CC BY
40
экология
УДК 528.48
Л. И. УВАРОВ Е. Н. ВЛСЯЕВЛ Е. О. ХЛЫНЦЕВА
Омский государственный аграрный университет
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
И ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ
МАГИСТРАЛЬНЫХ
НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ
ЧЕРЕЗ РЕКИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Настоящая статья посвящена вопросам экологической безопасности и геодезическому мониторингу состояния подводных переходов магистральных нефтегазопроводов. Рассмотрены вопросы точности определения деформации русла геодезическими методами.
Общая протяженность трубопроводов различного назначения в России превышает 228 тыс. км [9], в том числе магистральных газопроводов - более 151 тыс.
Трубопроводный транспорт нефти, газа и нефтепРодуктов в настоящее время является основным средством доставки этих продуктов от мест добычи к местам переработки и далее к потребителям.
км, магистральных нефтепроводов - более 47 тыс. км, нефтепродуктопроводов - 19,3 тыс. км. Более 40% магистральных трубопроводов эксплуатируются свыше 20 лет.
Основными районами добычи нефти и газа в России являются Крайний Север и Западная Сибирь. Магистральные трубопроводы транспортируют
Рис. 1. Причины аварий на трубопроводах.
углеводородное сырье для дальнейшей переработки и потребления в центральные районы страны. Трубопроводы пересекают на своем пути множество искусственных и естественных преград.
По данным Управления по надзору в нефтяной и газовой промышленности Госгортехнадзора России [10] основными техническими причинами аварий в трубопроводном транспорте являются (рис. 1):
— повреждения в результате внешних воздействий-33%;
— ошибки проектирования и монтажа при строительстве- 24 %;
— заводской брак при изготовлении труб - 17 %;
— наружная коррозия - 20 %;
— нарушение регламента по эксплуатации трубопровода - 6 %.
Существует несколько способов строительства подводных переходов трубопроводов. Они основываются либо на проложении их в траншеи, либо на бестраншейном способе.
В первом случае подводные переходы прокладывают с заглублением в дно пересекаемых водных преград. Величину заглубления устанавливают в зависимости от возможных деформаций русла и перспективных дноуглубительных работ. При пересечении водных преград, дно которых сложено скальными породами, и при невозможности переноса створа перехода допускается укладка трубопровода непосредственно по дну. При этом предусматриваются специальные мероприятия, обеспечивающие их надежность в эксплуатации.
Пассивная защита от коррозии подводного трубопровода обеспечивается изоляционным покрытием усиленного типа, состоящим обычно из грунтовки, двух слоев полимерной ленты и двух слоев защитной обвертки. Для зашиты изоляционного покрытия от механических повреждений при укладке трубопровода на дно траншеи используется футеровка с деревянными рейками.
В настоящее время все большее распространение получает метод направленного бурения, так он как имеет ряд существенных преимуществ перед траншейным. Этот метод реализовывается в следующем порядке: сначала по выбранному створу под руслом реки пробуривается скважина, примерно повторяющая очертание поперечного профиля. По ней протаскивается труба. Технология бурения состоит из двух или трех этапов и имеет ряд специфических особенностей: наклонно-направленное бурение пилотной скважины под дном водной преграды с началом на одном берегу и выходом на противоположный берег в заранее намеченную точку; расширение скважины (если это необходимо) до диаметра трубы и цементирование скважины специальным раствором; протаскивание в скважину предварительно сва-
ренного, заизолированного, испытанного на прочность рабочего трубопровода.
К достоинствам данного метода по сравнению с траншейным способом относятся [13]:
— меньшая суммарная стоимость, в том числе за счет уменьшения эксплуатационных затрат, а также из-за отсутствия резервной трубы и пригрузов;
— меньшее время выполнения строительных работ;
— большая надежность и меньший риск аварий;
— меньшее воздействие на водный объект и на смежные сооружения;
— меньший объем послестроительного мониторинга;
— меньший объем затрат на предупреждение аварий.
Но чтобы оценка была объективной, не следует забывать и о недостатках:
— необходимость глубокого геотехнического бурения и гидрогеологических изысканий;
— отсутствие надежных решений при проходке наклонным бурением галечников, валунных и илистых грунтов, а также карста;
— повышенные требования к устойчивости береговых откосов и береговых площадок, на которых размещается оборудование;
— возможность проникновения бурового раствора через толщу донных грунтов и относительного загрязнения водотока.
Срок службы при строительстве трубопровода рассчитывается на длительный срок, за который в природе водной преграды могут произойти существенные изменения. Поэтому отечественная и зарубежная практика подтвердила необходимость прокладки через водные преграды, кроме основной нитки, одной и более резервных.
Анализ происшествий на ТПП показывает, что основной причиной аварий и неполадок на этих объектах следует считать недостаточно обоснованный выбор запаса глубины заложения трубопровода, ниже максимально возможной глубины размыва русла в створе перехода. Запасы глубины при проектировании перехода через водотоки имеют целью гарантировать принятую степень его безопасности при воздействии подмываемого водным потоком трубопровода. Принятые запасы глубины заложения трубопровода, закладываемые при проектировании, должны компенсировать погрешности при выборе гидрологических, геологических и грунтовых параметров, гидравлических и русловых расчетов. Известному стремлению закладывать трубопровод на малой глубине соответствует большой риск оголения трубопровода при размыве, и, наоборот, заложение трубопровода на большей глубине хотя и обходится дороже, однако характеризуется меньшим риском оголе-
ния при паводках и меньшими эксплуатационными расходами.
Часто на практике принимаемый запас глубины при относительно небольших глубинах размыва дна является явно завышенным и, наоборот при больших глубинах размыва в ряде случаев может оказаться недостаточным для безопасной работы сооружения. Основными причинами необоснованного назначения запаса глубины заложения трубопровода на ТПП, как показывает анализ аварийных ситуаций, следует считать: недостаточно полный учет случайных факторов, определяющих процесс размыва основания трубопроводов, обусловленный объемом и надежностью накопленного материала гидрологических и русловых наблюдений; недостаточный учет возможных появлений катастрофических расходов воды; недостаточно точный расчет ожидаемых размывов. Таким образом, привыборе запасаглубины и определения риска наступления неблагоприятного состояния в первую очередь следует учитывать случайную статистическую природу самого размыва (являющуюся классическим примером случайного процесса) и изменчивый характер протекания физических, механических и других процессов при размыве ТПП, а также ответственность рассматриваемого объекта на наносимый экологический и экономический ущерб при выходе из строя.
При эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов основной причиной утечки углеводородного сырья является разрыв трубы в результате вибрации, провиса, кручения после ее оголения, а также внешняя и внутренняя коррозии [11]. Оголение тела трубы, даже при отсутствии вибрации и резонанса, грозит разрушением футеровки и дальнейшей коррозией металла трубы. Для обеспечения экологической безопасности функционирования подводных переходов магистральных трубопроводов следует обращать особое внимание на мониторинг их состояния, прогнозирования дальнейших изменений и своевременного принятия решений по устранению причин возможных аварий.
Практика показывает [12], что на вновь строящихся переходах повторяются прежние ошибки: изыскания выполняются не в полном объеме, типовые методы строительства подводных переходов и берегоукрепительных работ проводятся без учета гидроморфологических характеристик участка реки. На реках Западной Сибири с грядовым движением донных наносов это приводит к тому, что уже при разработке траншеи в русле водным потоком выносится грунт мелких фракций за пределы строительного участка. Причем объем выноса достигает 30-40% от объема траншеи [12]. Извлеченный грунт под действием течения разносится и оседает на дне на расстоянии, равном от 1 до 60 глубин, в зависимости от глубины и скорости потока. Это приводит к 50-60% дефициту грунта при засыпке траншеи. Дефицит восполняется за счет разработки карьера в ложе реки в непосредственной близости от дюкера. При этом происходит разрушение на дне реки отмостки, состоящей из крупных фракций донных отложений. Отмостка препятствует интенсивному размыву дна. Естественное восстановление отмостки процесс длительный, занимающий период от 2-5 лет и более. За это время идет интенсивное переформирование донных отложений, обусловленное вымыванием частиц, диаметр которых меньше, чем диаметр частиц отмостки. Этот процесс сопровождается понижением (высот) отметок Дна, что не предусмотрено в проекте. В процессе размыва дна и понижения отметок дюкер оказывается в
активном, подвижном слое (нелитифицированых илов и ленточных гряд), при этом происходит периодическое оголение дюкера, При оголении на дюкер воздействуют не предусмотренные проектом нагрузки, возникают крутящий, изгибающий, опрокидывающий моменты, наблюдается явление абра-зивности.
К таким же последствиям на реках с грядовым движением наносов приводит неполная засыпка траншеи над дюкером, так как откосы траншеи начинают играть роль откосов гряды и происходит их перемещение по законам движения грядовых форм наносов.
Любое вмешательство в гидроморфологический режим реки является очень сильным фактором, понижающим надежность подводного перехода. Например, строительство Новосибирского водохранилища на реке Оби привело к размыву дна на 160 км вниз по течению. Кроме водохранилищ, на гидроморфологический режим влияют разработка речных карьеров, отбор воды на нужды водоснабжения и орошения, руслоисправительные работы для обеспечения судоходства, причем выполняемые как выше, так и ниже по течению относительно перехода. О таких работах газотранспортные предприятия не оповещаются и проекты их не согласовываются. Нет обмена информацией с Речным флотом, поэтому судовой ход идет через оголенные участки труб, то есть переходы не нанесены на лоции.
Утечка углеводородного сырья обнаруживается через несколько часов после аварии, еще несколько часов уходит на принятие решений и организацию работ по ликвидации последствий. За это время часть нефтегазопродуктов уносит течением, а часть оседает на дне водоема. Аварии на подводных переходах нефтегазопроводов приводят к экологическим катастрофам и нарушению природного баланса флоры и фауны. Например, некоторые тяжелые соединения нефти, оседая на дно водотока, блокируют нормальное развитие экосистемы на несколько лет. Соединения нефтепродуктов выводятся из органических соединений долго, поэтому на ликвидацию последствий аварий уходят десятилетия. При эксплуатации подводных переходов трубопроводов необходимо производить систематический мониторинг их состояния.
Термин «мониторинг» английского происхождения, появился в словаре русского языка в 90-х годах XX века. Первоначальное его понятие - «наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека» [7]. Этот термин использовали в основном экологи. В последние годы его применяют во многих областях знаний и, согласно [6], под мониторингом понимают -«систему постоянных наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния какого-либо природного, социального и других объектов».
Авторы Гуляев Ю.П., Васильев Е.А. и Черваков Ю.П. [5] предлагают термин «мониторинг исполнительных съемок». Гуляев Ю.П., Васильев Е.А. [4], рассматривая мониторинг природно-технических систем, вводят понятие геодезического мониторинга; геодезический мониторинг принимается за основную связующую систему, которая обеспечивает пространственно-временную привязку различных составляющих геоэкологии к общему началу и дает интегральные количественные характеристики параметров сложного взаимодействия подсистем в природно-технических системах.
Геодезический мониторинг разделяется на две части: мониторинг физической поверхности Земли и
ее гравитационного поля (область исследований физической и спутниковой геодезии) и мониторинг при-родно-технических систем (область исследования инженерной геодезии). Авторы рассматривают в качестве природно-технических систем мегаполисы, промышленные центры, ГОК, ГЭС, АЭС, места утилизации и захоронения вредных отходов и др. Содержание геодезического мониторинга природно-технических систем определяется ими на основе наблюдений, анализа и прогноза полученной информации. Наиболее полный геодезический мониторинг должен включать: геодезические, инженерно-гравиметрические, картографические и другие натурные наблюдения за пространственно-временными изменениями поведения и состояния исследуемых природно-технических систем; математическую обработку результатов наблюдений с целью оценки и повышения их точности, математическое моделирование наблюдаемых процессов, в том числе их анализ, интерпретацию и прогноз. В содержание мониторинга авторы допускают включать функции управления природно-техническими системами на основе выполненных наблюдений, анализа и прогноза.
Мониторинг подводных переходов магистральных нефтегазопроводов является составной частью системы мониторинга опасных гидрологических явлений и процессов, которая, в свою очередь, является подсистемой государственного мониторинга окружающей природной среды.
Под мониторингом состояния подводных переходов магистральных нефтегазопроводов понимается учет и анализ результатов внутритрубных инспекций, планово-высотного положения трубопроводов и русловых процессов в зоне подводного перехода на соответствие технического состояния требованиям нормативной документации, с целью установления гарантийного срока эксплуатации. Таким образом, мониторинг состояния подводных переходов разделяется на две составные части:
— состояния тела трубы, включая футеровку, под воздействием внутренних факторов, вызывающих коррозию металла и других разрушающих процессов;
— влияния на трубопровод внешней среды (русловых процессов в зоне действующих подводных переходов, изменение планово-высотного положения подводного перехода).
Мониторинг состояния подводных переходов магистральных нефтегазопроводов должен обеспечивать, согласно [1] безаварийную работу трубопровода: обладать необходимой для оценки состояния точностью, достоверностью, оперативностью и данными для прогнозирования изменений наблюдаемого состояния.
Для прогнозирования необходимо иметь:
— исходные данные результатов геодезического мониторинга,
— достоверную методику оценки исходных материалов,
— алгоритм прогноза.
Результаты мониторинга должны быть представлены в наглядной, доступной форме. Система мониторинга должна быть обеспечена высоким уровнем автоматизации. Современные технологии должны обеспечивать:
— оперативное получение достоверной информации о текущем состоянии (сбор);
— сопоставление данных с предыдущими (обра-_, ботка);
— надежное и долгосрочное хранение данных;
— анализ полученной информации;
— доведение результатов мониторинга и прогноза до рекомендаций по принятию необходимых мер и решений для обеспечения безопасной эксплуатации нефтепровода.
Система должна иметь организационное, программное, техническое, нормативное, математическое, метрологическое и правовое обеспечение. Для мониторинга основным принципом по сбору информации является принцип «от частного к общему». Отсюда и разномасштабность мониторинга:
— на местном (локальном),
— региональном (территориальном),
— федеральном уровнях.
По частоте проведения мониторинг подразделяется [3] на стандартный и учащенный:
— стандартный - система регулярных наблюдений и контроля за развитием природных явлений и процессов в окружающей среде, проводимых по единой программе, определенной действующими нормативными документами;
— учащенный - применяется в случае достижения одного или нескольких наблюдаемых пороговых значений деформаций, вследствие чего измерения во времени проводятся более часто.
Подводные переходы магистральных трубопроводов испытывают постоянное воздействие внешней среды. Переформирование русла реки, называемое гидрологами деформацией русла, один из основных природных факторов, влияющих на безопасность и надежность работы подводного перехода. В геодезической практике традиционно рассматривают деформацию как изменение положения объекта относительно первоначального, а изменение его формы -как производную от функции смещения.
Мониторинг состояния подводных переходов сопровождается геодезическими методами. На сегодняшний день широко применяются геоинформационные технологии и системы (ГИС). Они позволяют произвести обработку и анализ пространственных данных, наглядно отображать текущее состояние подводного перехода, моделировать последующие его изменения и т.д. Методы мониторинга должны обеспечивать сведение к минимуму или исключение риска принятия неверного решения. Кроме применения современных методик, мониторингом должны заниматься высококвалифицированные специалисты, имеющие опыт работы.
Изучение причин деформаций подводного перехода магистрального нефтегазопровода является необходимым и важным процессом при мониторинге состояния подводного перехода. Центральным вопросом при мониторинге является вопрос надежности определения деформации (не является ли полученная величина деформации следствием ошибок геодезических измерений?) Поэтому количественная характеристика деформаций и надежность их определения являются основными задачами при мониторинге состояния подводного перехода магистрального трубопровода.
При изучении деформации русла геодезическими методами необходимо установить точность измерений. Необходимая точность геодезических измерений может быть указана в техническом задании или получена расчетным путем. В нормативных документах расчетный путь практически не рассмотрен.
Понятие "точность измерения деформации" может выражаться либо исходной точностью определения величины самой деформации, либо точностью геодезических измерений. Исходная точность
определения деформации может быть установлена с учетом рассмотрения следующих факторов:
— критического (предаварийного) значения деформации,
— последовательного во времени описания самого процесса протекания деформации.
Исходная точность определения критического значения деформации не должна превышать, согласно [8], значения:
Фкр
где тфкр — средняя квадратическая ошибка определения критического значения деформации, Фкр — критическое значение деформации, 1р — нормированный коэффициент, зависящий от вида распределения и уровня доверительной вероятности.
Если принять, что закон распределения ошибок геодезических измерений близок к нормальному, то при доверительной вероятности, равной 0,997, =з. Подставив в формулу (1) 1р = 3, получим:
тфкр < 0,17-Фкр • (2)
Таким образом, само критическое значение деформации должно быть не менее 17% от среднеква-дратической ошибки определения деформации.
При последовательном описании протекания деформации степень деформации характеризуется скоростью Уф. По аналогии с формулой (1):
Vф ^ туф , (3)
гдеф(^ — величина деформации на момент времени (.
При Хр =3, получим Шуф £0Г17-Уф .
Скорость деформации устанавливается по расчетным данным или на основе динамического прогнозирования, для которого необходимо знать значения деформации за предшествующий период.
В заключение следует отметить, что, поскольку на территории Западной Сибири проложена значительная часть подводных переходов магистральных нефтегазопроводов России, задачи проведения инженерно-геодезических изысканий при проектировании, строительстве, мониторинге и прогнозировании их состояния, непосредственно связанных с экологической безопасностью эксплуатируемых трубопроводов, актуальны на сегодняшний день и требуют дальнейших исследований и разработок по их совершенствованию .
Приведенные выше расчеты установления точности определения критического значения русловой деформации, отсутствующие в нормативных доку-
ментах, будут способствовать экологической безопасности функционирования подводных переходов магистральных трубопроводов.
Библиографический список
1. ГОСТР. 1.01 -95. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Основные положения.
2. ГОСТ Р. 22.1.0295. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Термины и определения.
3. ГОСТ Р. 22.1.08 - 99. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование опасных гидрологических явлений и процессов. Общие требования.
4. Гуляев Ю.П., Васильев Е.А. О геодезическом мониторинге природно-техничетких систем и оптимальном конструировании точности его топографо-геодезической основы.// Геодезия и картография, 2001, №4.
5. Алгоритм обработки мониторинга исполнительных съемок. -Васильев Е.А., Гуляев Ю.П., Черваков А.Ю. Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия. Тез. докл. Международной научно-практической конференции. Барнаул. - 1999.
6. Универсальный словарь иностранных слов русского языка. -М : Вече, 2001.-688 с.
7. Современный словарь иностранных слов: - Ок. 20000 символов. - М.: Рус.яз., 1993.-740 с.
8. Геодезические методы исследования деформаций сооружений. Зайцев А.К., Марфенко C.B., Михелев Д.Ш, и др. - М.: Недра, 1991,-272с.
9. Государственный доклад о состоянии промышленной безопасности опасных производственных объектов, рационального использования и охраны недр Российской Федерации в 2000 г. -М.: ГУП "НТЦ Промбезопасность", 2001.
10. Ким Д.П., Кислов А.И., Скибо В.И. Региональные учения по ликвидации аварий и их последствий на подводных переходах нефтепроводов через Енисей. // Трубопроводный транспорт нефти- 1996, №9.
11. Шаммазов A.M., Мугаллимов Ф.М., Нефедова Н.Ф. Подводные переходы магистральных нефтепроводов. - М.: ООО "Недра -Бизнесцентр", 2000. - 237 с.
12. Уваров АЛЛ., Хлынцева Е.О. Анализ современного состояния подводных переходов магистральных газопроводов, задачи по их мониторингу и его геодезическому обеспечению.// Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения Русского географического общества. История, природа, экономика. - Омск: изд-во ОмГПУ, 2002. -166-168 стр.
13. Хлынцева Е.О. Геодезическое сопровождение новых способов строительства подводных переходов трубопроводов через реки.//3емельные ресурсы Сибири: изучение, управление, реформирование: Сб.науч.тр. - Омск: изд-во ОмГАУ, 2002, - 193-197 с.
УВАРОВ Анатолий Иванович, кандидаттехнических наук, доцент, заведующий кафедрой геодезии. ВАСЯЕВА Елена Николаевна, старший преподаватель кафедры геодезии.
ХЛЫНЦЕВА Елена Олеговна, старший преподаватель кафедры геодезии.
