ПРОБЛЕМЫ  ОБЕСПЕЧЕНИЯ  НАДЕЖНОСТИ  ЭКСПЛУАТАЦИИ  СООРУЖЕНИЙ  В  КРИОЛИТОЗОНЕ

Смирнов  Владимир  Викторович

ассистент  кафедры  транспорта  углеводородных  ресурсов  Тюменского  государственного  нефтегазового  университета,  г.  Тюмень

E-mail:  smirnovvladimir@mail.ru

Земенков  Юрий  Дмитриевич

д-р  техн.  наук,  проф.,  заведующий  кафедрой  транспорта  углеводородных  ресурсов  Тюменского  государственного  нефтегазового  университета,  г.  Тюмень

E-mail: 

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

Продолжение  таблицы  1.

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  (ΔT),  и  глубины  сезонного  протаивания  (ΔZ),  для  регионов  северного  полушария.  Приведена  в  работе  [2]

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://permafrost.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-ccproject.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.