БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОВОДОВ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

В.П. Дыба, В.В. Гущин

Обсуждаются проблемы безопасной эксплуатации нефтепроводов в сейсмических районах и нормативного расчета на сейсмические воздействия.

1. О запасе прочности металла трубопровода. Прочность металла магистральных нефтепроводов с избыточным давлением около 10 МПа в значительной степени используется. Экономного использования металла требует, например, статья 4.2 строительных норм [1]. Отношение расчетных сопротивлений к предельным согласно нормам [1] равно

,

что может составлять величину до 0,67.

Оставшийся запас прочности может быть превзойден дополнительными напряжениями, появившимися вследствие целого ряда причин – это наличие микротрещин и других концентраторов в металле труб, гидродинамических явлений в нефтепроводе, остаточных полей напряжений после сварочных и монтажных работ. Дополнительные напряжения могут появиться в результате коррозии, уменьшающей проектную толщину стенок трубопровода, а также процессами в окружающей нефтепровод грунтовой среде.

Согласно статистическим данным (А.М. Зиневич), в 68% случаев аварийное состояние вызвано отказом металла труб и только 32% отказов вызвано сварными соединениями. За первые 3 года эксплуатации нефтепровода происходит 39% всех отказов, затем частота отказов с 5 по 7 год достигает минимума, после чего начинает расти. Можно предположить, что первичный всплеск определяется недочетами проектных и строительных работ и консолидацией окружающей грунтовой среды, а медленный рост отказов после 7 года эксплуатации объясняется ростом вызванных перечисленными причинами докритических трещин, поглощающих дислокации и более мелкие трещины, что увеличивает вероятность появления трещин гриффитсовской длины и, следовательно, аварийных ситуаций.

Рассмотрим причины появления недопустимых напряжений в магистральном трубопроводе, связанные с негативными механическими явлениями в грунтовом основании трубопровода, осложненными сейсмическими воздействиями.

2. Влияние сейсмичности на грунт, взаимодействующий с трубопроводом. Дополнительные напряжения в трубопроводе связаны с местными перемещениями грунта, появляющимися в результате:

–  осадки земной поверхности, вызываемой горными выработками;

–  силового воздействия оползающих грунтов;

–  просадок макропористых грунтов в результате замачивания (просадочными свойствами обладают лессы, лессовидные супеси, суглинки, глины, маловлажные структурные пески);

–  увеличения объема набухающих грунтов при замачивании и пучении пучиноопасных грунтов при отрицательных температурах.

Влияние всех рассмотренных неблагоприятных грунтовых условий на эксплуатацию нефтепровода усиливается сейсмической активностью. Особенную опасность при динамических воздействиях представляют пески, находящиеся в состоянии разрыхления, пористость которых выше критической. Потеря несущей способности таких оснований сопровождается отжатием на поверхность грунтовых вод. Одним из наиболее неустойчивых оснований является аллювий – материал, переносимый реками и покрывающий днища долин. Известно, что для оснований, сложенных аллювием, характерен эффект поглощения слабых колебаний и усиления интенсивных, порождаемых сильными землетрясениями.

Важная роль грунтовых условий подтверждается исследованиями, выполненными в США [2] , которые показали, что на одном и том же расстоянии от эпицентра землетрясения в зависимости от свойств грунтов интенсивность землетрясения по модифицированной шкале Меркалли может различаться до четырех баллов.

Отечественные нормативные документы [3] разделяют грунты по сейсмическим свойствам на три категории. Если сейсмичность строительной площадки, сложенной грунтами II категории совпадает в баллах с сейсмичностью района, то для площадок с грунтами категории I, балльность уменьшается на один балл, в то же время для грунтов категории III-балльность увеличивается на один балл. При этом неоднородные по составу грунтов строительные площадки относят, как правило, к более неблагоприятной категории грунта по сейсмичности.

Существует две главные причины разрушения надземных сооружений при землетрясениях: резонанс с сейсмическими волнами и инерция. Однако для расчета на сейсмические воздействия нефтепровода на первый план выдвигается учет вынужденных колебаний трубопровода под действием возмущения (силового или кинематического). Отдельной проблемой является прогноз последствий попадания нефтепровода на вновь образуемый геологический разлом.

3. Сейсмические воздействия на нефтепроводы. Согласно теории упругой отдачи в горных породах накапливается упругая энергия. Когда напряжения вырастут настолько, что условие прочности пород превысится, произойдет разрыв вдоль поверхности ослабления, с высвобождением накопленной энергии в виде сейсмических волн и образованием геологического разлома.

Продольная, или Р- волна (primery – первичные), имеет максимальную скорость. При ее прохождении каждая частица породы перемещается вперед и назад вдоль направления движения волны, при этом среда испытывает ряд сжатий и растяжений. При прохождении поперечной или S – волны, частицы грунта перемещаются перпендикулярно к направлению, в котором она распространяется. Скорость S – волны почти в два раза меньше скорости Р- волны, следовательно, по времени запаздывания S – волны можно определить расстояние до эпицентра землетрясения. Существует еще один важный класс волн. Это поверхностные волны, которые часто оставляют наиболее интенсивную часть записи сейсмографа. Это L – волны или длинные (long) волны, так как период колебаний у них больше, чем у Р и S – волн. Поверхностные волны представляют собой смесь двух различных типов волн – волн Лява и волн Релея. Волны обоих этих типов распространяются медленнее, чем S – волна, причем волна Релея медленнее, чем волна Лява. L – волны могут распространяться и между двумя плотно соприкасающимися массивами, например, мчаться по дну океана.

Р и S – волны распространяются по объему и поэтому затухают обратно пропорционально кубу расстояния, а L – волны распространяются вдоль поверхности и затухают обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому, начиная с определенного расстояния, поверхностные волны оказываются для сооружений самыми опасными.

При встрече проходящей волны с границей, разделяющей более и менее прочные горные породы, или с поверхностью земли появляются отраженные волны, а также может происходить смена типов волн. В водонасыщенных грунтах (и во всех, для которых диаграмма  такова, что ) из непрерывных возмущений формируются ударные волны.

При расчете магистральных нефтепроводов и их взаимодействий с окружающей грунтовой средой следует учитывать разнообразие сейсмических воздействий, а также, что может оказаться главным, последствия сейсмического воздействия на окружающий трубопровод грунт.

4. Особенности расчета нефтепроводов в сейсмических районах. Магистральные трубопроводы допускают возможность развития пластических деформаций или подвижек без разрушения целостности конструкции. Расчеты подземных трубопроводов на сейсмостойкость [1, 4, 5, 7, 8], а также данные наблюдений [2, 7, 8, 9] показывают, что в определенных условиях при относительно невысокой интенсивности сейсмического воздействия стальные трубопроводы переносят землетрясения без значительных повреждений.

В условиях очевидной неопределенности типа, интенсивности и направления возможного сейсмического воздействия, переменчивости инженерно–геологического строения грунтового основания вдоль трубопровода, нормативный расчет [1] на сейсмические нагрузки по необходимости носит упрощенный условный характер.

Предполагается, что сейсмическое воздействие вызвано только плоской продольной Р-волной, распространяющейся вдоль оси трубопровода, что теорией, экспериментом и наблюдениями считается наиболее опасным. Если при этом принять гипотезу «замороженной волны», то дополнительные наибольшие напряжения в металле трубы от действия сейсмических сил выражаются формулой [8]:

                                            ,                                        (1)

где  –  коэффициент защемления трубопровода в грунте;  –сейсмическое ускорение;  – модуль упругости металла,  – период сейсмических колебаний,  – скорость распространения продольной волны.

Формула (1) дает явно завышенные значения дополнительных напряжений. В действующих нормах [1] эти напряжения рекомендуется находить по формуле (2), дающей почти в четыре раза меньшие значения:

                                                                            ,                                 (2)

где  – коэффициент ответственности трубопровода,  – коэффициент повторяемости землетрясений.

Не рассчитываются напряжения, возникающие от воздействия других типов волн.

Выводы:

1. Нормативный расчет на сейсмические воздействия [1] не рассматривает возможность нарушения сплошности среды при землетрясениях. Не устанавливаются предельные перемещения берегов трещин в зависимости от типа грунтов и компенсирующей способности трубопровода, при которых трубопровод остается в рабочем состоянии.
2. Указывая на повышенную сейсмическую опасность в местах пересечения трубопроводом границы резкого изменения свойств грунтового основания, нормы не предлагают метода количественной оценки увеличения возможных напряжений и деформаций по сравнению с дополнительными напряжениями от сейсмического воздействия на трубопровод в однородной среде.
3. Сейсмическое воздействие на толщу макропористых малосвязных грунтов с пористостью, большей критической, приводит к деформации земной поверхности, сопоставимой по величине с деформаций на подрабатываемых территориях.

Литература

1. СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* (с Изменением N 1)
2. Эйби Дж. А. Землетрясения: Пер. с англ. – М.: Недра, 1982. – 264 с.
3. Основания, фундаменты и подземные сооружения (Справочник проектировщика) / М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др.; Под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. – М.: Стройиздат, 1985. – 480 с.
4. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. Справочное пособие. – М:, Недра, 1982. – 341 с.
5. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия (Справочник проектировщика) / М.Ф. Барштейн, Н.М. Бородачев, Л.Х. Блюмина и др.; Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Бабичева. – М.: Стройиздат, 1981. – 215 с.
6. Амензаде Ю.А. Теория упругости. – Изд. 3-е, доп. – М.: Высшая школа, 1976. – 272 с.
7. Ш. Окамото. Сейсмостойкость инженерных сооружений: Пер. с англ. – М.: Стройиздат, 1980. – 341 с.
8. Гехман А.С., Зайнетдинов Х.Х. Расчет, конструирование и эксплуатация трубопроводов в сейсмических районах. – М.: Стройиздат, 1988. – 188 с.
9. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. – М.: Недра, 1985. – 231 с.