CC BY
21
НЕКОТОРЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКИ УЯЗВИМЫХ И ПЛОТНО ЗАСЕЛЕННЫХ РАЙОНАХ
ДУДНИКОВ
Юрий Владимирович,
кандидат технических наук, руководитель Росприроднадзора по РБ
ГУМЕРОВ
Асгат Галимьянович,
академик АН РБ, генеральный директор*
АЗМЕТОВ
Хасан Ахметзиевич,
доктор технических наук, заведующий отделом*
Использование достижений науки и техники в практике сооружения и эксплуатации магистральных трубопроводов, более широкий охват диагностикой, увеличение объемов ремонта позволили обеспечить их безопасность на достаточно высоком уровне. В последние годы уменьшилось количество аварий по таким причинам, как потеря металла коррозионного, механического или технологического происхождения и дефекты геометрии труб. Вместе с тем практически не уменьшилось количество аварий с большими разрывами стенки трубы, которые приводят к значительным потерям перекачиваемого продукта, огромным загрязнениям окружающей среды и, как следствие, большому ущербу. С учетом современных требований к экологической безопасности технических систем эта проблема является серьезной, исключительно сложной и требует решения комплексным методом, включающим организационные, технологические и технические направления. При этом необходимо проведение соответствующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ
Аварии связаны с угрозой возникновения пожара, заражения водоемов, порчи угодий. Следовательно, трубопровод в целом и отдельные технологические объекты могут считаться исправными, если обеспечена безопасность при их эксплуатации.
Ущерб окружающей среде зависит от частоты аварийных утечек перекачиваемого продукта и их последствий для различных компонентов окружающей природной среды. Частота аварийных утечек, в свою очередь, зависит от качества проектирования и строительства трубопроводов, а также соблюдения правил их эксплуатации и может быть снижена принятием специальных организационных, технологических и технических мер.
*ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» РБ.
Некоторые направления защиты окружающей среды .
13
ения
1ДИЙ.
i от-счи->пас-
час-про-ипо-сто-ави-эль-пра-:ена
1ЫХ,
сур-
Тяжесть последствий аварийных утечек определяется заселенностью местности и экологической уязвимостью природной среды. Последняя характеризуется наличием водоемов, сельскохозяйственных земель, лесов, их экологической значимостью. Попадание нефти или нефтепродуктов даже в незначительном объеме в экологически уязвимые районы может принести огромный ущерб, а иногда невосполнимый. Тяжесть последствий аварийных утечек может быть снижена принятием мер по уменьшению объема выхода продукта в окру-- эющую среду через аварийный разрыв, оперативной локализацией распространения вы-.иед^его продукта по поверхности земли или водоема и его сбором в ограниченные сроки. эеализация указанных мер по снижению тяжести последствий аварий возможна только при соответствующей оснащенности специалистами и техникой аварийных служб и высокой организованности.
Эффективным направлением снижения -астоты аварийных утечек в экологически уяз-=,".'ых и плотно заселенных районах является применение для строительства нефтепроводов труб с повышенной прочностью и тол-_иной стенки, т.е. высокой несущей способностью. В ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ИПТЭР) РБ [1] разработана технология повышения несущей способности участков труб действующих магистральных трубопроводов, что производится формованием на наружную его поверхность оболочки (бандажа) из стекловолокнистого материала (стеклоровинга), пропитанного клеевой композицией, т.е. формованием стеклопластико-вой оболочки.
Формованный на наружную поверхность трубопровода бандаж воспринимает часть нагрузки от внутреннего давления, кольцевые -напряжения в трубопроводе снижаются и определяются умножением на
в„(5£ + 1)н
1
Р\
)(ь
' cose
(1)
где в0, р1, <7, <5, Ё, - соответственно, безразмерные параметры длины бандажированного участка, давления в нефтепроводе при намотке бандажа, усилия натяжения стеклоровинга при намотке, толщины бандажа и модуля упругости материала бандажа.
Как показывают результаты исследований, применением бандажирования участка дей-
ствующего трубопровода возможно значительное увеличение его несущей способности. В то же время необходимо учесть закономерности изменения напряжения в стенке бандажированного трубопровода. Так, например, применение для бандажа материалов с большими значениями модуля упругости приводит к повышению эффективности использования бандажа и доля нагрузки воспринимаемой бандажом увеличивается, а наличие внутреннего давления в трубопроводе при нанесении бандажа приводит к снижению эффективности бандажирования. Толщина и протяженность бандажа выбираются в зависимости от необходимой степени повышения несущей способности и протяженности. В ГУП «ИПТЭР» РБ проведены экспериментальные исследования прочности труб, усиленных стекпопластиковой оболочкой. Испытания показали, что усиление стекпопластиковой оболочкой равнозначно применению толстостенных труб. Были также проведены опытно-промышленные испытания технологии бандажирования, которые показали возможность ее применения для усиления участков труб действующих трубопроводов. Кроме того, усиление локального участка газопровода высокого давления стеклопластиковой оболочкой может быть использовано для ограничения лавинного его разрушения.
Для решения рассматриваемой проблемы защиты природы требуется дальнейшее совершенствование методов проектирования трубопроводов с учетом последних достижений методов их расчета на прочность и устойчивость. При проектировании через естественные и искусственные переходы узлов соединения труб магистральных трубопроводов, углов их поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях, конструктивно выполненных гнутыми отводами и упругим изгибом труб, недопустимо использовать старые типовые решения. Каждая конкретная конструкция указанных технических решений должна выбираться расчетом, учитывающим реальные условия сооружения и эксплуатации магистральных трубопроводов. К ним относятся характеристики конструктивных решений, свойства грунта, температура воздуха при строительстве, а также перекачиваемого продукта, величина углов поворота. Все эти параметры для каждого перехода, узла, угла поворота имеют свое конкретное значение, и они по трассе магистрального трубопровода суще-
14
Ю.В. Дудников, А.Г. Гумеров, Х.А. Азметов
ственно меняются. Как показывает анализ крупных аварий магистральных трубопроводов, значительная часть этих аварий связана с появлением гофров в стенке труб под действием высоких напряжений изгиба, наличие которых показывает несоответствие принятых конструктивных решений реальным условиям работы трубопровода. В соответствии с требованиями СНиП 2.05.06-85* [2] при проверке прочности подземных трубопроводов максимальные продольные напряжения определяются от всех (с учетом их сочетания) нормативных нагрузок и воздействий с учетом поперечных и продольных перемещений трубопровода. В то же время СНиП 2.05.06-85* не содержит расчетные формулы для определения максимальных суммарных продольных напряжений с учетом перемещений трубопровода. В ГУП «ИПТЭР» РБ в результате обширных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета на прочность сложных участков магистральных трубопроводов, максимально соответствующая реальным условиям их работы. Методика содержит расчетные формулы для определения указанных максимальных суммарных продольных напряжений с учетом перемещений трубопровода. Расчетная формула для максимальных суммарных продольных напряжений с учетом полученных нами соотношений для продольного осевого усилия N и изгибающего момента М имеет вид
(2)
N -
м
(3)
(4)
плуатационных нагрузок и воздействии, параметров прокладки трубопровода;
Е - модуль упругости материала трубы;
/ - момент инерции поперечного сечения трубы;
¿/-сопротивление грунта поперечным перемещениям трубопровода;
<р- угол поворота трубопровода в вертикальной плоскости по рельефу продольного профиля.
Расчетные формулы (3) и (4) используются для оценки напряженно-деформированно-го состояния подземного трубопровода на углах поворота, конструктивно выполненных с применением гнутых отводов. Если угол поворота выполнен упругим изгибом трубопровода напряжения о"пр, определяется из выражения
V IV
где /л - коэффициент Пуассона;
с" - кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления;
.Р, IVсоответственно, площадь стенки и момент сопротивления поперечного сечения трубы.
Выражение для продольного усилия и изгибающего момента такие:
М ЕБ
— +—-
Ж 2 р
(5)
где - наружный диаметр трубопровода;
р - радиус упругого изгиба оси трубопровода.
В формуле (5) значение М \л N вычисляются таким образом:
М = оК{АЫд)
N =
ос.
Е^
(6)
(7)
где а, со, - соответственно, безразмерные параметры продольного усилия и изгибающего момента, определяемые в зависимости от конструкции рассчитываемого участка, экс-
где Аа- амплитуда прогиба трубопровода по рельефу дна траншеи при сооружении. Параметры со} и ау определяются в зависимости от характеристик упругого изгиба трубопровода по рельефу дна траншеи, эксплуатационных нагрузок и воздействий.
В результате антропогенной деятельности и изменения ситуации в местах прокладки подземного трубопровода принятые в годы его сооружения конструктивные решения зачастую не отвечают современным требованиям надежности и безопасности. Специфика указанных изменений обусловлена, прежде всего, возникновением значительных дополнительных нагрузок на подземный трубопровод от транспортной техники и всевозможного тяжелого наземного оборудования.
Под действием наземной нагрузки в зоне ее влияния при определенных условиях происходит изгиб подземного трубопровода, что приводит к появлению в стенке труб напряжений изгиба, в ряде случаев превышающих
Некоторые направления защиты окружающей среды
15
нормативные значения. Нами проведены исследования напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, находящихся под действием наземных нагрузок [3].
По результатам исследований получены выражения для максимального изгибающего момента и продольного усилия в виде
М = (8)
N = a„a2EJ, (9)
где а - параметр, определяемый в зависимости от глубины заложения трубопровода и -араметров наземной нагрузки и имеющий размерность, обратную единице длины; а>_, а„-безразмерные параметры, определяемые в зависимости от геометрических характеристик трубопровода, свойств грунта; Я0 - максимальное значение распределенного усилия, возникающего в результате действия наземной нагрузки и действующего на единицу длины трубопровода.
Разработаны методики расчета трубопроводов на основе использования полученных нами зависимостей для определения изгибающего момента и продольного усилия.
Использование в практике проектирования . казанных методов расчета позволит обоснованно выбрать конструктивные решения и существенно снизить частоту появления аварий-ных утечек.
Снижение объема выхода нефти в окружа--: _/ю среду и тем самым уменьшение тяжести ~оследствий аварийных утечек имеют исклю--••гельно важное значение. Одним из средств с-ижения объема выхода нефти в окружающую ;седу является размещение по трассе запорной арматуры, обеспечивающей минимум :седнего объема выхода нефти и ограничение максимального объема при возможной аварии -а участках нефтепровода, расположенных вблизи объектов, сооружений, зданий, водоемов, сельскохозяйственных земель и лесов.
При проектировании и строительстве магистральных нефтепроводов (МН) в соответствии со СНиП 2.05.06-85* выбираются минимальные расстояния от оси нефтепроводов до -аселенных пунктов, отдельных промышлен--ых и сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений с учетом обеспечения их безопасности. Однако анализ аварийных ситуаций на МН показывает, что даже при соблюдении нормативных требований не всегда
обеспечивается безопасность населенных пунктов и других объектов из-за возможного попадания на них нефти при авариях на МН. В таких случаях требуется реконструкция участков нефтепроводов с переносом их трассы. Кроме того, реконструкция с переносом трассы вызывается тем, что за время многолетней эксплуатации МН вблизи них сооружаются новые здания и сооружения с нарушениями требований строительных норм и правил в части безопасных расстояний, в которых указано, что минимальные расстояния должны приниматься в зависимости от степени ответственности объектов и диаметра нефтепровода. В то же время возможность попадания нефти на объекты зависит как от объема выхода ее в окружающую среду, так и от рельефа местности на участке между МН и близлежащими объектами. На этой основе нами предлагается: для исключения попадания разлившейся нефти при возможных авариях на близлежащие объекты безопасные расстояния должны рассчитываться, в дополнение к требованиям СНиП 2.05.06-85*, также в зависимости от профиля трассы нефтепровода и рельефа местности. Кроме того, в экологически уязвимых и плотнозаселенных районах следует предусмотреть защитные сооружения (канавы, амбары), исключающие распространение нефти по поверхности земли и попадание ее в близлежащие объекты в самых неблагоприятных условиях. Защитные сооружения следует строить с учетом рельефа местности на участке между магистральным нефтепроводом и близлежащими объектами.
Выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по указанным направлениям и внедрение их в практику строительства и проектирования позволят значительно повысить защиту окружающей среды, в т.ч. в экологически уязвимых районах.
Литература
1. АзметовХ.А., Матлашов И.А., ГумеровА.Г. Прочность и устойчивость подземных трубопроводов.-Санкт-Петербург: Недра, 2005.
2. Магистральныетрубопроводы:СНиП 2.05.06-85* /Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1997.
3. Дудников Ю.В., Гумеров А.Г., Азметов Х.А. Прочность подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок - Санкт-Петербург: Недра, 2008.
