CC BY
152
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ
Смирнов Владимир Викторович
ассистент кафедры транспорта углеводородных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень
E-mail: sm irnovvladim ir@mail. ru Земенков Юрий Дмитриевич д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой транспорта углеводородных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового университета,
г. Тюмень E-mail: [email protected]
PROBLEMS OF ENSURING RELIABILITY OF OPERATION OF CONSTRUCTIONS IN PERMAFROST
Vladimir Smirnov
assistant of the Department of Transport of hydrocarbon resources of the Tyumen
State Oil and Gas University, Tyumen
Yuri Zemenkov
doctor of Technical Sciences, professor, head of the transport of hydrocarbon resources of the Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen
АННОТАЦИЯ
В статье приведен анализ опасных осложнений при эксплуатации различных сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ). Актуальность проблемы повышается в виду строительства новых линейных объектов в области ММГ — надземных магистральных нефтепроводов, таких как нефтепровод «Ванкор-Пурпе» введенный в эксплуатацию в 2009 году и строящийся трубопровод «Заполярье-Пурпе».
ABSTRACT
The article is an analysis of dangerous complications in the operation of various structures in the permafrost. The relevance of increased since the construction of the new line features of permafrost - above-ground main pipeline such as the pipeline "Vankor-Purpe" was put into operation in 2009 and is currently under construction pipeline "Zapolyarie-Purpe."
Ключевые слова: магистральный трубопровод, мерзлый грунт; геотехническая система; криолитозона; деформации.
Keywords: main pipeline, frozen ground, geotechnical system; permafrost; deformation.
Несмотря на развитые возможности прогнозирования изменений свойств ММГ, а также значительный перечень разработанных мероприятий по сохранению свойств грунтов оснований в области проектных значений, во многих современных научных работах указывается на проблемы связанные с деформациями конструкции и другие сложности, возникающие при строительстве и эксплуатации объектов нефтегазовой отрасли и других отраслей хозяйства в области распространения ММГ. Рассмотрим причины, препятствующие нормальной эксплуатации сооружений в криолитозоне. В статье [4], Губарьков А.А. указывает на недостаток объективной геологической информации, несмотря на соблюдение требований существующих СНиП при проведении изыскательских работ в области прокладки магистрального нефтепровода «Ванкор-Пурпе». Для осуществления строительных работ потребовалось выполнение дополнительных изысканий в процессе строительства. Проведенные предпроектные исследования грунта через 150— 300 м трассы трубопровода, результаты которых использовались, в том числе для выбора типа свай, оказались недостаточными, так как изменение состава грунта происходило через 30—36 м и менее. В работе [6] отмечены несколько случаев опасной деформации сооружений по причине нарушения норм строительства, не учете свойств ММГ и невыполнении проектных решений. Глубокий анализ причин развития деформаций и повреждений зданий и сооружений газовой промышленности предприятия ОАО «Надымгазпром», в области распространения ММГ приведен в работе Попова А.П. [8]. Автор анализирует значительный накопленный фактический материал наблюдений за развитием процессов растепления ММГ и результатов этого явления. В таблице 1 представлены известные случаи осложнений на различных этапах жизненного цикла сооружений.
Таблица 1.
Причины и следствия осложнений при строительстве и эксплуатации
объектов на ММГ
Соор ужен ие
к
к; и
К Н
X <и
ч
и «
о £р С
с
ей
н
о
ч
Ч >5
О s
X
<D
К
*
о
ч
£р О
С о
Причина осложнений
Следствие осложнений
Пути решения сложившихся проблем
Источ ник
е
с
р $
ср о
и
£ PQ
о
«
о р
с
е
н -©ф
е
2 3 х
н « «
(U
о
& еЗ
С и
Ч о
¿Р СО
(U
5 О
S3 S
S Б
2 Л
Ср ч
К (и
н н
й s
g О
2 ^
ср н
g в g б
Не
достоверные данные о составе и структуре грунта. Изменение свойств грунта наблюдается на меньшем расстоянии (менее 30 м), чем
предусмотрено нормами на изыскания (150-300 м)
Неправильно определен тип свай на этапе
проектирования. Невозможность применения свай при строительстве; порча материала.
Проведение
изысканий
при
строительстве в области установки свай.
«
о
и
л %
ю
у
Jt
£
X
е
С
1-ч'
со И
о
«
о р
«
к х а и о
3
СО
К
« S
Л
к &
<и
о р
с
ч
(U
К
а а
£ iy Ч С о и
о и
н
и о
О Л р
К Р
н и
(U
н к
о р
Ошибки в инженерных изысканиях привели к отсутствию сведений о наличии мерзлоты
Не были
запроектированы меры по сохранению свойств ММГ. Растепление грунта привело к опасным деформациям.
Установка
вертикальных
охлаждающих
установок и
проведение
промораживан
ия грунта
i-ч
С О
X <D
Е
о
J2
е
ff 0Q
г Промышленны
р у б е здания с
м п. полами по
грунту на
и насыпи,
кая с б О т. с оЗ К я и ад з е еы и охлаждаемой с помощью естественно продуваемых трубчатых каналов. В результате ошибки проектировани Опасные деформации зданий Замена естественно продуваемых каналов на горизонтальн ые охлаждающие установки
н н е л шл ы м о к к к: й а « э О ев Л Н К 03 н ^ и ч и с 2 & я каналов они «заросли» льдом и охлаждение Долгих Г.М. Вельчев С.П.
р с С П прекратилось
Продолжение таблицы 1.
о и
о К о
(и К X л
РР
сЗ К
к к к
(и
& 8
л °
ае н
^ £
Си 5
н я
о я
Л сЗ
^ £
(и «3
н ^
к п
о с
л О
Н И
О Г)
Ошибка при
проведении
строительных
работ привела к
тому, что в
условиях
сложного
состояния
вечномерзлых
грунтов
основания
некоторые сваи
не понесли
проектной
нагрузки._
Угроза аварийной
деформации
сооружения
Укрепление
грунтов
проморажива
нием с
помощью
систем
горизонтальн
ых
охлаждающи х установок под уже построенным резервуаром.
и
С О
в хе
иг л о
ч ь л е
к к
« и
о
X
к
I—г X
а к
сЗ и
« ^
3 ю о
л
хан
1-4 . ^
3 2 ® п к
° § о в «
3
и ьч к к
К
к к £
£ 3 8 00
й ^ <и о 2 «
<и § 3 К И Й в 5 в Й ^ Й ^ о — л о н о (и
(и о
X ЬЧ
к к
о
К ^
О
и о к
[Ж
о
сГ н о 03 и
а 5
« 3 н я
3 £
03
н ^ к ч о с
Л О
н и
О Г)
Отсутствие
мероприятий
по
стабилизации ММГ при значительном тепловом воздействии в период
строительства и эксплуатации скважины
Проведение
ремонтных
работ с
использован
ием вновь
сооружаемы
Образование каверн х
и приустьевых фундаментов
воронок, промыв вынесенных
кондуктора за пределы
скважины, области
деформация растепления
бурового скважины
оборудования, или
деформации способные
обсадных колонн и эффективно
др. работать в
условиях
растепления,
стабилизация
температурн
ого режима
ММГ
00|
с
<
в о п о
(и
<и «
(и
ьч К К
(и *
о
л
о
н
о
(и
ьч к к
<и *
>>
сР о о о
(и «
о ч
о
о л с о
±Г
(и
К «
О
ьч к
£
ср Н
К 03 £ ^
л « С П
Возрастание
мощности
деятельного
слоя грунта,
увеличение
влажности
грунта,
отклонение от
проектного
температурного
режима
грунтов
оснований,
нарушение
принципа
использования
грунтов
оснований
Повышенная
вибрация
оборудования и
трубопроводов
вследствие
перекосов
вращающихся
частей механизмов
и отрыва
оборудования и
трубопроводов от Создание
части опор. сети
Недопустимые геомонитори
изгибы нга,
трубопроводов. капитальный
Недопустимые и плановый
отклонения от ремонт,
вертикального мероприятия
положения по
сепараторов, стабилизаци
адсорберов и и грунта
другого
технологического
оборудования.
Деформации
каркасов зданий, 00
искривления и .
нарушение П. < в
сплошности
стеновых о п
панелей о к
Примеры, приведенные в работе Долгих Г.М.,
Вельчева С.П. [6]показывают возможность восстановления утраченных свойств грунта путем промораживания и последующего ремонта фундамента. Применимость таких работ требует проведения предварительного расчета изменений положения и объема грунта в процессе промерзания во избежание дополнительных повреждений сооружения при протекании этого процесса. Так, авторы работы [7] отмечают, что проведение обратного промораживания грунта вокруг подземного газопровода может привести к механическим
повреждениям под действиям сил морозного пучения. Это еще раз подтверждает целесообразность предупреждения причин аварий и повреждений, по сравнению с ликвидацией последствий.
Проанализировав таблицу 1 можно отметить, что причины, приводящие к изменению свойств грунта и нарушению проектного положения сооружений, авариям на производстве, возникают на всех этапах жизненного цикла различных объектов. Таким образом, для обеспечения максимальной надежности эксплуатации целесообразно использовать системный подход — осуществлять геотехнический мониторинг. Наиболее точное определение геотехнического мониторинга приводит А.П. Попов [8]: система геотехнического мониторинга — это комплекс научно-производственных работ, позволяющих осуществлять постоянный контроль за состоянием систем, производить обследование, диагностику, прогнозирование динамики процессов и ретропрогноз (при необходимости) исходного состояния системы, с целью своевременного обнаружения, прогнозирования, устранения и предотвращения потери «качества» геотехнической системы, посредством обоснования, разработки и реализации наиболее эффективных управляющих решений приводящих к поддержанию проектных параметров работы системы (к ликвидации аварийных ситуаций, к минимизации ущерба окружающей среде и обслуживающему персоналу).
Идея геотехнического мониторинга поддерживается в работах специалистов проектных организаций специализирующихся на разработках фундаментов и систем охлаждения для ММГ. Подход к геотехническому мониторингу предлагают специалисты компании ООО НПО «Фундаментстройаркос» С.Н. Стрижков, Н.А. Скорбилин в работе [10]. Авторы подчеркивают необходимость проведение геотехнического мониторинга на этапах строительства эксплуатации сооружений на ММГ. Как утверждают авторы применение систем горизонтальных и вертикальных естественно-действующих трубчатых систем («ГЕТ» и «ВЕТ» соответственно), индивидуальных сезонно-действующих установок (СОУ) для стабилизации
грунтов оснований сооружений различного назначения, не всегда гарантирует надежность на весь период эксплуатации.
Актуальность системного подхода повышается в связи с ожидаемым изменением климата и повышением температуры на Земле, следствием которого будет сокращение области и изменение свойств криолитозоны [5]. Авторы работы [2] на основании произведенного прогноза показывают, что к середине XXI века температура мерзлых грунтов и глубина сезонно-талого слоя на территории России изменятся согласно таблице 2.
Таблица 2.
Прогнозируемые к середине XXI века изменения температуры вечной мерзлоты (ЛТ), и глубины сезонного протаивания для регионов _северного^ полушария. Приведена в ^ работе [2]_
Регион ДТ, °С Д7, %
Западная Сибирь 1,5—2,0 15—25
Якутия 1,5—2,0 25—50
Чукотка и Дальний Восток 1,0—2,0 40—50
В работе [1] отмечается, что большое влияние к 2050 сокращение криолитозоны окажет на инженерные объекты Ямала. Для предотвращения угрозы и адаптации к новым условиям авторы рекомендуют оснащать фундаменты существующих сооружений системами охлаждения и учитывать потепление при проектировании новых объектов. В тоже время можно сделать вывод, что в случае повышения среднегодовой температуры сооружения уже оснащенные такими устройствами нуждаются в наблюдении, так как расчетные параметры на основании которых производился выбор систем охлаждения с течением времени перестанут соответствовать реальным.
Контроль грунтовых свойств позволяет уменьшать масштабы и саму возможность повреждений в долгосрочной перспективе. Непрерывный или периодический контроль за деформациями контрольных точек сооружения обеспечит безопасность сооружения на текущем этапе эксплуатации и может косвенно указать на изменения свойств грунта. Следует отметить, что детерминированным критерием надежности сооружения являются параметры
напряженно-деформированного состояния конструкции, и именно по этому критерию принимается решение о возможности эксплуатации конструкции. Выбор контрольных точек целесообразно осуществлять из возможности эффективного расчета, либо из возможности сравнения с уже определенными критериями, например максимальный размер трещины. Два этих подхода можно рассмотреть сравнением работ [3, 9]. А.С. Витченко, в своей работе [3] предлагает метод оценки деформаций газопромысловых надземных трубопроводов по заранее определенным для каждого участка допустимым значениям уклона и прогиба. Авторы работы [9] предлагают проводить расчет конструкции надземного магистрального нефтепровода в заранее разработанной для каждого участка программе, исходными данными для которой будут являться положение контрольных точек — мест закрепления трубопровода в опорах. Решение о допустимости деформаций принимается по предельным допустимым напряжениям материала. В обоих случаях, оценка возможности сооружения продолжать выполнение своих функций без создания повышенного уровня опасности производиться для времени производства измерений реальной геометрии сооружения.
Таким образом, наиболее эффективным является двухсторонний подход к обеспечению надежности, включающий контроль свойств грунта оснований сооружений и контроль деформаций контрольных точек сооружения.
Список литературы:
1. Анисимов О.А. Оценочный отчет Greenpeace "Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых пород: прогноз на основе синтеза наблюдений и моделирования./ Анисимов О.А. [и др.]. // М. : ОМННО «Совет Гринпис», 2010. — 44 с.
2. Анисимов О.А., Белолуцкая М.А. «Влияние изменения климата на вечную мерзлоту: прогноз и оценка неопределенности» // Сайт рабочей группы «Вечная мерзлота и климат» Международной ассоциации
мерзлотоведения. Статья в сборнике ИГКЭ. — 2003. [Электронный ресурс]
— Режим доступа. — URL: http : //permafro st. su/publications
3. Витченко А.С. Контроль деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне. дис. ... канд. техн. наук. Надым : 2008. — 115 с.
4. Губарьков А.А. Инженерно-геологические изыскания и строительство нефтепровода «Ванкорское месторождение — НПС Пурпе». Известия вузов. Нефть и газ. — 2011 — № 5. — стр. 25—28.
5. Данкерс Р. Исследовательская программа: «Неопределенности и вероятности изменения климата в России и воздействий на вечную мерзлоту». Заключительный отчет./ Данкерс Р., Анисимов О., Кокорев В., [и др.] [Электронный ресурс] //. Совместный проект Великобритании и России в области изменения климата. — 2010. — 34 с. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http : //www.uk-russia-ccproj ect.info/.
6. Долгих Г.М. Строительство на вечномерзлых грунтах: проблемы качества / Г.М. Долгих, С.П. Вельчев // Международный журнал «Геотехника». — 2010. — № 6. — С. 23—29.
7. Оценка напряженно-деформированного состояния газопровода в условиях обратного промерзания грунта,характеризующегося пучением. [Текст] / Новоселов В.В., Бачериков А.С. // Проблемы эксплуатации и ремонта промысловых и магистральных трубопроводов. Сб.науч.трудов. Тюмень.
— 1999. С. 94—96..
8. Попов А.П. Управление геотехническими системами газового комплекса в криолитозоне. Прогноз состояния и обеспечение надежности. Дис. ... док. техн. наук. Тюмень: 2005. — 713 с.
9. Смирнов В.В. Повышение надежности эксплуатации надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах / Смирнов В.В., Земенков Ю.Д.//. Нефть и газ: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического
журнала). М.: Издательство «Горная книга». — 2013. — № ОВ3. — С. 197—208.
10. Стрижков С.Н. О необходимости оптимизации геотехнического мониторинга на объектах с системами термостабилизации. / С.Н. Стрижков, Скорбилин Н.А. // Трубопроводный транспорт теория и практика. — 2011. — № 6. — С. 21—25.
