CC BY
98
Генюш А.О.
БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА И ДИНАМИКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Трубопроводный транспорт углеводородов России представляет собой сложную техническую систему, общая протяженность трубопроводов которой превышает 1 млн. км, а охват территории страны составляет 35%. Под безопасностью такой транспортной системы, понимается бесперебойность снабжения нефтью и газом как внутренних потребителей, так и внешних. Только в 2002 году за пределы России было экспортировано 186,4 млн. тонн нефти. Большие объемы и выгодное расположение трубопроводных систем на Евроазиатском континенте могут позволить России оказывать серьезное влияние на геополитическое развитие энергетического рынка. Таким образом, надежность трубопроводного транспорта является одним из факторов экономической, энергетической и национальной безопасности страны.
Другой, не менее важный аспект безопасности, связан с токсичностью углеводородов. Существующий уровень аварийности трубопроводов приводит к высокому риску опасного техногенного воздействия на людей и природные массивы.
Всего за один месяц января 2005 года, по информации ИТАР-ТАСС, произошло 19 прорывов межпромысловых трубопроводов на месторождениях «Юганскнефтегаза». По данным специалистов Сургутского отделения управления по охране окружающей среды, аварии происходят в одних и тех же местах - на старейших промыслах компании. А в середине марта 2005 года всего из-за двух аварий была остановлена работа 3 60 скважин этой же компании.
Вообще, по данным Госгортехнадзора, в 2001 г. только на промысловых трубопроводах произошло 4 2 тыс. случаев разгерметизации. При этом вылилось более 65 тыс. м3 нефти и пластовой воды.
Очевидно, успешность функционирования системы трубопроводов зависит от большого количества факторов. Здесь и протяженность системы в целом, и характеристики отдельных труб, и влияние углеводородов, а также окружающей среды. Тектонические разломы земной коры - явление далеко не очевидное, как, например, вечная мерзлота или болото. Различные деформационные процессы, происходящие в земной коре благодаря тектоническим нарушениям, сопряжены с серьезной опасностью для протяженных объектов, таких как магистральные и промысловые трубопроводы, подземные коллекторы и т.п., поскольку те, в силу своей геометрии пересекают множество зон влияния подвижных тектонических структур.
Согласно теории глобальной тектоники плит, литосфера Земли разбита региональными тектоническими нарушениями на ряд крупных литосферных блоков, которые, в свою очередь разбиты на множество более мелких структурных блоков локальными тектоническими нарушениями. Аналогично движению крупных блоков, подвижки происходят и по локальным разломам. При этом подвижность блоков имеет трендовый направленный характер в совокупности с динамическими колебаниями различной природы. Трендовая скорость перемещения блоков по региональным разломам составляет от 10 до 500 мм/год [1].
С точки зрения физики и геомеханики, локальные тектонические разломы проявляют себя как динамически напряженные зоны (ДНЗ) Земли, для них характерны динамические деформационные процессы, однако, без разрывных нарушений толщи пород. Эти деформационные процессы сопровождаются временными вариациями магнитного поля [3,6]. Деформации имеют строгую временную привязку к особым точкам лунных приливных волн в земной коре, и, по исследованиям [3,7], суточные изменения напряжений трубопровода в напряженных зонах составляют значительную величину 20-80 МПа, а
максимальные деформации составили до 10 см на 100 м трубы. Установленные деформации создают
напряжения в металле труб, близкие к пределу прочности стальных труб [2,3].
Воздействие на трубопроводы, возникающее через часовые промежутки, может приводить к
малоцикловой усталости металла, что в свою очередь, неизбежно должно приводить к локальному
усилению и ускорению процесса коррозии. Часовые промежутки характерны именно для лунных приливных колебаний коры.
А выделение агрессивных подземных газов в зоне разлома [6], где грунт более рыхлый, приводит к возрастанию интенсивности коррозии.
Одними из первых с проблемой существования деформационных процессов внутри земной коры столкнулись организации, занимающиеся эксплуатацией магистральных протяженных объектов. В
настоящее время по территории Российской Федерации проложено более 200 тыс. км. магистральных
нефте- и газопроводов, которые неминуемо пересекают множество региональных и локальных
тектонических разломов. По имеющейся статистике, около 80% всех аварий магистральных
продуктопроводов приурочены к определенным местам - местам пересечения ими тектонически нарушенных зон. Причем отмечается достаточно высокий процент повторяемости аварийных событий на одних и тех же участках - повторяемость двукратных аварий на одном и том же локальном участке достигает 75-80%, а повторяемость трех- и более кратных доходит до 95%. Также, по имеющейся статистике, к локальным тектоническим разломам приурочены аварии других протяженных инженерных объектов - коллекторов, систем канализации и водоснабжения [2].
На территории Федоровского месторождения зафиксировано более тридцати линейных тектонических нарушений типа локальных разломных структур. Согласно результата анализа связи аварийности трубопровода с местоположением локальных разломов [2], если на одном участке трубопровода зафиксированы 2 отказа и более, то на участках в зоне действия локальных разломов таких случаев наблюдается 89 из 171, что составляет 52%; если же зафиксировано 5 отказов и более, это уже 52 случая из 64, т. е. 81,3% .
Установлено, что к этим локальным разломным структурам приурочена повторяющаяся аварийность продуктопроводов разных назначения, марок стали, диаметра, толщины стенки, внутреннего давления и прочих технологических параметров.
Другие исследования также подтверждают наличие связи плотности дефектов трубопровода с разломами земной коры [6]. В результате совместной работы различных организаций (ТУМГ, ТюмГНГУ, ЗапСибНИИГГ, ТюменьНИИГипрогаз) было проведено исследование влияния разломов на развитие дефектов газопровода в равнинной местности Западной Сибири. В работе рассмотрен участок газопровода Уренгой-Сургут-Челябинск, протяженностью 14 0 км. На каждой 0,5-километровой ячейке подсчитано количество дефектов. С другой стороны рассмотрено изменение магнитного поля на этом же участке пространства, этот параметр связан с феноменом разломов [2].
Встречаемость отказов на одном участке
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1/282 2/171 3/110 4/76 5/64
Кол-во отказов и более/ Число отказов данной встречаемости
□Отказы на сплошном массиве
□Отказы в пределах локальных разломов
В результате расчетов, коэффициент корреляции распределения дефектов с производной магнитного поля составил 0,39, что позволило исключить гипотезу об их независимости на уровне достоверности
0,999.
Эти исследования говорят, что воздействие локальных разломов земной коры на трубопроводы значительно, имеет множественный характер [3] и может приводить к разрушению трубопроводов.
Кратко говоря, они заключают, что в зонах тектонических нарушений существуют природообусловленные условия аварийности, однако, оценки жизнеспособности трубопроводов в этих зонах остаются неизвестными. А ведь отказы и аварии имеют вероятностную природу. Поэтому безопасность
трубопроводов определяется как состояние объектов сложной технической системы в условиях приемлемого риска. И современное нормирование восстановления и модернизации оборудования
трубопроводных систем должно опираться на количественное решение проблемы безопасности. Для определения работоспособности трубопроводных систем и назначения объемов диагностики и ремонта необходимо знание надежностных характеристик объекта.
Существуют работы по системному анализу надежности нефтепромысловых трубопроводов (НПТ) [4,5]. Эти работы, основываясь на статистике отказов трубопроводов и рассматривая те или иные факторы, влияющие на надежность НПТ имеют своим результатом различные количественные показатели надежности. В работе [4] проделан огромный труд по сбору и системному анализу статистических данных о техническом состоянии НПТ при эксплуатации в условиях севера Западной Сибири. Здесь же разработаны модели определения надежности НПТ с учетом факта увеличения общей протяженности
системы трубопроводов, вследствие замены участков трубопровода. На основании этих моделей
получены характеристики надежности. Эти характеристики не учитывают влияние деформационных процессов земной коры.
Среди проанализированных работ, как в [1, 2, 3], так и в работах по оценке характеристик
надежности [4, 5] отсутствуют сведения о количественных оценках показателей надежности
трубопроводов в зоне влияния разломов земной коры, что является существенным пробелом в теории надежности трубопроводного транспорта нефти и газа. Факт недостаточного исследования проблемы, связанной с прокладкой трубопроводов в районах активных тектонических разломов подтвердил доклад Главного научного консультанта Российского Союза Нефтегазостроителей, Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора О.М. Иванцова на 3-ей Всероссийской неделе нефти и газа 2003 г.
Однако методики расчета показателей надежности на основании статистики отказов НПТ [4,5] представляют огромный интерес и могут быть использованы как основа для разработки метода, учитывающего фактор принадлежности участков трубопровода к зонам тектонических разломов.
Обладая методиками расчета показателей надежности трубопровода, пересекающего зоны
тектонических разломов и зная местоположение разломов, можно выбрать оптимальный вариант прокладки трубопровода, оптимальный материал конструкций, спрогнозировать срок службы трубопровода, определить объемы диагностики и снизить природообусловленную аварийность. Тем самым, повысить промышленную и экологическую надежность и безопасность функционирования трубопроводного транспорта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панжин А.А. Методы мониторинга короткопериодных деформаций массива горных пород / А.А. Панжин // http://igd.uran.ru/geomech/articles/paa 014/index.htm
2. Кострюкова Н.К. Локальные разломы земной коры - фактор природного риска / Н.К. Кострюкова, О.М. Кострюков - М.: Издательство Академии горных наук, 2002. - 239 с.
3. Кострюкова Н.К. Безаварийная эксплуатация нефтегазопроводов в свете динамики деформационных процессов в локальных разломах земной коры / Н.К. Кострюкова, О.М. Кострюков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2004, №1. -С.27-31.
4. Муравьев И.И. Статистический анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов по данным
многолетней эксплуатации в климатических условиях севера Западной Сибири / И.И. Муравьев, В.А. Острейковский, В.И. Рябченко // Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах: Сб. науч. тр. каф. ИВТ. №1 / Под ред. проф. В.А. Острейковского. - Сургут, 2002.- с.
23-27.
5. Сметанин А.В. Анализ статистических данных толщинометрии при оценке характеристик
надежности нефтяных трубопроводов в условиях Западной Сибири / А.В. Сметанин // Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах: Сб. науч. тр. каф. ИВТ. №2 / Под общ. ред.
Ф.Ф. Иванова. - Сургут, 2003.- С. 4-10.
6. Мосягин М.Н. Исследование связи плотности дефектов трубопровода с разломами земной коры / М.Н. Мосягин, И.В. Белашова, В.Ф. Быков, Г.М. Голошубин, В.К. Коркунов, С.А. Корчагин, В.Ф. Новиков // Известия вузов, Нефть и газ, 2004, №3. -С.75-77.
7. Новиков В.Ф. Определение динамики напряжений в трубопроводах при суточных движениях элементов земной коры / В.Ф. Новиков, Н.К. Кострюкова, О.М. Кострюков, А.А. Болотов // Известия вузов, Нефть и газ, 1999, №5. -С. 65-72.
