Сейсмичность России обусловлена наличием на её территории четырёх границ крупных литосферных плит: юго-западной окраины Кавказа (сближение Евразиатской плиты с Африкано-Аравийской со скоростью 2-4 см/год), Уральских гор (сближение Евроамерийской плиты с Азиатской со скоростью 1 мм/год), района Байкала (вращение Амурской плиты со скоростью 1-2 мм/год) и Курило-Камчатской дуги (сближение Тихоокеанской плиты с Евразиатской со скоростью 8 см/год).
Наибольшую опасность представляют регионы Кавказа, Сибири и Дальнего Востока,где интенсивность сейсмических сотрясений достигает 10 баллов по шкале MSK-64. Однако в последние десятилетия угрозу представляют и 6-7-балльные зоны страны в связи со значительными изменениями геологии грунтов вследствие добычи полезных ископаемых, а также увеличения числа густонаселенных пунктов, что может привести к обвалам существующих и образованных пустот, спровоцированных малой сейсмической активностью.
При выборе трассы строительства магистральных трубопроводов избежать пересечения с сейсмически активными зонами не удается. Примером служат нефтепроводы ОАО «Черномортранснефть», ВСТО, Сахалин-1, Сахалин-2 и т.д.
Не смотря на значительную протяжённость трубопроводов в сейсмически опасных зонах, в нормативных документах по проектированию отсутствуют чёткие указания по выполнению способових прокладки.По результатам анализа научных работ можно сказать, что это связано с индивидуальным характером колебаний, распространяющихся от источника с разной скоростью и под разным углом к проектируемому трубопроводу (первичные S, вторичныеP, поверхностные волны Рэлея и Лява)[1] и необходимостью детального изучения пространственного распределения сейсмических характеристик грунта [2]. К тому же часто приходится иметь дело с гетерогенными средами, что ведёт к различию поглощающих свойств и может оказать влияние на скорость распространения волн [3].
Кроме того, для расчёта заглубленных трубопроводов используются разные методики. Одна из них основана на гипотезе «замороженной волны», используемой также в США и Японии, но с учётом поперечных волн и волн Рэлея. В расчёте трубопровод рассматривается как защемленный в грунте стержень (неподвижный относительно грунта)[4]. Гипотеза справедлива только для протяжённых однородных участков. В действительности присутствующие конструктивные включения и гетерогенность грунта приводит к локальным колебаниям, из-за которых происходит существенное повышение напряжения по сравнению с линейным участком в два раза [3].
В связи с ограниченной применимостью предыдущей методики для сложных трубопроводных систем была предложена «сейсмодинамическая» теория сейсмостойкости,требующая численных методов решений, труднодоступных для большинства инженеров.Врасчёте линейная часть представлена стержнямиконечной длины, а узловые соединения – твердыми телами [5]. В дальнейшем методика была усовершенствована с учётом проскальзывания и деформации стыков [6,7].
Установлено, что напряженное состояние заглубленного трубопровода при пересечении зоны активного тектонического разлома ухудшается в мерзлых или влажных грунтах. Также напряжения возрастают при увеличении ускорения подвижек грунта и уменьшении времени взаимодействия трубопровода с грунтом, при повышенных модулях упругости и низких деформационных характеристиках грунта (рыхлые неводонасыщенные грунты). Однако в случае воздействия возникающих при подвижках продольных сейсмических волн, рекомендациипо грунтам засыпкипрямо противоположны (предпочтительны глинистые грунты) [8].
В случае прокладки трубопровода на опорных конструкциях (рекомендовано при сейсмичности 8-10 баллов), проблемы возникают при их проектировании из-за неполной номенклатуры оборудования в электронной базе, что приводит к погрешностям расчётов. При сооружении это отсутствие возможности визуальной поверки обеспечения необходимых проектных условий сейсмозащиты трубопровода (например, нормируемый затяг крепёжных деталей),а при эксплуатации – сложность обследования опорных конструкций, в том числе сравненияфактической жёсткостис необходимой.Таким образом, на данный момент не существует нормативной документации для контроля правильности монтажа опор, что приводит к их уязвимости.
Следует обратить внимание и на то, что сейсмостойкие элементы при объединении могут образовывать уже несейсмостойкую механическую систему. В настоящее время нет универсальной методики расчёта таких систем, в которых учитывался бы порядок соединения элементов.
Данные особенности в итоге приводят к тому, что составленные расчётные схемы на практике выдерживают возникающие в результате сейсмики напряжения только в 80% случаев [9].
Землетрясения к тому же приводят к вторичным последствиям, наносящим ещё больший экономический и экологический урон: взрывам, пожарам, выбросам химически опасных веществ, оползням, подтоплениям территорий, просадке дневной поверхности, не доступных визуальному осмотру повреждениям заглубленных участков трубопровода (трещинам, изломам), которые не будут обнаружены и в дальнейшем могут привести к разрыву [10].
В сейсмостойком строительстве трубопроводов на протяжении последних лет наблюдается преобладание изобретений и полезных моделей,направленных на надземную прокладку.
В числе последних патентов сейсмостойкого строительства надземных трубопроводов находится группа изобретений, в которую входят сейсмостойкая неподвижная опора, узел соединения катушки трубопровода с ростверком опоры и поворотное демпферное устройство [патент на изобретение RU 2624681 С2, опубл.05.07.2017, МПК: F16L 3/16].Сейсмостойкая неподвижная опора содержит ростверк, закрепленный на сваях, катушку трубопровода, установленную на нём через узел соединения. Узел соединения катушки трубопровода с ростверком опоры содержит корпус, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси трубопровода по поверхности ростверка. Поворотное демпферное устройство установлено в боковых поверхностях корпуса и имеет две осис возможностью вертикального перемещения в плоскости боковых поверхностей. Перемещение демпферного устройства возможно по направляющей между установленными перпендикулярно оси трубопровода балками ростверка. Катушка имеет возможность поворачиваться относительно осей демпферного устройства. Достоинством разработки по сравнению с прототипом является наличие поворотного демпфера, компенсирующего резкое увеличение изгибаемого момента, возникающего от сейсмического воздействия или просадки соседней подвижной опоры[11].
К последним изобретениямотноситсяпатент на четырехсвайную подвижную опору и демпферное устройство [RU 2648179 С1, опубл. 22.03.2018, МПК: F16L 3/20, F16L 3/10], содержащуюопорныйстол-ростверк, закрепленный на четырех сваях опорными муфтами, и установленную на нём подошву опоры, шарнирно соединённую с ложементом, включающим два разъемно соединённых полухомута. На каждой паре свай, расположенных по одну сторону от трубопровода, на уровне расположения боковой плиты ложементапосредством двух обечаекустановлено демпферное устройство. Оно включает в себя упругий и фрикционный узлы. Упругий узел образован упором, установленным на торцах двух штоков, с закрепленным на нём упругим демпфером. Фрикционный узел включает четыре фрикционные полумуфты, закрепленные на балке демпферного устройства, и два штока, каждый из которых установленмеждупарой полумуфт. Достоинством данной группы изобретений перед наиболее близкими техническими решениями является наличие жесткой связи между сваями, что предотвращает их отклонение и падение при сейсмическом воздействии и ударе трубопровода по демпферу, закрепленному на них[12].
К одной из последних полезных моделей относится опора трубопровода[RU 134954U1, опубл. 27.11.2013, МПК: E02D 27/46], включающая в себя ложемент с хомутом, двухрядныйкатковый блок, пружинный блок, отличающаяся тем, что под двухрядным катковымблоком дополнительно установлен блок с четырьмя пружинами, а пазыкатков расширены до размера, равного трём размерам ширины направляющей. К достоинствам данной модели можно отнести возможность изменения угла наклона и поворота трубопровода в горизонтальной и вертикальной плоскости, а также вокруг продольной оси[13].
Также необходимо обратить внимание на то, что нередко изобретения и полезные модели являются результатом опыта из области строительства фундаментов промышленных и гражданских объектов.
В качестве примера можно привести патент на сейсмостойкий трубопровод [RU2600228 С1, опубл. 20.10.2016, МПК: E02D 27/46][14], изобретённый автором на основе опубликованного им ранее патента на сейсмостойкое промышленное здание [RU 2589244 С1, опубл. 10.07.2016, МПК: E02D 27/34][15]. Данный трубопровод включает бетонную базу, в которой выполнено по крайней мере два углубленияс металлическими чашами, обращенными вверх круговымибортами,опорные плиты,установленные над бетонной базой с зазором иизогнутые в форме чаш,идентичных по форме чашам бетонной базы ирасположенные соосно им бортами вниз с образованием полости, внутрикоторой установлены промежуточные элементы в виде шара, трубу, снабженную бандажом и опорным ложем, междукоторыми установлен опорный амортизатор. Опорное ложе закреплено к опорным плитам спомощью вертикальных ребер жесткости. Достоинством данной разработки является простота изготовления и монтажа устройства гашения колебаний, возможность перемещения в любом направлении и моментальное, а не ступенчатое гашение сейсмических колебаний, что эффективно при их мгновенном проявлении.
Существуют изобретения межотраслевого характера, подходящие и для подземных трубопроводов. Уникален в своём роде способ нейтрализации сейсмических колебаний и устройство для его реализации [патент на изобретение RU 2625133 С1, опубл. 11.07.2017, МПК:E02D 31/08], заключающийся в определении зоны сейсмической активности по статистическим данным, выделении территории размещения защищаемых сооружений, размещении рядов амортизирующих нейтрализаторов поочередно продольными осями перпендикулярно границе выделенной территории. Нейтрализаторы поочерёдно устанавливаются вертикально и укладываются горизонтально и представляют собой железобетонные стержни с одной или несколькими промежуточными пружинными вставками и концевыми дисками на наружных концах. Наиболее опасные поверхностные силовые волны создают давление на концевые диски горизонтально размещенных нейтрализаторов и сжимают пружинные вставки, которые амортизируют и уменьшают силу сейсмических колебаний. Концевыми дисками и пружинными вставками вертикальных нейтрализаторов нейтрализуются силовые воздействия, направленные от центра землетрясения вглубь земной поверхности, которые частично отражаются от твердых слоёв почвы и поднимаются к поверхности земли. Кроме того нейтрализаторы упрочняют участки своего продольного расположения, что предотвращает образование трещин в земле[16].
За последнее время опубликовано большое количество патентов в области сейсмостойкого гражданского строительства, и вероятно некоторые из них также в будущем найдут применение при сооружении трубопроводов.
Таким образом, проблемы сейсмозащиты магистральных трубопроводов в настоящее время не перестают быть актуальными.
Литература
1. Наваррете, Д.Д.Х. Особенности строительства трубопроводов в районах с высокой сейсмичностью: дис. канд. техн. наук: 05.03.13 / Д.Д.Х. Наваррете. – Уфа, 2013. – 163 с.
2. Николаев, А.В. Сейсмические свойства грунтов / А.В. Николаев. – М.: Изд-во «Наука», 1965. – 184 с.
3. Денисов, Г.В. Аналитический метод расчета заглубленных магистральных трубопроводов при сейсмическом воздействии с учетом локальных колебаний: дис. канд.техн. наук: 25.12.14 / Г.В. Денисов. – СП-б.: СПГАСУ, 2014. – 99 с.
4. Гехман, А.С. Расчёт, конструирование трубопроводов в сейсмических районах / А.С. Гехман, Х.Х Зайнетдинов. – М.: Стройиздат, 1988. – 184 с.
5. Рашидов, Т.Р. Динамическая теория сейсмостойкости сложных систем подземных сооружений / Т.Р. Рашидов. – Ташкент: Фан, 1973. – 179 с.
6. Мухидинов, С.С. Воздействие сейсмической волны на подземные трубопроводы с сосредоточенными параметрами: автореф. дис. канд.техн. наук: 01.02.04 / С.С. Мухидинов. – Ташкент, 1995. – 13 с.
7. Рашидов, Т.Р. Сейсмостойкость подземных трубопроводов / Т.Р.Рашидов, Г.Х. Хожеметов. – Ташкент: Фан, 1985. – 152 с.
8. Фигаров, Э.Н. Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации: дис. канд.техн. наук: 19.02.15 / Э.Н. Фигаров. – М.: РГУ им. Губкина, 2014. – 127 с.
9. Кравец, С.Б. Оценка сейсмостойкости технологических систем атомных электростанций: автореф. дис. канд.техн. наук: 07.12.05 / С.Б. Кравец. – М.: ФГУП ВНИИАМ, 2005. – 36 с.
10. Гумеров, Р.А. Научно-методическое обоснование системы автоматизированного мониторинга магистральных нефтепроводов на сейсмоопасных участках: дис. канд.техн. наук: 28.04.17 / Р.А. Гумеров. – Уфа: УГНТУ, 2017. – 174 с.
11. ПатентRU 2624681 С2. Сейсмостойкая неподвижная опора трубопровода, узел соединения катушки трубопровода с ростверком опоры трубопровода для сейсмостойкой неподвижной опоры трубопровода и продольное демпферное устройство для сейсмостойкой неподвижной опоры трубопровода / Ревель-Муроз П.А., Сощенко А.Е., Лисин Ю.В. и др., патентообладатели: ОАО «АК «Транснефть», АО «Транснефть-Восток», ООО «НИИ Транснефть», опубл. 05.07.2017, Бюл. №19. – 18 с.
12. Патент RU 2648179 С1. Сейсмостойкая неподвижная опора трубопровода, узел соединения катушки трубопровода с ростверком опоры трубопровода для сейсмостойкой неподвижной опоры трубопровода и продольное демпферное устройство для сейсмостойкой неподвижной опоры трубопровода / Ревель-Муроз П.А., Шотер П.И., Лисин Ю.В. и др., патентообладатели: ПАО «Транснефть», ООО «Транснефть-Восток», ООО «НИИ Транснефть», опубл. 22.03.2018, Бюл. №9. – 15 с.
13. Полезная модельRU134954 U1.Опора трубопровода / Быков Л.И., Котов М.Ю., Тагиров М.Б. и др., патентообладатели: ФГБОУ ВО «УГНТУ», опубл. 27.11.2013, Бюл. №33. – 3 с.
14. Патент RU 2600228 С1. Сейсмостойкий трубопровод / Кулов Р.П., патентообладатель: ФГБОУ ВО «СКГМИ», опубл. 20.10.2016, Бюл. №29. – 8 с.
15. Патент RU 2589244 С1. Сейсмостойкое промышленное здание / Кулов Р.П. патентообладатель: ФГБОУ ВО «СКГМИ», опубл. 10.07.2016, Бюл. №19. – 9 с.
16. Патент RU 2625133 С1. Способ нейтрализации сейсмических колебаний и устройство для его реализации / Ефимочкин А.П., патентообладатель: Ефимочкин А.П., опубл. 11.07.2017, Бюл. №20. – 6 с.
