14МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ РАЗЛОМОВ НА АВАРИЙНОСТЬ НА
ТРУБОПРОВОДАХ
Ю.Г. Кобылянский, С.В. Цирель СПГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург
Аварии на газо- и нефтепроводах приводят к человеческим жертвам, суммарному экологическому ущербу и потерям ценного сырья (рис.1). Например, в США аварии на газопроводах ведут к потере 1-2 % добываемого газа, при этом в период c 1985 по 1995 г. было зафиксировано 42 смертельных случая и 176 серьезных повреждений материальных объектов. В России и других странах Восточной Европы аварийность на трубопроводах в среднем выше, чем Западной Европе и США, и последствия здесь еще более серьезные. Следует, однако, заметить, что мы не располагаем полной информацией: данные добывающих компаний и экологических организаций существенно расходятся.Российские ученые до сих пор не могут прийти к согласию относительно причин аварий на трубопроводах. Одни исследователи утверждают, что аварии вызываются только техногенными факторами (дефекты материала или строительства, механические воздействия и т.д.) или катастрофическими явлениями (землетрясения, разливы рек, карст и т.д.). Другие исследователи к числу причин данных аварий относят также неблагоприятные природные условия, к которым прежде всего относятся зоны разломов земной коры. При этом и те, и другие констатируют весьма труднообъяснимый факт - это концентрацию аварий около одних разломов и безопасность вблизи других, даже более мощных и активных.
В настоящей работе предпринята попытка объяснить причины возникновения зон повышенной опасности вблизи разломов.
Наиболее показательны исследования, проведенные на Краснотурьинском участке газопроводных трасс, расположенном на восточном склоне Северного Урала и характеризующемся большим количеством «беспричинных» аварий. При суммарной протяженности трасс (до 10 ниток газопровода) всего в 37 км в этом районе произошло 16 аварий и еще 37 прорывов труб при профилактических гидроиспытаниях. Большинство из них (44 повреждения из 53, или 83%) сгруппированы в 11 «кустов», объединяющих от 2 до 5-10 аварий на участках длиной от 100 до 500-1000 м. Общая длина этих наиболее опасных участков в сумме не превышает 4 км, или 11% от суммарной протяженности трасс. Лишь 9 нарушений труб не входят в эти «кусты».
*
«V
Рис. 1. Авария на трубопроводе под Санкт-Петербургом
Сопоставление Краснотурьинского участка с другими, менее аварийными участками трасс позволяет выделить три его отличительные характеристики.
Первой из них является расположение этого участка целиком в пределах рудного узла цветных металлов. На Краснотурьинском участке проявляются площадное распространение сульфидной минерализации палеозойских толщ, а также осадочные руды в краевой зоне мезо-кайнозойского чехла платформенных отложений. (Эту краевую зону тоже местами пересекают газопроводы.) В юрских и меловых толщах обнаружены гидроокисные и окисные руды железа, а в палеогеновых и миоценовых - горизонты марганцевого оруднения.
Второй важной особенностью Краснотурьинского участка выступает его приуроченность к зоне крупнейших рельефообразующих, геодинамически активных разломов на стыке Уральских гор и Западно-Сибирской низменности.
Наконец, третьей особенностью данного участка является широко развитая сеть мощных и сверхмощных электролиний, способных вызывать электролитные свойства минерализованных трещинных вод.
Полученные в ходе исследований зависимости показали связь аварийности на трубопроводах с указанными выше особенностями Краснотурьинского района. На наличие аварий в зонах разломов более всего влияют три фактора: минерализация, обводненность и геодинамическое состояние разлома.
На плотность аварий влияет большее количество факторов. Наиболее важным из них оказывается близость к ЛЭП; по-видимому, электромагнитные поля, создаваемые ЛЭП, и утечки тока в значительной степени усиливают коррозионные процессы. Несколько меньшее влияние оказывают тип минерализации, тип и активность разломов.
Сопоставление коэффициентов корреляции наличия и плотности аварий позволило разделить факторы на две группы. Первая группа включает обязательные, мультипликативные факторы, способствующие повышению аварийности в зонах влияния разломов: наличие минерализованных трещинных вод (характерно для всего Краснотурьинского района), разгруженное геодинамическое состояние разлома и отсутствие повышенной обводненности. Вторая группа включает аддитивные факторы, не являющиеся необходимыми для повышения аварийности, но усиливающие действие первых.
На основании данной классификации факторов была определена структура эмпирической формулы и методом наименьших квадратов подобраны коэффициенты. При этом было принято, что на участках, не испытывающих влияния минерализованных трещинных вод, плотность аварий и нарушений при гидроиспытаниях составляет 0,3 аварии на пог. км:
Р = Ро 1 + кминкводкпригр (1 + К акт ) (1 + К лэп )] (1)
N = Р 1
где р - плотность аварий, р0 = 0,3 аварии/км, N - количество аварий на участке длиной 1;
0, при отсутствии минерализации
; (2)
КМИН
2, для SO3
3,5, для SO3, ОН-5,5, для SO3, ОН-, Мп4
0, для болот и русел рек
Квод = \ ; (3)
1, для сухих мест
Г 0 (0,25) для пригруженных разломов
КПРИГР ~ 1 г г . (4)
11, для ослабленных разломов и зон дробления
Примечание: так как во многих случаях затруднительно определить, к какому типу относится разлом, то пригруженным разломам следует придавать ненулевое значение коэффициента КПРИГР.
Г 0,2, для активных разломов
К АКТ =\ ^ (5)
[0, для малоактивных разломов Г 3,7, при расстоянии до ЛЭП менее 3 км
клэп =\ . (6)
[0, при расстоянии до ЛЭП более 3 км
Формула (1) учитывает 71% дисперсии плотности аварий и 82% дисперсии количества аварий.
12 10 4
В 6 3
2 --
О
И|■ 1 . |1
1«|И|,|И|И|И|И|«1*|,|И|.|И|И|.|—|И|■|■|И|И|*|И|■|■|И|,
4----[-»-4-I ■ I ■ I + I * I 1 —■-¡-■-I- I ■ 1
1 2 3 4 5 6 1 % 9 10 11 12 131415 16 17 13192021 22 23 242526 27 23 29
Номера разломов
Фактическое количество аварий и порьшов • Расчетное количество аварий
Рис. 2. Сопоставление расчетного и фактического количества аварий
Другой механизм наблюдается в зонах многолетней мерзлоты. Так как многие магистральные трубопроводы в России (а также в Канаде, США и Скандинавских странах) находятся в этих зонах, то коротко остановимся и на этом типе влияния геодинамики на аварийность. Наиболее опасными для трубопроводов являются зоны сильного проявления пучения, а также талики и участки погребенного льда. Именно на таких участках имеют место наибольшие деформации трубопроводов, способные привести к нарушениям их целостности. Исследования, проведенные на Таймыре,
показали отчетливую связь распространения таликов и погребенного льда с геодинамическим положением блоков. Предварительный геодинамический анализ трасс будущих трубопроводов и проведение необходимых корректировок позволили бы уменьшить трудоемкость изыскательских работ и существенно снизить вероятность аварий. Кроме того, подобный анализ помогает решать сложную проблему выбора оптимальной температуры перекачиваемых углеводородов в районах распространения вечной мерзлоты.
Еще одна проблема, возникающая при строительстве и эксплуатации трубопроводов в районах многолетней мерзлоты, связана с наблюдающимся изменением климата. Как показывают исследования, наибольшая деградация многолетней мерзлоты происходит на границах зон ее распространения, в тех местах, где в настоящее время существуют локальные участки многолетнемерзлых грунтов мощностью от нескольких метров до первых десятков метров. Существенную роль в разрушении мерзлоты играют минерализованные флюиды, поступающие через разгруженные разломы и зоны дробления. Таким образом, хотя причиной таяния мерзлых пород является повышение зимних температур, сам механизм таяния существенно зависит от процессов массо- и теплопереноса, сконцентрированных в приразломных зонах. При переходе мерзлых пород в пластическое или текучее состояние их несущая способность сокращается во много раз, а коэффициенты фильтрации могут возрастать на три порядка и более. При проектировании и строительстве трубопроводов с большим сроком службы необходимо учитывать оба состояния грунтов.
Как показывают исследования, перечисленные выше механизмы не исчерпывают всех форм влияния геодинамических факторов на состояние трубопроводов и других подземных сооружений. Например, приразломные зоны часто представлены тиксотропными грунтами. При наличии мощных техногенных источников вибрации происходит разжижение подобных грунтов и резкое снижение их несущей способности. Отметим, что и в данном случае источником повышенной опасности выступает сочетание природных и техногенных факторов. Весьма вероятно, что существует и иные не изученные на сегодняшний день механизмы влияния геодинамических факторов на состояние трубопроводов. В первую очередь опасность могут представлять агрессивные газы (Н2 и др. ), просачивающиеся через разломы, а также биота (микробы, водоросли), сосредоточенная на обводненных приразломных участках.
