CC BY
64СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Демидюк Л.М, Степанова С.Г. Проблема гидрогеологического прогноза при сооружении трубопроводов в районах распространения много-летнемерзлых пород // Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера. Тезисы докладов к Междуведомственному совещанию 9 -11 февраля 1982 г. - Якутск, 1982. - С. 65-66.
2. Караваева Н.А. О процессах прогрессивного заболачивания в почвенном покрове тайги Западной Сибири // Природные условия и особенности хозяйственного освоения северных районов Западной Сибири. — М.: Наука, 1969. - С. 69-81.
3. Марахтанов В.П. Инженерно-географические исследования на трассах магистральных газопроводов в криолитозоне // Вестник Московского университета. Сер. 5 География. 2011,№ 4.-С.42-47
4. Николаев Н.А. Принципы классификации ландшафтов // Вестник МГУ. Серия 5. География. 1973. № 6. - С. 30-35.
5. Новиков И.П., Симонов А.Н., Васерман С.Н. К вопросу оценки систематического дренажа на на болотах, освоенных безвыторфовочным методом в условиях Среднего Приобья // Нефтепромысловое строительство. 1977, № 5.
6. Региональный географический прогноз. Вып. 2. - М.: МГУ, 1980. - 206 с.
7. СП 103-34-95 Свод правил по сооружению магистральных газопроводов. Подготовка строительной полосы. М., 1996. - 140 с.
8. СТО Газпром 2-2.1-249-2008 Магистральные газопроводы. М., 2008. -70 с.
9. Шудибиль Ю.А. Детальное изучение физико-геологических процессов на трассе линейных сооружений в северной тайге Западной Сибири //Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера. Тезисы докладов междуведомственного совещания. - М. 1982. - С. 147.
IMPACT OF HAZARDOUS ENGINEERING-GEOLOGICAL PROCESSES ON GAS PIPELINES IN THE PERMAFROST REGION OF WESTERN SIBERIA
Marakhtanov V.
Senior researcher at the laboratory of Geoecology of the North, faculty ofgeography, Lomonosov Moscow
state University, Moscow, candidate of geographical Sciences
ВОЗДЕЙСТВИЕ ОПАСНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ГАЗОПРОВОДЫ В ОБЛАСТИ КРИОЛИТОЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Марахтанов В.П.
Старший научный сотрудник лаборатории геоэкологии Севера географического факультета
МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидат географических наук
Abstract
In the permafrost zone of Western Siberia, a variety of engineering and geological processes are manifested, many of which are due to the presence of ice in rocks. These processes can have a negative impact on the technical condition of gas pipelines. At the same time, different processes affect different elements of the gas pipeline design in different ways. Knowledge of the regularities of these effects is a necessary condition for ensuring trouble-free operation of gas transportation systems, characterized by increased industrial danger.
Аннотация
На территории криолитозоны Западной Сибири проявляются разнообразные инженерно-геологические процессы, многие из которых обусловлены присутствием льда в горных породах. Эти процессы могут оказывать отрицательное воздействие на техническое состояние газопроводов. При этом разные процессы по-разному воздействуют на различные элементы конструкции сооружений. Знание закономерностей проявления этих воздействий является необходимым условием обеспечения безаварийной работы газотранспортных систем, характеризующихся повышенной промышленной опасностью.
Keywords: Western Siberia, permafrost, engineering-geological processes, gas pipelines, technical condition
Ключевые слова: Западная Сибирь, криолитозона, инженерно-геологические процессы, газопроводы, техническое состояние
Опасные инженерно-геологические процессы на севере Западной Сибири
Инженерно-геологические процессы представляют собой, потоки вещества в верхней части разреза горных пород (их грунтовой и водной составляющей), обусловленные энергетическими воздействиями, развивающимися как внутри самой горной породы, так и проявляющимися со стороны
перемещающихся водных и воздушных масс. В области криолитозоны вещественный состав пород и их состояние (мерзлое или талое (оттаявшее), т. е. инженерно-геологические свойства, оказывают существенное влияние на развитие процессов. При этом основное значение имеют инженерно-геологические свойства верхней (до глубины 5-10 м) части разреза: литологический состав, льдистость, а также неоднородность массива породы, который
может быть расчленён на морозобойные полигоны с полигонально-жильным льдом или безо льда.
Помимо горных пород, на развитии неблагоприятных инженерно-геологических процессов сказывается состояние и других компонентов ландшафта - характер рельефа, уровень залегания подземных вод, тип почвенно-растительного покрова, распределение снежного покрова. Все эти компоненты, совместно с горными породами, в неразрывном единстве формируют ландшафтный облик территории. Поэтому изучение инженерно-геологических процессов базируется на учете ландшафтной неоднородности территории, т.е. на результатах
ландшафтно-геокриологического районирования. Причем, в свете сказанного выше, процессы в большей степени обусловлены ландшафтно-экологиче-скими особенностями территории, нежели только лишь многолетнемерзлыми горными породами.
Рассматриваемая в статье часть территории криолитозоны относится к Надым-Пур-Тазов-скому региону на севере Западной Сибири, занятому инфраструктурами нефтегазодобывающих месторождений: Медвежьего, Ново-Уренгойского, Ямсовейского, Юбилейного, Заполярного, Русского, Южно-Русского, Ямбургского, Соленин-ского и ряда других (рис. 1).
Рис. 1. Территория Надым-Пур-Тазовского региона с газовыми месторождениями и газотранспортными системами. http://refleader.rU/files/0/3b79055100cde7320431770015a1b433.html_files/0.jpg. Границы и обозначениями природных зон, выполненными автором с использованием Атласа Тюменской области
Здесь, в суровых геолого-географических условиях, на территории более 200 тыс. кв. км, проложены многие сотни километров промысловых и многониточных магистральных газопроводов, подающих газ в европейскую часть России и Центральную и Западную Европу. Перечисленные месторождения и участки газотранспортных систем приурочены к северо-таежной, лесотундровой и южно-тундровой физико- географическим зонам и подзонам или Субарктике (см. рис.1). Это по сути дела огромный промышленно-экспериментальный полигон нефтегазового освоения Крайнего Севера России, без всестороннего учета позитивного и особенно негативного опыта которого невозможно дальнейшее рациональное освоение более северных территорий включающей в себя типично тундровую, аркто-тундровую и полупустынно-арктическую физико-географические, подзоны.
С юга не север в пределах Надым-Пур-Тазов-ского региона выделяются три физико-географические зоны: лесная (северо-таежная подзона лесной
зоны), лесотундровая и тундровая (рис. 1), которые отличаются по характеру проявления опасных для инженерных сооружений процессов.
В северной тайге наиболее типичным, повсеместно развитым процессом является заболачивание, которое активизируется на трассах газотранспортных систем, нередко образуя озера вдоль трубопроводов и разрушая их обвалование (рис. 2). Другим процессом в подзоне северной тайги является термокарст, который, хотя и протекает очень активно, но локализован в местах льдистых торфяников (рис. 3). На болотах возможно сезонное (рис. 4) и многолетнее пучение грунтов, в некоторых случаях приводящее к образованию высоких миграционных бугров пучения (рис. 5). На участках с глубоким сезонным промерзанием грунтов сезонное пучение может приводить к выпучивание свайных опор трубопроводов.
Рис. 2. Техногенные болота и озерки на трассе магистрального газопровода (фото автора)
Рис. 3. Термокарст вдоль III нитки газопровода Надым-Пунга (аэрофотоснимок масштаба 1:5000)
Рис. 4. Сезонные бугры пучения на травяно-моховом болоте (фото автора)
Рис. 5. Многолетний миграционный бугор пучения на комплексном болоте (фото автора)
Таким образом, несмотря на положение се- них условий (в первую очередь мощности и плот-
веро-таежной подзоны на юге криолитозоны, здесь ности снежного покрова) могут либо промерзать,
проявляется широкий спектр опасных для га- либо оттаивать с соответствующей активизацией
зотранспортных систем инженерно-геологических пучения или термокарста.
процессов, среди которых наибольшие неприятно- Для лесотундры типичным процессом, разви-
сти может доставить криогенное пучение грунтов. вающимся в естественных условиях и активизиру-
Динамичность территории определяется близкими ющимся на трассах газотранспортных систем, явля-
к 0 °С среднегодовыми температурами грунтов, ко- ется термокарст, характерный для участков с тор-
торые даже при незначительных изменений внеш- фяниками (рис. 6).
Рис. 6. Термокарст в полосе трассы газопровода (аэрофотоснимок масштаба 1:3500)
В тундре важной особенностью является отсутствие в растительности древесного яруса, а кустарники приурочены к речным долинам. Поэтому на междуречьях не проявляется снегозадерживающая роль растительности, снежный покров маломощен и не препятствует интенсивному зимнему промерзанию грунтов, что, в свою очередь, приводит к широкому проявлению процессов морозобойного растрескивания. На относительно повышенных поверхностях, сложенных минеральными грунтами
(пески, супеси, суглинки, глины) обычно образуются морозобойные трещины без ледяных жил или с их фрагментами. По системе морозобойных трещин летом развивается термоэрозия, которая на участках примыкания к долинам рек и ручьев формирует овражную сеть (рис. 7). На низких уровнях (высокие речные и озерные поймы, озерно-болот-ные котловины) в торфяниках образуются полигональные системы с ледяными жилами. При оттаивании жил развиваются обводненные термокарстовые канавы (рис. 8).
Рис. 7. Овраги, заложенные по системе морозобойных трещин (аэрофотоснимок масштаба 1:5000)
Рис. 8. Торфяник с ледяными жилами, пересекаемый газопроводом (аэрофотоснимок масштаба 1:5000)
На территории Западной Сибири (на Ямале и Гыдане) широко распространены криогенные оползни-сплывы, представляющие собой гравитационное смещение грунта сезонноталого слоя (СТС) по поверхности мерзлой породы, происходящее отдельными блоками в сочетании с движением разжиженной грунтовой массы, со скоростью до 10-15 м/сек. Наиболее подвержены сплывам вогнутые, наклонные слабодренированные поверхности
тундр, на которых зимой отмечается повышенная мощность снежного покрова. Часто оползни-сплывы образуются в «коридорах проезда» гусеничного транспорта и вблизи трубопроводов (рис. 9). В то же время следует отметить, что криогенные сплывы не характерны для Надым-Пур-Тазовского региона вследствие отсутствия здесь сколько-нибудь значительных скоплений пластовых льдов.
Рис. 9. Сплыв на трассе трубопровода (фото С.Ю.Пармузина)
Помимо отмеченных выше процессов, связанных с зонально-региональными особенностями условий их развития, существуют процессы «ин-тразональные», проявляющиеся в различных природных зонах и также представляющие опасность для газотранспортных систем. К таким процессам относятся:
- «залповый» спуск озерных вод вдоль трубопроводных трасс, котловины которых были подрезаны при строительстве трубопроводов с размывом грунта вокруг трубопровода и образованием провисов;
- разгрузка грунтовых вод в траншее трубопровода, размывающая обвалование, приводящая к всплытию трубы на междуречьях и снижению относительно проектного положения на склонах;
- ускоренная боковая эрозия рек в коридорах трубопроводов, спровоцированная обустройством подводных переходов;
- ускоренная глубинная эрозия рек;
- абразия берегов озер.
Воздействие опасных инженерно-геологических процессов на техническое состояние газопроводов
Опасные инженерно-геологические процессы по-разному воздействуют на различные элементы конструкции линейной части газопровода, из которых к основным относятся:
- труба;
- противокоррозионное изоляционное покрытие;
- грунтовое обвалование;
- свайное основание;
- утяжелители;
- крановые узлы.
Физические основы воздействия опасных инженерно-геологических процессов на эти элементы в криолитозоне заключаются в динамике вещества литосферы, гидросферы и атмосферы и изменении температуры грунта в зоне контакта с сооружением, что влечет за собой следующие отрицательные последствия:
- смещение трубы вниз в результате удаления грунта из-под нее или осадки поверхности грунта;
- изгиб трубы, перекос и опрокидывание утяжелителей, сдирающих изоляционное покрытие, что в дальнейшем ведет к разрушению изоляции и активизации коррозии металла трубы в результате поднятия грунта под трубой;
- деформация трубы под воздействием грунтового массива, смещающегося вниз по склону поперек газопровода;
- выпучивание или осадка свайного основания газопровода и крановых узлов, вызывающих деформацию трубы и разрыв сварных швов в месте врезки трубопроводов байпасной линии в магистраль при понижении или повышении температуры грунта.
- размыв обвалования, всплытие трубы, нарушение изоляционного покрытия и активизации коррозии металла при повышении уровня грунтовых вод в траншее газопровода.
Воздействие отмеченных процессов на различные элементы конструкции газопровода показано в таблице 1.
Таблица 1
Воздействие опасных процессов на конструктивные
элементы газопроводов
Тип процесса Конструктивные элементы газопровода
труба изоляция обвалование свайное основание утяжелители крановые узлы
Криогенное растрескивание - - - - - -
Морозное пучение сезонное - - - ежегодное выпучивание свай и деформации трубопровода - -
морозное пучение многолетнее смещение вверх, изгиб задиры при выпучивании утяжелителей разрушение на боковых участках трубы ежегодное выпучивание свай и деформации трубопровода выпучивание, перекос, опрокидывание деформации трубопровода байпаса
Термокарст на горизонтальных поверхностях всплытие гофры, отслоения размыв с обнажением трубы осадка с деформациями трубопровода перемещение вниз вместе с трубой, перекос деформации трубопровода байпаса
Термокарст на склонах смещение вниз - - - перемещение вниз вместе с трубой -
Линейная эрозия (в том числе термоэрозия) смещение вниз - размыв с обнажением трубы - - смещение вниз
Боковая эрозия (в том числе озерная абразия) смещение вниз - размыв с обнажением трубы деформации вместе с трубопроводом перемещение вниз вместе с трубой, перекос, опрокидывание смещение вниз
Донная эрозия смещение вниз - - - перемещение вниз вместе с трубой -
Заболачивание и обводнение всплытие гофры, отслоения размыв с обнажением трубы - - -
Солифлюкция - - - - - -
Оползни - сплывы смещение вниз по склону - разрушение над верхней образующей трубы деформации вместе с трубопроводом - деформации байпасных кранов
Дефляция - - - - - -
В соответствии с табл. 1, из числа опасных для газопроводов большого диаметра процессов можно исключить солифлюкцию и дефляцию.
В 70-ые годы прошлого столетия прогнозировалось, что важнейшим разрушительным криогенным фактором может оказаться криогенное трещи-нообразование, которое будет разрушать тепло- и гидроизоляцию трубопроводов, способствовать проявлению стресс-коррозии металла и даже повреждать стенки труб. Эксплуатация газопроводов Уренгойского газового месторождения в тундровых условиях в течение 20-25 лет показала, что разрушительного воздействия на газопроводы современных морозобойных трещин не отмечено [2]. Криогенное растрескивание не опасно в отношении прямого воздействия на техническое состояние газопровода, но по создаваемым им формам (ледяным жилам, криогенным трещинам) могут развиваться термокарст и термоэрозия, воздействие которых показано в табл. 1. Наиболее опасными для магистральных газопроводов процессами являются боковая эрозия, абразия, криогенные оползни-сплывы и многолетнее морозное пучение грунта.
Под воздействием опасных инженерно-геологических процессов может наблюдаться последовательное вовлечение в деструкцию все новых элементов газопровода, что обусловлено их различной стойкостью. Наиболее «слабым звеном» сооружения является грунтовое обвалование. Сначала разрушение грунтового обвалования обнажает изоляцию, дальнейшая деструкция которой приводит к обнажению поверхности металла и последующей его коррозии. Например, на межпромысловом коллекторе (МПК), газового месторождения «Медвежье» масштаб проявления «дефектности» у газопровода снижается в направлении: грунтовое обвалование - изоляционное покрытие - коррозионный износ [Марахтанов и др., 2009]. Участки развития вдоль трассы этих дефектов в пространственном отношении оказываются как бы последовательно «вложены» друг в друга: на участках с разрушенным обвалованием встречаются (но не повсеместно) участки с нарушенной изоляцией, которые, в свою очередь, местами подвержены коррозии (табл. 2).
Таблица 2
Распространение вдоль газопроводов МПК различных дефектов_
Нитки газопро- Протяженность дефектных участков в % Протяженность
водов МПК от общей протяженности данной нитки МПК газопровода, км
разрушение обвалования нарушение изоляции коррозия металла
I 13,0 4,1 2,7 97,5
II 14,1 9,4 8,6 95,5
III 2,7 0,8 0,8 73,4
При этом, если обвалование бывает разрушено На рис. 10 показаны деформации различных
полностью, то изоляция уничтожена лишь на ло- конструктивных элементов газопровода под воз-
кальных участках (в остальных местах наблюда- действием опасных инженерно-геологических про-
ются задиры, гофры и отслоения), а коррозия охва- цессов. тывает еще меньшие площади.
Рис. 10. Результаты воздействия опасных процессов на газопроводы
Работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Геоэкологический анализ и прогноз динамики криолитозоны Российской Арктики», номер ЦИТИС АААА -А16-116032810055-0.
СПИСОК ЛИТЕРАТРУРЫ:
1. Атлас Тюменской области (под ред. В.А.Земского). М. -Тюмень, 1971.
2. Великоцкий М.А., Чигир В.Г. Морозобой-ное растрескивание грунтов и надежность газотранспортных систем в криолитозоне. Тезисы докладов Международной конференции. «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли». -Пущино, 2005. - С. 78.
