Исследование путей повышения эксплуатационной надежности газопроводов проложенных в условиях многолетнемерзлых грунтов

Территория Российской Федерации составляет 17,1 млн. км2 и около 60
% страны покрыто многолетнемерзлыми грунтами.
Регионы, находящееся в криолитозоне являются стратегически
важными территориями с хозяйственной точки зрения. Здесь сосредоточено
более 30% разведанных запасов нефти страны, около 60% природного газа,
неисчислимые залежи торфа и каменного угля, большая часть
гидроэнергоресурсов, алмазов, запасов цветных металлов и золота. Северные
месторождения имеют потенциал более чем 2 млрд. тонн нефти и более чем
12 трлн. куб. м. газа
Магистральные газопроводы являются ответственными
энергетическими сооружениями, а, следовательно, к таким сооружениям
предъявляются повышенные требования эксплуатационной надежности.
Магистральные газопроводы являются объектами, чертой которых
является большая протяжённость. Газотранспортная сеть ПАО «Газпром»
имеет протяжённость около – 170 тысяч километров, большая часть которых
эксплуатируется в экстремальных условиях. Во все времена, актуальным
требованием к объектам транспортировки углеводородов будет являться –
бесперебойная поставка товарного продукта потребителю на уровне
проектных параметров.
Сегодня, на востоке России активно формируются новые центры
газодобычи и единая система транспортировки газа. Они обеспечат поставки
газа потребителям регионов Восточной Сибири и Дальнего Востока
на долгосрочную перспективу, позволят организовать новый мощный канал
экспорта российского газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона.
Магистральный газопровод «Сила Сибири» будет транспортировать газ
Иркутского и Якутского центров газодобычи российским потребителям
на Дальнем Востоке и в Китай. На сегодняшний день построен 1791 км или
83% линейной части участка газопровода от Чаяндинского месторождения
до границы с Китаем в Амурской области. В текущем году основной объем
строительно-монтажных работ по участку будет завершен. Таким образом,
на 2019 год запланировано проведение испытаний газопровода, монтаж
систем электроснабжения, связи и телемеханики, пуско-наладочные работы.
Основополагающим критерием, определяющим прочность подземных
газопроводов в эксплуатации, является взаимодействие «труба – грунт».
Накопленный опыт эксплуатации показывает, что газопровод – это одно из
самых уязвимых мест, в системе транспортировки газа. Именно отказ
газопровода приводит к нарушению процесса эксплуатации. Обеспечение
необходимой несущей способности трубопроводов в мерзлых грунтах
становится одним из основных факторов и на стадии строительства, и в
процессе эксплуатации одновременно [4].
1 Обзор литературы
Основными источниками нормативной базы, регулирующей
проектирование, строительство и эксплуатацию магистральных
трубопроводных систем, а также сооружений и зданий на многолетнемерзлых
грунтах (ММГ), являются:
 ГОСТ 27.002 – 2015 «Надежность в технике. Основные понятия.
Термины и определения»
 СП 36.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-
85* «Магистральные трубопроводы»;
 СП 25.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88
«Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»;
 СТО Газпром 2-2.3-095-2007 «Методические указания по
диагностическому обследованию линейной части магистральных
газопроводов»
 СТО Газпром 2-3.5-051-2006 «Нормы технологического
проектирования магистральных газопроводов»;
 ВСН 013-88 «Строительство магистральных и промысловых
трубопроводов в условиях вечной мерзлоты»;
 СТО Газпром 2-3.1-071-2006 «Регламент организации работ по
геотехническому мониторингу объектов газового комплекса в
криолитозоне»;
 СТО Газпром 2-3.1-072-2006 «Регламент организации работ по
геотехническому мониторингу объектов газового комплекса в
криолитозоне» и др.
В 1971 году, в связи с началом строительства газопроводов на Крайнем
Севере в институте ВНИИГАЗ Мингазпрома было начато активное
исследование теплового взаимодействия объектов газотранспортной отрасли
с грунтами оснований в районах распространения многолетнемерзлых пород.
Вслед за этим, своё развитие получили методы и средства инженерной защиты
от всевозможных негативные геокриологических, инженерно-геологических
и, опасных гидрологических процессов и явлений, проявляющихся в процессе
эксплуатации объектов и сооружений нефтегазовой отрасли, а также
развивающихся на этапе их строительства.
В 1972 году, в институте ВНИИГАЗ проводились научно-
исследовательские работы, посвящённые изучению термомеханического и
теплового взаимодействия «горячих» и «тёплых» трубопроводов диаметром
1420 мм с вмещающими ММГ. Средствами пассивной защиты магистральных
трубопроводов являлись теплоизоляционные экраны разных видов и
рассчитывалась их эффективность. Работы проводил Р.М. Баясян,
руководитель разработок, исследований и внедрения технических и
технологических средств инженерной защиты и термостабилизации
многолетнемерзлых грунтов в основаниях объектов обустройства
месторождений и газотранспортных систем.
В качестве средств активной инженерной защиты, были представлены
охлаждающие термоустановки (ОТ), которые прошли многолетний цикл
натурных испытаний. Исследовалось взаимодействие охлаждающей
термоустановки как в схеме «ММГ – газопровод – теплоизоляция –
атмосфера», так и эффективность охлаждения грунта в сравнении с другими
ОТ различных типов и конструкций.
В 80-е годы, ВНИИГАЗ разработал и освоил серийное производство
охлаждающих установок парожидкостного типа. В 1981 году, было впервые
введено такое техническое понятие как «термостабилизатор грунта».
В литературе зачастую отражены расчёты прогнозов техногенного
воздействия сооружений на многолетнемерзлые грунты и наоборот. Проблему
этого термомеханического взаимодействия магистральных трубопроводов с
ММГ, геотехническим мониторингом, а также технической диагностикой в
целом, решали такие учёные как, В.В. Харионовский, А.Б. Айбиндер, З.Т.
Галиуллин, Н.Н. Хренов, С.Ю. Пармузин, Л.Н. Хрусталёв, Р.М. Баясян, И.Н.
Курганова, А.Д. Решетников, Г.Э. Одишария и другие.
В работах В.В. Харионовского [3, 4] замечено, что расчёт конструкции,
которая взаимодействует с грунтом, производят в детерминистической
постановке, но свойства грунтового основания, в свою очередь, зависят от
целого ряда факторов, неподдающихся учёту и носят хаотичный характер,
поэтому он изучал задачу оценки прочности газопровода, на который
воздействуют силы морозного пучения в стохастической постановке.
На основании математического моделирования, а также по результатам
экспериментальных данных полученных эмпирическим путём, производится
прогноз взаимодействия в литотехнических системах. На данный момент,
мониторинг состояния газотранспортных систем позволяет дать оценку
природного воздействия на устойчивость этих систем. Для количественной
оценки воздействия геокриологических процессов в литотехнических
системах и детального изучения физических основ этого взаимодействия
необходимо проводить соответствующие натурные исследования.
Впервые, репрезентативный эксперимент взаимодействия подземного
трубопровода с мерзлыми грунтами был проведён во Франции. Это был
полунатурный эксперимент, проект которого был выполнен в г. Канн,
коллективом, в который входили исследователи из Франции, Канады, Японии,
США и Финляндии.
Помимо исследования напряжений, развивающихся в трубопроводе,
который погружён в грунт и в роли транспортируемого продукта пускался
воздух, учёные исследовали физику процесса оттаивания и промерзания, а
также морозного пучения грунтов различного состава. Изучались структурные
преобразования в грунте, развивающиеся под действием вышеперечисленных
процессов, произошедших в системе «трубопровод – грунт».
Важно заметить, что акцент основной методики расчёта был направлен
на оценку напряжённо-деформированного состояния (НДС), при заранее
известных нагрузках.
Эксплуатация сооружения в условиях распространения вечной
мерзлоты, влечёт за собой ряд особенностей, связанных в первую очередь с
выбором способа строительства. Существует несколько принципов
строительства, первый из которых подразумевает сохранение мерзлого
основания. Строительство сооружений по второму принципу, подразумевает
предварительное оттаивание мерзлого грунта. Многолетнемерзлые грунты
подвержены изменениям естественных геокриологических условий под
воздействием от технологических нагрузок, а также ММГ обладают особой
динамичностью. В условиях Крайнего Севера, как правило, где среднегодовая
температура воздуха отрицательна при строительстве сооружений, объектов и
зданий используется I принцип.
В частности, принцип I применяем в том случае, если грунты основания
можно сохранить в мерзлом состоянии, обосновывая такие мероприятия
экономической выгодой. Поддержание грунтов в мерзлом состоянии требует
определённых затрат. При повышенной сейсмичности района, а также в
случае распространения твердомерзлых грунтов – необходимо производить
строительство по I принципу.
Принцип II применим в случаях, если в основании присутствуют
скальные или же другиемалосжимаемые грунты, деформация которых при
оттаивании будет превышать максимальных допустимых значений для
строящегося объекта.Также, целесообразно применять этот принцип, когда по
конструктивным и техническим особенностям объекта и инженерно-
геокриологическим характеристикам участка сохранение ММГ в мерзлом
состояние не позволяет обеспечитьнеобходимый уровень надежности
строительства.
Проблема повышения эксплуатационной надёжности трубопроводов,
эксплуатируемых в зонах вечной мерзлоты, изучается по сей день.
Исследованию пассивных средств инженерной защиты, посвящены работы
О.Ю. Володченковой[2]. Диссертация включала в себя, разработанный метод
расчёта толщины теплоизоляционного покрытия. Основой метода являлось,
моделирование квазистатического состояния передвижения границы
температурного поля в мерзлой зоне грунта и определение скорости
передвижения этой границы.
С.И. Голубин в своей диссертационной работе, защита которой
состоялась в 2012 году, приводит методику комплексного прогноза
взаимодействия газопровода с ММГ, а также доказывает эффективность
применения технологии активной термостабилизации грунтов, средством
использования двухфазных термосифонов. Также в работе впервые был
разработан алгоритм принятия решений по обеспечению надёжности
оснований. Разработанный алгоритм, получил активное применение, при
выборе оптимальных проектных решений, а также был взят в основу
разработки нормативной и методической документации.
Сегодня активно применяются инновационные технологии и
оборудование повышенной надёжности на таких газопроводных системах как:
«Бованенково– Ухта», «Бованенково– Ухта – 2», «Уренгой – Надым –
Перегребное– Ухта – Торжок», а также реализуемый проект «Сила
Сибири».Трасса последнего проходит в экстремальных природно-
климатических условиях, преодолевает сейсмоактивные, заболоченные и
горные области. Газопровод прокладывается в условиях вечномерзлых и
скальных грунтов. Согласно проекту, используются трубы российского