海底パイプライン

海底パイプライン（海洋パイプライン、海底パイプライン、オフショアパイプラインとも呼ばれる）は、海底または海溝内の海底下に敷設されるパイプラインである。 ^{[1] [2]} パイプラインの大部分は陸上にあるが、場所によっては小海峡、海峡、河川などの水域を横切る。^[3]海底パイプラインは主に石油やガスの輸送に使われるが、水の輸送も重要である。^[3]フローラインとパイプラインは区別されることがある。 ^{[1] [3] [4]}前者は、特定の開発フィールド内で海底の坑口、マニホールド、プラットフォームを接続するために使用されるという意味で、フィールド内パイプラインである。後者は輸出パイプラインと呼ばれることもあり、資源を陸上に運ぶために使用される。^[1]大規模なパイプライン建設プロジェクトでは、オフショアの生態系、地質災害、環境負荷など、多くの要因を考慮する必要があり、多くの場合、学際的な国際チームによって実施される。^[1]

海底パイプライン計画の最も初期かつ最も重要な作業の 1 つは、ルートの選択です。^[5]この選択では、さまざまな問題を考慮する必要があります。その中には政治的な問題もありますが、他のほとんどの問題は、地質災害、予定ルートに沿った物理的要因、および検討対象の地域の海底のその他の用途に関するものです。^{[5] [6]}この作業は、事実調査から始まります。これは、地質図、水深測量、漁業海図、航空写真および衛星写真、および航行当局からの情報の調査を含む標準的な机上調査です。^{[5] [6]}

海底パイプライン建設で考慮すべき主な物理的要因は、海底の状態、つまり海底が滑らか（比較的平坦）か、凹凸（波状で、高低差がある）かです。凹凸がある場合、パイプラインは 2 つの高点を接続するときに自由スパンを含み、その間のセクションはサポートされません。^{[2] [7]}サポートされていないセクションが長すぎると、 （その重量による）曲げ応力が過剰になる可能性があります。流れによって引き起こされる渦による振動も問題になる可能性があります。^{[7] [8]}サポートされていないパイプラインスパンの修正方法には、海底の平坦化と、パイプラインの下の盛土または砂の充填などの設置後のサポートが含まれます。海底の強度も重要なパラメーターです。土壌が十分に強くない場合、パイプラインが海底に沈み、検査、メンテナンス手順、および将来の接続の実行が困難になる可能性があります。一方、岩の多い海底では掘削に費用がかかり、高所ではパイプラインの外部コーティングが摩耗したり損傷したりする可能性がある。^{[7] [8]}理想的には、土壌はパイプがある程度沈み込むようなものでなければならず、それによって横方向の安定性が得られる。^[7]

パイプラインを建設する前に考慮すべきその他の物理的要因には以下のものがある: ^{[2] [7] [8] [9] [10] [11]}

• 海底の流動性:砂波と巨大波紋は時間とともに移動する地形で、建設中にそのような地形の頂上で支えられていたパイプラインは、パイプラインの運用寿命の後半に谷底に沈むことがあります。これらの地形の変化を予測することは難しいため、それらが存在することがわかっているエリアは避けることが望ましいです。
• 海底地滑り: 堆積速度が速いために発生し、急斜面で発生します。地震が原因となることもあります。パイプ周辺の土壌が滑りを受けると、特にその結果生じる変位がラインに対して高角度である場合、パイプ内のパイプが激しく曲がり、その結果として引張破壊が発生する可能性があります。
• 潮流: 潮流が強いと、パイプ敷設作業が妨げられるため、好ましくありません。たとえば、浅い海では、2 つの島の間の海峡で潮流が非常に強くなることがあります。このような状況では、代替ルートが長くなる場合でも、パイプを別の場所に運ぶ方が望ましい場合があります。
• 波: 浅瀬では、波がパイプライン敷設作業 (激しい波浪状況) に問題を引き起こす可能性があり、水の洗掘作用により、その後の安定性にも問題が生じます。これは、陸地(パイプラインが海岸線に達する場所) が特に計画に細心の注意を要するエリアである理由の 1 つです
• 氷関連の問題: 凍結した海では、浮氷が浅瀬に漂い、その竜骨が海底に接触することがよくあります。漂流し続けると、海底をえぐり、パイプラインに衝突する可能性があります。^[12] スタムキはまた、局所的に高い応力を加えたり、周囲の土壌を破壊して過度の曲げを引き起こしたりすることで、この構造物を損傷する可能性があります。シュトゥルーデルは、冷水におけるもう1つのパイプラインの危険です。シュトゥルーデルを流れる水により構造物の下の土壌が除去され、（自重による）過度の応力や渦による振動に対して脆弱になります。これらのリスクが存在することがわかっている地域でのパイプラインルート計画では、埋め戻した溝にパイプラインを敷設することを検討する必要があります。

パイプラインルートを適切に計画するには、提案ルート沿いの海底を利用する、または将来利用する可能性のある幅広い人間活動を考慮する必要がある。これには以下が含まれる: ^{[2] [8] [13]}

• その他のパイプライン: 計画中のパイプラインが既存のパイプラインと交差する場合 (これは珍しいことではありません)、交差するためにその接合部に橋渡し構造が必要になることがあります。これは直角に行う必要があります。接合部は、直接の物理的接触または流体力学的効果による 2 つの構造間の干渉を回避するように慎重に設計する必要があります。
• 漁船: 商業漁業では、海底を引きずり、トロール船の後方数キロメートルまで伸びる重い漁網を使用します
• 船舶のアンカー: 船舶のアンカーは、特に港の近くではパイプラインにとって潜在的な脅威となります。
• 軍事活動: 一部の地域には、以前の紛争で発生した機雷がまだ残っており、現在も運用されています。爆撃や射撃訓練に使用されている他の地域には、実弾が隠されている場合もあります。さらに、場所によっては、潜水艦探知用のさまざまな機器が海底に設置されています。これらの地域は避ける必要があります。

海底パイプラインの直径は、一般的にガス管用の3インチ（76 mm）から大容量管用の72インチ（1,800 mm）まで様々である。^{[1] [2]}壁の厚さは、通常10ミリメートル（0.39インチ）から75ミリメートル（3.0インチ）の範囲である。パイプは、高温高圧の流体用に設計することができる。壁は350〜500 MPa（50,000〜70,000 psi）の高降伏強度鋼で作られており、溶接性が主な選択基準の1つである。^[2]構造は、多くの場合、ビチューメンやエポキシなどのコーティングによって外部腐食から保護され、犠牲陽極による陰極防食が補完されている。^{[2] [14]}コンクリートまたはグラスファイバーで包むと、摩耗に対する保護がさらに強化される。コンクリートコーティングを追加すると、パイプラインが低密度物質を運ぶときに、パイプラインの正の浮力を補うのにも役立つ。 ^{[2] [15]}

パイプラインの内壁は石油用途ではコーティングされていない。しかし、海水や腐食性物質を運ぶ場合は、エポキシ、ポリウレタン、ポリエチレンでコーティングしたり、セメントでライニングしたりすることができる。^{[2] [14]} 石油産業では、漏れは許容されず、パイプラインは通常10 MPa（1500 psi）程度の内部圧力を受けるため、セグメントは完全浸透溶接で接合される。^{[2] [14]}機械式ジョイントも使用される。ピグは、陸上でも海上でも、パイプライン輸送の標準的な装置である。これは、静水圧をテストしたり、パイプ内の側壁のへこみやしわをチェックしたり、定期的な清掃や軽微な修理を行うために使用される。^{[1] [2]}

パイプライン建設には、多数のパイプセグメントを1本のラインに組み立て、そのラインを目的のルートに沿って敷設するという2つの手順があります。複数のシステムを使用できます。海底パイプラインの場合、物理的および環境的条件（例：海流、波浪状況）、機器の可用性とコスト、水深、パイプラインの長さと直径、ルート沿いの他のラインや構造物の存在に関連する制約などの要因に基づいて、いずれかのシステムが選択されます。^{[2]これらのシステムは通常、}プル/トウ、Sレイ、Jレイ、リールレイの 4つ​​の大きなカテゴリに分類されます。^{[16] [17] [18] [19]}

牽引/曳航方式では、海底パイプラインは陸上で組み立てられ、その後、設置場所まで曳航される。組み立ては海岸線に平行または垂直に行われる。前者の場合、曳航と設置の前にパイプライン全体を組み立てることができる。^[20]牽引/曳航方式の大きな利点は、パイプラインの事前テストと検査が海上ではなく陸上で行われることである。^[20]この方式では、あらゆるサイズと複雑さのパイプラインを扱うことができる。^{[18] [21]}曳航手順に関しては、いくつかの構成が使用可能であり、次のように分類できる：表面曳航、近表面曳航、中深度曳航、および海底外曳航。^[22]

• 表面曳航：この構成では、パイプラインは曳航中は水面に留まり、その後敷設現場で所定の位置に沈められます。パイプラインは浮力を持つ必要がありますが、これはパイプラインに個別の浮力ユニットを取り付けることで実現できます。^[20]表面曳航は荒れた海には適しておらず、横方向の流れの影響を受けやすいです。
• 水面近くでの曳航: パイプラインは水面下ですが、水面近くに留まります。これにより波の影響が緩和されます。ただし、パイプラインをそのレベルに維持するために使用される円柱ブイは荒れた海の影響を受け、それ自体が曳航作業の課題となる可能性があります。
• 中深度曳航：パイプラインは、重いか、吊り下げられたチェーンによって重くされているため、浮力がありません。この構成では、パイプラインは2隻の曳航船の間に懸垂下降します。その懸垂下降の形状（たわみ）は、パイプラインの重量、船舶によってパイプラインに加えられる張力、およびチェーンにかかる流体力学的揚力のバランスによって決まります。^[23]許容されるたわみの量は、海底の深さによって制限されます。
• オフボトム曳航: この構成は中深度曳航に似ていますが、ここでは海底を引きずるチェーンを使用して、ラインを海底から 1 ～ 2 メートル (数フィート) 以内に維持します。
• 底曳航：この場合、パイプラインは海底に引きずり込まれます。パイプラインは波や海流の影響を受けず、海が曳航船にとって荒れすぎた場合は、パイプラインを放棄して後で回収することができます。このタイプのシステムの課題には、耐摩耗性コーティングの必要性、他の海底パイプラインとの相互作用、潜在的な障害物（岩礁、岩石など）などがあります。底曳航は、河川横断や海岸間の横断によく使用されます。^[24]

S字敷設システムでは、パイプラインの組み立ては、パイプ処理コンベア、溶接ステーション、X線装置、ジョイントコーティングモジュールなど、パイプセグメントを接合するために必要なすべての機器を備えた船上で、設置場所で行われます。[ ^25] S記号は、海底に敷設されたパイプラインの形状を示します。パイプラインは、スティンガーと呼ばれる支持構造物から船尾または船首で離れます。スティンガーはパイプの下向きの動きをガイドし、凸上曲線（オーバーベンド）を制御します。海底に向かって進むと、パイプは海底（タッチダウンポイント）に接触する前に凸下曲線（サグベンド）になります。サグベンドは、パイプラインの水中重量に応じて船舶（テンショナー経由）から適用される張力によって制御されます。パイプラインの構成は、過度の曲げによって損傷しないように監視されます。^[25]この現場でのパイプライン組み立て方法は、レイバージ建造と呼ばれ、その汎用性と自己完結性で知られています。この船の配備に関連するコストが高いにもかかわらず、効率的で、比較的外部のサポートを必要としません。^[26]しかし、厳しい海況に対処する必要がある場合があります。これは、補給船からのパイプの移送、アンカーの取り扱い、パイプの溶接などの作業に悪影響を及ぼします。^[25]レイバージ設計の最近の開発には、ダイナミックポジショニングとJレイシステムがあります。^{[25] [27]}

水深が非常に深い場所では、パイプラインがスティンガーからほぼ真下に伸びるため、S-lay システムは適切ではない可能性があります。パイプラインの端部での急激な曲がりを避け、過度のたるみ曲がりを軽減するには、パイプラインの張力を高くする必要があります。^[28]そうすると、船舶の位置決めが妨げられ、テンショナーがパイプラインを損傷する可能性があります。特に長いスティンガーを使用することもできますが、その構造は風や流れに悪影響を受けるため、これも好ましくありません。^[28]最新世代の敷設バージの 1 つである J-lay システムは、深海の環境に適しています。このシステムでは、パイプラインはほぼ垂直のランプ (またはタワー) から船舶から離れます。過度に曲がることはなく、懸垂線のたるみ曲がり(したがってJ の表記) のみがあり、これにより張力を軽減できます。パイプラインは、入水時に波の作用を受けることが少なくなります。^[29]しかし、船体デッキの長さに沿って複数の場所で同時にパイプ溶接を行うことができるS-layシステムとは異なり、J-layシステムでは1つの溶接ステーションしか対応できません。この欠点を補うために、高度な自動溶接方法が使用されています。^[30]

リール敷設方式では、パイプラインは陸上で組み立てられ、通常約20メートル（66フィート）×6メートル（20フィート）の大きさの大きなドラムに巻き取られ、^[31]専用船に搭載される。その後、船はパイプラインを敷設する場所へ出向く。パイプラインを組み立てる陸上施設には、天候や海況に左右されず、海上作業よりも安価であるなど、固有の利点がある。^[21]パイプラインの供給は調整可能であり、1つのラインを海上で敷設している間に、別のラインを陸上で巻き取ることができる。^[32] 1つのリールには、全長のフローラインを収容するのに十分な容量がある。^[32]ただし、リール敷設方式では、最大約400 mm（16インチ）までの小径パイプラインしか処理できない。^[33] また、パイプを構成する鋼材の種類は、ドラムに巻き取られる際に適切な曲率に曲げられ（スパイラルJチューブによって）、設置現場でのレイアウト作業中にまっすぐに戻される（ストレートナーによって）ため、必要な量の塑性変形を受けることができなければならない。^[34]

海底パイプラインとその構成部品を安定化し保護するために、いくつかの方法が用いられている。これらは単独で、または組み合わせて用いられる。^[35]

海底パイプラインは、漁具（アンカーなど）やトロール漁から守るため、溝の中に敷設されることがある。^{[36] [37]また、パイプラインを}潮流や波の作用（砕波帯を横切るとき）から守るために、陸上からのアプローチでもこの方法が必要になることがある。溝掘りは、パイプライン敷設前（敷設前溝掘り）または敷設後のパイプラインの下の海底を削り取ることによって（敷設後溝掘り）行うことができる。後者の場合、溝掘り装置はパイプラインの上に乗るか、パイプラインをまたぐ。^{[36] [37]} 海底に溝を掘るために、いくつかのシステムが使用されている。

• ジェッティング：これは、パイプライン敷設後の溝掘り作業であり、強力なポンプを使用してパイプラインの両側に水を吹き付け、パイプラインの下の土壌を取り除きます。^{[38] [39]}
• 機械切削：このシステムでは、チェーンまたはカッターディスクを使用して、パイプラインの下から岩などの硬い土壌を掘削して除去します。 ^[40]
• 耕作:当初は事前の溝掘りに使用されていた耕作の原理は、より高速で安全な操作のためにサイズが軽量化された洗練されたシステムへと進化しました。
• 浚渫/掘削: 浅い水域では、パイプラインを敷設する前に浚渫船や掘削機で土壌を除去することができます。これには、カッター吸引システム、バケットの使用、バックホーの使用など、さまざまな方法があります。^[36]

「埋設されたパイプは、開いた溝に埋設されたパイプよりもはるかによく保護されています。」^{[41]これは、近くの海岸から}採掘された岩で構造物を覆うことによって一般的に行われます。または、溝掘り中に海底から掘削された土を埋め戻しとして使用することができます。埋設の大きな欠点は、漏れが発生した場合にその場所を特定するのが難しく、その後の修理作業が難しいことです。^[42]

マットレスは、下地に応じてパイプラインの上に敷くことも、パイプラインの下と上に敷くこともできます。^[35]

• 葉状マットレスは海藻と同様の効果があり、砂が堆積する傾向がある。流されないように底に固定する必要がある。^[35]
• コンクリートマットレスは、パイプラインの一部をその重量で固定し、洗掘を減らすために使用されます。通常、コンクリートブロックをロープでつないで作られているため、それ自体の重量で固定できるほどの重さがあります。^[35]
• コンクリートマットレスと重ねた葉状マットレスを組み合わせたマットレスも使用されている。^[35]

横方向の動きを防ぐために、パイプラインを杭に固定するクランプが使用される場合がある。^[35]

プレキャストコンクリートサドルブロックは、横方向のサポートを提供し、パイプラインをよりしっかりと固定するために使用されることがあります。^[35]

これらは、垂直方向および/または横方向のサポートを提供するために、パイプラインの側面または下に詰められることがあります。^[35]

パイプラインの一部に砂利を撒くことで、洗掘を軽減し、横方向の動きに対する安定性を高めることができる。^[35]

エスポー条約は、プロジェクトが国境を越えた環境影響をもたらす可能性がある場合、通知と協議に関する特定の要件を定めた。エスポー条約が環境被害の緩和にどの程度効果的であるかについては、学者の間で意見が分かれている。国境を越えるパイプラインの建設に関わる海洋法の概念は、領海、大陸棚、排他的経済水域、公海の自由、環境保護に関係している。国際法の下では、公海はすべての国に海底パイプラインの敷設やその他のさまざまな建設のために開放されている。^[43]

海底パイプラインは、船の錨、腐食、地殻変動、あるいは建設や材料の欠陥によってパイプライン自体が損傷を受ける可能性があるため、環境リスクを伴います。スタニスラフ・パティンは、天然ガスが海中の生態系、魚、その他の海洋生物に与える影響に関する研究は限られていると述べています。研究者は、1982年と1985年にアゾフ海で発生した掘削事故後の大量の魚の死と天然ガスの漏れの間に因果関係があることを発見しました。 ^[43]

海底パイプラインの環境リスクに関する懸念は、何度も提起されてきた。英国大陸棚の石油パイプラインに関わる重大な事故は少なくとも2件発生している。また、北海の他のパイプラインに関わる「小規模な流出およびガス漏れ」も数件発生している。1980年にはパイプラインが船の錨によって損傷を受け、1986年には圧力の変化によりパイプラインのバルブが故障した。どちらの事故も石油流出につながった。バルト諸国数カ国はノルドストリームパイプラインについて懸念を表明した。全長1,200kmの海底パイプラインのルートは、バルト海の漁場や第二次世界大戦の化学兵器が廃棄された地域を通過することになる。^[43]

• Bai Y. & Bai Q. (2010)海底工学ハンドブック。Gulf Professional Publishing、ニューヨーク、919 ページ。
• バレット、P (2011)。「氷による海底の削れに対する沖合パイプラインの保護：概要」。寒冷地科学技術。69 ：3-20。doi ：10.1016/ j.coldregions.2011.06.007。
• Brown RJ (2006)パイプラインとライザーの曳航の過去、現在、そして未来。第 38 回オフショア技術会議 (OTC) の議事録。ヒューストン、米国
• Croasdale K.、Been K.、Crocker G.、Peek R.、Verlaan P. (2013)カスピ海のパイプラインの Stamukha 積載事例。第 22 回北極条件下における港湾海洋工学に関する国際会議 (POAC)、エスポー、フィンランドの議事録。
• Dean ETR (2010) Offshore Geotechnical Engineering - Principles and Practice、Thomas Telford、Reston、VA、USA、520 ページ。
• Gerwick BC (2007) 「海洋およびオフショア構造物の建設」CRC Press、ニューヨーク、795 ページ。
• Palmer, AC & Been K. (2011) 北極圏のパイプラインの地質災害。WO McCarron (編集者)、Deepwater Foundations and Pipeline Geomechanics、J. Ross Publishing、フロリダ州フォートローダーデール、pp. 171–188 。
• Palmer, AC & King RA (2008)。Subsea Pipeline Engineering (第 2 版)。米国タルサ: Pennwell、624 ページ。
• Ramakrishnan TV (2008)オフショアエンジニアリング。Gene-Tech Books、ニューデリー、347 ページ。
• Wilson JF (2003) オフショア環境の構造。JF Wilson (編集者)、Dynamics of Offshore Structures。John Wiley & Sons、ホーボーケン、ニュージャージー州、米国、pp. 1–16。