Введение к работе
Актуальность работы. Специфика многониточных систем магистральных газопроводов (МГ) на примере газопроводов зоны ответственности ООО «Се-вергазпром», в научно-исследовательском и проектно-изыскательском отношениях уже несколько десятилетий изучаемых учеными и специалистами филиала ООО «ВНИИГАЗ» — «Севернипигаз», заключается в том, что в одном технологическом коридоре уже проложены четыре нитки газопроводов, рядом строится МГ СРТО - Торжок и проектируется МГ Ямал - Европа. Такой подход к проектированию и строительству газопроводов считается наиболее предпочтительным. В эксплуатации находится в однониточном исчислении немногим более 9 тыс.км газопроводов диаметром 720-1420 мм с проектным рабочим давлением 5,4 - 7,4 МПа. Система протяженностью около 1600 км (рис.1) пересекает на своем пути участки повышенной сложности по условиям рельефа, строительства, эксплуатации и геоэкологической безопасности: 22 реки, 9 из которых судоходные, 29 железных и 136 категорированных автомобильных дорог, 70% трассы проходит по сильно обводненной и заболоченной местности, 292 км МГ проложено в горной местности. Немногим более 58% газопроводов эксплуатируются от 21 до 33 и более лет, 3% выработали установленный ресурс эксплуатации (33 года), 12% эксплуатируются от 11 до 20 лет.
Научно-техническая проблема обеспечения устойчивости и безопасной эксплуатации объектов линейной части (ЛЧ) МГ, в первую очередь, находится в зависимости от главной выдвигаемой причины возникновения этой проблемы, которой в газовой отрасли считается коррозионное растрескивание под напряжением трубных сталей (КРН), или стресс-коррозия, изучаемая в ранге отраслевой программы. На протяжении многих лет главное внимание при определении причин аварийности на МГ уделялось выявлению технических и технологических причин, лишь попутно иногда, в экстремальных условиях (карст, криолито-зона и т.п.), отмечались и факторы воздействия окружающей среды (ОС), придавая им второстепенное значение и никак их не анализируя.
(Ч І'АЯ
L. hA
ы Lh с. o>l»f
Рисі. Схема трассы коридора МГ ООО «Севергазпром» и число аварий за 1981-2004 гг. по участкам ЛПУ МГ
За 1981-2004 гг. (рис.2) на МГ ООО «Севергазпром» произошло 73 аварийных отказа (не считая инцидентов), главной причиной большинства из них признавалась весьма однозначно - КРН, или стресс-коррозия, без привлечения
каких-либо факторов внешнего воздействия.
Рис.2. Распределение аварийных разрушений линейной части за 1981-2004 гг. для труб МГ диаметром 720 -1420 мм
Подобное распределение по годам эксплуатации, казалось Ьы, должно oby-словить равномерное распределение аварий по трассе МГ на основании статистически-вероятностного принципа распределения случайного признака или случайных величин. Однако автором было выявлено «волновое» распределение аварийности с периодом 9-11 лет и определенная локализация точек возникновения аварийных ситуаций по реї ионам и по участкам коридора трассы МГ.
Расстояние от КС км
Рис.3. Распределение аварийности на МГ ООО «Севергазпром» за 1981-2004 гг. по расстояниям от КС до мест аварий
В то же время, за 1970-2004 гг. на 18 участках протяженностью от нескольких сот метров до 11 км произошло 66 аварий, или 55,9% от общего числа аварий по трассе МГ. При этом, общая протяженность коридора участков с неоднократными авариями составила всего порядка 6% от общей длины Северного коридора МГ. Проведенный автором подробный анализ распределения мест аварийности за 1981-2004 гг. в зависимости от расстояний мест аварий до компрессорных станций (КС) также показал его нелинейность (рис.3), отсутствие какой-либо закономерности, то есть техногенные факторы (в т.ч. температура и давление газа) также не оказали какого-либо существенного влияния на распределение по трассе МГ мест аварий.
Прокладка трасс магистральных газопроводов и их дальнейшее функционирование нарушают природное равновесие. Трансформация ландшафтов в зоне строительства сопровождается изменением рельефа, повреждением растительного и почвенного покровов, нарушением гидрогеологического режима. В результате активизируются существующие и появляются новые геоэкологические процессы, вызванные техногенным воздействием на природную среду, особую опасность представляют склоновые процессы. Но начатое в 1996 г. ООО «Север-газпром» изучение важности внешних, геоэкологических факторов, воздействующих на магистральные газопроводы не получило развития и должного завершения, хотя, как показывают новые фактические данные, их роль весьма существенна.
Проведенные диссертантом в последние годы исследования с применением разрабатываемой инженерно-геоэкологической методологии позволяют рассматривать внешнее воздействие на магистральный газопровод как широкий и многосторонний, а главное - решающий процесс в росте числа аварий и их местоположение по трассе после ряда лет эксплуатации МГ.
Цель исследований. 1. Назревшая необходимость изучения воздействия внешних факторов окружающей среды на магистральный газопровод. 2. На основе анализа предшествующих исследований МГ и ОС, а также методов и средств повышения устойчивости МГ, разработать и предложить методологию оценки МГ и ОС как единой природно-технической геосистемы (ПТГ) для учета и прогнозирования факторов геоэкологического воздействия на МГ на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации.
Связь темы диссертации с предшествующими исследованиями. Выполненный анализ материалов по тематике диссертации более чем 100 наименований показал, что для определения технического состояния ЛЧ МГ необходимы наблюдения как за самим газопроводом, так и за развитием геодинамических процессов, происходящих на трассе. На территории Республики Коми геодинамические исследования ЛЧ МГ для ООО «Севергазпром» проводились ООО
7 «Север ЭКО» с 1996 г. по 2001 г. и охватывали 480 км трассы. Выявленные зоны неотектонических нарушений были подтверждены как аномальные данными гидрогазобиогеохимических и геофизических исследований. В 2002-2004 гг. ООО «Отряд Эврика», с участием диссертанта, выполнялись научно-исследовательские работы по оценке природных и техногенных воздействий на надежность металлических газопроводных конструкций в северных условиях. Результаты анализа материалов и исследований в значительной мере были положены автором в основу подготовки диссертации. Основные задачи исследований.
-
Охарактеризовать МГ как подсистему единой ПТГ, зависимой от взаимодействия двух подсистем.
-
Разработать методологию прогнозирования устойчивости, надежности МГ как подсистемы ПТГ, с позиций инженерной и геологической экологии.
-
Аргументировать связь мест размещения аварийных разрушений МГ с ландшафтными и геологическими условиями вмещающих их участков, определенную локализацию аварий с учетом ведущей роли геоэкологических региональных факторов, многократно ускоряющих и усиливающих действие внешних локальных факторов.
-
Показать закономерности пространственно-временного развития аварийных ситуаций на МГ первоначально от техногенных причин образования и до внешних природных причин их возникновения в последующем под воздействием геологической я ландшафтной сред на определенных неотектонически активных участках.
-
Показать закономерность локализации КРН на участках склоновых геоморфологических элементов.
-
Отобразить негативное, ускоряющее воздействие на металл трубы определенных техногенных факторов (выбросы и отходы металлургических и нефтехимических предприятий, электромагнитное излучение от высоковольтных линий электропередач).
Научная новизна. Впервые с позиций инженерной экологии и геоэкологии магистральный газопровод и окружающая среда рассматриваются как две взаимодействующие подсистемы в единой ПТТ, где воздействию окружающей среды придается кардинальное значение. Для выделения роли окружающей среды произведена систематизация внешних факторов воздействия ОС с разделением их на региональные и локальные.
Предложена разработанная для практического применения методология прогнозирования воздействия геоэкологических факторов на устойчивость МГ с выделением факторов неотектонического и криологического разрушающего воздействия на металлические МГ и другие инженерные сооружения.
Основные защищаемые положения диссертации следующие:
-
Выделение и характеристика магистрального газопровода как подсистемы единой ПТГ, где второй подсистемой служит окружающая среда. Взаимодействие подсистем определяет разработанный методологический подход к исследованиям надежности, или устойчивости МГ, как подсистемы единой ПТГ на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации с позиций инженерной экологии и геоэкологии.
-
Аварийные ситуации на МГ имеют определенную геоморфологическую и геодинамическую пространственную приуроченность и локализацию, обусловленные неотектоническими деформациями, как их главной причиной регионального геодинамического характера и затем - локальными геологическими причинами. Причем, первый фактор является определяющим относительно локальных разрушающих факторов воздействия (гидрогеохимического, биогеохимического, электрохимического и др.).
-
Аварийные ситуации на МГ имеют свое закономерное пространственно-временное развитие: а) первоначально они имеют сугубо техногенные причины и случайный характер их распределения; б) в последующем, по нарастающей во времени, они локализуются в неотектонически ослаб-
9 ленных зонах (НЮЗ) трассы МГ, где возрастают напряжения металла трубы и резко усиливается воздействие геоэкологических факторов.
-
В условиях НТОЗ процессы КРН трубных сталей многократно усиливаются в пределах склоновых геоморфологических элементов, как геодина-мически максимально активных зон, где склоновые процессы локализуют в себе внешние воздействия и ускоряют разрушение МГ.
-
Гораздо менее подвержены аварийности, благодаря ослабленному влиянию внешних факторов воздействия, газопроводы, проложенные наземным и надземным способами, что в современных условиях требует расширения комбинированного способа прокладки МГ, особенно на склоновых и присклоновых геодинамически напряженных участках.
Практическая ценность работы. В диссертационной работе проанализированы и оценены случаи аварийности по трассе МГ ООО «Севергазпром» за период 1981-2004 гг., дополненные данными за 1970-1980 гг., с учетом геоэкологических факторов воздействия в различных сложных ландшафтно-климатических и геологических условиях, на участках Вуктыльского, Сосно-горского, Синдорского, Шекснинского ЛПУ МГ. По результатам исследований предложена разработанная для практического применения при проектировании, строительстве и эксплуатации методология прогнозирования воздействия геоэкологических факторов на устойчивость МГ.
