Файл: Интернетжурнал Транспортные сооружения Russian journal of transport engineering.pdf

Интернет-журнал «Транспортные сооружения»
Russian journal of transport engineering
2015, Том 2, №4 2015, Vol 2, No 4
ISSN 2413-9807 http://t-s.today
1 02TS415
Издательство «Мир науки» \ Publishing company «World of science» http://izd-mn.com
Интернет-журнал «Транспортные сооружения» / Russian journal of transport engineering http://t-s.today/
2015, Том 2, №4 / 2015, Vol 2, No 4 http://t-s.today/issues/vol2-no4.html
URL статьи: http://t-s.today/PDF/02TS415.pdf
DOI: 10.15862/02TS415 (
http://dx.doi.org/10.15862/02TS415
)
Ссылка для цитирования этой статьи:
Муравьева Л.В. Оценка опасности подводного трубопровода // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», Том 2, №4 (2015) http://t-s.today/PDF/02TS415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Muravieva L.V. [
Hazard assessment of undersea pipeline
] Russian journal of transport engineering, 2015, Vol. 2, no.
4. Available at: http://t-s.today/PDF/02TS415.pdf (In Russ.)
УДК 629.039.58
Муравьева Людмила Викторовна
1
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», Россия, Санкт-Петербург
Профессор кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство»
Доктор технических наук
E-mail: rfludmia@yandex.ru
Оценка опасности подводного трубопровода
Аннотация. Трубопроводные системы транспорта природного газа, нефти и нефтепродуктов стали важным регулятором экономики и государственной безопасности, важной составляющей международной политики. Подводный трубопровод является объектом повышенной опасности (потенциально опасным объектом, опасным производственным объектом). Большое внимание в статье сосредоточено на авариях подводных трубопроводов.
Выполнен анализ статистики отказов морских трубопроводов. В качестве универсальной характеристики безопасности рассмотрено понятие риска аварии. По сравнению с сухопутные морские газопроводы отличаются меньшей взрыво- и пожароопасностью при эксплуатации.
Но повреждениях морских трубопроводов требуют сложного ремонта.
Ключевые слова: оценка риска; морской трубопровод; разрушение; авария
Аварии на подводном трубопроводе обуславливаются крайне широким спектром факторов, воздействующих со стороны окружающей среды и других объектов.
Данные об аварийности подводных трубопроводов представлены в следующих базах данных: Британской Администрации по охране здоровья и безопасности для Северного моря;
Офиса по безопасности трубопроводов Министерства транспорта США для Мексиканского залива.
Морские подводные трубопроводы - отдельный класс гидротехнических сооружений, некоторые положения, изложенные в СНиП 33-01-2003, применимы к подводным трубопроводам: перечень нагрузок и воздействий, основные расчетные положения СП
38.13330.2012 позволяют рассчитывать нагрузку от волн на лежащие на дне трубопроводы.
Введение новых нормативных документов «Рекомендации по оценке безопасности магистрального газопровода при проектировании» (ОАО «Газпром»), Федеральный закон “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” от 21.07.97 № 116-Ф3,
1 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Интернет-журнал «Транспортные сооружения»
Russian journal of transport engineering
2015, Том 2, №4 2015, Vol 2, No 4
ISSN 2413-9807 http://t-s.today
2 02TS415
Издательство «Мир науки» \ Publishing company «World of science» http://izd-mn.com принятие новой директивы ЕвросоветаCouncilDirective 96/82/EC (концепция ALARA) показывает смену концепций обеспечения безопасности. Сейчас в мире складывается концепция «приемлемого риска», основу которой составляют методы вероятностного анализа безопасности.
Введение риска аварии в качестве универсальной характеристики безопасности означает революцию во взглядах на управление безопасностью.
Компоновка газотранспортной системы России из многониточных магистральных газопроводов в технологических коридорах создала высокую концентрацию энергетических трубопроводных мощностей [1, 2, 3, 4, 5].
Оценка безопасности основана на следующих условиях: проектирование, расчеты, изготовление, строительство, эксплуатация и техническое обслуживание подводного трубопровода должны отвечать всем требованиям нормативных документов Регистра [4] и соответствовать наилучшим применяемым технологиям.
В настоящее время сложилось следующая ситуация по оценке риска морских трубопроводов (табл. 1).
Таблица 1
Оценка риска морского трубопровода с учетом диаметра трубопровода
Table 1
Risk assessment of the offshore pipeline taking into account its diameter
Диаметр трубопровода, м
Риск возникновения аварий с утечками на морских трубопроводах/год/1000 км до 0,2
(0,15-1,5)10
-1 0,25-0,4
(0,23-2,3)10
-2 0,43-0,6
(0,18-1,8)10
-2 0,63-1
(0,27-2,7)10
-2
Уровень аварийности транспортных систем по разным данным составляет от 1·10
-5 до
1·10
-3
(1/год)/км.
Повреждение подводного трубопровода, сопровождается интенсивным затеканием воды в трубопровод [5, 6]. Заполняющая трубопровод вода, воздействует на газ в трубопроводе подобно движущемуся поршню рис. 1. В силу несжимаемости воды закон движения границы раздела вода-газ и краевое условие на этой границе можно получить, если считать объем воды в трубопроводе телом переменной массы, перемещающимся под воздействием приложенной к нему разности давлений, распределенной силы тяжести и силы трения воды о стенки трубы. Окончательно процесс затекания воды в трубопровод может быть описан путем интегрирования уравнений движения газа в области с подвижной границей x w
=x w
(t), на которой скорость и, совпадающая со скоростью движения воды в трубопроводе u w
=u w
(t), и давление р газа на данной границе должны быть связаны с координатой х
w
границы соотношениями:
????????
????
????????
= ????
????
,
????????
????????
+
????
2
????−????
0
=
1
????
????2????
????
????
−????
????−????
0
+ ????
????−????
0
????−????
0
− ????
????2????
????
2 2
,
(2) здесь х
b
и z b
- координата места повреждения трубопровода и его глубина, р
н
- давление воды в месте повреждения, z w
=z w
(t) - глубина трубопровода в точке, где проходит граница раздела вода-газ. РН2О=
Н2О - плотность воды и ее коэффициент гидравлического сопротивления.

Интернет-журнал «Транспортные сооружения»
Russian journal of transport engineering
2015, Том 2, №4 2015, Vol 2, No 4
ISSN 2413-9807 http://t-s.today
3 02TS415
Издательство «Мир науки» \ Publishing company «World of science» http://izd-mn.com
Рисунок 1. Схематическое изображение выброса газа при повреждении морского
трубопровода (рисунок автора)
Figure 1. Schematic illustration of gas blowout in case of the offshore pipeline damage
(author's figure)
Анализ аварий подводных трубопроводов показывает, что коррозия составляет (50% отказов), механические повреждения от внешних воздействий (20%), а повреждения, вызванные штормами составляют (12%), Эти повреждения составляют общий перечень отказов морских трубопроводов.
В работе [5] рассмотрены модели отказов трубопроводов от внешних механических воздействий. В основу исследований положено представление о формах повреждений подводных трубопроводов: повреждение продавливанием и образование вмятин. Данные формы повреждений рассмотрены отделением научных и опытно конструкторских работ
ВritishGаs [6].
По данным отчета по аварийности [9], частота утечек про аварии подводного трубопровода на расстоянии 100м от платформы представлена в табл. 2.
Таблица 2
Частоты утечек при аварии подводных трубопроводов на расстоянии
100 м от платформы
Table 2
Frequency of the oil leaks in the accident of undersea pipelines at a distance
of 100 m from the platform
Причина
Доля, %
Поправочный коэффициент
Трубопроводы (на км в год в пределах 100 м от платформы)
Удар
40 3
Коррозия
31 1,875
Дефект
16 0,324
Естественные
1 1
Другие
12 1
Всего
100
Зона поверхностного потока
Зона установленного потока
Зона установления потока

Интернет-журнал «Транспортные сооружения»
Russian journal of transport engineering
2015, Том 2, №4 2015, Vol 2, No 4
ISSN 2413-9807 http://t-s.today
4 02TS415
Издательство «Мир науки» \ Publishing company «World of science» http://izd-mn.com
Авторами [4, 5] рассмотрены Процессы продавливания труб. Отметим, что эти повреждения по методике ВritishGаs, описываются уравнениями кольцевого разрушения:
0 ≤ ???? ≤ ????
????
→ ????
????
= 4.48×????×????????× [
(????/????)
3
(1−????/????)
3
] ×???? = ????
1
×????,
????
????
≤ ???? → ????
????
= 4.48×????
????
×????????× [
(????/????)
2
(1−????/????)
] ×???? = ????
2
×????,
????
????
=
40×????
????
×????????
(????
1
−????
2
)
×(????/????)
2
×(1 − ????/????),
(3) где F
R
- сила кольцевого сжатия; t - толщина стенки трубопровода; 
F
- предел текучести, Le - эффективная длина повреждения,  - глубина в центре вмятин; D - внешний диаметр, Е - модуль Юнга.
Расчет морского газопровода производится на наиболее неблагоприятное сочетание реально ожидаемых нагрузок. Блок-схема анализа риска подводного трубопровода представлена на рис. 2.
Оценка безопасности должна учитывать аварийные ситуации, возникающие в результате следующих воздействий и нагрузок:
• экстремальных гидрометеоусловий;
• сейсмических явлений;
• опасных геологических явлений на морском дне;
• опасных гидрологических явлений;
• отказов технологического оборудования;
• ошибки операторов при эксплуатации трубопровода;
• сочетаний этих событий, явлений и условий.
Риск
Воздействие транспортируемой среды
Внешнее воздействие третьих лиц
Операционные воздействия
Отказы оборудования
Опасные геологические воздействия
Недопустимые параметры транспорт. среды
Рыболовецкие сети
Отказы запорной арматуры
Просадки донных грунтов
Якоря судов
Отказ соединений
Землетрясения
Рисунок 2. Блок-схема анализа риска подводного трубопровода (рисунок автора)
Figure 2. Block diagram of risk analysis of the undersea pipeline (author' figure)
Нагрузка, возникающая с частотой менее 10
-4
в год на километр газопровода обозначается как случайная [1]. Нормы регламентируют, что при учете случайных нагрузок учитывать как вероятность их возникновения, так и возможные последствия случайных нагрузок.

Интернет-журнал «Транспортные сооружения»
Russian journal of transport engineering
2015, Том 2, №4 2015, Vol 2, No 4
ISSN 2413-9807 http://t-s.today
5 02TS415
Издательство «Мир науки» \ Publishing company «World of science» http://izd-mn.com
Причинами случайных нагрузок могут быть:
• сейсмическое воздействие;
• взрыв;
• внезапная разгерметизация.
Разрыв газопровода связан, с действием внутреннего давления, разрушение трубопровода происходит в результате раскрытия стенки трубы под действием кольцевых напряжений. Для исключения разрывов необходимо ограничивать уровень кольцевых напряжений по отношению как к пределу текучести, так и пределу прочности материала труб.
Скорость звука в воде (около 1500 м/с) существенно выше, чем в сжатом газе (при давлениях
10–15 МПа она составляет 400–470 м/с), поэтому волна сжатия «отрывается» от границы контакта «газ – жидкость».
При общем изгибе газопровода в зоне действия сжимающих продольных напряжений происходит смятие стенки газопровода (местная потеря устойчивости). Необходимо ограничивать уровень изгибных деформаций в сечении газопровода для предотвращения местного смятия.
Должны выполняться следующие условия ограничения как относительных, так и абсолютных значений изгибных деформаций:
Местная устойчивости стенки трубопровода обеспечивается назначением соответствующей толщины стенки трубы, при известных изгибных деформациях и начальной овальности сечений труб.
Определения общей изгибной деформации и осевой деформации сжатия-растяжения трубопровода должны базироваться на применении моделей МКЭ [4], учитывающих упругопластические деформации материала труб (физическую нелинейность), а также конструктивные решения узлов трубопровода.
Критериями прочности конструкции трубопровода являются эквивалентные напряжения следует определять по уравнению Мизеса [4].
В Правилах [4] принята концепция «приемлемого риска» (ALARP – as low as reasonably practicable), основанная на принципе «предвидеть и предупредить» и принятая большинством международных и национальных классификационных обществ.
Степень риска аварий технической системы определяется на основании анализа совокупности значений показателей риска, выявленных при анализе нежелательных событий, способных при определенных условиях приводить к авариям: нарушение герметичности трубопровода, отказ систем предупреждения, сигнализации и контроля, ошибки обслуживающего персонала, неблагоприятные гидрометеоусловия, внешние механические воздействия
В отношении эксплуатации трубопровода критическими считаются участки, где частота пересечения трубопровода судами превышает нормативное значение 250 судов/км/год. Данное значение соответствует менее 1 судну/км/день и используется для выделения участков трубопровода с интенсивным судоходством.
Интенсивность отказов фактически является интенсивностью повреждения трубопровода; лишь некоторая доля повреждений, как ожидается, приведет к выбросу газа
(например, повреждением может являться вмятина на трубопроводе, мешающая внутренней чистке трубопровода скребками до проведения ремонтных работ).

Интернет-журнал «Транспортные сооружения»
Russian journal of transport engineering
2015, Том 2, №4 2015, Vol 2, No 4
ISSN 2413-9807 http://t-s.today
6 02TS415
Издательство «Мир науки» \ Publishing company «World of science» http://izd-mn.com
Расчеты показывают, что в металле трубопроводов, транспортирующих жидкие и газообразные продукты, накапливается примерно равное количество упругой энергии, а вот запасы упругой энергии, аккумулированной перекачиваемым продуктом, для магистральных газопроводов и нефтепроводов оказываются совершенно несопоставимы.
В качестве примера приведены значения запасов упругой энергии в перекачиваемом продукте для наиболее распространенных параметров магистральных трубопроводов [7]. Так в газопроводе диаметром 1420 мм, при давлении транспортируемого продукта 7,5 МПа запас упругой энергии составляет 51,33 МДж/м, а в газопроводе диаметром 1220 мм, при давлении транспортируемого продукта 5,5 МПа запас упругой энергии составляет 25,79 МДж/м.
В отличие от разрыва сухопутного газопровода при разрыве подводного большая часть потенциальной энергии сжатого газа переходит в кинетическую энергию воды в форме скоростного напора, следующего за фронтом волны сжатия в жидкости.
В работе [6], исследовано влияние наличия бетонного покрытия подводного газопровода на скорость развития трещины в трубе. На основании экспериментальных данных и скорости развития трещины в трубе с бетонным покрытием и без него отличается не более чем на 7%. Таким образом, наличие бетонного покрытия оказывает несущественное влияние на скорость распространения трещины в трубе.
При проектировании заглубленных в грунт сооружений возникает ряд проблем, связанных с необходимостью их расчета на действие динамических нагрузок. Такие нагрузки возникают при сейсмических воздействиях, взрывных работах в карьерах.
В случае полно-проходного разрыва трубопровода входной клапан трубопровода будет закрыт, а с помощью выходного клапана из трубопровода будет откачано максимально возможное количество газа.
Выполнено моделирования разрушения подводного газопровода 40612мм. Рабочее давление транспортируемого продукта 10МПа.
Эквивалентное напряжение в подводном трубопроводе, вычисляется по теории Мизеса,
σ
eq
, МПа.
????
????????
= √????
ℎ
2
− ????
ℎ
????
1
+ ????
1 2
+ 3????
2
,
(4) где σ
h
— кольцевое напряжение от внутреннего давления, Па, определяемое по [4];
σ
1
— продольное напряжение, МПа; τ — касательное напряжение (напряжение сдвига), МПа.
Рисунок 3. Распределение эквивалентных напряжений в месте дефекта
(

max
=1.93e+004т/м
2
) (рисунок автора)
Figure 3. The distribution of equivalent stresses in the place of defect (
max=1.93 e+004t/m
2
)
(author's figure)
ЛИТЕРА
Загружение 1
Изополя эквивалентных напряжений NE04
Средний слой
Единицы измерения - т/м**2 5.23e+003 7.57e+003 7.57e+003 9.91e+003 9.91e+003 1.22e+004 1.22e+004 1.46e+004 1.46e+004 1.69e+004 1.69e+004 1.93e+004
X
Y
Z