В статье рассмотрена проблема аварийности трубопроводов в результате оползней. Для решения этой проблемы описан способ защиты склонов от водной эрозии. Способ обеспечивает защиту трубопровода от оползня благодаря подпорке из свай и пластин. Трубопровод сохраняет устойчивость при оползневом процессе благодаря удерживающей способности буронабивных свай. Далее производится расчет модели трубопровода для определения ее практической применимости и определения нагрузок.
Магистральные, промысловые и технологические газопроводы и нефтепроводы – это сложные инженерные конструкции, проложенные по всему миру, в том числе и по России, и эксплуатируемые в разных климатических условиях.
Безаварийная работа магистральных трубопроводов – одно из основных требований, предъявляемых в нефтегазовой отрасли к трубопроводам в связи с их большой протяженностью. Выход из строя трубопровода из-за аварии может привести к нарушению технологического процесса в связи с перебоями, нанести огромный материальный ущерб, а также и человеческие жертвы. Полностью исключить возможность возникновения аварий на любых производственных предприятиях нельзя. Поэтому крайне важно выявить и исследовать наиболее значимые факторы, которые могут привести к аварии, и применять на практике меры для обеспечения безопасности.
Согласно Государственному докладу «О состоянии промышленной безопасности опасных производственных объектов, рационального использования и охраны недр РФ», основными причинами аварийных ситуаций на магистральных трубопроводах стали:
- внешние воздействия – 34,4 %;
- брак при строительстве – 23,2 %;
- наружная коррозия – 22,5 %;
- брак при изготовлении труб и оборудования на заводах – 14,1 %;
- ошибочные действия персонала – 3 %.
Из процентного соотношения видно, что внешние воздействия стали основными причинами аварий, к которым относится водная эрозия, а точнее оползни. Для того чтобы минимизировать случаи аварий из-за оползней, в частности на склонах, необходимо решить данную задачу с помощью укрепления положения трубопровода.
Оползни – это смещение масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести. Чем круче склон, тем значительнее составляющая силы тяжести, стремящаяся преодолеть силу сцепления частиц пород и сместить их вниз. Оползни образуются в различных породах в результате нарушения их равновесия и ослабления их прочности и вызываются как естественными, так и искусственными причинами. К естественным причинам относятся увеличение крутизны склонов, подмыв их оснований морскими и речными водами, сейсмические толчки и т.п. Искусственными, или антропогенными, т.е. вызванными деятельностью человека, причинами оползней являются разрушение склонов дорожными выемками, чрезмерный вынос грунта, вырубка леса и т.п.
Среди оползневых явлений можно определить следующие виды:
1. Оползание блоков породы (блоковые или структурные);
2. Оползание чехла рыхлых отложений (единовременное и быстрое) по поверхности скальной или мерзлой – оползни-сплывы;
3. Оползание мелких блоков – оплывание, охватывающее весь склон или его значительную часть;
4. Отседание склонов, смещение блоков скальных или полускальных пород.
По отношению к структуре горных пород, слагающих склоны, оползни делятся на следующие виды:
1. асеквентные, развитые в однородных породах;
2. консеквентные, происходящие по плоскостям напластования пород или же по плоскостям разломов;
3. инсеквентные, для которых характерно пересечение плоскостями оползания поверхностей напластования или плоскостей разломов.
Примеры аварий, произошедших по причине оползневого процесса
Для понимания актуальности темы с авариями из-за оползневых процессов приведем примеры таких аварий. Аварийные ситуации вследствие оползня происходили как в России, так и за ее пределами. Аварий и инцидентов на трубопроводах, связанных с эрозионными процессами в грунтах крайне мало, чтобы можно было составить полноценную статистику. Приведены несколько случаев таких аварий.
Авария на магистральном газопроводе «Самурское – Сочи»
18 декабря 1997 года вследствие движения оползня на 97 км газопровода «Самурское – Сочи» Майкопского УДТГ предприятия «Кубаньгазпром» РАО «Газпром» произошло смятие и образование трещины в стенке трубы с выходом газа без возгорания. Участок трассы (94,1 – 98,6 км) проложен у подножья горного склона, пересекая ущелья с ручьями, промоины с временными водотоками и седловины.
18 декабря после обильных осадков произошла подвижка грунта вниз по скальному основанию ущелья, сместившая за собой участок газопровода длиной около 50 м. Из-за возникновения чрезмерных напряжений в месте максимального прогиба (высотой 2,2 м) произошло образование кольцевой трещины длиной 1,5 м и шириной 15 мм. Через 26 часов авария была ликвидирована. Экономический ущерб составил 136,5 млн рублей. Причиной аварии явилось движение размокшего грунта по склону горы, сместившего за собой газопровод [4].
Авария на газопроводе ОАО «Апшеронскрайгаз» на переходе через реку
6 января в результате сильных снегопадов и ливневых дождей уровень воды в реке в месте укладки дюкера поднялся более чем на 4 метра. Резко увеличились общая масса потока воды и скорость его движения. Движущаяся масса воды несла по дну реки коряги и стволы деревьев. Из-за частичного размытия дна реки и зацепления корягой за газопровод или груз произошел разрыв газопровода по центру русла реки. Разрыв дюкера произошел по телу реки, его части были развернуты потоком на 90˚ и расположились вдоль реки по направлению течения. Экономический ущерб от аварии составил 680 млн рублей. Причиной аварии явился сильный паводок, в результате которого потоком воды был размыт, а затем и прорван дюкер газопровода [5].
Авария на трубопроводе в Колумбии из-за схода оползня
24 декабря 2011 года в Боготе произошел взрыв трубопровода, унесший жизни 13 человек. В результате продолжавшихся в стране ливневых дождей в почве накопилась критическая масса воды, что спровоцировало сход оползневого потока и повреждение трубопровода. Горючее вытекло на проезжаю часть, где произошел контакт с источником тепла и произошло возгорание, а далее взрыв. Вместе с погибшими в результате взрыва людьми, повреждения различной степени получили еще 80 человек.
Такой же инцидент из-за оползня произошел на участке трассы «Седанка – Патрок» во Владивостоке. Произошел сход грунта и в результате это вызвало сползание подпорной стенки газопровода. Магистральный газопровод к счастью пореждений не получил. Площадь обрушения грунта составила 150 м2. Газопровод оголился на длину 6 метров.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что вопрос защиты трубопроводов от оползневых процессов остается открытым и актуальным. Для предотвращения таких аварий необходимо разрабатывать новые методы защиты склонов от оползня.
Разработка устройства для защиты трубопровода от оползня
Цель создания полезной модели к существующему патенту является подбор оптимального шага для уменьшения работ по забивке свай в устойчивый грунт. Данный способ опирается на [1] и заключается в повышении эффективности защиты трубопроводов от оползней. Данный способ показан на рисунке 4. Трубопровод 1 сохраняет устойчивость при оползневом процессе благодаря удерживающей способности буронабивных свай 2, выполненных из толстостенных труб диаметром 114–159 мм, имеющих антикоррозионное покрытие и острый оголовок в нижней части. Расстояние между сваями определяется в зависимости от характеристик пластины 3, так как при оползневом процессе пластина будет испытывать нагрузку на сгиб. Расчетами находят оптимальное расстояние между сваями и размеры пластины. Сваи опираются на устойчивые грунты 5, при этом для дополнительной защиты от опрокидывания сваи предусматривается закрепление сваи на анкера 8 с помощью анкерных тросов 7, закрепленных на опоре по низу траншеи. Пластины привариваются к опорам на уровне 9 часов профиля трубы. Для состыковки трубопровода и пластины применяются специальные ремни 4, которыми обвязывается труба, и пластины с достаточной жесткостью.
Технология установки следующая. Сначала разрабатывается траншея, после чего пробуриваются сваи 2, а затем и анкер 8. Далее заваривают пластины 3. Установку опор и пластин нужно производить с достаточной точностью, чтобы обеспечить плотное прилегание трубопровода 1 к пластине. После этого производят укладку трубопровода в проектное положение и закрепление его ремнями, для достаточно крепкого закрепления ремнями воспользоваться помощью техники, а для защиты трубопровода от перенапряжений от троса воспользоваться накладками, повторяющими контур трубы по внешней образующей.
Данная конструкция обеспечивает защиту трубопровода от оползня благодаря подпорке из свай и пластин. Устройство отличается от исходного патента тем, что сваи выполнены из стальных труб с острым оголовком и устанавливаются забивкой в предварительно пробуренную скважину меньшего диаметра. Также отличается тем, что монтаж несущих элементов подпорной стенки и оголовки сваи осуществляется не сверху сваи, а сбоку, со стороны противоположной действию оползневого потока.
Расчет напряженно-деформированного состояния трубопровода от воздействия оползня в программном комплексе «ANSYS»
Изложенная выше полезная модель была просчитана в программном комплексе ANSYS для определения ее практической применимости и определения максимальных перемещений и нагрузок.
Исходные данные:
Физические свойства материалов:
На рисунке 5 представлены два трубопровода длиной 12 метров каждая. Также грунт поделен на две части: верхняя часть представлена подвижным грунтом, т.е. оползнем, а нижняя часть является устойчивым грунтом, куда погружаются сваи. Далее для получения необходимых результатов расчета задается сетка, благодаря которой мы сможем получить данные и понять, каким образом действуют нагрузки на модель.
Для решения первой задачи без промежуточной опоры, устанавливаем сваи и оттяжки с шагом 24 метра. Рассматриваем перемещения и напряженно-деформированное состояние трубопровода в процессе оползня с давлением 0,5 МПа.
Нагрузка на трубу задается следующим образом: торцы трубопровода жестко закреплены, нижняя и задняя стенки устойчивого грунта также жестко закреплены таким образом, чтобы грунт мог перемещаться вверх и вдоль плоскости закрепления, но не по нормали к плоскости закрепления. Как было сказано выше, на оползень действует давление 0,5 МПа, оползень в свою очередь нагружает трубопровод.
По полученным расчетным значениям, максимальные перемещения составляют 107,68 мм, и максимальны они в середине пролета, а максимальные напряжения составляют 536,86 МПа в местах закрепления трубопроводов (рисунок 6). Напряжения, полученные при расчете модели с шагом опор и оттяжек 24 метра, не соответствуют условию прочности трубопровода, поэтому производим расчет с уменьшением шага до 12 метров.
После задания промежуточной опоры получаем следующие значения. Максимальные перемещения у нас составили 37,296 мм что почти на 70 % меньше значения, полученного без промежуточной опоры. Максимальные значения напряжений составили 442,79 МПа и уменьшились почти на 20 % в сравнении с расчетом, произведенным выше.
Определим оптимальный шаг опор для крепления трубопровода и сохранения его от повреждения оползнем. Для этого приведем расчетную схему трубопровода и нагрузки, действующие на него.
Запишем условие прочности трубопровода:
Определяем нагрузки, действующие на трубопровод:
Выводы
Применение устройства для защиты трубопровода от оползня позволит повысить эффективность защиты трубопроводов от оползней. Это достигается за счет того, что сваи устанавливаются не под трубопроводом, а сбоку и по материалу являются стальными, что упрощает их использование в отличие от железобетонных. По проведенному расчету стало понятно, что нагрузку от оползня на трубопровод можно минимизировать путем расчетов и определения мест для жесткого закрепления трубопровода.
Чтобы свести к минимуму нагрузки на трубопровод в результате оползневого процесса, необходимо установить минимальный шаг между опорами 7 метров, так как при таком шаге максимальные значения перемещений и напряжений являются допустимыми.
Был выведен алгоритм расчета шага опор в зависимости от скорости оползня. Исходя из графиков, можно сделать вывод, что чем быстрее будет сходить оползень, тем чаще необходимо будет устанавливать сваи для закрепления трубопровода.
Литература
1. Патент РФ № 2162123 МПК Е02D31/08 Устройство для защиты трубопроводов от оползней / Шадунц К.Ш. Опубл. 20.01.2001. Бюл. № 2.
2. Ксензов А.А. Способы предотвращения водной плоскостной эрозии почвы на склонах / А.А. Ксензов. – Тверь: ТвГУ, 2018. – 30 с.
3. СП 436.1325800.2018 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от оползней и обвалов. – М.: Стандартинформ, 2019. – 50 с.
4. Мартынюк В.Ф. Анализ аварий и несчастных случаев в металлургии / В.Ф. Мартынюк, В.Ф. Матрохин, А.А. Сысоев. – М.: ООО «Анализ опасностей», 2008. – 295 с.
5. Красных, Б.А. Анализ аварий и несчастных случаев на объектах газового надзора: учеб. пособие / Б.А. Красных, В.Ф. Мартынюк, Т.С. Сергиенко и др. – М.: ООО «Анализ опасностей», 2003. – 320 с.
6. Быков Л.И. Типовые расчеты при проектировании, строительстве и ремонте газонефтепроводов: Учебное издание для ВУЗов / Л.И. Быков, Ф.М. Мустафин, С.К.Рафиков, и др. – СПб.: Недра, 2011. – 748 с.
7. СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.01.06-85* / Минрегион России. – М.: ФАУ «ФЦС», 2013. – 93 с.
8. Заславский, М.Н. Эрозия почв [Текст] / М. Н. Заславский. – М.: Мысль, 1979. – 245 с.
9. Скапинцев А.Е. Инженерная защита трубопроводов от эрозионных процессов / А.Е. Скапинцев, А.Д. Потапов, А.А. Лаврусевич // Вестник «МГСУ». – 2013. – № 7. – С. 140–151.
10. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве: учеб. для вузов по спец. «Сооружение газонефтепроводов, газохранилищ и нефтебаз» / П.П. Бородавкин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1986. – 224 с.
