CC BY
24
УДК [622.691.4.07:551.462.32]:001.891.57
Контроль проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов на основе фреймово-продукционных моделей
М.Н. Мансуров1*, А.В. Шеховцов2
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1
2 ПАО «Газпром», Российская Федерация, 117997, ГСП-7, г. Москва, ул. Наметкина, д. 16 * E-mail: [email protected]
Тезисы. Морские трубопроводные системы являются сложными техническими объектами, работающими в трудных природных условиях. При проектировании и строительстве морских трубопроводов необходимо обеспечить устойчивость и стабильность их положения в течение длительного срока эксплуатации под воздействием природных и техногенных факторов. В статье рассмотрены геоситуационные проблемы и нештатные ситуации, прогнозируемые при проектировании и возникающие в ходе строительства и эксплуатации морских трубопроводов. Определен перечень георисков и гидрометеорологических условий, а также проанализированы механизмы их воздействий на устойчивость и целостность трубопроводов.
На основе совокупного научно-методического анализа сведений о географических, гидрометеорологических, литодинамических, геологических и сейсмических условиях конкретных трасс морских трубопроводов должны формироваться диагностические модели в виде совокупности фреймов и продукционных правил для получения численных оценок устойчивости трубопроводов к природным и техногенным факторам и принятия решений по преодолению возможных опасностей и нештатных ситуаций.
Опыт строительства и эксплуатации морских трубопроводов (МТ) показывает целесообразность совершенствования методов их проектирования и строительства. Особая важность этих проблем обусловливается продолжительными сроками эксплуатации таких трубопроводов в сложных природно-географических условиях континентального шельфа.
В процессе строительства и эксплуатации МТ подвергаются воздействию различных природных факторов. Основные факторы, подлежащие учету при проектировании, нормированы1. К ним относятся ветровые и волновые воздействия, приливы и течения, ледовые, геологические и грунтовые условия, а также сейсмические воздействия. Эти факторы детально изучаются в ходе проектирования на основе:
• сведений о сейсмических, гидрологических, литодинамических, ледовых и других условиях и их последующей камеральной обработки;
• исследований образцов геологических проб грунта;
• экспериментов и моделирования поведения трубопровода при сейсмических, ледовых, гидродинамических и других воздействиях.
Установлено, что на успешность проектирования МТ как сложного пространственного инженерно-технологического объекта оказывают существенное влияние следующие нормативные и техногенные факторы: будущая конструкция трубопровода; технология укладки, точность навигации и маневрирования трубоукладочных судов; полная длина и сложность маршрута (в частности, наличие крутых поворотов трассы); экологические ограничения и геориски (рельеф и геология морского дна,
Ключевые слова:
морские
трубопроводы,
природные
и техногенные
факторы,
модели
воздействия,
нештатные
ситуации,
процессы укладки,
устойчивость
к воздействиям,
диагностические
модели.
См., например, ГОСТ Р 54382-2011. Подводные трубопроводные системы. Общие технические требования;
GL 2004. Rules and Guidelines Industrial Services. IV-Pt. 8: Pipelines. Ch. 1: Rules for Subsea Pipelines and Risers / Germanischer Lloyd Offshore and Industrial Services GmbH. - 2004; ISO 13623:2000(Е). Нефтяная и газовая промышленность. Системы трубопроводной транспортировки;
DNV-0S-F101. Offshore standard. Submarine pipeline system / DNV. - 2007.
волнение, ветер, течения и т.д.); требования полномочных властей; необходимость обхода зон боевой подготовки, полигонов и других зон высокого риска; минимизация прохождения в исключительных экономических зонах и т.д. [1].
При прокладке МТ учитывается и совместно обрабатывается информация: а) о факторах геосреды (метеорология, гидрология, геология дна, батиметрия); б) нормативно-правовая; в) навигационная; г) о конструкции МТ и технологии его монтажа и укладки. Наибольшими объемом и изменчивостью (оперативностью) характеризуется геоинформация о среде: гидрология, данные метеорологической обстановки, геориски. При этом именно геориски оказывают наиболее существенное воздействие на состояние МТ [1].
Инженерный подход к обеспечению надежности конструкции трубопровода состоит в определении предельно допустимых (критических) значений интенсивности внешних воздействий, при которых можно гарантировать устойчивость конструкции к воздействию данного типа. Однако в естественных природных условиях интенсивность воздействий носит объективно случайный характер, т. е. всегда существует отличная от нуля вероятность, что интенсивность воздействия (данного типа) превысит проектное значение. В таких случаях есть некоторая вероятность возникновения неучтенной в рамках проекта ситуации, которая может квалифицироваться как нештатная, а вызвавшая ее геоситуация - как проблемная. Возможны также случаи, когда уровни воздействий среды не превышены, но достаточно близки к предельным значениям. Тогда при многократности таких воздействий снижается срок службы сооружения. Одновременное воздействие нескольких факторов с интенсивно-стями, близкими к критическим, также может создать нештатную ситуацию при эксплуатации трубопровода и вызвать аварию.
Анализ технологического процесса строительства МТ показал, что возможные нештатные ситуации могут быть вызваны самыми разнообразными причинами, и прежде всего: геообстановкой, отличием особенностей морского дна от принятых в проекте, погодными условиями и вызванными ими состояниями моря, механическими дефектами конструкции трубопровода и т.п. Такой разнообразный характер причин и их физической природы
обусловливает целесообразность использования фреймовой структуры диагностической модели.
Фреймом называется структура для описания понятия или ситуации, состоящая из характеристик этой ситуации и их значений. Особенность фреймовых моделей представления знаний состоит в том, что все понятия, описываемые в каждом из узлов модели, определяются набором атрибутов и их значениями, которые содержатся в слотах фрейма. Фреймовые системы позволяют использовать объектно-ориентированный подход к представлению знаний. При этом характер причин может рассматриваться как классификационный признак при декомпозиции процесса строительства, что представляет несомненное удобство для эффективной организации контроля.
Предпосылками, определяющими целесообразность применения методов оценки технического состояния МТ на основе фреймово-продукционных моделей, являются значительный объем и разнородность исходных данных и сведений, характеризующих сложное напряженно-деформационное состояние различных участков трубопровода, а также существенная априорная неопределенность и нечеткость описаний состояний критических участков. В обсуждаемой постановке совокупность методов, алгоритмов и технологий решения проблемных задач представляет собой иерархическую семантическую сеть, которая описывается фреймово-продукционными, логическими и табличными моделями [2].
Рассмотрим далее следующие аспекты строительства и эксплуатации МТ применительно к объявленной задаче обеспечения устойчивости и стабильности их положения в течение длительного срока:
• возможные геоситуационные проблемы и нештатные ситуации;
• механизмы воздействия георисков на устойчивость и целостность трубопроводов, а также модели их учета при строительстве и эксплуатации.
Анализ геоситуационных проблем и нештатных ситуаций, возникающих в ходе строительства и эксплуатации МТ
Морские трубопроводные системы работают в трудных природно-географических условиях. В процессе строительства и последующей эксплуатации МТ подвергаются воздействию различных природных факторов. Хотя степень
воздействия этих факторов при проектировании стремятся свести к минимуму, практика показывает, что существуют неустранимые естественные факторы, которые необходимо надежно прогнозировать.
Ключевыми вопросами проектирования трубопровода являются выбор трассы, а также обоснование его основных конструктивных параметров, таких как материал, диаметр и толщина стенок труб, способ монтажа, методы защиты от коррозии, обеспечение устойчивости и других эксплуатационных характеристик. Параметры трубопровода и способы его укладки на дно - это технические решения, от выбора которых зависят как экологическая безопасность, так и условия работы данного сложного технического сооружения.
Выбор трассы подводного трубопровода в основном зависит от естественных условий акватории: рельефа берега и дна, геологии района, устойчивости грунтов, ветров, волнений, течений и динамики наносов и, наконец, гидрохимических и гидробиологических факторов. Поэтому вариант трассы определяется на стадии проектирования путем сравнительного технико-экономического анализа вариантов с учетом конкретных условий строительства и эксплуатации.
Практический опыт строительства и эксплуатации МТ показывает, что наряду с геоситуационными проблемами нештатные ситуации могут вызывать и техногенные факторы трассы прохождения МТ. К ним относятся интенсивность судоходства вблизи трассы, наличие якорных стоянок для плавучих средств, а также расположение близлежащих морских нефтепромысловых платформ и других гидротехнических сооружений. Поэтому при их проектировании должна учитываться вся совокупность природных и техногенных факторов, характерных для района строительства и эксплуатации газопровода.
Формы проявления нештатных ситуаций на трубопроводах зависят от способов их укладки или монтажа. В настоящее время на практике применяются следующие способы укладки подводных трубопроводов:
• протаскивание по дну моря;
• погружение с поверхности моря;
• спуск и укладка на морское дно с трубо-укладочных судов.
При протаскивании трубопровода по дну моря и укладке погружением геоситуационные
проблемы могут возникнуть при превышении значений скоростей течения и ветра и степени волнения моря (в баллах) по сравнению с расчетными, а также при возникновении на дне неизвестных препятствий природного и техногенного происхождения: разломов, трещин, остаточных ледовых образований (нерастаявших стамух), выходов скальных пород, якорей, затонувших судов и т.п. Геоситуационные проблемы могут проявляться также при возникновении оползней и подвижек грунтов по донным и прибрежным склонам в месте выхода трубопровода из-под воды.
При укладке МТ с трубоукладочного судна изменение натяжения трубопровода силовыми агрегатами, установленными на судне-трубоукладчике, влияет на напряженно-деформированное состояние трубы. При этом наибольшие напряжения возникают на участке трубы между кормой судна и дном моря. Превышение допускаемых напряжений в трубе ведет к смятию стенки, нарушению ее геометрии и, как следствие, к технологическому браку строительно-укладочных работ, что недопустимо. Для ограничения этих напряжений суда оборудуются стингерами, поддерживающими опускаемый трубопровод при сходе его с кормы баржи, и устройствами для создания натяжения в опускаемой части трубопровода. В случае применения 8-технологии (рис. 1), когда опускаемый в воду трубопровод принимает форму 8-образной кривой, пиковые напряжения приходятся на выпуклый или вогнутый участки этой кривой. Напряжения на вогнутом участке регулируются с помощью натяжных устройств, размещенных между рабочими постами на барже, а напряжения на выпуклом участке ограничиваются стингером, который крепится к кормовой части корпуса судна.
В процессе укладки трубопровод подвергается различным нагрузкам, контролируемым с трубоукладочного судна. К ним относятся гидростатическое давление, натяжение и деформирующая нагрузка. Эти нагрузки определяются воздействием волн и течений как на судно, так и на саму трубу. Геоситуационные проблемы вероятны при сложных погодных условиях, однако проявляются лишь в тех случаях, когда система динамической стабилизации судна не может удерживать его на заданном маршруте или воздействие подводных течений и внутренних волн оказывается выше запланированных значений по этим параметрам.
Трубоукладочная баржа
Нештатные ситуации могут возникнуть по причине технических нарушений либо неожиданных, неучтенных в проекте, препятствий и обстоятельств, например, при обнаружении пропущенных в процессе изысканий валунов, оврагов или дюн, скрытых в толще мягких осадков, на выходах скалистых грунтов, а также несанкционированных захоронений, археологических объектов и т.п. В процессе протаскивания трубопровода и укладки с понтонов нештатные ситуации могут проявиться в виде разрыва протаскивающего троса, неисправности лебедки или трубоукладчика, заедания роликовых направляющих, зарывания в донный грунт или столкновения с неожиданным препятствием направляющего оголовка.
Крайне сложной аварийной нештатной ситуацией является разрушение самого трубопровода как по технологическим причинам, так и в результате воздействия сверхнормативной нагрузки на конструкцию «труба - трос -судно». Это может произойти в условиях тяжелых волнового или ветрового режимов либо в результате некачественной сварки, сбоев в работе стингеров и другого укладочного оборудования, дефектов трубы или других технологических нарушений. В этом случае важнейшим элементом сохранения штатного регламента прокладки трубы является устойчивая работа системы динамической стабилизации судна, которая успешно функционирует в ограниченных погодных условиях. При возникновении
проблемной ситуации, обусловленной волновым и ветровым режимами, возможен сход судна с заданного маршрута, что само по себе является нештатной ситуацией. Тогда при опускании труба может попасть в незарегистрированное на проектной стадии подводное струйное течение. Качка судна-трубоукладчика и особенно его вертикальные перемещения также способны вызвать серьезные динамические нагрузки на трубу, в первую очередь при большой глубине. Причиной этих явлений могут служить как поверхностное ветровое волнение, так и внутренние волны. Здесь особенно опасны экстремальные волны, так называемые волны-убийцы (в англоязычной литературе - freak waves или rogue waves), прогнозировать появление которых до сих пор невозможно. Динамика трубы и баржи также способна вызвать удары трубы о поддерживающие ее элементы баржи и привести к повреждению покрытия и стингера.
Нештатные ситуации, кроме того, могут возникать на этапе эксплуатации МТ, как правило, в результате техногенных воздействий на трубопровод, вызванных авариями, либо несанкционированной работой подводных механизмов в районах прохождения трубопровода, либо противоправными действиями третьих лиц, включая целенаправленные диверсии. Также причинами нештатной ситуации могут стать нарушения установленного режима работы трубопровода вследствие халатности
обслуживающего персонала или выхода из строя контрольной аппаратуры, а в отдельных случаях - воздействия окружающей среды. Как правило, такое возможно в результате сейсмических событий, вызывающих тектонические разломы и сдвиги донного грунта по трассе прокладки трубопровода, оползни почвы по береговым склонам, изменения гидрологического режима по маршруту и, как следствие, размывы донного грунта под ложем трубы.
Механизмы воздействия георисков на устойчивость и целостность трубопроводов при строительстве
Невозможность обеспечения точного прогнозирования опасных для строительства МТ явлений ведет к формированию гидрометеорологических георисков2, к которым можно отнести штормовые ветра и волны, экстремальные волны и обледенение трубоукладочных судов. При формировании диагностической фреймово-продукционной модели и построении системы информационной поддержки принятия решений в нештатных ситуациях, возникающих в процессе строительства МТ, следует иметь в виду географическую характеристику трассы трубопровода, включая орографию морского дна и сейсмичность, гидрохимические условия морской среды, гидрометеорологические условия (ветер, волнение, штормы, течения и др.).
Так, обледенение судов, когда палубная трубоукладочная техника покрывается льдом, может привести к нарушению остойчивости судна и его опрокидыванию. Обледенение происходит при отрицательной температуре воздуха и сильном ветре, обусловливающем развитие волнения и, как следствие, забрызгива-ние судна забортной водой. Обледенение может наблюдаться также при выпадении переохлажденных осадков, при нахождении судна в переохлажденном тумане и при парении моря. Обледенение наблюдается в среднем в 80 % случаев в тыловой части хорошо развитых глубоких циклонов с штормовыми ветрами северо-западного направления. По интенсивности обледенение можно условно
2 Под геориском понимается вероятностная мера совокупностей опасностей, определяемая в виде возможных потерь (ущерба) за заданное время (см. СП 116.13330.2012. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения: актуализированная редакция СНиП 22-02-2003).
разделить на медленное, быстрое и очень быстрое. Опасным явлением3 (ОЯ) считается обледенение со скоростью нарастания льда выше 0,7 см/ч.
Воздействие ледяных образований (торосов) на МТ. В общем случае при взаимодействии дрейфующих торосов с морским дном возможны: внедрение киля тороса в донный грунт, частичное разрушение киля тороса, наползание тороса на подводный береговой склон, остановка тороса при исчерпании его кинетической энергии. МТ может располагаться в трех зонах донного грунта. Расположение трубопровода в верхней зоне (выше дна борозды, оставляемой килем тороса) предполагает безусловное его разрушение под непосредственным воздействием льда. В средней зоне трубопровод не испытывает непосредственного воздействия льда, но оказывается подверженным давлению грунта, увлекаемого торосом. Эта зона также считается опасной. Предполагается, что положение трубопровода в третьей (не сдвигаемой) зоне грунта является безопасным. Согласно рекомендациям по проектированию морских подводных нефтегазопроводов1 регламентируется проектная отметка верха заглубленного трубопровода: она должна быть на 1 м ниже глубины размыва дна акватории и пропахивания (борозды) от воздействия льда на дно, поэтому для каждого конкретного проекта необходимо обосновать глубину заложения трубопровода.
Экстремальные волны. Встречаются волны, параметры которых не соответствуют общепринятым представлениям о форме ветровой волны и не объясняются в рамках традиционных подходов. Это и есть волны-убийцы. Для описания и расчета режимных характеристик таких волн не существует нормативных документов, и они никак не учитываются стандартами и правилами. Однако при выполнении проектных изысканий, конкретных расчетов сооружений в современной практике принято использовать оценки их воздействия, поскольку они представляют опасность для мореплавания и угрожают объектам в море. Существует множество критериев определения волн-убийц. Однако, как показывают исследования, ни один из локальных волновых параметров (максимальная высота волн или
3 См. Порядок действий организаций и учреждений
Росгидромета при возникновении опасных природных (гидрометеорологических и гелиогеофизических) явлений. - СПб.: Гилрометеоиздат, 2000. - 31 с.
их гребней, отношение максимальной высоты волны к значительной высоте, крутизна волн и т.д.), которые обычно применяются для описания поля волнения, не может служить надежным критерием присутствия или отсутствия волн-убийц [3]. Поэтому на практике широко используется только один критерий, объединяющий все эти определения: высота волны-убийцы в 2 раза превышает значительную высоту волны. Наиболее важным и сложным моментом в исследовании волн-убийц является их достоверный прогноз.
Береговая зона представляет собой пространство суши и моря, процессы в котором определяются главным образом воздействием ветровых волн. Нижней границей этой зоны служит так называемая глубина замыкания к*, где штормовые деформации дна в течение года не превышают 0,1 м [4]. Верхняя граница отвечает возвышению максимального волнового за-плеска с учетом нагона и прилива (2с) (рис. 2).
Согласно схеме течений (см. рис. 2) во время шторма донные наносы перемещаются как от берега, так и с морской стороны к району обрушения волн, где растет подводный вал, в то время как пляж размывается и берег отступает. В периоды относительно слабых волнений (зыби) наносы возвращаются к берегу и пляж восстанавливается. Однако в условиях дефицита бюджета наносов и повышения относительного уровня моря берег постепенно отступает. С практической точки зрения важно знать глубину размывов в масштабах отдельных штормов и углубление дна, обусловленное отступлением берега, в масштабах десятилетий.
Прогнозирование перемещений илистых осадков затруднено из-за того, что свойства
их не постоянны и меняются в зависимости от характера и продолжительности гидродинамических воздействий. Так, благодаря силам сцепления илы и глины, длительное время пребывающие в состоянии покоя, консолидируются и приобретают высокую сопротивляемость усилию сдвига. Тем не менее размыв дна, сложенного из подобного материала, может иметь место и в тех случаях, когда гидродинамические напряжения заведомо меньше критических. Возможная причина - достаточно длительное действие поверхностного волнения. Следует иметь в виду, что волновое воздействие не только взмучивает наносы, но и вызывает их поступательное движение в направлении распространения волн. Это обусловлено переносным течением в донном пограничном слое, скорость которого при достаточно крупных волнах ощутима (несколько сантиметров в секунду) даже на больших глубинах.
Фильтрационные потоки способны вызывать локальное разжижение грунта под трубой, лежащей на дне, что может повлечь ее провисание и создать опасность для целостности сооружения. Механизм этого явления изучался на основе экспериментальных исследований песчаного дна, однако для илистых грунтов опасность локальных размывов под трубопроводом остается под вопросом из-за недостаточной изученности проблемы. Возможно, при сравнительно малой плотности разжиженного ила будет наблюдаться эффект самопогружения трубы в грунт. Подобные явления могут изменять термодинамический режим работы МТ, вызывать его переохлаждение и, как следствие, нештатную ситуацию.
Зона трансформации Прибойная зона Зона заплеска
Рис. 2. Штормовая циркуляция воды в береговой зоне
Методология вероятностных оценок георисков различного характера и совокупного риска при строительстве морских промысловых трубопроводов
Успешность гидрометеорологических прогнозов определяется путем сравнения прогностической погоды с данными наблюдений метеорологических станций. При оценке прогнозов помимо наблюдений метеостанций и постов привлекаются данные станций других ведомств, а также сообщения от органов МЧС. Оценка успешности прогноза (в процентах) на конкретном месте проводится согласно следующим положениям:
1) для оценки прогноза, предусматривающего ОЯ, применяется альтернативная оценка: 100 % - если он оправдался, 0 % - если не оправдался;
2) если наблюдавшееся ОЯ предусматривалось прогнозом, то прогноз считается оправдавшимся на 100 % даже в тех случаях, когда он не оправдался в отношении температуры и осадков;
3) если ОЯ либо не предусматривалось прогнозом, либо прогнозировалось, но не наблюдалось, то весь прогноз считается неоправдавшимся (0 %), даже когда оправдались прогнозы температуры, осадков и ветра;
4) если в пункте одновременно наблюдались несколько ОЯ и хотя бы одно из них было предусмотрено прогнозом, то весь прогноз считается оправдавшимся. Если же прогнозировалось одно ОЯ (например, ураганный ветер), а наблюдалось другое (сильные осадки), то весь прогноз считается неоправдавшимся.
Общая предупрежденность ОЯ в РФ за последние 10 лет составляет 85...95 %. В 2017 г. в морских зонах ответственности Российской Федерации наблюдались 113 случаев ОЯ. Успешность морских метеорологических прогнозов составила 96,1 %; а морских гидрологических прогнозов - 98,0 % [5].
Основные геориски. Анализ возможных геоситуационных проблем, связанных со строительством и безопасной эксплуатацией МТ, позволяет определить в качестве георисков применительно к этим техногенным объектам такие природные явления, которые, начиная с некоторых своих значений, с известной долей вероятности могут вызвать нештатные ситуации при их строительстве и эксплуатации. Так,
землетрясения способны породить следующие геоситуационные проблемы:
• сдвиги донных отложений и возможное формирование на них тектонических разломов и даже частичное изменение рельефа дна по трассе морской части трубопровода как в прибрежной, так и в глубоководной ее частях;
• вибрацию уложенной по дну трубы из-за сейсмических колебаний почвы с передачей механических колебаний к трубоукладочному судну и оборудованию - рольгангу, стингеру и даже сварочному аппарату;
• возникновение внутренних волн или волн-убийц.
Перечисленные геоситуационные проблемы могут при определенных условиях вылиться в нештатные ситуации при укладке МТ и вызвать аварийную ситуацию в ходе его последующей эксплуатации, а именно:
1) изменения рельефа дна и, следовательно, появление неучтенных проектной документацией размывов, выхода твердых пород или тектонических разломов непосредственно в месте укладки трубы, что может прямо в процессе строительства потребовать принятия оперативных решений по корректировке маршрута прокладки трубопровода;
2) сдвиги донных грунтов и оползни по береговым склонам, которые могут вызвать перемещение трубы в процессе ее укладки. При значительных перемещениях трубы возможно превышение предельно допустимых нагрузок на материалы, из которых она изготовлена, и, как следствие, ее деформацию. При менее значительных сдвигах донных отложений, не вызывающих деформацию трубопровода, возможны повреждения бетонного и полимерного покрытия его металлического основания и, как следствие, снижение коррозийной устойчивости объекта. В результате срок службы трубопроводов оказывается значительно меньше запланированного проектом. Механические вибрации, рывки и удары трубы, как наведенные от дна, так и вызванные волнами, при определенных условиях могут вызвать повреждения трубы и трубоукладочного оборудования на судне.
Для оценки сейсмической опасности трассы МТ необходимо выполнить уточнение исходной сейсмичности на основе вероятностного анализа сейсмической опасности
(ВАСО) [6], широко используемого в мировой практике и, в частности, принятого в России при разработке карты ОСР-97 [7]. В основе количественного расчета сейсмической опасности для конкретного района всегда лежит модель зон источников сейсмических сотрясений, представляющих опасность для данного района. В российской терминологии зоны источников именуют зонами возникновения очагов землетрясений, или зонами ВОЗ. Минимальный набор параметров, характеризующих выделяемые зоны ВОЗ, включает: а) координаты вершин многоугольников, задающих границы зон, и б) максимальную возможную магнитуду Мшах землетрясений в их пределах. Кроме того, желательно знать распределение очагов землетрясений по глубине, преобладающий тип смещений в очагах (взбросы, сбросы или сдвиги) и ряд других, менее обязательных, но важных для оценки сейсмической опасности параметров. К примеру, за проектное землетрясение следует4 принимать сейсмическое событие с периодом повторяемости сотрясений 100 лет, за максимальное расчетное землетрясение - сейсмическое событие с периодом повторяемости сотрясений 10 тыс. лет. При этом интенсивность сотрясений от проектного к максимальному расчетному землетрясению в терминах пикового горизонтального ускорения может меняться в несколько раз. Интенсивность сейсмических сотрясений существенным образом зависит от свойств грунтов донных отложений. Для оценки сейсмичности трассы и расчетов используется программа 8е1$Ш5к актуальной модификации.
Оценки влияния георисков на эффективность строительства и эксплуатации трубопроводов. Расчеты основываются на вероятностной оценке риска возникновения нештатных или аварийных ситуаций на трубопроводе, вызванных природными явлениями [8], путем анализа связей между физической интенсивностью и вероятностью природных явлений, которые могут представлять угрозу целостности трубопровода или препятствовать процессу его укладки. Результатами являются аналитические выражения и численные оценки вероятностей георисков и погодных ОЯ, способных вызывать нештатные ситуации при строительстве МТ. Поскольку, как отмечалось,
геориск - это вероятностная мера совокупностей опасностей, определяемая в виде возможных потерь (ущерба) за заданное время, под оценками геориска понимаются расчеты, направленные на получение аналитических выражений вероятностей ОЯ и их последствий, а также численных значений этих вероятностей и ущербов. К последствиям ОЯ относятся:
• отказы (разрушения, аварии) трубопровода в процессе эксплуатации и прокладки под действием определенных (но возникающих в неопределенные моменты времени) ОЯ (землетрясений, оползней, волн);
• задержки процесса укладки трубопровода в связи с ОЯ;
• ущербы (потери или издержки, вызванные совокупностью последствий ОЯ).
Ущерб является случайной величиной и определяется как вероятность возникновения нештатной ситуации или потери времени по укладке морской части трубопровода. Исходными положениями для формализации методики расчета являются:
1) различные ОЯ, приводящие к одному и тому же результату, состоящему из возникновения нештатной ситуации при строительстве трубопровода, объединяются в оценку общего риска, представляющего вероятность отказа или надежность МТ;
2) оценки рисков задержки процесса укладки трубы на дно проводятся путем получения вероятностных распределений продолжительности времени технологического процесса;
3) методики оценки экологического ущерба могут быть установлены как национальными, так и международными нормативными документами. Наиболее полно категория экономического ущерба в отечественной литературе впервые была представлена типовой мето-дикой5 1986 г.
В связи с невозможностью исключить риски внешних воздействий, с одной стороны, и необходимостью превентивной оценки надежности конструкций трубопровода, с другой, данная методика опирается на оценку суммарного риска. Для этого нужно сгруппировать
4 См. РБ 006-98. Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ / утв. пост. Госатомнадзора России от 29 декабря 1998 г. № 3.
5 Временная типовая методика определения
экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды. -М.: Экономика, 1986.
риски ОЯ по причинно-следственным связям между факторами.
Риски ОЯ являются причиной неопределенностей технологического процесса укладки трубопровода на дно моря. Неустранимые неточности прогнозов погоды, случайный характер естественных стихийных бедствий обусловливают необходимость использования вероятностных методов планирования дорогостоящих технологических процессов. В оценках эксплуатационных характеристик (устойчивости к внешним воздействиям) используются, во-первых, известные подходы теории надежности, а во-вторых (при описании самих воздействий) - известные статистические характеристики силы (физической интенсивности) и частоты этих воздействий. Эффективность производственного процесса (укладки трубопровода) оценивается вероятностными методами теории потенциальной эффективности сложных систем [9].
Вероятности разрушений (отказов, аварий) при укладке и эксплуатации МТ зависят от интенсивностей внешних воздействий. Случайными являются как интенсивности (уровни) этих воздействий, так и возникновения аварий (и повреждений) при заданных уровнях интенсивностей. Эти следствия внешних воздействий также случайны, например, зависят от множества неучтенных обстоятельств, человеческого фактора и пр. В этой связи риск отдельного ОЯ, приведшего к аварии (отказу, разрушению конструкции трубопровода или судна), может быть вычислен по известной формуле полной вероятности:
] = 1
воздействий Р{Х} надлежит получать из существующих моделей природных процессов и/или статистических данных.
Общим свойством большинства внешних природных воздействий (стихийных явлений) является равная вероятность их появления в любой момент времени. Такого рода события подчиняются закону распределения Пуассона, имеющему вид:
Р{ц = т, =
)те -т!
(2)
(1)
где Р{0} - условная вероятность события Q (т.е. ОЯ) при внешнем воздействии с интенсивностью X; Р{Х} - вероятность воздействия с интенсивностью X, причем для совокупности интенсивностей (включая «нулевое воздействие») должно выполняться условие нормиро-
т
вания вида: X ]) = 1.
]=1
Примером задачи, в которой данная оценка применяется непосредственно в виде (1), может служить оценка вероятности аварий Q при технологических операциях, которые приходится производить в непредсказуемых погодных условиях. Распределения интенсивностей
где Р{д = т, /} - вероятность того, что случайное число д событий данного типа за время t будет равно т, причем V - средняя частота, или интенсивность, событий данного типа в вероятностном смысле, т.е. среднее количество рассматриваемых событий в единицу времени t.
Математическое ожидание времени между опасными событиями является основной характеристикой, позволяющей оценивать долговечность конструкций и сооружений. Если рассматриваемые опасные события являются разрушительными для конструкции, то при отсутствии других факторов риска математическое ожидание времени есть ожидаемое время службы данной конструкции. В других случаях эта величина позволяет запланировать время непрерывной работы в море, оценить период профилактического обслуживания, дефектоскопического мониторинга сооружения и пр.
Планируемая продолжительность работ по укладке трубы с трубоукладочного судна может быть заранее задана лишь в виде «чистого» времени рабочего процесса. При своевременном штормовом предупреждении укладка трубы прекращается, экипаж опускает свободный конец трубы на дно и ждет окончания шторма. Но при ложном штормовом предупреждении (ошибочном прогнозе шторма) прекращение работ оказывается неоправданной задержкой рабочего процесса. Поэтому при сомнительных прогнозах и ожидаемых задержках расчет процесса укладки трубы предлагается выполнить в двух вариантах - без учета и с учетом прогноза.
Критические нагрузки возможны также при таком сценарии развития шторма, когда шторм оказывается более мощным, чем прогнозировалось, и/или развивается быстрее, чем экипаж успевает выполнить весь комплекс работ по консервации трубы в процессе укладки. Тогда часть трубы может остаться
на тросе за бортом; причем и судно, и труба будут испытывать нагрузки, близкие к критическим. Возможность таких критических нагрузок практически означает возможность аварийных ситуаций. При этом вероятность аварий зависит как от интенсивности нагрузок, так и от их продолжительности. Данная задача сводится к оценке вероятности аварий, обусловленных возникновением непредсказан-ных (несвоевременно предсказанных) штормов. Оценки вероятностей нежелательных событий позволяют прогнозировать размеры дополнительных временных затрат на возмещение ущерба, наносимого этими событиями при прокладке трубопровода. Возможны и более сложные эксплуатационные сценарии - предусматривающие одновременно более двух состояний технической системы (с учетом режимов профилактики, различной нагрузки и пр.).
ОЯ разного рода (землетрясения, штормы, сильный ветер, смерчи и др.) вызывают дополнительные затраты ресурсов и создают опасности аварий в процессе укладки трубы. Очевидно, что при достаточно низкой достоверности прогноза его использование может быть вредным (в технологическом, экономическом или ином смыслах). Обычно к наибольшим непроизводительным затратам приводит непредсказанное ОЯ (пропуск опасности), несколько менее затратно предсказанное ОЯ, и далее следуют непроизводительные затраты на мероприятия реагирования на ложные тревоги. Поэтому при планировании процесса укладки трубы экономическую эффективность использования прогноза разных ОЯ необходимо оценить заранее.
Модели учета различных георисков и техногенных факторов при укладке МТ в условиях их комбинированных воздействий должны рассматривать воздействие на трубопровод сил тяжести, сил плавучести, реакций грунта, реакций взаимодействия трубопровода с конструкциями стингера, усилий натяжения на трубоукладчике, волновых нагрузок и нагрузок от течения, а также кинематического нагружения в результате качки судна и селевых / мутьевых / обломочных потоков или землетрясения.
Качка судна в результате волнения водной поверхности приводит к дополнительным перемещениям верхнего участка трубопровода относительно положения на тихой воде. Наибольшее влияние на напряженное состояние трубопровода при укладке оказывают
вертикальные перемещения, вызванные вертикальной и килевой качкой. Параметры качки определяются параметрами морского волнения и характеристиками судна.
Гидролитодинамические процессы в виде селевых / мутьевых / обломочных потоков приводят к дополнительным горизонтальным смещениям лежащего на дне участка трубопровода относительно исходного состояния. Сейсмические явления провоцируют появление горизонтальных и вертикальных смещений, скоростей и ускорений лежащего на дне участка трубопровода относительно исходного состояния.
В исследованиях укладки трубопровода на грунт необходимо выделить три расчетные задачи:
• поведение конструкции трубопровода при больших перемещениях;
• взаимодействие трубопровода с грунтом;
• взаимодействие трубопровода со стингером трубоукладчика.
Эффективным инструментом для таких вычислений является сочетание специализированных численных решений с расчетами в универсальных расчетных комплексах типа А№У8, базирующихся на методе конечных элементов (МКЭ) и позволяющих ставить и решать задачи в наиболее интегрированной постановке.
Широкому распространению МКЭ способствуют наличие реализаций метода в виде универсальных программных комплексов, таких как АШУ8, МБСРаИап/^Нап АБАОШ, математическое моделирование процессов деформирования конструкций с помощью указанных программных комплексов, возможность использования обширной библиотеки конечных элементов. Это позволяет как решать задачи в общей постановке, основанной на общих соотношениях механики деформируемых твердых тел, так и рассчитывать отдельные элементы конструкций в рамках имеющихся инженерных или технических теорий (теории пластин, теории оболочек и т.д.). Конечные элементы позволяют учесть и физическую нелинейность материала реальных конструкций, и геометрическую нелинейность деформирования, связанную с условиями работы расчетных конструкций.
Анализ и проведенные оценки влияния воздействия георисков на состояние трубопровода
в процессе укладки позволяют констатировать, что воздействие георисков в процессе укладки может проявляться в виде дополнительных изгибов в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также приводить к потере устойчивости трубопровода.
Наименее опасным воздействием георисков на трубопровод является вертикальное перемещение грунта, что обусловлено относительно малым по сравнению с глубиной укладки трубопровода вертикальным смещением грунта и соответствующими изменениями напряженного состояния. Однако необходимо отметить: вертикальное перемещение грунта сопровождается и горизонтальным смещением, что может привести к потере устойчивости трубопровода на грунте.
Воздействие потока, перпендикулярного оси трубопровода, в точке соприкосновения трубопровода с грунтом приводит к росту напряжений изгиба в горизонтальной плоскости, которые могут превышать напряжения, вызванные укладкой, а также предел текучести для стали, что может повлечь за собой разрушение трубопровода.
Воздействие потока, параллельного оси трубопровода, при течении в сторону судна-трубоукладчика способно приводить к росту напряжений от вертикального изгиба, но наиболее опасным вариантом воздействия потока, параллельного оси трубопровода, является действие потока в сторону от трубоукладчика. В этом случае вероятна потеря устойчивости трубопровода, находящегося ниже потока, и он может сдвинуться с места относительно расчетного положения, что приведет к смещению трубоукладчика в продольном направлении. Горизонтальный изгиб трубопровода может приводить к значительному (десятки-сотни метров) поперечному смещению судна-трубоукладчика относительно оси трубопровода. Поэтому возможность компенсации дополнительных поперечных и продольных усилий системой динамического позиционирования трубоукладчика с целью недопущения смещений трубоукладчика должна учитываться диагностической фреймово-продукционной моделью. ***
Анализ географических, климатических, геологических, погодных условий трасс МТ по выявлению основных георисков при их строительстве и последующей эксплуатации
показывает, что существуют определенные риски, представляющие угрозу целостности МТ. Основными потенциальными воздействиями являются землетрясения и ОЯ - штормы, обледенения и экстремальные волны. Причем землетрясения могут вызывать аварии и в процессе строительства, и в процессе последующей эксплуатации трубопровода, а изменения погодных условий - только в процессе его строительства.
Методология вероятностных оценок георисков различного характера и совокупного риска применительно к принятым технологиям строительства МТ предусматривает получение вероятностных оценок возникновения нештатных и аварийных ситуаций из-за воздействия погодных условий, учитывающих климатические особенности региона работ и надежность прогнозирования ОЯ.
Оценки воздействий георисков на устойчивость и целостность трубопровода в процессе укладки показывают, что воздействие георисков в процессе укладки может проявляться в виде следующих явлений:
• изгибов в вертикальной плоскости, которые суммируются с изгибами, вызванными укладкой, и приводят к нарастанию соответствующих изгибных напряжений;
• изгибов в горизонтальной плоскости, которые могут превысить изгибы, вызванные укладкой, и привести к появлению соответствующих изгибных напряжений;
• смещения трубоукладочного судна в результате изгиба провисающей части трубопровода;
• потери устойчивости системы «трубоукладчик - трубопровод - грунт».
Наиболее опасным является воздействие потока, перпендикулярное оси трубопровода, в районе точки соприкосновения трубопровода с грунтом, приводящее к росту напряжений от изгиба в горизонтальной плоскости, что может повлечь за собой разрушение трубопровода.
В целом для проектирования, строительства и эксплуатации МТ представляется целесообразным формирование диагностической фреймово-продукционной модели принятия решений на основе базы данных возможных опасностей и преодоления потенциально возникающих нештатных ситуаций. Модель должна содержать материалы предпроектных исследований по трассам трубопроводов и проектные
решения, описывающие нештатные ситуации при строительстве и эксплуатации МТ в виде совокупности фреймов и продукционных правил, а также выдавать на основании набора
разработанных алгоритмов рекомендации по их преодолению с минимизацией затрат на устранение возможных нарушений в режиме реального времени.
Список литературы
1. Серебряков А.М. Геоинформационные средства анализа и разрешения нештатных ситуаций при строительстве морских трубопроводов: автореф. дис. ... к.т.н. / А.М. Серебряков. -СПб., 2010. - 24 с.
2. Ушаков В.А. Обнаружение предотказных состояний и идентификация источников их генерации сложных технических объектов. I / В.А. Ушаков, В.С. Дрогайцев // Вестник СГТУ - 2011. - Т. 4. - № 2 (60). -С. 85-193.
3. Klinting P.S. Analysis of prototype freak waves / P.S. Klinting // Coastal hydrodynamics / R. Darlymple (ed.). - New York: ASCE, 1987. -C. 618-632.
4. Advancing global NWP through international collaboration // ECMWF. - http://www.ecmwf.int.
5. Обзор деятельности Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за 2017 / Росгидромет. -http://www.meteorf.ru/upload/iblock/b9e/ 0bzor%202017_19-02-2018-low2.pdf
6. Cornell C.A. Engineering seismic risk analysis / C.A. Cornell // Bulletin of the Seism. Soc. Amer. -1968. - Т. 58. - № 5. - С. 1583-1606.
7. ОСР-97. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации [Карты] / сост. В.И. Уломов,
Л.С. Шумилина. - 1:8000000. - М.: ОИФЗ РАН, 1999. - 57 с.: объяснит. записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах.
8. Badulin S.I. Wave-wave interactions
in wind-driven mixed seas / S.I. Badulin, A.O. Korotkevich, D. Resio et al. // Proc. of the Rogue Waves 2008 Workshop (October 13-15 2008, Brest, France). - 2009. - C. 77-86.
9. Флейшман Б. С. Элементы теории потенциальной эффективности сложных систем / Б.С. Флейшман. - М.: Советское радио, 1971. - 224 с.
Controlling design, construction and operation of marine pipelines using frame-production simulators
M.N. Mansurov1*, A.V. Shekhovtsov1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation
2 Gazprom PJSC, Bld. 16, Nametkina street, Moscow, GSP-7, 117997, Russian Federation * E-mail: [email protected]
Abstract. Marine pipeline systems are the complex technical objects, and they work in complicated environment. While designing and constructing marine pipelines one must provide their steadiness and stability during their long lifetime affected by the influence of various natural and man-caused factors. The article discusses geo-situation challenges and incidents used to occur during construction and operation of marine pipelines. A list of geological risks and hydrometeorological conditions is given, and the patterns they affect steadiness and integrity of pipelines are analyzed.
On the grounds of the aggregate scientific-methodological analysis of information about geographical, hydrometeorological, lithodynamic, geologic, and seismic conditions of the particular marine pipeline routes the diagnostic simulators must be formed as a family of frames and production rules aimed both at quantitative evaluation of pipeline resistivity to the environmental and man-caused factors, and control of possible dangers and incidents.
Keywords: marine pipelines, natural and man-caused factors, models of interaction, incidents, laying-down, immunity to exposures, diagnostic model.
References
1. SEREBRYAKOV, A.M. Geoinformational means for analysis and settlement of contingency events during construction of subsea pipelines [Geoinformatsionnyye sredstva analiza i razresheniya neshtatnykh
situatsiy pri stroitelstve morskikh truboprovodov]. Synopsis of candidate thesis (engineering). Russian State Hydrometeorological University. St. Petersburg, 2010. (Russ.).
2. USHAKOV, V.A., V.S. DROGAYTSEV. Detecting pre-redundant states and identifying the sources for generating technically complex objects [Obnaruzheniye predotkaznykh sostoyaniy i identifikatsiya istochnikov ikh generatsii slozhnykh tekhnicheskikh obyektov]. I. Vestnik SGTU. 2011, vol. 4, no. 2(60), pp. 85-193. ISSN 1999-8341. (Russ.).
3. KLINTING, P.S. Analysis of prototype freak waves. In: DARLYMPLE, R. (ed.). Coastal hydrodynamics. New York: ASCE, 1987, pp. 618-632.
4. Advancing global NWP through international collaboration. In: ECMWF [online]. Available from: http://www. ecmwf.int.
5. ROSHYDROMET. Review of the Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring of Russia activities in 2017. [Obzor dayatelnosti Federalnoy sluzhby po gidrometeorologii i monitoringu okruzhayushchey sredy za 2017]. In: Roshydromet [online]. - Available from: http://www.meteorf.ru/upload/ iblock/b9e/Obzor%202017_19-02-2018-low2.pdf. (Russ.).
6. CORNELL, C.A. Engineering seismic risk analysis. Bulletin of the Seism. Soc. Amer. 1968, vol. 58, no. 5, pp. 1583-1606. ISSN 0037-1106.
7. ULOMOV, V.I., L.S. SHUMILINA. Set of general seismic zoning plans of Russian Federation [Komplekt kart obshchego seysmicheskogo rayonirovaniya territorii Rossiyskoy Federatsii]. OSR-97. 1:8,000,000. Moscow: The United Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, 1999. (Russ.).
8. BADULIN, S.I., A.O. KOROTKEVICH, D. RESIO et al. Wave-wave interactions in wind-driven mixed seas. In: Proc. of the Rogue Waves 2008 Workshop (October 13-15 2008, Brest, France), 2009, pp. 77-86.
9. FLEYSHMAN, B.S. Elements of the theory for potential efficacy of complex systems [Elementy teorii potentsialnoy effektivnosti slozhnykh system]. Moscow: Sovetskoye radio, 1971. (Russ.).
