CC BY
136
УДК 622.691.4::332.36
Оценка влияния природных воздействий в задачах обеспечения надежной и безопасной эксплуатации газотранспортной системы ПАО «Газпром»
Л.В. Власова
ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 E-mail: L_Vlasova@vniigaz.gazprom.ru
Ключевые слова:
газотранспортная система, магистральные газопроводы, линейная часть магистральных газопроводов, аварийность, природные риски, природные опасности.
Тезисы. Многообразие природных факторов, влияющих на надежность объектов газоснабжения, связано со значительной протяженностью газопроводов Единой системы газоснабжения (ЕСГ) России и разнообразием природно-климатических зон, в которых она эксплуатируется. Поэтому анализ статистических данных об авариях на объектах ЕСГ, отражающий реальное состояние процессов проектирования, строительства и эксплуатации системы, является основой для разработки адекватных мероприятий по обеспечению высокого уровня надежности эксплуатации инженерных сооружений.
В статье на основе данных корпоративной статистики за период 1990-2015 гг. анализируется структура причин аварий на объектах газотранспортной системы с целью идентификации и количественной характеристики составляющей природных воздействий в аварийных ситуациях. При этом природные источники опасности рассматриваются дифференцированно: как основные причины аварий и как факторы, способствующие проявлению скрытых дефектов трубопроводов.
Представленные данные могут быть использованы в качестве научно-информационной, методической и фактологической поддержки при разработке мероприятий, направленных на безопасную и надежную эксплуатацию газотранспортной системы.
Актуальность работ. Базовая проблематика
Актуальность оценки влияния природных воздействий на газотранспортную систему ПАО «Газпром» в целях обеспечения ее надежной и безопасной эксплуатации обусловлена:
• подверженностью объектов ПАО «Газпром» воздействию широкого спектра опасных природных процессов, оказывающих существенное влияние на их техническое состояние (аварийность) и устойчивое функционирование;
• продвижением газовой отрасли в районы Восточной Сибири и Дальнего Востока со сложными или экстремальными на значительных территориях природно-климатическими условиями;
• объективными (активизация процессов после строительства, расчет нагрузок и воздействий по ограниченным данным наблюдений в малоосвоенных регионах) и субъективными (ошибки проектирования, недостатки строительства) причинами возникновения аварийных ситуаций, инициированных природными факторами на функционирующих объектах газотранспортной системы (ГТС);
• необходимостью системного подхода к разработке адекватных масштабам природных воздействий и экономически обоснованных мероприятий по повышению надежности, безопасности функционирования объектов ГТС, предупреждению и смягчению последствий чрезвычайных ситуаций.
Природные факторы учитываются как источники потенциальной опасности для целостности магистральных газопроводов (МГ) различными методическими рекомендациями по анализу риска аварий, стресс-коррозионного (коррозионное растрескивание труб под напряжением - КРН) состояния, прогнозированию технического состояния МГ и оценке ресурса, приоритизации участков ремонтно-профилактических работ. В части оценки влияния природных факторов на аварийность газопроводов
применяемые методические подходы обладают определенными недостатками, а именно:
1) природные факторы не дифференцируются на источники одномоментной (прямые источники аварий) и перманентной (природные факторы как источники многолетних воздействий) опасности. Поэтому воздействие природных факторов - источников многолетних воздействий (геодинамические, эрозионные, криогенные процессы, просадоч-ные свойства грунтов и качественный состав грунтовых вод и т. п.) - либо не учитывается, либо размывается по другим группам факторов влияния;
2) при назначении «веса» факторов - источников перманентной опасности - весовые коэффициенты присваиваются экспертно, без учета региональной специфики и подтверждения корреляционными связями или моделями, разработанными для дифференцированной оценки их вклада в аварийность по различным причинам аварий;
3) весовые коэффициенты рассчитываются по относительному вкладу аварий в общую структуру аварийности за последние пять (реже - 10) лет, т.е. за период, недостаточный для идентификации наиболее опасных природных процессов, повторяющихся раз в 25-50 лет и реже. Так, расчет весовых коэффициентов «природных аварий» по их вкладу в аварийность за период 2010-2015 гг. дает не только заниженные абсолютные оценки, но и исключает из оценки риска масштабные источники (например, массовые сели и дождевые паводки, имевшие место на обширных территориях Северо-Кавказского и Южного федеральных округов в 2002 г.);
4) в ряде методик генетически разные природные процессы и феномены, являющиеся как одномоментными, так и перманентными источниками, объединяются в одну группу (например, «движение грунта, вызванное природными явлениями», «подвижки и деформации грунта»). Это не позволяет корректно оценить опасность конкретного воздействия, поскольку каждый процесс имеет собственные закономерности развития и активизации (повторяемость событий, масштаб воздействия).
Таким образом, корректная количественная оценка влияния природных факторов на функционирование объектов ГТС на основе анализа многолетних статистических данных об авариях - актуальная задача.
Целью представленных в статье исследований являлась идентификация природных факторов, опасных и неблагоприятных с точки зрения функционирующих объектов ГТС, и получение количественных характеристик составляющей природных воздействий в аварийных ситуациях для использования при решении задач обеспечения надежной и безопасной эксплуатации ГТС ПАО «Газпром».
Методические аспекты. Количественные оценки влияния природных воздействий, которые позволили обосновать структуру аварийности объектов ГТС в зонах ответственности дочерних обществ и рассчитать весовые коэффициенты природных факторов, получены в ходе работ по идентификации источников природной опасности на основе данных корпоративной статистики аварий. Статистический анализ причин и факторов аварийности проведен по данным актов расследования причин аварий за период 1990-2015 гг. (более 700 актов), по отношению к авариям установленного природного характера - за период 1971-2015 гг. Продолжительность анализируемого периода выбрана исходя из необходимости применения единого подхода к определению причин аварий в установленный временной интервал: например, согласно статистической отчетности по аварийности, идентификация аварий по причине КРН началась с 1989 г. Кроме того, учитывалось, что продолжительность анализируемого периода должна быть достаточной для выявления влияния природных факторов более редкой повторяемости. Корректность выбора анализируемого периода подтверждается результатами анализа актов расследования за 1971-1989 гг. (708 актов), который не расширил спектр источников природных опасностей.
В статистическом учете основных причин аварий сложилась практика отражать в графе «причина аварии» влияние опасных природных процессов формулировкой «стихийное бедствие» без дифференциации инициирующих источников. Поэтому на первом этапе исследования аварии по причине «стихийного бедствия» были систематизированы по природным источникам опасности, создающим поражающие факторы.
Результаты анализа аварийности
Как показал анализ данных, аварии, инициированные природными процессами, наиболее часто происходили на линейной части (ЛЧ)
МГ (89 % от общего числа аварий), 11 % аварий случились на площадных объектах. Далее причины аварий природного характера дифференцированы по источникам отдельно для ЛЧ и площадных объектов ГТС.
Опасные природные процессы и явления («стихийные бедствия») зафиксированы в актах как основная причина 6,7 % аварий на ЛЧ МГ, чаще всего это были оползни, дождевые паводки, сходы селей, криогенные процессы (рис. 1, 2).
В отношении площадных объектов ГТС природными источниками инициировались аварии только на газораспределительных станциях (ГРС), в том числе автоматизированных (7 %). В относительном выражении их количество сопоставимо с количеством аварий на линейных объектах. Но аварии на ГРС
по причине опасных природных процессов происходят намного реже, чем на линейных объектах (более чем в 7 раз), и обусловлены меньшим по сравнению с ЛЧ количеством источников опасности - молниями (5,6 %), подтоплением грунтовыми водами (1,4 %).
Согласно данным ООО «Газпром энерго» о нарушениях работы энергетических объектов, метеорологические процессы и явления послужили причиной 20 % нарушений энергоснабжения компрессорных станций, из них 18 % связаны с воздействием на воздушные линии электропередачи (ЛЭП) шквалов, гроз, сильных порывов ветра и 2 % - с влиянием гололедных и сложных отложений. Анализ корпоративной статистики аварий за период 1990-2006 гг. [1] показал, что влияние природных факторов
Нарушение ПТЭ-1,6%
Дефект труб и оборудования -11,5 %
Строительные дефекты - 22,2 %
Наружная коррозия - 6,5 %
Механическое повреждение - 18,2 %
оползневые процессы - 4,2 %
дождевой паводок -1,6 %
потеря несущей способности ММП - 0,3 %
просадочныи
и неустойчивый грунт - 0,2 % селевые процессы - 0,5 %
КРН-29,5%
Рис. 1. Структура причин аварийности ЛЧ МГ ПАО «Газпром» за период 1990-2015 гг.:
ПТЭ - правила технической эксплуатации; ММП - многолетнемерзлые породы
Оползневые процессы
Дождевой паводок
Потеря несущей способности ММП 0,08
Просадочность грунта И 0,04
0,38
(0.12
Щ 0,08
Щ 0,04
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Событий в год
Рис. 2. Частота аварий на ЛЧ МГ по причине стихийных бедствий за период 1990-2015 гг.
0
на целостность объектов газоснабжения может рассматриваться в двух аспектах:
1) природные факторы как прямые источники аварий (источники одномоментной опасности), вызывающие «мгновенное» разрушение (землетрясения, оползни, дождевые паводки, сели и др.);
2) природные факторы как источники многолетних воздействий (источники перманентной опасности), стимулирующие проявление скрытых дефектов трубопроводов (геодинамические, эрозионные, криогенные процессы, просадочные свойства грунтов, химический состав грунтовых вод и т.п.).
Для периода 1990-2015 гг. доля локальных неблагоприятных природных факторов, стимулирующих проявление скрытых дефектов, в аварийности на линейных объектах в среднем составляет 32,5 % (рис. 3), варьируясь в зависимости от группы основной причины аварии от 30 до 52 % (рис. 4). Наибольший процент неблагоприятных локальных природных факторов приходится на аварийность по причинам КРН (52 %), наружной коррозии (45 %) и строительных дефектов (41 %).
Для оценки значимости для газопроводов выявленных факторов опасности природных воздействий на рис. 5 неблагоприятные природные факторы аварийности эксплуатируемых газопроводов ранжированы по частоте аварий.
Очевидно, что количественные оценки влияния природных процессов будут варьироваться в зависимости от территориального размещения объектов. Поэтому значимость природных факторов целесообразно
установить при анализе аварийности в зонах ответственности дочерних обществ. Например, в структуре аварий на объектах ООО «Газпром трансгаз Югорск» причина «стихийное бедствие» (активизация оползневых процессов) составляет 1 % (рис. 6), вместе с тем локальные природные факторы отмечены в актах расследования причин 45 % аварий (рис. 7).
События с участием локальных неблагоприятных природных факторов в различных группах основных причин аварий составляют от 33 до 75 %. Чаще всего локальные неблагоприятные природные факторы являются фоном аварий, для которых в актах расследования в качестве основных установлены следующие причины:
• наружная коррозия (75 % случаев);
• КРН (55 % случаев);
• строительные дефекты (39 % случаев);
• дефекты труб и оборудования (33 % случаев);
• прочие - комплекс причин (50 % случаев).
Значимость природных воздействий устанавливается и методами интеллектуального анализа данных («добычи» данных, англ. data mining). Например, построение и анализ модели логистической регрессии КРН-аварий для ООО «Газпром трансгаз Югорск» (оценивается вероятность того, что событие КРН наступит для нескольких независимых переменных - природных и техногенных факторов) показывает, что локальные природные факторы являются существенными признаками аварий КРН, т.е. их присутствие значительно повышает шансы возникновения КРН.
Опасные природные процессы - 6,7 %
Локальные природные факторы - 32,5 %
Участие природных факторов не отражено в актах расследования -
60,9 %
переувлажненный грунт -22,5 %
пересеченный рельеф -5,9 %
просадочные и неустойчивые грунты - 0,9 %
оползневые процессы - 0,6 %
паводок, половодье - 0,6 %
пучнистые грунты - 0,5 %
карстовые процессы - 0,5 %
землетрясение -0,2 %
потеря несущей способности ММП - 0,3 %
природный пожар - 0,2 %
сильный ветер (обрыв ЛЭП) - 0,2 %
агрессивный грунт - 0,2 %
Рис. 3. Структура локальных неблагоприятных природных факторов, на фоне которых произошли аварии на ЛЧ МГ
КРН
Наружная коррозия Строительные дефекты Дефекты труб и оборудования Нарушение ПТЭ Механическое повреждение Прочие
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
_1 100 %
аварии, в отношении которых участие природных факторов не отражено в актах расследования аварии с участием неблагоприятных локальных природных факторов
Рис. 4. Доля локальных неблагоприятных природных факторов в причинах аварийности на ЛЧ МГ
Переувлажненный грунт Пересеченный рельеф Просадочные и неустойчивые грунты Паводок, половодье Оползневые процессы Карстовые процессы Пучнистые грунты Потеря несущей способности ММП Агрессивный грунт Сильный ветер (обрыв ЛЭП) Природный пожар Землетрясение
■ 0,23
■ 0,15
■ 0,15
■ 0,12
■ 0,12
10,08
10,04
10,04
10,04
10,04
0
5 6
Событий в год
Рис. 5. Частота аварий на ЛЧ МГ с участием природных факторов за период 1990-2015 гг.
КРН-47%
наружная коррозия - 4 %
строительные дефекты -21 %
дефект труб и оборудования -19%
механическое повреждение - 5 %
стихийное бедствие (оползневые процессы) - 1 %
прочие - 4 %
Рис. 6. Причины аварий на ЛЧ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск» за период 1990-2015 гг.
Участие природных факторов не отражено в актах
расследования -
54,1 %
Опасные природные процессы - 0,9 %
переувлажненный грунт - 34,9 % пересеченный рельеф - 7,3 % просадка грунта -1,8 % пучение грунтов - 0,9 %
Рис. 7. Структура локальных неблагоприятных природных факторов, на фоне которых произошли аварии на ЛЧ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск» за период 1990-2015 гг.
Механизмы проявления и воздействия опасных и неблагоприятных природных факторов
В общей сложности полученные данные показывают, что наиболее часто аварии происходили на фоне влияния периодического избыточного увлажнения грунта (см. рис. 7, группа «переувлажненный грунт»). Это обстоятельство, вероятно, связано с формированием на локальных участках неблагоприятных условий: повышением коррозионной активности грунтов (при увеличении их влажности до определенного уровня) и степени минерализации; чередованием грунтов с различной влажностью и, как следствие, неравномерной электрической проводимостью, что приводит к появлению участков с недостаточной защитой от коррозии; возникновением в трубопроводе напряжений, превышающих расчетные, по причине пучения водонасыщенных грунтов; нарушением изоляционного покрытия и т. д. Данный фактор в целом по ПАО «Газпром» установлен для 45 % аварий по причине КРН, 38 % аварий из-за общей коррозии, 23 % аварий из-за дефекта металла труб, 16 % аварий из-за строительных дефектов.
Оползневые процессы, как правило, выступают в роли основной причины аварии, хотя в ряде случаев отмечено их влияние как локальных неблагоприятных факторов, создающих дополнительные нагрузки на трубу в результате подвижек грунта на оползневом склоне и способствующих дальнейшему развитию имеющихся дефектов. В подземных трубопроводах подвижки на оползневых склонах
вызывают значительные изгибные напряжения и деформации; на надземных переходах происходит смещение опор с провисанием трубопровода, опасно и погребение газопровода под телом оползня.
При активизации эрозионных процессов на нарушенных землях1 с пересеченным рельефом формируются условия, способствующие снижению конструктивной прочности трубопровода за счет усиления напряженно-деформированного состояния трубы по сравнению с прямолинейными участками. К таким условиям можно отнести: возникновение скрытых пустот под нижней образующей трубы в результате вымывания грунта; циклические сезонные подвижки грунта; дополнительные нагрузки вследствие давления грунта при увеличении его мощности. Данные факторы способствуют реализации таких источников аварий, как дефект трубы, коррозия, отступление от проектных решений при проведении строительно-монтажных работ (несоблюдение радиуса кривизны, заглубления, и, как результат, принудительный изгиб трубопровода), являющихся первоисточниками недопустимых напряжений в теле трубы.
Аварии, связанные с гидрологическими процессами, наиболее часто обусловлены гидродинамическим воздействием водного потока при дождевых паводках редкой повторяемости в горных районах. Влияние неблагоприятных локальных факторов связано
См. ГОСТ 17.5.1.01-83. Охрана природы. Рекультивация земель. Термины и определения.
с паводковым размывом грунта на береговых участках газопровода в период паводков и половодья, развитием дефектов под действием весовой нагрузки на оголенных участках трубопровода. В условиях равнинных рек береговые участки подводных переходов трубопроводов, засыпанные грунтами нарушенной структуры, интенсивно размываются под влиянием ледохода, подъема уровня воды до нескольких метров, длительного стояния высоких паводковых вод в период весеннего половодья.
Селевые процессы представляют опасность для газопроводов, расположенных в предгорной зоне на гипсометрически низких относительно селеопасных русел рек отметках. Параметры селевых потоков изменяются в широких пределах: скорости движения в транзитной зоне -от первых единиц до первых десятков метров в секунду; максимальные расходы - от нескольких десятков до 1000-1500 м3/с; длительность процесса - от нескольких минут до нескольких часов (реже - более). Аварии, инициированные селевыми процессами, часто имеют место при прохождении дождевых паводков.
В районах развития ММП при взаимодействии трубопроводов с геологической средой происходят сложные механические и тепловые процессы, нарушающие гидротермический режим многолетнемерзлых грунтов, при этом резко активизируются геокриологические процессы, приводящие к деградации мерзлоты: термоэрозия, солифлюкция, наледеобразование, морозобойное растрескивание, термокарст, пучение. Основные и сопутствующие причины аварий на газопроводах, связанные с оттаиванием ММП, обусловлены смещением свайных опор и нарушением центровки трубопровода, потерей продольной устойчивости трубопроводов, всплытием, арочным выбросом участков или их проседанием.
Потеря продольной устойчивости трубопроводов с выходом (всплыванием) на поверхность и образованием арок и гофров провоцирует отказы и аварии как в зонах развития ММП, так и вне их - на заболоченных и обводненных территориях, на слабосвязанных и торфяных грунтах.
В зонах развития карстовых процессов при отступлении от проектных решений и некачественно проведенных строительно-монтажных работах вследствие просадки грунта на участках газопроводов создаются дополнительные напряжения, превышающие предел прочности
металла трубы. Механизмы поражающего воздействия карстовых процессов на объекты ГТС: гидродинамическое воздействие - разрушение структуры пород, перемещение (вымывание) частиц породы; гравитационное воздействие - смещение (обрушение) пород, деформации земной поверхности.
Разрывы трубопровода в результате пучения чаще всего происходят в начале зимнего сезона, поскольку в этот период скорость промерзания грунтов наибольшая. Трубопровод, испытывая сжатие со стороны промерзающего грунта, постепенно перемещается вместе с ним вверх. По мере увеличения мощности мерзлого грунта скорость перемещения возрастает, что приводит к увеличению напряжений в трубопроводе. Выпучивание последнего продолжается в связи с пучением грунтов, промерзающих под ним, причем наибольшая деформация происходит в момент смыкания промерзающего грунта с кровлей ММП. Кроме того, опасность пучения состоит в неравномерности его воздействия по длине трубопровода, поскольку газопровод пересекает грунты с различными свойствами.
Просадочные явления представляют опасность на территориях распространения лессовых отложений, полигенетических супесей и суглинков, торфов. Группа процессов, вызывающих просадки, может считаться менее опасной в силу предсказуемости динамики процессов, а следовательно, возможности своевременной подготовки к аварийной ситуации. Хотя необходимо отметить возможность значительного повышения интенсивности этих процессов в условиях изменения состояния грунтов, в первую очередь связанного с обильным выпадением осадков или паводковыми явлениями.
Таким образом, основная опасность возникновения аварийных ситуаций для газопроводов возникает в «процессоопасные» периоды, когда происходят резкие изменения температурного режима и режима увлажненности. Причем деформационные процессы иногда имеют различные направления и характеристики в точках, находящихся в непосредственной близости друг от друга, т.е. на участки трубопровода, заключенные между соседними опорами, могут воздействовать совершенно разные напряжения.
Поражающим фактором землетрясений применительно к объектам ГТС является сейсмическое воздействие - сейсмический удар, деформация и гравитационное смещение горных пород (снежных масс, ледников).
Полученные количественные характеристики составляющей природных воздействий в аварийных ситуациях использованы при подготовке методических рекомендаций по анализу техногенного риска объектов ЛЧ МГ, предназначенных для применения при оценке технического состояния, в том числе с помощью СУТСЦ (системы управления техническим состоянием и целостностью) [2]. ***
Таким образом, в результате анализа причинно-следственной логики возникновения аварий на разных этапах развития ГТС и оценки «прямого» и «опосредованного» влияния природных факторов на показатели аварийности объектов ПАО «Газпром» обоснован и разработан алгоритм расчета риска аварий на ЛЧ МГ на базе динамической оценки опасности природных процессов2.
Полученные данные могут быть использованы в методиках оценки риска для разработки критериальных значений по вероятности и существенности дифференциальных (влияние каждого процесса) и интегральных (влияние совокупности процессов) природных рисков для безопасной эксплуатации газопроводов.
Список литературы
1. Власова Л.В. Природные факторы
при аварийности газопроводов / Л.В. Власова // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. - 2009. - № 3. -С. 264-270.
2. Рекомендации по учету влияния технико-технологических, природно-климатических и других факторов при прогнозировании аварийности на МГ ОАО «Газпром» / утв. ОАО «Газпром» 27.03.2007.
См. Р Газпром 2-2.3-903-2014. Методика расчета рисков на основе динамической оценки опасности природных процессов.
Estimation of natural effects in tasks aimed at provision of reliable and safe operation of the Gazprom PJSC gas-pipeline network
L.V. Vlasova
Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Est. 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation E-mail: L_Vlasova@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. Variety of natural factors influencing the reliability of gas supply facilities is concerned with the sizable extension of the gas pipelines within the Unified Gas Supply System (UGSS) of Russia and diversity of climatic regions it's being operated in. So, statistical analysis of accidents at the UGSS facilities, which reflects real state of UGSS design, construction and operation, is a basis for development of adequate measures aimed at providing super-reliable operation of engineering structures.
In the article, on the grounds of corporate statistical data for the period of 1990-2015 a structure of reasons for accidents at UGSS facilities is analyzed in order to identify and to estimate quantitatively their natural-effect component. At that, environmental sources of danger are studied differentially both as the main origins of accidents and as the factors promoting development of latent defects of pipelines.
The presented data could be used as scientific, informational, methodical and evidential support for arrangements aimed at safe and reliable operation of the gas-pipeline network.
Keywords: gas-pipeline network, gas main, linear part of gas mains, accidental rate, natural risks, natural dangers. References
1. VLASOVA, L.V. Natural factors of gas pipelines' accident rate [Prirodnyye factory pri avariynosti gazoprovodov]. Geoekologiya, inzhenernaya geologiya, gidrogeologiya, geokriologiya. 2009, no. 3, pp. 264-270. (Russ.).
2. GAZPROM OJSC. Recommendations on consideration of technical, engineering, environmental and other factors at forecasting accident rates of the Gazprom OJSC gas mains [Rekomendatsii po uchetu vliyaniya tekhniko-tekhnologicheskikh, prirodno-klimaticheskikh i drugikh faktorov pri prognozirovanii avariynosti na MG OAO "Gazprom"] / validated on March 27, 2007. (Russ.).
