маты. Чтобы переработать камни в крупный песок, который можно использовать для приготовления дна траншеи и прокладочного материала, соприкасающегося с трубой, используют специальные дробильные установки.
Транспортировка и укладка труб
После того, как путь пролегания трубопровода полностью расчищен, чтобы обеспечить доступ строительной технике, части труб раскладываются вдоль полосы отвода для сварки, этот процесс называется «растаскиванием». Длина отрезков труб обычно составляет 12 м или 24 м. Отрезки длиной в 24 м свариваются на площадках для хранения из двух 12-метровых стандартных отрезков – это называетсясоединением частей труб.Швы, сделанные на площадке, можно покрыть там же или оставить без покрытия с последующим нанесением его на этапе покрытия линий стыка. Трубы индивидуальны для каждого места назначения, поэтому подрядчик по транспортировке
использует чертежи разметки трубопровода,
чтобы привезти конкретный отрезок трубы на место его назначения. На разных участках предъявляются разные требования к материалу покрытия, толщине трубы и даже материалу трубы и ее диаметру. Заранее покрытые соединения труб растаскиваются по полосе отвода на грузовиках для транспортировки труб. Трубы выгружают из грузовиков с помощью тракторов, оборудованных боковой стрелой, или кранов, расположенных на грузовиках, и раскладывают друг за другом вдоль траншеи так, чтобы к ним смогли подойти строительные рабочие. Укладка труб может проводиться одновременно с рытьем траншеи. В некоторых случаях укладку труб производят до рытья траншеи, однако обычно ее осуществляют после (чтобы избежать повреждений трубы тяжелой техникой). Если траншея должна длительное время оставаться открытой (на ночь или дольше), ее иногда ограждают, чтобы снизить риски для безопасности. Там, где необходимо выполнить переход через водное препятствие или железнодорожный переезд, соответствующие трубы складируются на одной стороне или по обеим сторонам перехода для удобства идущих следом строительных рабочих. В зависимости от подъезда и местности грузовики выгружают трубу, разворачиваются и возвращаются на площадку складирования труб. Если строительный коридор узкий, грузовикам приходится делать большой крюк – проехать значительное расстояние по коридору, затем выгрузить трубу и вновь проехать большое расстояние, чтобы выехать из коридора.
Сгибание трубы
Трубопровод должен огибать холмы и особые места. Гидравлическая трубогибочная установка сгибает отдельные соединения трубы на необходимый угол в местах, где есть значительные изменения природных рельефов грунта или где трасса трубопровода меняет направление. Трубы, которые необходимо согнуть, место центра сгиба на соединении труб и угол определяет геодезист после укладки. Информация о сгибе отмечается на соединениях труб. Гибка производится на нескольких участках по всей длине соединения труб на небольшие углы до получения нужного угла. Это позволяет трубе сохранять прочность и оставаться округлой на месте гибки благодаря свойствам стали и применяемой технологии гибки. Перед применением технологию гибки необходимо уточнить (максимальный угол отклонения каждого удара, расстояние между ударами, расстояние от концов трубы для каждого диаметра/толщины, материал).
Сварка
После завершения укладки и гибки, части трубопровода соединяют, сваривают и помещают на временные опоры вдоль края траншеи до проведения неразрушающих испытаний и спуска в траншею. Этот этап повторяется несколько раз, пока соединения из нескольких труб не объединят в участок трубопровода, который спустят в траншею за один раз. Такие участки могут быть длиной в 2 км или более на свободных зонах.
Где это возможно, используют автоматические сварочные аппараты (внешние и внутренние), но также применяют и ручную сварку, обычно для ремонта и в особых местах. При массовом производстве на поточной линии разные этапы сварки выполняют специализированные бригады рабочих, имеющие собственное специальное оборудование. Целью такой организации является производство максимального количества сварных швов за день насколько это возможно (дорогостоящая операция). Оборудование и состав рабочих занимающихся сваркой зависят от диаметра, толщины трубы, а так же процедуры сварки. Обычная структура выглядит следующим образом: за бригадами по укладке и гибке труб следует бригада сборки. Эта бригада использует одну или две боковые стрелы для укладки трубы на деревянные рамы (брусья), чтобы поддерживать ее над землей и выстроить их в соответствие с контуром траншеи. Концы труб соединяют и фиксируют на месте с помощью внутреннего пневматического зажима или внешнего механического. После того, как трубу зафиксировали и правильно выровняли, два сварщика выполняют первый проход(проход по сварке корня шва). Сразу после первого прохода, следующая группа сварщиков делает второй валик шва или горячий проход. Количество рабочих, выполняющих горячий проход, может варьироваться от 2 до 4 сварщиков и их помощников. Выполнение данных двух проходов является основной задачей бригады по сборке труб. Производительность данной бригады должна быть 500-2000 м в день в зависимости от погодных условий и местности. Бригада сварщиков: Бригада сварщиков является самой большой бригадой и состоит из 8-12 сварщиков, использующих сварочные аппараты, расположенные на автомобилях-пикапах. Бригада сварщиков накладывает оставшийся свариваемый материал на соединение, включая последний слой многослойного шва. После завершения работы на соединении труб всего образуется четыре или пять слоев сварного шва. Все сварщики, работающие на соединении, имеют уникальные идентифицирующие коды. Эти коды отмечаются на участке, прилегающем к трубе – таким образом, ведутся записи по процессу сварки.
Покрытие соединений
Трубопровод, покрытие на который обычно наносится на заводе или на площадке для хранения до укладки, требует покрытия сварных соединений и участков, поврежденных при транспортировке. После рентгена сварных шов, бригада по покрытию очищает проверенные куски сталив местах соединения труб, и наносит на него защитное покрытие. Покрытием обычно является стягиваемый при нагревании полиэтилен, обернутый вокруг трубы. Материал покрытия нагревают, чтобы он стянулся вокруг соединения, и на соединении сформировалось плотное герметичное покрытие. После нанесения покрытий группа инспекторов проверяет весь трубопровод на наличие царапин и следов абразивного изнашивания на покрытии с помощью устройства для испытаний высоким напряжением – детектора пропусков. Методом испытаний высоким напряжением обнаруживают дефекты в изоляционных покрытиях, нанесенных на электропроводящие подложки. Источник питания в измерительном приборе создает высокое напряжение постоянного тока, подаваемое на соответствующий датчик. Кабель заземления измерительного прибора подключается к непокрытому металлическому участку испытываемой подложки. При перемещении датчика по поверхности с покрытием дефект определяется по искре, возникающей в месте контакта, звуковому сигналу прибора и визуальной индикации на ручке датчика. Датчик может иметь форму щетки или пружины, которая охватывает трубу и движется вдоль всей линии.
Спуск трубопровода в траншею
После сварки трубопровода, завершения гибки и нанесения покрытия, его можно спускать в ранее вырытую траншею. Данная операция выполняется с использованием специальной строительной техники, которая расположена последовательно чтобы относительно равномерно поднимать трубопровод и опускать его в траншею. Следует действовать с осторожностью, чтобы не повредить трубопровод и внешнее покрытие. Трубопровод спускается с брусьев в траншею группой тракторов, оборудованных боковой стрелой. До начала операции по спуску трубопровода со дна траншеи убираются все камни. На участках в гористой местности на дно траншеи укладывают мешки с песком, чтобы защитить трубы и покрытие от повреждения камнями. После укладки трубопровода в траншею деревянные брусья поднимают и переносят вперед, для последующего использования.
Засыпка траншеи
До начала испытания трубопровода траншею засыпают. Иногда для засыпки траншеи используют ранее извлеченный из нее грунт, а иногда выбирают другой материал. Траншея засыпается с помощью машины для засыпки траншеи; в траншее не должно быть посторонних предметов. Засыпка траншеи требует особого внимания в следующих районах:
- на крутых склонах (где грунт обычно каменистый), материал для засыпки,
использованный при создании дна для трубопровода и соприкасающийся с трубой, может быть легко смыт. Действительно, траншея работает как водосток, и спустя годы материал для засыпки съедет вниз по склону. Чтобы избежать этого, принимают специальные меры для укрепления материла на месте (например, стенами из мешков с песком) и для создания регулируемого отвода воды (дренажная труба, отводные устройства).
-при прокладке трубопровода через подземные структуры или во всяком случаи, если невозможно добиться минимального покрытия, принимаются специальные меры, чтобы обеспечить такой же уровень защиты, как и при минимальном покрытии, а это заполнение траншеи бетоном, бетонными плитами и т.д.
Материал засыпки следует надлежащим образом уплотнить вокруг трубы (более плотно, чем в обычных случаях), чтобы придать линии необходимую прочность для защиты от статического и динамического давления нагрузок на траншею.
- Вышеуказанные меры принимаются, если по каким-то причинам нельзя использовать обычный материал для засыпки ввиду проблем, возникших при строительстве: например, обрушение траншеи во время спуска трубопровода или прокладка трубопровода через реки (когда переход создается открытым способом, материал засыпки траншеи следует укрепить для защиты от размывания течением реки).
Испытания
После засыпки трубопровод проходит гидростатические испытания согласно нормам. На самом деле, испытание трубопроводов это больше, чем просто выявление утечки и проверка сопротивления. Испытания трубопроводов проводятся даже при отсутствии соответствующих предписаний. Цели таких испытаний различны:
- удалить все загрязнения изнутри;
- проверить, чтобы не было никаких закупорок или уменьшения диаметра трубопровода;
- убедиться, что трубопровод не поднимается под давлением из-под земли (эффект Бурдона);
- убедиться, что траншея выдерживает дополнительный вес воды, используемой при испытании;
- проверить с максимальной тщательностью наличие утечек;
- проверить сопротивление, убедиться в прочности трубы и сварного шва;
- полностью удалить испытательную воду (даже из небольшого участка под
пересечением реки);
- очистить и осушить (в основном для газопроводов) внутреннюю поверхность трубопровода, прежде чем заказчик пустит через него дорогостоящий продукт;
- закрыть трубопровод с обоих концов, чтобы исключить попадание посторонних материалов и воды.
- избежать коррозии;
- избежать загрязнения окружающей среды большими объемами ржавой
воды, использованной при испытаниях.
Introduction
This section is about the inspection of high pressure cross country pipelines.
Installing a pipeline is much like an assembly line process, with sections of the pipeline being
completed in stages performed by different crews.
The construction process is “linear”, i.e. each operation follows the previous one without any
overlapping possibility. Alike for mass production in a factory, each operation is assigned to a
specialised crew or “spread” with specific equipment; everything is done so that the
construction proceeds smoothly without interference between the spreads. No need to say that
there is a lot of pressure on all the participants, including the inspectors.
For large constructions, there will be many inspectors, specialised each in a specific
discipline; civil work, welding, coating, … But very often a same inspector will have to check
all ongoing operations, requiring from him many various skills.
Cross country pipe laying spreads the operations over long distances; there might be a
hundred kilometres of rough track between the ROW gang and the backfilling. This is to be
considered when planning pipeline inspection.
Various types of pipelines
Pipelines vary mostly by the material they are built from; steel, cast iron, cement,
polyethylene.
Indeed, the material dictates for instance:
- the diameter and pressure,
- the weight and the length of the components to be joined
- how to make curves and take-offs,
- the trench preparation,
- the lowering-in technique,
- the backfilling,
- the anti-corrosion system,
- the testing.
Obviously, the environment will dictate the material:
- high pressure + big diameter will require steel,
- low pressure + big diameter will be concrete of cast iron,
- Small diameters can be any of those and also accept polyethylene (HDPE) and ABS.
This guideline deals with welded steel pipelines for the long distance transportation of :
- liquid hydrocarbons such as crude oil or refined products (diesel, gasoline, jet fuel,…),
- gaseous hydrocarbons such as natural gas (methane) or refined products (ethylene,
propane, etc…)
- water (drinking, raw or sea)
- slurry (a mixture of water and coal or ore powder)
Pipeline Components
A pipeline is not just an assembly of pipe joints welded together. It is a system that constitute
a functional transportation system, like a road or railway network.
Many fittings, accessories and facilities are installed on a line for the operations of this
transportation equipment:
- flanges, bolts, gaskets, casings,
- valves, vents, relief devices,
- thrust blocks
- cleaning facilities: scrapper traps or pig traps,
- metering stations,
- compressor or pumping stations
- cathodic protection, insulating joints,
- line markers,
- monitoring and metering stations
Pipes
Pipelines can measure anywhere from 6 to 60 inches in diameter, although certain component pipe sections can consist of small diameter pipe, as small as 0.5 inches in diameter. However, this small diameter pipe is usually used only in gathering and distribution systems.
Mainline pipes, the principle pipeline in a given system, are usually between 16 and 48 inches in diameter. Lateral pipelines, which deliver product to or from the mainline, are typically between 6 and 16 inches in diameter. Most major interstate pipelines are between 24 and 36 inches in diameter. Pipelines are produced in steel mills, which are sometimes specialized to produce only
pipeline. There are two different production techniques, one for small diameter pipes and one
for large diameter pipes. For large diameter pipes, from 20 to 60 inches in diameter, the pipes
are produced from sheets of metal which are folded or rolled (spiral) into a tube shape, with
the ends welded together to form a pipe section. Small diameter pipe, on the other hand, can
be produced seamlessly. This involves heating a metal bar to very high temperatures, then
punching a hole through the middle of the bar to produce a hollow tube. In either case, the
pipe is 100% tested before being shipped from the steel mill, to ensure that it can meet the
pressure and strength standards for transporting natural gas. Line pipe is also covered with a specialized coating to ensure that it does not corrode once placed in the ground. The purpose of the coating is to protect the pipe from moisture, which causes corrosion and rusting. Coating can also be applied on the inside of the pipes to protect them against corrosion and to reduce the friction loss. There are a number of different coating techniques. In the past, pipelines were coated with a specialized coal tar enamel. Today, pipes are often protected with what is known as a fusion bond epoxy, which gives the pipe a noticeable light blue colour.
In addition, as the coating is never totally perfect and will deteriorate with time, cathodic
protection is often used. This is a technique of running an electric current through the pipe to
ward off corrosion and rusting.
Valves
International pipelines include a great number of valves along their entire length. These valves work like gateways; they are usually open and allow the product to flow freely, or they can be used to stop the flow along a certain section of pipe. There are many reasons why a pipeline may need to restrict flow in certain areas. For example, if a section of pipe requires replacement or maintenance, valves on either end of that section of pipe can be closed to allow engineers and work crews safe access. Some valves are equipped with actuator that can be triggered by a sudden drop of pressure resulting from a major leak. These large valves can be placed every 10 to 30 km along the pipeline, and are subject to regulation by safety codes.
Compressor and Pumping Stations
To ensure that the fluid flowing through any one pipeline remains pressurized, compression
(for gas) or pumping (for liquids) is required periodically along the pipe. This is
accomplished by stations, usually placed at 40 to 100 km intervals along the pipeline.
On gas pipelines, turbine compressors gain their energy by using up a small proportion of the
natural gas that they compress. The turbine itself serves to operate a centrifugal compressor
that compresses and pumps the natural gas through the pipeline. Some compressor stations are
operated by using an electric motor to turn the same type of centrifugal compressor/pump.
This type of compression does not require the use of any of the natural gas from the pipe,
however it does require a reliable source of electricity nearby. Reciprocating natural gas
engines are also used to power some compressor stations. On gas pipelines, in addition to compressing natural gas, compressor stations also usually contain some type of liquid separator, much like the ones used to dehydrate natural gas during its processing. Usually, these separators consist of scrubbers and filters that capture any liquids or other undesirable particles (rust for instance) from the natural gas in the pipeline. Although natural gas in pipelines is considered ‘dry’ gas, it is not uncommon for a certain amount of water and hydrocarbons to condense out of the gas stream while in transit. The liquid separators at compressor stations ensure that the natural gas in the pipeline is as pure as possible, and usually filters the gas prior to compression.
Metering Stations
Metering stations are placed at take offs and at the boundary between states. These stations
allow pipeline companies to monitor and manage the products in their pipes. Essentially, these
metering stations measure the flow of product along the pipeline, and allow pipeline
companies to ‘track’ the product as it flows along the pipeline. These metering stations
employ specialized flow meters to measure the product as it flows through the pipeline,
without impeding its movement. Metering stations may be controlled by the state authorities for fiscal duties purpose.
What to look for?
This section describes briefly each pipeline construction step and for each one gives
indications for its inspection.
Design
As for any other inspection, the inspector uses the approved design and specifications as a
reference for his inspection. Non conformities may only be raised against these requirements.
Before starting any inspection it is important to examine carefully all the requirements of the
design and verify that the contractor uses the last revision of these documents.
Among the many drawings issued for a pipeline construction, a special attention shall be
brought to the typical drawings.
The yards
Pipeline construction starts from the yards. This is where the construction equipment and the
pipes arrive, are stored and sometimes prefabricated and from where they are distributed.
Pre-construction survey
Before construction begins, surveyors check for environmental features along proposed
pipeline segments. Utility lines and agricultural drainages are located and marked to prevent
accidental damage during pipeline construction. This is done not only on the pipeline route
but also on all the site accesses and any other working area.
Surveying and stacking the right-of-way (ROW)
The right-of-way is a narrow strip of land that contains the pipeline(s) and is where all
construction activities occur. Prior to any construction, it is surveyed, cleared of brush and
trees, and levelled to give workers and equipment access to build, inspect and maintain the
pipeline. The route is surveyed and the proposed centreline staked. The outer boundaries of the
construction corridor are staked also (stacks have different colours, typically with a 50m
spacing). The proposed centreline of the pipeline is not in the centre of the construction right-
of-way, but offset to one side. The overburden (excavated material) will be placed on the narrow side of the construction corridor. On the wider side, there is room for two vehicles to pass and a work area for laying and welding the pipe. Depending the type of terrain crossed by the pipeline, the ROW does not have the same width along all the route. The width also largely depends on the diameter of the pipe, as this diameter conditions the size of the construction equipment. Typical widths are from 6m for a 3” pipeline to 20m for a 24” line. At the end of the construction, a narrow band of the ROW may be kept for the maintenance of the pipeline. This is generally not the case in valuable agricultural land.
Right-of-way Preparation
Temporary Fence installation
A fencing crew follows the staked centreline of the pipeline, and installs temporary gates and
fencing where the right-of-way crosses a landowner’s fence. Prior to cutting a fence, it should
be braced at the boundaries of the construction corridor for a minimum width that would
allow construction equipment to pass prior. The bracing allows a fence to be cut and still
maintain integrity of the overall fence. Temporary gates are installed across the width of the
construction right-of-way to allow the ditch to be excavated, as well as provide room for the
pipe and construction equipment to pass.
Timber Clearing
The right-of-way crew clears the right-of-way of all shrubs and trees. Smaller timber are
properly disposed of or cut and stacked on the right-of-way for use by the landowner for
firewood, if appropriate. Special attention is brought to merchantable timber if this has not
been taken care of by the landowner prior the construction begins.
Clearing and grading
After temporary fencing and timber clearing have been accomplished, a crew removes
stumps, shrubs, topsoil and small trees. When the work is done along a hillside, the topsoil
should normally be placed on the uphill side to prevent mixing with other excavated material
during later stages of construction. The right-of-way is then be levelled to allow construction
equipment room to work. In areas along the sides of hills (“side hilling”), two levels may be
necessary. One level would contain the ditch and material removed from it. The second level
would accommodate the pipe fabrication area, as well as construction equipment and passing
lanes. This technique reduces the amount of material that must be displaced during the
temporary construction phase of the work. Access points to the site require a special attention as a lot of heavy equipment will use this passage. Damage to the public road network should be avoided as well, many small country roads or tracks being not used to see so much traffic.
Trenching
After the construction zone is cleared and levelled, trenching machines begin digging the
trench where the pipeline will be buried. In agricultural areas and before trenching, the
topsoil is removed from the work area and stockpiled separately. This is generally part of the
ROW preparation. Materials removed from the ditch would normally be placed adjacent to
the topsoil pile or on the opposite side of the ROW, depending the availability of space.
The depth of the trench can vary, the minimum cover being defined by the regulation (for
hydrocarbon pipelines at least) or the owner’s specifications. The total depth of a trench
depends on:
- the diameter of the pipe,
- the minimum cover required by the regulation (typically 0.8m),
- additional cover required in special locations (road, river, railway crossings) to protect
the pipeline,
- increased depth to accommodate soft backfill before the pipe is laid (in rocky soil),
- to decrease slope on top of hills.
Pipeline layouts will define for each location the minimum design depth of the trench.
The most effective and economical solution is to use a trenching machine. A trenching
machine is capable of cutting through all types of soils except areas that have very large
boulders or rocks. It cuts the trench and side casts the soil. Track-mounted excavators are normally be used to dig the ditch in hilly or mountainous terrain. Extra ditch depth is dug to ease the transition of the pipeline at the bottoms and tops of hills, at water crossings, road crossings and railroad crossings. This requires additional temporary right-of-way width to accommodate the extra material excavated for the ditch. Trenching machines equipped with special blades are also capable of trenching through soft rock. Other equipment called rock saws can cut through rock to the desired depth. Only in rare occasions would blasting be used to trench through rock. If blasting is required, the charges are shaped to limit the amount of outward explosion. To limit the amount of debris spread, heavy mats can be placed over the charges. Special crushers are used to transform the rocks in coarse sand that can be used to prepare the bottom of the trench and the backfill material in contact with the pipe.
Pipe hauling and stringing
Once the pipeline’s path has been cleared sufficiently to allow construction equipment to gain access, sections of pipes are laid out along the right-of-way, ready for welding, a process called ‘stringing’. The pipe sections are commonly 12m or 24m long. The 24m long sections are made at the yard by welding together two 12m standard section; this is called double-joining. The joints made at the yard may be coated at the yard or left as such for subsequent coating with the line joints. Pipes are specific to their destination and the hauling contractor uses the pipeline layout drawings to string the right pipes at the right place. Indeed, certain areas have different
requirements for coating material, pipe thickness and even pipe material and diameter.
Pre-coated pipe joints are hauled to the right-of-way on stringing trucks. The pipe are
unloaded from the trucks with a side-boom tractor or the crane mounted on the truck and
placed end-to-end alongside the ditch so they are accessible to construction personnel.
Pipe stringing may occur concurrently with trenching. In some cases, pipe stringing may
occur ahead of the trenching, but it normally follows the trenching crew (to avoid damages to
the pipe by the heavy earth moving equipment). In cases where the trench is to remain open for extended periods (over night or longer) it is sometimes barricaded to reduce any safety hazard.
Where water and road crossings are to be accomplished, the appropriate pipes are stockpiled
on one or both sides of the crossing so they are to the construction crews that would follow.
Depending on access and terrain, the trucks off-load the pipe and then turn around and return
to the pipe lay-down area. In cases where there is a narrow construction corridor, the trucks
have to make a continuous loop by driving a significant distance up the corridor, then off-load
the pipe and follow the corridor a significant distance to exit the corridor.
Bending the pipe
A pipeline must cross over hills and curve around special places. A hydraulic pipe-bending
machine bends individual joints of pipe to the desired angle at locations where there are
significant changes in the natural ground contours or where the pipeline route changes
direction. The pipes to be bent, the location of the centre of the bend on the pipe joint and the
angle are defined by the surveyor after stringing. Bending data are marked on the pipe joints.
The bending is limited to making many small bends along the length of a pipe joint until the
desired bend angle is obtained. Doing so, the pipe retains its strength and remains circular
where it is bent because of the characteristics of steel and the bending techniques used.
The bending technique should be qualified before production (maximum angular deviation for
each stroke, distance between strokes, distance from the ends of the pipe, for each
diameter/thickness, material).
Welding
After the stringing and bending are complete, the pipe sections are aligned, welded together,
and placed on temporary supports along the edge of the trench, waiting for NDT and lowering
in. This step is repeated a number of times until multiple pipe joints are joined to form a pipeline
section which will be lowered in in one shot. Such sections may be as long as 2 km or more in
clear areas. Automatic welding machines (external and internal) are used where possible and some hand welding also takes place, generally for repairs and special points. As for mass production on an assembly line, the various welding phases are performed by specialized crews, having each their specific equipment. The purpose of this organization is to produce as many welds per day as possible (expensive operation). The equipment and staffing of the welding spread depends on the diameter, thickness and welding procedure. A typical set-up looks like the following: the pipe gang follows the pipe stringing and bending crews. The pipe gang uses one or two side booms to set the pipe up on wooden frames (skids) to support the pipe off the ground and line up the pipe with the contour of the trench. Pipe ends are aligned and clamped in place,
using an internal pneumatic clamp or an external mechanical one. Once the pipe is fixed and proper alignment has been achieved, two welders perform the first pass (root pass). Immediately after the first pass, the next group of welders applies the second bead or hot pass. The hot passers can number anywhere from 2 to 4 welders with their helpers. The completion of the root pass (1st pass) and the hot pass (2nd
pass) is the primary function of the pipe gang. Production from the pipe gang is expected to be 500m to 2000m per day, depending on weather and terrain. The firing crew is the largest crew, and consists of 8 to 12 welders using welding machines mounted on pickup trucks. The welding crews follow and place the remainder of the weld material into the joint, including the final “cap” weld. When completed there are a total of four or five layers of welds on the pipe joint. All welders that work on a joint have unique identifying codes. The codes are marked on the area adjacent to the pipe so complete records of the welding are maintained.
Joint Coating
Line pipe, normally mill-coated or yard-coated prior to stringing, requires a coating at the
welded joints and at areas damaged by handling operations. After the welds have been X-rayed, the coating crew cleans the exposed steel at the joint between the pipes and applies a protective coating to it. The coating is commonly a heat-shrinkable polyethylene wrapped around the pipe. Heat is applied to the coating material to shrink it around the joint and form a tight, impervious
covering on the joint. After the coatings have been placed, an inspection crew checks the entire pipeline for nicks and abrasions in the coating with a high-voltage testing device, the holiday detector. The High Voltage Detection Technique locates flaws in insulating coatings on conductive substrates. A power supply within the instrument generates a high DC Voltage which is supplied to a suitable probe. An earth voltage return lead from the instrument is connected to
an uncoated area of the metal of the test substrate. As the probe is passed over the coated surface, a flaw is indicated by a spark at the contact point with an audible alarm in the detector and a visual alarm in the probe handle. The probe can have the shape of a brush or a spring that surrounds the pipe and is rolled all along the line.
Lowering in the pipe
Once the pipe is welded, bent and coated it can be lowered into the previously dug trench.
This is done with specialized construction equipment acting in tandem to lift the pipe
relatively uniformly and lower it into the trench. Care is taken to avoid damaging the pipe and
its exterior coating. The pipe is lowered off the skids into the ditch by a team of several side-boom tractors. All rocks are removed from the bottom of the ditch prior to the lowering operation. In any areas of rocky terrain, sand-filled bags would be placed in the bottom of the ditch to protect the pipe and coating from damage from rocks. After the pipe is laid in the trench, the wooden skids are picked up and moved ahead to reuse.
Backfilling the trench
Before testing the pipeline, the ditch is backfilled. Sometimes the excavated soil is used to fill
the trench and sometimes other selected backfill is used. The trench is backfilled using a
backfilling; no foreign materials are permitted in the trench.
Backfilling requires special attention in the following areas:
- in steep slopes (where the soil is generally rocky), the backfill material used to prepare
the pipeline bed and which is in contact with the pipe may be easily washed away.
Indeed, the trench is working like a drain and over the years the backfill will tend to
slip down the hill. To avoid this, special arrangements are made to stabilize the backfill in place (sand bag walls for instance) and to evacuate the water under control (drain pipe, diverters).
- when crossing underground structures or in any case when the minimum cover cannot
be achieved, special measures should be taken to provide the same level of protection:
backfilling with concrete, concrete slabs, etc… More than in normal cases, the backfill around the pipe should be properly compacted to provide the necessary strength to the line against static and dynamic pressure from loads crossing the trench.
- The above also applies when for some reasons the normal cover could not be achieved
due to construction problems: collapsing of the trench during the lowering in operation or river crossings (when the crossing is in open trench, the backfill of this trench shall be stabilized against erosion from the river).
Testing
After backfilling, the pipeline is hydrostatically tested following applicable regulations.
Actually, pipeline testing is more than just leak detection and resistance checking. Pipelines
are tested even when there is no applicable regulation. Indeed, the purposes of this “testing” operation are multiple:
- remove all debris from the inside;
- verify that there is no obstruction or diameter reduction;
- make sure the pipeline will not come out of the ground under pressure (Bourdon
effect);
- make sure the additional weight of the test water can be supported by the trench;
- check for leaks with maximum accuracy,
- check for resistance, verify the strength of the pipe and the weld,
- empty totally the test water (even this little tiny pocket under this river crossing)
- clean and dry (mainly for gas pipelines) the internal surface of the pipeline before the
client introduces valuable product into it,
- close the line at both ends to avoid any introduction of foreign materials and water.
- avoid corrosion;
- avoid polluting the environment with the huge quantities of rusty test water;
|