Причины возникновения аварийных ситуаций
Работы по исследованию причин аварий на магистральных трубопроводах условно можно разделить на два направления:
· выявление и изучение источников опасностей с целью оценки интегральных показателей безопасности системы на основе имеющейся статистической информации;
· изучение зарождения и развития конкретных дефектов под влиянием действующих факторов и условий с точки зрения механики разрушения.
Для выявления элементов, лимитирующих надежность трубопроводной системы Республики Беларусь, проанализируем статистику аварий по данным журналов регистрации аварий и инцидентов на примере предприятий трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов (рисунок 1.6). Распределение интенсивности возникновения аварий на линейной части магистральных трубопроводов в Республике Беларусь в целом совпадает с классическим графиком, используемым при анализе надежности и представленным на рисунке 1.7. [130 с.12]. На первом и втором этапе эксплуатации происходит «приработка» трубопровода. Отказы в эти периоды вызваны в основном низким качеством выполнения строительно-монтажных работ. После устранения крупных дефектов интенсивность отказов снижается и остается практически постоянной (3 период). Затем снова происходит монотонный рост интенсивности отказов, что связано со старением трубопровода (4 период). Отклонения в виде всплесков аварийности вызваны тем, что система магистральных нефтепроводов вводилась поэтапно и в периоды снижения аварийности в целом по системе совпадали с пиковыми значениями количества аварий для вновь построенных магистральных трубопроводов. При этом удельное количество аварий на единицу длины магистрального трубопровода в Республике Беларусь и сопредельных странах практически одинаково.
Несмотря на большой срок эксплуатации всей системы магистральных трубопроводов Республики Беларусь значительного роста аварий не наблюдается. Данное обстоятельство можно объяснить предпринимаемыми мерами по повышению надежности и безопасности линейной части, основными из которых являются: снижение рабочего давления, периодические диагностические обследования с помощью внутритрубных инспекционных приборов высокого разрешения и проведение выборочного ремонта. Особое внимание диагностическим обследованиям эксплуатируемых коммуникаций и системе выборочного ремонта также уделяется и в Российской Федерации. [151]. В результате диагностических обследований выявляется значительное количество дефектов различного типа.
Рис. 1.6 – Изменение интенсивности аварий в Республике Беларусь
Рис. 1.7 - Основные периоды функционирования трубопровода
В качестве примера проанализируем результаты диагностических обследований магистрального нефтепродуктопровода «Участок №41». По данным технических отчетов в результате пропуска диагностических снарядов выявлено более полумиллиона особенностей [47, 48, 49, 50, 51]. Зарегистрированы дефекты следующих типов: дефекты стенки трубы (внутренняя и внешняя потери металла, расслоения, включения), дефекты геометрии трубы (вмятины и гофры), аномалии продольных и поперечных швов, которые классифицированы как смещения, несплошности плоскостного типа (непровары, трещины, несплавления). Из всего объема обнаруженных дефектов 99,8% составляют дефекты типа «потеря металла». В тоже время более 80% данных дефектов имеют малые геометрические размеры – менее 20% от толщины стенки трубопровода. В результате проведенного анализа месторасположения обнаруженных дефектов тела трубы магистрального нефтепродуктопровода на белорусском участке трассы выявлена значительная неравномерность их распределения, как в окружном, так и продольном направлениях (рис. 1.8). Это связано с рядом причин: разным возрастом эксплуатируемых труб (в течение эксплуатации происходила замена участков трубопровода); различными режимами эксплуатации основной магистрали и лупингов; другими факторами влияния. На первой половине графика находиться основная часть выявленных дефектов, что объясняется значительным возрастом проложенных труб. Второй особенностью данного участка является их расположение преимущественно в районе нижней образующей.
Рис. 1.8 – Распределение дефектов по окружности магистрального трубопровода «Участок №41»
Это связано с простоями трубопровода в результате проведения ремонтных работ или при использовании только одной нитки (основной или лупинга), во время которых растворенная в перекачиваемом продукте вода сепарировалась на нижней образующей и способствовала интенсификации коррозионных процессов. Возможно схожий эффект наблюдается и при осаждении присадок, используемых для увеличения производительности существующих магистралей транспорта нефти и продуктов ее переработки. Равномерное распределение дефектов по окружности трубы на участках, с меньшим сроком эксплуатации, для которых характерно незначительное количество дефектов (участки Б и В), говорит о том, что наиболее вероятной причиной их возникновения является равномерный коррозионный износ. Для последнего участка, где эксплуатируется трубопровод диаметром 377 мм, также характерен равномерный коррозионный износ. Отсутствие строчной коррозии на данных участках возможно связано с меньшим временем простоя данных участков. Большинство обнаруженных дефектов не являются опасными и не приведут к аварии, что подтверждается результатами научно-исследовательской работы по оценке технического состояния данного магистрального трубопровода [112]. В тоже время используемые в настоящее время средства диагностики, включая средства внутритрубной диагностики, не позволяют обнаружить все опасные дефекты (дефекты сварных соединений, трещины). Степень обнаружения опасных дефектов примерно 40-50% (на сварных соединениях ожидается больше дефектов, чем на основном металле труб) [24 с. 154].
Оценка опасности дефектов и соответственно разрушающее и допустимое давление в данной точке трубопровода может быть рассчитано по ряду методик [113, 114, 115, 124, 158 и др.]. В тоже время существующие методики не позволяют точно оценить допустимое давление на участках сварных соединений, имеющих дефекты. Таким образом, не выявленные дефекты сварных соединений, вместе с недостаточно развитым аппаратом их идентификации и оценки опасности вместе с разнородностью механических свойств сварных соединений и общей деградацией металла в течение длительной эксплуатации могут быть основной причиной аварий в настоящее время и в ближайшем будущем.
Последней аварией с тяжелыми последствиями являлось разрушение бесшовной трубы диаметром 377 мм и толщиной стенки 9 мм магистрального нефтепродуктопровода «Участок №41» в Бешенковичском районе на 361,7 км 23 марта 2007 года. Раскрытие магистральной трещины произошло по дефекту, классифицированному по результатам внутритрубной диагностики, как расслоение с потерей сигнала вблизи кольцевого сварного шва. Работа [57] посвящена анализу произошедшей аварии с точки зрения механики разрушения. Еще одна крупная авария произошла в 2003 году на резервной нитке подводного перехода нефтепровода «Мозырь-Брест» через озеро Глиницкое. Причиной разрушения стали коррозионные повреждения сварных швов [9 с. 78, 54].
Анализ причин произошедших аварий (Рис. 1.9) [1-А], проведенный по данным журналов учета аварий и инцидентов на предприятиях трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов Беларуси, показал, что наиболее значимым фактором происхождения аварий (57,7%) являются дефекты сварных соединений, что подтверждает изложенные выше рассуждения.
Рис. 1.9 – Причины аварий на магистральном транспорте нефти и нефтепродуктов Республики Беларусь
В таблице 1.4 приведены данные причин аварий и отказов на магистральных нефтепроводах АК «Транснефть» [116], где также основным фактором являются разрушение сварных соединений.
Таблица 1.4 – Причины аварий и отказов на магистральных трубопроводах АК «Транснефть».
| Причина отказа или аварии | Аварии по причине, % | Отказы по причине, % |
| Брак кольцевых сварочно-монтажных стыков | ||
| Коррозионные повреждения | ||
| Брак продольных заводских швов | ||
| Повреждения строительной техникой | ||
| Повреждение сторонними лицами |
Как видно из таблицы основной причиной аварий стал брак кольцевых сварочно-монтажных стыков. Всего же доля аварий по причине некачественного выполнения сварных соединений составила 55%, что совпадает с полученными нами данными.
В работе [27] проведен анализ отказов магистральных трубопроводов по маркам стали, толщине стенки труб и времени года. Исследователями обнаружена взаимосвязь между сезонными изменениями температуры грунта, а, следовательно, и металла трубы, и количеством разрушений кольцевых стыков. По разным данным от 51,6 до 81,4% разрушений происходит в холодные зимние месяцы [27 с. 244], что связано со снижением ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации. В работе [2] приводятся данные анализа отказов, наблюдавшихся на участках трубопроводов, построенных из трубной стали 17Г1С. Исследователями установлено, что более 80% отказов связано с разрушением труб по заводским сварным соединениям. В работе [39] отмечается, что на нефтепроводах почти 90% разрушений проходит по зоне термического влияния заводского шва. В литературе отмечается, что почти все разрушения имеют один и тот же характер: разрыв вдоль образующей по сварному шву или по зоне термического влияния, особенно на концах труб. При этом отсутствует заметное утонение стенки трубы у кромок разрыва, а также остаточные деформации по периметру трубы. Зачастую разрушение стенки труб происходит при средних рабочих давлениях в 2-2,5 раза ниже по сравнению с расчетным разрушающим давлением при однократном нагружении. Основной причиной разрушений отмечается низкая пластичность и вязкость сварных соединений в сочетании с концентрацией напряжений, вызванной формой усиления шва и неточной сборкой кромок труб под фаску. В работе [9] приведены результаты анализа эксплуатационных отказов магистрального нефтепровода, эксплуатируемого РУП «Гомельтранснефть «Дружба». Отмечается, что 80% всех аварийных ситуаций связано с разрушением труб по сварным соединениям, чему способствовала тяжелая работа трубопровода в предшествующий период эксплуатации [9 с. 74]. Разрушение происходит практически всегда при установившемся постоянном давлении от 4,0 до 6,0 МПа.
Совпадение причин аварий на магистральных трубопроводах Российской Федерации и Республики Беларусь объясняется тем, что условия строительства трубопроводов были идентичны и осуществлялись с использованием одинаковой нормативной базы. Продолжительную часть времени трубопроводы эксплуатировались в равных геополитических условиях. Кроме того, условия эксплуатации трубопроводов после распада Советского Союза коренным образом не изменялись и осуществлялись на прежней нормативной базе. Таким образом, ошибки, допущенные на стадиях проектирования, сооружения и на начальном этапе эксплуатации также были одинаковыми.
На основании приведенного выше анализа можно утверждать, что наиболее опасным элементом трубопроводной системы являются сварные соединения. Учитывая тот факт, что система магистральных трубопроводов работает за пределами нормативного срока эксплуатации необходимо проанализировать, какие изменения происходят с металлом труб и сварными соединениями в процессе длительной эксплуатации.
Тяжесть последствий аварий
Наиболее тяжелой катастрофой в истории трубопроводного транспорта считается авария на магистральном трубопроводе, перекачивающем широкие фракции легких углеводородов в 1989 году на участке Аша – Улу-Теляк, в результате которой пострадало около 1200 человек (573 убиты и 620 ранены) [24 с. 31]. Однако даже при авариях без социального урона убытки владельца трубопровода достаточно велики и складываются из возмещения величины экономического ущерба от загрязнения окружающей среды в соответствии с действующим законодательством, затрат на ликвидацию последствий аварии, стоимости потерянного продукта и упущенной выгоды от недопоставки транспортируемого продукта в течение проводимого ремонта.
Основные последствия аварий на магистральных трубопроводах проявляются в экологической сфере [14]. В работах [64, 66] наиболее полно с позиций системного подхода изложена концепция моделирования воздействия магистральных трубопроводов на окружающую среду. Особую опасность представляет загрязнение нефтью и нефтепродуктами водоемов хозяйственно-питьевого назначения и водотоков, так как течение переносит нефтепродукты на большое расстояние, увеличивая площадь загрязнения [10, 20, 34, 149].
Объем аварийных сбросов нефти и нефтепродуктов исчисляется тысячами тонн. Например, в странах Западной Европы за последние два десятилетия, среднегодовой уровень нефти, разлитой при авариях на нефтепроводах, колебался в пределах от 500 до 3000 м3 [164]. Однако, по оценкам российских специалистов, даже эти цифры являются заниженными [141].
По данным С. Флетчера [159], за период с 1986 по сентябрь 2000 года в США произошло 1184 аварии на газопроводах, закончившихся 55 несчастными случаями, 210 повреждениями и принесших 253,4 млн. долларов убытков. За этот же период произошло 2859 аварии на трубопроводах для перекачки жидкостей, закончившихся 36 смертельными случаями, 239 повреждениями и убытками в размере 563,4 млн. долларов и чистой потерей 1,6 млн. баррелей жидкости.
Крупными авариями, произошедшими на нефтепроводах в Республике Беларусь являлись аварии на подводном переходе нефтепровода Мозырь – Брест-I через озеро Глиницкое в 1974 и 2003 годах. Наиболее значительной аварией, произошедшей в последние годы в Республике Беларусь, является авария на магистральном нефтепродуктопроводе ЧУП “Запад-Транснефтепродукт” (глубина залегания - 1,2 метра, диаметр - 377 миллиметров, рабочее давление – 40 атмосфер) произошедшая 23 марта 2007 года в Бешенковичском районе.По заключению судебно-технической экспертизы, причиной разрыва трубопровода стало наличие в стенке трубы недопустимой комбинации дефектов: внутреннего трещиноподобного расслоения и заката, выходящего на внутреннюю поверхность трубы, которые вызвали критическое снижение конструктивной прочности трубопровода. По информации ЧУП “Запад-Транснефтепродукт”, предоставленной прокуратуре Витебской области, утечка дизельного топлива составила 223,9 т, собрано - 203,7 т, безвозвратные потери составили 5,6 т на поверхности земли и свыше 14,5 т в водоемах. Часть нефтепродуктов попала в мелиоративный канал, соединенный с рекой Свечанкой – притоком реки Улла, которая, в свою очередь, впадает в Западную Двину, по которой загрязнение добралось до Латвии. С начала ликвидации последствий прорыва трубопровода в этот канал, куда попали нефтепродукты, высыпано 5,76 тонны сорбента [13].
Таким образом, аварийные ситуации на магистральном трубопроводе могут привести к значительному социальному, экологическому и экономическому ущербу.